СПОСОБ РЕЗКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СТРУЕЙ, НЕСУЩЕЙ АБРАЗИВНЫЙ ПОРОШОК Российский патент 1995 года по МПК B24C1/00 

Изобретение относится к эрозионной обработке твердых материалов с применением абразива и может быть использовано для резки кирпичных кладок, бетонных панелей, железобетонных конструкций, твердых скальных пород и т.п.

Известен способ механической эрозионной очистки изделий струей пара, используемой в качестве энергоносителя (Кузнецов Н.В. Лужнов Г.И. и Кропп Л.И. Очистка поверхностей нагрева котельных агрегатов. М.-Л. Энергия, 1966, 1 раздел) давлением до 4 МПа при температуре 450^оС. Он получил широкое распространение в системах очистки загрязненных поверхностей труб в паровых котлах, работающих на зольных топливах. Паровая струя таких параметров не обладает достаточной энергией для эффективной эрозионной очистки и тем более резки твердых материалов, конструкций, скальных пород.

Известен пескоструйный способ очистки поверхностей (патент Японии N 2-88174, кл. В 24 С 9/00), где активным элементом является струя сжатого воздуха, несущая песок в качестве абразива. В этом способе энергия воздушной струи, создаваемой компрессором в пескоструйных установках, также мала, к тому же последние требуют больших затрат электроэнергии на сжатие воздуха,
Известен способ влажной пескоструйной обработки (очистки) загрязненных инструментов или элементов оснастки атомных электростанций (заявка Японии N 62-40145, кл. В 24 С 3/00), заключающийся в получении газоносителя путем сжатия компрессором пара низкокипящего вещества, подаче в струю носителя другим насосом (или за счет эжекции) моющей жидкости и абразива и ускорении их в разгонном сопле. При этом газ и моющая жидкость выбраны одного состава (фурон) с температурой кипения при атмосферном давлении, близкой к комнатной. Такое сочетание позволяет путем частичной конденсации (испарения) жидкости поддеpживать заданным давление в герметичной рабочей камере.

Однако мощность этих струй не велика, и для резки твердых материалов способ не приемлем. К тому же с ростом мощности резко растет расход электроэнергии на сжатие газа (пара) с малоэффективным ее использованием.

Наиболее близким к изобретению является способ резки скальных пород и твердых материалов высокотемпературной энергетической струей, образованной продуктами сгорания жидкого топлива, несущей абразивный порошок (патент США N 4384434, кл. 51-410).

Способ заключается в получении энергоносителя продуктов сгорания жидкого топлива путем сжигания его в горелке камеры сгорания, регулируемой подаче абразивного порошка из дозатора, смешении полученного энергоносителя с абразивным порошком, ускорении полученной смеси в сверхзвуковом разгонном сопле и направлении ее на разрезаемое изделие. Регулирование концентрации абразивного порошка в смеси осуществляется управляемой подачей в дозатор дозирующего агента топлива. При этом можно получить поток газового энергоносителя при температуре Т= 2000^оС, давлении Р до 4 МПа, скорость газового потока с абразивом до 1700 м/с. Существенную роль для получения таких параметров играет запасенная тепловая энергия (адиабатическое расширение).

Однако на сжатие холодного воздуха требуется высокий расход электрической энергии, к тому же усложняется установка за счет охлаждения трубопроводов и корпуса резака, работающих при столь высоких температурах.

Изобретение решает задачу создания эффективного способа резания твердых материалов с использованием тепловой энергии перегретого водяного пара высокого давления и небольшими затратами по вложенной электрической энергии.

Использование изобретения позволяет получить сверхзвуковую струю скоростью 1300-1500 м/с энергоносителя перегретого водяного пара высокого давления, содержащего абразив с существенно более низкой температурой (400-550^оС) энергоносителя, в связи с чем в отличие от высокотемпературного резака нет необходимости в организации системы охлаждения трубопроводов и корпуса резака. При этом вложенная электроэнергия значительно меньше, так как идет только на сжатие жидкой фазы воды ( ≈ в 100 раз меньше, чем при сжатии воздуха в высокотемпературном резаке на продуктах сгорания).

Сущность изобретения заключается в том, что в способе резки энергетической струей, несущей абразивный порошок, заключающемся в получении энергоносителя, регулируемой подаче абразивного порошка из дозатора путем подвода к нему дозирующего агента, смешении полученного энергоносителя с абразивным порошком, ускорении полученной смеси в разгонном сопле и направлении ее на разрезаемый объект, в качестве энергоносителя используют перегретый водяной пар при температуре Т=400-550^оС, давлении 3-25 МПа, концентрация абразивного порошка дисперсностью 50-200 мкм в смеси составляет 1-5 мас. причем подачу порошка и его концентрацию в смеси регулируют введением дозирующего агента в верхнюю и нижнюю части дозатора.

При этом в качестве дозирующего агента может быть использован перегретый водяной пар при следующих расходах: G_1верх/G_о 0,05-0,15, G_1нижн/G_о 0,02-0,20 или сжатый воздух при следующих расходах: G_2верх/G_о 0,01-0,02, G_2нижн/G_o 0,001-0,02, где G_о полный расход водяного пара из генератора пара; G_1верх расход пара, подаваемого в верхнюю часть дозатора; G_1нижн. расход пара, подаваемого в нижнюю часть дозатора; G_2верх расход сжатого воздуха, подаваемого в верхнюю часть дозатора; G_2нижн расход сжатого воздуха, подаваемого в нижнюю часть дозатора.

Большая скорость энергоносителя, содержащего абразив, достигается за счет адиабатического расширения перегретого водяного пара в сверхзвуковом разгонном сопле, при котором в механическую энергию потока переходит тепловая энергия с более низкой температурой энергоносителя.

Из результатов исследований вытекает, что чем больше давление и температура пара, тем выше эффективность резки. При давлении ниже 3,0 МПа и температуре меньше 400^оС эффективность резки, в частности, железобетона резко падает. Разделка железобетонных конструкций на элементы становится дороже традиционных методов резки. С повышением давления более 25 МПа и температуры выше 550^оС приходится для пароперегревателей парогенераторов использовать специальные стали и технологии изготовления их элементов, что удорожает стоимость пара. В связи с этим наиболее оптимальными параметрами пара для пароабразивной резки при современном уровне паротехники являются давление Р 3,0-25 МПа и температура Т400-550^оС.

Одновременная подача дозирующего агента пара или сжатого воздуха в дозатор сверху и снизу позволяет активно регулировать расход абразива и концентрацию его в режущей паровой струе. Подача пара в верхнюю часть дозатора с расходом G_верх/G_о0,05-0,15 позволяет обеспечить вытекание абразива из дозатора, причем при G_1верх/G_о<0,05 эффективность вытекания абразивного порошка падает и порошок может "зависать" в дозаторе, а при G_1верх/G_o > 0,15 пар создает канальный эффект и проскакивает в выходное отверстие. Подача пара в нижнюю часть дозатора улучшает сыпучесть абразива за счет местного псевдоожижения, нарушает связи между частицами абразива, причем при расходе пара G_1нижн/G_о < 0,02 происходит недостаточное псевдоожижение, а при расходе G_1нижн/G_о > >0,2 пар используется нерационально, так как он оттесняет абразив, начинает проскакивать сразу в выходное отверстие.

Подача сжатого воздуха сверху в дозатор способствует выдавливанию абразива из дозатора. При расходе воздуха G_2верх/G_о < <0,01 происходит зависание порошка в дозаторе, а при расходе воздуха G_2верх/G_о > >0,02 эффект его увеличения не оправдывает дополнительных энергетических затрат.

Подача воздуха в дозатор снизу позволяет взрыхлить абразивный порошок. При расходе воздуха G_2нижн/G_о < 0,001 взрыхления не происходит, а при расходе воздуха G_2нижн/G_о > 0,02 значительная часть воздуха уходит в образующиеся каналы в выходное отверстие. Кроме того, вытекающий с абразивом из дозатора воздух исключает диффузию пара в дозатор и снижает опасность его конденсации и увлажнения абразива.

При концентрации абразивного порошка дисперсностью 50-200 мкм и 1-5 мас. в смеси достигается необходимый режущий эффект, позволяющий разрезать твердые материалы. При концентрации абразива в смеси < 1 мас. резко падает эффективность резки изделия, а при концентрации абразива в смеси > 5 мас. достаточно сильно возрастает эрозия разгонного сопла.

Дисперсность порошка в указанных пределах обеспечивает оптимальные режущие свойства смеси: при d < 50 мкм падает эффективность резания за счет недостаточной массы (и энергии) частиц, а при d>200 мкм частицы не успевают разгоняться, что также ведет к снижению эффективности резки.

Способ осуществляют следующим образом. Получают энергоноситель перегретый водяной пар при температуре Т 400-550^оС, давлении Р 3-25 МПа. Направляют по- лученный пар в смеситель энергоносителя и абразивного порошка (дисперсность порошка 50-200 мкм). Регулируя расход подаваемого дозирующего агента в верхнюю и нижнюю части дозатора абразива и, таким образом, подачу абразива в смеситель, достигают концентрации абразивного порошка в смеси 1-5 мас. Возможно регулирование подачи и концентрации абразивного порошка дозирующим агентом паром. При этом полученный пар распределяется следующим образом: часть пара при расходе G_1верх/G_о 0,05-0,15 подают в верхнюю часть дозатора, часть пара при расходе G_1нижн/G_о 0,02-0,20 в нижнюю часть дозатора, остальной пар в смеситель энергоносителя и порошка.

При осуществлении регулирования подачи из дозатора и концентрации абразивного порошка в смеси сжатым воздухом в верхнюю и нижние части дозатора подают сжатый воздух при давлении выше давления перегретого пара основного энергоносителя при температуре окружающей среды и следующих расходах G_2верх/G_о 0,01-0,02, G_2нижн/G_о 0,001-0,02. Полученную смесь энергоносителя и абразива направляют в сверхзвуковое сопло, а затем на разрезаемый объект.

На фиг. 1 изображена схема установки с использованием части пара для регулирования подачи абразива; на фиг.2 схема установки с использованием для регулирования подачи абразива сжатого воздуха.

Установка содержит источник 1 энергоносителя генератор перегретого водяного пара высокого давления, дозатор 2 абразивного порошка, связанные со смесителем 3 энергоносителя и абразивного порошка, соединенным со сверхзвуковым разгонным соплом 4, средство для регулирования подачи абразива из дозатора 2, связанное с источником дозирующего агента, камеру 5 для размещения разрезаемого изделия 6 и приема отработанного энергоносителя (пара), абразива и продуктов эрозии, снабженную средством для конденсации пара, например системой интенсивного орошения холодной технической водой, распыляемой форсунками 7.

Средство для регулирования подачи абразива может быть выполнено в виде подводов 8,9, расположенных соответственно в верхней и нижней частях дозатора 2 и соединенных с источником дозирующего агента пара 1 или сжатого воздуха 10 через вентили 11 и 12, установленные в трубопроводах подачи пара, или через вентили 13, 14, установленные в трубопроводах подачи сжатого воздуха.

В качестве генератора перегретого водяного пара высокого давления может быть использован промышленный котел с давлением от 3,0 МПа, в качестве источника сжатого воздуха 12 компрессор, обеспечивающий сжатие воздуха до рабочего давления пара, в качестве абразивного порошка песок, глинозем, абразивная зола, щебеночная пыль и т.п.

Установка работает следующим образом.

Пар, генерируемый в электрокотле и перегреваемый в пароперегревателе источнике энергоносителя 1, с температурой до 550^оС и давлением до 25 МПа по трубопроводам поступает большей частью непосредственно в смеситель 3, а в меньшем количестве в верхнюю и нижнюю части дозатора 2 через подводы 8 и 9. Система вентилей 11, 12 позволяет регулировать расход пара по этим трем трубопроводам, воздействуя на скорость подачи абразива, изменяя и регулируя содержание его в паровом потоке. При этом происходит равномерная, регулируемая подача абразива в смеситель 3, где перегретый пар, содержащий до 25 мас. абразива, смешивается с основным паровым потоком и далее поступает в сверхзвуковое сопло, из которого высокоскоростная струя пара с абразивом подается в камеру 5 на разрезаемое изделие 6. При этом скорость струи зависит от параметров пара (давления и температуры), а также от соотношения потоков пара, основного и проходящего через дозатор 2, от концентрации абразива в паровом потоке, от конструкции разгонного сопла.

Техническая вода, направляемая через форсунки 7, обеспечивает конденсацию пара в камере 5.

При регулировании подачи абразива сжатым воздухом его подают через вентили 13 и 14 в подводы 8, 9 дозатора 2 от источника сжатого воздуха компрессора 10. С помощью вентилей 13 и 14 возможно регулирование расхода абразива из дозатора 2.

П р и м е р 1. Резку бордюрного камня поперечным сечением 150-160 мм осуществляют энергетической струей пара и песка дисперсностью 50-200 мкм с дозированием паром при следующих параметрах пара и абразива: Давление 9,0 МПа Температура 500^оС Концентрация порошка в смеси 5% Общий расход пара G_о 52 г/с Расход пара, подаваемого в верхнюю часть дозатора, составляет G_верх 0,01 G_о 0,52 г/с Расход пара, подаваемого в нижнюю часть дозатора, составляет G_нижн 0,02 G_о 10,5 г/с Скорость не- сущей струи 1440 м/с Угол атаки струи 75^о.

Камень разрезан в течение 15 мин, средняя толщина шва 18 мм.

П р и м е р 2. Для вырезки отверстия в огнеупорном кирпиче из шамота толщиной 65 мм получают энергетическую струю следующих параметров (дозирующий агент пар): Давление пара 7,5 МПа Температура пара 445^оС Дисперсность абразива реч- ного песка 50-200 мкм Концентрация порошка в смеси 1% Общий расход пара 52 г/с Расход пара, подаваемого в верхнюю часть дозатора G_верх 52 г/с 0,07 3,6 г/с Расход пара, подаваемого в нижнюю часть дозатора G_нижн 52 г/с 0,1 5,2 г/с Скорость режу- щей струи 1350 м/с Угол атаки струи 90^о.

Отверстие диаметром 40 мм получено за 4 мин.

П р и м е р 3. Для вырезки отверстия в огнеупорном кирпиче из карборунда толщиной 30 мм получают энергетическую струю следующих параметров (дозирующий агент пар): Давление пара 13 МПа Температура пара 450^оС Дисперсность абразива речной песок 50-200 мкм Концентрация порошка в смеси 5% Общий расход пара 52 г/с Расхода пара, подаваемого в верхнюю часть дозатора G_верх 52 г/с 0,15 7,8 г/с Расход пара, подаваемого в нижнюю часть дозатора G_нижн 52 г/с 0,07 3,6 г/с Скорость ре- жущей струи 1470 м/с Угол атаки струи 90^о.

Отверстие диаметром 40 мм получено в течение 2 мин.

П р и м е р 4. Для вырезки отверстия в огнеупорном кирпиче из шамота толщиной 65 мм получают энергетическую струю следующих параметров (дозирующий агент воздух): Давление пара 7,5 МПа Температура пара 445^оС Дисперсность абразива речного песка 50-100 мкм Концентрация порошка в смеси 1% Общий расход пара 52 г/с Расход воздуха, подаваемого в верхнюю часть дозатора 52 г/с 0,02 1 г/с Расход воздуха, подаваемого в нижнюю часть дозатора 52 г/с 0,02 1 г/с Скорость ре- жущей струи 1350 м/с Угол атаки струи 90^о.

Отверстие диаметром 40 мм получено в течение 4-х минут.

Использование: для резки кирпичных кладок, бетонных панелей, железобетонных конструкций, твердых скальных пород и т.д. Сущность: в качестве энергоносителя берут перегретый водяной пар при температуре 400 550°С, с давлением 3 25 МПа, а концентрация абразивного порошка дисперсностью 50 200 мкм в смеси составляет 1 5 мас. причем подачу порошка и его концентрацию в смеси регулируют введением дозирующего агента в верхнюю и нижнюю части дозатора, что позволит получить на выходе из сверхзвукового разгонного сопла струю скоростью 1300 1500 м/с. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. СПОСОБ РЕЗКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СТРУЕЙ, НЕСУЩЕЙ АБРАЗИВНЫЙ ПОРОШОК, включающий подачу энергоносителя и абразивного порошка из дозатора путем подвода к нему дозирующего агента, после чего смешивают энергоноситель и абразивный порошок, ускоряют полученную смесь в сверхзвуковом разгонном сопле и направляют на разрезаемый объект, отличающийся тем, что в качестве энергоносителя берут перегретый водяной пар при 400 550^oС и 3 25 МПа, концентрация абразивного порошка дисперсностью 50 200 мкм в смеси составляет 1 5 мас. причем подачу абразивного порошка и его концентрацию в смеси регулируют введением дозирующего агента в верхнюю и нижнюю части дозатора. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве дозирующего агента берут перегретый водяной пар при следующих расходах:


где C_о полный расход водяного пара,
расход пара, подаваемого в верхнюю часть дозатора;
расход пара, подаваемого в нижнюю часть дозатора. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве дозирующего агента берут сжатый воздух при следующих расходах:


где расход сжатого воздуха, подаваемого в верхнюю часть дозатора;
расход сжатого воздуха, подаваемого в нижнюю часть дозатора.