СПОСОБ ВЗРЫВНОГО ДРОБЛЕНИЯ МАССИВНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ВКЛЮЧЕНИЯ С ПРОЧНОСТЬЮ, МЕНЬШЕЙ ПРОЧНОСТИ ОСНОВНОГО МАТЕРИАЛА, ИЛИ ИМЕЮЩИХ ТРЕЩИНЫ Российский патент 1996 года по МПК F42D3/00 

Изобретение относится к взрывным работам и может быть использовано для дробления массивных металлических объектов (ММО), содержащих включения с прочностью, меньшей прочности основного материала, или имеющих трещины, например шлакочугунных (ШЧ) скрапов, которые в значительном количестве получаются в качестве отходов доменного производства чугуна. ШЧ скрап литой блок массой до 150 тонн, содержащий в своем объеме значительное количество шлаковых включений с прочностью, меньшей прочности чугуна. При этом, как правило, на границе между шлаковым включением и чугуном имеются трещины, количество которых определяется условиями образования скрапа, его компонентным составом, воздействием окружающей среды и другими случайными факторами. Основная масса скрапов вывозится на территорию шлаковых отвалов металлургических комбинатов и до настоящего времени практически не используется.

В то же время известный способ взрывной разделки массивных металлических объектов, включающий стадии: предварительное формирование шпуров, их зарядку вторичными взрывчатыми веществами (ВВ) или зарядами из них; забойку свободного объема шпуров и одновременный подрыв, при осуществлении которого шпуры получают бурением с применением перфораторов для бурения по шлаку или прожигают резаками типа "кислородное копье" (Густафссон Р. Шведская техника взрывных работ. М. Недра, 1977, с. 248.251, 264 с.).

Основной недостаток этого способа его низкая производительность определяется необходимостью привязки к источнику кислорода действующим металлургическим производствам, в условиях которых проведение взрывных работ ограничивается максимально допустимыми массами ВВ при подрыве в капитальных сооружениях типа бронеям. При прожигании шпуров в материале ШЧ скрапов наряду с значительным шлакованием происходит выделение большого количества вредных газов, что является нежелательным с точки зрения экологии.

Использование перфораторов для бурения по шлаку оказывается нерациональным из-за негомогенности материала скрапа, в котором имеются шлаковые включения, пустоты и т.д. что приводит к поломкам буров.

Целью изобретения является повышение эффективности работ по взрывной разделке массивных металлических объектов (ММО), содержащих включения с прочностью, меньшей прочности основного материала или имеющих трещины, например шлакочугунных (ШЧ) скрапов, массой до 150 тонн путем применения кумулятивных зарядов (КЗ).

Поставленная цель достигается тем, что в процессе взрывного дробления используются кумулятивные заряды, имеющие металлическую облицовку с внутренним диаметром не менее 150 мм, при функционировании которых образуется кумулятивная струя (элемент) (КС(Э)), способная по результатам опытной проверки в процессе взаимодействия с материалом гомогенной стальной преграды прочностью Н_в 150.170 кг/мм² формировать шпуры глубиной не менее 500 мм и диаметром входного отверстия не менее 60 мм.

Применение КЗ, имеющих внутренний диаметр металлической облицовки кумулятивной выемки больше 350 мм, нецелесообразно ввиду значительного возрастания затрат на дробление из-за повышения стоимости КЗ, снижения производительности при работе с зарядами ВВ большой массы, в том числе: за счет уменьшения числа подрывов, увеличения размеров зоны, опасной по действию ударной волны и разлета откольных осколков скрапа, образующихся при воздействии КС(Э) на материал скрапа. Использование КЗ с диаметром облицовки менее 150 мм не позволяет получить КС(Э) с кинетической энергией (импульсом), достаточной для эффективного кратерообразования и дробления материала скрапа.

Требования к разрывным зарядам КЗ, применяемых на этапах шпурообразования и дробления, определяются, исходя из следующих положений:
плотность разрывного заряда (РЗ) 1500 кг/м³ соответствует литому заряду из тротила, имеющему скорость детонации около 6000 м/с и обеспечивающему уровень параметров метания, достаточный для формирования кумулятивной струи (элемента), способной формировать шпур глубиной 500.600 мм при подрыве КЗ со стальной облицовкой толщиной 4.5 мм и внутренним диаметром облицовки 200 мм, и имеющему массу РЗ 8.10 кг,
применение литых зарядов, например, на основе смесей тротил/гексоген в диапазоне концентраций тротила 20.50 массовых процентов позволяет получать РЗ, имеющие плотность 1550.17000 (кг/м³) и скорость детонации до 8300 м/с, что, в свою очередь, обеспечивает возможностью получения шпуров глубиной 900.1000 мм при функционировании КЗ, имеющих, например, стальную облицовку диаметром 300 мм и толщиной 7.10 мм, при массе РЗ до 20 кг,
минимальная масса РЗ 6 кг обусловливается нижним пределом запаса энергии ВВ, необходимой для обеспечения формирования кумулятивной струи (элемента), способной образовать в материале скрапа шпур минимально допустимой глубины 500 мм,
ограничение массы РЗ 30 кг объясняется необходимостью обеспечения безопасности взрывных работ на территории шлаковых отвалов действующих производств по действию воздушной ударной волны и снижением эффективности работ за счет уменьшения относительного прироста глубины шпуров на каждый килограмм ВВ разрывного заряда.

В процессе взрывного дробления с использованием КЗ проявляется основное преимущество их применения при разделке ШЧ скрапов по сравнению с прототипом, а именно возможность автономного ведения работ без применения стадии вторичного подрыва шпуровых зарядов за счет интенсивного трещинообразования и последующего разрушения объема ШЧ скрапов, значительно превосходящего объем материала, взаимодействующего с КС(Э). Появление трещин и последующее разрушение материала ШЧ скрапа объясняется тем, что в процессе внедрения КС в материал скрапа на границе раздела стенка кратера окружающее пространство образуется расширяющаяся ударная волны с начальным давлением на фронте до 200 ГПа. Интенсивность ударной волны падает с расстоянием в силу геометрических причин и рассеяния энергии, в результате чего ударная волна вырождается в волну сжатия, при отражении которой от свободной поверхности ММО возникает волна разгрузки.

Взаимодействие падающей и отраженной волн приводит к возникновению растягивающих напряжений, причем если величина этих напряжений превышает 14•10⁸ Па (временное сопротивление на разрыв для чистого чугуна), начинается разрушение материала скрапа.

Наличие в материале скрапа включений, главным образом слоев шлака, отличающихся по своим свойствам от свойств основного материала (чугуна) и значительного количества трещин и их зародышей, приводит к интенсификации процессов волнообмена на границе раздела сред; на поверхности как имеющихся, так и вновь образующихся трещин. Более низкая прочность шлака приводит к тому, что разрушение начинается вдоль его слоев.

Таким образом, наличие большого количества шлаковых включений, располагающихся, как правило, в сечениях скрапа, параллельных верхней поверхности, и имеющих прочность, значительно меньшую, чем прочность основного материала ШЧ скрапа чугуна, различная динамическая жесткость включений и основного материала, трещиноватость ШЧ скрапов дают возможность управлять процессом взрывного дробления ММО путем применения предлагаемых вариантов технологии разделки.

Вариант 1 (рис. 1). Проводят последовательное воздействие КС(Э) на материал объекта. При этом угол между осью КЗ, ориентированного основанием кумулятивной облицовки в сторону разрушаемого объекта (или образующийся при его функционировании КС(Э)) и сечением ММО (ШЧ-скрапа) с прочностью, меньшей прочности основного материала, или имеющего наибольшее количество визуально наблюдаемых трещин, составляет 2.60 градусов, а угол между осью КЗ и поверхностью ММО равен 60.90 градусов при заданном допреградном расстоянии.

В случае отсутствия видимых дефектов с целью их обнаружения (например раскрытия трещин) производят предварительные подрывы, ориентируя КЗ в боковую поверхность скрапа.

Внедрение КС(Э) по сечению с минимальной прочностью и максимальной трещиноватостью при угле взаимодействия 2 градуса обеспечивает максимально возможное трещинообразование вдоль границы раздела сред за счет изменения параметров ударных волн при переходе из среды с меньшей прочностью и динамической жесткостью в среду, где эти параметры имеют более высокие значения, а также ввиду создания наилучших условий для раскрытия трещин. Теоретически такой эффект в наибольшей степени будет проявляется при угле взаимодействия 0 градусов, однако на практике этого достигнуть нереально, и значение 2 градуса определяется погрешностью при установке КЗ.

При дроблении ШЧ скрапов относительно небольшой массы, например массой до 30 тонн, целесообразно устанавливать КЗ под некоторым углом к сечению с меньшей прочностью или небольшим количеством трещин, что позволяет одновременно с разрушением вдоль границы раздела сред интенсифицировать трещинообразование в окружающем объеме. Ограничение величины этого угла 60 градусами объясняется как необходимостью снижения выхода мелкой фракции при дроблении скрапа, так и требованиями безопасности при проведении взрывных работ (увеличение размера опасной зоны из-за возрастания количества образующихся откольных осколков).

При проведении работ по дроблению КЗ устанавливают таким образом, чтобы угол между осью симметрии КЗ и поверхностью скрапа находился в пределах 60. 90 градусов.

Оптимальной является установка КЗ по нормали к поверхности скрапа, так как в этом случае достигается максимальная (для КЗ одной и той же конструкции) глубина кратерообразования при минимальном уровне откольных явлений с поверхности скрапа. Однако при подрыве КЗ в реальных условиях достаточно сложно удовлетворить данному требованию, поэтому всегда будет наблюдаться отклонение от оптимальной установки КЗ; причем при размещении КЗ на максимальных допреградных расстояниях (например при подрыве КЗ, установленных на поверхности грунта) данный угол может достигать 60 градусов. При этом глубина кратерообразования составляет 0,87 максимально возможной.

Диапазон допреградных расстояний (от основания КЗ до поверхности скрапа) определяется двумя основными факторами:
минимальное расстояние 150 мм необходимо для стабильного образования кумулятивной струи (элемента), которая формируется на расстоянии 1.1,5 диаметра облицовки от основания заряда;
наибольшее удаление 1500 мм от поверхности скрапа определяется, главным образом, необходимостью сохранения сплошности кумулятивной струи (элемента) и обеспечением точности попадания кумулятивной струи (элемента) в заданную область поверхности скрапа.

В результате воздействия КЗ на скрап на отдельных стадиях взрывного дробления могут быть получены как целевые фрагменты материала, пригодные для дальнейшей переработки, так и кратеры глубиной до 1000 мм. В случае образования кратеров последующий подрыв проводят, располагая КЗ таким образом, чтобы угол между осью КЗ и осью предварительно полученного кратера составлял 60.180 градусов в зависимости от глубины шпура, массы фрагмента, который необходимо получить, остаточной массы скрапа и характера трещинообразования в материале скрапа. Для получения кусков массой не более 10 тонн при остаточной массе скрапа 50.80 тонн целесообразно располагать последующий КЗ так, чтобы угол между его осью и осью шпура составлял 120.180 градусов, а для скрапов остаточной массой до 50 тонн предпочтительным оказывается воздействие КС(Э) под углом 90 ± 30 градусов относительно оси кратера, то есть вдоль радиальных трещин, образованных в процессе шпурообразования.

На рисунке 2 представлены принципиальная схема взрывного разрушения скрапов при последовательном воздействии кумулятивных зарядов в условиях шлаковых отвалов металлургических комбинатов и описание примера использования данного варианта.

Пример 1 (рис. 2).

Дробление шлакочугунного скрапа массой около 50 тонн, содержащего 10.15 объемных процентов шлака и находящегося на поверхности грунта в условиях шлакового отвала металлургического комбината "Криворожсталь" (г. Кривой Рог, Днепропетровской обл. Украины). На боковой поверхности скрапа визуально наблюдаются трещины шириной до 1 3 мм и границы двух шлаковых включений толщиной 100 150 мм, расположенных на расстоянии 800 900 мм друг от друга в центральной части скрапа, причем одно из включений располагалось на верхнем срезе скрапа.

Характеристики кумулятивного заряда (КЗ).

Масса взрывчатого вещества (литая смесь тротил/гексоген в соотношении 40/60 массовых процентов, плотностью 1600 кг/м, скоростью детонации 7800 м/с) составляет 25 кг. КЗ имеет облицовку кумулятивной выемки полусферической формы из стали 3, толщиной 6 мм, с внутренним диаметром основания облицовки 250 мм. Внутренний диаметр заряда в основании равен 370 мм, в вершине 180 мм при высоте заряда 360 мм. Корпус КЗ выполнен из стеклопластика толщиной 3 мм.

Технология дробления.

Дробление шлакочугунного скрапа проводилось по варианту 1, то есть последовательным воздействием одиночных КЗ при размещении КЗ на поверхности грунта.

Расстояние от основания кумулятивной облицовки первого КЗ, обращенной в сторону боковой поверхности скрапа, до поверхности скрапа было равно 750 мм. Угол между осью заряда и поверхностью скрапа составлял 85 ± 5 градусов. КЗ размещали таким образом, чтобы обеспечить внедрение кумулятивной струи (КС) между шлаковым включением и дном скрапа на расстоянии 800 900 мм от дна скрапа (расстояние до шлакового включения составило при этом 200 250 мм) под углом 10 20 градусов к шлаковому включению.

После подрыва КЗ наблюдалось дробление части скрапа, прилегающей к области внедрения кумулятивной струи при наличии остаточного шпура глубиной до 300 мм и диаметром 250 180 мм. Масса отдельных раздробленных фрагментов не превышала 1 тонны при суммарной массе 3 5 тонн. В объеме скрапа, прилегающем к границе поверхности разрушения, образовалось значительное количество трещин.

Второй КЗ устанавливался аналогично первому, но с противоположной боковой стороны скрапа, таким образом, чтобы угол между осью КЗ и сечением шлакового включения составлял 20 30 градусов.

После подрыва наблюдались: полный откол шлака с верхнего среза скрапа; полное дробление части скрапа, ограниченной внутренним шлаковым включением и дном скрапа, на куски массой 1 5 тонн, при общей массе фрагментов 10 15 тонн; интенсивное трещинообразование в нераздробленной части скрапа (трещины шириной до 3 5 мм вдоль всей боковой поверхности).

Третий КЗ устанавливали на расстоянии 600 650 мм от боковой поверхности скрапа (с той же стороны, что и КЗ 1) таким образом, чтобы угол между осью КЗ и сечением скрапа, образуемым трещиной шириной 4 5 мм и находящейся на равном удалении от верхнего и нижнего среза скрапа, составлял 30 35 градусов. Угол между осью КЗ и поверхностью скрапа составлял при этом 75 85 градусов.

После подрыва КЗ получили 3 фрагмента массой не более 3 тонн каждый. Масса оставшейся части скрапа не превышала 15 20 тонн.

Четвертый КЗ устанавливали на расстоянии 500 550 мм от боковой поверхности скрапа (с той же стороны, что и КЗ 2) таким образом, чтобы угол между осью КЗ и сечением скрапа, вдоль которого происходит внедрение КС и находящейся на равном удалении от верхнего и нижнего среза оставшейся части скрапа, составлял 10 15 градусов. Угол между осью КЗ и поверхностью скрапа составлял при этом 85 90 градусов.

После подрыва КЗ исходный шлакочугунный скрап был полностью раздроблен на отдельные фрагменты массой не более 5 тонн при общей массе около 40 тонн. Потери при дроблении составили: около 5 тонн шлаковой мелочи и около 3-5 тонн мелких кусков чугуна.

Удельный расход КЗ составил 1 КЗ на 10 тонн чугуна.

Вариант 2 (рис. 3). Проводят групповое воздействие на ММО (ШЧ скрап), располагая каждый из КЗ в соответствии с вариантом 1, при этом с целью снижения удельного расхода КЗ соседние КЗ, ориентированные кумулятивными облицовками в направлении разрушаемого ММО, располагают таким образом, чтобы угол между их осями составлял 45.180 градусов. Эффективность применения такого способа дробления обеспечивается тем, что в данном случае на центральную часть скрапа за пределами области кратерообразования, не подверженную деформации от проникающей КС(Э), воздействует система сходящихся ударных волн с параметрами, превышающими параметры отдельной расходящейся волны, образовавшейся в ходе проникания КС(Э), сформированной отдельным КЗ. Область допустимых углов между КЗ ограничена по следующим причинам:
углы взаимодействия в диапазоне 60.90 градусов позволяют достичь удовлетворительного дробления скрапов массой свыше 80.90 тонн за счет усиления процессов трещинообразования в достаточно узкой внутренней области скрапа, но требуют применения дополнительных мер по обеспечению одновременности инициирования КЗ с целью исключения воздействия одного заряда на другой (воздушная ударная волна, откольные осколки скрапа);
взаимное расположение КЗ под углами в пределах 90.180 градусов делает возможным одновременный подрыв 2.4 КЗ по одному скрапу, что обеспечивает необходимую степень дробления скрапов массой до 60.80 тонн за один подрыв при использовании обычных капсюлей-детонаторов.

На рисунке 4 представлена принципиальная схема взрывного разрушения скрапов при одновременном воздействии нескольких кумулятивных зарядов и пример практического использования данного варианта дробления скрапов.

Пример 2 (рис. 4).

Дробление шлакочугунного скрапа массой около 70 тонн, содержащего 45.10 объемных процентов шлака, заглубленного в грунт на 500 600 мм в условиях шлакового отвала металлургического комбината "Криворожсталь" (г. Кривой Рог, Днепропетровской обл. Украина). На боковой поверхности скрапа визуально наблюдаются трещины шириной до 1 3 мм и шлаковое включение толщиной 200 - 250 мм, расположенное на верхнем срезе скрапа.

Кумулятивный заряд тот же, что и в примере 1.

Технология дробления.

Дробление шлакочугунного скрапа проводилось по варианту 2, то есть последовательным воздействием двух одновременно взрываемых КЗ при размещении каждого из КЗ на поверхности грунта.

Расстояние от основания кумулятивной облицовки каждого КЗ, обращенного в сторону боковой поверхности скрапа, до поверхности скрапа было равно 700 мм. Угол между осями каждого КЗ и поверхностью скрапа составлял 85 ± 5 градусов. КЗ размещали таким образом, чтобы обеспечить внедрение кумулятивной струи (КС) между сечением скрапа, образуемым трещиной шириной 2 4 мм, при расстоянии 300 400 мм от трещины (расстояние до дна скрапа составило при этом 700 800 мм) под углом 10 20 градусов к данному сечению скрапа. Угол между осями КЗ составил 120 130 градусов.

После подрыва КЗ наблюдалось полное дробление донной части скрапа. Граница зоны разрушения соответствовала осям кумулятивных струй, сформированным каждым из КЗ. Масса отдельных раздробленных фрагментов не превышала 3 5 тонн при суммарной массе 20 25 тонн. В оставшейся нераздробленной части скрапа образовалось значительное количество трещин.

Второй подрыв пары таких же КЗ осуществляли аналогично предыдущему подрыву, располагая их на расстоянии 650 700 мм от боковой поверхности скрапа. Расстояние от точки внедрения КС до верхнего среза скрапа составило 400 450 мм, угол между осями КЗ был равен 150 160 градусов.

После подрыва КЗ наблюдалось полное дробление скрапа. Масса отдельных раздробленных фрагментов не превышала 5 8 тонн при суммарной массе 40 45 тонн. Потери (мелкие фрагменты чугуна, шлак) составили 5 8 тонн.

Удельный расход КЗ составил 1 КЗ на 15 тонн чугуна.

Предлагаемое техническое решение по сравнению с известным имеет следующие преимущества и позволяет:
повысить эффективность работ по взрывной разделке массивных металлических объектов (ММО), содержащих включения с прочностью, меньшей прочности основного материала, или имеющих трещины, например шлакочугунных скрапов массой до 150 тонн, путем использования кумулятивных зарядов за счет создания во внутреннем объеме скрапа волн растягивающих напряжений, превосходящих временное сопротивление материала скрапа на разрыв;
повысить степень дробления ММО за счет интенсификации трещинообразования в объеме ММО в результате воздействия кумулятивной струи (элемента);
проводить работы по взрывной разделке ММО, например шлакочугунных скрапов, без привязки к источникам кислорода и энергии, в том числе на территории шлаковых отвалов металлургических производств;
снизить трудоемкость работ за счет исключения из процесса взрывной разделки ММО стадии вторичного подрыва шпуровых зарядов.

Использование: дробление отходов доменного производства чугуна, например шлакочугунных скрапов. Сущность изобретения: на расстоянии 150...1500 мм от поверхности скрапа устанавливают заряд с диаметром кумулятивной выемки 150...350 мм с плотностью взрывчатого вещества 1550...1750 кг/м³ и скоростью детонации 6000...8300 м/с, массой разрывного заряда 6...30 кг. Заряд устанавливают с образованием между осью заряда и поверхностью скрапа угла 60...90^o и с образованием между кумулятивной струей и сечением с прочностью, меньшей прочности основного материала, угла 2...60^o. Заряд подрывают. Дробление можно проводить путем группового подрыва нескольких зарядов. Заряды устанавливают с оборудованием между осями соседних зарядов угла 60...180^o. Разновременность подрыва не превышает 2...12 мс. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ взрывного дробления массивных металлических объектов, содержащих включения с прочностью, меньшей прочности основного материала, или имеющих трещины, например, шлакочугунных скрапов массой свыше 10 т, отличающийся тем, что дробление проводят взрывами кумулятивных зарядов, имеющих металлическую облицовку кумулятивной выемки диаметром 150 350 мм, снаряженных бризантным взрывчатым веществом плотностью 1550 1750 кг/м³ и скоростью детонации 6000 8300 м/с, массой разрывного заряда 6 30 кг, осуществляя подрыв не менее одного кумулятивного заряда с расстояния 150 - 1500 мм от поверхности скрапа таким образом, что угол между образующейся кумулятивной струей и сечением с прочностью, меньшей прочности основного материала, или с наибольшим количеством трещин составляет 2 60^o, а угол между осью кумулятивного заряда и поверхностью скрапа равен 60 - 90^o. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дробление проводят путем группового подрыва нескольких кумулятивных зарядов, размещая их таким образом, что угол между осями соседних зарядов, ориентированных кумулятивными облицовками в направлении поверхности скрапа, составляет 60 180^o, а разновременность подрыва не превышает 2 12 мс. что угол между образующейся кумулятивной струей и сечением с прочностью, меньшей прочности основного материала, или с наибольшим количеством трещин составляет 2 60^o, а угол между осью кумулятивного заряда и поверхностью скрапа равен 60 - 90^o. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дробление проводят путем группового подрыва нескольких кумулятивных зарядов, размещая их таким образом, что угол между осями соседних зарядов, ориентированных кумулятивными облицовками в направлении поверхности скрапа, составляет 60 180^o, а разновременность подрыва не превышает 2 12 мс.