СПОСОБ И УСТРОЙСТВО РАЗРУШЕНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ Российский патент 1997 года по МПК E21C37/18 

Изобретение относится к разрушению твердых веществ и может быть использовано в различных отраслях промышленности для безвзрывного разрушения искусственных и других минеральных образований в условиях реконструкции действующих производств.

Известен способ разрушения горных пород с применением электрической энергии [1] согласно которому нагрев породы до температуры плавления осуществляют электрической дугой, возникающей между коаксиально расположенными электродами в полости неглубокого шпура, вначале на некотором расстоянии от забоя, затем после падения электрического сопротивления в непосредственной близости от него.

Способ недостаточно эффективен и трудоемок, т.к. включает операции бурения шпуров, а его эффективность значительно снижается при разрушении нетермобуримых пород, а именно к таким относятся все искусственные минеральные образования и большинство естественных.

Известен способ разрушения искусственных минеральных образований, согласно которому поверхность разрушаемого объекта нагревают до образования расплава электрической дугой с последующим перемещением пятна нагрева [2] Удаление расплава из зоны нагрева происходит естественным путем за счет его стекания. Как правило, разрушаемые объекты из искусственных минеральных образований (фундаменты и другие промышленные сооружения из бетона) имеют большие размеры и их разрушение осуществляют путем прорезания щелей с последующей механической разборкой образовавшихся кусков. Текучесть расплава искусственных минеральных образований в значительной степени зависит от его температуры и при небольшом снижении последней не обеспечивает стекание расплава из зоны нагрева (прорезаемой в объекте щели). Для полного удаления расплава его дополнительно нагревают воздействием дуги и при достаточно больших размерах щели такую операцию повторяют многократно, на что затрачивается дополнительная энергия, а эффективность процесса значительно снижается. Прорезание щели газовыми резаками, например кислородно-ацетиленовыми, разрешило бы проблему удаления расплава из щели, однако температура пламени горелки не способна нагревать поверхность искусственных минеральных образований до температуры плавления.

Из практики резания толстостенных металлических конструкций электрической дугой, возникающей между электродом и разрезаемым объектом (один полюс источника тока подключен к электроду, а другой к разрезаемому металлу), известно сдувание расплава непрерывной струей газа. Однако попытки использования такой операции удаления расплава при резании искусственных минеральных сред с использованием для нагрева электрической дуги, возникающей между двумя электродами, подключенными к источнику тока, положительного результата не дали. Так, непрерывное вдувание сжатого воздуха в зону расплава приводит к интенсивному охлаждению поверхности и процесс плавления либо замедляется, либо прекращается полностью. При этом расплав застывает на стенках щели и требует дополнительного воздействия для своего удаления.

Известен способ разрушения твердых минеральных образований, включающий нагрев поверхности до образования расплава электронным лучом с периодическим удалением последнего импульсным воздействием газообразной среды [2] Указанный способ и устройство, реализующее его, обладая достаточно высокой эффективностью, не отвечают практическим технологическим требованиям. Так, глубина реза электронной пушки не превышает 2-3 дюймов и не может быть увеличена, т. к. сопло устройства нельзя разместить в прорезаемой щели. При увеличении глубины реза (что обычно требуется в практике) энергии механического воздействия газожидкостной среды недостаточно для эффективного удаления расплава. Особенно это касается удаления очень вязких расплавов, характерных для большинства искусственных минеральных образований.

Известно устройство для разрезания железобетонных конструкций [3] содержащее корпус и два длинных электрода, подключенных к источнику тока. Температура электрической дуги достаточна для плавления любых минеральных образований. При резании объектов небольших размеров известное устройство может быть использовано. Однако в большинстве случаев при разрушении крупных объектов, когда требуется образование достаточно протяженной щели, эффективность использования устройства значительно снижается и может быть экономически неоправданна. Кроме того, известное устройство не гарантирует высокую стабильность поддерживания дуги, т.к. выпускаемые промышленностью электроды не отличаются высокими качественными характеристиками (геометрические размеры, равномерная плотность и т.п.), которые оказывают существенное влияние на скорость выгорания электродов.

Изобретение направлено на решение задачи интенсификации процесса разрушения искусственных минеральных образований.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в увеличении прорезаемой щели и эффективности удаления из нее расплава.

Ожидаемый технический результат получают за счет того, что в известном способе разрушения искусственных минеральных образований, включающем нагрев поверхности до образования расплава, периодическое удаление расплава импульсным воздействием газообразной среды с последующим перемещением пятна нагрева, нагрев осуществляют факелом электрической дуги, а в поток газообразной среды дополнительно вводят твердое вещество, при этом в качестве твердого вещества в поток вводят порции мелких фракций дробленого материала.

Ожидаемый технический результат получают также за счет того, что известное устройство для разрушения искусственных минеральных образований, включающее корпус и подключенные к источнику тока два дугообразующих стержневых электрода, снабжено формирователем потока газообразной среды, магистралью подачи среды на забой и регулятором длительности подачи потока, а дугообразующие стержневые электроды установлены под острым углом друг к другу с возможностью независимого осевого возвратно-поступательного перемещения.

При тепловом воздействии на поверхность разрушаемого объекта происходит ее нагрев с образованием расплава. Время образования расплава зависит от свойств разрушаемой среды и мощности применяемого теплоносителя. Если вовремя не вывести расплав из зоны теплового воздействия, происходит его дальнейший нагрев до температуры кипения и изоляция разрушаемой поверхности расплавом, вследствие чего процесс разрушения замедляется. При естественном стекании расплав находится в зоне теплового воздействия избыточное время, что является причиной снижения интенсивности нагрева поверхности.

Периодическое воздействие на расплав импульсом газообразной среды, имеющее место в известном способе, позволяет удалить расплав из зоны теплового воздействия без теплообмена с нагреваемой поверхностью и без потери его текучести. Тем самым отпадает необходимость дополнительного подогрева расплава, налипающего на стенках щели. Кроме того, периодическое удаление расплава исключает потерю тепла на его избыточный нагрев и увеличивает тепловое воздействие на поверхность разрушаемого объекта. Таким образом, увеличивается доля энергии теплового источника, идущая на образование расплава, уменьшается доля энергии, расходуемой на нагрев расплава (вместо нагрева поверхности) выше температуры плавления самых тугоплавких ингредиентов разрушаемого минерального образования. Глубина щели, получаемой известным способом и устройством, его реализующим [2] является недостаточной для практической реализации, поэтому в предлагаемом способе разрушения нагрев до образования расплава предлагается осуществлять факелом электрической дуги, возникающей между подключенными к источнику тока двумя стержневыми электродами. Однако известное устройство, реализующее указанный способ нагрева поверхности разрушаемого материала, не обеспечивает высокую стабильность поддерживания дуги, а энергии механического воздействия газообразной среды при большой глубине щели и высокой вязкости расплава оказывается недостаточно для эффективного удаления расплава. Дополнительное введение в поток газообразной среды твердого вещества обеспечивает эффективное удаление расплава любой вязкости из глубокой щели, а устройство гарантирует высокую стабильность поддерживания дуги в процессе работы.

Следовательно, заявляемая совокупность существенных признаков позволяет решить поставленную задачу с получением указанного выше технического результата.

Рассмотрим пример реализации заявляемого способа разрушения в варианте использования в качестве генератора теплового воздействия электрической дуги, возникающей между двумя электродами, подключенными к источнику тока.

Электрическая дуга представляет собой столб (шнур) плазмы между ближайшими, но находящимися на расстоянии нескольких миллиметров точками электродов. Плазму создают термоэлектронная эмиссия и поток дробящихся молекул и атомов сгорающих электродов. При воздействии переменного электрического тока вокруг дуги и раскаленных электродов, как проводников, возникает переменное с удвоенной частотой электромагнитное поле, усиливающее электродинамическое воздействие на поток заряженных частиц, превращая его в факел, масштабы которого и термодинамические параметры зависят от факторов: плотности тока, химического состава электродов, суммарной массы срываемых с раскаленных концов сгорающих электродов частиц и угла между ними. Температура дуги неоднородна по длине факела и максимально достигает порядка 7000^oC, снижаясь на расстоянии 15 см от торцов электродов до 2000^oC.

Способ осуществляют следующим образом. При воздействии на поверхность разрушаемого минерального образования высокотемпературного факела электрической дуги происходит образование расплава. Для исключения дальнейшего необоснованного нагревания расплава, который становится изолятором для еще не расплавившей поверхности разрушаемого образования, расплав периодически удаляют импульсным воздействием газообразной среды, в поток которой дополнительно вводят твердое вещество, преимущественно в виде порции мелких фракций дробленого материала. Поток сообщает материалу необходимую скорость и значительно увеличивает механическое воздействие газообразной среды на расплав, что способствует не только более эффективному удалению расплава из глубокой щели, но и увеличивает эффективность разрушения, т.к. фактически будет иметь место термомеханическое воздействие на разрушаемый материал и чем выше плотность участвующей в механическом воздействии среды, тем больше ударный импульс, а следовательно, и эффективность воздействия на объект разрушения. Энергия импульса, его продолжительность и частота следования зависят от мощности подводимой тепловой энергии и физических свойств разрушаемого минерального образования. Перемещая пятно нагрева по поверхности объекта и периодически воздействуя на расплав импульсным потоком газообразной среды с твердым веществом, разрезают объект на куски, которые удаляют подъемно-транспортными средствами.

В качестве твердого вещества, вводимого в поток, могут быть использованы одиночные металлические шарики, величина которых соизмерима с шириной щели, металлическая дробь. Для изменения физиологических свойств расплава в поток газообразной среды одновременно могут быть введены химические реагенты.

Необходимые параметры импульса потока газообразной среды и количество вводимого в него твердого вещества изменяются в очень широком диапазоне, т. к. свойства разрушаемых минеральных образований (в частности, бетонов) могут быть самыми разнообразными. Поэтому дать конкретные режимные параметры способа весьма затруднительно. В каждом конкретном случае они должны определяться экспериментально.

Принципиальная схема устройства, реализующего заявляемый способ, изображена на чертеже.

Устройство для разрушения искусственных минеральных образований включает корпус 1, на котором через изоляторы 2 установлены направляющие 3. В направляющих 3 с возможностью осевого перемещения закреплены электродержатели 4, с одной стороны которых съемно смонтированы дугообразующие стержневые электроды 5, соединенные с источником тока 6 посредством щеток 7, контактируемых с электродержателем 4, а с другой муфта 8, соединенная магистралью 9 подачи среды на забой через регулятор длительности подачи потока (пневмоклапан) 10 с формирователем потока газовой среды, например с баллоном отжатого газа 11. В стержневых электродах 5 и электродержателях 4 выполнена магистраль подачи среды на забой в виде осевых каналов 12, обеспечивающих подачу импульса газовой среды в зону теплового воздействия 13 факела электрической дуги 14 на поверхность разрушаемого образования 15. Магистраль подачи может быть смонтирована в виде отдельного трубопровода, подводящего поток газовой среды с твердым веществом в зону теплового воздействия.

Устройство работает следующим образом. При включении источника тока 6 между концами электродов 5 возникает электрическая дуга 14, представляющая собой поток заряженных частиц. Электродинамическое воздействие, оказываемое на поток электромагнитным полем, превращает его в факел. Экспериментально установлено, что максимальные параметры суммарного факела между двумя графитизированными электродами при плотности тока около 1 а/мм² будут при диаметре стержневых электродов 40 мм и угле между ними 20-25^o, т.к. исходя из векторного сложения, длина факела с уменьшением угла возрастает, но одновременно увеличивается расстояние от забоя до среднего положения точек контакта между электродами в процессе их сгорания, а это значительно снижает эффект воздействия на среду ввиду того, что температура по длине факела от точки контакта убывает по экспоненте и при указанных выше экспериментальных параметрах соответствует температуре плавления бетона и горных пород на расстоянии 100-200 мм, а приблизить дугу к забою, во-первых, препятствуют несгоревшие концы электродов, а во-вторых, не рационально, т.к. при контакте электродов с расплавом среды факел затухает и процесс принимает форму металлургической плавки.

В зоне теплового воздействия 13 на поверхности разрушаемой среды образуется расплав. Для принудительного удаления расплава на указанную зону воздействуют импульсом потока газовой среды с твердым веществом в виде мелких фракций дробленого материала. В рассматриваемом варианте исполнения устройства в качестве потока газовой среды используют сжатый газ. С этой целью из формирователя потока газовой среды, в данном случае из баллона сжатого газа 11 (это может быть воздух, углекислый газ и др.), через регулятор длительности подачи потока пневмоклапан 10 и магистраль подачи среды на забой 9, муфту 8 и осевые каналы 12 в зону теплового воздействия 13 подают импульсную струю газа, в состав которой вводят твердое вещество (на чертеже не показано), которая своим динамическим воздействием удаляет с поверхности разрушаемого объекта расплав. Факел дуги 14 перемещают по поверхности, периодически воздействуя на образовавшийся расплав импульсов сжатого газа, при этом в разрушаемом образовании 15 формируют щели, которыми разделяют объект на куски. Корпус устройства 1 и жестко связанные с ним направляющие 3, электрододержатели 4 и стержневые электроды 5 имеют необходимую степень свободы в пространстве, что обеспечивает устройству возможность образования щелей любой пространственной ориентации. В процессе работы электроды 5 постепенно сгорают, уменьшается их длина, а следовательно, увеличивается расстояние между их концами, что может привести к срыву дуги. Кроме того, из-за разницы в качестве электродов возможна различная их скорость сгорания. Для обеспечения устройства горения дуги с учетом вышеизложенных обстоятельств каждый электрододержатель 4 установлен в направляющих 3 с возможностью независимого осевого перемещения каждого из них. Это обеспечивает постоянное расстояние между торцами электродов 5 и устойчивый режим горения дуги. Указанное перемещение можно обеспечить использованием, например, винтовой пары или пневмо- и гидроцилиндров. При полном выгорании электродов 5 электрододержатели 4 отводят в крайнее (нижнее по чертежу) положение и устанавливают новые электроды. В рассматриваемом варианте исполнения устройства магистраль подачи среды на забой проходит по осевым каналам 12 электрододержателя 4 и электродов 5. Это, с одной стороны, усложняет устройство, а с другой обеспечивает охлаждение деталей устройства. Возможен вариант исполнения с наружным размещением магистрали, которую располагают параллельно электрододержателю и электроду. Формирователь потока газовой среды 11 может быть выполнен в виде компрессора. Для ввода твердого вещества в поток газообразной среды могут быть использованы известные устройства.

Таким образом, использование заявляемого способа разрушения и устройства для его осуществления решит задачу интенсификации разрушения в первую очередь искусственных минеральных образований (фундаментов промышленного оборудования, зданий, сооружений и т.д.) в условиях высокой плотности размещения действующих производств, где полностью исключается применение взрывных работ, а используемый в настоящее время единственный способ механического разрушения с применением отбойных молотков малопроизводителен и отрицательно воздействует на здоровье работающих.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 124382, E 21 C 37/18, 1959.

2. "Изобретатель и рационализатор", N 11-12, 1992, с. 13 (прототип).

3. Патент США N 3556600, кл. E 21 C 37/18, опубл. 1971.

Изобретение относится к термомеханическому разрушению твердых веществ и может быть использовано в различных отраслях промышленности для разрушения искусственных и других минеральных образований при реконструкции действующих производств. Изобретение решает задачу интенсификации процесса разрушения, при этом достигаемый технический результат выражается в принудительном удалении расплава из зоны нагрева без снижения интенсивности нагрева поверхности. Способ состоит из нагрева поверхности до образования расплава, перемещении пятна нагрева и воздействии на расплав импульсным воздействием газообразной среды, при этом нагрев осуществляют факелом электрической дуги, а в поток газообразной среды дополнительно вводят твердое вещество. Устройство включает корпус, два подключенных к источнику тока стержневых электрода, расположенных под острым углом друг к другу, формирователь импульсов носителя кинетической энергии, магистраль подачи носителя на забой, регулятор длительности подачи носителя. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ разрушения искусственных минеральных образований, включающий нагрев поверхности до образования расплава, периодическое удаление расплава импульсным воздействием газообразной среды с последующим перемещением пятна нагрева, отличающийся тем, что нагрев осуществляют факелом электрической дуги, а в поток газообразной среды дополнительно вводят твердое вещество. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве твердого вещества в поток вводят порцию мелких фракций дробленого материала. 3. Устройство для разрушения искусственных минеральных образований, включающее корпус и подключенные к источнику тока два дугообразующих стержневых электрода, отличающееся тем, что оно снабжено формирователем потока газовой среды, магистралью подачи среды на забой и регулятором длительности подачи потока, а дугообразующие стержневые электроды установлены под острым углом друг к другу с возможностью независимого осевого возвратно-поступательного перемещения.