СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 1997 года по МПК C21B7/02 F42B1/00 

Изобретение относится к области взрывных работ по разрушению крупногабаритных монолитных объектов, например, отходов металлургического производства скрапов, образующихся из застывших после слива из домны или плавильной печи шлака и металла, который попадает в ковш со шлаком и который целесообразно отделить от шлака, раздробить и отправить на переплавку.

В связи с удорожанием продуктов горнодобывающей промышленности, ростом стоимости транспортных услуг по перевозке руды и угля, а также в связи с возможностью вторичного использования почти всех компонентов отходов, образующихся при металлургическом производстве, остро встал вопрос с утилизацией застывших отходов чугуна, стали, шлака ("коржи", "скрапы") путем разрушения их до размеров, позволяющих легко транспортировать куски на переработку.

Известен способ разрушения, включающий подрыв (инициирование) заряда взрывчатого вещества (ВВ) на поверхности или внутри разрушаемого тела и разрушение его энергией взрывчатого превращения. Однако указанный способ требует предварительной подготовки разрушаемого тела в части формирования полости для закладывания внутрь заряды ВВ. В противном случае энергия продуктов детонации будет рассеиваться во внешнюю среду, производя мало полезной работы по разрушению тела. Наличие близкорасположенных строений накладывает ограничение на мощность взрыва, не позволяя нарушать скрапы и коржи на территории металлургического комбината. Предварительное формирование полости внутри тела для эффективного использования энергии заряда ВВ (с целью снижения его массы) весьма трудоемко и экономически нецелесообразно.

Указанные недостатки устранены в способе разрушения, включающем многократное динамическое нагружение разрушаемого тела за счет торможения в нем движущегося ударника, хорошо зарекомендовавшего себя при разрушении старых построек, т.к. вся энергия ударника локализуется в месте его контакта с разрушаемым телом. Но при разрушении скрапов этот способ неэффективен ввиду сравнительно малой мощности.

Целью предполагаемого изобретения является повышение эффективности разрушения путем оптимизации динамического воздействия как по энергетике, так и по направлению воздействия при снижении трудоемкости и материалоемкости разрушения, позволяющая использовать взрывные работы на территории отвала отходов металлургического комбината, а также достижение вполне определенного результата разрушения.

Это достигается за счет того, что в способе разрушение объектов, например, отходов металлургического производства или каких либо конструкционных элементов, энергия оказываемого на объект динамического воздействия, обеспечивается кинетической энергией метаемого тела к моменту воздействия на объект и определяется величиной (1,5 3) произведения массы объекта на величину энергии, идущей на дробление единицы массы вещества, из которого состоит объект, причем массу взрывчатого вещества выбирают из уровня, что она составит 2-6 масс метаемого тела, при этом метание осуществляют прицельно в зону предполагаемого расположения центра масс объекта с радиусом 0,05 0,03 от габаритного размера объекта во фронтальной плоскости, причем после начала трещинообразования в теле объекта после внедрения метаемого взрывом тела осуществляют подачу газообразных продуктов взрыва в трещины, после чего рассеивают газообразные продукты снаружи объекта. Если в состав объекта входят несколько весьма различных веществ, то метаемому телу обеспечивают кинетическую энергию, которая не менее суммы произведений масс веществ, входящих в состав объекта, на величины энергий, идущих на дробление единиц масс соответствующих веществ. При разрушении объекта слоистой структуры, в состав которого входят несколько компонентов, метание осуществляют со стороны выхода на поверхность компонента, обладающего большей энергией, идущей на дробление единицы массы, по геометрическому центру наружной поверхности этого компонента.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие критерию "новизна". При изучени известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявленное изобретение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявленному техническому решению соответствие критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показано исходное положение предназначенного для разрушения объекта и заряд ВВ с метаемым ударником; на фиг. 2 процесс взаимодействия сформированного взрывом ударника и объекта; на фиг. 3- момент внедрения ударника в тело объекта, трещинообразования, затекание в трещины газообразных продуктов взрыва и начала разрушения объекта.

На фиг. 1 3 1 заряд ВВ; 2 метаемый элемент; 3 разрушаемое тело; 4 сформированный взрывом ударник; 5 зона высокого давления в момент динамического воздействия ударника; 6 газообразные продукты взрыва; 7 - трещины.

Заряд ВВ 1 с метаемым телом 2 располагается на некотором расстоянии от предназначенного для разрушения тела 3. При инициировании заряда ВВ формируется ударник 4 массой 2-4 кг, который газообразными продуктами взрыва метается в разрушаемое тело. В результате динамического воздействия ударника в теле возникает зона высокого давления 5 с уровнем 10⁵ МПа (10⁶ атм), происходит разрушение кристаллической структуры вещества. Следствием этого является либо переход вещества в другое фазовое состояние (плавление, испарение), либо механическое дробление вещества с последующим разлетом кусков от места удара. Распространяющаяся ударная волна будет перемещать зону сжатия по всему телу, вызывая требуемое превращение вещества по всему объему.

Используя известное соотношение (4)


где ρ_ув давление на фронте ударной волны;
ρ_a и ρ_н начальные плотности первой и второй среды


ρ_1у, ρ_2у- плотности этих сред на фронте ударной волны
U_т скорость удара
U_цв скорость движения раздела двух сред, можно установить минимальные величины давления и скорости метания ударника, необходимые для достижения той или иной степени разрушения вещества, в частности, для механического дробления:

где ε_к энергия, идущая на дробление единицы массы среды.

Очевидно, что для разрушения всего тела (объекта) должно выполняться условие:
E_к = K•M•ε_к (4)
где К=(1,5 3) коэффициент запаса;
М масса разрушаемого тела (объекта);
к энергия дробления единицы массы компонента объекта;
Е_к кинетическая энергия метаемого тела.

Значения ε_к для различных материалов колеблется от 10⁹ эрг/г для железа до 5 10⁵ эрг/г для гранита и шлака.

Исследования показывают, что максимум энергии продуктов детонации передается ударнику при значении отношения массы ВВ к массе метаемого тела 2 - 6. За пределами интервала либо недостаточна масса ВВ для разгона ударника, либо она избыточна, что экономически и экологически нецелесообразно.

Для повышения эффективности способа необходимо, чтобы прицеливание при метании ударника осуществлялось в зону предполагаемого расположения центра масс во фронтальной проекции разрушаемого тела, т.к. в этом случае волна сжатия в теле будет распространяться к его границам более равномерно. Разность давлений во фронте волны у границы тела в различных его частях при этом будет минимальна, т.е. энергия ВВ будет использована рационально и дробление тела произойдет по всему объему.

С целью снижения трудоемкости разрушения в способе задана зона прицеливания, размеры которой позволяют избежать потребности в приборах и устройствах прицеливания и обеспечивают достаточную надежность разрушения. Смещение зоны контакта ударника от центра масс более, чем на 0,3 габаритного размера разрушаемого объекта, снижает эффективность метода из-за несимметричного нагружения и краевого рассеивания энергии.

При разрушении тел или объектов, состоящих из нескольких компонентов, вступает в силу закон адитивности, когда свойства объекта характеризуются суммой свойств входящих в него компонентов.

Перед воздействием заряд ВВ располагают таким образом и на таком расстоянии, что после образования первоначальных трещин газообразные продукты взрыва затекают в них и повышают градиент напряжения в разрушаемом теле за счет того, что рассеивание газообразных продуктов взрыва снаружи происходит значительно быстрее, чем истечение газа из трещин. В итоге это приводит к повышению эффективности способа за счет откольного эффекта под воздействием внутреннего воздействия газов.

При разрушении объекта слоистой структуры, в состав которого входят несколько компонентов, метание осуществляют со стороны выхода на поверхность компонента, обладающего большей энергией, идущей на дробление единицы массы, по геометрическому центру наружной поверхности этого компонента в направлении предлагаемого центра тяжести и близком к нормали наружной поверхности. Естественно, что в этом случае снижается различие размеров раздробленных кусков различных компонентов, т.к. большая часть энергии расходуется на дробление наиболее прочного компонента, оставшаяся часть энергии на дробление менее прочных компонентов. В противном случае, энергия ударника сразу расходовалась бы на разрушение менее прочного компонента на весьма мелкие фракции, а ее остатка не хватило бы на дробление прочного компонента.

Предлагаемый способ прошел апробацию при разработке отвала Тульского металлургического комбината НПФ "ТИОМ" и подтвердил свою эффективность, экономичность и приемлемую экологичность за счет оптимизации потребной мощности взрыва при достижении определенного результата разрушения.

Изобретение относится к области взрывных работ по разрушению крупногабаритных монолитных объектов, например, отходов металлургического производства - скрапов, образующихся из застывших после слива из домны или плавильной печи шлака и металла. Сущность изобретения: заряд ВВ с ударником располагают на определенном расстоянии от предназначенного для разрушения тела. При инициировании заряда ВВ формируют ударник массой 2...4кг, который газообразными продуктами детонации метается в разрушаемое тело с определенной кинетической энергией Е. В результате динамического воздействия ударника в теле возникает зона высокого давления с уровнем 10⁵МПа (10⁶ атм) происходит разрушение кристаллической структуры вещества. Следствием этого является механическое дробление вещества с последующим разлетом кусков от места удара. Распространяющаяся ударная волна будет перемещать зону сжатия по всему телу, вызывая требуемое разрушение вещества по всему объему. Максимум энергии продуктов детонации передается ударнику при значении отношения массы ВВ к массе метаемого тела 2-6, 1 з.п. ф-лы, 3ил.

1. Способ разрушения крупногабаритных объектов, преимущественно отходов металлургического производства, при помощи взрыва, отличающийся тем, что разрушение отходов в виде скрапа или сплошного конструктивного объекта осуществляют ударником, приводимым в движение кумулятивным зарядом с массой, равной 2 6 массам ударника, при этом рассчитывают расстояние от кумулятивного заряда с ударником до поверхности объекта разрушения и производят метание ударника прицельно в центр масс разрушаемого объекта во фронтальной плоскости с кинетической энергией E, отвечающей соотношению
E = K•M•ε_к,
где K (1,5 3) коэффициент запаса;
M масса разрушаемого объекта;
ε_к - удельная энергия дробления объекта. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для разрушения крупногабаритного объекта из нескольких разнородных составляющих определяют зону расположения составляющей, обладающей большей удельной энергией дробления, и метание осуществляют со стороны этой зоны по геометрическому центру ее наружной поверхности.