книги из ГПНТБ / Бричкин А.В. Направленное разрушение искусственных минеральных сред огнеструйными горелками

Огнеструйный метод. Из термических способов заслу­ живает особого внимания огневой с помощью факела огнеструйных горелок.

В основе огнеструйного способа разрушения — воз­ действие на поверхность тепловой и механической энер­ гии высокотемпературной газовой струи (3000—3300° К), истекающей со сверхзвуковой скоростью (2000 м/сек) из сопла горелки, в камере которой происходит сгорание высококалорийного топлива.

В настоящее время этот способ получил широкое про­ мышленное внедрение, оказавшись наиболее производи­ тельным, и. экономичным по сравнению с другими терми­ ческими способами.

Кроме того, перечисленными термическими способами все минеральные среды разрушаются плавлением. Пре­ имущество огнеструйного способа состоит в том, что креп­ кие и весьма крепкие горные породы разрушаются шелу­ шением, отсюда и широкий диапазон его применения. Огнеструйные горелки используются для бурения шпуров и скважин, для резки горных пород и обработки поверх­ ности изделий из них.

Огневое бурение взрывных скважин в карьерах ведет­ ся в Криворожском бассейне, на Бакальском руднике на Урале и т. д. Наша и зарубежная практика показала вы­ сокую эффективность этого способа по скорости и эконо­ мичности, особенно в породах высокой крепости [13—16]. На карьерах Криворожья станки ударно-канатного буре-

•ния заменяются станками огневого бурения в отношении 5 : 1 , что приводит к значительной экономии капитальных

иэксплуатационных затрат [16—20].

более чем на 40 карьерах и заводах. В результате внедре­ ния термоинструментов производительность обработки (тески) возросла в 8—10 раз по сравнению с ручным и в 5—8 раз по сравнению с пневмомеханическими способа­ ми. На отдельных операциях обработки, как, например, при изготовлении валов для бумажной промышленности (машинный прокат тонкой конденсаторной бумаги) про­ изводительность возросла до 20^раз. Производительность

Средний годовой экономический эффект на один тер­ моинструмент в зависимости от производственных усло­ вий при обработке поверхности достигает 3—6 тыс. руб., при резании — 10—12 тыс. руб.

Огнеструйный способ наряду с применением его в гор­ ной, камнедобывающей и камнеобрабатывающей про­ мышленности может быть успешно использован для на­ правленного разрушения бетона и железобетона при строительстве гражданских и промышленных соору­ жений.

В перекрытиях и стенах объектов часто необходимо пробивать много разнообразных отверстий для проводки коммуникаций, монтажа оборудования и т. д. В связи с реконструкцией предприятий приходится разрушать и удалять бетонные фундаменты, не останавливая работы предприятий.

Удаление шлака из шлаковиков является очень тру­ доемкой операцией при ремонте мартеновских и других металлургических печей, определяющей длительность простоя.

Опытные работы по направленному разрушению ис­ кусственных крепких сред (бетона, железобетона, асбо­ цемента, металлургических шлаков и др.) с помощью огнеструйных горелок показали большие возможности этого метода. Он позволяет упростить проектирование соору­ жений, технологию и тип изделий из бетона, сократить на производственном потоке разновидность изготовляемых деталей, отличающихся расположением и размерами монтажных отверстий и проемов, повысить производи­ тельность труда при строительстве зданий и сооружений [21] и их реконструкции.

Ниже нами приводятся результаты исследований по применению огиеструйного способа бурения и резки ис­ кусственных минеральных сред для различных промыш­ ленных целей.

Г л а в a 11

МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ СРЕД И ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА

Под действием высокотемпературного сверх­ звукового газового потока на горную породу ее поверх­ ностный слой разрушается. Характер и интенсивность разрушения определяется физико-механическими свой­ ствами пород (теплопроводность, твердость, прочность, температура плавления и др.), взаимодействием газового потока с разрушаемой поверхностью, формой забоя, ве­ личиной удельного теплового потока, его распределением (градиентом) по поверхности нагрева и вдоль оси струи, временем воздействия и другими факторами.

1. ХАРАКТЕР РАЗРУШЕНИЯ

Механизм разрушения горных пород весьма сложен. При интенсивном подводе тепловой энергии в поро­ де возникают термические напряжения, приводящие к разрушению поверхностного слоя шелушением. До по­ следнего времени решающая роль отводилась термиче­ ским напряжениям растяжения [22, 23], так как значение предела прочности горных пород на сжатие в 8 и более раз выше предела прочности на растяжение. Однако чи­ сто растягивающие напряжения вызывают лишь растре­ скивание породы и не определяют ее шелушения, поэто­ му основными считают сдвиговые напряжения [24].

В то же время при возрастании температуры породы за очень короткий промежуток времени в тонком слое возникают и напряжения сжатия, которые достигают больших значений, в несколько раз превышающих предел прочности материала на сжатие [25, 26]. Хрупкое разру­ шение происходит вследствие потери прочности в

этом слое. В этот момент на границе слоя возникают значительные скалывающие напряжения [27].

Изучая влияние величины удельного теплового пото­ ка и времени его воздействия на механизм разрушения различных горных пород установлена взаимосвязь на­ пряжений сжатия и растяжения для некоторого интерва­ ла времени [28, 29]. Начиная с определенного момента времени для некоторой толщины напряжение сжатия пе­ реходит в напряжение растяжения. При этом для различ­ ных интервалов времени они находятся на разной глу­ бине от поверхности пластины. В области перехода на­ пряжения сжатия в напряжение растяжения будут, повидимому, наблюдаться наибольшие напряжения сдвига слоев породы. Во времени сдвиговые напряжения дости­ гают предельных значений позже разрушающих напря­ жений сжатия и, очевидно, раньше максимальных напря­ жений растяжения. С увеличением теплопроводности по­ роды или уменьшением количества подводимой энергии, вследствие более равномерного прогрева образца на большую глубину, порода теряет свои упругие свойства, что приводит к снижению термических напряжений, и разрушение происходит путем плавления. Такой характер разрушения наблюдается в трещиноватых породах. Воз­ никающие термические напряжения недостаточны для хрупкого разрушения, так как они поглощаются трещи­ нами. В зависимости от теплофизических и механических свойств среды ей соответствует оптимальный удельный тепловой поток, обеспечивающий наиболее эффективное ее разрушение.

Искусственные минеральные среды отличаются от крепких горных пород, разрушающихся шелушением, ми­ нералогическим составом, пористостью, прочностью, не­ однородностью и т. д. По своим свойствам они прибли­ жаются к породам, разрушающимся путем плавления. Так, при воздействии на бетон факелом огнеструйной го­ релки он плавится. Причина этому — структура и мине­ ралогический состав бетона (табл.2).

Цементный камень [30] содержит две основные состав­ ляющие: кристаллический сросток и наполняющая его масса в виде связанной воды со взвесью из субмикроско­ пических кристаллов. Вторая — по свойствам и поведе­ нию представляет типичный гель. Обе составляющие

Таблица 2

Пористость и коэффициент теплопроводности различных бетонов

масса микрокристаллов в бетоне создают основу для его усадки, разбухания и ползучести.

Из этих условий структурного формирования бетона и вытекает присущая ему пористость. Микропоры образу­ ются в нем непрерывно. По' ним происходит миграция во­ ды, паров, газов из бетона и абсорбция их из внешней среды. Как видно из табл. 2, пористость различных бето­ нов изменяется в широких пределах от 11 до 62% [31]. Пористость бетона и является основной причиной погло­ щения термических деформаций. Так как нагреваемый участок не встречает препятствий к расширению, возни­ кающие напряжения не достигают предела прочности, вследствие этого в поверхностном нагретом слое, как пра­ вило, не происходит отделение частиц, а наблюдается плавление.

Нагревание цементного камня сопровождается про­ цессом дегидратации (обезвоживания), который способ-

.ние и дальнейший его нагрев до температуры выноса про­

теплопроводности бетона этой частью тепла пренебре­ гаем.

Отсюда удельный тепловой поток можно записать:

ской решетки. В бетоне, ввиду большой взякости его рас­ плава, подвижность частиц настолько ограничена, что об­ щий облик кристалла сохраняется. при температуре несколько выше температуры плавления (явление пере­ гревания).

Ввиду продолжающегося подвода тепла факелом с температурой около 3000° К, расплавленный бетой нагре­ вается до температуры Т в ш , которая несколько выше тем­ пературы плавления. На этот процесс затрачивается ко­ личество тепла, выраженное третьим членом уравнения

c y w ( T B m - Т п л ) .

Решая совместно уравнения (1) и (3) относительно скорости разрушения, получим: