Способ разделки металлических конструкций на лом

Способ разделки металлических конструкций на лом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике переработки металлических конструкций на лом. Способ предназначен для металлоразделки утилизируемых конструкций (в том числе изделий вооружения и военной техники); металлоразделки изделий, загрязненных радионуклидами (с целью фрагментации - компактизации для захоронения); расснаряжения боеприпасов с взрывчатыми и отравляющими веществами.

Известны традиционные способы разрезки металла при переработке металлических конструкций на лом: газовая резка, плазменная резка, лазерная резка, взрывные технологии, механическая резка, гидрорезка и др. Указанные способы имеют существенные недостатки: дороговизну и чрезмерные энергозатраты, т.к. основаны на "высоких" рабочих параметрах; загрязнение рабочих зон и окружающей среды радиоактивными веществами (в случаях, относящихся к утилизации АПЛ) и высокотоксичными продуктами горения; иногда проблематичны в применении из-за сложности разрезаемых конструкций и необходимости создавать специальные защитные сооружения; потенциальную опасность, иногда приводящую к чрезвычайным последствиям, и т.п. Таким образом, при существующем уровне технологий металлоразделка трудоемка и, в целом, экономически невыгодна (см. А.А.Саркисов. Анализ современного состояния и пути решения проблемы утилизации атомных подводных лодок. // Проблемы вывода из эксплуатации и утилизации атомных подводных лодок. - М.: Издательство "КомТех", 1999 г. - 8. О технологиях разделки утилизируемых АПЛ. - С.25-27).

С целью многократного уменьшения выбросов в атмосферу, обычно сопровождающих металлоразделку (разрезку металла), что также соответствует требованиям Киотского Протокола, изобретен способ разделки металлических конструкций на лом, который является наиболее близким к заявленному решению и принят за прототип (см. Патент 2009803 RU, МПК 5 В23Н 3/00, В26F 3/08. Способ разделки металлических конструкций на лом. / В.М.Корниенко, В.А.Медведев, Е.А.Шеломанов (РФ). - 5004638/27; заявл. 07.08.91; опубл. 30.03.94, Бюл. №6).

По известному способу разделки металлических конструкций на лом осуществляют нарушение целости металла в месте реза. При этом на поверхности металла наносят электроизоляционное покрытие и прорезают в нем острым инструментом линию реза, в месте реза формируют ограничительный канал, присоединяют внутри неизолированный провод, обеспечивая зазор между проводом и разрезаемым металлом. Затем внутреннюю полость канала наполняют электролитом, после чего подключают провод к отрицательной клемме источника тока, а разделываемую металлическую конструкцию - к положительной клемме источника тока.

Недостаток этого способа сводится к следующему.

Разделка осуществляется за счет самопроизвольного разрушения металла в месте реза, конструктивно представляющем собой канавку, вследствие его электрохимического взаимодействия с электролитом, сопровождающегося классическими физико-химическими процессами.

1. Самопроизвольное разрушение металла в месте реза может быть получено путем физико-химического взаимодействия его с влажной средой, т.е. коррозией. В результате окислительных процессов под действием воды и кислорода на поверхности металла образуются слои: железа (II) оксид (FeO)+железа (II, III) оксид (Fe₃O₄)+железа (III) оксид (Fe₂O₃). Если среда электропроводна, осуществляются электрохимические реакции: окисление - анодный процесс (анодное растворение металла, образование твердых продуктов коррозии), восстановление - катодный процесс (выделение водорода, восстановление растворенного кислорода). Таким образом, электрохимическое окисление металла, приводящее к образованию растворимых продуктов, является необходимым условием преднамеренного использования коррозии для разрезки металлоконструкции, являющейся анодом в электрохимической цепи, но не достаточным. Для технологического использования указанного процесса в области металлоразделки требуется постоянное удаление продуктов коррозии из места реза.

2. Рабочим веществом процесса является жидкий электролит, например раствор поваренной соли или морская вода. Применяемый по известному способу электролит, заполняющий внутреннюю полость ограничительного канала, обладает свойством электролитической диссоциации - расщеплением молекул на ионы (например, ). Количественной характеристикой диссоциации служит степень диссоциации - отношение числа расщепленных молекул на положительные (катионы) и отрицательные (анионы) заряженные ионы к общему числу молекул.

3. При прохождении постоянного электрического тока через электролит на опущенных в него электродах (аноде и катоде) происходят электрохимические реакции электролиза, в результате которых выделяются в. свободном виде вещества, входящие в состав электролита. Проводимость электролитов - ионная, прохождение тока в них связано с переносом вещества. На аноде, которым является разделываемая металлическая конструкция, происходит электрохимическое окисление - анионы становятся нейтральными атомами и выделяются из раствора (Cl₂), причем масса выделившегося на аноде вещества, согласно первому закону М.Фарадея, пропорциональна времени прохождения через электролит тока и силе тока (с учетом электрохимического эквивалента). На катоде, которым является неизолированный провод внутри ограничительного канала, происходит восстановительная реакция - катионы получают недостающие электроны (Na).

4. В тонких поверхностных слоях на границе электродов с электролитами протекают электродные процессы, во время которых ионы или молекулы приобретают электроны или отдают их электродам. Скорость электродного процесса зависит от электродного потенциала, т.е. разности электрических потенциалов между электродом и электролитом. Однако непосредственно измерить можно только разность электродных потенциалов двух электродов - практически в известном способе разность потенциалов между разделываемой металлоконструкцией и проводом в ограничительном канале.

Таким образом, исходя из вышеизложенных по пп.1...4 физико-химических процессов, имеется технологическая схема рабочего процесса по известному способу, основанному на анодном растворении металла:

вследствие разности потенциалов (п.4) через электролит проходит постоянный электрический ток;

на аноде образуются продукты коррозии (п.1);

диссоциированные ионы Cl^- (п.2), являющиеся дополнительными (к кислороду) активаторами окисления металла, восстанавливаются на аноде, и выделяется газ - хлор (п.3).

В результате продукты коррозии отделяются от анода, и производится разрезка металла с высокой степенью энергосбережения: полученные результаты по разрезке образцов из легированных и антикоррозионных сталей, титановых и алюминиевых сплавов толщиной до 6 мм и образцов из углеродистых сталей толщиной до 22 мм подтверждают достаточность "малых" параметров электрического тока - напряжение 1...20 В, сила тока 1...9 А. Эти параметры обеспечивают и достаточную для практики производительность, полученную на указанных образцах, имеющих ограниченные по длине, незначительно протяженные участки трасс разделки металла, чтобы возможно было провести лабораторные испытания. Однако переход от лабораторных испытаний к опытно-промышленному внедрению известного способа выявил явление уменьшения производительности на значительно протяженных трассах разделки металлических конструкций.

Поскольку скорость анодного растворения зависит от электродного потенциала металла, считалось, что исключить этот недостаток возможно увеличением параметров электрического тока, которое приведет к пропорциональному увеличению производительности; но фактически это увеличение оказалось незначительным вследствие следующего явления. Вышеуказанные по пп.1...4 классические физико-химические процессы справедливы для таких конструкций анода и катода (например, электропроводящих по всей поверхности пластин), которые имеют свободное оперативное пространство для подхода к ним ионов. В случае же разрезки металла имеется существенное отличие - продукты коррозии образуются на аноде в условиях канавки. Пространство для подхода анионов к внутренней поверхности канавки является крайне ограниченным, следовательно, и "работающих" анионов из общего их количества в электролите незначительное. При увеличении параметров электрического тока степень диссоциации электролита значительно повышается вследствие роста количества диссоциированных ионов (п.2). Однако геометрическое пространство канавки ограничивает доступ переносимых веществ (п.3), занимающих определенные объемы этого геометрического пространства, т.е. фактически пока предыдущие анионы "не сработают" внутри канавки на аноде, следующие за ними другие анионы не смогут подойти к разрезаемой поверхности металла. Практически обнаруживается аномалия в адекватности динамики вышеуказанных по пп.1...4 классических физико-химических процессов: скорость анодного процесса в этом случае увеличивается крайне незначительно, а именно она определяет производительность процесса разрезки металла. Не приводят к адекватному увеличению производительности и другие меры (например, повышение концентрации раствора поваренной соли), в том числе и с дополнительными энергозатратами (например, на барботаж).

Таким образом, известный способ разделки металлических конструкций на лом обладает малой производительностью и не имеет возможности ее увеличения до полномасштабного удовлетворения нужд промышленного производства.

В основу изобретения поставлена задача увеличения производительности процесса разрезки металла.

Решение поставленной задачи достигается тем, что нарушают целость металла по линии реза, линию реза размечают на участки, формируют ограничительный канал в виде отделенных друг от друга технологических ячеек, каждая из которых выполнена в виде электролитической ванны и расположена на соответствующем участке, устанавливают в каждой электролитической ванне с зазором относительно разрезаемого металла неизолированный электрод-инструмент, заполняют каждую ванну электролитом, а нарушение целости металла осуществляют путем подключения разделываемой металлической конструкции к положительному полюсу, а неизолированных электродов-инструментов - к отрицательному полюсу источника или источников постоянного тока для обеспечения разрезания металла на каждом участке независимо от других, взаимосвязано с другими участками или по схеме, совмещающей независимое и взаимосвязанное разрезание, с образованием металлических перегородок и последующим нарушением их целости.

Отличительным признаком изобретения является:

линию реза размечают на участки, формируют ограничительный канал в виде отделенных друг от друга технологических ячеек, каждая из которых выполнена в виде электролитической ванны и расположена на соответствующем участке, устанавливают в каждой электролитической ванне с зазором относительно разрезаемого металла неизолированный электрод-инструмент, заполняют каждую ванну электролитом, а нарушение целости металла осуществляют путем подключения разделываемой металлической конструкции к положительному полюсу, а неизолированных электродов-инструментов - к отрицательному полюсу источника или источников постоянного тока для обеспечения разрезания металла на каждом участке независимо от других, взаимосвязано с другими участками или по схеме, совмещающей независимое и взаимосвязанное разрезание, с образованием металлических перегородок и последующим нарушением их целости.

Указанный отличительный признак изобретения позволяет увеличить производительность вследствие следующего явления.

Значительно протяженная трасса (длиной L) разделки металла требует для осуществления разрезки необходимой работы электрического тока (Вт·ч), которая обеспечивается энергетическими затратами - определенной силы электрического тока (А) при соответствующем напряжении (В), т.е. мощностью (Вт). При этом количество времени (ч), в течение которого эта работа произведена, определяется отношением работы к мощности (). Незначительно протяженная трасса (длиной l) разделки этого же металла также требует для осуществления разрезки необходимой работы электрического тока, которая обеспечивается определенной мощностью. Если параметры электрического тока (сила тока и напряжение) в обоих случаях одинаковы, то мощности, как произведения величин силы тока и наряжения, также одинаковы (примечание: если параметры неодинаковы, необходимо применять коэффициенты пересчета). При этом количество времени, затраченное на разрезку значительно протяженной трассы (L), больше количества времени, затраченного на разрезку незначительно протяженной трассы (l), на величину, определяемую отношением численных значений длины ().

Значительно протяженная трасса (L) разделки металла требует для осуществления разрезки удаления определенного количества продуктов коррозии (М), а незначительно протяженная трасса (l) требует удаления ей соответствующего количества продуктов коррозии (m); при этом превышение первого численного значения над вторым определяется отношением (). Значительно протяженная трасса (L) требует для осуществления разрезки определенного количества времени (Т), а незначительно протяженная трасса (l) требует ей соответствующего количества времени (t); при этом превышение первого численного значения над вторым определяется отношением (). Исходя из физико-химических процессов по пп.1...4, указанные величины взаимосвязаны, следовательно, эти отношения эквивалентны .

Разделим мысленно длину значительно протяженной трассы разделки на ряд незначительно протяженных трасс (L=l₁+l₂+...+l_n) по схеме: . Вследствие эквивалентности параметров также имеем (M=m₁+m₂+...+m_n), (Т=t₁+t₂+...+t_n). Следовательно, на одном участке (l) удаляем продуктов коррозии (m_i) в течение времени (t_i), а на всей трассе разделки удаляем продуктов коррозии в течение времени . Теперь представим, что на всех участках (l) удаляем по (m_i) продуктов коррозии одновременно - это означает, что суммарное количество продуктов коррозии () удаляем на всех участках () за время одновременной работы (t_i). Такое состояние действующей системы возможно практически реализовать параллельной работой всех участков (l). Поскольку производительность разрезки (разделки) металла определяется количеством удаляемых продуктов коррозии в единицу времени, то ее численное значение

в исходном случае трансформируется в большее численное значение

в случае параллельной работы всех участков (l) трассы (L). При этом увеличение производительности определяется отношением

Разделим фактически длину значительно протяженной трассы разделки (L) на ряд незначительно протяженных трасс (l) по аналогии с вышеприведенной схемой. Поскольку в месте реза для осуществления разделки металла (анода) формируем ограничительный канал, на границах участков (l) установим герметичные перегородки; и на каждом участке (l) получим электролитическую ванну, которую заполняем электролитом. Чтобы электролит работал, в каждую электролитическую ванну подведем электрод-инструмент (катод). Таким образом, на каждом участке реза (l) получаем отделенную от соседних технологическую ячейку, представляющую собой электролитическую ванну с обособленным, только ей принадлежащим электродом-инструментом для разрезки металла на этом участке. Самостоятельной работой технологических ячеек по всей трассе разделки (L) варьируем при любой схеме подключения к источнику (или источникам) постоянного электрического тока: каждая ячейка может работать независимо от работы других ячеек, взаимосвязано с другими ячейками или по совмещенной схеме.

Вышеизложенные доводы подтверждают достижение технического результата за счет совокупности существенных признаков заявленного способа.

Совокупность существенных признаков заявленного способа разделки металлических конструкций на лом имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков способа стало возможным решить поставленную задачу.

На основании изложенного заявленный способ разделки металлических конструкций на лом является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. явным образом не следует из уровня техники, и пригоден для промышленного применения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где показаны:

на фиг.1 - судно с намеченными линиями реза рубки;

на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1;

на фиг.3 - технологическая ячейка;

на фиг.4 - взаимосвязанная схема работы технологических ячеек;

на фиг.5 - оболочка ограничительного канала;

на фиг.6 - система технологических ячеек и электрическая схема, применяемые для обеспечения отрезания рубки судна;

на фиг.7 - независимая схема работы технологических ячеек;

на фиг.8 - совмещенная схема работы технологических ячеек.

Реализация способа осуществляется следующим образом.

Пример 1. На лобовой переборке 1 (фиг.1) рубки 2 разделываемого судна 3 намечают горизонтальную линию реза 4 (фиг.2), вдоль которой поверхность металла на ширину 5 монтажа ограничительного канала очищают от непрочно держащихся старой краски и продуктов коррозии и обезжиривают. Линию реза 4 размечают на участки 6, и в размере ширины 5 приклеивают эпоксидно-каучуковым клеем полосу 7 (фиг.3) из активированной полиэтиленовой пленки. После отвердения клея острым инструментом прорезают канавки 8 до металла на каждом размеченном участке 6 (фиг.2), оставляя непрорезанными пограничные места - элементы 9. Электроды-инструменты 10 (фиг.3, 4), например, из медной проволоки с присоединенными к ним электропроводниками 11 закрепляют на опоры 12 (фиг.3) из электроизоляционного материала, чем обеспечивают зазор между электродами-инструментами 10 и разрезаемой металлической поверхностью. Каждый отдельный электрод-инструмент 10 устанавливают на соответствующем отдельном участке 6 (фиг.2).

Для получения формы ограничительного канала изготавливают оболочку 13 (фиг.3, 5) из полиэтиленовой пленки с герметичными торцовыми перегородками 14 (фиг.5) и патрубками: верхним 15 и нижним 16, снабженным зажимом 17. Количество оболочек 13 изготавливают равным количеству участков 6 (фиг.2). Оболочки 13 (фиг.3) приваривают к полосам 7 на каждом участке 6 (фиг.2) методом сварки полиэтиленовых пленок, при этом каждый электропроводник II (фиг.3) выводят из оболочки 13 наружу через верхний патрубок 15 (фиг.5) и присоединяют к электропроводнику 18 (фиг.4, 6) от клеммы источника постоянного электрического тока 19 (фиг.6). Отрезаемую рубку 2 (фиг.1, 6) присоединяют к электропроводнику 20 (фиг.4, 6) от клеммы источника тока 19 (фиг.6).

Примечание: если оболочки 13 (фиг.5) изготавливают из активированной полиэтиленовой пленки, то к полосам 7 (фиг.3) их не приваривают, а приклеивают эпоксидно-каучуковым клеем, например используют двухкомпонентный клей "Анлес" (ТУ 2252-002-44297874-99).

Таким образом, на каждом участке реза монтируют ограничительный канал, внутри которого установлен электрод-инструмент 10 (фиг.4). Герметичные полиэтиленовые перегородки 14 и непрорезанные части полиэтиленовой полосы 7 (фиг.3) между участками 6 (фиг.2), т.е. элементы 9, конструктивно обеспечивают отделение участков и их самостоятельную работу.

Аналогично линии "аб" реза снаружи рубки 2 (фиг.1) формируют линии реза по контурам "бв", "вд", "ег", "га" и внутри рубки 2 - линии реза по контурам "де", "жк", "зл", "им".

На каждом участке 6 (фиг.2) внутреннее пространство оболочек 13 (фиг.3) через верхние патрубки 15 (фиг.5) с помощью наливного устройства наполняют морской водой 21 (фиг.4), при этом нижние патрубки 16 (фиг.5) перекрывают зажимами 17. Включают источник постоянного электрического тока 19 (фиг.6) и осуществляют разрезку металла на каждом участке 6 (фиг, 2) по канавкам 8 (фиг, 3), за исключением элементов 9, которые образуют в процессе работы металлические перегородки 22 (фиг.4). Сопутствующее электрохимическому процессу внутри оболочек 13 (фиг.3) газовыделение осуществляется через верхние патрубки 15 (фиг.5). Продукты коррозии из оболочек 13 периодически удаляют в отстойные емкости через нижние патрубки 16 при открытых зажимах 17 (примечание: наполнение и удаление электролита возможно осуществить и по другой технологической схеме, вплоть до автоматической).

Таким образом, для разделки металлической конструкции формируют систему технологических ячеек, каждая из которых представляет собой электролитическую ванну, образованную оболочкой 13 (фиг.3) и частью металлической конструкции в районе участка 6 (фиг.2) трассы разделки, разграниченной по длине перегородками 22 (фиг.4), с обособленным, только ей принадлежащим электродом-инструментом 10 для разрезки металла на этом участке. Технологические ячейки данной системы запускают в самостоятельную работу взаимосвязано по схеме (фиг.4, 6). После разрезки участков 6 (фиг.2) насквозь перегородки 22 (фиг.4) разрезают или настоящим заявленным способом, или таким перспективным способом, как высокоскоростной трещиной, запускаемой жидким азотом, или одним из традиционных способов (что оправдывается незначительной трудоемкостью вследствие малого объема этих работ).

Пример 2. Аналогично вышеописанной технологии подготавливают трассы отрезания рубки 2 (фиг.1) от разделываемого судна 3. Оболочки 13 (фиг.3) приваривают или приклеивают к полосам 7 на каждом участке 6 (фиг.2), при этом каждый электропроводник II (фиг.3, 7) выводят из оболочки 13 наружу через верхний патрубок 15 (фиг.5) и присоединяют к электропроводникам 23, 24, 25, 26 (фиг.7). Каждый из этих электропроводников соединяют с клеммой отдельного источника постоянного электрического тока (в данном случае их задействовано четыре). Клеммы этих источников соединяют электропроводником 27 с отрезаемой рубкой 2 (фиг.1, 7).

Таким образом, каждую технологическую ячейку данной системы запускают в самостоятельную работу независимо от работы других ячеек по схеме (фиг.7).

Пример 3. Аналогично вышеописанной технологии подготавливают трассы отрезания, рубки 2 (фиг.1) от разделываемого судна 3. Оболочки 13 (фиг.3) приваривают или приклеивают к полосам 7 на каждом участке 6 (фиг.2), при этом каждый электропроводник II (фиг.3, 8) выводят из оболочки 13 наружу через верхний патрубок 15 (фиг.5) и попарно присоединяют к электропроводникам 28, 29 (фиг.8). Каждый из этих электропроводников соединяют с клеммой отдельного источника постоянного электрического тока (в данном случае их задействовано два). Клеммы этих источников соединяют электропроводником 30 с отрезаемой рубкой 2 (фиг.1, 8).

Таким образом, технологические ячейки данной системы запускают в самостоятельную работу по совмещенной схеме (фиг.8).

Конкретные примеры разделки (разрезки) металлической конструкции показывают, что поставленная задача решается применением такой системой технологических ячеек, которая способна обеспечить выполнение работы за меньшее количество времени.

Кроме того, данный способ разделки металлических конструкций на лом имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом.

1. Заявленное решение реализуется технологическими ячейками, представляющими собой унифицированные узлы (или части системы), оформленные конструктивно как самостоятельно функционирующие модули. А известно, что модульная система всегда является гибкой, переналаживаемой и экономически выгодной в изготовлении, эксплуатации, ремонте и модернизации.

2. Обладает свойством снимать металл на одинаковую глубину при разных толщинах корпуса разделываемого изделия за счет варьирования параметров технологических ячеек, главным образом длины.

3. Легче обеспечивает эксплуатационную технологичность, что особенно важно для соблюдения герметичности: при ремонте, а также в случае разгерметизации выводится из работы не весь технологический (ограничительный) канал, обслуживающий трассу разделки, а только часть, в объеме одной или нескольких технологических ячеек.

4. Обладает возможностью введения в работу и выведения из работы не всей трассы разделки одновременно, а последовательно и по частям, по мере монтажа и демонтажа технологических ячеек.

5. Имеет высокую степень унификации, а это, в свою очередь, повышает технический уровень монтажа технологического канала в целом, т.к. сами технологические ячейки возможно изготовить заранее.

6. При необходимости осуществления разделки металла по трассе изогнутой конфигурации практически проще установить (смонтировать) технологические ячейки, чем формировать монолитный ограничительный канал.

7. Ограничительный канал в объеме технологической ячейки содержит значительно меньшее количество электролита по сравнению с ограничительным каналом большой протяженности, следовательно, нагрузка на оболочку и усилие отрыва оболочки от металла также меньше. Это особенно важно для вертикальных и потолочных резов.

Способ разделки металлических конструкций на лом, включающий нарушение целости металла по линии реза, отличающийся тем, что линию реза размечают на участки, формируют ограничительный канал в виде отделенных друг от друга технологических ячеек, каждая из которых выполнена в виде электролитической ванны и расположена на соответствующем участке, устанавливают в каждой электролитической ванне с зазором относительно разрезаемого металла неизолированный электрод-инструмент, заполняют каждую ванну электролитом, а нарушение целости металла осуществляют путем подключения разделываемой металлической конструкции к положительному полюсу, а неизолированных электродов-инструментов - к отрицательному полюсу источника или источников постоянного тока для обеспечения разрезания металла на каждом участке независимо от других, взаимосвязано с другими участками или по схеме, совмещающей независимое и взаимосвязанное разрезание, с образованием металлических перегородок и последующим нарушением их целости.