Способ поджига кислородного копья и запальник кислородного копья для осуществления способа
Изобретение относится к способу поджига кислородного копья, используемого для резки и сверления, в том числе под водой, на площадках подготовки металлолома и в сталелитейной промышленности. Запальник работает без вспомогательной электродуги. Способ поджига кислородного копья (13) включает подачу высококонцентрированного кислорода на мелкодисперсный порошок пирофорного металла (7), а именно циркония или титана, воспламеняющегося в контакте с кислородом, горением которого воспламеняют смесь порошков металлов (6а, 6в), а их совместное горение обеспечивает поджиг копья. Запальник кислородного копья содержит поджигающий заряд (6а, 6в), заключенный в гильзе (2), закрытой с одного конца, имеющей внутренний диаметр больше диаметра устья копья (13) и выполненной с возможностью ее надевания на устье копья до упорного фланца (10). Техническим результатом изобретения является повышение надежности и безопасности поджига. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение относится к способу запуска и зажигания кислородных копий, главным образом относящихся к типу, которые работают без вспомогательной электрической дуги. Настоящее изобретение также относится к запальнику, который работает в соответствии с указанным способом. Одно из преимуществ способа и устройства (запальника) согласно изобретению заключается в том, что они могут применяться как на воздухе, так и под водой.
Кислородные копья, относящиеся к описываемому типу и использующиеся главным образом для резки и сверления, в том числе и под водой, на площадках подготовки металлолома и в сталелитейной промышленности, в принципе разделяются на два основных типа, первый из которых работает только с кислородом и, следовательно, требует отдельной функции зажигания, и именно к этому типу, по существу, относится настоящее изобретение, а второй основной тип работает с кислородом и с собственной вспомогательной электрической дугой.
Одной из проблем, которая до сих пор встречалась в кислородных копьях, не имеющих собственной дуги, является постоянно встречающееся затруднение при воспламенении. В кислородных копьях, имеющих собственную дугу, эта дуга используется и для розжига копья. Существует промежуточный вариант, когда для розжига копья используют отдельный электродуговой запальник, который затем используется совершенно отдельно от копья, поскольку после розжига он не требуется.
Трудность розжига кислородных копий, не имеющих доступа к электрической дуге, объясняется тем фактом, что наконечник копья следует разогреть другим способом до температуры воспламенения железа, то есть приблизительно 1050°С. Раньше использовалось несколько различных способов розжига кислородных копий без доступа к электрической дуге, и, вероятно, самыми старыми из них являются розжиг с помощью обычной газовой сварочной горелки или розжиг с помощью сжигания угля. Однако ни один из этих способов не стал особенно популярным, поскольку человек, разжигающий кислородное копье, вынужден оставаться в непосредственной близости к устью кислородного копья и, если он окажется слишком близко, рискует попасть под струю брызг расплавленного металла.
Несколько более совершенное устройство, или запальник для розжига кислородных копий, не имеющих собственной электрической дуги, описан в публикации SE 7605274-5. Описанный запальник состоит из гильзы, открытой на одном конце и имеющей диаметр больший, чем устье копья. Гильза надевается на устье копья и удерживается на нем предназначенной для этого пружиной. Затем саму гильзу, по меньшей мере, частично заполняют металлическим порошком и воспламеняющим материалом, который может поджигаться извне через запальный канал. Из описания следует, что воспламеняющий материал можно поджигать либо с помощью чувствительной к удару композицией, расположенной непосредственно за закрытым концом гильзы, или посредством запального канала, заполненного химикатами, которые сами воспламеняются при температуре, превышающей температуру окружающей среды так, что запальник срабатывает уже при небольшом повышении температуры. В тексте также указано, что запальник может содержать пирофоры, т.е. вещества, воспламеняющиеся при подаче кислорода, и в этом случае они могут добавляться к воспламеняющему составу и обеспечивать возможность самовоспламенения при подаче кислорода на копье. Однако в тексте не содержится конкретных указаний на соответствующие пирофоры, которые могут использоваться для этой цели. В самом общем виде, вероятно, можно сказать, что в этом патенте в той части, которая относится к описанию запальника, сказано, что он содержит такие "химикаты, которые воспламеняются при температуре выше окружающей среды, позволяя тем самым осуществлять воспламенение при небольшом повышении температуры", и такой запальник представляется не удовлетворяющим необходимым требованиям к безопасности, поскольку в таком случае он должен иметь склонность к случайному воспламенению.
Другое подобное устройство для розжига кислородных копий описано в опубликованной шведской заявке на патент 8704421-0, где указано, что сгораемый порошок, то есть заряд порошка, который служит для разогрева до температуры поджига копья, содержит алюминиевый порошок, и окружающая этот порошок гильза должна быть оснащена упором, который ограничивает глубину, на которую копье может вставляться в эту гильзу, и, кроме того, гильза может содержать останавливающую массу, состоящую, например, из хлопка, а также в заявке указано, что имеется возможность создать пиротехническую задержку между плавящей головкой, установленной на в основном закрытом конце гильзы, и воспламеняющим составом, расположенным внутри гильзы, который в свою очередь воспламеняет порошок. Такая конструкция предназначена для того, чтобы человек, поджигающий внешний воспламеняющий состав, имел возможность отойти. В остальном на это устройство распространяются те же замечания, которые сделаны в отношении устройства, описанного выше, а именно, что оно должно содержать значительные количества пиротехнических материалов и к таким запальникам должны применяться особые правила работы с такими материалами.
Запальники кислородных копий общего типа, описанные в вышеуказанных патентных описаниях, с пиротехническими зарядами в качестве поджигающей среды имеются на рынке уже несколько лет, и было обнаружено, что в практическом использовании они имеют довольно высокий процент отказов и требуют от оператора кислородного копья существенного инстинктивного чутья в плане определения скорости увеличения подачи кислорода до полного расхода.
Наиболее близким к заявленному изобретению является поджиг кислородного копья, включающий подачу высококонцентрированного кислорода на порошок металла для его воспламенения, и запальник кислородного копья, описанные в патенте США №5622672. Однако этот способ имеет недостаток, заключающийся в том, что используемый пирофорный материал является недостаточно надежным при нормальных условиях, поскольку его необходимо держать в герметичном, непроницаемом для кислорода контейнере.
Настоящее изобретение относится к новому типу запальника кислородного копья, которое поджигается только посредством подачи кислорода и который не содержит никаких пиротехнических поджигающих составов и, следовательно, не зависит от каких-либо специальных правил по технике безопасности.
Это достигается за счет того, что создан способ поджига кислородного копья, включающий подачу высококонцентрированного кислорода на порошок металла для его воспламенения, в котором согласно изобретению высококонцентрированный кислород подают на мелкодисперсный порошок пирофорного металла, а именно циркония или титана, воспламеняющегося в контакте с кислородом, затем горением пирофорного металла воспламеняют смесь порошков металлов, а их совместное горение обеспечивает поджиг копья.
Кроме того, создан запальник кислородного копья, содержащий поджигающий заряд из металлического порошка, заключенный в гильзе, закрытой с одного конца, имеющей внутренний диаметр больше диаметра устья копья и выполненной с возможностью ее надевания на устье копья до упорного фланца, который работает в соответствии с описанным выше способом и содержит инициирующий заряд в виде мелкодисперсного порошка пирофорного металла в форме чистого металлического циркония или титана.
Инициирующий заряд в виде мелкодисперсного порошка пирофорного металла размещен в газопроницаемом, предпочтительно сгораемом, контейнере, установленном в гильзе на уровне фланца между устьем копья и поджигающим зарядом. Предпочтительно инициирующий заряд состоит из 0,05-0,5 г порошка чистого металлического циркония с размером частиц 2-6 мкм.
Газопроницаемый контейнер, в котором на начальном этапе хранится порошок пирофорного металла, выполнен из пористого нетканого материала. Более предпочтительно газопроницаемый контейнер выполнен из пористого нетканого материала в форме чашки, снабженной крышкой из того же материала, полностью ее закрывающей, при этом внутренний объем чашки значительно превышает объем порошка пирофорного металла.
Поджигающий заряд состоит из смеси порошков железа и алюминия и содержит первую часть с меньшим размером частиц порошка и вторую часть с несколько большим размером частиц порошка, при этом обе части поджигающего заряда содержат порошок железа и алюминия в соотношении 1:1 по весу. Предпочтительно поджигающий заряд содержит первую часть, содержащую порошок железа с размером частиц порядка 0,01 мм и порошок алюминия с размером частиц порядка 0,1 мм и вторую более крупноразмерную часть, содержащую порошок железа с размером частиц порядка 0,4-0,8 мм и гранулы алюминия с размером порядка 1-3 мм. При этом мелкодисперсная часть поджигающего заряда расположена в непосредственной близости от газопроницаемого контейнера, в котором находится порошок пирофорного металла.
Запальник кислородного копья согласно изобретению содержит внешнюю трубу, открытую с обоих концов, внутренний диаметр которой больше диаметра кислородного копья, внутреннюю гильзу, закрепленную во внешней трубе посредством выступов, входящих в канавку, и полностью закрытую с одного конца, причем поджигающий и инициирующий заряды вставлены в полость внутреннего канала, выполненного в гильзе, при этом внутренняя гильза снабжена двумя направляющими язычками для направления устья кислородного копья и прочного удержания его над полостью канала внутренней гильзы, а также содержит упорный фланец, ограничивающий глубину вставки копья в гильзу до положения, в котором копье не доходит до инициирующего заряда, а также газовыпускное отверстие, позволяющее газу, выходящему из кислородного копья, выходить из пространства, расположенного непосредственно над инициирующим зарядом, и затем выходить за пределы копья.
Запальник кислородного копья согласно изобретению при использовании для подводных работ содержит упругий эластичный чехол, охватывающий его конец, обращенный к копью, и устье копья, а также капсюль с защитной фольгой, первоначально закрывающей порошок пирофорного металла, прочность которого выбирается так, что фольга разрушается при подаче кислорода.
Как понятно из вышеизложенного, согласно таким способу и устройству предшествующие чисто пиротехнические воспламеняющие вещества для поджига разжигающих зарядов (сгораемого порошка) в запальнике кислородного копья заменены небольшим количеством порошка пирофорного металла, например, циркония или титана. Теоретически, может работать и фосфор, который является чистым пирофором, но фосфор воспламеняется на воздухе и поэтому сложен в обращении в нормальных условиях и, следовательно, в данном контексте неприменим. С другой стороны, цирконий, являющийся наилучшей альтернативой, является пирофором и воспламеняется при высоком содержании кислорода при условии, что имеет достаточно большую площадь поверхности, но воспламеняется не в большей степени, чем обычное дерево на воздухе, в котором содержание кислорода обычно немного превышает 20%. Следует также отметить, что кислородные копья описываемого здесь типа обычно работают либо на чистом кислороде, либо на кислороде с примесью небольшого количества инертных газов, например, приблизительно 5% аргона, и концентрация кислорода более чем достаточна для воспламенения циркония или титана в порошке с достаточно большой активной площадью поверхности.
Таким образом, в самой общей форме отличительным признаком запальника кислородного копья согласно изобретению является наличие поджигающего заряда, содержащего металлический порошок (сгораемый порошок), заключенный в металлическую гильзу, закрытую с одного конца, внутренний диаметр которой превышает наружный диаметр кислородного копья, при этом запальник предназначен для надевания на устье копья перед его розжигом так, чтобы копье вошло в него на определенную глубину, при этом в гильзе помимо поджигающего заряда металлического порошка, поверх этого заряда, то есть на конце заряда, обращенном к кислородному концу, также размещен инициирующий заряд пирофорного металла в порошковой форме, например циркония или титана. Для этой цели требуются небольшие количества пирофорного металла. При использовании циркония как наилучшей альтернативы для этой цели требуется 0,05-0,5 г мелкодисперсного чистого циркония с размером частиц 2-6 мкм. Инициирующий заряд быстро воспламеняет поджигающий заряд, использовавшийся в форме 11-15 г смеси порошков железа и алюминия, где железо и алюминий присутствуют в отношении 1:1 по весу. Удалось также установить, что поджигающий заряд является наиболее эффективным, если он содержит мелкие частицы одной составляющей и более крупные частицы второй составляющей порошка. Половина веса первой части заряда согласно изобретению весом 4 г состояла из алюминиевого порошка с размером частиц приблизительно 0,1 мм, а вторая половина состояла из железного порошка с размером частиц 0,01 мм, тогда как вторая часть заряда состояла из 4,5 г алюминиевой дроби с размером частиц 1-3 мм и 4,5 г железных опилок с размером частиц 0,4-0,8 мм.
При использовании запальника кислородного копья согласно изобретению стало возможным очень легко разжигать кислородные копья любого типа, не оснащенные электрической дугой. Поскольку запальник кислородного копья теперь не содержит никаких чисто пиротехнических составов, для него не требуется никаких особых условий хранения. При использовании запальник просто надевается на свое место на устье кислородного копья, после чего подается кислород, при этом высокая концентрация кислорода приводит к воспламенению инициирующего заряда в форме, например, мелкодисперсного циркониевого порошка, что в свою очередь воспламеняет поджигающий заряд, состоящий из порошкового железа и алюминия, что в свою очередь инициирует горение железа в кислороде и разжигает копье. Надежный розжиг любого кислородного копья, который достигается таким способом, разумеется, в некоторой степени является следствием высокой температуры горения циркония, которая составляет приблизительно 4900°С.
Помимо основной идеи использования порошка пирофорного металла, такого как цирконий или титан, для описанных здесь целей, настоящее изобретение также относится к детальной конструкции самого запальника для кислородного копья. В первую очередь необходим порошок пирофорного металла, такого, как цирконий или титан, который должен удерживаться в определенном положении, так как его достаточно большая площадь поверхности должна быть непосредственно доступна для контакта с кислородом, когда начинается его подача. Согласно изобретению это требование удовлетворяется путем помещения порошка пирофорного металла в газопроницаемый, предпочтительно сгораемый контейнер, расположенный непосредственно поверх поджигающего заряда. В качестве материала для этого контейнера использовался обычный нетканый материал, из которого формировали чашку, или контейнер с отдельной крышкой, внутренний объем которого существенно превышает минимальный объем, который потребовался бы для размещения порошка пирофорного металла. На практике было обнаружено, что предпочтительно, если порошок пирофорного металла просто образует порошковое покрытие на внутренней поверхности контейнера из нетканого материала. Таким образом можно использовать большую площадь поверхности, которая таким способом становится доступной для прямого контакта с кислородом. Непосредственно под этим контейнером расположен собственно поджигающий заряд, состоящий предпочтительно из двухкомпонентной смеси, одна часть которой состоит из мелкодисперсных частиц порошков железа и алюминия, а вторая - из частиц порошков тех же металлов, но имеющих более крупный размер, при этом обе части смеси могут иметь одинаковый вес. Было обнаружено, что нет необходимости отделять две части смеси друг от друга, и что достигаются вполне удовлетворительные результаты, если эти две части смеси засыпаются одна после другой на их общее место в запальнике. Напротив, ограничение смешивания в граничном слое между двумя частями смеси может дать даже некоторое преимущество.
Вся совокупность признаков настоящего изобретения определена в прилагаемой формуле изобретения, и ниже следует несколько более подробное описание со ссылкой на репрезентативную конструкцию, показанную на прилагаемых чертежах, где:
Фиг.1 - продольное сечение запальника,
Фиг.2 - сечение запальника, надетого на наконечник кислородного копья, на котором он должен воспламеняться,
Фиг.3 - различные детали запальника в сечении и в уменьшенном масштабе, и
Фиг.4 - сечение запальника для подводных работ, установленного на наконечник кислородного копья.
Соответствующие детали на разных чертежах обозначены одинаковыми позициями, независимо от того, как и в каком масштабе они показаны.
Как видно на фиг.1-3, наружная часть запальника кислородного копья согласно изобретению состоит из внешней трубы 1 и внутренней гильзы 2, закрепленной во внешней трубе посредством выступов 4, входящих в канавку 3, и полностью закрытой с одного конца. Внутренняя гильза 2 также оснащена внутренним каналом 5, в котором размещен двухкомпонентный заряд, состоящий из смесей порошков железа и алюминия с разным размером частиц. На чертеже часть заряда, которая имеет малый размер частиц, обозначена позицией 6а, а часть заряда с более крупными частицами обозначена позицией 6b. Совместно эти обе части образуют поджигающий заряд, но для того, чтобы его поджечь, требуется инициирующий заряд, являющийся отличительным признаком данного изобретения и который состоит из пирофорного металла 7, а именно из приблизительно 0,15 г мелкодисперсного циркония, находящегося в газопроницаемом контейнере 8 в форме чашки, который оснащен крышкой и в показанном примере выполнен из нетканого материала. Внутреннее пространство 9 контейнера 8 существенно превышает объем самого циркониевого порошка, и порошок находится в этом пространстве в свободном состоянии и образует то, что можно назвать порошковым покрытием внутренних стенок пространства 9. Внутренняя гильза 2 также оснащена упорным фланцем 10, функцией которой является, как показано на фиг.2, обеспечение того, чтобы кислородное копье, обозначенное позицией 13, могло доходить до этого упора, но не дальше. Внутренняя гильза 2 также оснащена двумя предпочтительно до некоторой степени упругими язычками 11 и 12 (см. фиг.3), функцией которых является (см. фиг.2) направление устья кислородного копья 13 эксцентрично вдоль одной внутренней стенки трубы 1 и удержание этого устья в этом положении до поджига. За счет установки упорного фланца 10 между внешним концом копья 13 и крышкой контейнера 8 между устьем копья и крышкой образуется зазор 14, в котором имеется выходное отверстие 15, расположенное между направляющими язычками 11 и 12, сквозь которое может проходить кислород на первом этапе процесса поджига, возвращаясь затем через пространство вне копья.
Таким образом, для поджига копья необходимо надеть запальник на устье копья до упора, как показано на фиг.2, и подать на копье кислород. После этого большая часть кислорода проходит через зазор 14 и выходит через отверстие 15, но одновременно часть газа проникает сквозь крышку, выполненную из нетканого материала, в контейнер 8 и вступает в реакцию с циркониевым порошком, который воспламеняется и в свою очередь поджигает поджигающий заряд 6, который запускает реакцию кислорода и железа, и копье готово к использованию.
Вариант запальника согласно изобретению, показанный на фиг.4, имеет внешний кожух 1а, в котором труба 1 и гильза 2, показанные на фиг.1-3, объединены в один узел. В этом кожухе 1а направляющие язычки 11 и 12 заменены неподвижными направляющими выступами, обозначенными позицией 11а. Этот запальник предназначен для подводных работ и поэтому снабжен эластичным уплотняющим чехлом и может также оснащаться защитной фольгой 17 поверх контейнера (капсюля) 8 с его пирофорным инициирующим зарядом. В таком случае прочность защитной фольги 17 должна подбираться так, чтобы при подаче кислорода эта пленка разрушалась. И защитная фольга, и уплотняющий чехол, разумеется, могут использоваться и при работах в атмосфере.
Другим возможным вариантом, не показанным на чертежах, является сборка части копья и запальника в единый узел. Такой вариант может быть полезен при использовании большого количества очень коротких копий, предназначенных для использования с короткими или длительными перерывами. Примером такого использования является работа на утилизации судов.
1. Способ поджига кислородного копья (13), включающий подачу высококонцентрированного кислорода на порошок металла для его воспламенения, отличающийся тем, что высококонцентрированный кислород подают на мелкодисперсный порошок пирофорного металла (7), а именно циркония или титана, воспламеняющегося в контакте с кислородом, затем горением пирофорного металла (7) воспламеняют смесь порошков металлов (6а, 6в), а их совместное горение обеспечивает поджиг копья.
2. Запальник кислородного копья, содержащий поджигающий заряд (6а, 6в) из металлического порошка, заключенный в гильзе (2), закрытой с одного конца, имеющей внутренний диаметр больше диаметра устья копья (13) и выполненной с возможностью ее надевания на устье копья до упорного фланца (10), отличающийся тем, что он работает в соответствии со способом по п.1 и содержит инициирующий заряд (7) в виде мелкодисперсного порошка пирофорного металла в форме чистого металлического циркония или титана.
3. Запальник кислородного копья по п.2, отличающийся тем, что инициирующий заряд в виде мелкодисперсного порошка пирофорного металла (7) размещен в газопроницаемом, предпочтительно сгораемом, контейнере (8), установленном в гильзе на уровне фланца (10) между устьем копья (13) и поджигающим зарядом (6а, 6в).
4. Запальник кислородного копья по п.3, отличающийся тем, что инициирующий заряд состоит из 0,05-0,5 г порошка чистого металлического циркония с размером частиц 2-6 мкм.
5. Запальник кислородного копья по п.3, отличающийся тем, что газопроницаемый контейнер (8), в котором на начальном этапе хранится порошок пирофорного металла (7), выполнен из пористого нетканого материала.
6. Запальник кислородного копья по п.5, отличающийся тем, что газопроницаемый контейнер (8) выполнен из пористого нетканого материала в форме чашки, снабженной крышкой из того же материала, полностью ее закрывающей, при этом внутренний объем (9) чашки значительно превышает объем порошка пирофорного металла (7).
7. Запальник кислородного копья по п.2, отличающийся тем, что пожигающий заряд (6а, 6в) состоит из смеси порошков железа и алюминия.
8. Запальник кислородного копья по п.7, отличающийся тем, что поджигающий заряд (6а, 6в) содержит первую часть (6а) с меньшим размером частиц порошка и вторую часть (6в) с несколько большим размером частиц порошка, при этом обе части поджигающего заряда содержат порошок железа и алюминия в соотношении 1:1 по весу.
9. Запальник кислородного копья по п.8, отличающийся тем, что поджигающий заряд (6а, 6в) содержит первую часть (6а), содержащую порошок железа с размером частиц порядка 0,01 мм и порошок алюминия с размером частиц порядка 0,1 мм, и вторую более крупноразмерную часть (6в), содержащую порошок железа с размером частиц порядка 0,4-0,8 мм и гранулы алюминия с размером порядка 1-3 мм.
10. Запальник кислородного копья по п.9, отличающийся тем, что мелкодисперсная часть (6а) поджигающего заряда расположена в непосредственной близости от газопроницаемого контейнера (8), в котором находится порошок пирофорного металла (7).
11. Запальник кислородного копья по п.2, отличающийся тем, что он содержит внешнюю трубу (1), открытую с обоих концов, внутренний диаметр которой больше диаметра кислородного копья, внутреннюю гильзу (2), закрепленную во внешней трубе посредством выступов (4), входящих в канавку (3), и полностью закрытую с одного конца, причем поджигающий (6а, 6в) и инициирующий (7) заряды вставлены в полость внутреннего канала (5), выполненного в гильзе (2), при этом внутренняя гильза (2) снабжена двумя направляющими язычками (11, 12) для направления устья кислородного копья (13) и прочного удержания его над полостью канала (5) внутренней гильзы, а также содержит упорный фланец (10), ограничивающий глубину вставки копья в гильзу до положения, в котором копье не доходит до инициирующего заряда, а также газовыпускное отверстие (15), позволяющее газу, выходящему из кислородного копья, выходить из пространства, расположенного непосредственно над инициирующим зарядом, и затем выходить за пределы копья.
12. Запальник кислородного копья по любому из пп.2-11, отличающийся тем, что при использовании для подводных работ он содержит упругий эластичный чехол (16), охватывающий его конец, обращенный к копью (13), и устье копья, а также капсюль с защитной фольгой (17), первоначально закрывающей порошок пирофорного металла, прочность которого выбирается так, что фольга разрушается при подаче кислорода.
