通过添加了磨料颗粒的液态低温流体射流进行切割

1.一种切割材料的方法，其中通过处于至少100bar的压力下的切割射流在所述材料中进行切割，其特征在于：
-通过将小于-100℃的低温液体与由至少一种磨料材料构成的固体磨料颗粒相混合从而形成切割射流，磨料材料的莫氏硬度指数至少为6，固体磨料颗粒包含在气体流中，并且固体磨料颗粒包含从由金刚砂、石榴石、碳化钨、碳化硅、碳化钛、橄榄石、氧化铝和碳酸钙构成的组中选出的至少一种磨料材料，并且
-切割射流通过聚焦喷枪指向待切割材料，完全或部分地构成聚焦喷枪的材料的硬度大于所使用的固体磨料颗粒的硬度，并且所述完全或部分地构成聚焦喷枪的材料选自碳化硅、碳化钛、碳化硼、立方氮化硼、金刚石、和钴含量介于0.1%和10%之间的碳化钨。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，切割射流的压力介于500bar和4000bar之间。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，低温液体处于小于-150℃的温度下。
4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，低温液体是液氮。
5.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，待切割的材料由金属、陶瓷、混凝土、木材、或聚合物构成。
6.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，包含固体磨料颗粒的气体流是空气流。
7.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，液体流和通过气体流输送的固体磨料颗粒的混合在混合室中进行，混合室完全或部分地由硬化钢、碳化硅、碳化钛、立方碳化硼、氮化硼、金刚石、或钴含量介于0.1%和10%之间的碳化钨制成。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，构成混合室的材料的硬度大于所使用的磨料的硬度。
9.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，固体磨料颗粒包含从由金刚砂、石榴石和橄榄石构成的组中选出的至少一种磨料材料。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，磨料材料是金刚砂。
11.一种切割设备，其利用处于至少100bar的压力下的切割射流进行切割，所述设备包括：加压低温液体源，其与混合室（4）流体连接以便向所述混合室（4）供应加压低温液体；以及与所述混合室（4）流体连接的聚焦喷枪（5），其特征在于，所述设备还包括磨料颗粒源，磨料颗粒的莫氏硬度指数至少为6，磨料颗粒源向混合室（4）供应磨料颗粒，从而向聚焦喷枪（5）供应至少由加压低温液体和所述磨料颗粒构成的混合物，所述混合物通过聚焦喷枪（5）以切割射流的形式射出，聚焦喷枪（5）完全或部分地由碳化硅、碳化钛、碳化硼、立方氮化硼、金刚石、或钴含量介于0.1%和10%之间的碳化钨制成。
12.根据权利要求11的设备，其特征在于，混合室（4）完全或部分地由硬化钢、碳化硅、碳化钛、碳化硼、立方氮化硼、金刚石、或钴含量介于0.1%和10%之间的碳化钨制成。
13.根据权利要求11或12的设备，其特征在于，聚焦喷枪（5）或混合室（4）完全或部分地由钴含量介于0.1%和10%之间的碳化钨制成，碳化钨颗粒的尺寸小于1.5μm。

通过添加了磨料颗粒的液态低温流体射流进行切割\n技术领域\n[0001] 本发明涉及通过添加了磨料(特别是金刚砂)的处于非常高压力下的低温流体射流对诸如金属、混凝土、木材、塑料的材料或者任何其它类型的材料进行切割的方法和设备。\n背景技术\n[0002] 可以通过盘形刀具(切割混凝土、石头、金属等)、锯(切割金属、木材、塑料等)、激光束(切割金属、塑料等)、等离子射流(切割金属)、具有或不具有磨料的超高压(UHP)水射流(切割任何类型的材料)等等来切割材料。\n[0003] 但是，在切割过程中，当不能有热点接触硬质材料时，只能使用具有磨料的超高压水射流进行切割。在这种情况下，根据一种广泛使用的切割方法，将处于1000bar和\n4000bar之间的压力(UHP)下的水导入由不锈钢制成的混合室，同时，将输送石榴石或橄榄石类型的磨料的压缩空气流导入进混合室中，以便形成超高压下的水与磨料的混合物。接着，如图1所示的，通过由碳化钨制成的聚焦喷枪朝向待切割的材料输送该水/磨料混合物。\n[0004] 这样，图1示意性地示出了由碳化钨制成的聚焦喷枪5的常规结构，该聚焦喷枪5用于将磨料材料输送给待切割的材料。该聚焦喷枪5包括第一进口或入口1，通过该第一进口或入口1向喷枪5供应磨料/压缩空气混合物；第二进口或入口2，通过该第二进口或入口2向喷枪5供应处于超高压(例如在1000bar至4000bar之间)下的水；文氏管型头部\n3；混合室4以及用于由加入磨料的加压水构成的混合物的出口。\n[0005] 但是，但某些情况下，使用水本身是有问题的。实际上，在某些应用中使用水切割被污染的部件，例如在化学、核辐射或其它污染之后使用水，会产生污染的风险并且需要复杂且昂贵的回收系统。\n[0006] 例如文献US-A-7,310,955中所教导的，一种替代方案是利用低温射流代替水进行切割。在该例中，使用非常高压力下的低温流体(通常是液氮)代替水以便进行希望的切割。\n[0007] 但是，该方法不能用于切割某些硬质材料，例如金属、石头、混凝土等，特别是当硬质材料的厚度过大时，例如大于大约10mm。\n[0008] 另外，已经观测到，当已在流体中加入了磨料颗粒时，特别当磨料颗粒具有高硬度时，切割装置的用于分配低温流体的喷枪甚至混合室可能非常快地磨损。\n[0009] 由此，面对的问题是能够获得利用超高压低温流体射流进行切割的方法和装置以便切割各种类型的材料，包括例如混凝土、金属、石头、木材、塑料等的硬质材料和/或厚度可达到10cm的材料，而不表现出前面提到的缺点。\n发明内容\n[0010] 本发明的解决方案是一种切割材料的方法，其中通过处于至少100bar的压力下的切割射流切割所述材料，其特征在于：\n[0011] -通过将处于液态且小于-100℃的低温下的至少第一化合物与由至少一种磨料材料构成的固体磨料颗粒相混合从而形成切割射流，磨料材料的莫氏硬度指数至少为6，固体磨料颗粒包含在气体流之中，并且\n[0012] -切割射流通过聚焦喷枪指向待切割材料，聚焦喷枪被供给所述混合物，完全或部分地构成聚焦喷枪的材料的硬度大于所使用的固体磨料颗粒的硬度。\n[0013] 依据使用条件，本发明的切割方法可以包括一个或更多个下述特征：\n[0014] -液体流和通过气体流输送的固体磨料颗粒在混合室中发生混合；\n[0015] -切割射流的压力介于500bar和4000bar之间，介于1000bar和3800bar之间，优选地大约为3000bar至3500bar；\n[0016] -液态的化合物处于小于-150℃的温度下，优选地介于-160℃和-230℃之间；\n[0017] -液态的化合物是液氮；\n[0018] -固体磨料颗粒包含从金刚砂、石榴石、碳化钨、碳化硅、橄榄石、氧化铝和碳酸钙构成的组中选出的至少一种磨料材料；\n[0019] -固体磨料颗粒的颗粒尺寸介于20mesh(目)和200mesh之间，优选地，介于\n60mesh和100mesh之间；\n[0020] -固体磨料颗粒有利地是金刚砂、石榴石或橄榄石颗粒，优选为金刚砂颗粒；\n[0021] -待切割的材料由金属、陶瓷、混凝土、木材、塑料、任何其它聚合物或硬有机材料构成；\n[0022] -待切割的材料的厚度介于1cm和20cm之间，通常介于1cm和10cm之间；\n[0023] -依据待切割材料的性质，切割速度介于0.01m/min和4m/min之间；\n[0024] -通过将所述液态化合物与包含固体磨料颗粒的空气流相混合从而获得所述包含液态化合物和固体磨料颗粒的切割射流；\n[0025] -液体流和通过气体流输送的磨料的混合在混合室中进行，混合室完全或部分地(即主体部分或内表面涂层)由硬化钢、碳化钨、碳化硅、碳化钛、碳化硼、氮化硼(优选地为立方氮化硼)或金刚石制成，优选地由硬度大于所使用的固体磨料颗粒的硬度的材料制成；\n[0026] -切割射流通过聚焦喷枪指向待切割材料，聚焦喷枪被供给在所述混合室中获得的混合物；\n[0027] -当固体磨料颗粒由金刚砂构成时，完全或部分地(即主体部分或内表面涂层)构成聚焦喷枪的材料的硬度大于所使用的固体磨料颗粒的硬度；\n[0028] -完全或部分地(即主体部分或内表面涂层)构成聚焦喷枪的材料是钴含量介于大约0.1％和10％之间(优选地介于大约0.15％至0.5％之间，例如大约0.25％)的碳化钨、碳化硅、碳化钛、碳化硼、立方氮化硼或金刚石；\n[0029] -液体流和通过气体流输送的磨料的混合在混合室中进行，混合室完全或部分地由硬化钢、钴含量介于大约0.1％和10％之间的碳化钨、碳化硅、碳化钛、碳化硼、立方氮化硼或金刚石制成；\n[0030] -聚焦喷枪或混合室至少部分地由钴含量介于大约0.1％和10％之间的碳化钨制成，并且碳化钨颗粒的尺寸小于1.5μm，优选地介于0.1μm和0.6μm之间。\n[0031] 本发明还涉及一种利用处于至少100bar的压力下的切割射流进行切割的设备，包括：加压低温液体源，其与混合室流体连接以便向所述混合室供应加压低温液体；以及与所述混合室流体连接的聚焦喷枪，其特征在于，所述设备还包括向混合室供应磨料颗粒的磨料颗粒源，磨料颗粒的莫氏硬度指数至少为6，从而向聚焦喷枪供应由加压低温液体和所述磨料颗粒构成的混合物，所述混合物通过聚焦喷枪以切割射流的形式射出，聚焦喷枪完全或部分地由钴含量介于大约0.1％和10％之间的碳化钨、碳化硅、碳化钛、碳化硼、立方氮化硼或金刚石制成。\n[0032] 依据使用条件，本发明的设备可以包括一个或更多个下述特征：\n[0033] -混合室完全或部分地由硬化钢、钴含量介于大约0.1％和10％之间的碳化钨、碳化硅、碳化钛、碳化硼、立方氮化硼或金刚石制成；\n[0034] -聚焦喷枪或混合室完全或部分地由钴含量介于大约0.1％和10％之间的碳化钨制成，碳化钨颗粒的尺寸小于1.5μm。\n具体实施方式\n[0035] 现在，通过后续的说明和示例性的实施例更好地了解本发明。\n[0036] 根据本发明的切割方法包括使用切割射流，该切割射流一方面包括处于超高压(即通常大于100bar，或甚至大于1000bar)下的液态低温流体，特别是液氮，另一方面包括磨料颗粒，该磨料材料由莫氏硬度指数至少为6的一种或多种材料构成，从而切割材料。\n[0037] 通过气体(例如空气)流将磨料颗粒输送给向聚焦喷枪进行供给的混合室，聚焦喷枪用于分配液氮/磨料混合物的射流。\n[0038] 由于下面解释的原因，与超高压液氮一起使用的磨料优选为金刚砂、石榴石和橄榄石。\n[0039] 但是，依据所讨论的应用，特别是依据待切割材料的性质和厚度、所使用的喷枪的类型、构成混合室的材料的性质，也可以使用其它磨料，例如碳化钨、碳化硅、氧化铝和碳酸钙。\n[0040] 磨料的性能取决于磨料颗粒的尺寸、形状和硬度。对颗粒尺寸等于80mesh(即\n150μm至180μm)且具有相同形状颗粒(大约60°锐角)的磨料进行了切割试验。\n[0041] 因此，这里磨料的硬度决定了磨料的有效性。下面的表I中给出几种材料的硬度指数。\n[0042] 表I\n[0043] \n 材料 硬度指数(莫氏)\n 金刚石 10\n 立方氮化硼 9.8\n 碳化硼(B4C) 9.5\n 碳化硅 9.3\n 氧化铝 9.2\n 铬 9\n 金刚砂 9\n 标准碳化钨(WC) 8.5\n 不锈钢 ＜8.5\n 石榴石 7.5\n 橄榄石 6.5\n[0044] 从表I中看出，根据(莫氏)硬度级，金刚砂的性能优于石榴石，而石榴石的性能优于橄榄石，这是由于在这三种化合物之中，金刚砂是最硬的。\n[0045] 但是，观测到使用金刚砂时，由标准碳化钨(WC)制成的聚焦喷枪和由硬化钢制成的混合室(程度小一些)经历了比使用石榴石更大的磨损。实际上，这些退化的原因是金刚砂的硬度大于硬化钢的硬度和标准碳化钨的硬度。\n[0046] 因此，下面的表II示出了在使用液氮和金刚砂的混合物进行试验期间聚焦喷枪的退化与构成所述喷枪的材料的关系。\n[0047] 表II\n[0048] \n[0049] 可以观测到， 和Ultramant 3000聚焦喷枪的硬度大于标准碳化钨(WC)喷枪并且能够更好地承受金刚砂造成的磨损。\n[0050] 这取决于用于制造喷枪的钨的粘合剂中含有的钴的比例。实际上，钨的钴(Co)粘合剂的量越少，钨的抗磨损能力越强但是对碰撞也更敏感。\n[0051] 但是，考虑到聚焦喷枪不会承受碰撞而只是简单地承受由摩擦造成的磨损，当选择金刚砂作为与液氮流相混合的磨料材料时，优选地，构成聚焦喷枪的钨包含的钴按重量计小于0.5％，优选地小于0.30％，例如大约为0.25％。\n[0052] 如已经提及的，混合室4被磨料颗粒流严重磨损。\n[0053] 因此，下面的表III示出了在使用液氮和金刚砂的混合物超过8小时后由硬化钢制成的混合室的退化，特别是如图2所示的磨料进入的混合室的部分11、液氮进入的混合室的部分12以及氮/磨料混合物离开的混合室的部分13的退化。\n[0054] 表III\n[0055] \n[0056] 得到的结果显示，在测试8小时后，尽管混合室的内径显著磨损，特别是图2的部分12和13，不锈钢混合室4仍能有效地生产金刚砂/液氮混合物。\n[0057] 然而，为了最小化混合室和聚焦喷枪的磨损，将使用由硬度大于所使用的磨料颗粒的硬度、特别是大于金刚砂的硬度的材料制造(即主体部分或表面涂层)的聚焦喷枪或甚至混合室，因此使得可克服由于这些磨料颗粒(特别是金刚砂)造成的问题。\n[0058] 因此，聚焦喷枪的材料，甚至混合室的材料，可以是包含低含量的钴(＜0.5％)的碳化钨、碳化硅、碳化硼、碳化钛或其它碳化物、立方氮化硼、金刚石或硬度大于金刚砂的任何相容材料。\n[0059] 不管怎样，在本发明的上下文中，必不可少的是至少射流的聚焦喷枪由能够抵抗磨料颗粒造成的磨损的材料制成，这是因为喷枪承受的磨损最严重。\n[0060] 如在与前述试验相同的条件下进行的补充试验所证明的，尽管橄榄石的性能不如石榴石，但是也可以使用橄榄石。\n[0061] 最后，这些试验显示出，尽管使用对切割有效但是对于设备高磨损的磨料，例如金刚砂，使用合适的器具可增加设备的使用寿命。\n[0062] 这对于其中必须尽可能减少预防性的和/或矫正性的维护操作数量的应用是更重要的，例如其中人为干涉困难的应用，典型地在放射性环境中的应用。