專利名稱：通過添加了磨料顆粒的液態低溫流體射流進行切割的制作方法
技術領域：
本發明涉及通過添加了磨料(特別是金剛砂)的處于非常高壓力下的低溫流體射流對諸如金屬、混凝土、木材、塑料的材料或者任何其它類型的材料進行切割的方法和設備。
背景技術：
可以通過盤形刀具(切割混凝土、石頭、金屬等)、鋸(切割金屬、木材、塑料等)、 激光束(切割金屬、塑料等)、等離子射流(切割金屬)、具有或不具有磨料的超高壓(UHP) 水射流(切割任何類型的材料)等等來切割材料。但是，在切割過程中，當不能有熱點接觸硬質材料時，只能使用具有磨料的超高壓水射流進行切割。在這種情況下，根據一種廣泛使用的切割方法，將處于IOOObar和 4000bar之間的壓力(UHP)下的水導入由不銹鋼制成的混合室，同時，將輸送石榴石或橄欖石類型的磨料的壓縮空氣流導入進混合室中，以便形成超高壓下的水與磨料的混合物。接著，如
圖1所示的，通過由碳化鎢制成的聚焦噴槍朝向待切割的材料輸送該水/磨料混合物。這樣，圖1示意性地示出了由碳化鎢制成的聚焦噴槍5的常規結構，該聚焦噴槍5 用于將磨料材料輸送給待切割的材料。該聚焦噴槍5包括第一進口或入口 1，通過該第一進口或入口 1向噴槍5供應磨料/壓縮空氣混合物；第二進口或入口 2，通過該第二進口或入口 2向噴槍5供應處于超高壓(例如在IOOObar至4000bar之間)下的水；文氏管型頭部 3 ；混合室4以及用于由加入磨料的加壓水構成的混合物的出口。但是，但某些情況下，使用水本身是有問題的。實際上，在某些應用中使用水切割被污染的部件，例如在化學、核輻射或其它污染之后使用水，會產生污染的風險并且需要復雜且昂貴的回收系統。例如文獻US-A-7，310，955中所教導的，一種替代方案是利用低溫射流代替水進行切割。在該例中，使用非常高壓力下的低溫流體(通常是液氮)代替水以便進行希望的切割。但是，該方法不能用于切割某些硬質材料，例如金屬、石頭、混凝土等，特別是當硬質材料的厚度過大時，例如大于大約10mm。另外，已經觀測到，當已在流體中加入了磨料顆粒時，特別當磨料顆粒具有高硬度時，切割裝置的用于分配低溫流體的噴槍甚至混合室可能非常快地磨損。由此，面對的問題是能夠獲得利用超高壓低溫流體射流進行切割的方法和裝置以便切割各種類型的材料，包括例如混凝土、金屬、石頭、木材、塑料等的硬質材料和/或厚度可達到IOcm的材料，而不表現出前面提到的缺點。
發明內容
本發明的解決方案是一種切割材料的方法，其中通過處于至少IOObar的壓力下
3的切割射流切割所述材料，其特征在于-通過將處于液態且小于-100°C的低溫下的至少第一化合物與由至少一種磨料材料構成的固體磨料顆粒相混合從而形成切割射流，磨料材料的莫氏硬度指數至少為6，固體磨料顆粒包含在氣體流之中，并且-切割射流通過聚焦噴槍指向待切割材料，聚焦噴槍被供給所述混合物，完全或部分地構成聚焦噴槍的材料的硬度大于所使用的固體磨料顆粒的硬度。依據使用條件，本發明的切割方法可以包括一個或更多個下述特征-液體流和通過氣體流輸送的固體磨料顆粒在混合室中發生混合；-切割射流的壓力介于500bar和4000bar之間，介于IOOObar和3800bar之間，優選地大約為3000bar至;3500bar ；-液態的化合物處于小于_150°C的溫度下，優選地介于_160°C和_230°C之間；-液態的化合物是液氮；-固體磨料顆粒包含從金剛砂、石榴石、碳化鎢、碳化硅、橄欖石、氧化鋁和碳酸鈣構成的組中選出的至少一種磨料材料；-固體磨料顆粒的顆粒尺寸介于20mesh(目)和200mesh之間，優選地，介于 60mesh 和 IOOmesh 之間；-固體磨料顆粒有利地是金剛砂、石榴石或橄欖石顆粒，優選為金剛砂顆粒；-待切割的材料由金屬、陶瓷、混凝土、木材、塑料、任何其它聚合物或硬有機材料構成；-待切割的材料的厚度介于Icm和20cm之間，通常介于Icm和IOcm之間；-依據待切割材料的性質，切割速度介于0.Olm/min和4m/min之間；-通過將所述液態化合物與包含固體磨料顆粒的空氣流相混合從而獲得所述包含液態化合物和固體磨料顆粒的切割射流；-液體流和通過氣體流輸送的磨料的混合在混合室中進行，混合室完全或部分地 (即主體部分或內表面涂層)由硬化鋼、碳化鎢、碳化硅、碳化鈦、碳化硼、氮化硼(優選地為立方氮化硼)或金剛石制成，優選地由硬度大于所使用的固體磨料顆粒的硬度的材料制成；-切割射流通過聚焦噴槍指向待切割材料，聚焦噴槍被供給在所述混合室中獲得的混合物；-當固體磨料顆粒由金剛砂構成時，完全或部分地(即主體部分或內表面涂層)構成聚焦噴槍的材料的硬度大于所使用的固體磨料顆粒的硬度；-完全或部分地(即主體部分或內表面涂層)構成聚焦噴槍的材料是鈷含量介于大約0. 和10%之間(優選地介于大約0. 15%至0. 5%之間，例如大約0. 25% )的碳化鎢、碳化硅、碳化鈦、碳化硼、立方氮化硼或金剛石；-液體流和通過氣體流輸送的磨料的混合在混合室中進行，混合室完全或部分地由硬化鋼、鈷含量介于大約0. 和10%之間的碳化鎢、碳化硅、碳化鈦、碳化硼、立方氮化硼或金剛石制成；-聚焦噴槍或混合室至少部分地由鈷含量介于大約0.和10%之間的碳化鎢制成，并且碳化鎢顆粒的尺寸小于1. 5 μ m，優選地介于0. 1 μ m和0. 6 μ m之間。
本發明還涉及一種利用處于至少IOObar的壓力下的切割射流進行切割的設備， 包括加壓低溫液體源，其與混合室流體連接以便向所述混合室供應加壓低溫液體；以及與所述混合室流體連接的聚焦噴槍，其特征在于，所述設備還包括向混合室供應磨料顆粒的磨料顆粒源，磨料顆粒的莫氏硬度指數至少為6，從而向聚焦噴槍供應由加壓低溫液體和所述磨料顆粒構成的混合物，所述混合物通過聚焦噴槍以切割射流的形式射出，聚焦噴槍完全或部分地由鈷含量介于大約0. 和10%之間的碳化鎢、碳化硅、碳化鈦、碳化硼、立方氮化硼或金剛石制成。依據使用條件，本發明的設備可以包括一個或更多個下述特征-混合室完全或部分地由硬化鋼、鈷含量介于大約0.和10%之間的碳化鎢、碳化硅、碳化鈦、碳化硼、立方氮化硼或金剛石制成；-聚焦噴槍或混合室完全或部分地由鈷含量介于大約0.和10%之間的碳化鎢制成，碳化鎢顆粒的尺寸小于1. 5 μ m。
具體實施例方式現在，通過后續的說明和示例性的實施例更好地了解本發明。根據本發明的切割方法包括使用切割射流，該切割射流一方面包括處于超高壓 (即通常大于lOObar，或甚至大于IOOObar)下的液態低溫流體，特別是液氮，另一方面包括磨料顆粒，該磨料材料由莫氏硬度指數至少為6的一種或多種材料構成，從而切割材料。通過氣體(例如空氣)流將磨料顆粒輸送給向聚焦噴槍進行供給的混合室，聚焦噴槍用于分配液氮/磨料混合物的射流。由于下面解釋的原因，與超高壓液氮一起使用的磨料優選為金剛砂、石榴石和橄欖石。但是，依據所討論的應用，特別是依據待切割材料的性質和厚度、所使用的噴槍的類型、構成混合室的材料的性質，也可以使用其它磨料，例如碳化鎢、碳化硅、氧化鋁和碳酸鈣。磨料的性能取決于磨料顆粒的尺寸、形狀和硬度。對顆粒尺寸等于SOmesh(即 150μπι至180μπι)且具有相同形狀顆粒(大約60°銳角)的磨料進行了切割試驗。因此，這里磨料的硬度決定了磨料的有效性。下面的表I中給出幾種材料的硬度指數。表 I
權利要求
1.一種切割材料的方法，其中通過處于至少IOObar的壓力下的切割射流在所述材料中進行切割，其特征在于-通過將處于液態且小于-100°c的低溫下的至少第一化合物與由至少一種磨料材料構成的固體磨料顆粒相混合從而形成切割射流，磨料材料的莫氏硬度指數至少為6，固體磨料顆粒包含在氣體流中，并且-切割射流通過聚焦噴槍指向待切割材料，完全或部分地構成聚焦噴槍的材料的硬度大于所使用的固體磨料顆粒的硬度。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于，切割射流的壓力介于500bar和4000bar之間。
3.根據權利要求1或2的方法，其特征在于，液態的化合物處于小于-150°C的溫度下。
4.根據前述權利要求中任一項的方法，其特征在于，液態的化合物是液氮。
5.根據前述權利要求中任一項的方法，其特征在于，固體磨料顆粒包含從由金剛砂、石榴石、碳化鎢、碳化硅、碳化鈦、橄欖石、氧化鋁和碳酸鈣構成的組中選出的至少一種磨料材料。
6.根據前述權利要求中任一項的方法，其特征在于，待切割的材料由金屬、陶瓷、混凝土、木材、塑料或聚合物構成。
7.根據前述權利要求中任一項的方法，其特征在于，包含固體磨料顆粒的氣體流是空氣流。
8.根據前述權利要求中任一項的方法，其特征在于，液體流和通過氣體流輸送的固體磨料顆粒的混合在混合室中進行，混合室完全或部分地由硬化鋼、鈷含量介于大約0. 和 10%之間的碳化鎢、碳化硅、碳化鈦、立方碳化硼、氮化硼或金剛石制成，優選地，構成混合室的材料的硬度大于所使用的磨料的硬度。
9.根據前述權利要求中任一項的方法，其特征在于，完全或部分地構成聚焦噴槍的材料是鈷含量介于大約0. 和10%之間的碳化鎢、碳化硅、碳化鈦、碳化硼、立方氮化硼或金剛石。
10.根據前述權利要求中任一項的方法，其特征在于，固體磨料顆粒包含從由金剛砂、 石榴石和橄欖石構成的組中選出的至少一種磨料材料，優選為金剛砂。
11.一種切割設備，其利用處于至少IOObar的壓力下的切割射流進行切割，所述設備包括加壓低溫液體源，其與混合室(4)流體連接以便向所述混合室(4)供應加壓低溫液體；以及與所述混合室(4)流體連接的聚焦噴槍(5)，其特征在于，所述設備還包括磨料顆粒源，磨料顆粒的莫氏硬度指數至少為6，磨料顆粒源向混合室(4)供應磨料顆粒，從而向聚焦噴槍( 供應至少由加壓低溫液體和所述磨料顆粒構成的混合物，所述混合物通過聚焦噴槍(5)以切割射流的形式射出，聚焦噴槍(5)完全或部分地由鈷含量介于大約0. 和 10%之間的碳化鎢、碳化硅、碳化鈦、碳化硼、立方氮化硼或金剛石制成。
12.根據權利要求11的設備，其特征在于，混合室(4)完全或部分地由硬化鋼、鈷含量介于大約0. 和10%之間的碳化鎢、碳化硅、碳化鈦、碳化硼、立方氮化硼或金剛石制成。
13.根據權利要求11或12的設備，其特征在于，聚焦噴槍( 或混合室(4)完全或部分地由鈷含量介于大約0. 和10%之間的碳化鎢制成，碳化鎢顆粒的尺寸小于1.5μπι。
全文摘要
本發明涉及一種切割材料的方法，其中通過處于至少100bar的壓力下的切割射流切割所述材料，其特征在于，切割射流由混合物組成，混合物由處于液態且小于-100℃的低溫下的至少第一化合物以及由至少一種磨料材料構成的固體磨料顆粒組成，磨料材料的莫氏硬度指數至少為6。本發明還涉及一種用于執行上述方法的設備，該設備包括聚焦噴槍和混合室。完全或部分地構成聚焦噴槍的材料的硬度大于所使用的固體磨料顆粒的硬度。
文檔編號B24C1/00GK102470508SQ201080030770
公開日2012年5月23日 申請日期2010年6月1日 優先權日2009年7月9日
發明者C·特魯朔, F·理查德, J·昆塔 申請人:喬治洛德方法研究和開發液化空氣有限公司