CN102123972A - 无容器的放热炬 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种铝热炬，其包含铝热剂组合物，该组合物由纳米尺度颗粒与微米尺度颗粒的双峰混合物制成。本发明还揭示了一种无容器的放热炬，该放热炬包括棒和把手，所述把手中容纳有产生气体的配混物。所述铝热炬枪不需要压缩气体的容器。由于省去了该容器，减轻了由于存在和使用该容器带来的危险和后勤负担，同时不会降低操作性能或切割性能。所述棒可以包含释放氧气的化学物质和/或释放热量的化学物质的高密度混合物。较佳的是，所述混合物包含密堆积结构的纳米尺度颗粒与微米尺度颗粒的双峰掺混物，以填充间隙空穴。所述枪可以包括引燃模块和电源，用来引发定向的高温火焰喷射，以及在将固体化学氧气发生剂安装于枪内的时候调节其开/关/开。
Description
相关申请
本申请要求2009年7月17日提交的美国临时专利申请序列第61/081,718号的优先权。
发明领域
本发明涉及一种便携式的手持型放热割炬，所述割炬不需要使用高压压缩气体的容器来进行有效的切割。
介绍
在全球反恐战争以及民用爆破和建筑领域中的直接作用破坏操作经常需要在城市、偏远地区或水下方位使用非爆炸性割炬。实地割炬使用与压缩气体(氧气，O2或空气)容器连接的可膨胀的放热棒对墙壁、门或窗之内或其周围的强化金属板或金属棒进行切割。这些放热棒造成的高温磨料流和切割速率与供给由所述放热棒引发的固态铝热反应的气体的速率成正比。
压缩气体(特别是O2)的容器有可能成为炸弹，因此存在和使用这些容器会造成风险和负担。在战争以及民用环境下，所述容器的存在会给使用该容器的操作人员以及附近的组员都带来危险。因为军事上的切割操作经常是在敌方环境中进行的，如果任何直射的射弹或散射的射弹击中O2容器，管子或调节器都会导致灾难性的炸裂，火球以及弹片，可能会对使用者以及周围的人员造成烧伤、穿透以及伤亡。
使用者还必需承担容器系统的重量和大体积造成的负担，同时还要承担其它的任务必需的设备。可以使用的棒的尺寸、重量和数量受到O2容器的容量和输送速率的限制。在偏远或者有障碍的空间内，容器增大了切割操作的难度，对工作效率造成负面影响。用来处理压缩O2的容器和调节器的后勤支持(重新填充)和日常维护(清洁和校准)在战争环境下和和平环境下都是困难而昂贵的。
无容器的放热炬通过在棒中将固态氧化剂与铝热剂燃料相结合，或者通过将它们加载入枪内，从而不再需要气体加压容器(图1)。该方法消除了携带气体加压容器的安全和后勤负担，同时保持了现有的放热炬的切割效率。
现有公开
已经有大量出版物描述了铝热炬和铝热组合物。
美国专利第4,352,397号(Christopher，1982)“用来切割导管的方法、设备和烟火组合物(Methods，Apparatus and Pyrotechnic Compositions for Severing Conduits)”仅仅讲述了放热组分的粒度是“粉状”，而没有对粒度进行任何规定。
美国专利第4,371,771号(Faccini等，1983)“割炬和方法(Cutting Torch and Method)”讲述了放热金属(铝)可以是“粉末，带或颗粒”，而且“物理形式…并不要紧”。
美国专利第4,432,816号(Kennedy等，1984)“用于割炬的烟火组合物(Pyrotechnic Composition for Cutting Torch)”描述了“铝的粒度不应大于100目(150微米)，三氧化二铁的粒度不大于约200目(75微米)且不小于1微米”。
美国专利第4,432,816号(Kennedy等，1984)；美国专利第5,472,174号(Geasland，1995)“热切割棒(Thermal Cutting Bar)”；美国专利第5,888,447号(Smith等，1999)“自熄性燃烧棒(Self-Extinguishing Burning Bar)”；以及美国专利申请第2004/0041310号和第2004/0041310号(Hlavacek等，2004)均讲述了如果棒包含多个“轴向延伸的部件或金属丝的束或芯”，以引导O2流过这些物理通道，切割将会更为高效。
美国专利第6,183,569号(Mohler，2001)“割炬和相关方法(Cutting Torch and Associated Methods)”描述了“铝热剂加料的加料密度优选约为其理论最大密度的50-67％”。本领域技术人员能够理解，对铝热剂加料粉末的密度进行平衡，以提供可靠的引燃，以及尽可能提高切割作用”。
美国专利第6,627,013号(Carter等，2003)“烟火铝热剂组合物(Pyrotechnic Thermite Composition)”和美国专利申请第2003/0145752号(Carter等，2003)“便携式金属切割烟火炬(Portable Metal Cutting Pyrotechnic Torch)”讲述了当发热和产生氧气的粉末和粘结剂混合的时候，“…会降低反应速率”，其“…平均粒度应当小于10微米”。另外，美国专利第6,627,013号描述了“随着组合物密度增大，放热反应进行的速率减慢。”该专利还提到了铝热组合物可以包含0-20重量％的辅助的氧化剂，例如金属氧化物、氯酸盐(包括NaClO3)，高氯酸盐，过氧化物，亚硝酸盐和硝酸盐。美国专利申请第2003/0145752号描述了必需使用“聚合物粘结剂”来避免“…裂纹，裂纹会在基质中造成不连续，从而导致不规律的燃烧以及不规律的燃烧速率”。
美国专利第4,589,356号(Adams等，1086)“使用具有双峰粒度分布的燃料从生物质回收能量(Energy Recovery from Biomass Using Fuel Having a Bimodal Size Distribution)”尽管并未涉及铝热剂，但是提到了如果用“粒径小于100微米”的颗粒代替10重量％的正常粒度的颗粒(10毫米，或1000微米)，则生物质(例如木材和泥炭)的引燃可以获得提高。
Zhang等人的美国专利第6,071,329号(2000)“用于化学氧气发生剂的过滤器(Filter for Chemical Oxygen Generator)”(另一篇与铝热剂炬无关的公开文献)描述了粒度约为20-100目(150-850微米)的颗粒的颗粒聚集，所述颗粒由霍加拉特(hopcalite)颗粒与氢氧化锂的混合物形成。在美国专利第6,143,196号(Zhang等，2000)，第6,193,907号和第6,231,816号(Zhang等，2001)中报道了这些内容。
为了产生可呼吸的氧气，美国专利第6,054,067号(Zhang等，2000)“低温敏感性氧气发生组合物(Low Temperature Sensitivity Oxygen Generating Compositions)”描述了尽管可以将不产生氧气的添加剂“研磨至可以通过60目(250微米)的筛网的粒度以促进混合”，“尽管研磨的较细的粉末效果更高，较粗的粉末效果较差，但是认为更细或更粗的无水硅酸钠颗粒也可以发挥作用，也同样适用”。美国专利第6,296,689号(Zhang等，2001)和第6,352,652号(Zhang等，2002)中有相同的描述。类似的，美国专利第5,882,545号(Zhang等，1999)“氧气发生组合物(Oxygen Generating Compositions)”讲述了“虽然较粗的粉末也能发挥令人满意的作用，但是优选粒度小于325目(45微米)的不产生氧气的添加剂”。
上述的参考文献均未提到使用超小的颗粒(纳米尺度)；多重粒度分布(双峰)；或特定的包装(开普勒(Keplerian))来改进放热炬的性能，这是因为它们的申请没有认识到这一点，或者预期会造成负面效果，例如显著加快反应速率，从而缩短棒或氧气发生剂的工作寿命。
发明概述
本发明包括将棒中的微米尺度的放热且放出氧气的粉末、或者枪中的微米尺度的放出O2的粉末与特定量的具有足够小直径(1-100纳米)的粉末掺混，所述具有足够小直径的粉末适合施加于微米粉末周围的间隙空穴，所述具有足够小直径的粉末的重量分数足够高，足以实现以下效果：1)在空穴内造成密堆积，以缓和热量和氧气的释放，但是不会对它们的反应速率造成负面影响(增大)；以及2)使所述产生氧气的化学物质的密度增大足够高的水平，以允许储存体积和流速等于压缩氧气容器的储存体积和流速，由此能够在不降低切割性能的情况下省去压缩氧气容器。
测试和计算(M.Pantoya等，2004，“由双峰铝分布获得的铝热剂燃烧促进(Thermite Combustion Enhancement Resulting from Bimodal Aluminum Distribution)”，第31届国际烟火学会议(31st International Pyrotechnics Seminar)，第262页；以及M.Pantoya等的2005“亚稳态间隙复合体的燃烧速率和传播机理(Combustion Velocities and Propagation Mechanisms of Metastable Interstitial Composites)”，应用物理学报(Journal of Applied Physics)，第98卷，第064903页)中报道了当加入的纳米尺度颗粒在大约20-40％的特定水平的时候，“以双峰分布形式将纳米尺度颗粒与大体积尺度颗粒相结合不会显著加快燃烧速率…”。以上所述参考文献的图7的数据显示了将80纳米的铝(Al)粉末以10％的增量加入20微米的铝粉的情况。因为Pantoya等人的研究目的是通过加入纳米尺度的铝热剂粉末来提高微米尺度的铝热剂粉末的燃烧速率，因此他们没有认识到能够在不加快反应速率的情况下做到这一点，这是本发明所需的特性。同样重要的是，Pantoya等人报道了“使用包括窄的第二个峰的双峰分布将会减小燃烧速率的变化”，我们认识到，可以通过这一点来改进放热炬和氧气发生剂的性能。
反应动力学科学的一个基础看法是，粉末发生反应从而释放出氧气或热量的反应速率与粉末半径的平方成反比(见M.Pantoya等人的，2004，“纳米复合铝热剂中的粒度分布对燃烧速率的影响(The Effect of Size Distribution on Burn Rate in Nanocomposite Thermites)”，燃烧理论和模拟(Combustion Theory and Modeling)，第8卷，第555页)。也即是说，当粉末的半径减小的时候，其反应速率会提高。因此，如果用纳米尺度粉末代替微米尺度粉末，或者将前者加入后者之中以形成双峰粒度分布，则预期这些铝热或含氧的化学物质释放热量或氧气的速率会加快。但是，人们可能不希望铝热炬的反应速率加快，这是因为铝热炬会过热，难以操作，会更快地烧完，需要替换。
根据建立用来表征颗粒的密堆积结构的理论，无规堆积或选择性堆积可以达到的最大密度存在极限。对于无规堆积(A.Matheson，1974，“硬球无规堆积计算(Computation of a Random Packing of Hard Spheres)”，物理学报C：固态物理(Journal of Physics C：Solid State Physics)，第7卷，第2569页)，单峰粒度分布可以实现的最大密度约为64％，在实验误差范围内来说，这与美国专利第6,183,569号(Mohler，2001)描述的被测铝热剂可以达到的最大密度(67％)相等。对于选择性堆积(N.Sloane，1998，“证明开普勒假想(Kepler’s Conjecture Confirmed)”，自然(Nature)，第395卷，第435页)，单峰粒度分布可以实现的最大密度为74％。
总之，发明人已经发现并举例说明，在特定的限制内，通过向微米尺度颗粒加入纳米尺度颗粒能够获得放热和释放氧气的化学物质的较高密度的堆积，其具有更均匀的反应速率，但是反应速率并未加快。
在一个方面，本发明提供了一种包含铝热剂组合物的铝热炬，所述铝热剂组合物包含10-40％的纳米颗粒以及50-90％的微米颗粒。
在另一个方面，本发明提供了一种包含铝热剂组合物的铝热炬，所述铝热剂组合物包含至少10％的纳米颗粒，所述组合物具有稳定的燃烧速率，使得当另外加入10％的纳米颗粒进行掺混，并形成10％改良的棒，以此进行测试的时候，与铝热剂组合物棒的燃烧速率相比，加入10％的组合物制得的棒的燃烧速率提高了10％或更少；在此测试中，两个棒都是通过以下步骤制造的：称取一定百分含量的纳米颗粒粉末；将其装填入内径0.5英寸(1.3厘米)的薄壁钢管内；然后通过翻转或振动对管子进行搅拌，从而获得最大的堆积密度。较佳的是，所述铝热剂组合物包含10-40％的纳米颗粒以及50-90％的微米颗粒。
在另一个方面，本发明提供了一种铝热剂组合物，该组合物包含纳米颗粒和微米颗粒的双峰分布，包含5-70％的纳米颗粒，29-94％的微米颗粒，以及至少1％的O2发生剂。本发明还包括含有此种组合物或者下文任意部分描述的铝热剂组合物的铝热炬。
在另一个方面，本发明提供了一种铝热剂组合物，该组合物包含纳米颗粒和微米颗粒的双峰分布，包含5-70％的纳米颗粒，29-94％的微米颗粒，以及至少1％的O2发生剂。
在另一个方面，本发明提供了一种铝热炬，其包含：与把手相连的铝热剂棒；所述把手包括包含产生O2的固体的隔室；以及将隔室与铝热剂棒相连的导管。
本发明还包括一种焊接或切割金属的方法，所述方法包括：点燃本发明所述的任何的炬，使用所述炬释放出的熔融的金属对金属基材进行焊接或切割。
在一些优选的实施方式中，所述铝热剂组合物包括以下特征中的一种或者任意组合：包含至少1％的O2发生剂；所述纳米颗粒的粒度为1-100纳米，所述微米颗粒为1-10微米；10-20％的铝(Al)和大约80-90％的金属氧化物，以及至少1％的氯酸盐或高氯酸盐。在一些优选的实施方式中，所述铝热剂组合物不含丝或带。
在一些优选的实施方式中，所述铝热炬包括：把手；铝热剂棒，其包含所述铝热剂组合物；热屏蔽罩，其设置在所述把手和所述铝热剂棒之间；以及喷嘴，其位于所述铝热剂棒的一端。
本发明的炬、铝热剂组合物以及切割或焊接的方法可以包括以下具体实施方式部分描述的特征中的任意一种或任意组合。
附图说明
图1放热炬棒和枪。
具体实施方式
所述铝热剂组合物可以使用现有技术中开发用来产生热量或氧气的金属燃料、金属氧化物氧化剂以及碱金属氧化物的任意组合。其包括但不限于大约10-20％的铝(Al)与大约80-90％的金属氧化物的铝热剂组合。所述金属燃料可以包括但不限于：铝(Al)，硅(Si)，锆(Zr)，铍(Be)，镁(Mg)，钡(Ba)，钛(Ti)和硼(B)。所述金属氧化物可以包括但不限于：氧化铁(Fe2O3)，氧化铜(CuO)，氧化钴(CoO)，氧化镍(Ni2O3)，氧化锑(Sb2O3)，氧化钼(MoO3)，氧化铬(Cr2O3，)，氧化铅(Pb2O)和氧化钨(WO3)。所述组合物还可以包含产生氧气的碱金属，例如高铁酸盐(FeO4)或高氯酸盐(ClO4)。优选所述组合物不含任何金属丝或粘结剂。
所述铝热剂组合物还可以包含10-60％，优选25-40％的产生O2的材料，例如氯酸盐、高氯酸盐或高铁酸盐。当存在产生氧气的材料的时候，金属燃料与金属氧化物之比优选为9∶1至4∶1(重量比)。
在本发明的整个说明书中，“％”表示重量百分数。堆积密度是固体占据的体积百分数(％)。
较佳的是，所述铝热剂组合物包含纳米尺度粉末和微米尺度粉末的双峰混合物，纳米尺度颗粒的量为5-70％，优选10-40％，在一些实施方式中为25-35％。较佳的是，所述铝热剂组合物包含30-95％的微米颗粒，更优选包含60-90％的微米颗粒，更优选包含65-75％的微米颗粒。较佳的是，所述铝热剂组合物的堆积密度等于或大于65％，优选大于67％，更优选等于或大于69％。
在本发明中，纳米尺度颗粒定义为粒径为1-990纳米的颗粒，更优选粒径为1-500纳米，更优选为1-99纳米，更优选为1-9纳米。微米尺度颗粒的粒径为1微米至1毫米，优选为1-500微米，更优选为1-10微米，在一些实施方式中为1-3微米。本发明可以用上述重量百分数和粒度范围的任意组合来定义；例如，5-70％的粒度为1-500纳米的纳米颗粒；或者5-70％的粒度为1-99纳米的纳米颗粒；或者5-70％的粒度为1-9纳米的纳米颗粒；或者25-35％的粒度为1-99纳米的纳米颗粒；或者5-70％的粒度为1-500纳米的纳米颗粒以及60-90％的粒度为1-500微米的微米颗粒；或者10-40％的粒度为1-9纳米的纳米颗粒与60-90％的粒度为1-10微米的微米颗粒；等。在一些优选的实施方式中，所述纳米尺度颗粒(或简称纳米颗粒)属于铝热对中的金属燃料或金属氧化物中的任一种。
通过用来测定悬浮在液体中的颗粒的ASTM WK8705来测定粒度和粒度分布。对于无法悬浮的颗粒，通过扫描电子显微镜(SEM)测量粒度分布，例如通过Granier等在“纳米复合铝热剂中粒度分布对燃烧速率的影响：可能的密度函数研究(The effect of size distribution on burn rate in nanocomposite thermites：a probability density function study)，”燃烧理论和模拟(Combustion Theory and Modeling)，8(2004)，555-565中所述的步骤测量。对于压实的材料，通过SEM测量来确定粒度。
有时候难以进行精确的粒度分布测量。另外，也可以通过铝热剂组合物的性质来表征本发明。较佳的是，所述铝热剂包含纳米颗粒与微米颗粒的混合物，该混合物包含至少10％的纳米颗粒，在与加入的10％的纳米颗粒掺混(使用翻转或超声振荡的手段)之后，该组合物制造的棒的燃烧速率增加了10％或更少。该表征经常简单地通过使用与制备所需铝热剂组合物相同的颗粒来进行。在此测试中，通过Pantoya等人在2004，“双峰铝分布获得的铝热剂燃烧提高(Thermite Combustion Enhancement Resulting from Bimodal Aluminum Distribution)”中所述的方式测量速度(燃烧速率)。
图1显示了一种铝热炬1的示意图。所述炬通常包括把手2，该把手包括引燃模块和电源(通常是电池)。所述把手任选包含O2发生剂4和扳机6。可以通过调节扳机关闭送向炬的氧气流。把手上的热屏蔽罩8可以保护使用者的手免于被热烫到。所述制造的铝热剂棒10可以包括一个插孔12，用来连接于把手或者从把手上拆下。在棒的端部，将熔融金属注射通过喷嘴14。喷嘴可以连接于棒。在另一个实施方式中，可以将所述棒插入炬主体之内。作为把手中的O2发生剂的替代或者补充，所述铝热剂棒可以包含过量的O2发生剂，用来迫使金属从喷嘴喷出。O2-发生剂可以位于炬棒内，用于全开操作，或者位于枪把手内，用于开/关/开操作。
所述铝热剂组合物优选是双峰掺混物。可以任选地将用于原位产生氧气的粉末混入所述铝热剂组合物中。用来产生氧气的组合物可以加载入所述棒中或者所述把手中，因此无需使用压缩氧气容器。在混合所有组分的时候，纳米颗粒将会填充所有微米尺度粉末之间的间隙空隙，最大程度地提高固体颗粒总体混合物的堆积密度。
Claims (15)
1.一种包含铝热剂组合物的铝热炬，其特征在于，所述铝热剂组合物包含10-40％的纳米颗粒和50-90％的微米颗粒。
2.一种包含铝热剂组合物的铝热炬，其特征在于，所述铝热剂组合物包含至少10％的纳米颗粒，所述组合物具有稳定的燃烧速率，使得当另外加入10％的纳米颗粒进行掺混，并形成10％改良的棒，以此进行测试的时候，与铝热剂组合物棒的燃烧速率相比，加入10％的组合物制得的棒的燃烧速率提高了10％或更少；在此测试中，两个棒都是通过以下步骤制造的：称取一定百分含量的纳米颗粒粉末；将其装填入内径0.5英寸(1.3厘米)的薄壁钢管内；然后通过翻转或振动对管子进行搅拌，从而获得最大的堆积密度。
3.如权利要求2所述的铝热炬，其特征在于，所述铝热剂组合物包含10-40％的纳米颗粒和50-90％的微米颗粒。
4.如权利要求1所述的铝热炬，其特征在于，所述铝热剂组合物包含至少1％的O2发生剂。
5.如权利要求1所述的铝热炬，其特征在于，所述纳米颗粒的粒度为1-100纳米，所述微米颗粒的粒度为1-10微米。
6.如权利要求5所述的铝热炬，其特征在于，所述铝热炬包括：把手；铝热剂棒，其包含所述铝热剂组合物；热屏蔽罩，其设置在所述把手和所述铝热剂棒之间；以及喷嘴，其位于所述铝热剂棒的一端。
7.如权利要求5所述的铝热炬，其特征在于，所述铝热剂组合物不含丝或带。
8.如权利要求5所述的铝热炬，其特征在于，所述铝热剂组合物包含10-20％的铝(Al)以及大约80-90％的金属氧化物。
9.如权利要求5所述的铝热炬，其特征在于，所述铝热剂组合物包含至少1％的氯酸盐或高氯酸盐。
10.一种铝热剂组合物，该组合物包含纳米颗粒和微米颗粒的双峰分布，包含5-70％的纳米颗粒，29-94％的微米颗粒，以及至少1％的O2发生剂。
11.一种铝热炬，其包含如权利要求10所述的铝热剂组合物。
12.一种铝热炬，其包括：
铝热剂棒，其与把手相连，
把手；其中所述把手包括含有产生O2的固体的隔室，以及
将所述隔室与所述铝热剂棒相连的导管。
13.一种焊接或切割金属的方法，该方法包括：
点燃如权利要求1所述的炬，使用所述炬释放出的熔融的金属对金属基材进行焊接或切割。
14.一种焊接或切割金属的方法，该方法包括：
点燃如权利要求11所述的炬，使用所述炬释放出的熔融的金属对金属基材进行焊接或切割。
15.一种焊接或切割金属的方法，该方法包括：
点燃如权利要求12所述的炬，使用所述炬释放出的熔融的金属对金属基材进行焊接或切割。
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