CN109664041A - 金属构件野外高能热切割成孔装置 - Google Patents
金属构件野外高能热切割成孔装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种金属构件野外高能热切割成孔装置，包括装药桶，装药桶内从下向上依次设有铝制的挡环、锥台塞、铝热剂层、点火剂层；装药桶的顶端安装有顶盖；顶盖中心垂直向设有安装通孔，安装通孔内安装有绝缘塞；绝缘塞上垂直向安装有两点火电极；装药桶的侧壁下部设有若干冲切孔；装药桶的径向外周表面上设有若干用于将装药桶固定在待冲切物体上的固定装置；装药桶内锥台塞与待冲切物体之间设有支撑套筒。本发明成孔装置，能量密度大，燃烧温度高，切割压力大。适用于野外或战场无电、无气、无切割设备条件下各种钢结构件的快速应急热切割及其水下切割。
Description
技术领域
本发明涉及应急切割领域，特别涉及一种金属构件野外高能热切割成孔装 置。
背景技术
应急切割是野外工程设施装备紧急安装、抢修和破拆的重要技术，也是战场 抢修中必不可少的技术。统计表明，装备零部件在野外或战场上出现卡死、折断、 穿孔等损坏，影响使用性能，大部分需首先采用应急切割的方法快速加以解决。 在地震、雪灾、塌方、沉船等灾害抢险救援中和日常消防救护中同样迫切需要轻 便安全的应急切割方法。
目前，野外抢修中常用的热切割方法是等离子切割或气割。等离子切割是利 用高能量密度、高温高速气流进行切割的一种热切割方法，可以切割多种金属， 但它需要大功率电源和沉重昂贵的设备，在野外使用时严重制约抢修的灵活机动 性；气割是利用可燃气体与氧气混合燃烧形成的高温火焰和金属在氧气流中剧烈 燃烧，并将燃烧后产生的氧化物熔渣吹掉实现金属分割的一种热切割方法，可以 切割碳素钢、低合金钢，但不能有效切割铸铁、不锈钢、有色金属等材料，而且 需要储气设备等。近些年，技术人员在新可燃气体研发，储气设备小型化作了大 量工作，但是无论使用何种可燃气体、液体或其它引燃方式，都离不开强助燃剂 氧气或液态氧，氧气储罐小型化必然带来储罐更换频繁，必然要配备研制大型专 用灌气或液设备，同时高压氧气罐在枪林弹雨、烟熏火燎的环境下极易损伤或破裂，十分危险。利用燃烧合成技术，基于手工自蔓延焊接技术成果，拓展研究出 的手工自蔓延切割方法，是一种无需外界能源和设备的野外应急切割新方法，其 使用的切割器材为适合手工操作的燃烧型切割笔(棒)。虽然该方法可在无电源、 无气源及无设备条件下烧穿切割金属，但是由于切割笔(棒)燃烧产生的喷射射流 温度低、射流速度小、能量密度小、热量损失大、含氧量低等原因，造成金属切 割效率低、厚度薄、切口宽度大且不整齐等难以克服的问题。
野外切割常采用切割剂。切割剂采用普通的发热剂。发热剂主要是由铝、氧 化物、硝酸盐和氧化铁组成的混合物，同时还常含有其他一些附加物，如黏结剂 和充填剂等。发热剂的燃烧迅速及燃烧时释放出的热量，对其适用性具有决定性 影响。此外，它的导热性及熔化温度等也影响其适用性。也可以采用铝热剂。铝 热剂是铝粉和难熔金属氧化物的混合物。常见铝热剂是铝粉和三氧化二铁粉末按 比例配成呈粉红色的混合物(比例约为1:2.95)，当用引燃剂点燃，反应猛烈进 行，得到氧化铝和单质铁并放出大量的热，温度可到2500℃，并发出耀眼的光 芒，能使生成的铁熔化。铝热剂是铝热反应的重要成分，铝热反应在轨道焊接等 高温户外作业中发挥重要作用。可用于引发一些需要高温的反应。
便携式固体切割剂切割技术是一种新型钢结构件打孔或切割技术，其切割用 器材由便携式切割枪和燃烧型切割弹两部分组成。切割时将燃烧型切割弹装填入 切割枪中，手持切割枪对准切割件，击发切割弹底火，底火点燃弹内引燃剂，引 燃剂点燃切割剂，产生高温冶金熔体和高压气体，产物经喷嘴聚能压缩后喷出， 将钢结构件局部熔化并被高压气体吹除，实现打孔或切割。该方法可实现对各种 碳钢、合金钢等金属的手工操作切割。由于燃烧产生的高温冶金熔体和高压气体 是经过喷嘴聚能压缩后喷出，喷射射流温度高、射流速度大、能量密度大、热量 损失小，具有切割金属厚度大、效率高、应用面广、使用储运安全性好等特点。 因此，这种适合手工操作，且无需外界电源和气源，携带方便、操作简单、安全可靠的金属构件切割新方法，是应急快速热切割金属的理想技术手段，对更好更 快地完成野外或战场情况下的应急抢修和抢险救灾任务，具有十分重要的意义。
发明人申请的公开号为CN108627058A的专利公开了一种燃烧转爆轰聚能爆 炸装置，包括高压电火花点火装置和聚能爆炸装置。聚能爆炸装置包括装药容器、 药型罩，装药容器包括一筒状的装药容器本体及顶盖；顶盖上设有点火电极安装 孔；装药容器本体内安装有药型罩；装药容器本体内药型罩上方从上至下依次装 有起爆装药层、传爆药层、猛炸药层；起爆药层自上而下依次为混合装药层、散 装黑索金层、黑索金药柱，混合装药层为黑火药、活性金属粉末、高氯酸盐的混 合物。所述混合装药层自上而下分为混合装药层上层、混合装药层下层，混合装 药层上层的密度范围为0.5～0.7g/cm3，混合装药层下层的密度范围为0.7～ 0.9g/cm3；混合装药层上层、混合装药层下层、散装黑索金层、黑索金药柱的体 积比为1.5～2：2～3.5:5～6:5～6；黑索金药柱的密度为1.2～1.4g/cm3。或者， 所述混合装药层包括圆环柱体状的混合装药层外层及镶嵌在混合装药层外层内 的圆柱体状的混合装药层内层，混合装药层外层的密度范围为0.7～0.9g/cm3， 混合装药层内层的密度范围为0.5～0.7g/cm3；混合装药层、散装黑索金层、黑 索金药柱的体积比为3～3.5：2～3.5:5～6:5～6；黑索金药柱的密度为1.2～ 1.4g/cm3。高压电火花点火装置包括电源、升压装置、两点火电极，两点火电极 安装在一绝缘塞上，所述绝缘塞安装在点火电极安装孔上。该燃烧转爆轰聚能爆 炸装置能安全稳定地起爆并产生有效的聚能射流，适用于微声爆破，但该装置是 利用炸药爆炸进行聚能切割，炸药在使用过程中危险性大，必须远距离操作。
中国人民解放军军械工程学院申请的公开号为CN103182609A的发明专利公 开了一种钢结构件切割用燃烧型切割弹，该燃烧型切割弹由弹底、底火、弹壳、 引燃剂、切割剂和喷嘴组成；切割剂中高热剂以铝热剂为主，约占切割剂重量的 百分比为65％～85％，造气剂以硝酸钾为主，约占切割剂重量的百分比为5％～ 25％，造渣剂和合金剂约占切割剂重量的百分比为7％～20％。切割时将燃烧型 切割弹装填入切割枪中，手持切割枪对准切割件，击发切割弹底火，底火点燃弹 内引燃剂，引燃剂点燃切割剂，产生高温冶金熔体和高压气体，产物经喷嘴聚能 压缩后喷出，将钢结构件局部熔化，实现切割。该切割弹主要用于各种钢结构件 的快速热切割及其水下切割。该切割弹的缺陷在于，该装置中含有感度较高的火 工元件底火，在储存及运输过程中存在不安全因素，该装置属于近距离操作切割， 当待切割构件较大时，不能适应切割需要。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种金属构件野外高能热切 割成孔装置，解决现有技术中采用感度较高的火工元件底火，在储存及运输过程 中存在不安全因素，不使用远距离操作、定向性差、耗能高的问题。
本发明采用的技术方案如下。
金属构件野外高能热切割成孔装置，其特征在于：包括装药桶，装药桶内从 下向上依次设有中轴线与装药桶的中轴线重合的铝制的挡环、由陶瓷或石墨制成 的呈下大上小的锥台状的锥台塞、铝热剂层、点火剂层，锥台塞的底部的径向外 周表面紧贴装药桶的径向内周表面且锥台塞的底面与挡环顶面相连；挡环连接在 装药桶的中部的径向内周表面上且其顶面垂直于装药桶的中轴线；装药桶的顶端 安装有可密封装药桶顶部开口的顶盖；顶盖上中心垂直向设有绝缘塞安装通孔， 绝缘塞安装通孔内安装有绝缘塞；绝缘塞上垂直向安装有两点火电极，两点火电 极与高压电点火装置相连；装药桶的侧壁上设有若干冲切孔，各冲切孔的顶端位 于装药桶内锥台塞的下方且各冲切孔的底端位于装药桶的侧壁的底面上，装药桶 的侧壁的底面上各冲切孔在水平面的投影形成一个圆；装药桶的径向外周表面上 设有若干用于将装药桶固定在待冲切物体上的固定装置；装药桶内锥台塞与待冲 切物体之间设有支撑套筒。支撑套筒由铁制成。
作为优选技术方案，绝缘塞的纵截面呈倒“T”字形，绝缘塞安装通孔的横 截面、绝缘塞的上端的横截面均为圆形，绝缘塞的上端插入绝缘塞安装通孔且与 绝缘塞安装通孔螺纹连接。
作为优选技术方案，绝缘塞安装通孔、绝缘塞均呈上小下大的锥台形；绝缘 塞与绝缘塞安装通孔螺纹连接。
作为优选技术方案，装药桶的内周表面上设有装药桶耐高温层；各冲切孔的 内周表面上设有冲切孔耐高温层。
作为优选技术方案，所述装药桶耐高温层、冲切孔耐高温层分别为陶瓷制成 的药桶耐高温层、陶瓷制成的冲切孔耐高温层，或者，所述装药桶耐高温层、冲 切孔耐高温层分别为石墨制成的药桶耐高温层、石墨制成的冲切孔耐高温层。
作为优选技术方案，绝缘塞上设有两点火电极安装孔，两点火电极分别安装 在两点火电极安装孔，两点火电极的底端靠近点火剂层。
作为优选技术方案，装药桶内垂直向设有一镁条，镁条的顶端位于点火剂层 内，镁条的底端位于铝热剂层内。
作为优选技术方案，顶盖与装药桶的顶端螺纹连接；所述固定装置包括连接 耳，连接耳上设有磁铁。
作为优选技术方案，绝缘塞为石墨制成的绝缘塞或陶瓷制成的绝缘塞。
作为优选技术方案，所述固定装置包括连接耳，连接耳通过钢丝绳与待冲切 物体相连。
本发明的有益效果是：当切割剂燃烧产生的压力级别大于挡环的支撑能力， 挡环失效，未发生反应的切割剂继续燃烧，随后，当切割剂燃烧产生的压力级别 大于支撑套筒的支撑能力锥台塞向下运动，露出冲切孔，高温高压熔融流体沿冲 切孔喷出，在待冲切物体上冲出多个圆形的孔且所述圆形的孔组成一个更大的圆 环形孔，锥台塞推动支撑套筒将更大的圆环形孔内部分推出待冲切物体，完成切 割。挡环破碎后的碎片可进入待冲切物体二次燃烧，提高冲切的深度。本发明靠 燃烧产生的燃烧产物的高温高压性能冲切金属构件；各冲切孔的底端在水平面的 投影形成一圆环，切割以切割剂中高热剂发生燃烧反应产生的高温及其高温熔体 产物熔化金属为主，以造气剂产生的大量过氧气体与钢材发生放热并形成低熔点 氧化物的氧化反应为辅，在持续高速气流作用下吹掉熔融金属和熔渣实现切割， 加上顶支撑套筒的推力，可以最大限度的利用切割能量，具有耗能低，切割效果好的特点。本发明装置燃烧反应速度快，能量密度大，燃烧温度高，切割面积大， 切割速率快，而且不使用火工品及猛炸药。适用于野外或战场无电、无气、无设 备条件下各种钢结构件的快速应急热切割及其水下切割。
附图说明
图1是本发明带药型罩的金属构件野外高能热切割装置一较佳实施例的结 构示意图。
图2是图1的A部分的局部放大图。
图3是图1的B部分的局部放大图。
图4是图1所示带药型罩的金属构件野外高能热切割装置与一待冲切物体连 接的示意图。
图5是图4的C部分的局部放大图。
图6是图5所示带药型罩的金属构件野外高能热切割装置切割剂层燃烧后的 示意图。
图7是图6的D部分的局部放大图。
图8是一种金属构件野外高能热切割成孔装置与一待冲切物体连接的示意 图。
图9是图8的E部分的局部放大图。
图10是金属构件野外高能热切割成孔装置与一待冲切物体连接的示意图。
图11是一种金属构件野外高能热切割成孔装置与一待冲切物体连接的示意 图。
图12是图11的F部分的局部放大图。
图13是图11所示带药型罩的金属构件野外高能热切割装置的冲切孔喷出的 高温高压熔融流体在待冲切物体上冲切成孔示意图。
其中：装药桶-1；挡环-2；锥台塞-3；铝热剂层-4；点火剂层-5；顶盖-6；绝 缘塞安装通孔-7；绝缘塞-8；点火电极-9；高压电点火装置-10；冲切孔-11；固定 装置-12；装药桶耐高温层-13；冲切孔耐高温层-14；镁条-15；导线-16；待冲切 物体-17；装药桶的侧壁的底面-18；支撑套筒-19；钢丝绳-20；磁铁-21；圆环形 孔-22。
具体实施方式
下面，结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1。如图1-7所示，一种金属构件野外高能热切割成孔装置，其特征 在于：包括装药桶1，装药桶1内从下向上依次设有中轴线与装药桶1的中轴线 重合的铝制的挡环2、由陶瓷或石墨制成的呈下大上小的锥台状的锥台塞3、铝 热剂层4、点火剂层5，锥台塞3的底部的径向外周表面紧贴装药桶1的径向内 周表面且锥台塞3的底面与挡环2顶面相连；挡环2连接在装药桶1的中部的径 向内周表面上且其顶面垂直于装药桶1的中轴线；装药桶1的顶端安装有可密封 装药桶1顶部开口的顶盖6；顶盖6上垂直向设有绝缘塞安装通孔7，绝缘塞安 装通孔7内安装有绝缘塞8；绝缘塞8上垂直向安装有两点火电极9，两点火电 极9与高压电点火装置10相连；装药桶1的侧壁上设有若干冲切孔11，各冲切 孔11的顶端位于装药桶1内锥台塞3的下方且各冲切孔11的底端位于装药桶的 侧壁的底面18上，装药桶的侧壁的底面18上各冲切孔11在水平面的投影形成 一个圆；装药桶1的径向外周表面上设有若干用于将装药桶1固定在待冲切物体 17上的固定装置12；装药桶1内锥台塞3与待冲切物体17之间设有支撑套筒 19。
绝缘塞8的纵截面呈倒“T”字形，绝缘塞安装通孔7的横截面、绝缘塞8 的上端的横截面均为圆形，绝缘塞8的上端插入绝缘塞安装通孔7且与绝缘塞安 装通孔7螺纹连接。
装药桶1的内周表面上设有装药桶耐高温层13；各冲切孔11的内周表面上 设有冲切孔耐高温层14。所述固定装置12包括连接耳，连接耳通过钢丝绳20 与待冲切物体17相连。待冲切物体17呈管状或柱状。
所述装药桶耐高温层13、冲切孔耐高温层14分别为陶瓷制成的药桶耐高温 层、陶瓷制成的冲切孔耐高温层14，或者，所述装药桶耐高温层13、冲切孔耐 高温层14分别为石墨制成的药桶耐高温层、石墨制成的冲切孔耐高温层14。
绝缘塞8上设有两点火电极9安装孔，两点火电极9分别安装在两点火电极 9安装孔内，两点火电极9的底端靠近点火剂层5。
装药桶1内垂直向设有一镁条15，镁条15的顶端位于点火剂层5内，镁条 15的底端位于铝热剂层4内。
顶盖6与装药桶1的顶端螺纹连接；所述固定装置12包括连接耳，连接耳 上设有磁铁21。
绝缘塞8为石墨制成的绝缘塞8或陶瓷制成的绝缘塞8。
所述固定装置12包括连接耳，连接耳通过钢丝绳20与待冲切物体17相连。
电点火装置13为CN108627058A专利公开的高压电火花点火装置，包括电 源、升压装置、两点火电极，两点火电极安装在一绝缘塞上。点火剂层6为 CN108627058A专利公开的混合装药层，所述混合装药层为黑火药、活性金属粉 末、高氯酸盐的混合物。所述混合装药层自上而下分为混合装药层上层、混合装 药层下层，混合装药层上层的密度范围为0.5～0.7g/cm3，混合装药层下层的密 度范围为0.7～0.9g/cm3；混合装药层上层的顶面上点火电极安装孔的底端开口 下设有一开口向上的凹陷，两点火电极位于所述凹陷内；混合装药层上层、混合 装药层下层的体积比为1:1。混合装药层为黑火药、活性金属粉末、高氯酸盐、硝化棉的按照质量比为2.1:1.3:1:0.05混合在一起的混合物。切割剂采用公开号 为CN103182109A专利的切割剂。切割剂组成为CuO(-200目)8％～12％、 Fe2O3(-200目)45％～50％、Al(-250目)18％～22％、KNO3(-100目)10％～15％、 CaCO3(-100目)2％、Al2O3(-150目)1.5％、Cr2O3(-200目)1.5％、Ni(-150目)5％～8％、 Ti(-100目)1％及微量成分。上述物料分别球磨过筛后，于120℃烘干2小时，按 配比混合均匀，通过自制的成型机成型切割剂。经试验，当装药桶长120mm， 外径为23mm时，弹能够实现28mm厚钢结构件的切割。当然，本实施例也可 以采用现有技术的常规的铝热剂。
安装时，先安装好锥台塞3到挡环2，向装药桶1装入铝热剂层4、点火剂 层5，安装顶盖7到装药桶1，向装药桶1底端插入支撑套筒19，固定装药桶1 到待冲切物体17，点火后装置开始工作。
当切割剂燃烧产生的压力大于挡环2的支撑能力，挡环2失效，未反应的 切割剂继续燃烧，随后，当切割剂燃烧产生的压力级别大于支撑套筒19的支撑
实施例2。如图8-9所示，本实施例与实施例1的不同在于：绝缘塞安装通 孔7、绝缘塞8均呈上小下大的锥台形；绝缘塞8与绝缘塞安装通孔7螺纹连接。
实施例3。如图10所示，本实施例与实施例1的不同在于：所述固定装置 12包括连接耳，连接耳通过钢丝绳20与待冲切物体17相连。待冲切物体17呈 板状。
实施例4。如图11-13所示，本实施例与实施例3的不同在于：所述固定装 置12上设有方便定位的磁铁21。
以上所列举的实施方式仅供理解本发明之用，并非是对本发明所描述的技术 方案的限定，有关领域的普通技术人员，在权利要求所述技术方案的基础上，还 可以作出多种变化或变形，所有等同的变化或变形都应涵盖在本发明的权利要求 保护范围之内。本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.金属构件野外高能热切割成孔装置，其特征在于：包括装药桶(1)，装药桶(1)内从下向上依次设有中轴线与装药桶(1)的中轴线重合的铝制的挡环(2)、由陶瓷或石墨制成的呈下大上小的锥台状的锥台塞(3)、铝热剂层(4)、点火剂层(5)，锥台塞(3)的底部的径向外周表面紧贴装药桶(1)的径向内周表面且锥台塞(3)的底面与挡环(2)顶面相连；挡环(2)连接在装药桶(1)的中部的径向内周表面上且其顶面垂直于装药桶(1)的中轴线；装药桶(1)的顶端安装有可密封装药桶(1)顶部开口的顶盖(6)；顶盖(6)上中心垂直向设有绝缘塞安装通孔(7)，绝缘塞安装通孔(7)内安装有绝缘塞(8)；绝缘塞(8)上垂直向安装有两点火电极(9)，两点火电极(9)与高压电点火装置(10)相连；装药桶(1)的侧壁上设有若干冲切孔(11)，各冲切孔(11)的顶端位于装药桶(1)内锥台塞(3)的下方且各冲切孔(11)的底端位于装药桶的侧壁的底面(18)上，装药桶的侧壁的底面(18)上各冲切孔(11)在水平面的投影形成一个圆；装药桶(1)的径向外周表面上设有若干用于将装药桶(1)固定在待冲切物体(17)上的固定装置(12)；装药桶(1)内锥台塞(3)与待冲切物体(17)之间设有支撑套筒(19)。
2.如权利要求1所述的金属构件野外高能热切割成孔装置，其特征在于：绝缘塞(8)的纵截面呈倒“T”字形，绝缘塞安装通孔(7)的横截面、绝缘塞(8)的上端的横截面均为圆形，绝缘塞(8)的上端插入绝缘塞安装通孔(7)且与绝缘塞安装通孔(7)螺纹连接。
3.如权利要求1所述的金属构件野外高能热切割成孔装置，其特征在于：绝缘塞安装通孔(7)、绝缘塞(8)均呈上小下大的锥台形；绝缘塞(8)与绝缘塞安装通孔(7)螺纹连接。
4.如权利要求1所述的金属构件野外高能热切割成孔装置，其特征在于：装药桶(1)的内周表面上设有装药桶耐高温层(13)；各冲切孔(11)的内周表面上设有冲切孔耐高温层(14)。
5.如权利要求1所述的金属构件野外高能热切割成孔装置，其特征在于：所述装药桶耐高温层(13)、冲切孔耐高温层(14)分别为陶瓷制成的药桶耐高温层、陶瓷制成的冲切孔耐高温层(14)，或者，所述装药桶耐高温层(13)、冲切孔耐高温层(14)分别为石墨制成的药桶耐高温层、石墨制成的冲切孔耐高温层(14)。
6.如权利要求1所述的金属构件野外高能热切割成孔装置，其特征在于：绝缘塞(8)上设有两点火电极(9)安装孔，两点火电极(9)安装孔内分别安装两点火电极(9)，两点火电极(9)的底端靠近点火剂层(5)。
7.如权利要求1所述的金属构件野外高能热切割成孔装置，其特征在于：装药桶(1)内垂直向设有一镁条(15)，镁条(15)的顶端位于点火剂层(5)内，镁条(15)的底端位于铝热剂层(4)内。
8.如权利要求1所述的金属构件野外高能热切割成孔装置，其特征在于：顶盖(6)与装药桶(1)的顶端螺纹连接；所述固定装置(12)包括连接耳，连接耳上设有磁铁(21)。
9.如权利要求1所述的金属构件野外高能热切割成孔装置，其特征在于：绝缘塞(8)为石墨制成的绝缘塞(8)或陶瓷制成的绝缘塞(8)。
10.如权利要求1所述的金属构件野外高能热切割成孔装置，其特征在于：所述固定装置(12)包括连接耳，连接耳通过钢丝绳(20)与待冲切物体(17)相连。
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