DE19600450C2 - Vorrichtung zum kontinuierlichen Abtragen von festen Materialien mit Hilfe von Fluidstrahlen - Google Patents

Description

Es ist bekannt, zum Beispiel zum Tunnel- und Stollenbau mittels materialabtragender Maschinen wie beispielsweise Voll- oder Teilschnittmaschinen Gestein abzubauen. Diese Verfahren werden bei hartem Material durch Sprengvortrieb, bei dem beispielsweise mehrere Bohrungen kleineren Durchmessers in der Bohrlochtiefe mit Explosivstoff manuell gefüllt werden und dieses dort gezündet wird, ergänzt beziehungsweise ersetzt. Durch die Zeitschrift "Neue Bergbautechnik" 2 (1972), Heft 1, Seiten 5-7, ist es auch bekannt, den Explosivstoff mittels des Bohrwassers bzw. der Bohrspülung in die Bohrlochsohle zu verbringen. Jedenfalls erfolgt das Materialabtrageverfahren mit Einsatz von verkapselten Explosivstoffen diskontinuierlich. Zuerst werden die Bohrlöcher mechanisch hergestellt, dann der Explosivstoff in die Bohrleitung verbracht und dann ggf. zusammen mit anderen Zündungen in benachbarten Bohrlöchern ein bestimmter Gesteinsbrocken gelöst, der dann noch zu zerkleinern ist. In derselben Schrifttumstelle wird auch vorgeschlagen, mittels eines Erosionsbohrens den Tunnelvortrieb zu bewirken. Dabei soll das Wasser mit hohem Druck pulsierend aus mehreren Düsen austreten und dabei das Gestein erodieren. Nach Aussagen in der Schrifttumsstelle ist dieses Verfahren zunächst nur für Gestein mittlerer Härte geeignet. Jedoch wird es als vorteilhaft angesehen, daß bei der Gesteinszerstörung keine Berührung zwischen Gestein und Gewinnungswerkzeug besteht.

Bei weichen Materialien, zum Beispiel beim Abbau von Kohle, werden mittels Schrämwerkzeugen transportable Stücke herausgebrochen. Bei Stahlbetonkonstruktionen, wie beispielsweise Bunkeranlagen, Tief- und Wasserbauanlagen sowie in Außengleittechnik monolithisch gefertigten Hochbaukonstruktionen wird bei ihrer Demontage versucht, diese durch aufwendige Schneid- und Zertrümmerungstechniken, vorzugsweise Sprengtechniken, zu zerlegen oder abzutragen. Hier wird auch das HDW-Schneidverfahren eingesetzt, welches in der Zeitschrift "Berg- und Hüttenmännische Monatshefte" 126 (1981), Seiten 140-143, eingehend beschrieben ist. Dabei wird aber nur geschnitten und nicht flächig abgetragen.

Die im Einsatz befindlichen Verfahren haben die Nachteile, daß an abzutragenden oder zu demontierenden Objekten ohne oder vor Einsatz von Sprengtechniken direkt mit mechanischen materialabtragenden, bohrenden, fräsenden, sägenden oder schrämenden Werkzeugen gearbeitet werden muß. Die begrenzten mechanischen Stand- und Verschleißfestigkeiten der Schneidwerkzeuge erfordern je nach Härte und Beschaffenheit des zu bearbeitenden Materials periodisch auszuführende Wartungs- und Erneuerungsarbeiten an den Werkzeugen der Maschinen. Räumlich inhomogene Härte- und Festigkeitsstrukturen im abzutragenden oder zu bearbeitenden Material führen zu vorzeitigen Werkzeugbrüchen und somit zu zusätzlichen Stillstandszeiten der Maschinen.

Ferner werden beispielsweise im Tagebau mineralische oder sedimentische Rohstoffe mittels Hochdruckwasserwerfern auf hydromechanischem Wege gelockert, ausgespült und weggeschwemmt. Nachteilig bei diesen Verfahren ist, daß sie bei harten Materialien nur noch geringe Abtrage- und Schnittleistungen erreichen oder gar nicht mehr eingesetzt werden können.

Demontagearbeiten von oder an metallischen und mineralischen Konstruktionen, wie zum Beispiel Panzern, Schiffen oder Stahlbetonbauten, werden auch mit chemischen, elektro- und gasthermischen Verfahren, zum Beispiel mit Hochtemperaturschneidbrennern, vorgenommen. Die Schnitt- beziehungsweise Materialabtragleistung wird hier durch sukzessives thermisches oder chemisches Zerstören der Gefüge der Feststoffe erreicht. Nachteilig ist hierbei, daß die Verfahren nur sehr werkstoffselektiv einsetzbar sind und daß die Schnitt- oder Abtragleistung von den Eigenschaften der zu bearbeitenden Materialien abhängt.

Alle bekannten Verfahren besitzen die Nachteile, daß einerseits kein kontinuierlicher Abtrag oder Schnitt mit hoher Vortriebsleistung an beliebigen Materialien gefahren werden kann und andererseits ein automatisierter oder autonom betriebener Maschinenvortrieb beispielsweise unter ungünstigen Bedingungen wie inhomogenen und anisotropen Strukturen im Material nicht möglich ist.

Der Erfindung nach der älteren Patentanmeldung DE 44 23 477 A1 liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem einerseits ein direkter Kontakt zwischen der Materialbearbeitungsvorrichtung und dem abzutragenden oder zu bearbeitenden Material nicht vorhanden ist, also jegliche vorbereitende mechanische Bearbeitung des abzutragenden Materials vermieden ist, und andererseits die inneren Strukturen der zu bearbeitenden Materialien geringen Einfluß auf den Prozeß der Materialabtragung haben.

Als Lösung sieht die ältere Patentanmeldung vor, Explosivstoff kontinuierlich an die Wirkungsstelle zu bringen und dort zu zünden. Dort ist weiterhin vorgeschlagen, den Explosivstoff in den Bereich der Querschnittsmitte des Fluidstrahls einzubringen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Patentanmeldung, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der dieses Verfahren durchgeführt werden kann. Es soll möglich sein, mittels des Fluidstrahls sowohl im einfachen Verfahren allein, den Abrasivstoff und/oder auch chemische Energieträger, bzw. reaktive Stoffe wie Explosivstoffe, an die Wirkungsstelle und diese dort zur Entfaltung zu bringen.

Ausgehend von einer Vorrichtung, wie sie z. B. aus der Patentschrift DE 28 07 727 C2 bekannt ist, bei der eine Manteldüse gebildet ist, der vom Umfang her über einen Rohranschluß ein fluides Mittel mit Druck zuführbar ist, welches sich hinter der Manteldüse mit dem zentrisch zugeführten Abrasivstoff aufgrund der Neigung der Rohrdüsen zur Mitte der Düse hin völlig vermischt, sieht die Erfindung im Gegensatz dazu vor, daß eine Manteldüse zur Formung eines Hohlstrahls mit einer Art Strahlseele gebildet ist, die den Fluidstrahl begleitet und zumindest teilweise von dem Fluid über die ganze Länge des Strahls umhüllt ist. Unter Strahlseele oder Seele wird hier also der zylinderförmige Hohlraum, der zentrische Strahlachsraum des Hohlstrahls, verstanden. Schon allein dieser kreisförmige oder sonstwie zur Umhüllung eines Raumes geformte Fluidstrahl mit dieser zentrisch angeordneten Strahlseele bewirkt eine bei dem abzutragenden Material zerstörerische Wirkung. Im Falle der Verwendung von Abrasivstoffen ist dann ergänzend am Ende der Manteldüse eine Mischkammer vorgesehen, der von zumindest einem am Umfang angeordneten Rohranschluß das Strahlmittel zuführbar ist. Wenn aber Explosivstoff zur Anwendung kommen soll, kann dieser vorzugsweise im Zentrum des Hohlstahls, also in der Strahlseele, zur Wirkungsstelle gebracht und ohne Gefahr der frühzeitigen Zündung erst dort zur Explosion gebracht werden.

Die hier beschriebene Vorrichtung erlaubt es, daß durch Weglassen oder Hinzufügen von Vorrichtungsteilen die verschiedensten Kombinationen an Additiven, Strahlformen, Mischungsverhältnissen und Wirkungen hergestellt werden können. Durch die Verwendung eines oder mehrerer überlagerter Hohlstrahlen, deren Zwischenräume ebenso wie sie selbst mit Zuschlagstoffen gefüllt werden können, und die Verbesserung der Strahlstabilität, die durch den Einsatz eines harten, oberflächenstrukturierten, verschleißarmen Materials im Hohlraum des Strahls, in seiner Seele erfolgt, wird die Energieübertragung zwischen dem Strahl und dem abzutragenden Material erheblich verbessert. Der Explosivstoff kann unmittelbar vor seiner Verwendung innerhalb der Vorrichtung hergestellt werden. Die selbsttätige Entschärfung von Blindgängersubstanzen nach wenigen Sekunden erleichtert den Betrieb und erhöht die Sicherheit.

Bei dieser Vorrichtung können die Zuschlagstoffe (Abrasivstoffe, Explosivstoffe, Polymere und Fluide) mit Druck zudosiert werden, was die ärgerlichen und zeitaufwendigen Stillstände durch Wasserrückschläge bei Unterdruckdosierung, wie sie heute üblich ist, vermeidet.

Durch das Zentrum des Hohlstrahls kann mittels Laserstrahl der Abtragevorgang thermisch unterstützt beziehungsweise die Zündung des Explosivstoffes initiiert werden. Bei sehr hohem Staubanfall kann mittels Druckgas die Laserstrahlstrecke saubergeblasen werden.

Wichtig ist die erfindungsgemäße konzentrische Einbringung der Zuschlagstoffe in den Strahl. Dadurch werden sie sanfter aber auch länger beschleunigt und ihre Endgeschwindigkeit ist höher, weil im Innern des Strahles die Luftreibung entfällt.

Durch ihre neuartige Geometrie ist die erfindungsgemäße Düse in der Lage, mehrere Funktionen in Bezug auf die Führung, Formung und Mischung der Fluide und deren Zusätze auszuführen. Zudem verfügt sie über Einrichtungen und Hilfsfunktionen, die außer dem Zu- und Ableiten von Hilfsfluiden, außer der Kühlung und Beheizung auch die Sensibilisierung des Explosivstoffes ermöglichen.

Basis ist die Formung eines Hohlstrahles als Kreisring, Strahlenkranz, Ringsegment oder Kombinationen davon. Es sind auch andere Strahlprofile wie beispielsweise Kreuze, Polygone und zeitlich veränderliche Kombinationen davon denkbar. Wenn der Strahl oder Teile davon asymmetrisch geformt sind, kann durch Nachführung der Geometrie synchron mit der Schneiderichtung eine große Einsparung an Fluiden, Zusatzstoffen und Energie erzielt werden.

Wird der Kern durch ein fest oder verschiebbar angeordnetes Rohr gebildet, so kann ein Stoff direkt an die Wirkungsstelle gebracht werden, ohne mit dem oder den anderen Stoffen oder Fluiden in Berührung zu kommen. Die jeweils verbrauchte Rohrlänge wird wie beim Schutzgas-Drahtschweißen einfach nachgeschoben, wodurch das Ende des Rohrs vom Wirkungsort einen konstanten oder regelbaren Abstand aufweist. Durch dieses Rohr kann auch ein Laserstrahl ohne Behinderung durch Rauch gebrochenes Material oder Zusatzstoffe zur Wirkstelle geführt werden und dort den Explosivstoff zünden.

Wenn der Hohlraum oder ein Teil des Hohlraumes des Strahls durch einen massiven Stab ausgefüllt ist, kann eine größere Schneidleistung in gleichem Material erzielt werden. Zudem werden die Schnittfugen keine Verengung zur Austrittsseite hin aufweisen. Die Oberflächenstruktur des Stabes hat einen großen Einfluß auf die Abtrageleistung. Wegen des bei der starken Reibung entstehenden Verschleißes sollte sein Material sehr hart sein, wie z. B. Bornitrid oder Siliziumcarbid, Keramik etc. Mit einem harten Kern wird es erstmals möglich, Verbundmaterialien (Metall-Schaumstoff etc.), zerklüftetes Gestein oder Stoffe, die durch einen Hohlraum voneinander getrennt sind, zu schneiden. Bisher scheiterte das immer daran, daß der Abrasivstoffstrahl durch die Luftreibung soviel Energie verlor, daß er nach dem ersten Schnitt praktisch wirkungslos blieb. In vorteilhafterweise kann der massive Stab auch als ein Bohrwerkzeug ausgebildet sein.

Wenn der Kern aus einem porösen, gasdurchlässigen Rohr besteht, das mit einem beweglichen Pfropfen verschlossen ist, so kann ein Fluid (Gas oder Polymer) in den Hohlstrahl eingebracht werden, das die Reibung am Hohlstrahl vermindert. Durch den aus dem Rohr radial austretenden Gasstrom kann die geometrische Strahlform zeitlich verändert werden. Durch pulsierendes Einbringen des Fluidstromes kann der Strahl so aufgeweitet werden, daß er einen Sägezahneffekt erhält. Wenn durch die Position des Pfropfens der Ort der Radialströmung sehr nahe an die Strahldüse verlegt wird, kann die Transportleistung des Strahles bezüglich des Abrasivstoffes durch Aufweitung des Strahles und Veränderung seiner Struktur in weitem Bereich gesteuert werden. An die Stelle eines Pfropfens kann auch eine Spirale oder Wendel eingesetzt werden. Durch Rotation oder axiale Verschiebung derselben wandert das Aufweitungsmuster auf dem Rohr. Dem porösen Hohlstab kann auch eine Querströmung zum Kühlen oder Erhitzen aufgezwungen werden, und zwar durch An- und Zuordnung von radialen Zu- und Abflußleitungen, durch die das entsprechende Fluid gefördert wird.

Besteht das Rohr aus einem piezoelektrischen Material, kann die Durchflußmenge und der Durchflußort elektrisch gesteuert werden. Dies gilt auch für magnetostriktive Materialien und thermosensible Gedächtnislegierungen etc.

Der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anwendung kommende Explosivstoff kann auch aus mehreren Komponenten in einer Vormischkammer hergestellt werden. So kann beispielsweise als Transportmedium flüssiger Sauerstoff flüssige Luft oder flüssige Sauerstoffverbindungen Verwendung finden. Die Tränkung des Brennstoffes mit diesem Transportmittel sollte im Vakuum oder bei Unterdruck erfolgen, und zwar in der der Manteldüse vorgeordneten Vormischkammer, der dazu eine Vakuumpumpe zugeordnet ist. Eine Explosivstoffkomponente könnte ein Metallpulver sein. Der Explosivstoff soll nach kurzer Zeit unter atmosphärischen Normalbedingungen seine Zündfähigkeit verlieren.

Bei näherer Betrachtung des Abtragevorganges sind mehrere Effekte erkennbar, die den Wirkungsgrad beeinflussen: Bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten erhält man eine rauhe Schnittfläche die durch starke Riefenbildung mit großer Krümmung gekennzeichnet ist. Die Schneidefuge ist zur Austrittsseite hin stark verengt und bei sehr großem Vorschub an manchen Stellen nicht ganz vollendet. Bei niederen Vorschubgeschwindigkeiten wird die Schnittfläche eben und glatt, der Rand der Schneidefuge ist an der Eintrittseite aber gerundet, bei sehr langsamem Vorschub weitet sie sich, bei Stillstand erhält man eine Aufweitungskerbe.

Wenn man sich den Abtragevorgang als Schleifprozeß und die Abrasivstoffpartikel als umhüllende Wolke des Kernstrahles vorstellt, erkennt man zwei grundsätzlich notwendige unterschiedliche Funktionen:
Der Kernstrahl bildet ein Führungselement, dessen Stabilität durch seinen Massendurchsatz bestimmt wird, also je größer der Durchmesser bzw. die Geschwindigkeit oder beides zusammen sind, um so größer sind der Massendurchsatz und die Leistung des Strahles. Das gilt für alle bewegten Massenströme. Die Abrasivstoffpartikel unterliegen dem gleichen Gesetz. Sie nehmen bei Berührung mit dem Flüssigkeitsstrahl kinetische Energie auf und geben diese beim Zusammenstoß mit einem Hindernis wieder ab. Im realen Schneideprozeß wird zuerst der Abstand zwischen dem Flüssigkeitsstrahl und dem Abrasivstoff so weit verringert (Beschleunigungsdüse), daß die Abrasivstoffpartikel durch Kontakt mit dem Flüssigkeitsstrahl beschleunigt werden. Danach reduziert man den Abstand zwischen Strahl und Werkstück soweit, daß der Abrasivstoff seine Energie an den Werkstoff abgeben kann. Beim Schneiden in einem Werkstück läuft der Prozeß des Energie-Aufnehmens und Energie-Abgebens in Abhängigkeit von der Schneidetiefe mehrfach ab. Im Grenzbereich und damit im Arbeitsbereich verändert sich die Strömung, genauer die Reaktionszone, die stark abhängig von der Vorschubgeschwindigkeit ist.

Wenn man die Stabilität des Strahles durch den Einsatz einer harten Seele unabhängig vom Massendurchsatz maximiert kann viel mehr kinetische Energie des Strahles an den Abrasivstoff und damit auch an den zu schneidenden Werkstoff übertragen werden. Eine harte Seele (Keramikkern) führt auch dazu, daß die Strahldeformation auf ein Minimum reduziert wird, das erhöht die Vorschubgeschwindigkeit und führt zu sauberen, geometrisch exakten Schnittfugen und -flächen.

Zusatznutzen:
Beim konventionellen Schneiden wird oft mit einer speziellen Vorrichtung eine Startbohrung ins Werkstück eingebracht. Dies kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die Seele im Standardschneidekopf durchgeführt werden.

Weitere Vorteile sind:
Mit der Vorrichtung nach der Erfindung ist eine Messung des Istzustandes im Wirkungsbereich durch die hohle Seele (Sensorführung und -schutz) möglich. Bei einem harten Kern kann ebenso wie bei einem einfachen Hohlstrahl die Reduzierung des Strahles in einen Teilstrahl von mindestens 180° Umfang realisiert werden, wodurch Wasser und Abrasivstoffe eingespart bzw. Abtragemehrleistung erzielt werden können.

Dabei sollte die breite Seite des Stahls senkrecht zur Schneidrichtung verlaufen, also sollten die 90-Grad-Marke und die Schneidrichtung übereinstimmen. Bei Verwendung von Kernen mit radialen Bohrungen im Endbereich und verschlossenem Boden kann ebenso wie bei der Bereitstellung von speziellen Oberflächenstrukturen und Geometrien auf die Strömungsverhältnisse und die Arbeitsleistung des Schneidkopfes gezielt Einfluß genommen werden, z. B. durch die Bündelung des Strahles, durch geführte Umströmung in der Schneidefuge oder durch die Interferenz bei Oberflächenreliefs. Jedenfalls ist mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Schneiden und auch ein flächiges Abtragen von Materialien jeglicher Art möglich. Das Gestein kann über die ganze Stirnfläche des herzustellenden Loches oder Tunnels zerkleinert werden, so daß ein kontinuierliches und damit leichteres Entfernen des gebrochenen Gesteins ermöglicht ist.

Wenn Schlitze im Wirkungsbereich des Kernes vorhanden sind, kann abhängig von der Schlitzform fast jedes Strömungsmuster hergestellt werden. Es kann auch ein Luftpolster zur Verminderung der Reibung zwischen dem Hohlstrahl und dem durch die Seele geführten Element erzeugt werden.

Eine Vorrichtung der erfindungsgemäßen Art ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 im Querschnitt eine Düse zur Herstellung eines Hohlstrahls aus einem Fluid mit zentrisch gefördertem Explosivstoff und einer nachgeordneten Mischkammer für z. B. Abrasivstoffe,

Fig. 2 eine Ausschnittvergrößerung der Manteldüse zur Herstellung des Hohlstrahls,

Fig. 3 die Düse nach Fig. 1 mit mehreren nachgeordneten Mischkammern und einem im Hohlstrahl zentrisch gehaltenen Kernstab und

Fig. 4 die Düse nach Fig. 3, bei der jedoch der Kernstab durch ein Rohr ersetzt ist.

Der wesentliche Teil der Vorrichtung zur Herstellung eines Hohlstrahls 1 gemäß Fig. 1 ist die Manteldüse, die in Fig. 2 genauer dargestellt ist. Die Düse ist im Zentrum eines Körpers 2 gebildet und besteht aus dem Hohlraum 3, in dem ein Ringkörper 4 gehalten ist. Der dadurch geschaffene Ringhohlraum hat seitlich eine Flüssigkeitszuflußbohrung 5. Der Ringhohlraum endet in Richtung der Manteldüse 6 an einer Halterung 7 für den Ringkörper 4.

Die Manteldüse 6 kann verschiedene Formen von Öffnungen aufweisen. Die Öffnung zur Herstellung des Hohlstrahls 1 mit einem zentrischen Hohlraum, der Seele 1', kann aus einzelnen zentrisch ausgerichteten Bohrungen oder aus einem ringförmigen zentrisch ausgerichteten Schlitz, der auch nur einen Winkel von etwa 180 Grad des ringförmigen Schlitzes aufweisen kann, oder aus einem Polygon oder strahlenförmigen Schlitzen bestehen.

An die Manteldüse 6 schließt sich nach dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, 3 und 4 eine oder mehrere ringförmige Mischkammern 8, 9 und 10 an, die aber auch bei einer Vorrichtung ohne Verwendung von Abrasivstoffen 8' entfallen können. In die Mischkammer 8 ragt nur das Ende der mantelförmigen Wandung 2' der Manteldüse 3, 4, 7 hinein. Durch die konisch zur Wirkungsstelle hin sich verjüngende und insofern mit einem Verteilerkegel versehene Mischkammer 8 nach Fig. 1, fließt von radial außen durch eine Bohrung 11 ein Abrasivstoff 8', der von dem Außenumfansbereich des Hohlstrahls 1 erfaßt und zur Wirkungsstelle beschleunigt wird. Der Abrasivstoff 8' kann hier auch unter Druck zugeführt werden. An die Mischkammer 8 schließt sich eine Führungsdüse 12 an, die gemäß Fig. 3 und 4 zu einer weiteren Mischkammer 9 und 10 führen. In den jeweiligen Mischkammern kann ein unterschiedlicher Druck herrschen, sogar Unterdruck. Dort können nämlich weitere Abrasivstoffe zugeführt werden oder diese Kammern für einen Kreislauf und Abtransport des nicht vom Hohlstrahl 1 erfaßten Abrasivstoffes dienen. Mittels eines hier auch quer zum Fluidstrom einströmenden Gasstromes kann der Fluidstrom auch in seiner Oberfläche, zur besseren Aufnahme des Abrasivstoffes, beeinflußt werden. Der Auslauf des dargestellten Düsenkörpers bildet eine weitere Mischstrahl-Führungsdüse 13, um die außen ein Elektromagnet 14 zur Beeinflussung des Fluidstrahls, beispielsweise zur Sensibilisierung von Explosivstoffen gewickelt ist. Durch diese Sensibilisierungseinrichtung können gewerbliche Sprengstoffe sicher gezündet werden. Der dazu durch die Düseneinrichtung konstant oder getaktet fließende Arbeitssprengstoff wird kontinuierlich oder diskontinuierlich in einer Vormischkammer mit dem Initialsprengstoff getränkt und dann sicher mit diesem Elektromagnet gezündet.

Oberhalb der Ringdüse 6, oberhalb des Ringkörpers 4 ist zunächst eine Einrichtung zum Beheizen oder Kühlen, die den mit seiner zentrischen Bohrung gebildeten Hohlraum - die Seele 1' des später gebildeten Hohlstrahls 1 - umfaßt, oder auch eine Einrichtung zum Abführen von in diesem Bereich entstehenden und später hinderlichen Gasen, angeordnet. Um dies zu ermöglichen, weist der Körper 2 oberhalb des dort endenden Ringkörpers 4 einen oder mehrere übereinander angeordnete Filterringe 15, 16, 16' auf, die aus einem gasdurchlässigen Material hergestellt sind. Radial sind in Höhe der Filterringe 15, 16, 16' durch den Körper 2 mehrere Bohrungen 17, 18 eingebracht, durch die das notwendige Gas bis zum Filter ein- und von dem Filter abgeführt werden kann. Es kann selbstverständlich aus dem Filter 15-16' auch nur ein in der Seele 1' entstehendes Gas, wie z. B. bei Verwendung von flüssigem Sauerstoff der vergaste Sauerstoff, austreten. Im Ausführungsbeispiel sind die Bohrungen 17, 18 axial versetzt zueinander angeordnet, um darzustellen, daß mehrere Fluide durch die Filter gezwungen werden können.

Weiter oberhalb der Filtereinrichtung ist eine Spannvorrichtung oder Halteeinrichtung 19 für einen längs durch die ganze Düseneinrichtung durch die Seele 1' des späteren Hohlstrahls 1 einzuschiebenden Kernstab 20.

Ist es ein massiver Stab, so dient er zur passiven Stabilisation des Fluidstrahls 1 nach Austritt aus der Mischstrahl-Führungsdüse 13 und beim Verlassen der Düseneinrichtung. Der massive Stab kann auch als Bohrwerkzeug od. dgl. ausgebildet sein.

Ist der Kernstab ein als Beschleunigungsrohr dienender Hohlstab 21 gemäß Fig. 4, so kann durch diesen wiederum ein Fluid, ein Abrasivstoff, ein Tensid, ein Polymer etc. oder ein Explosivstoff oder ein Laserstrahl zur Wirkungsstelle geführt werden. Bei der Herstellung von zylinderförmigen Löchern in nicht absolut homogenem Material entsteht fast immer eine Abweichung des Loches von der Zielrichtung. Wenn der Abtragekopf (Schneidkopf) mit einem steuerbar gasdurchlässigen Hohlstab 21 im Hohlstrahl 1 ausgerüstet ist, kann über die bevorzugte Gasdurchtrittsrichtung die Abtrageleistung an der gewünschten Stelle verstärkt werden. Um diesen Effekt zu erzielen, wird über einen speziell geformten dornförmigen Pfropfen, der gedreht und längs verschoben werden kann, im gewünschten Abtragebereich die Beladung des Strahls mit Abrasivstoffen so verstärkt oder geschwächt, daß sich die Leistung sehr genau steuern läßt.

Es kann vorteilhaft sein, das Gas pulsierend hier zur Wirkung kommen zu lassen. Das ermöglicht die gezielte Richtungsbeeinflussung bei längeren Bohrungen. Der Hohlstab 21 kann auch zumindest teilweise aus einem porösen Material hergestellt und an einer Stelle durch einen Pfropfen 22 verschlossen sein, damit ein eingeführtes, unter Druck stehendes Fluid durch das Material austreten kann. Das Fluid bläst dann von innen radial gegen den Hohlstrahl 21, um ihn zur besseren Aufnahme von Abrasivstoffen aufzurauhen oder die Reibung zu reduzieren oder die Abtragleistung des Strahles ggf. nur örtlich zu beeinflussen. Beispielsweise kann durch den Hohlstrahl ein Polymer oder ein Tensid gedrückt werden, das sich dann zwischen Hohlstrahl 1 und dem Hohlstab 21 anlagert. Die Durchtrittsrichtung, die -menge, der -ort und der Durchtrittszeitpunkt eines Fluids durch den Hohlstab 21 kann gesteuert werden.

Der Kernstab 20 kann aber auch ganz entfallen, so daß durch diesen Hohlraum ebenfalls ein Bohrwerkzeug, ein Laserstrahl oder Zuschlagstoff an die Wirkungsstelle gebracht werden kann. In diesem Zusammenhang ist nochmals auf die Fig. 1 zu verweisen. Nach diesem Ausführungsbeispiel ist der Explosivstoff über die ganze Länge der Düseneinrichtung zentrisch durch die Strahlseele 1' eingeführt. Dort ist kein gesondertes Rohr vorgesehen, weil der in der Düse erzeugte Hohlstrahl 1 die als Formlinge 23 wie z. B. als Hohlladungen in die Seele eingeführten Explosivstoffpartikel von innen her beschleunigt und insofern pulsartig zur Wirkungsstelle (Ex.) bringt. Auf diese Weise ist der Manteldüse 3, 4, 7 eine zentrisch ausgerichtete Vormischkammer 3' vor und zugeordnet, in der auch der Explosivstoff aus mehreren Komponenten herstellbar ist. Hier kann z. B. der Brennstoff-Formling 23 mit einem fluiden Sauerstoff, flüssiger Luft oder flüssigem Ozon getränkt werden. Der Tränkvorgang erfolgt in einem durch eine angeschlossene Pumpe erzeugten Vakuum. Wenn ein Vakuum besteht, ist die Tränkzeit reproduzierbar und um vieles kürzer, als unter normaler Atmosphäre. Der Brennstoff Formling 23 kann geschrotet, granuliert, kugel- oder stabförmig, als Blättchen oder Fäden ausgebildet sein.

Diese Vormischkammer 3' kann viele Meter lang sein. Je höher die Transportgeschwindigkeit der Brennstoff-Formlinge 23 ist, um so länger muß die Vormischkammer sein, damit genug Zeit bleibt, um die Formlinge mit flüssigem Sauerstoff zu tränken.

Am Anfang der Vormischkammer 3' erfolgt diese Herstellung des Explosivstoffes, der dann nach Absaugen von dabei entstandenen Gasen mit dem unter Druck zugeführten Sauerstoff od. dgl. zur Manteldüse gefördert wird, um dort von dem dann erzeugten Hohlstrahl erfaßt und zur Wirkungsstelle beschleunigt zu werden.

Claims (38)

1. Vorrichtung zum kontinuierlichen Abtragen von festen Materialien mit Hilfe von Fluidstrahlen, Explosiv- und Abrasivstoffen, bestehend aus einer Manteldüse, der über einen am Umfang angeordneten Rohranschluß ein fluides Mittel zuführbar ist und die einen Hohlstrahl mit einer mit Explosivstoff beladenen Strahlseele formt, welche den Fluidstrahl begleitet und von dem Fluid über die ganze Länge umhüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß an die Manteldüse anschließend eine Mischkammer vorgesehen ist, in der über einen am Umfang angeordneten Rohranschluß zusätzlich Explosivstoff und/oder wie an sich bekannt Abrasivstoff zuführbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Manteldüse (3, 4, 7) eine zylinderförmig offene Ringdüse aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Manteldüse zumindest teilweise ringsum separate ggf. strahlenförmige Durchtrittsöffnungen (6) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Manteldüse eine polygonförmige Öffnung aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Manteldüse nur segmentförmig offen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Mischkammer (8, 9, 10) das Ende der mantelförmigen Wandung (2') der Manteldüse (3, 4, 7) hineinragt.

7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (8, 9, 10) konisch in Bewegungsrichtung des Strahlmittels zum Fluidstrahl sich verjüngend ausgerichtet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Mischkammern (8, 9, 10) hintereinander mit jeweils einem am Umfang angeordneten druckdichten Rohranschluß (11) für das Strahlmittel (8') angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den Mischkammern (8, 9, 10) unterschiedliche Drücke erzeugbar sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (8, 9, 10) um den Hohlstrahl (1) drehbar angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (8, 9, 10) synchron zur Schneiderichtung drehbar gelagert ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Öffnungen (17, 18) und Leitungen in der Vorrichtung vorgesehen sind, die von einem Kühl- oder Heizmittel durchströmbar sind.

13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Mischkammer (10) eine Mischstrahl-Führungsdüse (13) anschließt, die von einer elektromagnetischen Spule (14) z. B. zum Sensibilisieren der Explosivstoffe umgeben ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Manteldüse (3, 4, 7) eine Vormischkammer (3) vorgeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormischkammer (3') rohrförmig und der Manteldüse (3, 4, 7) zentrisch zugeordnet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Vormischkammer (3') eine Pumpe zur Erzeugung eines Unterdrucks wie Vakuum zugeordnet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß längs der Vormischkammer (3'), längs der Strahlseele (1') ein Behandlungsmittel (23) einführbar ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Behandlungsmittel als Bohrwerkzeug ausgebildet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrwerkzeug als Laserstrahl ausgebildet ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Behandhandlungsmittel, z. B. der Explosivstoff als endliches Formteil (23) in die Seele (1') des Fluidstrahls (1) eingebbar ist.

21. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich längs der Vormischkammer (3'), der Manteldüse (3, 4, 7) und ggf. der Mischkammer (8, 9, 10) zentrisch ein Materialstab (20, 21) erstreckt und somit die Seele (1') des Fluidstrahls (1) zumindest teilweise ausfüllt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialstab als massiver Rundstab (20) ausgebildet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Rundstab als Bohrwerkzeug ausgebildet ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialstab als Hohlstab (21) ausgebildet ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlstab (21) zum Transport einer Brennstoffkomponente vorgesehen ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlstab (21) als Beschleunigungsrohr für feste und fluide Stoffe ausgebildet ist.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlstab (21) zumindest teilweise aus einem durchlässigen Material hergestellt und zum längs und quer gerichteten Transport von Gasen oder Flüssigkeiten vorgesehen ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß dem gasdurchlässigen Hohlstab (21) radial zumindest eine Zu- und/oder Abführleitung (17, 18) zugeordnet ist zur Erzeugung eines quer gerichteten Medien- wie Gasaustausches.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hohlstab eine Pumpe zum Absaugen eines im Hohlstab entstandenen Gases zugeordnet ist.

30. Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlstab (21) durch einen Pfropfen od. dgl. (22) verschließbar ist.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Lage des Verschlusses (22) im Hohlstab (21) einstellbar ist.

32. Vorrichtung nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß (22) als Spirale oder Wendel ausgebildet ist.

33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialstab, vorzugsweise der Hohlstab (21), ganz oder teilweise aus magnetostriktivem Material besteht.

34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, das der Materialstab, vorzugsweise der Hohlstab (21), ganz oder teilweise aus thermosensiblem Gedächtnismaterial besteht.

35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialstab, vorzugsweise der Hohlstab (21), ganz oder teilweise aus piezoelektrischem Material besteht.

36. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialstab (20, 21) längs der Düseneinrichtung verschiebbar und/oder verdrehbar (Pfeile) gehalten ist.

37. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsstrahl aus zwei oder mehr Hohlstrahlen (1) besteht.

38. Vorrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Räume zwischen den Hohlstrahlen mit anderen Medien gefüllt sind.