DE2342402A1 - Verfahren zur tieftemperatur-explosionszertruemmerung - Google Patents
Verfahren zur tieftemperatur-explosionszertruemmerungInfo
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Description
PATENTANWALT DIPL.-ING. GERHARD SCHWAN
2342402 L-8931-G 2 2. Aug. 1973
UNION CARBIDE CORPORATION 27O Park Avenue, New York, N.Y. 10017, V.St.A.
Verfahren zur Tieftemperatur-Explosionszertrümmerung
Die Erfindung befaßt sich mit der Tieftemperatur-Zertrümmerung und
betrifft insbesondere ein Verfahren, bei dem die Zertrümmerung mittels einer Explosiventladung erfolgt.
Die wachsenden Autowrackhalden haben die Aufmerksamkeit auf Verfahren
gelenkt, die es erlauben, abgewrackte Kraftfahrzeuge auf wirksame Weise zu beseitigen und dabei den in ihnen enthaltenen Metallschrott
wiederzugewinnen. Das gestiegene industrielle Interesse an Verfahren zur Wiedergewinnung von Altmetall ist zum Teil auf die in
der Öffentlichkeit verbreitete Sorge um die unwirtschaftliche Erschöpfung
von unersetzbaren natürlichen Rohstoffquellen gegründet und wird dadurch unterstrichen, daB allein in den Vereinigten Staaten
von Amerika jährlich ungefähr 8 Millionen Autos aufgegeben werden.
Dies stellt ein bedeutendes Reservoir an wiederverwertbarem Metallschrott dar. Das Hauptaugenmerk lag auf der Rückgewinnung
der vorherrschenden Eisenkomponente des Schrottmaterials. AuSerdem
wurden auch die relativ wertvollen Nichteisenmetalle wie Kupfer abgetrennt und wiedergewonnen.
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Um Kraftfahrzeugschrott zu einem wirtschaftlich brauchbaren Stahlschrott
hoher Güte zu veredeln, müssen normalerweise zunächst nichtmetallische Stoffe, wie beispielsweise die Polsterung, aus
der .Karosserie entfernt werden. Außerdem muß das verbleibende Metall
in seine Eisenkomponente und seine Nichteisenkomponenten getrennt werden. In Stahlschrott stellt Kupfer häufig die unangenehmste
Nichteisenmetall-Verunreinigung dar. Kupfer beeinflußt nämlich die Eigenschaften zahlreicher Stahlprodukte, die aus wiedergewonnenem
Metallschrott gefertigt sind, in unerwünschter und nachteiliger Weise. Infolgedessen wird vorzugsweise die gesamte in einem Kraftfahrzeug
vorhandene Kupferverdrahtung aus dem Wrack entfernt, um
zu vermeiden, daß dem Stahl Kupfer zugemischt wird.
Es wurden bereits zahlreiche Verfahren zum Aufarbeiten von Kraftfahrzeugschrott
benutzt oder vorgeschlagen. In städtischen Zentren, in denen mindestens 40.000 ausgediente Kraftfahrzeuge pro Jahr anfallen,
werden die Wracks bisher vorzugsweise in einer Shredderanlage- verarbeitet. Dabei werden aus dem Kraftfahrzeug zunächst
der Lüfter, die Batterie, der Motor und die Sitze entfernt, sodann wird das Wrack in einer großen Hammermühle zerstückelt. Die anfallenden
Metallstücke werden dann magnetisch in Eisen- und Nichteisenbestandteile getrennt, wobei ein Stahlschrott erhalten wird,
der ungefähr O,25 Gew.% Kupfer enthält.
Es ist bekannt (US-PS 3 643 873), ein Autowrack mit flüssigem Stickstoff auf eine Temperatur zwischen -6O°C und -120 C abzukühlen,
bevor es einem herkömmlichen Shredder zugeführt wird. Nach
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dem Shredden werden die Eisenmetallstücke von den Nichteisenmetallen
auf magnetischem Wege getrennt.
Ein Tieftemperaturshredden hat den Vorteil, daß die Eisen- und
Nichteisenbestandteile vollständiger voneinander getrennt werden können, weil der Sprödbruch des Eisenmetalls weniger Gelegenheit
gibt, andere Werkstoffe, wie Kupfer, auf mechanische Weise festzuhalten, wenn die Verhältnisse mit unter normaler Außentemperatur
ablaufenden Shredderoperationen verglichen werden. Bei Tieftemperaturen
zersplittert nämlich der versprödete Eisenschrott weitgehend in kleine diskrete Stücke, wohingegen bei normaler
Außentemperatur verhältnismäßig große knäuelförmige Eisenmetallstücke
erhalten werden. Das Problem, daß Nichteisenmetalle in einem verformten Eisengefüge eingeschlossen und festgehalten werden,
ist daher bei einer unter Tieftemperatur erfolgenden Zerstückelung
kleiner.
Obwohl das bekannte Tieftemperaturshredderve'rfahren von der Konzeption
her vielversprechend ist, was die Zerstückelung bei kryogenen Temperaturen anbelangt, so ist dieses Verfahren doch nur
wenig leistungsfähig und unwirtschaftlich. Dies ist in erster Linie
darauf zurückzuführen, daß durch die Zerstückelung des Metallschrotts
in einem Shredder Energie und Kälte auf unwirtschaftliche Weise verlorengehen. Nur ein verhältnismäßig kleiner Bruchteil
der einer Hammermühle zugeführten Energie wird zum Zerstükkeln des Metalls ausgenutzt; der restliche Anteil der Energie
geht unnütz als Wärme verloren, die auf den Schrott übertragen
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wird. Dies ist zum Teil auf die mechanische Arbeitsweise einer
Hammermühle zurückzuführen, die in erheblichem Umfang einachsige Druckkräfte auf das zu zerstückelnde Metall aufbringt, während
nur die Zugkomponente das Material in Stücke zerbrechen kann. Mit anderen Worten, einachsige Druckkräfte führen selbst bei niedrigen
Temperaturen nur zu einer Verformung des Körpers, zerstückeln diesen aber nicht. Abgesehen davon, daß Energie wirkungslos verbraucht
wird, ist eine Verformung des Metalls auch deshalb unerwünscht, weil sie Wärme erzeugt und dadurch die Metalltemperatur
erhöht. Der Anstieg der Metalltemperatur vermindert die zurückgewinnbare
Kälte und erhöht infolgedessen den Gesamtkältebedarf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein leistungsfähiges
und wirtschaftliches Verfahren zum Zertrümmern von Stoffen, wie Metallschrott, bei tiefen Temperaturen zu schaffen. Aus Metallschrott
soll wertvolles Metall wiedergewonnen werden können. Der Einsatzbereich des gewonnenen Eisenbestandteils des Metalls soll
erhöht werden, so daß sowohl der Wert, als auch die Menge, die von den Stahlherstellern ausgenutzt werden kann, gesteigert, werden.
Mit der Erfindung soll ferner ein Verfahren zum Abbruch von Gebäuden oder Bauteilen geschaffen werden, das die Gefahr einer
Beschädigung benachbarter Gebäude oder Bauteile verringert.
Ein Verfahren zum Zertrümmern eines Feststoffes, der bei Tieftemperaturen
verglichen mit seinem Raumtemperaturverhalteh in erheblichem Maße versprödet, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß der zu zertrümmernde Feststoff auf eine Temperatur abge-
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kühlt oder abgeschreckt wird, bei der er in erheblichem Maße versprödet
ist, und daß zum Zerstückeln des Feststoffes ein Explosivstoff in nächster Nähe des abgekühlten oder abgeschreckten
Feststoffes zur Detonation gebracht wird.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß
die Zerstückelung des versprödeten Feststoffes mit Hilfe einer Explosionskraft erfolgt. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, daß
bei tiefen Temperaturen ein gewünschtes Produkt unter Verwendung einer überraschend kleinen Explosivstoffmenge erhalten wird. Dies
bringt zahlreiche Vorteile mit sich. Im Falle von Kraftfahrzeugschrott
führt die Energie, die dadurch freigesetzt wird, daß die erforderliche kleine Explosivstoffmenge in nächster Nähe des
auf tiefe Temperaturen abgekühlten Schrotts zur Detonation gebracht wird, nur zu einer geringfügigen Temperatursteigerung. Infolgedessen
kann ein Großteil der Kälte des zertrümmerten oder zerstückelten Produkts zurückgewonnen werden. Im Falle von kupferhaltigem
Schrott, beispielsweise Elektromotoren und -generatoren, erlaubt es der Umstand, daß die erforderliche Explosivstoffmenge
gering ist, den Explosivstoff an einer zuvor vorbereiteten Stelle
innerhalb des Motors oder Generators unterzubringen. Diese Art der Unterbringung gestattet eine vollständige Trennung der Kupfer-
und Eisenbestandteile. Im Gegensatz dazu kann die Explosivstoffmenge,
die erforderlich ist, um eine derartige Trennung bei Raumtemperatur zu erzielen, nicht in brauchbarer Weise innerhalb des
Motors oder Generators untergebracht werden. Beim Abbruch von Gebäuden können durch die Tieftemperaturvorbereitung der Stahlbau-
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teile die Sprengkräfte, die für den Abbruch erforderlich sind,
wesentlich herabgesetzt werden, wodurch die Gefährdung und Beschädigung benachbarter Gebäude oder Bauteile verringert wird.
Durch geeignete Anordnung eines Explosivstoffes mit Bezug auf den
zu zertrümmernden Feststoff kann auf Grund der eintretenden Explosion eine Stoßwelle erzeugt werden, die in dem Feststoff überwiegend
Zugbeanspruchungen herbeiführt, die für die Zerstückelung nutzbar sind. Im Gegensatz zur Arbeitsweise eines herkömmlichen
Shredders stellt daher die Zertrümmerung durch Detonation eines Explosivstoffes einen Vorgang hohen Wirkungsgrades dar, weil nur
ein verhältnismäßig kleiner Teil der durch die Explosion erzeugten Stoßwellenenergie zu einer plastischen Verformung des Feststoffes
führt und dessen Temperatur erhöht. Ein größerer Teil der Energie wird in nutzbarer Weise zur Zerstückelung des Materials
ausgenutzt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die mit der anfänglichen
Stoßwelle verbundenen Druckbeanspruchungen vorwiegend hydrostatisch sind und zu keiner plastischen Verformung führen,
so daß die anschließend auftretenden Zugbeanspruchungen eine Zerstückelung ohne wesentliche vorhergehende plastische Verformung
bewirken. Außerdem nutzt die Erfindung den Umstand aus, daß die zum Zerstückeln eines metallischen Gegenstandes erforderliche
Energie im allgemeinen mit steigender Dehnungsgeschwindigkeit abnimmt. Durch Verwendung von Hochleistungssprengstoffen können
sehr hohe Dehnungsgeschwindigkeiten erzielt werden, die eine Zertrümmerung mit niedrigem Energieaufwand begünstigen.
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Zu der Leistungsfähigkeit des vorliegend beschriebenen Verfahrens
trägt ferner der Umstand bei, daß die Zertrümmerung in einem einstufigen
Arbeitsvorgang erfolgt, nämlich durch eine einzige Explosion einer oder mehrerer Ladungen. Dies ist insofern von Vorteil,
als im Gegensatz zu den Verhältnissen bei einem herkömmlichen Shredder die verschiedenen Komponenten des Produkts nicht nachträglich
wieder miteinander gemischt oder ineinander verfilzt werden, wodurch ihre anschließende Trennung behindert würde. Ferner
hat das Material bei einem einstufigen Zertrümmerungsprozeß wenig Gelegenheit,durch Reibung oder durch wiederholte Umwandlung von
elastischer Verformungsenergie in Wärme erhitzt zu werden.
Es sind nur kleine Energiemengen erforderlich, um das Material zu
zertrümmern, so daß der Temperaturanstieg während des Zertrümmerungsvorganges
gering ist. Infolgedessen ist anders als bei dem Verfahren nach der US-PS 3 643 873 eine Kälterückgewinnung in wirtschaftlicher
Weise durchführbar. Im übrigen eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut für eine.Kälterückgewinnung
innerhalb des Systems, weil das zu zertrümmernde Material nicht mit einer massiven Maschinerie in Kontakt kommt, die, wenn überhaupt,
nur schwierig wärmeisoliert werden kann.
Das vorliegend beschriebene Verfahren eignet sich besonders gut für die Zertrümmerung verschiedener Arten von Metallschrott im
Rahmen eines Rückgewinnungsvorganges, doch braucht es sich bei dem zu zertrümmernden Feststoff nicht unbedingt um Metall zu handeln.
Die einzige Einschränkung besteht darin, daß das Material
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bei Tieftemperaturen verglichen mit seinem Raumtemperaturverhalten
in erheblichem Maße versprödet, so daß es unter der Wucht der Explosion zersplittert. Unter dem Begriff "Feststoff" sollten vorliegend,
ohne darauf beschränkt zu sein, kubisch-raumzentrierte Metalle und Legierungen sowie Kunststoffe und Gummis fallen. Der
Feststoff kann auch aus mehreren Materialarten bestehen.
Die zu bevorzugende Anbringungsstelle der Sprengstoffladung mit
Bezug auf den zu zertrümmernden Feststoff hängt notwendigerweise von der Geometrie des betreffenden Feststoffes ab. Je näher die
Sprengstoffladung dem Feststoff ist, desto wirksamer erfolgt jedoch
die Zertrümmerung. Außerdem ist es umso besser, je zentraler die Sprengstoffladung angebracht wird. Im allgemeinen ist das Einbringen
der Sprengstoffladung in das Innere des zu zertrümmernden Materials zu bevorzugen, wann immer dies möglich ist. Um beispielsweise
einen hohlen Zylinder zu zertrümmern, wird der Explosivstoff in den Zylinder eingebracht. Für feste Stoffe, die keine
Anbringung der Ladung im Innern erlauben, ist es am zweckmäßigsten, den Explosivstoff an der Oberfläche des betreffenden Gegenstandes
an einer Stelle anzubringen, die dem Massenschwerpunkt möglichst nahe liegt. Bei komplizierteren Materialformen wird die
optimale Stelle für die Anbringung der Ladung am besten experimentell bestimmt. Unter den vorliegend verwendeten Begriff "in
nächster Nähe"soll daher sowohl eine Anordnung der Ladung im Inneren des zu zertrümmernden Materials als auch eine Anbringung
des Explosivstoffes auf der Oberfläche des betreffenden Gegenstandes
fallen.
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Der vorliegend verwendete Begriff "Explosivstoff" soll alle chemischen
Hochleistungssprengstoffe, beispielsweise auf Nitroglyzerinbasis
beruhende Sprengstoffe.und Pentaerythritoltetranitrat
(im folgenden als PETN bezeichnet), umfassen, ist aber darauf nicht unbedingt beschränkt. Jede Anordnung oder Vorrichtung, die ,
in der Lage ist, ähnlich hohe Energiedichten zu erzeugen, ist gleichfalls geeignet, beispielsweise elektrische Entladung hoher
Energie.
Der vorliegend benutzte Begriff "in erheblichem Maße versprödet"
bezieht sich auf das Verhalten des Stoffes in einem Schlagversuch, bei dem die bis zum Bruch der Probe absorbierte Energie gemessen
wird. Bei einer Form des Schlagversuchs, nämlich dem Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy (ASTM Standards, PT. 31, 1970, Designation
E23), wird eine Probe von vorgegebenen Abmessungen, die eine genormte Kerbe aufweist, in ihrem mittleren Bereich dem Schlag
eines schweren Schwingpendels ausgesetzt. Bei Verringerung der
Temperatur zeigen zahlreiche Werkstoffe eine Abnahme der bis zum Bruch der Probe absorbierten Energie, wie dies aus der typischen
Kurve nach Figur 1 hervorgeht. Ein Maß für die Versprödung eines
Werkstoffes ist die Abnahme der absorbierten Energie. Als Übergangstemperatur für den Übergang vom duktilen zum spröden Zustand
kann die Temperatur definiert werden, bei der die in einem Charpy-Kerbschlagversuch
absorbierte Energie 2,1 kpm beträgt. Dementsprechend wird vorliegend ein Metall als "in erheblichem Maße versprödet'·
bezeichnet, wenn seine Temperatur unter der Übergangstemperatur für den Übergang vom duktilen zum spröden Zustand oder un- '
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terhalb -50 C liegt, je nachdem welche dieser beiden Temperaturen
die niedrigere ist. Kunststoffe und Gummis werden im vorliegenden Zusammenhang als in erheblichem Maße versprö'det bezeichnet,
wenn sie eine Temperatur von weniger als -50 C haben.
Im Falle von Werkstoffen, die aus mehreren Komponenten bestehen,
wird der Mischwerkstoff vorliegend als in erheblichem Maße versprödet
angesprochen, wenn diejenige Komponente, die zertrümmert werden soll, im oben definierten Sinne in erheblichem Maße versprö'det
ist.
Die Art des auf einen Explosionsschlag zurückzuführenden Sprödbruches,
d. h. die Größe und Form des zertrümmerten Materials, hängt von zahlreichen Variablen ab. Zu diesen gehören das Raumgewicht
der Volumeneinheit, die Temperatur, auf die das Material abgekühlt ist, die Zusammensetzung des Materials, das Gewichtsverhältnis von Explosivstoff zu Material und der Ort der Anbringung
der Explosivstoffladung. Im allgemeinen gilt, daß das für
die Zertrümmerung erforderliche Explosivstoffgewichtsverhältnis umso niedriger ist, je höher das Raumgewicht der Volumeneinheit
des Materials ist. Je niedriger ferner die Temperatur ist, auf die das Material abgeschreckt wird, desto kleiner ist das Explosivstoff
gewichtsverhältnis , das für die Zertrümmerung vorgesehen werden muß. Das Verfahren nach der Erfindung kann bei einer Temperatur
von ungefähr -50°C oder darunter ausgeführt werden. Die Menge des für die Zertrümmerung erforderlichen Explosivstoffes
liegt zwischen ungefähr 1/2O und 1/7OOO kg Explosivstoff / kg fe-
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stes Material. Bezogen auf die freigesetzte Energie ausgedrückt,
liegt der zweckmäßige Explosivstoffbereich zwischen ungefähr
1OO und 0,3 Joule Energie / g festes Material. Das Verfahren nach der Erfindung wird im allgemeinen innerhalb eines bevorzugten
Temperaturbereichs von ungefähr -5O°C bis ungefähr -196 C ausgeführt.
In den meisten Fällen beruht die Festlegung der für die Zertrümmerung günstigsten Bedingungen auf einem Kompromiß von
mehreren, teilweise einander zuwiderlaufenden Erwägungen. Häufig stellt die Wirtschaftlichkeit der Tieftemperaturkühlung den bestimmenden
Faktor dar und gibt dementsprechend in einer bestimmten Situation die Temperatur, auf die das Material gekühlt wird,
und damit das erforderliche Explosivstoffgewicht vor.
Ein weiteres Anwendungsgebiet für das Verfahren nach der Erfindung
ist der Abbruch von Bauwerken, wie Gebäuden, Brücken und dergleichen, durch Zerschl -igen der tragenden Bauteile. Dabei hat
die Explosivstoffentladung nicht die Aufgabe, das gesamte tragende
Bauteil zu zertrümmern. Die Ladung wird vielmehr benutzt, um das Bauteil an einem strategisch wichtigen Punkt zum Zusammenbrechen
zu bringen, so daß Ziegelsteine und anderes Material mit ausreichender Kraft zusammenfallen, um in leicht zu handhabende
Schutthaufen aufzubrechen. Obwohl prinzipiell das tragende Bauteil nur über seinen Querschnitt hinweg zerbrochen zu werden
braucht, muß doch ein begrenzter Bereich, der einer Länge von ungefähr 12,7 mm bis 51 mm des Bauteils entspricht, auf tiefe Temperaturen
abgekühlt werden, um für einen brauchbaren Bruch zu sorgen. In einem solchen Falle beruht daher das berechnete Gewichts-
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verhältnis von Explosivstoff zu Werkstoff auf dem Gewicht des
dieser Lange entsprechenden Werkstoffes. Das heißt, die Querschnittsfläche
des Bauteils multipliziert mit der oben erwähnten Länge ergibt das zu zertrümmernde Werkstoffvolumen, das seinerseits
das Gewicht des für die Zertrümmerung erforderlichen Explosivstoffs
bestimmt. Im allgemeinen sind wegen der Leistungsfähigkeit des Verfahrens nach der Erfindung nur verhältnismäßig
kleine Explosivstoffmengen notwendig. Das Verfahren erfordert tatsächlich nur ungefähr 1 % des Explosivstoffes» der für einen
Abbruch bei normaler Außentemperatur benötigt wird, wodurch die bei konventionellen Abbruchverfahren auftretenden Erscheinungen,
wie eine starke Luftdruckwelle, Bodenerschütterungen und herumfliegende
Trümmer, weitestgehend vermieden werden.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine grafische Darstellung des typischen.Verhaltens
einer gekerbten Probe in einem Charpy-Kerbschlagbiegeversuch, die den Einfluß der Temperaturauf
die bis zum Bruch der Probe absorbierte Energie erkennen läßt, und
Figur 2 eine grafische Darstellung des Einflusses der
Spannung auf die mechanische Verformung einer Probe aus niedriggekohltem Stahl bei -196 C.
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Das vorliegend beschriebene Verfahren ist auf verschiedenen technischen
Gebieten für eine Vielzahl, von Zwecken einsetzbar und
kann dementsprechend benutzt werden, um auf wirksame Weise Werkstoffe zu zertrümmern, wertvolle Metallanteile aus Metallschrott
zurückzugewinnen, Bauwerke abzubrechen und dergleichen. Die Anpassungsfähigkeit des Verfahrens ist teilweise darauf zurückzuführen,
daß es das Verfahren erlaubt, eine große Vielzahl von festen Werkstoffen zu zertrümmern oder zu zerstückeln und einen
weiten Größenbereich von Bruchstücken einfach dadurch zu erzielen, daß die Menge der Explosivstoffladung und deren Anordnung mit Bezug
auf das zu zertrümmernde Material variiert werden. Dieser Vorteil ist bei Verfahren, bei denen zur Zertrümmerung Hammermühlen
eingesetzt Werden, nicht gegeben. Eine zusätzliche Flexibilität des beschriebenen Verfahrens kann durch geeignete Wahl der
Ausbildung und Form der Explosivstoffladung erzielt werden. Insbesondere
kann eine in eine vorbestimmte Form gebrachte Ladung benutzt und vorzugsweise auf der Oberfläche des Materials zur Detonation
gebracht werden. Unter einer in vorbestimmte Form gebrachten Ladung soll dabei eine Explosivstoffladung verstanden
werden, die beispielsweise in Form eines Hohlkegels ausgehöhlt ist. Außerdem kann das Medium, in dem der Werkstoff enthalten ist,
variiert werden. Das beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere zum Zertrümmern von Eisenschrott, beispielsweise Kraftfahrzeugschrott,
Apparaten, Motoren, Generatoren und Werksschrott von Stahlwerken.
Der zu zertrümmernde Feststoff wird beispielsweise durch mechani-
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sehe Kälteerzeuger, vorzugsweise aber mit einem kryogenen Kältemittel,
beispielsweise flüssigem Stickstoff, auf eine Temperatur abgekühlt, bei der er in erheblichem Maße versprödet. Eisenschrott
versprödet in erheblichem Maße bei Temperaturen unterhalb von ungefähr -5O°C Kostenerwägungen und Überlegungen im Hinblick auf
die bequeme Durchführbarkeit bestimmen zu einem gewissen Teil das
in einer vorgegebenen Situation verwendete Kühlverfahren. Beim Abbruch von Stahlkonstruktionen kann beispielsweise das betreffende
feste Material einfach dadurch gekühlt werden, daß dieses Material an Ort und Stelle unmittelbar mit einem kryogenen Kälteträger
in Berührung gebracht wird. Dazu kann einfach das abzukühlende feste Material mit einem absorptionsfähigen Tuch oder Papier
umwickelt werden, worauf die absorptions fähige Schicht vor der
Detonation mit dem flüssigen Kälteträger benetzt wird. Die Vorbehandlung
des festen Materials vor dem Abschrecken hängt von der
Größe und der Masse des Materials ab. Bei einem Wiedergewinnungsvorgang, bei dem Schrott', beispielsweise Autowracks, benutzt werden,
wird zum Beispiel das feste Material vorzugsweise zusammengepreßt,
um leichter gehandhabt werden zu können. Nach der Versprödung
wird das feste Material zertrümmert, indem eine in nächster Nähe angeordnete Explosivstoffladung zur Detonation gebracht
wird. Nach dem Zertrümmern können die gewünschten wertvollen Metallanteile des Materials wiedergewonnen werden. Beispielsweise
kann Schrott, der sowohl Eisen- als auch Nichteisenkomponenten enthält, wie dies beispielsweise bei Autowracks, Motoren und Generatoren
der Fall ist, zertrümm&rt und dann durch geeignete Trennverfahren, wie magnetische Trennung oder Luftklassierung
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zerlegt werden.
Das beschriebene Verfahren eignet sich besonders gut für die Kälterückgewinnung,
weil das zertrümmerte feste Material bei der Detonation nur einen extrem geringen Temperaturanstieg erfährt. Da
die Kühlkosten im allgemeinen einen der wesentlichen Betriebskostenfaktoren jedes Tieftemperaturzertrümmerungsverfahrens bilden,
kann das vorliegend beschriebene Verfahren mit großem Vorteil mit bekannten Verfahren zur Kälterückgewinnung kombiniert werden.
Brauchbare Kälterückgewinnungsverfahren sind beispielsweise aus der US-PS 3 666 185 bekannt.
Es wurden Versuche mit Zylindern aus niedriggekohltem Stahl bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt. Die Übergangstemperatur
von niedriggekohltem Stahl für den Übergang vom duktilen zum spröden Zustand liegt bei ungefähr -5O°C. In die Mitte zweier Zylinder,
die jeweils 2O7 g wogen und eine Wandstärke von 2,4 mm,
einen Durchmesser von 25 mm und eine Länge von 152 mm hatten, wurden
Ladungen von 0,87 bzw. 1,75 g PETN eingebracht. Der Explosivstoff
wurde zur Detonation gebracht, während sich der Feststoff auf Zimmertemperatur befand. In beiden Fällen kam es zu einer erheblichen
plastischen Verformung; nur in der Nachbarschaft des Explosivstoffes wurde eine lokalisierte Zertrümmerung erzielt.
Der Versuch wurde dann unter den gleichen Bedingungen wiederholt,
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mit der Ausnahme, daß der Feststoff bei der Detonation des Explosivstoffes
auf -196 C abgekühlt war. Die Zylinder wurden über ihre
volle Länge unter Eintritt von Sprödbruch intensiv zertrümmert,
Das höhere Explosivstoffgewicht führte zu einer geringeren Teilchengröße
des zertrümmerten Produkts.
Kugelige Ladungen des Explosivstoffs Detasheet C (63 % PETN,
8 % Nitrozellulose, Rest Füllstoff), die 0,5 bzw. 1,5 g wogen,
wurden an den mittleren Bereich von Stahlplatten angelegt, die 186 g wogen und 51 χ 152 χ 3 mm groß waren. Der Explosivstoff
wurde zur Detonation gebracht, während das feste Material Zimmertemperatur
hatte. Es kam zu einer geringfügigen plastischen Verbiegung;
eine Zerstückelung trat nicht ein.
Die Versuche wurden dann in der oben beschriebenen Weise wiederholt,
mit der Ausnahme, daß das feste Material bei der Detonation
des Explosivstoffs auf -196°C abgekühlt war. Die Platten zerbrachen
in spröder Weise über ihre volle Größe in Stücke. Die Anzahl
der anfallenden Stücke stieg mit höherem Gewicht des Explosivstoffs
an.
Es wurden Versuche mit 1CS» kg schweren J<raftfahrzeuggeneratoren
* . 9 ■ λ
durchgeführt, deren Eisenkomponenten beT ungefähr -5O C in er-
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heblichem Maße versprb'det sind. Mit dem Versuch sollten die Eisenkomponenten
so zerstückelt werden, daß das Kupfer freigegeben wurde. 6 g des Explosivstoffs Detacord C (63 % PETN1 8 % Nitrozellulose,
'Rest Füllstoff) wurden in der hohlen Ankerwelle bei
Raumtemperatur in Luft zur Detonation gebracht. Der Generator wur-t
de nur geringfügig beschädigt.
Der vorstehend beschriebene Versuch wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß der Generator bei der Detonation·des Explosivstoffs
auf einer Temperatur von -196°C gehalten wurde, indem er in einer
mit flüssigem Stickstoff gefüllten Pappschachtel untergebracht wurde. Alle Eisenkomponenten waren zertrümmert; sie ließen sich
von den Kupferwicklungen, die nicht versprödet und im wesentlichen
intakt geblieben waren, leicht trennen.
Um die der Anordnung der Explosivstoffladung zukommende Bedeutung
zu veranschaulichen, wurde das in flüssigem Stickstoff durchgeführte Experiment gemäß Beispiel 3 wiederholt, mit der Ausnahme,
daß die Ladung nicht in der hohlen Ankerwelle untergebracht, sondern
auf die Außenwand des Kraftfahrzeuggenerators aufgelegt war. Bei der anschließenden Detonation konnte nur das Gehäuse zertrümmert
werden, während der Anker intakt blieb.
Dieser Versuch zeigt einen wesentlichen Vorteil des vorliegend beschriebenen Verfahrens, der darin zu sehen ist, daß die Ladung
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gezielt so angeordnet werden kann; daß die Kräfte an einer strategisch
wichtigen Stelle erzeugt werden. Dieser Vorteil geht konventionellen Verfahren ab, bei denen für die Zertrümmerung
Hammermühlen oder ähnliche Maschinen eingesetzt werden. Solche bekannte Verfahren sind im allgemeinen nicht in der Lage, den
Anker des Generators zu zertrümmern. Aus diesem Grunde stellt auch bislang das Zerlegen von Generatoren von Hand das bevorzugte
Vorgehen dar.
Um den Einfluß der Detonation in Luft und in flüssigem Stickstoff
zu veranschaulichen, wurde ein Generator, wie er in den Beispielen 3 und 4 benutzt wurde, mit 10 g Explosivstoff Detasheet C beladen
und bei -196 C zur Detonation gebracht. Die Eisenkomponenten wurden
zertrümmert, während die Kupferwxcklungen weitgehend unbeschädigt blieben. Im Vergleich dazu waren nur 6 g Detasheet C
erforderlich, um ein vergleichbares Produkt zu erhalten, wenn die Detonation entsprechend dem vorstehenden Beispiel 3 in flüssigem
Stickstoff bei -196°C erfolgte.
Es wurden Versuche mit 3O cm χ 3O cm x 36 cm großen und 5O kg
schweren Blöcken durchgeführt, die aus einem Autowrack-Schrottpaket (ballengepreßter Stahl Nr. 2) herausgeschnitten wurden. Dem
Versuch lag die Aufgabe zugrunde, die Eisenkomponenten zu zer-
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stückeln und ihre anschließende Trennung von den Nichteisenkomponenten
des Wracks zu ermöglichen, In den mittleren Bereich jedes Blocks war ein Loch eingeschnitten. Der Block wurde mit 30 g
Detasheet C beladen und bei Raumtemperatur in Luft zur Detonation gebracht. Dies entspricht einem Gewichtsverhältnis von 1:1667
(kg Explosivstoff/kg Werkstoff). Es wurde eine gewisse plastische
Verformung, jedoch keine nennenswerte Zertrümmerung beobachtet.
Das vorstehend beschriebene Experiment wurde wiederholt, mit der .
Ausnahme, daß der Explosivstoff zur Detonation gebracht wurde,
während das feste Material in flüssigem Stickstoff auf -196°C abgekühlt war. Der Block wurde über sein ganzes Volumen hinweg intensiv
zertrümmert. Das größte Bruchstück hatte Faustgröße und stammte aus der einen Ecke des Blocks. Die Blechstücke hatten
typische Abmessungen von 5O x, 50 mm. 16 g Kupferdraht konnten aus
dem in Stücke geschlagenen Metall leicht entfernt werden. Der maximale
Temperaturanstieg innerhalb des Materials, bestimmt aus der Gesamtwärmeenergie des Explosivstoffs, lag unter 10 C. Dies ist
wesentlich, da der im Vergleich zu konventionellen, mit Hammermühlen arbeitenden Tieftemperaturzertrümmerungsprozessen niedrige
Temperaturanstieg es wirtschaftlich lohnend macht, den Tieftemperaturkälteträger
teilweise zurückzugewinnen.
Es wurde ,ein Versuch mit einem 42 kg schweben Stahlknüppel durchgeführt.
Bei konventioneller Verfahrensweise waren 5 kg Explosiv-
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Stoff bei Raumtemperatur erforderlich, um den Block in zwei
Stücke durchzuscheren. 42 g Detasheet C wurden in ein in der
Blockachse liegendes Loch von 25 mm Durchmesser eingebracht. Der Explosivstoff wurde zur Detonation gebracht, während das feste
Material eine Temperatur von -196 C hatte. Der Knüppel wurde über sein volles Volumen"hinweg intensiv zerstückelt. Die Bruchstücke
hatten im Mittel ein Gewicht von ungefähr 2 kg. Das Verhalten des Knüppels dürfte dem Verhalten von großen Werksschrottstücken
weitgehend entsprechen, die während der Stahlherstellung anfallen.
Es wurden'Experimente durchgeführt, um die Durchführbarkeit eines
Tieftemperatur-Explosionsabbruchverfahrens von Stahlbaukonstruktionen
zu demonstrieren. 4 g Detasheet C wurden an einem 508 mm langen U-Träger angebracht. Der Mittelschenkel hatte eine Breite
von 127 mm. Die beiden Seitenschenkel waren 51 mm breit. Die Dicke des Trägers variierte zwischen 6,4 mm und 13 mm. Ein absorptionsfähiges
Papier wurde mit Klebstreifen an dem Träger befestigt, Zwischen dem Papier und dem Träger wurde ein Kunststoffrohr eingesetzt.
Flüssiger Stickstoff wurde auf das Papier aufgebracht, bis zu erkennen war, daß Luft im Träger kondensierte (-1840C). Dann
wurde der Explosivstoff zur Detonation gebracht. Der U-Träger wurde
an der betreffenden Stelle über seinen vollen Querschnitt durchgebrochen.
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Beispiel 9
Es wurden Versuche mit 1O2 mm langen Zylindern aus Polyäthylen
niedriger Dichte durchgeführt, die einen Durchmesser von 51 mm hatten. In die Mitte der 189 g schweren Zylinder wurde 1 g PETN
in der Form von Primacord eingebracht. Bei Durchführung des Versuchs
bei Raumtemperatur wurde der Zylinder nicht zerstückelt. Dagegen wurde der Zylinder bei -196°C in flüssigem Stickstoff in
Teile zerbrochen, die kleiner als 1O mm waren. Ein Teil des Kunststoffes
wurde zu einem feinen Pulver zerkleinert.
Es wurden Versuche mit einem Gummischlauch durchgeführt. Drei parallele,
miteinander in Berührung stehende Schlauchstücke wurden bei Raumtemperatur mit einer externen Ladung von 1 g Primacord
versehen, die in die gebildete Fuge eingebracht wurde. Bei der Detonation
des Explosivstoffs wurde der Gummi nicht beschädigt. Bei Abkühlen des festen Materials auf -196 C vor dem Zünden des Explosivstoffes
wurde der Gummi in Teilchen zerstückelt, die kleiner als 1O mm waren. Ein Teil des Gummis wurde zu einem feinen
Pulver zerkleinert.
Es wurden Versuche durchgeführt, um den Einfluß des Spannungszustandes auf die mechanische Verformung von verschiedenen Proben
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aus niedrxggekohltem Stahl bei der gleichen Temperatur zu zeigen.
Die Stahlproben wurden bei -196°C durch einachsige Zugbeanspruchung
und einachsige Druckbeanspruchung verformt. Die Ergebnisse sind in Figur 2 dargestellt. Die der einachsigen Zugbeanspruchung
ausgesetzte Probe zeigte keine plastische Dehnung und zerbrach spröde in einzelne Stücke. Bei der der einachsigen Druckbeanspruchung
ausgesetzten Probe kam es dagegen zu einer starken gleichförmigen plastischen Stauchung. Dies läßt erkennen, daß es wichtig
ist, bei der Zerstückelung von Material einachsige Druckbeanspruchungen zu vermeiden.
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Claims (11)
- Ansprüche/ι J Verfahren zum Zertrümmern eines Feststoffes, der bei Tieftemperaturen verglichen mit seinem Raumtemperaturverhalten in erheblichem Maße versprödet,· dadurch gekennzeichnet, daß der zu zertrümmernde Feststoff auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der er in erheblichem MaSe versprödet ist, und daß zum Zerstückeln des Feststoffes ein Explosivstoff in nächster Nähe des abgekühlten Feststoffes zur Detonation gebracht wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff auf eine Temperatur zwischen ungefähr -5O C und' -196°C abgekühlt wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Explosivstoff in einer solchen Menge verwendet wird, daß er ungefähr 1OO bis 0,3 Joule Energie je Gramm des zu zertrümmernden Feststoffes freisetzt.
- 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Explosivstoff mindestens teilweise eine in vorbestimmte Form gebrachte Ladung verwendet wird.
- 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Feststoff Eisenschrott verwendet wird.409810/0458
- 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Feststoff kupferhaltiger Schrott verwendet wird.
- 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupfermetall von dem zertrümmerten Rest getrennt wird.
- 8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenbruchstücke von dem restlichen Material magnetisch getrennt werden.
- 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Feststoff der in Stahlwerken anfallende Werksschrott verwendet wird.
- 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kälte aus dem zertrümmerten festen Material zurückgewonnen wird.
- 11. Verfahren zum Abbruch von Stahlbaukonstruktionen, dadurch gekennzeichnet , daß ein vorbestimmter Bereich der zu zertrümmernden Stahlbaukonstruktion auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der der Stahl in erheblichem Maße versprödet ist, und daß zum Zertrümmern des vorbestimmten Bereiches der Stahlbaukonstruktion ein Explosivstoff in nächster Nähe der Stahlbaukonstruktion zur Detonation gebracht wird.40981 0/0458Leerseite
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