DE19858618A1 - Methode und mobile Vorrichtung für das thermische Trennen elektrisch nicht leitender Materialien, insbesondere von Beton ohne und mit Stahlbewehrung durch Anwendung eines Gleichstrom-Plasmaerzeugers mit nicht übertragenem Lichtbogen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Methode und eine mobile Vorrichtung zum thermischen Trennen und Zerstören elektrisch nicht leitender Materialien, wie Fels, natürlicher oder künstlicher Stein und insbesondere von Beton mit und ohne Stahlbewehrung, sowie Kombinationen dieser Materialien. Dies wird dadurch realisiert, daß ein Gleichstrom- (DC-) Plasmaerzeuger hoher Leistung mit nicht übertragenem Lichtbogen eingesetzt wird, um diese Materialien in Form eines durchgehenden Schnittes oder einer Furche kontinuierlich aufzuschmelzen und die Schmelze auszublasen. Beim Schmelzen von Furchen wird die Rißbildung durch thermische Spannungen und/oder durch verdampfendes Wasser zur Zerstörung des Materials ausgenutzt. Hinsichtlich der Geometrie oder Richtung des Schnittes bestehen dabei keine Einschränkungen. Die Erfindung betrifft des weiteren ein Verfahren, bei dem mit dem DC-Plasmaerzeuger in bestimmten Abständen Löcher, ähnlich einer Perforierung, vollständig oder bis zu einer ausreichenden Tiefe in das Material geschmolzen werden, wobei zur Zerstörung der Zwischenräume wiederum Spannungsrisse ausgenutzt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin das Forcieren des Ausblasens der flüssigen Lava durch das Nachführen eines herkömmlichen Gasbrenners.

Description

Es ist das Anliegen dieser Erfindung, eine Methode und eine Vorrichtung zum thermischen Trennen und/oder Zerstören von elektrisch nicht leitender Materialien, wie Fels, natürlicher oder künstlicher Stein und insbesondere von Beton ohne und mit Stahlbewehrung oder Kombinationen dieser Materialien bereitzustellen, die mobil und unabhängig von den jeweiligen Umgebungsbedingungen angewendet werden können.

Das thermische Trennen oder Zerstören dieser Materialien wird dabei erfindungsgemäß dadurch realisiert, daß ein DC-Plasmaerzeuger mit nicht- übertragenem Lichtbogen dazu benutzt wird, diese Materialien aufzuschmelzen und entweder in Form eines kontinu­ ierlischen Schnittes zu trennen oder zusätzlich die Energie von thermischen Spannungen auszunutzen, die durch die Erwärmung der Materialien, die für gewöhnlich schlechte Wärmeleiter sind und wo die einzelnen Bestandteile, beispielsweise von Beton teilweise sehr unterschiedliche thermische Ausdehnungs­ koeffizienten haben, sowie durch die Ausdehnung und Verdampfung von eingeschlossenem Wasser entstehen und zu Makrorissen führen.

Solche Risse können erfindungsgemäß dadurch genutzt werden, daß:

• a) im Falle von Materialien ohne Bewehrung das Material nicht vollständig thermisch durchtrennt, sondern lediglich in Form einer Furche angeschnitten wird, wobei sich die bei der Abkühlung entstehenden Risse vorzugsweise in die Richtung des größten Temperatur­ gradienten ausbreiten und das Material somit in der Tiefe zerstören.
• b) mittels DC-Plasmagenerator perforationsartig Löcher in einem bestimmten Abstand erzeugt werden, wobei dieser Abstand in Abhängigkeit vom Material selbst, sowie von der eingebrachten Wärme so gewählt wird, daß die Zwischenräume durch thermische Spannungen zerstört werden.

Weiterhin beinhaltet die Erfindung das Nachführen eines herkömmlichen Gasbrenners, dessen thermische und kinetische Energie dazu genutzt wird, daß besonders bei tiefen Schnitten an dicken Materialien die schmelzflüssige Lava aus der Fuge, bzw. der Furche intensiver ausgeblasen wird.

Die Flexibilität, Mobilität und vollständige Unabhängigkeit der Vorrichtung wird dadurch realisiert, daß alle notwendigen Einrichtungen zum Betreiben des Plasmagenerators bzw. des Gasbrenners, bestehend aus Energie- (durch ein kompaktes und dieselmotorbetriebenes Blockheizkraftwerk, dessen Generator mit einer Gleichstromversorgung gekoppelt ist) und Gasversorgung (z. B. Kryotanks), sowie einem geschlossenen Wasser- Umlaufkühlsystem als ein Modul auf einer transportablen Palette montiert sind, und sich der DC-Plasmagenerator, der Gasbrenner sowie die notwendigen Handling und Kontrollsysteme in beliebig großer Entfernung vom Versorgungsmodul und durch Leitungen verbunden befinden können. Die Vorrichtung und Methode ist vorzugsweise als Methode zum Abbruch alter Bausubstanz, also vorzugsweise für Baumaterialien, wie Beton mit und ohne Stahlbewehrung geeignet.

HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK

Der großen Anzahl von Baumaterialien, insbesondere Betonsorten, der vielfältigen Art ihrer Verstärkung und den Anwendungsmöglichkeiten steht eine vergleichsweise geringe Anzahl an Möglichkeiten gegenüber, solche Materialien effektiv zu trennen, bzw. alte Bausubstanz abzureißen. Speziell für Konstruktionen mit einem hohen Anteil an Stahlbewehrung, wie sie beispielsweise bei hohen Industrieschornsteinen, Bunker­ anlagen oder Kernreaktoren anzutreffen sind, ist die Anzahl der möglichen Verfahren beschränkt.

Weitere Einschränkungen sind dann vorhanden, wenn mechanische Verfahren oder Sprengungen aus Platz- oder sonstigen Gründen entfallen, oder wenn erschütterungs- und/oder möglichst staubfrei gearbeitet werden muß.

Die am weitesten verbreitete und billigste Technologie zum Trennen von Stein oder Beton ist wohl das Sägen mittels Diamantsägeblättern. Aber auch hier treten Probleme auf, wenn starke Stahl­ bewehrungen oder lockeres Material im Inneren vorhanden ist, da das Verhaken der Sägeblätter an solchen Hindernissen gewöhnlich zu ihrer Zerstörung führt. Üblicherweise werden solche Stahlbeton­ konstruktionen dadurch abgerissen, daß zunächst mechanisch die Stahlbewehrung freigelegt und diese in einem weiteren Arbeitsschritt mittels Brennschneiden oder anderen Verfahren getrennt wird.

Einige Sonderverfahren und Anlagen für das Trennen elektrisch nicht leitender Materialien sind bekannt, wie die Anwednung von Lasern oder Hochdruck- Wasserstrahlen (teilweise mit Zusatz abrasiver Pulver), die aber in ihren Möglichkeiten auf dünne Werkstücke beschränkt sind, da beide Strahlen mit zunehmender Tiefe rapide an Energie verlieren.

Auch ist eine Anzahl thermischer Verfahren zur Bearbeitung und Zerstörung von Stein und Beton bekannt, wobei das bekannteste hiervon die Sauerstoff Kernlanze ist, die tiefe Löcher in Wände und Fundamente schmelzen kann, aber wegen der nötigen Prozessgase und teilweise verwendeten Zusatzstoffe sehr teuer in ihrer Anwendung ist. Zudem treten Probleme mit dem Ausblasen der zähflüssigen Lava aus tiefen Löchern auf. Auch Lichtbögen und Plasmaerzeuger wurden bereits für die Bearbeitung oder Zerstörung von Stein oder Beton vorgeschlagen, ihre industrielle Anwendung ist aber nicht bekannt.

Ein DC-Plasmaerzeuger mit nicht übertragenem Lichtbogen ist ein Gerät, bei dem ein Hochstrom-Lichtbogen zwischen einer Wolframkatode und einer düsenförmigen, wassergekühlten Kupfer­ anode gezündet wird. Diesem wird ein Gasstrom überlagert, der leistungs- und plasmagsabhängig auf Temperaturen bis weit über 10.000 K aufgeheizt und durch die Ausdehnung auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt wird und die Düse als stromfreier Plasmafreistrahl verläßt. Die Anwendung eines solchen Plasmaerzeugers ist für das Schneiden elektrisch nicht leitender Materialien erforderlich, da diese nicht - wie sonst beim Plasmaschneiden von Metallen mit übertragenem Lichtbogen (zwischen der Katode und dem Werkstück) üblich - als Gegenelektrode verwendet werden können. Die übertragene Wärmemenge reicht aus, um fast alle Materialien, auch mit hoher Schmelztemperatur und Dichte aufzu­ schmelzen und die Plasmageschwin­ digkeit kann bei entsprechendem Düsen­ design (Laval-Düsen) Überschall­ geschwindigkeit erreichen, was für das Ausblasen der Lava von Bedeutung ist.

Im US-Patent 3,788,703 (1974) beschrieb M. THORPE eine Methode und Vorrichtung zum Schmelzen von Fels im Tunnelbau, wo zwei DC-Plasmaerzeuger mit separaten Stromversorgungen dazu benutzt werden, Fels dadurch zu schmelzen, daß ein Stromkreis, bestehend aus den beiden Plasmastrahlen und der Schmelze, geschlossen wird, nachdem ein einzelner Brenner dazu benutzt wurde, einen dünnen Lavafilm aufzuschmelzen, der Schmelzprozess also quasi mit übertragenem Lichtbogen erfolgt. Ein Kaltgas- oder Flüssigkeitsstrom diente zum Abschrecken und Ausblasen des geschmolzenen Materiales.

SHIPAI et. al. patentierten 1981 (US-Patent 4,301,352) ein Gerät zum Oberflächen- Schmelzbehandeln für künstliche Steine, bei dem das Schmelzen durch einen Lichtbogen realisiert wurde, der zwischen zwei rotierenden Trommelelektroden parallel zur Oberfläche geführt wurde.

1988 wendete die japanische Firma MAEDA Construction Corp. ein Verfahren an, bei dem Stahlbeton dadurch zerstört wurde, daß die Stahlbewehrung innerhalb des Betons durch hohen elektrischen Strom stark erwärmt wurde, was thermische Spannungen zur Folge hatte, die das Werkstück zerstörten.

J. JUREWICZ ließ 1993 eine Methode zur Oberflächenbehandlung von Granit patentieren (US-Patent 5,211,156) bei der ein DC-Plasmaerzeuger sehr schnell über die zu behandelnde Oberfläche geführt wurde. Ein nachfolgender Wasserstrahl schreckte diese Bereiche schlagartig ab, und die resultierenden thermischen Spannungen führten zum schuppenartigen Abplatzen einer dünnen Oberflächenschicht.

MURAKAMI (japanisches Patent 07062899 und US-Patent 5,532,449) schlug 1995 die Anwendung einer Dummyelektrode unmittelbar auf der zu schmelzenden Betonoberfläche vor, die als Gegenelektrode für einen Lichtbogen diente. Das Plasma wurde über ein Loch in dieser Elektrode auf das zu schmelzende Material übertragen. Derselbe Autor entwickelte 1996 ein Verfahren, bei dem der Lichtbogen zwischen zwei Elektroden existierte, die dabei aufgeschmolzen wurden und wo das Elektrodenmaterial zusätzlich mit der Lava reagieren sollte (japanisches Patent 08332627).

Ein weiteres spezielles Gerät wurde von TAKEUSHI et. al. 1996 patentiert, bei dem eine Elektrode als kontinuierliches Band in Form einer Hohlelektrode zugeführt und ebenfalls verbraucht wurde. Zusätzlich wurden reaktive Pulver zum Beschleunigen des Schmelzprozesses zugeführt.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Die Erfindung beinhaltet ein neuartiges, flexibles und mobiles, sowie von den Umgebungsbedingungen vollkommen unabhängiges Plasmaschneidsystem für elektrisch nicht leitende Materialien auch mit großer Dichte und für große Tiefen, das einen DC-Plasmaerzeuger mit nicht übertragenem Lichtbogen benutzt, wie er prinzipiell aus der thermischen Beschichtungsindustrie seit langem bekannt ist. Notwendige Modifikationen betreffen lediglich die Zusammensetzung des Arbeitsgases, sowie die Form der Düse und Katode. Es ist Stand der Technik, daß diese Verschleißteile der Vorrichtung bei optimierten Parametern über lange Standzeiten verfügen, relativ billig und innerhalb sehr kurzer Zeit auswechselbar sind.

Der von diesem Plasmaerzeuger generierte, stromfreie Plasmastrahl ist bei entsprechender Leistung in der Lage, jedes elektrisch nicht leitfähige Material aufzuschmelzen und zu trennen, unabhängig von eventuellen Materialkom­ binationen und Bewehrungen. Außer den Elektroden und Arbeitsgasen geschieht das ohne zusätzliche Hilfsstoffe oder Substanzen.

Dabei ist es auf Grund der spezifischen Werkstoffeigenschaften oft nicht erforderlich, das zu trennende Werkstück vollständig zu durchtrennen, sondern es können erfindungsgemäß andere zerstörende Kräfte, wie die Bildung von Makrorissen durch thermische Spannungen oder das im Werkstück verdampfende Wasser ausgenutzt werden, was die Geschwindigkeit des Schneidens bzw. Trennens erhöht und den Aufwand dazu senkt.

Der Prozess läuft nahezu erschütterungsfrei ab, die Entwicklung von umwelt­ gefährdenden Rauchgasen und großen Mengen an Staub wird unterbunden.

Das Trennen kann mit entsprechend hohen Leistungen schnell und kostengünstig bei einer Vielzahl von Materialien auch großer Dicke angewendet werden, wobei der Wechsel des Materials innerhalb eines Werkstückes oder die Art und der Grad einer eventuellen Bewehrung keine Probleme bereiten.

Stahlbewehrung wirkt sich sogar positiv auf den Schneidprozess aus, da flüssiges Eisen die Viskosität der Schmelze reduziert und somit das Ausblasen der schmelzflüssigen Lava vereinfacht.

Die erfindungsgemäße Methode des thermischen Trennens und die hierfür beschriebene Vorrichtung ist hauptsächlich als Ergänzung bzw. Alternative zu herkömmlichen Abbruchverfahren der Bauindustrie gedacht, also hauptsächlich auf das Trennen von Baumaterialien, vorzugsweise Stahlbeton gerichtet.

Dabei ist es das Ziel, den Trennvorgang ortsunabhängig und unabhängig von den Umgebungsbedingungen und dem zu schneidenden Material in einem Arbeitsschritt durchzuführen. Die Anzahl der dabei zu kontrollierenden Parameter (Strom, Spannung, Gasdurchsatz Kühlwasser und Vorschub) ist gering, das Verfahren läßt sich per Hand oder vollständig automatisiert anwenden.

BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Abb. 1 zeigt das Schema der Vorrichtung gemäß dieser Erfindung

Abb. 2 beschreibt detaillierter den DC- Plasmaerzeuger und illustriert das kontinuierliche Schmelzen von durch­ gehenden Fugen bzw. nicht durchgehenden Furchen

Abb. 3 verdeutlicht die Zerstörung eines Werkstückes durch das Schmelzen perforationsartiger Löcher und die Ausnutzung von thermischen Spannungen zur Zerstörung der Zwischenräume

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VORRICHTUNG UND ERKLÄRUNG DER METHODE

Ein kompaktes Blockheizkraftwerk, bestehend aus Treibstofftank (1), Verbrennungsmotor (2) und Generator (3) liefert die elektrische Energie der Vorrichtung, die einer Gleichstrom­ versorgung (4) zugeführt wird. Diese liefert Strom und Spannung zur Generierung eines Hochstrombogens (12) zwischen der Katode (13) und der düsenförmigen Anode (14) des DC- Plasmaerzeugers (7). Das Prozessgas wird aus einem Tanksystem (5) zugeführt und dem Lichtbogen überlagert. Er tritt als stromfreier Plasmastrahl (10) mit hoher Temperatur und Geschwindigkeit aus der Düse (14) aus. Der Plasmaerzeuger (7) bildet - optional gemeinsam mit einem herkömmlichen Gasbrenner (in den Abbildungen nicht gesondert dargestellt) -, dem Handling- und Bewegungssystem (9) und der Kontrolleinheit (8) die sogenannte UNIT II, die direkt vor dem zu trennenden Werkstück angeordnet wird.

Sie ist über Leitungen mit UNIT I verbunden, auf der alle anderen Komponenten auf einer transportablen Palette montiert sind, so daß die Vorrichtung vollkommen unabhängig von den Umgebungsbedingungen operieren kann (Bild 1).

Nach dem Zünden des Lichtbogens und der Einstellung der notwendigen Parameter kann das Trennen des Werkstückes nach folgenden Methoden erfolgen:

• a) Der Plasmastrahl wird an einer Kante oder in einem durchgehenden Loch angesetzt und beginnt sofort das Material zu schmelzen. Ist ein durchgehender Schneidspalt (15) vorhanden, kann der Plasmaerzeuger kontinuierlich in eine beliebige Richtung bewegt und das Material so getrennt werden. Die Geschwindigkeit des Schnittes ist abhänhig von der Art des Materiales und seiner Dicke und kann über die Leistung des Plasmerzeugers leicht gesteuert werden. Das geschmolzene Material wird - optional mit Unterstützung eines nachgeführten, herkömmlichen Gasbrenners - auf der dem Plasmaerzeuger abgewandten Seite des Werkstückes ausgeblasen.
  Die Breite einer Schneidfuge liegt üblicherweise im Bereich des vier- bis achtfachendes Düsendurchmessers des Plasmaerzeugers. Diese Methode kann für alle Materialien, in beliebigen Kombinationen, mit und ohne Bewehrung angewendet werden (Bild 2).
• b) In einigen Fällen ist es nicht erforderlich, das Werkstück vollständig zu durchtrennen.
  Ähnlich wie nach Methode (a) erfolgt auch hier das Aufschmelzen des Werkstückes kontinuierlich und mit beliebiger Geometrie, allerdings nicht in einem durch die gesamte Dicke gehenden Schnitt, sondern in Form einer Furche (16) bis zu einer gewissen Tiefe des Werkstückes, üblicherweise bis zur Mitte. Für die Zerstörung des verbleibenden Teiles reichen gewöhnlich die durch die thermischen Spannungen verursachten Makrorisse (17) aus.
  Diese Methode kann besonders für Materialien ohne Bewehrung angewendet werden und ist durch eine höhere Geschwindigkeit und damit durch geringeren Energie- und Gasverbrauch gekennzeichnet.
  Da der Plasmastrahl in der Fuge entgegen der Schnittrichtung abgelenkt wird, was mit einem Verlust an Energie einhergeht, ist für die Varianten (a) und (b) ein Anstellen des Plasmaerzeugers in einem Winkel entgegen dieser Ablenkung vorteilhaft.
• c) Entlang einer vorzugsweise waagerechten oder senkrechten Linie werden in regelmäßigen Abständen Löcher, ähnlich einer Perforierung teilweise oder vollständig in das Material geschmolzen. Abhängig von Art und Dicke des Werkstückes, sowie von der Menge und Dauer des Wärmeeintrages kann der Abstand so gewählt werden, daß die Bereiche zwischen den einzelnen Löchern durch thermische Spannungen zerrissen werden.
  Durch die günstigen Bedingungen des senkrechten Wärmeübergangs und der Prallströmung ist das thermische Bohren wesentlich schneller zu realisieren, als das kontinuierliche Schneiden. Auch diese Methode ist vorzugsweise für Materialien ohne Bewehrung geeignet (Abb. 3).

Claims (5)

1. Ein mobiles Plasmaschneidsystem für elektrisch nicht leitende Materialien, das die kompletten Vorrichtungen zur Versorgung mit elektrischer Energie und Arbeitsgas, zur Kühlung und Handhabung eines DC-Plasmabrenners mit nicht übertragenem Lichtbogen und eines zusätzlichen Gasbrenners enthält, um das System vollständig unabhängig von den Umgebungsbedingungen betreiben zu können.

2. Das Schneiden von Fels, natürlichem oder künstlichem Stein und speziell von Beton mit und ohne Bewehrung mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 durch das kontinuierliche Schmelzen eines Schneidspaltes entlang einer vorgegebenen Linie, unabhängig von deren Form oder Richtung.

3. Das Trennen von Materialien gemäß Anspruch 2 mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch realisiert, daß das Material entlang einer Linie nicht vollständig durchtrennt wird, sondern lediglich eine Furche geschmolzen und der Rest des Materiales durch Makrorisse, verursacht von thermischen Spannungen, zerstört wird.

4. Das Forcieren des Ausblasens der Lava beim Trennen nach Anspruch 2 und 3 durch die Ausnutzung der thermischen und kinetischen Energie eines nachgeführten, herkömmlichen Gasbrenners.

5. Das Trennen von Materialien, gemäß Anspruch 2 mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch realisiert, daß entlang einer Linie in regelmäßigen Abständen Löcher teilweise in oder vollständig durch das Material geschmolzen werden und zum Zerstören der Zwischenräume Makrorisse, verursacht von thermischen Spannungen ausgenutzt werden.