CN102699553B

CN102699553B - 一种水下柔性切割材料的制备方法

Info

Publication number: CN102699553B
Application number: CN201210008963.7A
Authority: CN
Inventors: 柳吉兰; 衣衍亮
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2015-02-11
Anticipated expiration: 2032-01-12
Also published as: CN102699553A

Abstract

本发明公开了一种水下柔性切割材料的制备方法，步骤1、混料搅拌机将Al粉、Fe粉、Cu₂O粉、CuO粉和稀土铈制成粉芯材料，步骤2、通过多功能粉芯丝材成型机，采用多辊连续轧制和多道连续拔丝减径方法制造得切割丝材；步骤3、制备复合金属带，即采用锻压工艺制备成厚度为0.8mm的铁-铜-铁的复合金属带；步骤4、再将复合金属带缠绕在多根切割丝材上，制备成具有中空结构的切割材料，在切割管材外侧有一层绝缘层，是由一种聚乙烯胶带缠绕在切割管材外侧而形成。该材料用于水下环境钢结构及钢筋混凝土的快速切割和拆装，无需切割燃气和切割电源，切割效率高，切割对象范围广，携带方便、安全，操作简单且成本低。

Description

一种水下柔性切割材料的制备方法

技术领域

本发明属于用于水下柔性切割的金属材料切割技术领域，涉及一种水下柔性切割材料及其制备方法。

背景技术

21世纪是海洋的世纪，随着海洋的开发，大量的海上建筑被建造，同时，也必将造成大量的废旧码头、废弃钻井平台等水下建筑需要被拆除，为航海清除障碍。而这些水下建筑破障的难点在于水下部分结构只能在水下拆除，而且这些水下建筑具有钢筋混凝土结构，也增加了拆除的难度。

现在，拆除水下金属结构和钢筋混凝土结构主要采用水下切割技术，目前常用的水下切割技术有氧-可燃气切割、水下氧-弧切割、金属-电弧切割、水下机械切割、水射流切割、水下等离子切割、***切割等。氧-可燃气切割不适宜于切割耐腐蚀钢、不锈钢、铸铁和除钛以外的有色金属，水下氧-弧切割、金属-电弧切割、水下机械切割、水射流切割、水下等离子切割都需要带电作业，存在安全隐患，而且水射流切割、水下等离子切割所需要的设备较为复杂，设备造价昂贵、庞大不易便携，而***切割危险性较大。

专利申请CN201010536018.5公开了一种手工快速切割材料，一种手工快速切割材料，其特征在于：由外部的切割管材和内部的多根切割丝材组成的中空管状结构，其中所述切割管材是采用锻压工艺制备而成的钢管，钢管内外采用电镀工艺各镀有0.1mm厚的镀铜层；所述切割丝材长度与切割管材相同，由外皮和粉芯组成，所述外皮为低碳钢08F钢带，其化学组成为：以重量百分比计，C 0.05％～0.11％，Si≤0.03％，Mn 0.25％～0.50％，P≤0.035％，S≤0.035％，Ni≤0.25％，Cr≤0.10％，其余为铁和不可避免的杂质；所述粉芯以重量百分比计，组成为CuO粉2～8％，稀土铈0.4～2％，余量为铁粉。但是，该手工快速切割材料的粉芯组分及组分含量只适合在空气中进行切割，其放热合金CuO和Fe在氧气中燃烧放出的热量远远不够支持切割材料在水中持续不断的燃烧，从而无法满足其在水下进行切割。

因此，亟需在研究电弧引燃放热合金材料产生高能量原理的基础上，开发一种无需切割燃气和切割电源，切割速度快，安全，携带方便、操作简单且成本低的水下切割材料，用于水下环境钢结构及钢筋混凝土的快速切割和拆装。

发明内容

本发明针对现有各种水下切割技术的缺陷，利用放热材料在氧气中的燃烧特性，提供一种无需切割燃气和切割电源，切割效率高，切割对象范围广，携带方便、安全，操作简单且成本低的水下柔性切割材料及其制备方法，用于水下金属和钢筋混凝土的快速切割和破解。

本发明的技术方案是：一种水下柔性切割材料的制备方法，其特征在于：

步骤1、混料搅拌机将Al粉、Fe粉、Cu₂O粉、CuO粉和稀土铈按以重量百分比计，组成为Cu₂O粉3～20％，CuO粉5～25％，Al粉2～10％，稀土铈1～7％，余量为Fe粉的配比混合均匀，并准备好SPCC-SD型冷轧钢带，其化学成分为：以重量百分比计，C≤0.15％，Mn≤0.60％，P≤0.1％，S≤0.025％，其余为铁和不可避免的杂质；

步骤2、通过多功能粉芯丝材成型机，采用多辊连续轧制和多道连续拔丝减径方法制造，经过裁带、轧带、填粉、封口、拔丝、校直和剪切工序，即得切割丝材；

步骤3、制备复合金属带，即采用锻压工艺制备成厚度为0.8mm的铁-铜-铁的复合金属带，再进行镀铜，镀铜流程为丙酮除油-水洗-7％稀盐酸除锈-水洗-电镀镍打底-水洗-镀铜-水洗-吹干；

步骤4、再将复合金属带缠绕在多根切割丝材上构成切割材料外部的切割管材，所述切割丝材沿外部的切割管材内壁均布，并在切割管材中心位置形成中空结构；在切割管材外侧有一层绝缘层，是由一种聚乙烯胶带缠绕在切割管材外侧而形成。

进一步地，步骤3中，将铁带、铜带、铁带按顺序叠放，其厚度比例为3∶2∶3然后采用锻压方法制备而成。

进一步地，步骤3中的复合金属带为中间部分厚、边缘部分薄的结构；复合金属带缠绕过程中，边缘相互重叠，边缘重叠之后的厚度与复合金属带中间部分的厚度一致，从而使得缠绕切割丝材后形成的切割管材的外表面平滑。

进一步地，其特征在于：步骤3中，镀铜液成分为：CuSO₄ 40g/L，H₂SO4 30ml/L，镀铜厚度为0.1mm。

进一步地，切割管材能制成直管或制成弯管。

进一步地，制备丝材的速度为40-120m/min，校直速度约为5-22m/min。

进一步地，步骤4中，为了在切割管材中心位置形成中空结构，可先在中心位置处***一根多余的切割丝材，在缠绕外部复合金属带后，再将中心位置多余的一根切割丝材抽出。

进一步地，步骤1中用F08钢带代替SPCC-SD型冷轧钢带，低碳钢F08钢带化学组成为：以重量百分比计，C 0.05％～0.11％，Si≤0.03％，Mn 0.25％～0.50％，P≤0.035％，S≤0.035％，Ni≤0.25％，Cr≤0.10％，其余为铁和不可避免的杂质。

本发明的有益效果是：

1)便携性，整个***主要有引弧电源、工业氧气瓶、切割枪等，切割过程中，蓄电池引弧电源、工业氧气瓶处在水面以上，操作人员只需要携带切割枪和切割材料在水下工作，单人就可以携带，不必像机械切割、等离子切割等需要复杂笨重的设备；

2)不需要切割电源和切割燃气，只需要在水下引燃切割材料就可以断开引弧电源，借助氧气助燃作用，利用切割材料燃烧自身放出的热量支持水下柔性切割材料进一步持续燃烧对工件进行切割，不需要切割电源和切割燃气；

3)安全性高，该方法在切割过程中不需要切割电源，所用的引弧电源也为24V的蓄电池，在水下不会对操作人员造成危害，安全性高；

4)由于切割管材为复合金属带绕制而成，其可盘绕为捆状，长度可扩展为几米或几十米，在水下作业时候，可将盘绕的切割材料不断送入切割枪，从而避免了频繁更换切割材料带来的不便。

5)将切割材料制作为中空的结构，能够使得通入的燃气均匀供给切割丝材，保证了燃烧过程的稳定性，防止局部丝料燃烧过度带来的不利影响。

6)切割效率高，柔性切割材料燃烧可以达到5000℃以上的高温，切割效率是氧-可燃气体切割的8-20倍，具有较高的切割速度，切割效率高。

7)切割对象范围广，水下柔性切割材料是利用材料燃烧本身放出的热量支持切割材料进一步持续燃烧，因此，不像氧-乙炔火焰那样受所切割对象材料成分的限制，可以切割所有金属材料，也可以切割混凝土、砖或岩石等非金属材料，切割对象范围广。

8)成本低，该水下柔性切割材料不需要复杂的设备，所用的材料成分主要为铁，因此，制造成本较低。

9)复合金属带采用中间部分厚、边缘部分薄的结构，使得切割材料外表光滑，且不容易漏气。

附图说明

附图1是水下柔性切割材料示意图；

附图2是水下柔性切割材料的横截面示意图；

附图3是水下柔性切割***的示意图；

附图4是规格1的水下柔性切割材料的横截面示意图；

附图5是规格2的水下柔性切割材料的横截面示意图；

附图6是规格3的水下柔性切割材料的横截面示意图；

附图7是复合金属带的平面示意图。

其中，1-切割管材；2-切割丝材；3-丝材外皮；4-绝缘层；5-闸刀开关；6-24V蓄电池引弧电源；7-导线；8-铜引弧板；9-碳纤维消防氧气瓶；10-切割工件；11-水下柔性切割材料；12-切割枪；13-氧气气路；

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明：

试验发现，在水下柔性切割材料的切割丝材的制备过程中，制备丝材的速度为10-30m/min，如果制丝速度慢了，效率低，制丝速度快了，容易拉断丝材。丝材校直在丝材校直机上进行，校直速度约为5-22m/min；如果校直速度慢了，校直效率低，校直速度快了，丝材校直达不到要求，影响与切割管材的装配。

另外，本发明中切割丝材中Cu₂O粉和CuO粉的加入，是为了利用Cu₂O粉和CuO粉与铝、铁反应放出大量热量，支持在水下切割的顺利进行。当Cu₂O粉重量百分比小于3％，CuO粉重量百分比小于5％时，放出的热量少，切割速度较小，而当Cu₂O粉重量百分比大于20％，CuO粉重量百分比大于25％时，反应剧烈，燃烧速度过快，不容易控制。Cu₂O粉和CuO粉的同时加入可以使得反应过程平稳、持续，水下切割过程也比较平稳。Al粉的加入是因为铝与Cu₂O粉和CuO粉反应放出大量热量，其含量范围是由Cu₂O粉和CuO粉的含量决定的。

稀土铈的加入可以提高切割材料的燃烧效率，促进切割材料在氧气中充分燃烧。当稀土铈重量百分比小于1％时，对燃烧效率的提高作用很小，在1～7％范围内，随着稀土铈重量比的增大，对燃烧效率的提高也越来越大，但超过7％，对燃烧效率的提高与7％的相比变化不大，而稀土铈价格较高，为了节约成本，选为1～7％。

切割管材与切割丝材的装配有尺寸配合要求，不然会造成切割管材与切割丝材燃烧的不同步，我们得出的规律是切割丝材的直径与切割管材的壁厚之比范围在2.1～3之间，燃烧同步性较好。这样，采用不同规格的管材，内装直径、根数不一样的切割丝材，可以装配成不同尺寸的柔性切割材料，进行切割。下面是具体的几种柔性切割材料的尺寸规格：

规格1：制备出具有铜-铁-铜三层结构的复合管材。管材总的壁厚约为0.9mm；内径5.2mm，外径7mm，制备的切割管材长约为600mm。

切割丝材直径为2.4mm，长约为600mm，共3根装配在切割管材中。

规格2：制备出具有铜-铁-铜三层结构的复合管材。管材总的壁厚约为1mm；内径6.6mm，外径8.6mm，制备的切割管材长约为600mm。

切割丝材直径为2.4mm，长约为600mm，共5根装配在切割管材中。

规格3：制备出具有铜-铁-铜三层结构的复合管材。管材总的壁厚约为1mm；内径8mm，外径10mm，制备的切割管材长约为600mm。

切割丝材直径为2.4mm，长约为600mm，共7根装配在切割管材中。

经过试验研究发现，所述切割丝材的直径与切割管材的壁厚之比范围在2.1～3，可达到较好的燃烧效果。

根据工程应用的不同需求，可以采用不同的重量百分比粉芯加工切割材料，例如：

实施例1

步骤4、再将复合金属带缠绕在多根切割丝材上构成切割材料外部的切割管材，所述切割丝材沿外部的切割管材内壁均布，并在切割管材中心位置形成中空结构。

其中，在制备复合金属带时，将铁带、铜带、铁带按顺序叠放，其厚度比例为3：2∶3然后采用锻压方法制备而成；复合金属带为中间部分厚、边缘部分薄的结构；复合金属带缠绕过程中，边缘相互重叠，边缘重叠之后的厚度与复合金属带中间部分的厚度一致，从而使得缠绕切割丝材后形成的切割管材的外表面平滑。

镀铜液成分为：CuSO4 40g/L，H2SO4 30ml/L，镀铜层厚度为0.1mm。通过该方法的切割管材能制成直管或制成弯管。

另外，在步骤1中，可以用F08钢带代替SPCC-SD型冷轧钢带，低碳钢F08钢带化学组成为：以重量百分比计，C 0.05％～0.11％，Si≤0.03％，Mn 0.25％～0.50％，P≤0.035％，S≤0.035％，Ni≤0.25％，Cr≤0.10％，其余为铁和不可避免的杂质。

步骤4中，为了在切割管材中心位置形成中空结构，可先在中心位置处***一根多余的切割丝材，在缠绕外部复合金属带后，再将中心位置多余的一根切割丝材抽出。

表1

粉芯成分	重量百分比％
		Cu₂O粉	3％
CuO粉	5％
		铝粉	10％
稀土铈	1％
		铁粉	余量

采用上述方法制备而成的水下柔性切割材料，对在水深1米处厚20mm的45#钢板进行切割试验，切割速度为0.6mm/s。

实施例2

本实施方式与实施例1不同的是：将将Al粉、Fe粉、Cu₂O粉、CuO粉和稀土铈按如表2所示的含量配比混合均匀，将5根切割丝材通过复合金属带缠绕，制备丝材速度为约30m/min，校直速度约为22m/min。

表2

粉芯成分	重量百分比％
		Cu₂O粉	20％
CuO粉	5％
		铝粉	5％
稀土铈	7％
		铁粉	余量

采用上述方法制备而成的水下柔性切割材料，对在水深1米处厚20mm的45#钢板进行切割试验，切割速度为1.4mm/s。

实施例3

本实施方式与实施例1不同的是：将将Al粉、Fe粉、Cu₂O粉、CuO粉和稀土铈按如表3所示的含量配比混合均匀将5根切割丝材通过复合金属带缠绕，制备丝材速度为约80m/min，校直速度约为18m/min。

采用上述方法制备而成的水下柔性切割材料，对在水深1米处厚20mm的45#钢板进行切割试验，切割速度为2.5mm/s。

本发明的材料可以应用于水下金属材料或非金属材料的切割；通常非金属材料可以为混凝土、砖或岩石。

在工程实践中，水下切割材料需要利用切割***来完成切割过程，切割***包括引弧***、供气***、切割枪三大部分，引弧***由闸刀开关5、24V蓄电池引弧电源6、导线7、铜引弧板8组成，其作用是为水下柔性切割材料11引燃电弧，水下柔性切割材料11稳定燃烧后就可以断开闸刀开关5，从而断开引弧电源6；

供气***由碳纤维消防氧气瓶9和氧气气路13组成，其作用是为切割枪12提供氧气，维持切割材料11进一步持续燃烧，并清除切割工件10的熔渣；切割枪12通过氧气气路13与碳纤维消防氧气瓶9相连，通过导线7与引弧电源6相连，并夹持切割材料11对工件10进行切割。

表3

粉芯成分	重量百分比％
		Cu₂O粉	10％
CuO粉	25％
		铝粉	2％
稀土铈	7％
		铁粉	余量

其工作过程为，首先，做好切割前的准备工作，联接好***各部件，引弧电源6两极分别接切割枪12和铜引弧板8(正负皆可)，闸刀开关5处于断开状态，引弧电源6和碳纤维消防氧气瓶9始终处在水位线以上；其次，要进行水下切割，切割枪12、工件10、铜引弧板8全在水位线以下，岸上的工作人员关闭闸刀开关5，水下切割的操作人员手持夹持水下柔性切割材料11的切割枪12，并轻按切割枪12上的氧气流量控制阀送出氧气，将切割材料11端部和铜引弧板8接触并划动，引燃电弧，待电弧燃烧稳定后，岸上工作人员断开闸刀开关5，而水下操作人员将切割材料11端部移到工件10处进行切割；最后，切割完成后，拆卸各个部件，装在工具箱中。

Claims

1.一种水下柔性切割材料的制备方法，其特征在于：

步骤1、混料搅拌机将Al粉、Fe粉、Cu₂O粉、CuO粉和稀土铈按以重量百分比计，组成为Cu₂O粉3～20％，CuO粉5～25％，Al粉2～10％，稀土铈1～7％，余量为Fe粉的配比混合均匀，并准备好SPCC-SD型冷轧钢带，其化学成分为：以重量百分比计，C≤0.15％，Mn≤0.60％，P≤0.1％，S≤0.025％，其余为Fe和不可避免的杂质；

步骤3、制备复合金属带，即采用锻压工艺制备成厚度为0.8mm的铁-铜-铁的复合金属带，再进行镀铜，镀铜流程为丙酮除油-水洗-7％稀盐酸除锈-水洗-电镀镍打底-水洗-镀铜-水洗-吹干；复合金属带为中间部分厚、边缘部分薄的结构；复合金属带缠绕过程中，边缘相互重叠，边缘重叠之后的厚度与复合金属带中间部分的厚度一致，从而使得缠绕切割丝材后形成的切割管材的外表面平滑；

步骤4、再将复合金属带缠绕在多根切割丝材上构成切割材料外部的切割管材，所述切割丝材沿外部的切割管材内壁均布，并在切割管材中心位置形成中空结构；在切割管材外侧有一层绝缘层，是由一种聚乙烯胶带缠绕在切割管材外侧而形成，为了在切割管材中心位置形成中空结构，先在中心位置处***一根多余的切割丝材，在缠绕外部复合金属带后，再将中心位置多余的一根切割丝材抽出；

其中，步骤3中，将铁带、铜带、铁带按顺序叠放，其厚度比例为3：2：3，然后采用锻压方法制备而成。

2.一种如权利要求1所述的水下柔性切割材料的制备方法，其特征在于：步骤3中，镀铜液成分为：CuSO₄40g/L，H₂SO₄30ml/L，镀铜厚度为0.1mm。

3.一种如权利要求1所述的水下柔性切割材料的制备方法，其特征在于：切割管材能制成直管或制成弯管。

4.一种如权利要求1所述的水下柔性切割材料的制备方法，其特征在于：制备丝材的速度为40-120m/min，校直速度为5-22m/min。

5.一种如权利要求1所述的水下柔性切割材料的制备方法，其特征在于：步骤1中用低碳钢F08钢带代替SPCC-SD型冷轧钢带，低碳钢F08钢带化学组成为：以重量百分比计，C0.05％～0.11％，Si≤0.03％，Mn0.25％～0.50％，P≤0.035％，S≤0.035％，Ni≤0.25％，Cr≤0.10％，其余为Fe和不可避免的杂质。