Application of waterjet in stone qu

Application of waterjet in stone quarrying and processing
Raimondo Ciccu*, University of Cagliari, Italy
(*) Corresponding Author’s Address: University of Cagliari, DICAAR - Dept of Civil and Environmental
Engineering, Piazza d’Armi, 09123 Cagliari, Italy, Phone: [phone] , fax: [phone], e-mail:
[e-mail]
ABSTRACT
The power of a jet issued at high velocity can be properly exploited for a number of applications in
stone engineering. In the quarry the interest is limited to particular situations like the underground
extraction of granite block or in sandstone operations, whereas for marble the dominant technologies
are those based on diamond tools. Abrasive waterjet is currently used for contour cutting of stone
slabs where flexibility and accuracy are of a major concern. Finally waterjet, either plain or abrasive
laden, lends itself to surface finishing for which it proved to be superior to other rustic methods like
bush hammering and flaming. The paper refers on the contribution to the scientific knowledge and to
the development of waterjet technology in the field of stone at the University of Cagliari
Keywords: Stone, Extraction, Cutting, Surface finishing,
1. INTRODUCTION
High Velocity Waterjet can be regarded as one of
the major advances in the field of material
disintegration. Thanks to its inherent flexibility
and efficiency, the application has been rapidly
extended to many branches of industry for
working almost any kind of materials, from soft to
very hard ones.
As regards rock engineering, hydraulic energy
was first used for excavating soft rocks using low
pressure monitors. With the advent of the high
pressure technology also harder rocks have been
made amenable to waterjet treatment, opening a
new era in mining, quarrying, civil engineering,
mineral processing, waste treatment and
reclamation.
At present, waterjet lends itself to a variety of
operations such as excavation, drilling, slotting,
cutting, crushing and cleaning, alone or in
suitable combination with mechanical tools. The
prospects have been recently enhanced by the
development of abrasive jet technology,
especially for precision cutting.
2. WATERJET IN THE QUARRY
The only instance of industrial application of
waterjet in the quarry concerns sandstone, owing
to the very favourable textural characteristics of
this kind of rock. In the Rothbach quarry blocks
are extracted with a series of orthogonal slots
made with a swinging jet lance at a cutting rate of
6.5 m2/h (Figure 1)
Figure 1. The sandstone quarry at Rothbach
(France)
Concerning marble there is no interest in waterjet
since diamond tools (diamond wire and rock
cutter), are by far superior to any competitor on
both technical and economic grounds.
As for granite, blocks are generally extracted in
surface quarries according to bench methods
using different cutting technologies (diamond
wire, explosive splitting and wedge shearing).
In the future, however, the possibility of
developing the excavation underground is
expected to gain increasing popularity for a
number of reasons such as:
· less impact on the environment;
· no need for preliminary overburden removal;
· better overall recovery;
· possibility of working all year round in a
protected ambient;
· economic use of left-out stopes.
The access underground would consist of a large
gateway tunnel, from which production activity
can be developed. The excavation of the
gateway is made difficult by the absence of a
lateral access, since the only free face available
is the front of the advancing tunnel.
All blind slots at the face can be opened with
waterjet according to a regular grid, whose
geometry is dictated by the size of the blocks to
be extracted.
The hidden back face parallel to the front can be
redeemed either by using flat hydraulic jacks
introduced into the waterjet slots or by cutting
with diamond wire with the machine placed at
one side of the drift as shown in Figure 2.
Figure 2. Combination of waterjet and Diamond wire for the tunnel extraction of granite blocks.
The association of waterjet with diamond wire
offers a very interesting solution for mechanised
quarrying, since both are able to work in a
completely automated fashion.
3. CONTOUR CUTTING WITH ABRASIVE
WATERJET
AWJ technology is being increasingly used for
contour cutting of slabs in stone processing
plants, whereas for straight linear cutting
diamond circular blade is faster and cheaper,
especially in the case of thick slabs. A typical
equipment for contour cutting with abrasive
waterjet is shown in figure 3.
3.1. Conventional separation cutting
In separation cutting the jet cuts through a given
slab thickness with only one pass.
For a given machine setting (pressure, nozzle
Figure 3. Waterjet cutting table at the DICAAR
laboratories, University of Cagliari
diameter), experimental evidence has shown that
maximum specific erosion, i.e. the surface cut by
the unit mass of abrasive (cm2/g) achievable at
optimum traverse speed of the nozzle is affected
by some relevant characteristics of the abrasive
used, such as micro-hardness, particle size and
shape, density, as well as by the relative
proportion by volume of solids in water. On the
other hand, specific erosion is also chiefly
influenced by the hardness of the rock,
depending on the operational conditions.
It is worth underlining that the quality of the cut
depends on the traverse velocity of the nozzle
that must be kept slow enough in order to limit
the roughness and waviness due to spreading
and instability of the abrasive flow.
The results of the investigation carried out at the
University of Cagliari show that peak specific
erosion Es (cm2/g) can be expressed as a
function of a global parameter Pm accounting for
the different characteristics of the abrasive as
shown in figure 4 for different materials taken into
consideration, including some rocks.
The structure of Pm is of the general form:
Pm = (Hm)a × (S)b × (r)c × (D)d × (P)e
where:
- Hm is the Knoop hardness [GPa]
- S is the shape factor of the abrasive
particles (dimensionless)
- r is the volumic mass of the abrasive
[g/cm3]
- D is the average particle size [mm]
- P is the proportion of solids in water by
volume [%o]
Figure 4 . Correlation lines of specific erosion as
a function of parameter Pm .
Exponents in the mathematical expression of Pm
have been calculated through a statistical
processing of experimental data by maximising
the correlation coefficient of the linear
relationship:
Es = K× Pm
Where K is a constant typical of each material,
obtained through the same computer procedure.
It was found that:
- exponent “c” and “e” are constant,
irrespective of the material;
- exponent “d” is constant equal to 0.3 except
for ductile materials;
- exponents “a” and “b” and coefficient K are
variable for the different materials.
Attempts have been made to express exponents
“a”, “b” and “d” and coefficient K as a function of
hardness that is believed to be the most
important material parameter capable of
describing its behaviour under the action of
abrasive waterjet.
The following remarks deserve some
consideration:
· An increase in abrasive hardness is always
beneficial, the more for harder materials,
whereas the advantage becomes less
important or even insignificant for softer
ones;
· also the shape factor is favourable, except
for the very hard porphyry rock, but the best
advantages of irregular particle shapes are
now for softer materials while for rocks the
gain is very poor, if any;
· regarding particle size, coarser particles
produce a better performance, although with
a decreasing marginal benefit;
· as for density, heavier abrasives are
increasingly detrimental for all the materials;
· finally, the influence of increasing the
abrasive load into a given volume of water is
always negative concerning the abrasive
efficiency, since specific erosion is inversely
proportional to the square root of the
solids/water ratio in the jet.
Therefore, although the most used abrasive is
garnet, cheaper and more efficient abrasives
should be preferred in particular cases like for
instance copper slag for soft marble.
3.2. Multiple pass strategy
In flat-bed contour cutting with abrasive waterjet,
a separation cut through a thick slab can be
made with multiple passes of the nozzle along
the planned profile at relatively high traverse
velocity. Since the relationship between depth of
kerf and traverse velocity is not a straight linear
one due to a gradual loss of efficiency of the jet, it
turns out that the overall time needed per metre
of cut and thus the unit cost of cutting can be
minimised by resorting to multiple passes. Of
course the quality of the cut surface is also
affected, either favourably or adversely according
to the particular conditions (figure 5).
0,00 R2 = 0,7868
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Parameter Pm
Specific Erosion [cm2/g]
Perspex
Glass
Stainless steel
Marble
Granite
Alluminium
Basalto
Porfido
Results of cutting tests with abrasive waterjet on
a variety of materials clearly demonstrate the
advantages of using multiple passes at high
traverse velocity, consisting in:
· Reduced waviness except for heterogeneous
materials;
· constant cut quality over the entire area at
suitable conditions;
· almost zero trail-back;
· no significant taper;
· good separation cuts on either sides in case
of curved or angled section of the contour
profile;
· slow decrease in the incremental depth per
pass irrespective of the thickness of the
workpiece.
Figure 5. Features of surfaces cut with multi-pass
strategy on Granite (left) and marble (right)
The benefits offered by the concept of multiple
passes are much more important in the case of
complex profiles consisting of curved sections
and including angles, for which a deceleration of
traverse velocity is required in order to avoid the
problems related to trail-back, whereas this
measure is not needed in the case of multiple
passes. Moreover b

Kết quả (Việt) 1:

Các ứng dụng của waterjet trong đá khai thác đá và chế biếnRaimondo Ciccu *, trường đại học của Cagliari, ý(*) Địa chỉ của tác giả tương ứng: trường đại học của Cagliari, DICAAR - phòng dân dụng và môi trườngKỹ thuật, Piazza d'Armi, 09123 Cagliari, ý, điện thoại: + 39 070 675 5557, fax: + 39 070 675 5523, thư điện tử:[e-mail]ÓM TẮTSức mạnh của một máy bay phản lực ban hành tại tốc độ cao có thể được khai thác đúng cho một số ứng dụng trongđá kỹ thuật. Trong các mỏ đá sự quan tâm là giới hạn đối với các tình huống cụ thể như dưới lòng đấtkhai thác của khối đá granite hoặc trong các hoạt động bằng đá sa thạch, trong khi cho đá cẩm thạch công nghệ chủ chốtnhững người dựa trên dụng cụ kim cương. Mài mòn waterjet hiện đang được sử dụng cho đường viền cắt đátấm đó tính linh hoạt và độ chính xác là của mối quan tâm lớn. Cuối cùng waterjet, đồng bằng hoặc mài mònLaden, vay chính nó để mà nó chứng minh là vượt trội so với các phương pháp mộc mạc như dịch vụ hoàn thiện bề mặtTổng thống Bush búa và lửa. Giấy đề cập trên sự đóng góp vào sự hiểu biết khoa học và đểsự phát triển của waterjet công nghệ trong lĩnh vực đá tại Đại học CagliariTừ khóa: Đá, khai thác, cắt, bề mặt khi kết thúc,1. GIỚI THIỆUWaterjet vận tốc cao có thể được coi là một trongnhững tiến bộ lớn trong lĩnh vực vật liệutan rã. Nhờ linh hoạt vốn có của nóvà hiệu quả, các ứng dụng đã nhanh chóngmở rộng đến nhiều ngành của ngành công nghiệp cholàm việc gần như bất kỳ hình thức nào của vật liệu từ mềm đểnhững người rất khó khăn.Đối với đá kỹ thuật, thủy lực năng lượnglần đầu tiên được sử dụng cho đào đá mềm bằng cách sử dụng thấpáp lực màn hình. Với sự ra đời của caoáp lực công nghệ cũng khó hơn đá đãthực hiện amenable để điều trị waterjet, mở mộtkỷ nguyên mới trong khai thác mỏ, mỏ đá lộ thiên, kỹ thuật xây dựng,chế biến khoáng sản, xử lý chất thải vàcải tạo.Hiện nay, waterjet vay chính nó đến một loạt cácCác hoạt động như khai quật, khoan, cắt kiểu đứng,cắt, nghiền và làm sạch, một mình hoặc trongsự kết hợp phù hợp với các dụng cụ cơ khí. Cáckhách hàng tiềm năng mới đã được tăng cường bởi cácphát triển của công nghệ máy bay phản lực mài mòn,đặc biệt là cho chính xác cắt.2. WATERJET TRONG CÁC MỎ ĐÁTrường hợp duy nhất của các ứng dụng công nghiệp củacác mối quan tâm waterjet trong các mỏ đá sa thạch, dođể các đặc điểm bề mặt da rất thuận lợi củaloại đá. Ở Rothbach mỏ đá khốiđược chiết xuất với một loạt các khe trực giaothực hiện với một máy bay phản lực lance đong đưa tốc độ cắt6.5 m2/h (hình 1)Hình 1. Các mỏ đá sa thạch tại Rothbach(Pháp)Liên quan đến đá cẩm thạch có là không quan tâm đến waterjetkể từ dụng cụ kim cương (dây kim cương và đácắt), là của xa tốt hơn bất kỳ đối thủ cạnh tranh trênkinh tế và kỹ thuật Sân vườn.Đối với đá granit, khối thường được chiết xuất trongCác mỏ đá bề mặt theo phương pháp băng ghế dự bịsử dụng công nghệ khác nhau cắt (kim cươngdây, nổ chia tách và nêm chia sẻ).Trong tương lai, Tuy nhiên, khả năngphát triển dưới lòng đất khai quật làdự kiến sẽ được phổ biến ngày càng tăng cho mộtsố các lý do như:· ít tác động đến môi trường;· không cần phải loại bỏ sơ bộ hành;· phục hồi tổng thể tốt hơn;· khả năng làm việc quanh năm trong mộtbảo vệ môi trường xung quanh;· kinh tế sử dụng của trái-out stopes.Dưới lòng đất truy cập sẽ bao gồm một lượng lớncổng đường hầm, từ đó hoạt động sản xuấtcó thể được phát triển. Khai quật của cáccổng được thực hiện khó khăn bởi sự vắng mặt của mộttruy cập bên, kể từ khi chỉ mặt có sẵn miễn phílà mặt trước của đường hầm tiến.Tất cả slots mù tại mặt có thể được mở bằngwaterjet theo một lưới điện thường xuyên, màhình học khiển bởi kích thước của các khối đểđược chiết xuất.Ẩn trở lại mặt song song với mặt trước có thểmua lại hoặc bằng cách sử dụng máy kích thủy lực căn hộgiới thiệu vào các khe waterjet hoặc bằng cách cắtvới dây kim cương với các máy tính đặt tạimột bên của trôi dạt như minh hoạ trong hình 2.Hình 2. Sự kết hợp của waterjet và dây kim cương cho đường hầm khai thác đá granite đúc.Hiệp hội waterjet với dây kim cươngcung cấp một giải pháp rất thú vị cho quânkhai thác đá, kể từ khi cả hai có thể làm việc trong mộtthời trang hoàn toàn tự động.3. ĐƯỜNG VIỀN CẮT VỚI MÀI MÒNWATERJETAWJ công nghệ đang ngày càng được sử dụng chođường viền cắt thiết diện tấm trong chế biến đácây trồng, trong khi cắt thẳng tuyến tínhkim cương tròn lưỡi là nhanh hơn và rẻ hơn,đặc biệt là trong trường hợp của tấm dày. Một điển hìnhthiết bị cắt đường viền với mài mònwaterjet được thể hiện trong hình 3.3.1. thông thường tách cắtỞ tách cắt máy bay phản lực cắt giảm thông qua một nhất địnhxúc xích nhiều độ dày với chỉ có một vượt qua.Cho một cài đặt cho máy (áp lực, vòi phunHình 3. Bàn cắt Waterjet lúc DICAARPhòng thí nghiệm, trường đại học của Cagliariđường kính), bằng chứng thực nghiệm đã chỉ ra rằngtối đa cụ thể xói mòn, tức là bề mặt cắt bởiđơn vị khối lượng của vật liệu mài mòn (cm2/g) thành công tạiđi qua tối ưu tốc độ của các vòi phun bị ảnh hưởngbởi một số đặc điểm có liên quan của vật liệu mài mònđược sử dụng, chẳng hạn như vi-độ cứng, kích thước hạt vàhình dạng, mật độ, cũng như bởi các thân nhântỷ lệ theo khối lượng của chất rắn trong nước. Trên cácmặt khác, cụ thể xói mòn là cũng chủ yếuchịu ảnh hưởng của độ cứng của đá,tùy thuộc vào các điều kiện hoạt động.Đó là giá trị gạch dưới đó chất lượng của việc cắt giảmphụ thuộc vào vận tốc đi qua các vòi phunmà phải được giữ làm chậm đủ để hạn chếgồ ghề và waviness do lây lanvà bất ổn định của dòng chảy mài mòn.Kết quả của việc điều tra thực hiện tại cácTrường đại học của Cagliari Hiển thị cao điểm đó cụ thểxói mòn Es (cm2/g) có thể được biểu thị dưới dạng mộtchức năng của một tham số toàn cầu Pm kế toán choCác đặc tính khác nhau của vật liệu mài mòn nhưHiển thị trong hình 4 cho vật liệu khác nhau đưa vàoxem xét, trong đó có một số đá.Cấu trúc của am là dạng tổng quát:PM = d x (P) e (Hm) một × (S) b × (r) c × (D)ở đâu:-Hm là độ cứng Knoop [GPa]-S là các yếu tố hình dạng của vật liệu mài mònhạt (Newton)-r là khối lượng khối của vật liệu mài mòn[g/cm3]-D là kích thước hạt trung bình [mm]-P là tỷ lệ các chất rắn trong nước bởikhối lượng [%o]Hình 4. Tương quan dòng cụ thể xói mòn nhưmột chức năng của tham số Pm.Số mũ trong biểu thức toán học của AMđã được tính toán thông qua một thống kêxử lý các dữ liệu thử nghiệm bởi maximisingHệ số tương quan của các tuyến tínhmối quan hệ:Es = K × AMK là một hằng số điển hình của mỗi tài liệu,thu được thông qua các thủ tục cùng một máy tính.Nó được tìm thấy rằng:-số mũ "c" và "e" là liên tục,không phân biệt các tài liệu;-số mũ "d" là liên tục bằng 0.3 ngoại trừvật liệu dễ uốn;-số mũ "a" và "b" và hệ số Kbiến cho các tài liệu khác nhau.Nỗ lực đã được thực hiện để nhận số mũ"a", "b" và "d" và hệ số K như là một chức năng củađộ cứng cho là nhiều nhấtquan trọng các tham số vật chất có khả năngMô tả hành vi dưới tác động củamài mòn waterjet.Những nhận xét xứng đáng một sốxem xét:· Sự gia tăng độ cứng mài mòn là luôn luôncó lợi, càng cho vật liệu khó khăn hơn,whereas the advantage becomes lessimportant or even insignificant for softerones;· also the shape factor is favourable, exceptfor the very hard porphyry rock, but the bestadvantages of irregular particle shapes arenow for softer materials while for rocks thegain is very poor, if any;· regarding particle size, coarser particlesproduce a better performance, although witha decreasing marginal benefit;· as for density, heavier abrasives areincreasingly detrimental for all the materials;· finally, the influence of increasing theabrasive load into a given volume of water isalways negative concerning the abrasiveefficiency, since specific erosion is inverselyproportional to the square root of thesolids/water ratio in the jet.Therefore, although the most used abrasive isgarnet, cheaper and more efficient abrasivesshould be preferred in particular cases like forinstance copper slag for soft marble.3.2. Multiple pass strategyIn flat-bed contour cutting with abrasive waterjet,a separation cut through a thick slab can bemade with multiple passes of the nozzle alongthe planned profile at relatively high traversevelocity. Since the relationship between depth ofkerf and traverse velocity is not a straight linearone due to a gradual loss of efficiency of the jet, itturns out that the overall time needed per metreof cut and thus the unit cost of cutting can beminimised by resorting to multiple passes. Ofcourse the quality of the cut surface is alsoaffected, either favourably or adversely accordingto the particular conditions (figure 5).0,00 R2 = 0,78680,200,400,600,801,001,201,401,600 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Parameter PmSpecific Erosion [cm2/g]PerspexGlassStainless steelMarbleGraniteAlluminiumBasaltoPorfidoResults of cutting tests with abrasive waterjet ona variety of materials clearly demonstrate theadvantages of using multiple passes at hightraverse velocity, consisting in:· Reduced waviness except for heterogeneousmaterials;· constant cut quality over the entire area atsuitable conditions;· almost zero trail-back;· no significant taper;· good separation cuts on either sides in caseof curved or angled section of the contourprofile;· slow decrease in the incremental depth perpass irrespective of the thickness of theworkpiece.Figure 5. Features of surfaces cut with multi-passstrategy on Granite (left) and marble (right)The benefits offered by the concept of multiplepasses are much more important in the case ofcomplex profiles consisting of curved sectionsand including angles, for which a deceleration oftraverse velocity is required in order to avoid theproblems related to trail-back, whereas thismeasure is not needed in the case of multiplepasses. Moreover b