Соболев В.В., Шиман Л.Н. Высокоэнергетическая обработка материалов. Сборник научных трудов

Подождите немного. Документ загружается.

Высокоэнергетическая обработка материалов

201

Проведенные расчеты дают значение плотности материала обратной

струи, равное 0,066 кг для стали, 0,0137 кг для меди, 0,020 кг для алюминия и

0,034-0,054 кг для алюминиевых сплавов, соответствующее состоянию плазмы.

Параметры динамического массопереноса в процессе сверхглубоко-

го проникания являются очень чувствительными как к химическому составу

микрочастиц-ударников, так и к размеру ударников, изготовленных из этих

материалов.

На примере электрохимической обработки, сформированных компо-

зиционных материалов при СГП на основе сплава Al+12%Si, показана высо-

кая чувствительность электрохимических свойств макротел к микроизмене-

ниям (менее 1,23%) структуры.

Литература

1. The physics of superdeep penetration phenomenon / J. Owsik, K. Jach,

S. Usherenko, Yu. Usherenko, O. Figovsky, V. Sobolev // Journal of Technical

Physics (Polish Academy of Sciences). – 2008. V.49, №1. – Р. 3–25.

Новые физические эффекты в твердом теле / С.М. Ушеренко,

В.В. Соболев, К.Й. Чой, Ю.С. Ушеренко // Импульсная обработка материа-

лов. – Д.: Национальный горный университет, 2005. – С. 134–144.

Ушеренко С.М. Сверхглубокое проникание частиц в преграды и соз-

дание композиционных материалов. –Минск: НИИ ИП с ОП, 1998. – 210 с.

Usherenko S.M., Koval O.I, Usherenko Yu.S. Estimation of the energy ex-

pended for superdeep penetration // Journal of engineering physics and thermo-

physics. –2004. – V.77, №3/ – P. 641–646.

Usherenko S.M., Korshunov L.G., Koval O.I. Multifactor experiments un-

der superdeep-penetration conditions // Journal of engineering physics and ther-

mophysics. – 2002. – V.75,№6/ – P. 1249–1253.

Usherenko S.M., Koval O.I., Usherenko Yu.S. Formation of high-velocity

microjets in different variants of superdeep penetration // Journal of engineering

physics and thermophysics. – 2003. – V.76,№1. – P. 109–115.

Figovsky O., Usherenko S., Usherenko Yu. Production of the new metal-

composite materials by metod of superdeep penetration // Scientific Israel – tech-

nological advantages. – 2007. – V.9, №1. – Р. 28–32.

Высокоэнергетическая обработка материалов

202

УДК 517.9:621.78:669.14

НЕСТАЦИОНАРНОЕ ПОЛЕ ТЕМПЕРАТУР В МЕТАЛЛЕ

В УСЛОВИЯХ ИМПУЛЬСНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

В.И. Цоцко

, Б.И. Пелешенко

, А.И. Денисенко

Днепропетровский государственный аграрный университет,

ул. Ворошилова, 25, г. Днепропетровск, 49600, Украина

Национальная металлургическая академия Украины, пр. Гагарина, 4

г. Днепропетровск, 49600, Украина

e-mail:

dsaupelesh@mail.ru;

adenysenko@mail.ru

На однородной одномерной модели "металл – подложка", в условиях линейного увели-

чения температуры поверхности металла при фиксированной температуре подложки, ана-

литически исследовано нестационарное поле температур в металле. В качестве импульс-

ного источника энергии, воздействующего на поверхностный слой обрабатываемого ме-

талла, рассматривается электрический ток, пропускаемый через металл.

On homogeneous one-dimensional model "metal – a substrate", in the conditions of linear in-

crease in temperature of a surface of metal at the fixed temperature of a substrate is analytically

investigated the non-stationary field of temperatures in metal. As the pulse energy source influ-

encing a blanket of processed metal is considered the electric current passed through metal.

Введение

В технологиях упрочнения поверхностного слоя металлических изде-

лий, в первую очередь, изготовленных из сталей, и особенно из низкоуглеро-

дистых сталей, первостепенное значение оказывает температурный режим

его обработки.

Использование импульсивных и вибрационных методов обработки по-

зволяет значительно интенсифицировать процесс насыщения поверхности

заданным компонентом. Появляется возможность превышения установлен-

ных верхних пределов нагрева

. Импульсную энергетическую обработку лег-

ко воспроизводить в рамках местного термического воздействия с использо-

ванием газопламенной горелки или косвенной электрической дуги. Однако

характер и существование распределения температур обрабатываемого слоя

в большинстве случаев являются невыясненными.

Фазовые и химические превращения, диффузионные процессы сопряже-

ны с нагревом и имеют строгую температурную детерминированность. Коэф-

фициенты

диффузии определяются экспоненциальной зависимостью от темпе-

ратуры [1] и выявление характера нестационарного температурного поля в по-

Высокоэнергетическая обработка материалов

203

верхностном слое обрабатываемого металла при импульсном энергетическом

воздействии на поверхность является актуальной задачей [2,3].

Чтобы аналитически контролировать динамические процессы теплопе-

редачи при импульсном энергетическом воздействии, обрабатываемый по-

верхностный слой металла необходимо заключать в жесткие граничные тем-

пературные условия. В работе [4] исследовано распределение температуры в

системе "металл – подложка" в условиях линейного увеличения

температуры

на поверхности энергетического воздействия при фиксированной температу-

ре подложки. Отмечено существенное отклонение температурного поля от

равновесного распределения с увеличением скорости нагрева поверхности.

Аналогичные результаты приводятся для данной модели и в условиях перио-

дического энергетического действия на поверхность [5].

Перспектива исследований тепловых полей в системе "металл – под-

ложка" [4,5] связана с применением иных

, альтернативных упомянутым ра-

нее, источников энергетического воздействия на обрабатываемый слой ме-

талла при тех же граничных условиях обработки.

Целью настоящей работы является определение и исследование неста-

ционарного поля температур, формируемого объемным энергетическим дейст-

вием импульса электрического тока в однородном металле в приближении од-

номерной модели "металл – подложка" в условиях линейного

увеличения тем-

пературы поверхности металла и фиксированной температуры подложки.

Решение задачи и анализ результатов

Поставленная задача сводится к решению неоднородного уравнения

теплопроводности, описывающего заданный процесс теплопередачи в метал-

ле с коэффициентом температуропроводности а2 в приближении однородной

одномерной модели конечной длины l, вдоль оси х в течение времени t:

txc

∂∂

, 0 < t ≤ (T

0 max

- T

)/b , 0 < x < l , (1)

удовлетворяющего начальному

() (,0)

Tx T x

−

==−

() (,0)

Tx T

и граничным условиям первого типа [2]

Высокоэнергетическая обработка материалов

204

() (0,)tTtTbt

() (,)

tTltT

. /

() (,)tTltT

где Т – температура, а

– коэффициент температуропроводности исследуемо-

го металла, ω – удельная мощность, выделяемая при прохождении тока, с –

удельная теплоемкость при постоянном объеме и ρ – плотность исследуемого

металла; l – длина образца; T

– начальная и T

0 max

– предельная температура

нагрева поверхности, T

– температура подложки; b – скорость изменения

температуры на рабочей поверхности образца.

Слагаемое

, имеющее смысл скорости изменения температуры в

произвольном микрообъеме образца, за исключением поверхности контакта с

подложкой, однозначно совпадает с параметром b. Коэффициент температу-

ропроводности a

образца в рассматриваемом диапазоне температур прини-

мается постоянным.

Решение задачи будем искать в виде [6]

(,) (,) (,)Txt uxt vxt

где

(,)uxt

– стандартная вспомогательная функция, соответствующая реше-

нию задачи с равновесным распределением температуры в системе,

[]

() ()

1210 0

(,) () () ()

uxt t t t Tbt T Tbt

μμμ

=+ − =++−+

⎡

⎤

⎣

⎦

а v(x,t) – некоторая неизвестная функция, которая имеет смысл отклонения от

(,)uxt

Для функции

(,)vxt уравнение (1) трансформируется в уравнение

(,)

afxt

∂∂

∂

, (2)

где

(,) ;

fxt b a

⎛⎞

∂∂

=− −

⎜⎟

∂∂

⎝⎠

(,) ( )

xt b b b b

=− − =

При этом дополнительные условия функции v(x,t) имеют следующий вид

Высокоэнергетическая обработка материалов

205

000

( ,0) ( ) ( ,0) ( ) 0

xxuxT xTTT

νϕ

−

⎛⎞

=− =− −+−=

⎜⎟

⎝⎠

(0,) () (0,) 0vt tut

−=

(,) () (, ) 0vlt t ult

−=

Т.е. для функции v(x,t) имеем нулевые краевые условия.

Неоднородное уравнение (2) с нулевыми начальными и граничными

условиями имеет решение в виде разложения в ряд Фурье по функциям

sin

⎧⎫

⎨⎬

⎩⎭

, где n = 1, 2, 3,… :

(,) ()sin

vxt v t x

∞

∑

при

() exp ( ) ( ) ( )

vt at f d

ττ

⎛⎞

=− −⋅

⎜⎟

⎝⎠

∫

()

– коэффициенты Фурье разложения функции (,)

xt в ряд Фурье по

переменной х:

(,) ()sin

xt f t x

∞

∑

;

() ( ,)sin

tft d

ξξ

∫

Определим ()

t :

222 2

( ) sin sin cos ( 1)

bnbnbl b

ft d d n

llll lln n

ξπ π

ξξ ξ ξξ π

=⋅ =⋅ =⋅−⋅=−

∫∫

Интеграл

sin cos

ξξ π

=−

∫

берется по частям.

Далее определяем

()

Высокоэнергетическая обработка материалов

206

22 1 22 22

0 0

12222

( ) exp ( ) ( ) ( ) ( 1) exp ( ) exp ( )

(1) exp ( ) exp( ) 1

(1)

t t

nbnn

vt at f d at a d

lnll

bl n n

at at

nna l l

πππ

ττ τ τ

ππ

⎛⎞ ⎛⎞⎛⎞

=− −⋅ =−⋅⋅− ⋅=

⎜⎟ ⎜⎟⎜⎟

⎝⎠ ⎝⎠⎝⎠

⎡⎤

⎛⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞

=− ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ − =

⎜⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎢⎥

⎝⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

⎣⎦

=− ⋅ ⋅

∫∫

1exp ( ) .

na l

⎡⎤

⎛⎞ ⎛ ⎞

⋅⋅− −

⎜⎟ ⎜ ⎟

⎢⎥

⎝⎠ ⎝ ⎠

⎣⎦

Поскольку

(,) ()sin

vxt v t x

∞

∑

то

122

( , ) ( 1) 1 exp ( ) sin( )

()

bl n n

vxt at x

na l l

ππ

∞

⎡⎤

⎛⎞

=−⋅ ⋅⋅− − ⋅

⎜⎟

⎢⎥

⎝⎠

⎣⎦

∑

В итоге получаем

() ()

122

(,)

( 1) 1 exp ( ) sin( ).

()

Txt T bt T T bt

bl n n

at x

na l l

ππ

∞

=++ −+ +⎡⎤

⎣⎦

⎡⎤

⎛⎞

+− ⋅ ⋅⋅− − ⋅

⎜⎟

⎢⎥

⎝⎠

⎣⎦

∑

или

() ()

(,)

( 1) exp ( ) 1 sin( ).

()

Txt T bt T T bt

bl n n

at x

na l l

ππ

∞

=++ −+ +⎡⎤

⎣⎦

⎡⎤

⎛⎞

+−⋅ ⋅⋅ − −⋅

⎜⎟

⎢⎥

⎝⎠

⎣⎦

∑

(3)

Анализируя полученный результат (3) и сравнивая данное решение с

решением подобной задачи, в которой нагрев поверхностного слоя тождест-

венного образца осуществляется с той же скоростью b, но исключительно

только рабочей поверхности, а не системы "поверхность – объем", что дости-

гается источником энергии, локализованным на поверхности образца (на-

пример косвенной электрической дугой), а

не объемным источником (элек-

трическим током), можно отметить, что отклонение температурного поля от

равновесного распределения в случае объемного нагрева выражается как

Высокоэнергетическая обработка материалов

207

32 3

( , ) {exp[ ( ) ] 1}sin( )

bl n n

Txt at x

an l l

ππ

∞

Δ= − −

∑

. (4)

Отклонение температуры в случае объемного нагрева значительно ме-

нее существенно, чем в случае поверхностного, так как задается знакопере-

менным рядом с идентичными членами. Поэтому применение токового про-

грева образца при равноценных граничных условиях обработки дает значи-

тельно более контролируемое температурное поле, чем применение поверх-

ностного прогрева.

Исследования влияния скорости

термообработки на распределение

температуры в образцах из низкоуглеродистой стали показали появление за-

метного отклонения в поверхностном слое образцов при скоростях обработки

≈1000 К/c, что соответствует скоростным и сверхскоростным режимам теп-

лового воздействия, например при лазерной обработке и обработке взрывом.

Полученный результат можно применять и для периодических энерге-

тических воздействий на металлические

и полупроводниковые образцы в

случаях, когда для большей стабилизации и контролируемости температур-

ного поля поверхностного слоя следует переходить от поверхностного к объ-

емному нагреву материалов.

Выводы

В условиях однородной одномерной модели материала конечной дли-

ны l с заданным коэффициентом температуропроводности а

исследовано

поле температур, формируемое в образце при объемном энергетическом дей-

ствии импульса электрического тока. При интенсивности воздействия, харак-

теризуемой скоростью повышения температуры в локальном микрообъеме b,

получено отклонение температуры ΔТ от мгновенного равновесного распре-

деления в зависимости от величины углубления в образец x, а также времени

обработки t:

(,) (1) exp ( ) 1 sin( ).

()

bl n n

Txt at x

na l l

ππ

∞

⎡⎤

⎛⎞

Δ=−⋅⋅⋅− −⋅

⎜⎟

⎢⎥

⎝⎠

⎣⎦

∑

Анализ результата показал уменьшение величины отклонения по срав-

нению с аналогичным режимом обработки при поверхностном энергетиче-

Высокоэнергетическая обработка материалов

208

ском воздействии, что предопределяет его как более перспективный для кон-

троля температурного поля в условиях скоростного (

≈

К/с) и сверхскоро-

стного (

≈10

К/с) режимов термического воздействия.

Литература

1. Бокштейн Б. С. Диффузия в металлах. – М.: Металлургия. – 1978. – 248 с.

2. Упрочнение стальных поверхностей электрической дугой / В.В. Ста-

цура, А.Е. Михеев, А.В. Гирн, С.С. Ивасев // Физика и химия обработки ма-

териалов. – № 2. – 2003. – С. 88-90.

3. Денисенко О.І., Цоцко В.І., Пелешенко

Б.Г. Формування поля темпе-

ратур тонкої стрічки під впливом руху по її поверхні дисперсної фази двофа-

зного струменя // Фізика і хімія твердого тіла. – Т.9,№4. – 2008. – С. 901–904.

4. Цоцко В.И., Денисенко А.И. Температурные характеристики по-

верхностного слоя низкоуглеродистых сталей в условиях линейного нагрева

поверхности. // Вісник Дніпропетровського національного університету. –

№

2/2. – 2004. – С. 72–77.

5. Цоцко В.І., Пелешенко Б.Г., Денисенко О.І. Розподіл температури в

тонких плівках при енергетичній дії на поверхню // Фізика і технологія тон-

ких плівок та наносистем. Матеріали ХІІ Міжнародної конференції. (Івано-

Франківськ: Плай, Прикарпатський національний університет). – Т. 2. – 2009.

– С. 292–293.

6. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики

. –

М.: Наука. – 1972. – 736 с.

Высокоэнергетическая обработка материалов

209

УДК 622.235

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ЭМУЛЬСИОННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ "ЕРА"

С ПРОДУКТАМИ ПЕРЕРАБОТКИ

ТВЕРДОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА

Л.Н. Шиман

Государственное предприятие "Научно-производственное объединение

Павлоградский химический завод", ул. Заводская, 44, г. Павлоград, 514002

е-mail: dirphz@pkhz.dp.ua

Разработанные эмульсионные взрывчатые вещества, содержащие продукты переработки

твердого ракетного топлива, могут использоваться как в патронированном виде, так и при за-

ряжании скважин смесительно-зарядными машинами. Показатели по безопасности при их

изготовлении и применении соответствуют современным требованиям. Установлено, что в

эмульсии добавка продуктов переработки твердого ракетного топлива в количестве до 10%

выполняет

только энергетическую функцию. При этом эксплуатационные характеристики не

ухудшаются, количество образования токсичных продуктов при взрыве не увеличивается.

The developed emulsive explosives, containing the products of processing of hard rocket

fuel, can be used both in a cartridge kind and at loading of mining holes mixer-charge machines.

Indexes on safety at their making and application conform to the modern requirements. It is set

that in emulsion addition of products of hard rocket fuel processing in an amount to 10% exe-

cutes a power function only. Operating descriptions do not get worse thus, the amount of forma-

tion of toxic products at an explosion is not increased.

Введение

Основные технико-экономические задачи предприятий горно- метал-

лургического комплекса заключаются в обеспечении эффективности ведения

буровзрывных работ, конкурентноспособности и снижении себестоимости

конечной продукции. Применение новых энергоемких и экологически безо-

пасных взрывчатых веществ (ВВ), рациональных схем и надежных средств

взрывания, обеспечат не только оперативное управление взрывными работа-

ми в целом, но и

последующих технологических процессов горного произ-

водства. Обеспечение заданных объемов взрывания и увеличения при этом

эффективности работ становится в современных условиях производства не-

возможным при использовании старых технологий, ориентированных глав-

ным образом на взрывчатые вещества, содержащие тротил.

Горнодобывающие страны мира накопили большой опыт в использо-

вании эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ) при

ведении взрывных ра-

бот в условиях карьеров, рудников и шахт [1-4]. В целом, ЭВВ являются

Высокоэнергетическая обработка материалов

210

важным направлением в новой энергично развивающейся категории про-

мышленных ВВ.

На украинском рынке взрывчатых веществ недавно стали применять

современные эмульсионные ВВ отечественного производства (марки "Ук-

раинит", "Анемикс", "ЕРА" и "Эмонит"), которые являются более безопас-

ными при использовании и экологически чистыми, способными разрушать

горные породы любой крепости.

"Украинит-ПП-2Б" и

"Украинит ПМ (ПП-1)" – эмульсионное ВВ пря-

мого эмульсирования разработано Национальным горным университетом со-

вместно с Украинским государственным химико-технологическим универси-

тетом [5]. Для изготовления основного компонента "Украинита" – эмульси-

онной композиции (эмулькома) – на реконструированном пункте "Ингулец-

кий" (ранее производил окислитель для акватола ГЛТ-20) функционирует

промышленная установка.

Эмульсионное ВВ "Анемикс" производится на специальном

оборудо-

вании, изготовленном в США в 2001 г. по технологии компании "ORIKA"

специально для ЗАО "Интервзрывпром" и смонтированном на специальном

участке комбината "Полтавский ГОК". "Анемикс" – промышленное ВВ со-

стоит из двух фаз: эмульсионной (70÷80%) и твердой (гранулированная или

пористая аммиачная селитра).

"Эмониты" представляют собой смесь эмульсии (70%), гранулирован-

ной аммиачной селитры (30%), газогенерирующего реагента (1% сверх

100%). Рецептура разработана в ОАО ППП "Кривбасвзрывпром".

Общей особенностью ЭВВ марки "Украинит", "Анемикс" и "Эмонит"

является относительно высокое содержание воды в их составе: от 13÷15%

(для зарубежных марок ЭВВ) до 17÷19% (для ЭВВ украинского производст-

ва). Очевидно, что удельная энергия, работоспособность и эффективность

применения таких ЭВВ в целом будут возрастать с уменьшением содержания

воды в их составе.

Эмульсионные ВВ марки "ЕРА" разработаны и изготавливаются на ГП

"НПО "Павлоградский химический завод". Эти ЭВВ представляют собой ге-

терогенную систему, состоящую из эмульсионной матрицы, наполненной

аммиачной селитрой, а при необходимости – энергетическими и технологи-

ческими добавками [6]. При этом содержание воды в ЭВВ марки "ЕРА" до

13%. Эмульсионная

матрица, являющаяся основой ЭВВ марки "ЕРА", пред-