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

Подождите немного. Документ загружается.

Высокоэнергетическая обработка материалов

()

нн

−=

, (6)

где

P – давление взрывных газов в т. Чемпена-Жуге;

T – температура взрыв-

ных газов в т. Чемпена-Жуге;

– средняя молярная масса взрывных газов.

Аппроксимируем кривую Гюгонио для взрывных газов

()

PPV= , в со-

ответствии с предложением Л.Д. Ландау и К.П. Станюковича [1], двухполит-

ропным приближением:

P =

нн

P при VVV

P при VV

⎧

⎛⎞

≤≤

⎪

⎜⎟

⎝⎠

⎪

⎨

⎛⎞⎛⎞

⎪

⎜⎟⎜⎟

⎪

⎝⎠⎝⎠

⎩

, (7)

где

V – удельный объем продуктов взрыва в точке сопряжения политропы;

k - показатель политропы взрывных газов; γ – коэффициент адиабаты.

Пренебрегая потерями тепла в процессе непосредственного детонаци-

онного разложения ВВ, на основании уравнения теплового баланса имеем

следующее равенство:

jjВViВ

GQfТCbТ

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

∑∑

3)(

, (8)

где

Т – температура взрыва (температура, которую имеют продукты взрыва

при мгновенном выравнивании давления в них);

– количество атомов в

твердотельном j- веществе; С

- мольная теплоемкость i-газа при температу-

ре

Т , определяемая на основании соотношений Эйнштейна-Дебая [1].

Решая уравнения (6) и (8) получим:

)1)(

)1(2

∑

−

газ

βαρ

, (9)

где

– удельная масса j-твердого продукта взрыва,

газ

– начальная плот-

ность газообразных продуктов взрыва;

с =С

/R/

Высокоэнергетическая обработка материалов

В рамках двухполитропной аппроксимации в соответствии с законом

сохранения энергии, при условии несжимаемости твердых продуктов реак-

ции, получаем:

⎪

⎭

⎪

⎬

⎫

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

+++

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+−−

−

∑∑

∑

−

kkk

газ

ρρ

αρ

000

)1(

1)2(

)1(1

1)1)(1(

)(2

)1(2

)

, (10)

где K

– параметр, характеризующий объем газообразных продуктов взрыва

в точке сопряжения при двухполитропном описании P=P(V) газообразных

продуктов взрыва (на основании эмпирических данных K

≈4,4 [8]); U – при-

ращение скорости движения продуктов взрыва во фронте детонационной

волны; D – скорость детонации;

– начальная плотность ВВ;

– плотность

ВВ в момент начала разложения. При этом начальная плотность газообраз-

ных продуктов взрыва:

000

1)1(

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−−=

∑

газ

ρβρρ

. (11)

Величина U/D определяется на основании закона сохранения импульса

и в данном случае равна:

0000

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−=

∑∑

ρρ

. (12)

На основании соотношений (2), (9)-(12) можно показать, что скорость

детонации равна:

)1)(

)1(2

∑

−

газ

βαρ

, (13)

а давление газообразных продуктов взрыва в точке Чепмена-Жуге:

Высокоэнергетическая обработка материалов

газ

. (14)

При определении

исходили из того, что сенсибилизированные

эмульсионные ВВ представляют собой пористую систему. Под действием де-

тонационного давления в такой системе происходит пластическое деформи-

рование материала ВВ с истечением в "поры", что сопровождается локаль-

ным разогревом эмульсии вследствие вязкого трения.

В результате разогрева начинается экзотермическое разложение наи-

менее стойкого компонента эмульсии, что

приводит к нарастанию давления в

"порах" и дальнейшей стремительной деструктуризации материала системы.

Параметр

можно вычислить по формуле:

)1(

000

−

, (15)

где z – относительная пористость ВВ.

Параметр z определяется как соотношение:

, (16)

где

– начальная пористость ВВ,

- пористость ВВ в момент начала экзо-

термического разложения наименее стойкого компонента эмульсии.

На основании теории схлопывания пузырьков в вязкой жидкости [9] имеем:

()

3/23/5

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛Δ

=−

−−

ρρ

TRC

эээ

, (17)

где

, С

– плотность и удельная теплоемкость эмульсионного материала

ВВ;

Т – необходимое приращение температуры эмульсии до момента нача-

ла экзотермического разложения наименее стойкого компонента эмульсии;

– давление газообразных продуктов взрыва в точке Чепмена-Жуге; η –

структурная вязкость эмульсионного материала при его истечении в "поры";

– характеристический радиус "поры".

Изложенные представления были положены в основу аппроксимаци-

онной модели описания детонационного разложения эмульсионных взрывча-

Высокоэнергетическая обработка материалов

тых материалов, которая позволяет в зависимости от состава и химической

природы компонентов рассчитывать все основные параметры детонации:

скорость детонации, массовую скорость продуктов взрыва в детонационной

волне, давление в точке Чепмена-Жуге, коэффициенты политропы и адиаба-

ты при характеристических размерах "пор", заданной плотности ВВ и эмуль-

сионного материала. Под размерами "пор"

понимается диаметр микросфер

или газовых пузырьков в сенсибилизированном эмульсионном ВВ.

Сопоставление расчетных и экспериментальных значений детона-

ционных параметров ЭВВ

По разработанной методике были рассчитаны детонационные парамет-

ры различных эмульсионных ВВ и проведено сравнение с литературными и

экспериментальными данными.

Расчеты параметров ЭВВ на основе монораствора аммиачной селитры,

сенсибилизированных микросферами, показывают, что при

плотности ВВ

1,15-1,17 г/см

скорость детонации составила 5300-5360 м/с (диаметр микро-

сфер 50мкм), 5400-5480 м/с (диаметр 35 мкм). Согласно экспериментальным

результатам [10] величина данного параметра при указанных диаметрах мик-

росфер составляет 5350 м/с и 5500 м/с, соответственно.

Дополнительно следует отметить, что согласно расчетам, замена до

30% аммиачной селитры в составе окислителя на натриевую селитру не при-

водит

к существенному изменению основных параметров детонации. Полу-

ченный вывод полностью согласуется с экспериментальными данными, при-

веденными в [10].

Введение в состав окислителя кальциевой селитры приводит к увели-

чению расчетной скорости детонации на 5-6 % и повышению начального де-

тонационного давления во взрывных газах на 7-8% по сравнению с эмуль-

сиями на основе монорастворов аммиачной

селитры при одинаковом содер-

жании воды и стехиометрическом соотношении горючего компонента.

Как показали результаты экспериментальных исследований эмульси-

онного ВВ Украинит-ПП-1, проведенных совместно с проф. К.К. Шведовым

[11, 12], скорость детонации (D) при плотности эмульсии 1,3 г/см

и диаметре

микросфер 70 мкм составила 5300 м/с, массовая скорость (W) – 1730 м/с,

давление в точке Чепмена-Жуге (P

) – 7,37 ГПа.

Результаты расчета по разработанной методике: D=5200 м/с, W=1800 м/с,

=7,53 ГПа. Полученные расчетные значения хорошо ложатся на ударную адиа-

Высокоэнергетическая обработка материалов

бату: D=2700+1,4W, предложенную К.К. Шведовым для описания эксперимен-

тальных данных по распространению ударных волн в ЭВВ Украинит –ПП-1.

При плотности 1,22 г/см

и том же фракционном составе микросфер

расчетные скорость детонации и массовая скорость составляют 5750 м/с и

2170 м/с, соответственно. Данные значения, также ложатся на вышеприве-

денную ударную адиабату.

Для проверки методики расчетов были проведены испытания эмульси-

онного ВВ Украинит-ПП-2, который представляет собой газонаполненную

эмульсию на основе кальциевой и аммиачной

селитр, на полигоне ОАО ППП

"Кривбассвзрывпром", МакНИИ (протокол №2/О-09, 30.06.09) и карьере Ин-

гулецкого ГОКа.

Таблица 1

Экспериментальные и расчетные данные по эмульсионному ВВ Украинит-ПП-2

Скорость детона-

ции, м/с

г/см

Диаметр

заряда, мм

Оболочка

Объем

ядови-

тых га-

зов, л/кг

Диаметр

"пор",

мкм

Эксперим. Расчет

1,29 40

Стальная

труба (толщ.

стенки 4 мм)

13,5 70 4652 4690

1,26 100 п/э труба 8 200 5110 5118

1,21** 250 массив 6,5 200** 5211 5226

1,15** 250 массив 6,5 200** 5107 5186

* – учет влияния оболочки, диаметра заряда и ширины зоны реакции осуществляли по

Г. Эрингу [13]; ** – при расчетах учтены изменения параметров в связи с уменьшением

размеров пор под действием гидростатического давления столба ВВ в скважине.

Результаты расчетов показывают, что достижимая скорость детонации

Украинита-ПП-2 в массиве при оптимальных условиях газонаполнения мо-

жет составлять 5700 м/с.

Заключение

Предложенная аппроксимационная модель позволяет оценивать дето-

национные параметры всего спектра известных эмульсионных ВВ.

Результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными, по-

этому методика представляет интерес, как при проектировании взрывных ра-

бот, так и при разработке рецептур ЭВВ.

Высокоэнергетическая обработка материалов

Литература

1. Физика взрыва / Под ред. Л.П. Орленко. В 2-х т. – М.: Физматлит,

2002. – Т.1. – 832 с.

2. Шведов К.К. Современное состояние и проблемы использования

энергии взрыва в горнодобывающей промышленности // Физические про-

блемы разрушения горных пород. – М.: ИПКОН РАН, 2005. – С. 51–62.

3. Крюков Г.М. Новые критерии эффективности и последовательность

расчета параметров

БВР при взрывном дроблении горных пород на карьерах

// Физические проблемы разрушения горных пород. – М.: ИПКОН РАН,

2005.– С. 87–93.

4. Пупков В.В., Маслов И.Ю., Сивенков В.И. и др. Некоторые реко-

мендации по профилактике и предупреждению несчастных случаев при про-

ведении промышленных испытаний новых взрывчатых материалов // Взрыв-

ное дело. №

95/52. – М.: МГГУ, 2005. – С. 132–135.

5. Bleyzen Y., Mencacci. Numerical modeling and evaluation of the detona-

tion of nonideal explosives applied to the optimization of explosive choice for

blasting operations. // Explosives and Blasting Technique / ed. Holmberg. Swets &

Zeitinger, Lisse, 2003. – Р. 235–241.

6. Sanchidrian Y.A., Lopez I.M. Calculation of explosives useful work-

comparison with cylinder test data // Explosives and Blasting Technique / ed.

Holmberg. Swets & Zeitinger, Lisse, 2003. – Р. 357–361.

7. Власов О.Е. Основы теории действия взрыва. – М.: ВИА, 1957. –408 с.

8. Чедвик П., Кокс А., Гопкинсон Г. Механика глубинных подземных

взрывов. – М.: Мир, 1966. – С. 235–300.

9. Седов Л.И. Механика сплошной среды. В 2-х т. Т.ІІ. – М.: Наука,

1984. – 560 с

10. Ксюгуанг В. Эмульсионные взрывчатые вещества. – М.: Красноар-

мейск, 2002. – 380 с.

11. Крысин Р.С., Куприн В.П., Шведов К.К. Детонационные характери-

стики ВВ с тяжелой добавкой // Матер. междунар. конф. Физические про-

блемы разрушения горных пород. – М., 2005. – С. 119–123.

12. Крысин Р.С., Куприн В.П., Шведов К.К. Детонационные характери-

стики эмулькома

и украинита // Вестник Кременчугского гос. политехн. ун-

та. – 2005. – Вып.5. – С 101–104.

13. Дубнов Л.В., Бахаревич Н.С., Романов А.И. Промышленные взрыв-

чатые вещества. – М.: Недра, 1988. – 358 с.

Высокоэнергетическая обработка материалов

УДК 669.187.001.2

СОВРЕМЕННЫЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

КАК ЭФФЕКТИВНЫЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ МЕТОДЫ

ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ С ПОЛУЧЕНИЕМ

СЛИТКОВ, ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ И КОМПОЗИТОВ

Н.И. Гречанюк

, А.П. Мухачев

Научно-производственное предприятие "Элтехмаш", г. Винница;

ЦХТ АИНУ, г. Днепродзержинск

В статье дан обзор основных достижений украинской науки в области электронно-

лучевых технологий; изложены принципы работы электронно-лучевых установок отече-

ственного производства; приведены технико-экономические показатели эффективности

конкретных процессов, позволяющих получить новые виды продукции, конкурентной на

рынке высоких технологий.

The review of basic achievements of Ukrainian science in area of electron-beam technologies

is given in the article; principles of work of electron-beam plant of domestic production are ex-

pounded; the technical and economical indexes of efficiency of concrete processes, allowing to

get new types of products competition at the market of high technologies, are resulted.

Электронно-лучевое воздействие на металлы приводящее к их нагреву,

плавлению и испарению, как новое технологическое направление в области

обработки материалов, интенсивно развивается с середины двадцатого столе-

тия [1,2].

В настоящее время во всем мире ни одна отрасль промышленности,

связанная с получением соединением и обработкой материалов, не обходится

без электронно-лучевого нагрева. Связано

это с характерными преимущест-

вами этого метода, главное из которых – возможность концентрации энергии

от 10

до 5⋅10

Вт/см

, т.е. во всем диапазоне термического воздействия, ве-

дение процесса в вакууме, что обеспечивает чистоту обрабатываемого мате-

риала и полную автоматизацию процесса.

Развитие электронно-лучевой технологии идет в трех основных на-

правлениях:

- плавка и испарение в вакууме с получением слитков чистых металлов,

сложно легированных сплавов, покрытий, конденсированных из паровой фа

зы композиционных материалов [3,4,5]; с использованием мощных (до

1 МВТ и более) электронно-лучевых установок (ЭЛУ) при ускоряющем на-

Высокоэнергетическая обработка материалов

пряжении 20-30 кВ; при этом концентрация мощности относительно невели-

ка (не более 10

Вт/см

);

- сварка металлов; создано оборудование трех классов: низко-, средне-

и высоковольтное, охватывающее диапазон ускоряющих напряжений от 20

до 150 кВ; мощность установок составляет 1-120 кВт и более при максималь-

ной концентрации энергии 10

-10

Вт/см

;

- прецизионная обработка материалов (сверление, фрезерование, резка),

с использованием высоковольтных установок (80-150 кВ) небольшой мощно-

сти (не более 1 кВт), обеспечивающих удельную мощность до 10

Вт/см

Одновременно ведется совершенствование оборудование [6,7], источ-

ников нагрева [8,9], источников паров металлов [10] и разработка аппаратуры

для наблюдения, контроля и регулирования процесса электронно-лучевого

воздействия.

Первое из вышеперечисленных направлений развивается НПП "Элтех-

маш". При этом особое внимание уделяется разработке и изготовлению лабо-

раторного и промышленного электронно-лучевого оборудования для реали-

зации целого ряда

новых технологических процессов:

- получение чистых металлов, специальных сплавов, ферросплавов для

нужд машиностроения, авиастроения, энергетики, космической техники;

- осаждения теплозащитных покрытий на лопатки газовых турбин;

- получения конденсированных из паровой фазы композиционных ма-

териалов дисперсно-упрочненного микрослойного и микропористого типов.

Промышленные технологии электронно-лучевого переплава

(ЭЛП) металлов, сплавов и оборудования для их

осуществления

Освоены промышленные технологии:

- электронно-лучевого переплава отходов быстрорежущих сталей и по-

лучение товарных слитков для последующего изготовления из них инстру-

мента [21-22];

- получение сплавов на кобальтовой, никелевой основах для после-

дующего нанесения защитных покрытий;

- получения высокочистой меди для использования в атомной энерге-

тике, формирования сложнолегированных титановых сплавов;

- получения

высокочистых благородных металлов и сплавов на их ос-

нове [23-24];

Высокоэнергетическая обработка материалов

- получение ядерно-чистых (99,94%) конструкционных металлов для

активной зоны АЭС, циркония и гафния;

- ЭЛП титана и получения его сплавов;

- ЭЛП чистых молибдена и вольфрама;

- получения литых, в том числе, центробежных заготовок различного

назначения в электроннолучевой гарниссажной печи.

Весьма перспективным направлением в последнее время на Украине

стало получение с помощью

электронно-лучевой технологии (ЭЛТ) солнеч-

ного кремния в поликристаллической форме, при этом уже достигнуты тре-

буемые результаты по качеству полупроводника после зонной плавки. Элек-

тронно-лучевая технология реализуется на Украине в двух типах печей с

промежуточной емкостью, со сливом расплава в водо-охлаждаемый медный

кристаллизатор и в медный кристаллизатор с

электромагнитным перемеши-

ванием и передачей расплава в форму требуемого объема.

Преимуществами ЭЛТ являются:

1. Рафинирующая способность процесса по удалению легко летучих

примесей.

2. Сохранение уровня примесей внедрения (O, N, C, H), определяющих

микроструктуру и механические свойства металлов.

3. Наличие контролируемой высокочистой инертной атмосферы (Ar, He).

4. Отсутствие коррозии оборудования, длительный срок его эксплуатации.

5. Возможность автоматизации процесса

плавки.

6. Разлив расплавленного металла по заготовкам с минимальными при-

былями.

7. Равномерность структуры сплавов с регулированием размера зерна.

Первым промышленным внедрением в 1984 г. в Украине была техно-

логия ЭЛП слитков циркония ядерной чистоты на ПО "ПХЗ", реализуемая на

установке УЭ-182. В процессе промышленных испытаний получено ≈100 т

циркония, при

этом были отработаны и технология и оборудование. Более

современной оказалась ЭЛУ ЭДП-10 Воронежского завода (Россия), однако

ее производительность достигла всего 100 т/год вместо плановых 400 т.

Вторым металлом промышленного значения стал гафний [33], полу-

ченный методом ЭЛП в 1988-89 гг на установках УЭ-178 с 6 пушками по

40 кВт, ЭМО-250 – с двумя пушками, ЭДП-10 также

с двумя пушками. Слит-

ки Ø90, Ø160, Ø240 мм явились исходным сырьем для процессов деформа-

Высокоэнергетическая обработка материалов

ции с получением прутка Ø9,6 мм и проволоки для плазмотронов, пластин

для исследовательских реакторов. За время работы было получено более 30 т

гафния ядерной чистоты (99,95%), часть слитков была реализована Китаю,

России и США.

Также впервые в Украине в 1989 г. на установке УЭ-178 был проведен

рафинирующий переплав молибдена в слиток Ø90 мм, что позволило

НПП

"Элтехмаш" разработать более совершенную электронно-лучевую установку

промышленного значения.

Впервые была переплавлена электронно-лучевым способом и титано-

вая губка на установке ЭДП-10, качество которой изложено в работе [31].

Серьезный вклад в развитие ЭЛТ внесли ученые ФТИМС НАНУ, под

руководством профессора Ладохина С.В. впервые в мире была спроектиро-

вана и

испытана электронно-лучевая опытно-промышленная установка гар-

ниссажного типа с электромагнитным перемешиванием расплавленного ме-

талла или сплава. Результаты плодотворных исследований изложены в рабо-

те [32]. На установке были проведены работы по рафинированию никеля, ме-

ди, титана и его сплавов, получены сложнолегированные сплавы титана и из-

делия сложной формы для медицины (эндопротезы), насосы

, арматура, труб-

ные заготовки, литые детали для ДВС. Достигнуты объемы расплавленного

металла до 150кг за плавку, в кристаллизаторы диаметром до 150мм.

За 25 лет промышленных испытаний получен ценный научный и прак-

тический опыт по внедрению ЭЛТ и ЭЛУ, обучены кадры, определены пер-

спективы.

В последнее время создан ряд специализированных промышленных

электронно-

лучевых установок для получения товарных слитков и слябов

размерами: круг от 60 до 400 мм; квадрат 60х60 до 400 мм и длиной до 3 м.

В данных установках впервые использованы новые высоковольтные

источники питания, разработанные совместно НПП "Элтехмаш" и ПО "Элек-

троаппарат" Украина и электронно-лучевые газорязрядные нагреватели, раз-

работанные под руководством В.И. Мельника

[9].

Защитные покрытия на лопатках газовых турбин и оборудование

для их осаждения.

В НПП "Элтехмаш" защитные покрытия на лопатках турбин получают

путем электронно-лучевого испарения и последующей конденсации в вакуу-

ме сплавов MeCrAlY (где Me-Ni, Co, Fe), MeCrAlYHfSiZr и керамики ZrO

–