熔鑄裝藥加熱熔化新技術(shù)

摘 要：為解決熔鑄裝藥一次性大批量熔化炸藥不安全及難以監(jiān)測的問題，本文提出一種小量裝藥技術(shù)，采用電熱套對小容量殼體其進行加熱，避免工業(yè)鍋爐一次性大批量加熱導(dǎo)致加熱不均勻，進而引發(fā)安全隱患，并且小容量的殼體有利于檢測炸藥溫度。對不同裝藥模型進行ANSYS熱力學(xué)仿真得出結(jié)果，110℃的加熱溫度有利于炸藥的熔化，并且側(cè)方空氣域更有利于炸藥的熔化，對今后熔鑄裝藥工藝的優(yōu)化有重要意義。

關(guān)鍵詞：熔鑄裝藥；傳熱學(xué)影響；裝藥工藝

中圖分類號：TJ 410 " " 文獻標(biāo)志碼：A

注裝法是我國目前應(yīng)用最廣泛的高能炸藥裝藥方法，它對固態(tài)的炸藥進行加熱、熔化，經(jīng)過一定技術(shù)處理后，注入彈藥殼體或者對應(yīng)的模具中。經(jīng)過一段時間后，液態(tài)藥冷凝為具有一定性能的固體藥柱[1]。

當(dāng)炸藥加熱至熔融態(tài)時，一般采用傳統(tǒng)鍋爐加熱，即工業(yè)鍋爐[2]。這種加熱方式能一次性加熱大批量的炸藥。但在加熱過程中，大批量的藥內(nèi)部受熱不均勻，同一時間下炸藥的相態(tài)不統(tǒng)一，內(nèi)部壓力增加進而產(chǎn)生氣泡，形成熱點。炸藥在溫度和壓力的累積增加下，達(dá)到爆點，發(fā)生爆炸，破壞工作環(huán)境，嚴(yán)重時會造成人員的傷亡[3]。而在加熱過程中，沒有很好的溫度檢測手段，測得的溫度數(shù)據(jù)不能針對具體加熱位置，誤差較大。針對此種現(xiàn)狀，本文提出一種新型的裝藥熔化方式，將大鍋爐統(tǒng)一加熱改變?yōu)槎鄠€小容量裝藥殼體，加熱方式使用電熱套加熱，這種方式安全、穩(wěn)定，各個殼體獨立工作，降低了統(tǒng)一大容量加熱下的安全隱患，而且便于對單獨殼體內(nèi)部裝藥進行溫度檢測，有異?，F(xiàn)象可以及時處理。

1 非穩(wěn)態(tài)傳熱分析

熱能傳遞有3種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射，物體各部分之間不發(fā)生相對位移或不同物體直接接觸時依靠物質(zhì)分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而進行的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)（簡稱導(dǎo)熱）。在熱傳導(dǎo)過程中，有穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱（瞬態(tài)傳熱）2種形式，穩(wěn)態(tài)熱分析中任一節(jié)點的溫度不隨時間變化，非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程的特點則是物體內(nèi)的溫度場隨時間變化，在與熱流方向垂直的不同等溫面上的熱流量也不相等。非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程始終與物體的整體和物體的一部分被加熱或冷卻聯(lián)系在一起，物體的焓值不再為常數(shù)，單位時間所傳遞的熱量不再為常數(shù)，與溫度場一樣都是時間τ的函數(shù)。當(dāng)物體與周圍介質(zhì)之間發(fā)生換熱時，物體整體或其他部分同時進行熱量貯存（或放出）以及熱量傳遞。貯存熱量時，物體的焓值增加，物體被加熱，其溫度升高；放出熱量時，物體的焓值減少，物體被冷卻，其溫度降低。熱量的貯存或放出過程結(jié)束，非穩(wěn)態(tài)進程也就過渡到了一個新的穩(wěn)態(tài)過程[4]。

瞬態(tài)熱分析用于計算系統(tǒng)隨時間變化的溫度場及其他熱參數(shù)。在工程上一般用瞬態(tài)熱分析計算溫度場，并將其作為熱載荷進行應(yīng)力分析。本文電熱套加熱殼體內(nèi)炸藥可理解為非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程，因此使用ANSYS APDL中的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)進行分析。

2 炸藥熔化的數(shù)值模擬

2.1 模型及材料的確定

取直徑為50mm、高度為110mm、壁厚為5mm的殼體進行裝藥，炸藥采用TNT炸藥。因為電熱套加熱是對殼體外壁進行均勻加熱，所以在周向上是對稱結(jié)構(gòu)，使用1/2對稱模型進行模擬仿真，裝滿TNT的模型如圖1所示。采用ANSYS軟件熱分析模塊，分別用不同溫度載荷對其進行加熱仿真分析，其基本原理是把所處理的對象劃分成有限個單元，然后根據(jù)能量守恒原理求解一定邊界條件和初始條件下每一個節(jié)點處的熱平衡方程，由此計算各點溫度值，繼而求出其他相關(guān)量。分別用不同溫度載荷對其進行加熱仿真分析，按照以上確定條件，通過仿真計算，最后分析TNT熔化的最佳外界溫度以及最佳裝藥模型。TNT及剛的熱力學(xué)參數(shù)見表1。

溫度對空氣密度的影響非常顯著，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，當(dāng)溫度升高時，氣體分子的平均動能增加，氣體的體積會膨脹，密度會減??；當(dāng)溫度降低時，氣體的體積會收縮，密度會增加。因此，常溫下的空氣密度相對較高，而在高溫環(huán)境下，空氣密度會較低。其次，隨著溫度升高，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)會略微增加，因為熱運動的速率增加導(dǎo)致更多的熱量傳導(dǎo)[5]。所以取溫度范圍為20℃～160℃的溫度參數(shù)進行設(shè)定，見表2。

2.2 仿真步驟

仿真步驟如下。1）創(chuàng)建幾何模型。按照繪制好的CAD圖尺寸進行ANSYS內(nèi)部模型建立。2）劃分有限元網(wǎng)格。使用mesh模塊將模型圖按照比例劃分為網(wǎng)格。3）施加載荷。將炸藥內(nèi)部的初始溫度設(shè)置為室溫，將炸藥殼體的初始溫度設(shè)置為加熱溫度。4）求解器設(shè)置。設(shè)定每一載荷步結(jié)束時的時間，每個載荷步的載荷子步數(shù)或時間增量。5）進行穩(wěn)態(tài)傳熱。如果初始溫度場是不均勻的且是未知的，就必須先作穩(wěn)態(tài)熱分析，以確定初始條件。6）進行瞬態(tài)傳熱。7）后處理。ANSYS可以對整個模型在某一載荷步（時間點）的結(jié)果進行后處理；也可以對模型中特定點在所有載荷步（整個瞬態(tài)過程）的結(jié)果進行后處理。

2.3 仿真結(jié)果

為了對比裝填模型對內(nèi)部炸藥熔化的影響，設(shè)計以下4種模型進行不同溫度下融化的仿真分析。其中，模型1為TNT完全填充的模型，模型2對殼體上方預(yù)留空氣，模型3對殼體側(cè)方預(yù)留空氣，模型4對殼體側(cè)方和上方均預(yù)留空氣域，如圖2所示。

對不同模型施加不同的外部熱載荷，進一步對比炸藥的熔化過程。加熱載荷選取90℃、110℃、130℃、150℃4個不同的加熱溫度。加熱過程中，溫度從殼體外部開始加熱，進一步加熱至殼體內(nèi)部，最后從內(nèi)部炸藥的外側(cè)開始加熱，直至加熱到炸藥內(nèi)部，當(dāng)炸藥內(nèi)部的溫度達(dá)到炸藥的熔點時，視為炸藥完成熔化過程，處于完全熔化狀態(tài)。為了進一步測量炸藥內(nèi)部的溫度變化，取炸藥內(nèi)部不同位置的節(jié)點進行測量。取模型TNT部分上徑向3個節(jié)點，分別是1、8、2節(jié)點，軸向4個節(jié)點，分別是1、91、75、4節(jié)點，如圖3所示，以模型3為例，繪制其在不同加熱溫度下熔化過程中節(jié)點溫度隨時間變化的曲線，如圖4所示。

由圖4可以得出。1）隨著時間推進，炸藥內(nèi)部溫度逐漸升高，在炸藥頂點處溫度變化迅速，而炸藥內(nèi)部非常緩慢。2）與常規(guī)裝滿藥的模型相比，采用預(yù)留空氣的裝藥模型可以縮短固體炸藥的熔化時間，能提高裝藥的熔化速度，進一步促使炸藥從外到內(nèi)的熔化。3）不同的外部加熱溫度下，內(nèi)部炸藥不同節(jié)點的溫度變化趨勢基本一致，都是炸藥頂點、外側(cè)升溫快，而內(nèi)部升溫慢。但隨著加熱溫度不斷升高，溫度對炸藥外層的加熱效果明顯，同時，炸藥外部與內(nèi)部的溫度變化梯度越來越大。

3 仿真結(jié)果分析

由不同模型下傳熱情況可見，靠近中心的TNT溫度上升要比外圍的TNT溫度上升得慢，并且其差異性隨著環(huán)境溫度升高而不斷提高。

以TNT完全熔化（最低溫度達(dá)到80.3℃）所用時間作為評估量，對不同模型在不同溫度下的所用時間進行比較，結(jié)果見表3，并繪制結(jié)果曲線如圖5所示。

由圖5可知，隨著加熱溫度上升，炸藥完全熔化所需要的時間逐漸降低，加熱溫度為110℃時，加熱所需時間顯著縮短，但隨著溫度升高，炸藥完全熔化的時間縮短有限，因此，炸藥熔化時，可選用110℃作為其加熱溫度。另外，在殼體內(nèi)預(yù)留空氣下進行加熱要比整裝情況下傳熱快，模型3、4傳熱速度更快，但殼體上方預(yù)留空氣的模型對TNT的傳熱及熔化影響不大，考慮模型3可能由其與空氣的接觸面積較大導(dǎo)致其加熱速度顯著加快，且該情況下可熔化的藥量較多，因此在熔化時可選擇該模型進行加熱。

4 結(jié)語

筆者設(shè)計了不同熔藥模型，對不同裝藥方法進行模擬仿真，結(jié)果表明電熱套加熱法能控制裝藥自外向內(nèi)的熔化，并且通過多水平進行分析，得出加熱溫度為110℃時更有利于炸藥的熔化，在此基礎(chǔ)上提高加熱溫度效果不顯著。此外，不同的裝藥方式，熔化時間也不同，有空氣隙的裝藥方法可以進一步促進炸藥的熔化，接觸空氣越多，其熔化越快，但考慮裝藥量的影響，本文所設(shè)計的模型3更實用，可作為今后炸藥的熔化模型。

參考文獻

[1]於崇銘，田豐，劉少坤.注裝法裝藥技術(shù)綜述[J].裝備制造技術(shù)，2017（7）：95-96，108.

[2]易茂光，張明明，冉靖，等.彈藥熔鑄裝藥水浴護理凝固控制技術(shù)[J].兵工自動化，2019，38（8）：14-18.

[3]陳朗，王沛，馮長根.考慮相變的炸藥烤燃數(shù)值模擬計算[J].含能材料，2009，17（5）：568-573.

[4]胡榮祖，楊永登，梁燕軍，等.TNT的熔融焓和熔融熵的簡易測定法[J].爆破器材，1986（4）：8，19.

[5]張明明，萬大奎，萬力倫，等.不同材料殼體對熔鑄裝藥過程傳熱影響分析[J].兵工自動化，2017，36（7）：63-66.