熔注炸藥低比壓順序凝固界面生長規律研究

高 豐，黃求安，王冠一

(1.中國兵器裝備集團 自動化研究所， 四川 綿陽 621000；2.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室， 北京 100081)

熔注炸藥是各國廣泛應用的一類混合炸藥，在軍用混合炸藥中占有重要地位，被廣泛用于破甲彈、導彈等常規彈藥[1-2]。但是，由于其存在能量輸出性能不穩定、裝藥質量差、耐受沖擊過載能力低、發射安全性差等問題[3]，影響其實際中的應用。其中裝藥質量是確保武器系統研制、生產、勤務、使用等過程安全的關鍵[4]，直接影響著中大口徑炮彈裝藥的使用安全與高效毀傷能力。裝藥中存在的底隙、裂紋、縮孔等疵病，這些疵病不僅影響炸藥爆轟性能導致威力下降，而且大大降低藥柱力學性能，是導致膛炸、早炸等發射安全性問題的主要原因[5]?？紫洞嬖跁е滤幹霈F應力集中現象，并降低藥柱強度。裝藥密度和裝藥質量的提高往往受制于裝藥工藝，尤其是大型戰斗部裝藥，裝藥結構復雜，難以保證裝藥的成型密度和均勻性[6]。針對中大孔徑炮彈裝藥，增大裝藥密度是提高毀傷效率的重要途徑。密度增加會提高藥柱強度，提高發射過程中裝藥起爆閾值，增加發射的安全性[7]。在凝固過程中體系溫度的變化，導致炸藥物態、熱量、體積變化，從而產生縮孔、空隙及裂紋等缺陷，而彈體內凝固界面變化生長直接影響裝藥質量。田勇等[8]就炸藥過程采用超聲波對凝固界面進行監測研究；郭朋林等[9]就TNT基熔鑄炸藥冷卻過程溫度場變化規律進行研究。為此本文針對改B炸藥裝藥過程，采用低比壓順序凝固工藝技術對凝固界面變化生長規律進行模擬預測，進一步對凝固成型樣品進行裝藥密度及質量一致性檢測，獲得凝固界面變化規律與模型進行對比，驗證裝藥質量，對實際應用有指導作用。

1 理論模型

其中：ρ為密度(kg/m3)；Cp為比熱容(J/(kg·K))；L為潛熱(J/kg)；fs為固相率；λ為導熱系數(W/(m·K))。

圖1 低比壓順序凝固彈丸凝固過程熱交換示意圖

采用熱焓法計算改性B炸藥低比壓順序凝固過程中的潛熱。

改性B炸藥的焓可定義為

對溫度求導，可得：

因此，改性B炸藥凝固過程的熱傳導微分方程為

藥溫與彈體初始溫度均為95 ℃，冷卻水溫保持恒定35 ℃，水面上方熱空氣溫度保持95 ℃。彈體位于冷卻水中的表面與冷卻水之間存在熱對流和熱輻射，彈體與冷卻水之間存在熱輻射，由于彈體外表面溫度并不很高，整個熱輻射并不是很強烈，因此將輻射的影響折合成對流散熱并不會影響模擬精度，從而合理簡化了邊界條件。因此，彈體與冷卻水、改性B炸藥與彈體間的熱交換為對流換熱，屬于第3類邊界條件：

其中：α1為改性B炸藥與彈體之間的對流換熱系數；α2為彈體與冷卻水之間的對流換熱系數。

綜上所述，通過基于試驗數據的凝固曲線及實時特性參數的檢測及提取，對凝固界面矩陣數據分析，建立基于半經驗仿真的炸藥凝固過程界面變化、成長模型。

2 實驗方法

2.1 凝固界面溫度測試

通過測試低比壓順序凝固工藝技術中熔注炸藥冷卻成型時的溫度場隨時間的變化情況，動態研究熔注炸藥澆注成型過程中的炸藥內部溫度場及其變化規律，使用溫度傳感器實時測量炸藥壁面及內部溫度場隨時間的變化情況。彈丸低比壓順序凝固過程中鉑電阻溫度傳感器測試點布置如圖2所示。

圖2 彈體溫度分布測試傳感器布置圖

2.2 凝固相界面測試

為確定低比壓順序凝固狀態下炸藥凝固界面及其生長規律，對彈丸不同時刻(30～150 min，時間間隔為15 min)的凝固界面進行了測試，測試條件：彈丸下降速度：2.5 mm/min(從彈帶起)；彈丸停止位置：距口部120 mm；靜止護理時間：180 min；注藥溫度：98 ℃；彈體預熱溫度：98 ℃；熱區溫度：80～95 ℃；冷卻水溫：36 ℃；冷卻位置：凝固箱口部。

3 結果與討論

3.1 模擬預測

低比壓順序凝固技術注裝改B炸藥及其彈藥的初始狀態參數(包括黏度、導熱系數、熱膨脹系數、密度、熔點、結晶潛熱、炸藥應力-應變曲線等炸藥參數及熔藥溫度、注藥溫度、注藥彈體溫度、凝固環境溫度等狀態參數)如表1所示?；谝陨喜牧衔镄约肮に噮?，采用專業熔鑄仿真模擬軟件Procast對低比壓順序凝固技術進行仿真，預測其相界面隨時間的遷移規律，如圖3所示。

表1 低比壓順序凝固技術彈藥參數

圖3 炸藥凝固分數隨時間變化圖(相界面遷移圖)

上述模擬結果顯示，隨著時間推移，凝固相界面近似呈拋物線形向上遷移，炸藥凝固順序為由下向上，由外到內，完全凝固的時間為3.3 h，該凝固方式不同于傳統的自然凝固過程，上方藥液內及時的對下部分藥液形成補縮作用，是一種有利于防止縮孔縮松缺陷形成的的凝固方式。

3.2 凝固界面溫度

凝固箱中部(85 ℃)彈丸凝固過程的軸向、徑向及壁面炸藥溫度場隨時間的變化曲線如圖4、圖5所示。

圖4 炸藥凝固過程彈壁及軸向溫度曲線

從圖4炸藥凝固過程彈壁及軸向溫度場曲線可見，低比壓順序凝固工藝技術的熔注炸藥凝固順序是由底部到口部逐層順序凝固的，底部率先凝固，逐層向上順序凝固，口部最后凝固。

從圖5彈藥凝固過程徑向溫度場變化曲線可見，低比壓順序凝固工藝技術的熔注炸藥凝固順序是由外及里順序的，彈壁處率先凝固，中心位置最后凝固。

綜合圖4、圖5及圖6可得，低比壓順序凝固技術的熔注炸藥凝固順序是由底部到口部，由外及里逐層順序凝固的。軸向裝藥口部最后凝固有利于實現熔注炸藥凝固的微觀補縮，實現精密注裝，提高裝藥質量。徑向裝藥方向則是中心部位最后凝固。由于彈壁的導熱性好，導熱系數基本不變，彈丸壁面溫度基本呈冪指數規律下降，從彈底到口部彈藥順序凝固，不同部位的炸藥凝固速度基本相同，溫度場下降較快，凝固的炸藥熱應力小，裝藥密度高。由于改性B炸藥固、液相導熱系數相差大，而且兩相之比值是時間的函數，導致徑向炸藥凝固過程復雜，有相變潛熱的釋放，不同部位炸藥的凝固速率不同，越靠近中心位置熔注炸藥的溫度下降變化速率越慢，熱應力增加，因此彈丸中部裝藥質量相對較差。

圖5 炸藥凝固過程徑向溫度曲線

圖6 炸藥凝固過程壁面溫度變化曲線

3.3 相界面遷移實驗與模擬結果對比

進行改性B炸藥低比壓順序凝固界面與凝固時間的關系實驗，結果如圖7所示。利用軟件Procast對低比壓順序凝固的不同時刻的彈體進行模擬仿真，預測其凝固界面生長規律如圖8所示。

對比圖7、圖8，從仿真和實驗結果看，起始凝固界面近似呈平底拋物線形狀，然后以底部逐漸收縮拋物線過渡，最后收縮為一條直線，在3 h左右完成凝固，仿真結果和實驗結果吻合度較高。

從測試結果看，起始凝固界面近似呈平底拋物線形，然后以底部逐漸收縮拋物線過渡，最后收縮為一條直線，對凝固底面(點)及凝固界面隨時間的變化規律進行擬合，結果如圖9所示。

圖7 改B炸藥凝固界面成長過程

圖8 炸藥凝固分數隨時間變化圖(相界面遷移圖)

圖9 改B炸藥凝固界面成長過程模擬曲線

通過對實驗數據的擬合，可得凝固面的位置-時間關系為

R=0.998 0

凝固速度-時間關系為

有限時間間隔段內凝固界面二維曲線為

30 min:

y=13.081-0.037x23.666×10-5x4;R=0.981 31

45 min:

y=6.179+0.042x2+2.942×10-5x4;R=0.995 69

60min:

y=-3.750-0.065x2+1.208×10-5x4;R=0.983 97

75 min:

y=18.347+0.051x2+4.608×10-5x4;R=0.987 39

90 min:

y=16.301-0.068x2+3.630×10-5x4;R=0.993 07

105 min:

y=24.610+0.096x2+1.717×10-4x4;R=0.963 03

120 min:

y=40.452-0.117x2+6.740×10-5x4;R=0.990 24

150 min:

y=87.690-0.032x2+1.410×10-3x4;R=0.848 63

4 結論

基于有限元的熱傳導模型可以模擬改B炸藥凝固過程，有效預測炸藥凝固界面變化、生長。由于改性B炸藥固、液相導熱系數相差大，而且兩相之比是時間的函數，導致徑向炸藥凝固過程復雜，有相變潛熱的釋放，不同部位炸藥的凝固速率不同，越靠近中心位置熔注炸藥的溫度下降變化速率越慢，熱應力增加，因此彈丸中部裝藥質量相對較差。在保溫段(0～3 h)，隨著彈體進入冷卻水部分的增加，凝固速度近似呈拋物線形增加，凝固界面曲線近似符合四次多項式。