熔鑄裝藥加熱熔化新技術

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測的問題，本文提出一種小量裝藥技術，采用電熱套對小容量殼體其進行加熱，避免工業鍋爐一次性大批量加熱導致加熱不均勻，進而引發安全隱患，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熱力學仿真得出結果，110℃的加熱溫度有利于炸藥的熔化，并且側方空氣域更有利于炸藥的熔化，對今后熔鑄裝藥工藝的優化有重要意義。

關鍵詞：熔鑄裝藥；傳熱學影響；裝藥工藝

中圖分類號：TJ 410 " " 文獻標志碼：A

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

當炸藥加熱至熔融態時，一般采用傳統鍋爐加熱，即工業鍋爐[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，大批量的藥內部受熱不均勻，同一時間下炸藥的相態不統一，內部壓力增加進而產生氣泡，形成熱點。炸藥在溫度和壓力的累積增加下，達到爆點，發生爆炸，破壞工作環境，嚴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，測得的溫度數據不能針對具體加熱位置，誤差較大。針對此種現狀，本文提出一種新型的裝藥熔化方式，將大鍋爐統一加熱改變為多個小容量裝藥殼體，加熱方式使用電熱套加熱，這種方式安全、穩定，各個殼體獨立工作，降低了統一大容量加熱下的安全隱患，而且便于對單獨殼體內部裝藥進行溫度檢測，有異常現象可以及時處理。

1 非穩態傳熱分析

熱能傳遞有3種基本方式：熱傳導、熱對流、熱輻射，物體各部分之間不發生相對位移或不同物體直接接觸時依靠物質分子、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（簡稱導熱）。在熱傳導過程中，有穩態傳熱和非穩態傳熱（瞬態傳熱）2種形式，穩態熱分析中任一節點的溫度不隨時間變化，非穩態導熱過程的特點則是物體內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。非穩態導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系在一起，物體的焓值不再為常數，單位時間所傳遞的熱量不再為常數，與溫度場一樣都是時間τ的函數。當物體與周圍介質之間發生換熱時，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束，非穩態進程也就過渡到了一個新的穩態過程[4]。

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

2 炸藥熔化的數值模擬

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構，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，然后根據能量守恒原理求解一定邊界條件和初始條件下每一個節點處的熱平衡方程，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及剛的熱力學參數見表1。

溫度對空氣密度的影響非常顯著，根據理想氣體狀態方程，當溫度升高時，氣體分子的平均動能增加，氣體的體積會膨脹，密度會減小；當溫度降低時，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，而在高溫環境下，空氣密度會較低。其次，隨著溫度升高，空氣的導熱系數會略微增加，因為熱運動的速率增加導致更多的熱量傳導[5]。所以取溫度范圍為20℃～160℃的溫度參數進行設定，見表2。

2.2 仿真步驟

仿真步驟如下。1）創建幾何模型。按照繪制好的CAD圖尺寸進行ANSYS內部模型建立。2）劃分有限元網格。使用mesh模塊將模型圖按照比例劃分為網格。3）施加載荷。將炸藥內部的初始溫度設置為室溫，將炸藥殼體的初始溫度設置為加熱溫度。4）求解器設置。設定每一載荷步結束時的時間，每個載荷步的載荷子步數或時間增量。5）進行穩態傳熱。如果初始溫度場是不均勻的且是未知的，就必須先作穩態熱分析，以確定初始條件。6）進行瞬態傳熱。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（整個瞬態過程）的結果進行后處理。

2.3 仿真結果

為了對比裝填模型對內部炸藥熔化的影響，設計以下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對殼體上方預留空氣，模型3對殼體側方預留空氣，模型4對殼體側方和上方均預留空氣域，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部，最后從內部炸藥的外側開始加熱，直至加熱到炸藥內部，當炸藥內部的溫度達到炸藥的熔點時，視為炸藥完成熔化過程，處于完全熔化狀態。為了進一步測量炸藥內部的溫度變化，取炸藥內部不同位置的節點進行測量。取模型TNT部分上徑向3個節點，分別是1、8、2節點，軸向4個節點，分別是1、91、75、4節點，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，炸藥內部溫度逐漸升高，在炸藥頂點處溫度變化迅速，而炸藥內部非常緩慢。2）與常規裝滿藥的模型相比，采用預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的熔化。3）不同的外部加熱溫度下，內部炸藥不同節點的溫度變化趨勢基本一致，都是炸藥頂點、外側升溫快，而內部升溫慢。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，炸藥外部與內部的溫度變化梯度越來越大。

3 仿真結果分析

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境溫度升高而不斷提高。

以TNT完全熔化（最低溫度達到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，結果見表3，并繪制結果曲線如圖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，在殼體內預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 結語

筆者設計了不同熔藥模型，對不同裝藥方法進行模擬仿真，結果表明電熱套加熱法能控制裝藥自外向內的熔化，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.注裝法裝藥技術綜述[J].裝備制造技術，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[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.