ВЛИЯНИЕ ТИПА ЗАРЯДА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДРОБЛЕНИЯ

НОВІ ТЕХНОЛОГІЇ В МАШИНОБУДУВАННІ
УДК.621.98.07
ВЛИЯНИЕ ТИПА ЗАРЯДА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДРОБЛЕНИЯ
ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ОТХОДОВ ВЗРЫВОУДАРНЫМ МЕТОДОМ
Пирогов Д.Л., ст.препод.
Кременчугский государственный университет имени Михаила Остроградского
39600 г. Кременчуг, ул. Первомайская, 20
E - mail: vldrag@polytech.poltava.ua
Рассмотрено влияние типа заряда на эффективность дробления твердосплавних отходов взрыво-ударным
методом многостадийного совместного дробления от взрыва одного заряда. Приведены результаты экспериментальных исследований и даны рекомендации по выбору параметров заряда.
Ключевые слова: твердые сплавы, взрыв, удар, контейнер.
Введение. Одним из перспективных методов
дробления твердосплавных отходов с целью их
утилизации и повторного использование является
взрыв. На эффективность процесса взрывания, конечные результаты дробления твердосплавных отходов (твердосплавного лома), экономичность процесса дробления, работоспособность и долговечность взрывных камер, оказывает существенное
влияние тип заряда ВВ, используемого во взрывной
камере.
Основными видами зарядов, которые могут
быть использованы при дроблении, являются бризантные и пороховые ВВ. Они отличаются характером и скоростью распространения взрывных процессов (горение, взрыв и детонация).
Горение протекает сравнительно медленно - со
скоростью распространения процесса, не превышающей нескольких метров в секунду. Взрыв
характеризуется скоростью распространения процесса, измеряемой тысячами метров в секунду. Детонация является стационарной формой взрыва,
распространяющегося с постоянной и максимально
возможной для ВВ скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе. Скорость детонации при заданных условиях для каждого ВВ является вполне определенной величиной и одной из
важнейших его характеристик. Основные соотношения, позволяющие определить скорость детонации различных ВВ, приведены в работах [1-4].
Во многих процессах взрывной металлообработки целесообразно применять ВВ с малой
скоростью детонации 5000 м/с. К таким веществам относятся аммониты. Их взрыв сопровождается
быстрым химическим превращением ВВ, выделением
большого количества тепла и образованием газов.
Основными условиями протекания химического
превращения в форме взрыва являются: экзотермичность процесса, высокая скорость его распространения и образование большого количества паров и
газов. Бризантные ВВ обладают малым удельным
объемом, что позволяет получать при их взрыве значительно более высокие концентрации энергии и давления, недостижимые в условиях протекания обычных
химических реакций. Одной из наиболее важных
характеристик ВВ, служащей критерием их работоспособности, является теплота взрывчатого превращения (удельная теплота взрыва), которая для наиболее
широко применяемых в технике ВВ колеблется в
пределах от 900 до 1800 ккал/кг.
Пороха, как и газовые смеси, довольно широко применяются в настоящее время в качестве энергоносителя в машинах-орудиях для приведения в движение рабочего инструмента, а в некоторых случаях
также для формоизменения металла путем непосредственного воздействия на заготовку. Они относятся к
группе метательных взрывчатых веществ. Основным
видом взрывчатого превращения порохов является горение, не переходящее в детонацию, наблюдающуюся у
рассмотренных выше бризантных взрывчатых веществ.
Пороха легко воспламеняются и горят практически
параллельными слоями, что позволяет в широких пределах регулировать образование пороховых газов и
тем самым осуществлять управляемый процесс.
Дымный порох воспламеняется в сотни раз быстрее
бездымного. Скорость воспламенения порохов больше
скорости горения. Последняя составляет при атмосферном давлении у дымных порохов около 10 мм/с,
у бездымных — от 1 до 2 мм/с, тогда как скорость
воспламенения составляет у дымных порохов от 1
до 3 м/с, у бездымных — от 0,002 до 0,005 м/с.
Баллистические характеристики пороха и плотность заряжания определяют наибольшее давление
пороховых газов и скорость нарастания давления
при сгорании пороха в постоянном объеме. Все расчеты использования порохов для технологических операций можно с достаточной точностью сделать на основе
положений и формул внутренней баллистики [5-6].
Анализ предыдущих исследований. До настоящего времени рассматриваемый метод совмещенного
многостадийного дробления кусковых материалов
одновременно взрывом и ударом от одного зарядного
устройства в литературе не рассматривался. Однако,
исследованию отдельных его составляющих (взрыву
и удару) посвящено большое количество научных
работ. В них показано поведения твердосплавных
материалов в процессе высокоскоростного нагружения, которые определяются числом, типом и пространственным расположением дефектов их кристаллического строения.
Показано, что в настоящее время наименее разработанной и изученной областью является диапазон
скоростей деформации 105...106 с-1, что соответствует в
теории броне-баллистики начальной скорости соударения 2,5...3,5 км/с
Вісник КДУ імені Михайла Остроградського. Випуск 2/2010 (61). Частина 1
73
НОВІ ТЕХНОЛОГІЇ В МАШИНОБУДУВАННІ
Из приведенного краткого анализа отечественных и зарубежных источников установлено, что
при динамическом нагружении зависимость стандартных механических характеристик от скорости
деформации имеет большой разброс динамических
характеристик даже для одного и того же материала. Многие из положений проведенных исследований, как в области взрыва, так и удара должны
быть учтены в описании процессов дробления
твердых сплавов взрывом, ударом и высоким давлением [1-8].
Цель работы. Экспериментальные исследования влияние типа заряда ВВ на эффективность
дробления твердосплавных отходов во взрывной
камере взрывоударного контейнера, используемого
при многостадийном совмещенном методе дробления твердосплавных отходов [7].
Материалы и результаты исследований.
Предложенный метод совмещенного многостадийного взрывоударного дробления предполагает, что
использованием энергии ударных волн, температуры нагрева, давления газов и кинетической энергии
поршня-ударника происходит одновременно в нескольких камерах от взрыва одного заряда.
Первый этап дробления твердосплавного лома
осуществляется во взрывной камере. При этом заряд содержится непосредственно в камере дробления только на первичной стадии, где допустимо
наличие определенных фракций примесей взрыва
заряда. Эффективность дробления на этой стадии
обеспечивается за счет действия всех разрушительных факторов, свойственных взрыву. На данной
стадии переработки твердосплавных отходов образуется определенное количество крошки, которая
соответствует требованиям для получения твердосплавной смеси, а в продуктах дробления, превышающих по размерам допустимое значение, образуются микротрещины, которые облегчают дальнейшее их дробление в ударных камерах куда они
потом загружаются после определенной сортировки по размерам зерен.
При загрузке твердосплавного лома во
взрывную камеру его заполняют до высоты
расположения заряда ВВ. После этого устанавливают заряд и продолжают заполнять емкость камеры ломом поверх заряда. Свойства
твердосплавного лома, его плотность и размер пластин непосредственно влияют на силовые параметры процесса дробления.
Вес сосредоточенного заряда ВВ определяется из уравнений [5]:
где Ψ - коэффициент сферичности ударной волны; ά2
- коэффициент формы прогиба мишени (для круглой мишени ά2 = 0,5, для прямоугольной ά2 = 0,33);
J 0 - удельный импульс ударной волны, действующий на мишень, кгс-с/см2; ρ0 - плотность крошки, кгсс2/см3; с0 - скорость звука в крошке, м/с; fшах смещение поршня-ударника, м; άдеф - удельная работа удара поршня, кгс-м/см 2; ρ - плотность металла
поршня, кгс-с2 /см3; δ - толщина слоя крошки, м; ά0 коэффициент присоединенной массы (для круглой
детали ά0 = 0,76); а - радиус поршня (днища), м;
А" и β" - расчетные коэффициенты; R3 - расстояние
от заряда до поршня, м; G - вес заряда ВВ, кгс.
На рис. 1 показаны графики эффективности дробления титано-кобальтовых и вольфрамокобальтовых твердосплавных отходов в зависимости типа заряда, его величины в граммах.
По оси ординат показан процент выхода крошки от
общей массы загружаемого лома (крошки для повторного дробления) после каждого цикла дробления.
Анализ кривых показывает, что большей эффективностью дробления твердосплавных материалов
во взрывной камере обладают ВВ с повышенной
бризантностью. При этом после дробления отходов
во взрывной камере в оставшихся более крупных
фракциях крошки образуется большое количество
микротрещин.
%
4
50
40
3
30
20
10
0
10
20
30
β0
1+ β
 0.062 
 G 3 ,
J 0 = A 
 R3 
n
50
60
70
80
60
70
80
90
Гр.
а)
%
70
60
50
40
2
30
ψα 2 (2 J 0 − 50 ρ 0 c 0 f max ) = 10 2a деф ( ρδ + α 0 ρ 0 a ) , (1)
40
1
20
10
0
(2)
0
10
20
30
40
50
б)
Вісник КДУ імені Михайла Остроградського. Випуск 2/2010 (61). Частина 1
74
90
Гр.
НОВІ ТЕХНОЛОГІЇ В МАШИНОБУДУВАННІ
%
70
6
60
50
5
40
30
20
10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Гр.
в)
%
60
50
8
40
7
30
20
10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Гр.
В большинстве случаев для дробления используются ВВ со скоростью детонации, равной или превышающей скорость звука в разрушаемом металле.
Инициирование заряда ВВ, уложенного во взрывную камеру, вызывает перемещение фронта детонации
ВВ вдоль поверхности поршня. При этом давление на
фронте ударной волны, действующей на поршень, возрастает в зависимости от схемы нагружения за время
10 -6—10 -9 с до 105— 106 бар [8].
С целью изучения процессов происходящих в зоне
нагружения проводилась металлография и фрактография образцов твердосплавных пластин.
Для проведения металлографических и фрактографических исследований использовался электронный
растровый микроскоп высокого разрешения модели
8ЕМ535 и оптический микроскоп ММУ-9.
При исследовании металлографических шлифов
на микроскопе 8ЕМ535 их полированная поверхность перетравливалась, причем, в качестве травителей применялись наиболее распространенные составы для исследуемых материалов, сведения о которых
можно найти в специальной литературе. Для лучшего выявления особенностей рельефа образцы наклонялись на угол 25.. .30° по отношению к пучку электронов.
На рис. 2 показана фотография фактуры на участке поверхности разрушения в пластине твердого сплава после внедрения в нее ударника.
г)
Рисунок 1 - Графики эффективности дробления
твердосплавного лома в зависимости от типа заряда: а) 1 – ВВ аммонит, взрывная камера, сплавы
типа ТК (титано-кобальтовые); 2 – ВВ аммонит,
взрывная камера, сплавы типа ВК (вольфрамокобальтовые); б) 3 – ВВ порох, сплав типа камера
взрывная, сплав типа ТК; 4 – ВВ порох, камера
взрывная, сплав типа ВК; в) 5 – ВВ аммонит, камера ударная, сплав типа ТК; 6 – ВВ аммонит, камера
ударная, сплав типа ВК; г) 7 – ВВ порох, камера
ударная, сплав типа ТК; 8 – ВВ порох, камера
ударная, сплав типа ВК.
Это подтверждается соизмеримостью эффективности вторичного дробления крошки в ударных камерах при использовании пороха и аммонита. Хотя метательные свойства аммонитов ниже
пороховых зарядов, в условиях сравнительно небольших размеров взрывных камер, взрывная волна и продукты взрыва аммонита оказываются достаточными и для эффективного дробления крошки
в ударных камерах.
При использовании во взрывной камере в качестве ВВ порох эффективность дробления, как это
уже отмечалась выше, значительно ниже, чем в
ударных камерах. Более высокая эффективность
дробления в ударных камерах при использовании
пороха объясняется наличием большого количества микротрещин, образовавшихся в крошке после
ее первичного дробления во взрывной камере.
Рисунок 2 - Фотография фактуры на участке поверхности разрушения в пластине твердого сплава после
внедрения в нее ударника.
Вблизи поверхности соударения можно видеть
признаки множественного межкристаллитного разрушения. Фрагменты имеют округлую форму и покрыты слоем окислившегося металла. Окисел представляет собой тонкую и непрочную пленку, о чем
говорит его рыхлая поверхность.
На рис. 3 показаны фрактуры разрушенного
сплава на различной глубине внедрения ударника.
Наибольший интерес представляют участки разрушения за счет интенсивной пластической деформации, возникшей после остановки ударника. Поверхность разрушения имеет развитый рельеф, в котором
отдельные его участки располагаются на разных
уровнях (до долей миллиметра), что хорошо видно
даже при небольших увеличениях. Чашки, расположенные на плоских участках излома, имеют равноосную форму, не глубоки, а перемычки между ними
Вісник КДУ імені Михайла Остроградського. Випуск 2/2010 (61). Частина 1
75
НОВІ ТЕХНОЛОГІЇ В МАШИНОБУДУВАННІ
острые. Некоторые чашки группируются в скопления, где можно наблюдать горы и мелкие трещины. Средний размер чашек примерно одинаков и
равен 0,01 мм.
В целом характер излома свидетельствует о разрушении от нормальных растягивающих напряжений.
а)
б)
Рисунок 3 - фрактуры разрушенного сплава на различной глубине внедрения ударника.
карбидных прослойках. Наряду с деформацией
структурных составляющих появляются единичные
трещины (размером с карбидное зерно), которые располагаются преимущественно по границе раздела
карбид-связка, при этом они хаотично распределены
по поверхности материала. Увеличение напряжений
до 3000 МПа, приводит к возрастанию количества
трещин и количества деформированных карбидов.
В области напряжений 3000-3900 МПа на поверхности твердого сплава наблюдается локализация пластической деформации в виде полос (рис. 3,а). Они
представляют собой области с большим количеством
деформированных (со следами скольжения) карбидных зерен, а также сильно деформированной связующей фазой. Кроме того, в полосах локализованной
деформации наблюдаются процессы слияния трещин,
располагающихся по границе раздела карбид-карбид,
карбид-связка.
При глубоких степенях деформации наблюдается
разрушение отдельных карбидных зерен, причем разрушаются, как правило, крупные частицы. Полосы ориентированы в двух направлениях и распространяются
независимо от внутренней структуры материала в направлении максимальных касательных напряжений под
углом примерно 45° к оси нагружения. Их длина варьируется в широких пределах — от 20/μm до 4 mm, а
ширина составляет 5— 10/μm, т.е. 2—4 размера
карбидного зерна.
Процессы, происходящие при прохождении ударных волн через пластины, являются быстропротекающими (примерно 2 мкс), и непосредственно не
наблюдаемы. Анализ, как правило, производится по
изменениям, сохранившимся в материале после прохождения ударной волны. При давлениях, характерных для взрывного дробления, происходит образование дислокаций и точеных дефектов с последующим
формированием двойников. У некоторых веществ, в
частности, у вольфрама, происходят обусловленные
действием ударных волн трансформации кристаллических решеток [8]. Для вольфрама искажение решетки составляет 0,27 % при размере области поперечного рассеяния 100 НМ. Ударно-волновая обработка углерода, входящего в состав карбида вольфрама, повышает его физико-химическую активность.
Воздействие ударных волн оказывает существенное
влияние и на протекание диффузионных процессов.
Для сплавов металлов с углеродом в ряде случаев
наблюдается аномальное ускорение диффузии. Сплавы, содержащие кобальт, при волновом нагружении
способны к концентрации вакансий и межузловых
атомов [8].
Для пластины из спеченного твердого сплава ВК6 при использовании в качестве взрывчатого вещества аммонита №6 ЖВ уровень разрушающих напряжений достигается, как показывает расчет, при отношении, равном 0,106 массы взрывчатого вещества
к массе пластины. Экспериментальная проверка возможности разрушения изделий из спеченных твердых сплавов типа ВК-6, показала, что разрушение
наступает при соотношении масс взрывчатого вещества и пластины, равном 0,1- 0,12. При увеличении
Сдвиговые компоненты напряженного состояния
проявляют себя в достаточной мере в зоне долома,
где появляются поверхности со следами скольжения.
Металлографическое исследование эволюции изменений, происходящих на поверхности твердого
сплава WС в процессе нагружения сжатием показало,
что в области напряжений 0—600 МПа в структуре не
происходит видимых изменений. При уровне напряжений от 700 до 1700 МПа одновременно наблюдаются два процесса: деформация отдельных,
крупных участков связки, проявляющихся в виде
рельефа между карбидными зернами, и появление
на некоторых крупных карбидных зернах полос
скольжения. На данном этапе нагружения происходит совместная пластическая деформация карбидных
зерен и связующей фазы без нарушения сплошности материала.
В области напряжений 1700—2200 МПа на поверхности материала происходит увеличение количества пластически деформированных карбидных
зерен, при этом в процесс пластического течения
вовлекаются зерна меньшего размера. Наблюдается
активная деформация связующей фазы в узких межВісник КДУ імені Михайла Остроградського. Випуск 2/2010 (61). Частина 1
76
НОВІ ТЕХНОЛОГІЇ В МАШИНОБУДУВАННІ
массы взрывчатого вещества увеличивается степень дробления твердосплавной пластины.
Выводы. Проведенные экспериментальные исследования показали, что тип заряда ВВ загружаемого во взрывную камеру взрывоударного контейнера оказывает существенное влияние на эффективность повторного дробления твердосплавного
лома.
Металлографическое исследование эволюции изменений, происходящих на поверхности твердого
сплава WС, в процессе нагружения сжатием показало, что в области напряжений 0 - 600 МПа в структуре
не происходит видимых изменений.
Увеличение напряжений до 3000 МПа приводит
к возрастанию количества трещин и количества
деформированных карбидов.
В области напряжений 3000-3900 МПа на поверхности твердого сплава наблюдается процессы
слияния трещин, располагающихся по границе раздела карбид-карбид, карбид-связка.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андреев К. К-, Беляев А. Ф. Теория взрывчатых веществ. - М.: Оборонгиз. - 1960.-с. 595.
2. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович
В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. М.Ж Наука, 1980.-с. 478.
3. Меленис Б.Г. Термическое разложение и горение взрывчатых веществ и порохов. - М.: Наука.
1996.-с.573.
4. Хоменко Ю.П., Ищенко А.Н., Саморокова Н.М.
Интегродифференциальный метод определения законов горения конденсированных систем в условиях
постоянного объёма. // Физика горения и взрыва. 1999. - т.35. - N 1. С. 67-71.
5. Чурбанов Е.В. Внутренняя баллистика.-Л.:
ВАА им. Куйбышева. 1975.-с.579.
6.Губин С.Г. Балаганский И.А. Габдрахманов Р.Х.
Губин И.С. Расчёт внутрибаллистических параметров в системах обратного метания с отсечкой пороховых газов в переменно-замкнутом объёме. // Материалы Российской научно-практической конференции "НПО - 2004". - Новосибирск. 2004. С. 54-57.
7. Пирогов Л.І., Драгобецкий В.В. , Пирогов Д.Л.
Удосконалення методу дроблення твердосплавних
відходів. //Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. Вып. 2/2005 (31) ) – Кременчук КДПУ.-с. 68-72.
8. Драгобецкий В.В., Уколов Р.В Дробление
взрывом утилизированных изделий из спеченных
твердых сплавов. //Вісник КДПУ. Наукові праці
КДПУ. Вип.. 2/2001 (1). - Кременчук. – 2001. – с.
309-311.
Стаття надійшла 19.10.2009р.
Рекомендовано до друку д.т.н., проф.
Драгобецьким В.В.
ВПЛИВ ТИПУ ЗАРЯДУ НА ЕФЕКТИВНІСТЬ ДРОБЛЕННЯ
ТВЕРДОСПЛАВНИХ ВІДХОДІВ ВИБУХОВО-УДАРНИМ МЕТОДОМ
Пирогов Д.Л. ст.викладач
Кременчуцький державний університет імені Михайла Остроградського
39600 м. Кременчук, вул. Першотравнева, 20
E - mail: vldrag@polytech.poltava.ua
Розглянутий вплив типу заряду на ефективність дроблення твердосплавних відходів вибухово-ударним методом багатостадійного сумісного дроблення від вибуху одного заряду. Приведені результати експериментальних досліджень і надані рекомендації вибору параметрів заряду.
Ключові слова: тверді сплави, вибух, удар, контейнер.
INFLUENCE OF TYPE OF CHARGE ON EFFICIENCY OF CRUSHING
HARD-ALLOY WASTES BY THE EXPLOSION-SHOCK METHOD
D. Pirogov
Kremenchug state university of the name of Mikhail Ostrogradskiy
Kremenchug, 39600, st. Pervomayskaya 20
E - mail: vldrag@polytech.poltava.ua
Considered influence as a charge on efficiency of crushing of hard-alloy wastes by the explosion-shock method of
the frequent compatible crushing from the explosion of one charge. The brought results over of experimental
researches and given recommendations of choice of parameters of charge.
Keywords: carboloies, explosion, blow, container.
Вісник КДУ імені Михайла Остроградського. Випуск 2/2010 (61). Частина 1
77