Диссертация (Разработка и исследование индукционно-резистивного нагревателя для уничтожения боеприпасов), страница 3

Индуктор подключается к источнику питания с возможностью регулирования тока от 38 до 80 А и напряжения от 65 до 120 В. Исходя изполученных данных (рис. 1.5), при индукционном нагреве обеспечиваются требуемые температуры внутри боеприпаса (более 250°С).Рис. 1.5. Индуктор с системой питания и графики нагрева боеприпасаПри всех преимуществах индукционного нагрева он не может использоваться для уничтожения боеприпасов сложной конструкции из-за быстрого разрушения индуктора при взрыве.15Резистивный способ нагрева для уничтожения химических боеприпасов смассой ВВ не более 2,5 кг реализован в установке Static Detonation Chamber, разработанной шведской фирмой Dynasafe AB [18]. Установка, представленная нарис.

1.6, состоит из толстостенной двухслойной биконической камеры объемом4,5 м3, обогреваемой резистивными нагревателями с суммарной потребляемоймощностью 200 кВт, внутри которой накапливаются осколки, имеющие температуру 500–550°C.Рис. 1.6. Общий вид установки и разрез камеры: 1 – внутренняя камера; 2 – внешняя камера; 3 – резистивные нагреватели; 4 – кожух; 5 – осколкиНедостатком установки является большой расход электроэнергии, а такжебольшие габариты.

Кроме этого, для полной нейтрализации ОВ необходимо длительное прокаливание осколков внутри камеры.Учитывая особенности боеприпасов сложной конструкции и недостаткисуществующего оборудования в России принята технология уничтожения (рис.1.7), включающая разборку кассетного изделия, извлечение боеприпасов сложнойконструкции, вскрытие корпуса и удаление ОВ, нагрев боеприпаса с разложение ивзрывом ВВ [19]. Образующиеся после взрыва осколки проходят термическуюобработку и отправляются на утилизацию, газообразные продукты взрыва послеочистки выбрасываются в атмосферу.16Рис.

1.7. Технологическая схема уничтожения боеприпасовИз всего комплекса оборудования наиболее сложным и ответственным элементом является камера уничтожения, включающая нагреватель с блоками охлаждения, питания и управления, системы дегазации, отбора проб, блоков вакуумирования, видеонаблюдения и контроля уничтожения. Наиболее ответственнымузлом камеры является нагреватель с системами питания, охлаждения и регулирования температуры, разработке и исследованию которых посвящена настоящаяработа.1.3.

Определение исходных параметров локализатораДля многократного уничтожения боеприпасов сложной конструкции нагреватель должен иметь защиту от поражающих факторов взрыва, к которым относятся ударная волна, повышенная температура и высокоскоростные осколки. Одним из средств защиты от взрыва является использование локализатора в видетолстостенной трубы, во внутреннее отверстие которой помещается уничтожаемый боеприпас (рис. 1.8) [20]. При большой толщине стенок локализатора нагревбоеприпаса осуществляется косвенно за счет теплопередачи.Для определения габаритных размеров локализатора проведено моделирование взрывного нагружения (Приложение А).17Рис.

1.8. Локализатор взрываВ результате моделирования выбраны следующие размеры локализатора:– длина L = 700 мм;– внутренний диаметр Dвн = 250 мм;– наружный диаметр Dнар = 450 мм;– максимальная толщина стенки Smax = 120 мм;– минимальная толщина стенки Smin = 60 мм.Выбор локализатора с переменной толщиной стенок: максимальной – в местепод боеприпасом, и минимальной – в верхней части, позволил при его массе 500кг обеспечить высокий ресурс.

Кроме этого, на ресурс влияет материал локализатора, который должен иметь высокие механические свойства при повышенныхтемпературах, коррозионную стойкость и, учитывая ограниченный ресурс локализатора, низкую стоимость. В результате сравнения различных марок стали(табл. 1.1), выбрана жаростойкая сталь 15ХМ, имеющая низкую стоимость и высокие механические свойства.Таблица 1.1. Сравнение марок стали для локализатора [21]СтальПределтекучестипри500°С,МПа15ХМ26512Х18Н10Т15216ГС175Балл коррозионнойстойкости вморской воде648Балл жаростойкостина воздухепри 650°С1–22–31ОтносиЦена, зательная1 т., тыс.магнитная руб.проницаемость100320161060018018Для повышения прочностных свойств локализатор подвергается термической обработке, включающей закалку с последующим отпуском.

В работе [22]показано, что при термической обработке в исходной структуре стали 15ХМ(перлит + цементит) появляется мартенсит, что ведет к снижению ее магнитныхсвойств.Ввиду отсутствия справочных данных, совместно с Институтом физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН (г. Екатеринбург) проведены исследованиязакаленных образцов из стали 15ХМ на магнитоизмерительном комплексеRemagraph C-500 фирмы Dr.

Steingroever GmbH. В результате получена экспериментальная кривая намагничивания B(H) (рис. 1.9) при температуре 25°С, котораязадавалась в электромагнитной модели.Для определения температурных параметров локализатора, обеспечивающих заданнуюпроизводительность уничтожения (5–6 шт/ч),проведены расчеты кинетики разложения ВВпри его нагреве (Приложение Б).Установлено, что для уничтожения боеприпаса за 5–6 мин температура внутри локализатора должна составлять Тлок = (450 ± 20)°С,Рис. 1.9. Экспериментальныезависимости B(H) и µ(Н)для стали 15ХМпри этом для полной детонации перепад температуры по длине боеприпаса не должен превышать 50°С.1.4.

Выбор способа нагрева локализатора и схемы нагревателяИсходя из требований к оборудованию для уничтожения химических боеприпасов, нагреватель, кроме заданных параметров нагрева локализатора, долженотвечать следующим основными требованиям [23, 24]:– безопасность уничтожения боеприпасов;19–автоматизация процесса уничтожения с полным исключением ручных операций;– возможность уничтожения всей номенклатуры боеприпасов сложной конструкции с массой взрывчатого вещества до 0,7 кг в тротиловом эквиваленте;– простота, надежность и высокий эксплуатационный ресурс нагревателя;– низкие затраты энергии на уничтожение боеприпасов;– минимальные капитальные и эксплуатационные затраты;– возможность оперативной замены изношенных деталей для восстановленияработоспособности нагревателя.Для выполнения данных требований рассматривалось несколько вариантовнагревателей (рис. 1.10). При контактном резистивном нагреве (рис.

1.10, а) требуется температура спирали порядка 1000°С, что увеличивает тепловые потери и,тем самым, снижает энергоэффективность и требует хорошей теплоизоляции.Кроме этого, нагревательная спираль имеет малую механическую прочность истойкость к динамическим нагрузкам.а)б)в)Рис. 1.10. Схемы нагревателей: резистивный (а), индукционный (б),индукционно-резистивный (в)Для повышения надежности нагревателя необходимо использовать бесконтактные способы нагрева. Индукционный однослойный индуктор (рис. 1.10, б)обеспечивает требуемое качество нагрева локализатора, но при этом практическиобязательно применение повышенной частоты и, следовательно, преобразователячастоты, что экономически невыгодно при ограниченном ресурсе нагревателя.Для индукционного нагрева локализатора при выбранных его параметрахэффективно применение промышленной частоты 50 Гц [25].

Это исключает ис-20пользование дорогих и сложных преобразователей частоты, упрощает конструкцию и повышает надежность. Однако, для повышения напряжения на индукторена данной частоте необходимо увеличить число витков, что приводит к использованию многослойной обмотки. По требованиям безопасности недопустимоприменение водяного охлаждения индуктора и поэтому был принят комбинированный индукционно-резистивный нагреватель (рис. 1.10, в) с принудительнымвоздушным охлаждением многослойного индуктора. Его преимущество заключается в том, что часть резистивного тепла, выделяющегося в индукторе, идет насоздание теплового экрана вокруг локализатора, что повышает энергоэффективность нагревателя [26].Исходя из условий эксплуатации, индуктор должен выдерживать температуры до 400°С, иметь высокую механическую прочность, стойкость к вибрациям,химическую стойкость к щелочным дегазирующим рецептурам и коррозионноактивным продуктам взрыва, содержащим фтор-, хлор- и серосодержащие соединения [27].Обзор традиционных высокотемпературных обмоточных проводов, приведенный в табл.

1.2 показал, что они имеют низкий ресурс при высоких температурах и низкую коррозионную стойкость.Таблица 1.2. Типы высокотемпературных обмоточных проводов [28]МаркаМатериал изоляции иоболочкиСтекловолокно с кремПСДКТ нийорганической пропиткойПОЖ– Стекловолокно с органо700силикатной пропиткойПЭЖБ– Стеклоэмаль700Энерго- Стекловолокно с оболочтерм– кой из слюдосодержащих600лент и стеклонитиПредельная тем- Суммарная продолператураэкс- жительностьэксплуатации, °Сплуатации 400°С, ч20050700100007006000600400021В связи с этим, совместно с заводом ОАО «Кирскабель» (г.