СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ РЕЗКИ Российский патент 2005 года по МПК B23K7/08 

Изобретение относится к отраслям промышленности, связанным с резкой и перфорацией металлических и неметаллических конструкционных материалов (КМ).

Для резки и перфорации конструкционных материалов используются методы и способы, основанные на воздействии на КМ высокотемпературных сверхзвуковых струй продуктов сгорания твердых ракетных топлив. Рабочим телом для создания таких струй служат специально разрабатываемые топливные составы, содержащие до (18-20) вес.% частиц металлов различной плотности и дисперсности /1/.

В /2/ было показано, что оптимальные режущие характеристики струи продуктов сгорания достигаются при использовании твердых ракетных топлив, содержащих до 30 вес.% частиц металлов дисперсностью (50-250) мкм. Воздействие струи продуктов сгорания на КМ приводит к его нагреву и разрушению; процесс интенсифицируется при наличии в струе частиц металла. Прогретый слой КМ разрушается в режиме механического уноса вследствие движения гетерогенной струи вдоль поверхности разрушения. Увеличение (повышение) концентрации частиц металлов в струе обуславливает повышение эффективной плотности гетерогенной струи и, как следствие этого, интенсификацию разрушения KM /2/. Существенную роль при этом играет кинетическая энергия частиц, определяемая наряду со скоростью частиц их массой. При этом увеличение размеров частиц до 50-250 мкм способствует тому, что частицы при движении их в струе от среза сопла до разрушаемой поверхности практически не отклоняются от оси струи, сохраняя наибольшую кинетическую энергию.

Как правило для получения струи с оптимальными параметрами требуются разработка и изготовление специальных твердых топлив с повышенным содержанием металлов.

Использование стандартных металлизированных топлив в устройствах для теплоэрозионной резки позволило бы, во-первых, решить проблему утилизации имеющегося в запасе арсенала твердых топлив и, во-вторых, снизить себестоимость работ по резке и перфорации, исключив затраты на изготовление специальных топливных композиций.

Однако стандартные металлизированные топлива содержат не более 20 вес.% частиц металла (в основном алюминия) дисперсностью, не превышающей 10 мкм. При сгорании такого топлива образуются газообразные и твердые продукты, в том числе мелкодисперсная окись алюминия, размеры частиц которой не превышают (4-7) мкм. Характерной особенностью процесса горения является агломерация (или слипание) частиц алюминия и окиси алюминия при движении их в струе от поверхности горения к разрушаемому материалу. Так как основным процессом разрушения (резки) конструкционного материала является механическое разрушение при высокоскоростном ударе и движении частиц вдоль поверхности разрушения /2/, определяемое содержанием частиц в гетерогенной струе, то использование стандартных твердых топливных составов в качестве рабочего тела для устройств теплоэрозионной резки малоэффективно.

Повышение эффективности работы теплоэрозионных устройств с использованием газогенераторов на стандартных металлизированных топливах возможно при условии агломерации отдельных частиц в агломераты размером не менее 50 мкм /3/.

Одним из условий повышения агломерации мелкодисперсных частиц является наличие углерода в струе продуктов сгорания. Как правило, в продуктах сгорания металлизированных систем содержится не более (1.0-1.5) вес.% углерода, а для эффективной агломерации частиц оксида алюминия в струе продуктов сгорания необходимо содержание углерода порядка (10-15) вес.% /3/.

Задачей изобретения является повышение эффективности резки и перфорации конструкционных материалов струями продуктов сгорания твердых ракетных топлив, достигаемое повышением концентрации и размеров частиц в продуктах сгорания стандартных металлизированных твердых ракетных топлив, что обеспечивает достижение оптимальных режущих характеристик гетерогенных струй.

Поставленная задача решается тем, что между зарядами твердого топлива с различными абразивными частицами размещают слои пиролизующегося органического материала, такого, например, как бутилкаучук. Слой такого же материала наносят на поверхность стенки соплового блока, направляющей струю. Количество пиролизующегося органического материала составляет не более 10% от веса твердого топлива. Для повышения концентрации частиц металлов в струе продуктов сгорания в органический пиролизующийся материал дополнительно вводят 2-5% металлических порошков размером частиц 50-250 мкм и плотностью 5-8 г/см³.

При движении фронта горения твердого ракетного топлива происходит прогрев слоя органического пиролизующегося материала, расположенного между зарядами, и при достижении температуры порядка 400°С его пиролиз. В результате пиролиза образуются частицы углерода (сажи), содержание которых увеличивается в продуктах сгорания, что способствует агломерации (слипанию) частиц алюминия и его окиси в струе продуктов сгорания с образованием частиц размером до 50 мкм. Продукты сгорания твердого топлива, содержащие частицы металла (в основном, алюминия) и агломераты, движутся вдоль поверхности направляющей стенки соплового блока, покрытой пиролизующимся материалом. При обтекании стенки происходит нагрев материала высокотемпературными продуктами сгорания и, как следствие, пиролиз при температуре 400°С. Результатом этого является повышение содержания частиц углерода (сажи) в продуктах сгорания до (10-15) вес.%, что является оптимальной величиной для протекания процесса агломерации.

Повышение концентрации и размеров частиц в продуктах сгорания приводит к оптимизации параметров гетерогенной струи в соответствии с /1/, увеличению скорости массового разрушения KM /2/ и повышению эффективности работы теплоэрозионного устройства.

Масса пиролизующегося органического материала на основании расчета продуктов сгорания топлива и органического материала составляет не более 10% от веса твердого ракетного топлива. Число слоев пиролизующегося материала определялось опытным путем с учетом времени работы теплоэрозионных резаков. При времени работы устройств порядка 1 секунды оптимальным является количество слоев, не превышающее трех. Уменьшение числа слоев пиролизующегося материала приводит к неустойчивому горению зарядов. Увеличение числа слоев не отражается на протекании процесса.

Толщина слоя органического материала на направляющей струю стенке соплового блока определяется в соответствии с величиной его массовой скорости разрушения /4, 5/. Отсюда толщина слоя, нанесенного на поверхность стенки соплового блока, направляющей струю, определяется как отношение пиролизующегося материала к площади конусообразной стенки соплового блока. Площадь конусообразной стенки S_k рассчитывалась по отношению высоты конуса к его основанию (0.3<Н/D<0.35) /6/:

Отсюда, считая что 0.3D<Н<0.35D, получаем

0.91D²<S_k<0.94D².

Зная плотность ρ_m и общую массу m пиролизующего материала, рассчитывалась толщина h материала, наносимого на поверхность стенки:

Для повышения эффективности термомеханического разрушения КМ в пиролизующийся органический материал дополнительно вводят 2-5% металлических порошков с размером частиц 50-250 мкм и плотностью 5-8 г/см³. При пиролизе органического материала порошки металла попадают в струю продуктов сгорания, повышая ее плотность, что приводит к увеличению массовой скорости разрушения и повышению эффективности резки. Количество порошков металла определено на основании расчета содержания конденсированных продуктов сгорания большой плотности, обеспечивающего оптимальные параметры процесса резки /1, 2/.

Пиролиз органического материала приводит к снижению температуры струи газообразных продуктов сгорания, следовательно, к уменьшению и температуры агломератов. Температура твердых частиц в продуктах сгорания не является определяющей характеристикой в процессе термомеханической резки, но желательно, чтобы ее значение не превышало температуру плавления оксида алюминия. В этом случае частицы не переходят в расплавленное состояние и их воздействие на КМ наиболее эффективно. Поэтому снижение температуры продуктов сгорания на 400-600°С, во-первых, не влияет на оптимальные параметры струи и, во-вторых, увеличивает технологический ресурс работы устройств.

Отработка предлагаемого способа проводилась на экспериментальном стенде, моделирующем термомеханическое разрушение КМ высокотемпературными сверхзвуковыми гетерогенными струями продуктов сгорания твердых алюминизированных топлив. Критерием эффективности служили величины скоростей массового уноса КМ (стали), рассчитанные по линейным скоростям разрушения с помощью термопарных датчиков. В качестве рабочего тела использовали стандартное металлизированное ракетное топливо с содержанием частиц алюминия 18%. В качестве пиролизующегося органического материала использовали отвержденный бутилкаучук и эпоксидную смолу как в чистом виде, так и с содержанием 2.5 вес.% железа дисперсностью меньше 100 мкм.

Под работоспособностью струи продуктов сгорания понимали относительную эффективность разрушения (резки) КМ.

Результаты испытаний приведены в таблице.

Пиролизующийся материалРаботоспособность режущей струи продуктов сгоранияНет1Бутилкаучук1.2Эпоксидная смола1.2Бутилкаучук, содержащий 2.5 вес.% железа1.7

Таким образом, работоспособность струи продуктов сгорания твердых ракетных топлив повышается при использовании органического пиролизующегося материала и особенно при добавлении в его состав частиц тяжелых металлов.

Литература

1. Патент РФ 2066603. Способ теплоэрозионной резки /Абалтусов В.Е., Алексеенко Н.Н., Немова Т.Н., Зима В.П., Полежаев Ю.В., Михатулин Д.С. 1996.

2. Абалтусов В.Е., Кузнецов Г.В., Немова Т.Н. Исследование разрушения металлов при взаимодействии с гетерогенной струей // ТВТ. 1999. Т.37. N3. C.438-444.

3. Скляр М.Г. Физико-химические проблемы спекания углей. Материалы VIII Всесоюзн. симпозиума по горению и взрыву. Октябрь 1986 г. Ташкент-Черноголовка. 1986. С.100-103.

4. У. Уэндландт. Термические методы анализа. М.: Мир. 1978. 526 с.

5. Кузнецов Г.В., Алексеенко Н.Н., Немова Т.Н., Ткачев А.И. Тепломассообмен при разрушении материалов под действием гетерогенного потока с большой концентрацией части. IV Минский международный форум по тепломассообмену. Минск. 2000 г. Т.6. С.228-237.

6. Заявка 2001121390. Устройство для перфорации скважин /Кузнецов Г.В., Немова Т.Н., Рыбасова Н.Л. - Приоритет от 30.07.2001.

Изобретение относится к отраслям промышленности, связанным с резкой и перфорацией металлических и неметаллических конструкционных материалов. Между зарядами твердого топлива с различными абразивными частицами размещают слои пиролизующегося органического материала, например бутилкаучука. Слой такого же материала наносят на поверхность стенки соплового блока, направляющей струю. Количество пиролизующегося органического материала составляет не более 10% от веса твердого топлива. Для повышения концентрации частиц металлов в струе продуктов сгорания в органический пиролизующийся материал дополнительно вводят 2-5% металлических порошков размером частиц 50-250 мкм и плотностью 5-8 г/см³. Изобретение повышает эффективность резки и перфорации конструкционных материалов струями продуктов сгорания твердых ракетных топлив за счет повышения концентрации и размеров частиц, что обеспечивает достижение оптимальных режущих характеристик гетерогенных струй. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ термомеханической резки, при котором на материал воздействуют направленной сверхзвуковой струей продуктов сгорания твердого топлива, выполненного в виде набора зарядов с различными абразивными частицами, отличающийся тем, что между зарядами твердого топлива размещают пиролизующийся материал, а также наносят слой такого же материала на поверхность стенки соплового блока, направляющей струю, причем используют пиролизующийся органический материал не более 10% от веса твердого топлива с содержанием 2-5 вес.% металлических порошков размером частиц 50-250 мкм и плотностью 5-8 г/см³.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что между зарядами твердого топлива размещают не менее 3-х слоев органического пиролизующегося материала.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщину слоя органического пиролизующегося материала на направляющей струю стенке соплового блока определяют из условия

где h - толщина слоя;

m - общая масса органического пиролизующегося материала;

ρ_m - плотность органического пиролизующегося материала;

D - диаметр соплового блока.