1.2.2. Установки индукционного нагрева для утилизации взрывателей

Наличие большого количества боеприпасов с истекшим сроком хранения, а также выбракованных или попавших в класс сокращаемых вооружений делает актуальной проблему создания надежных и высокоэффективных установок, обеспечивающих безопасное и гарантированное уничтожение огневой цепи взрывателей с последующим использованием металлов корпусов взрывателей в качестве сырья для выплавки высококачественных сталей и цветных металлов. Широкая номенклатура взрывателей, отличающихся формой, материалом и размерами корпуса, массой навески, составом огневой цепи, набором средств инициирования исключает возможность использования какой-либо универсальной технологической линии, пригодной для уничтожения всех типов взрывателей.

Одним из эффективных способов уничтожения огневой цепи взрывателя с суммарной навеской до 3 г. является интенсивный нагрев корпуса до температуры воспламенения взрывчатого вещества. Для гарантированного инициирования взрывного горения необходимо создать мощный тепловой импульс, обеспечивающий локальный нагрев той части корпуса взрывателя, в которой находится навеска взрывчатого вещества. Известные способы и установки с внешним нагревом за счет теплопередачи от нагретых стенок камеры оказываются неэкономичными и малопроизводительными в силу большой тепловой инерции процесса и отсутствия полной гарантии уничтожения огневой цепи.. Сравнительный анализ способов теплового инициирования огневой цепи взрывателя позволяет сделать вывод о перспективности и конкурентоспособности установок с индукционным нагревом корпуса взрывателя токами высокой частоты.

Большая номенклатура взрывателей, их конструктивные особенности делают задачу по уничтожению их огневой цепи весьма сложной, требующей предварительных исследований. Огромное количество взрывателей требует разработки высокопроизводительных новых методов ликвидации изделий с учетом требований по экологической чистоте процесса и утилизации получаемых материалов.

Так как взрывные устройства содержат целый ряд сложных по конструкции узлов, собранных с помощью герметизирующих и уплотняющих полимеризирующихся мастик, разборка их с извлечением узлов со взрывчатыми веществами затруднена и нецелесообразна. Используемые ранее такие методы уничтожения, как захоронение и потопление, в настоящее время неприемлемы, так как с течением времени при разрушении корпусов происходит загрязнение окружающей среды взрывчатыми веществами и продуктами их распада.

Предлагаемый способ утилизации взрывных устройств путем индукционного нагрева корпуса взрывателя или его части, содержащей взрывчатые вещества, имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с известными способами внешнего нагрева. Эти преимущества вытекают из следующих специфических условий нагрева вихревыми токами повышенной частоты.

1. Высокая интенсивность нагрева, обусловленная большой плотностью вихревых токов в нагреваемой зоне.

2. Возможность концентрации энергии электромагнитного поля за счет конструктивных решений исполнительного органа (индуктора).

3. Высокая степень готовности к работе, легкость выбора нужного режима в зависимости от типогабарита изделий, хорошая управляемость нагревом.

4. Универсальность рабочего органа, позволяющего осуществлять гарантированное уничтожение огневой цепи взрывателей различного типогабарита с минимальной переналадкой.

5. Возможность создания совмещенных технологических линий, простотой автоматизации, высоким уровнем санитарно-гигиенических условий труда.

Сложность конструкции взрывателя, состоящего из нескольких десятков деталей допускает только численные методы решения электромагнитной и тепловой задач. Процесс индукционного нагрева корпуса взрывателя в общем случае описывается системой взаимосвязанных дифференциальных уравнений Максвелла и Фурье соответственно для электромагнитного и температурных полей. В общем случае это система нелинейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами, так как физические свойства стали существенно зависят от температуры изделия и напряженности электромагнитного поля. Решение этой взаимосвязанной системы уравнений может быть получено численными методами для каждого конкретного случая применения индукционного нагрева. Однако при этом трудно выявить общие закономерности во взаимосвязях параметров процесса нагрева.

Методы экспериментального получения закономерностей тепловых характеристик изделия для отдельных точек не всегда осуществимы из-за технической сложности проведения экспериментов. Кроме того, они не всегда приводят к нахождению общих закономерностей и зависимостей между теплофизическими характеристиками изделия и режимами нагрева. Введение ряда упрощений в исходную модель процесса, не изменяющих сущности физических явлений в объекте, позволяет найти относительно простое аналитическое решение поставленной задачи, позволяющее установить основные закономерности динамики процесса и использовать полученные аналитические приближения для анализа и синтеза систем управления. Полученные результаты могут быть уточнены при экспериментальном исследовании объекта.

По режиму работы высокочастотного электрооборудования в зависимости от массы навески взрывчатого вещества индукционные установки для уничтожения взрывателей могут быть реализованы в виде двух модификаций: установки непрерывного действия и установки периодического действия.

Схема установки непрерывного действия с индукционным нагревом для утилизации взрывателей представлена на рис.1.3. Изделия из зоны загрузки поступают по конвейеру 4 в зону 3 нагрева. Проходя через индукционный нагреватель, корпус взрывателя нагревается до температуры, близкой к температуре воспламенения взрывчатого вещества, после чего он поступает в зону 6 уничтожения, где происходит взрывное горение с частичным разрушением корпуса взрывателя. Для защиты оборудования от разрушения при взрыве зона уничтожения снабжена броневой стенкой. Нагреваемые изделия, представляющие собой короткие цилиндры, располагаются в индукторе перпендикулярно оси движения с интервалами, обеспечивающими возможность создания между ними защитных перегородок. Процесс уничтожения огневой цепи взрывателя состоит из двух стадий: нагрев в индукторе до определенного теплосодержания и собственно уничтожение (взрывное горение ВВ) в зоне уничтожения. Далее корпуса взрывателей поступают в бункер 6. Источник 1 питания и блок 2 управления обеспечивают требуемый технологический режим работы установки.

В установках непрерывного действия для уничтожения огневой цепи взрывателя применяется зонально-непрерывный нагрев, при котором индуктор охватывает лишь ту часть изделия, где размещено взрывчатое вещество.

Процесс непрерывного индукционного нагрева корпуса взрывателя в щелевом индукторе можно представить как нагрев цилиндрического тела ограниченной длины, ось симметрии которого перпендикулярна направлению движения изделия через индуктор. Ряд особенностей процесса позволяет упростить модель и обеспечить при этом достаточную точность. Действительный характер зависимости функции распределения мощности источников внутреннего тепловыделения от температуры можно заменить зависимостью этих параметров от пространственных координат [24, 34, 82, 84, 106], а учитывая сравнительно низкие температуры нагрева (до 400 °С), можно без существенных погрешностей принять их постоянными в течение всего процесса нагрева [108, 133]. С учетом принятых допущений процесс непрерывного нагрева описывается линейным неоднородным дифференциальным уравнением вида

; (1.6)

с краевыми условиями второго или третьего рядов. Здесь – соответственно координата изделия вдоль направления перемещения через индуктор и аксиальная координата корпуса изделия.

Схема индукционной установки непрерывного действия для утилизации взрывателей

Рисунок 1.3

Технологический процесс утилизации взрывных устройств в установках непрерывного действия разделен на две стадии: нагрев в проходном индукторе и уничтожение огневой цепи в зоне подрыва. Наличие специальной зоны подрыва вне индуктора предполагает наличие участка транспортирования нагретых изделий в зону уничтожения. При этом в процессе транспортирования должно произойти перераспределение температуры по сечению изделия с тем, чтобы к моменту поступления изделия в зону уничтожения температура металла в области размещения навески (точнее, в месте контакта металла и взрывчатого вещества) достигла температуры воспламенения. Только в этом случае обеспечивается гарантированное уничтожение огневой цепи взрывного устройства без разрушения индуктора. Следовательно, в этой ситуации необходимо при расчете оптимального распределения удельной мощности дополнительно учесть период транспортирования изделий. Таким образом, задача оптимизации режима нагрева, как и в предыдущем случае, может быть разбита на две самостоятельные задачи: выбор оптимальной частоты источника питания, при которой достигается требуемое температурное распределение на выходе из индуктора, и минимизация длины индуктора с учетом существующих энергетических и технологических ограничений. Задача может быть сведена к решению серии задач на минимум длины индуктора с различными уровнями удельной мощности и выбору конструкции нагревателя с максимальным полным к.п.д. при наличии «принудительного» участка транспортирования в зоне уничтожения.

В условиях широкой номенклатуры утилизируемых изделий с целью унификации технологического оборудования, снижения затрат на переналадку индуктор проектируется с учетом использования его для утилизации нескольких типов взрывателей, близким по конфигурации и геометрическим размерам. Смена номенклатуры изделий приводит к необходимости изменения режима нагрева, уровня подводимой к индуктору мощности и других параметров процесса. В этой ситуации основной задачей управления является поиск оптимального алгоритма, обеспечивающего в переходных режимах работы максимальную производительность при заданной точности нагрева.

Принципиальная схема индукционной установки периодического действия для уничтожения взрывателей с массой навески свыше 3 г представлена на рис. 1.4. Взрыватель 8 с помощью загрузочного устройства 10 загружается в камеру 5, с внешней стороны которой располагается индуктор 2 От разрушения ударной волной при взрыве основной навески индуктор защищен бронезащитной цилиндрической вставкой 4.

С учетом общепринятых допущений процесс индукционного нагрева цилиндрического изделия в нагревателе периодического действия может быть представлен линейным неоднородным дифференциальным уравнением вида

; (1.7)

с граничными условиями II или III рода.

Основная цель управления рассматриваемым здесь технологическим процессом состоит в обеспечении максимальной производительности при гарантированном уничтожении огневой цепи каждого взрывателя. Поставленная задача может быть сформулирована как задача поиска оптимального по быстродействию управления температурным полем в условиях энергетических ограничений.

В общем случае при оптимизации режима индукционного нагрева требуется найти такое управление , которое переводит объект из заданного начального состояния с равномерным распределением температуры в требуемое конечное за минимальное время при минимальных затратах энергии на нагрев. Здесь  – координаты места размещения навески взрывчатого вещества в корпусе взрывателя.

Установка периодического действия

Рисунок 1.4

В данном случае сформулированная задача имеет свои особенности, обусловленные спецификой процесса. Окончание процесса нагрева определяется достижением такого температурного распределения, при котором температура координаты навески взрывчатого вещества достигает температуры воспламенения, но при условии, что теплосодержание изделия на момент воспламенения огневой цепи будет минимальным, что соответствует требованию минимума энергозатрат на нагрев. Другими словами, необходимо сформировать такую конфигурацию температурного поля, при котором максимум температурного распределения по радиусу изделия приходится на точку размещения навески с координатами . Задача может быть решена только при реализации распределенного управления, обеспечивающего концентрацию мощности источников внутреннего тепловыделения в области размещения навески за счет оптимального выбора частоты источника питания, оптимизации конструкции индуктора и поиска оптимального алгоритма управления мощностью индуктора.. Поставленная задача требует более широкого подхода, предполагающего решение комплексной задачи оптимального проектирования и оптимального управления [37].