一种爆炸挤压生产无缝金属管材的装置的制作方法

本实用新型涉及到金属管材的热加工领域，具体的说是一种爆炸挤压生产无缝金属管材的装置。

背景技术：

无缝管广泛应用于高压锅炉、船舶、武器等领域。无缝管的传统的制造技术主要有两种，一种是采用电能卧式油压机穿孔针挤压，另一种是轧制；相比之下，穿孔针挤压得到的无缝管强度高，常作为中小型武器上的炮管，例如迫击炮炮管等，但是传统的挤压方法对液压机的要求较高，不但要求液压机的吨位高，而且要求挤压速度快，挤压速度为150～400mm/s，这是因为如果挤压速度过慢，或管坯运送的过程过长，就会因为钢的温度下降而造成闷车，挤压不动，也成卡壳；如此之高的挤压速度依赖于大量并联泵的组合，这无疑加大了挤压机的成本；此外，挤压机体型庞大，需要较大的厂房和配套设施，对电力的要求也很高，一台能挤压半径为10mm～40mm无缝钢管的800T挤压机的总功率约为130kW 以上，能耗很大。此外在战争时期常有兵器企业电力被破坏的情况发生，因此传统用于生产无缝钢管的完全依赖于电力能源的挤压机将不能工作。

作者顾永山在文献《热挤压钢管机组》中提到挤出无缝钢管的一种穿孔针挤压方法，具体是先将钢坯加工成空心，然后在机械或者液压挤压机上通过穿孔针挤压成管材，穿孔针的外圆形成管材的内径，模具上的环形口形成管材的外径，这种方法的典型特征是采用机械力或者液压力实现，从挤压筒的预热到挤压完成，能耗巨大。

作者陈群立在文献《无缝钢管的热挤压技术探讨》中提到采用卧式挤压机挤出的管材截面尺寸范围为：外径16mm～120mm，内径6mm～90mm，挤压速度为200～300mm/s，穿孔速度为185mm/s；这种型号的挤压机的挤压筒加热和液压缸总功率之和大于300kW，在挤压前的准备工作中，挤压筒加热需要4h以上，相当于还没有开始挤压就已经耗电几百千瓦时；挤压机外形高度6.2m-7m，挤压机长度超过10m，加上配套生产线的其它辅助设备，占厂房总面积超过400m²，不但能耗巨大，而且占地面积大，造成极大的浪费。

由于以上传统穿孔挤压无缝管的方法能耗巨大。在公开号为CN103128122A的实用新型创造中提供一种高耐磨性能复合结构的无缝钢管穿孔针的制造方法，可解决普通穿孔针使用寿命低，穿孔质量差的问题，也具有一定的节能效果。具体是采用复合结构制造穿孔针，制造成本与单一材料制造的穿孔针相差很小，制备的合金涂层具有良好的力学性能。由于涂层硬度大、光洁度高，对管壁的摩擦作用小，因此可以提高穿孔质量。并且该穿孔针使用寿命大幅提高，对于减少穿孔针更换次数、节能减排。但是，该实用新型创造仍采用能耗巨大的液压机，虽然通过减小摩擦的方法来节能，但节能幅度较小。

TNT是一种负氧平衡的炸药，作者周霖在《爆炸化学基础》书中写出TNT在无限空中爆炸反应的方程式如下公式所示：

C₇H₅O₆N₃＝2.5H₂O+0.188CO+5.15C+1.66CO₂+1.5N₂ (1)

从上式可以看出，TNT发生爆轰反应后产生大量热量和大量的燃料(例如碳和一氧化碳)，如果试验环境条件适当，TNT在密闭空间中应当也可以发生碳及一氧化碳的燃烧而继续释放能量。在密闭环境中和充足的氧气反应的方程式如下所示：

4TNT+21O₂＝10H₂O+28CO₂+6N₂ (2)

因此在充足氧气中发生的反应提供了更多气体；这部分气体在燃烧产生的热量作用下提高了 TNT在密闭空间中准静态压力和爆炸场温度，即提高一次爆炸后的爆炸压力。

技术实现要素：

本实用新型的目的是，提供一种爆炸挤压生产无缝金属管材的装置，该装置利用 TNT炸药爆炸产生的能量作为初始能量，利用爆炸反应后产生大量的燃料与预置的氧气发生的反应产生的后续能量维持稳定的准静态压力的方法，采用空心坯料，利用穿孔针挤压技术高速挤出无缝管材，相比较于现有技术来说，大大降低了能源的消耗。

本实用新型为实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种爆炸挤压生产无缝金属管材的装置，包括一主体和设置在主体内的爆炸腔，在主体的一侧设置有成型体，成型体内设置有与爆炸腔相连通的圆柱形台阶孔，圆柱形台阶孔由直径较大的坯料孔和直径较小的定径孔连接而成，且坯料孔的一端与爆炸腔连通，定径孔的一端与外部连通；在主体上与成型体相对的另一侧设置有挡板，且挡板上设置有向爆炸腔内装填TNT炸药与引爆雷管组合体的装料孔，该装料孔与圆柱形台阶孔同轴设置，以通过装料辅助杆将挤压杆和坯料装填入圆柱形台阶孔内，在主体上设置有用于打开和封闭装料孔的卡板机构；所述主体上设置有排出爆炸腔内气体的泄气孔，泄气孔的开闭由球形阀控制，在球形阀上设置有用于引出引爆雷管导线和球形阀开关的通孔。

本实用新型中，所述卡板机构包括一与装料孔垂直且将其截断为两部分的卡槽，在该卡槽内卡设有密封块。

本实用新型中，所述主体由下部的长方体和上部的半球体构成，且爆炸腔位于长方体和半球体连接处，此时爆炸腔为球形，装料孔与圆柱形台阶孔位于同一直线上，且穿过爆炸腔的球心；所述挡板设置在长方体上部，且挡板与半球体之间具有间隙形成卡槽，卡槽内卡设有密封块以形成卡板机构。

本实用新型中，所述爆炸腔内设置有预置氧气包，预置氧气包为内部装有氧气的 PVC材料制成的壳式压力容器。

本实用新型中，所述挤压杆为两段直径不等的圆柱形成的台阶轴，且其直径小的一端的外径与所要加工的无缝管材内径相等，直径大的一端的外径与坯料孔内径相等，在挤压杆的两端均设置有外螺纹；所述坯料为管状件，坯料的外径不超过坯料孔的内径，坯料的内径大于挤压杆直径小的一端的外径，且坯料处于坯料孔内时，其一端抵在坯料孔与定径孔的交界处；所述装料辅助杆包括两段圆柱状杆体，且两段杆体的一端分别设置有与挤压杆两端部的外螺纹相配合的内螺纹。

本实用新型中，由于TNT炸药属于爆炸危险品，为了预防爆炸压力过大毁坏设备和伤及工作人员，本实用新型需要首先采用理论计算估算爆炸产生的压力、再制定实际TNT 药量，并结合实测方法确定爆炸产生的压力，并提供工艺条件与加工无缝管效果的关系。

TNT的分子量为227.13，每公斤可产生420万焦耳，则每摩尔TNT爆炸产生的热量为Q＝95.39×104J。

爆炸产生的H₂O、CO₂和N₂这三种物质的定压比热容(Cpm)分别为 Cpm_h＝33.577·J·(mol·K)^-1、Cpm_c＝37.110·J·(mol·K)^-1和 Cpm_n＝29.125·J·(mol·K)^-1，根据理想气体定压比热容和定容比热容的关系，气体常数 R＝8.314J·(mol·K)^-1，因此相应三种物质的定容比热容(Cvm)分别为： Cvm_h＝25.263·J·(mol·K)^-1，Cvm_c＝28.876·J·(mol·K)^-1和 Cvm_n＝20.811·J·(mol·K)^-1。

设爆炸前的温度为室温T₁＝25℃，即298.15K；

设爆炸后的最终温度为T₂，设参与爆炸的TNT为n摩尔，并且在爆炸腔内装有内装压缩O₂的预置氧气包，按照反应方程式(2)，其物质的量为5.25n·mol，在一次爆炸的作用下，随着温度的升高和爆炸作用，预置氧气包爆裂，释放出预置的O₂，参与二次爆燃，最终使得 TNT完全燃烧，因此产生的三种最终气体获得热量为n×95.39×104·J，产生的H₂O、CO₂和N₂物质的量分别为n₁＝2.5n·mol、n₂＝7n·mol和n₃＝1.5n·mol。

由于在爆炸所用的时间很短，而热量的传导需要时间，因此该密闭容器在爆炸瞬间可认为是绝热的，且该密闭容器的体积为V，因此在爆炸瞬间有：

nQ＝(n₁·Cvm_h+n₂·Cvm_c+n₃·Cvm_n)·(T₂-T₁) (3)

根据公式(3)解得T₂＝3515.286K。

因此，爆炸后的压强为：

P₂＝n_总RT/V＝11n×8.314×3515.286/V＝321486.9n/V(Pa) (4)

其中n_总为n摩尔TNT在有充足氧气情况下燃烧释放出的全部气体摩尔总数。

根据公式(4)，制定了爆炸挤压的方案和工艺参数，并进行了爆炸挤压加工无缝钢，材质为25#钢，但本实用新型不局限于该材料。以下表格为爆炸挤压加工25#钢无缝管工艺性，其中爆炸装置的材质均为H13钢，根据文献《喷射成形H13钢的组织与力学性能》提供的普通铸造H13钢的屈服强度σ_s＝1379MPa，按照安全系数为2.5设计，即爆炸产生的压强值不大于1397MPa/2.5＝558.5MPa进行加工生产，能保证爆炸装置不发生塑性变形。

爆炸挤压加工无缝钢管的工艺参数及工艺性

有益效果：采用本实用新型加工无缝管可以避免过分依赖电力加工无缝金属管，在战争时期电力被破坏的情况下仍能利用TNT炸药作为能源加工出无缝金属管，且采用本实用新型加工的无缝管由于塑性变形速度快，在微观组织方面，可避免长时间加工导致的晶粒长大，所得到的微观组织晶粒细小，因此性能可较传统方法提高。

附图说明

图1为本实用新型的立体结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为挤压杆的结构示意图；

图4为坯料的结构示意图；

图5为装料辅助杆的结构示意图；

图6为坯料安装过程的示意图；

图7为总装图；

附图标记：1、主体，2、装料孔，3、卡槽，4、泄气孔，5、定径孔，6、坯料孔，7、爆炸腔，8、成型体，9、挡板，10、球形阀，11、挤压杆，12、坯料，13、装料辅助杆，14、球形阀开关，15、TNT炸药与引爆雷管组合体，16、预置氧气包，17、引爆雷管导线，18、密封块。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的以及有益效果易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。

如图所示，一种爆炸挤压生产无缝金属管材的装置，包括一主体1和设置在主体1 内的爆炸腔7，在主体1的一侧设置有成型体8，成型体8内设置有与爆炸腔7相连通的圆柱形台阶孔，圆柱形台阶孔由直径较大的坯料孔6和直径较小的定径孔5连接而成，且坯料孔6的一端与爆炸腔7连通，定径孔5的一端与外部连通；在主体1上与成型体8相对的另一侧设置有挡板9，且挡板9上设置有向爆炸腔7内装填TNT炸药与引爆雷管组合体15的装料孔2，该装料孔2与圆柱形台阶孔同轴设置，以通过装料辅助杆13将挤压杆11和坯料12装填入圆柱形台阶孔内，在主体1上设置有用于打开和封闭装料孔2的卡板机构；所述主体1上设置有排出爆炸腔7内气体的泄气孔4，泄气孔4的开闭由球形阀10控制，在球形阀10上设置有用于引出引爆雷管导线17和球形阀开关14的通孔。

使用上述的爆炸挤压生产无缝金属管材的装置生产无缝金属管材的方法，包括以下步骤：

1)装填坯料12

首先对坯料12加热至900-1200℃，而后分别在挤压杆11的表面、坯料孔6的内壁和定径孔5的内壁喷刷一层玻璃粉作为润滑剂，将挤压杆11与坯料12连接，并通过装料件辅助杆13 将两者通过装料孔2插入坯料孔6内，且使坯料12的另一端与坯料孔6的前端面重合，然后将装料辅助杆13拆卸去掉，完成坯料12的安装；

2)填装TNT炸药与引爆雷管组合体15

从泄气孔4装入引爆雷管导线17，从装料孔2向爆炸腔7内装填TNT炸药与引爆雷管组合体15，并从装料孔2将TNT炸药与引爆雷管组合体15中的引爆雷管与引爆雷管导线17连接，再通过卡板机构封闭装料孔2；

3)爆炸挤压

通过导线在50m距离以外引燃雷管，从而使TNT炸药随之发生爆炸，由于爆炸腔7为密闭环境，而坯料12经过加热后相对其他部件硬度低，因此爆炸产生的压强迫使挤压杆11推动坯料12通过定径孔5挤出无缝管材；最后打开球形阀10使爆炸腔7的剩余压力通过泄气孔 4卸去，完成无缝管材的挤压。

以上为本实用新型的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的改进、优化和限定：

如，所述卡板机构包括一与装料孔2垂直且将其截断为两部分的卡槽3，在该卡槽3内卡设有密封块18；

又如，所述主体1由下部的长方体和上部的半球体构成，且爆炸腔7位于长方体和半球体连接处，此时爆炸腔7为球形，装料孔2与圆柱形台阶孔位于同一直线上，且穿过爆炸腔7的球心；所述挡板9设置在长方体上部，且挡板9与半球体之间具有间隙形成卡槽3，卡槽3 内卡设有密封块18以形成卡板机构；

再如，所述爆炸腔7内设置有预置氧气包16，预置氧气包16为内部装有氧气的PVC材料制成的壳式压力容器；

又再如，所述挤压杆11为两段直径不等的圆柱形成的台阶轴，且其直径小的一端的外径与所要加工的无缝管材内径相等，直径大的一端的外径与坯料孔6内径相等，在挤压杆11的两端均设置有外螺纹；所述坯料12为管状件，坯料12的外径不超过坯料孔6的内径，坯料 12的内径大于挤压杆11直径小的一端的外径，且坯料12处于坯料孔6内时，其一端抵在坯料孔6与定径孔5的交界处；所述装料辅助杆13包括两段圆柱状杆体，且两段杆体的一端分别设置有与挤压杆11两端部的外螺纹相配合的内螺纹；

最后，装料孔2水平设置，且其直径应大于坯料孔6直径5-10mm。

本实用新型中，优选的方案是，将上述所有的额外附加改进都结合起来，此时，本实用新型的使用方法为：

1)装填坯料12

首先对坯料12加热至900-1200℃，而后分别在挤压杆11的表面、坯料孔6的内壁和定径孔 5的内壁喷刷一层玻璃粉作为润滑剂，将挤压杆11直径小的一端穿入坯料12的内孔，使坯料12的一端紧贴挤压杆11直径粗一端的端部，且坯料12内径与挤压杆11直径小的一端间隙配合；将两件装料件辅助杆13分别通过螺纹连接于挤压杆11的两端，再将与挤压杆11 直径细的一端相连接的装料辅助杆13从装料孔2插入坯料孔6，使坯料12的另一端与坯料孔6的前端面重合，然后将两件装料辅助杆13拆卸去掉，完成坯料12的安装；

2)填装TNT炸药、引爆雷管和预置氧气包16

从泄气孔4装入引爆雷管导线17，该引爆雷管导线17具有插接口，以节约装填时间，从装料孔2向爆炸腔7内装填TNT炸药与引爆雷管组合体15和预置氧气包16，并从装料孔2 将TNT炸药与引爆雷管组合体15中的引爆雷管与引爆雷管导线17连接，再将密封块18插入卡槽3内形成堵塞装料孔2的卡板机构；

3)爆炸挤压

通过导线在50m距离以外引燃雷管，从而使TNT炸药随之发生爆炸，由于爆炸腔7为密闭环境，而坯料12经过加热相对其他部件硬度低，因此爆炸产生的压强迫使挤压杆11推动坯料12通过定径孔5挤出无缝管材；最后打开球形阀10使爆炸腔7的剩余压力通过泄气孔4 卸去，完成无缝管材的挤压。

下面结合具体实施例对本实用新型做进一步的阐述：

本实施例包括爆炸挤压机主体1、挤压杆11、装料辅助杆13、密封块18、球形阀10、球形阀开关14和坯料12，其中装料辅助杆13为2件，其余为1件。

本实施例的爆炸挤压机主体1的下半部为长方体，如图1和2所示，具有平面底部，底部水平截面形状为长方形，尺寸为1000mm×1200mm，高500mm；所述爆炸挤压机主体1的上半部为半球形体，半球形体的外缘半径R为500mm，内部为空心结构的球形内腔，形成爆炸腔7，其半径r为360mm；上半部的半球体与下半部长方体相接处有一圆柱形凸台，即为成型体8，其半径r₁为300mm，成型体8的端面与所述长方体的一个侧面平行，轴线为水平方向，长度为450mm。成型体8内具有水平方向的圆柱形台阶孔，圆柱形台阶孔的粗端用于安装坯料12，即坯料孔6，其半径r₂为250mm，台阶孔的细端用于确定挤压无缝管的外径，即定径孔5；其半径r₃为50mm，与成型体8所在位置相背的长方体的侧面具有一个挡板9，挡板9的厚度d为200mm，总高度h为700mm，挡板9的一面与长方体的一个侧面竖直重合，挡板9的另一面与球形体之间形成一个竖直卡槽3，其厚度为 135mm，所述卡槽3以挡板9上表面为基准，深d₁为280mm；所述挡板9上有一水平通孔，即装料孔2，其半径r₄为255mm，且装料孔2的轴线与所述坯料孔6的轴线重合，且所述半球形体的球心在装料孔2的轴线上；所述球形顶部的上端有球形阀10，球形阀10为常见通用装置；爆炸挤压机内的爆炸腔7上部有一竖直孔，为泄气孔4，泄气孔4与所述球形阀10相通，球形阀10侧面有一水平通孔用于引出雷管的引爆雷管导线17和安装球形阀开关14。

本实用新型的挤压杆11为台阶轴形状，如图3所示，细端用于确定挤压无缝管的内径，半径r₅为40mm，长度600mm。粗端半径r₅与所述坯料孔6半径r₂相等，为250mm，长度150mm。两端都有突出外螺纹，标号M30，长35mm，在安装坯料时与两个装料辅助杆13的端部内螺纹配合，用于安装坯料时吊装。

本实用新型的装料辅助杆13为一圆柱形杆料，如图5所示，长度1300mm，半径r₆为48mm，一端有螺纹孔，螺纹公称直径与所述挤压杆11两端的外螺纹相等，为M30，深 30mm。在本实施例的挤压系统中有两件完全一样的装料辅助杆13。

本实施例的坯料12截面为圆环状，如图4所示，内圆半径r₇为42mm，外圆半径r₈为240mm，长度400mm。

本实施例的密封块18为一长方体，长、宽、高分别为1000mm、135mm、500mm。所述长度与爆炸挤压机主体1的外形尺寸一致，所述宽度与卡槽3厚度相等，纵向高度大于等于所述卡槽3高度。

本实施例的TNT药量为4069.44g，均分成8份，压制成密度为1.5g/cm³，半径为 30mm，长度为120mm的炸药棒。预置氧气包16采用PVC壳压力容器，氧气含量为 3011g。

本实施例装置的使用方法：

1)装配坯料：预热45号钢坯料12至1050℃，在挤压杆11的外缘和爆炸挤压机主体1上的定径孔5和坯料孔6喷刷常规玻璃粉作为润滑剂，将挤压杆11的细端穿入坯料12的内孔，坯料12与挤压杆11间隙配合，使坯料12的一端紧贴挤压杆11粗端；将两装料件辅助杆13分别通过螺纹连接于挤压杆11的两端。将与挤压杆11细端相连接的装料辅助杆13从装料孔2插入坯料孔6，使坯料12的另一端与坯料孔6的前端面重合，然后将两装料辅助杆13拆卸去掉，完成坯料12的安装工作；

2)填装TNT炸药、雷管、氧气：从爆炸挤压机主体1的上端泄气孔4装入引爆雷管导线17，所有引爆导线的线头具有插接口，以节约装填时间。从装料孔2装填TNT炸药与引爆雷管组合体和预置氧气包16，从装料孔2将所述引爆雷管导线17与引爆雷管组合体15中的引爆雷管连接，本实施例的雷管选通用起爆药JH-14，采用8#铜壳，将密封块18装入卡槽3；

3)爆炸挤压：通过导线在50m距离以外引燃雷管，TNT炸药随之发生爆炸，由于爆炸腔7 为密闭环境，而坯料12经过加热后相对其他部件硬度低，因此爆炸产生的压强迫使挤压杆 11推动坯料12通过定径孔5挤出无缝管材；最后打开球形阀10使爆炸腔7的剩余压力通过泄气孔4卸去，完成无缝管材的挤压。

以上显示和描述了本实用新型的主要特征、基本原理以及本实用新型的优点。本行业技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。