摘要：系统地研究了利用爆炸成形技术修复内腔严重磨损的圆管连铸结晶器的方法，并对爆炸修复的原理、变形能及药量计算等进行了分析。大量的实验结果表明，圆管结晶器的爆炸修复是可行的，修复后的结晶器在钢铁的连铸连轧生产中已得到成功的再次应用。

关键词：爆炸修复；挤压胀形；圆管结晶器

  结晶器作为连铸机的1个重要部件，担负着将液态钢水凝固成坯壳的重要任务。管式结晶器的材料多为紫铜或铜合金，由于它在生产中所处工艺的特殊性，使得对其内腔的形状和精度要求很高，采用常规的加工方法加工结晶器非常困难，国外有采用爆炸的方法进行成形加工，但是这种独特的加工方法已经成为生产厂家的商业机密，所有这些都决定了结晶器的价格非常昂贵。目前国内大的钢铁企业对待这一问题主要有两个方法，一是进口；二是国内加工。由于结晶器在工作过程中受到钢水的不断冲刷，内壁磨损很快，每年都会产生大量不符合精度要求的废旧结晶器。如何能够既降低生产成本，又合理地利用废旧结晶器，成为众多钢铁生产企业急待解决的问题。内蒙古工业大学通过大量的实验研究，成功地利用爆炸修复的方法圆满地解决上述问题，并且实现了工业应用的目的。

1  圆管结晶器爆炸修复原理及药量计算

1．1  修复原理

    在现代特种成形的科技领域中，以炸药为能源的爆炸成形历史最悠久，应用最为广泛。采用爆炸成形技术修复结晶器铜管，就是把标准的芯模通过油压机压人到内腔磨损的结晶器中，再利用敷设在毛坯材料外表面的炸药爆轰所释放出来的巨大冲击能量，对管坯进行加载，使管坯获得足够的能量向芯模表面运动，当管坯材料与芯模完全贴合时，管坯材料的高速运动停止。管坯在三向压应力的作用下发生塑性流动，由于其在贴模的时候受到芯模对它非常高的反向压力作用，所以管坯内腔形成与芯模形状完全一致，表面尺寸精度和表面光洁度都很高的管坯零件。管坯示意图见图1，管坯非边界单元体的应力、应变示意图见图2。

    爆炸时，要保证管坯整个内表面可靠贴模，且不产生复合现象，所用药量的用量及分布十分重要。芯模应保证有足够高的表面尺寸精度和光洁度。管坯应无气孔、划痕、锐边、毛刺、凹穴等缺陷，以达到成形零件的内表面精度和光洁度要求，同时便于顺利脱模。

1．2  药量计算

1．2．1  成形过程的能量分析

    当炸药被雷管引爆后，爆炸化学反应经过一段的加速进入稳定爆轰。同时，爆炸产物以1／4的爆速跟随爆轰波运动。根据爆轰理论，炸药爆炸后，其化学能Q以3种形式释放出来：爆轰波Q。和爆炸产物高速运动的动能Q，以及爆热Q，这3种能量在炸药总化学能中所占有的比例大约是：36．6％，42％和21．4％。实践证明，爆热对爆炸成形是没有直接贡献的，因此在计算爆炸成形能量的时候，只考虑爆轰波和爆炸产物两种。当与铜管坯接触的炸药爆炸以后，爆轰波和爆炸产物的部分能量E便传递给了铜管坯，铜管坯吸收该能量后高速向芯模运动。当它和芯模接触时发生撞击，借助这个撞击过程，能量E将转换成多种形式的能量。这个能量除了实现铜管坯的塑性变形能E₁外，还引起了芯模的弹性变形能E₂和消散能E₃(包括振动能和声能)。

    因此平衡式如下：E=E₁+E₂+E₃。上式中E₁是促使铜管坯塑性变形贴模，即管坯内腔形状的尺寸精度和芯模的外表面一致，达到加工要求的有效能。根据以上爆炸压缩成形加工全过程的能量分析，可以得到如下的能量平衡：

    E1=K₁ E=K₂(Q₁+Q₂)=ηQ

    式中，0<η<<1，0<K₁<1，0<K₂<1。

    在试验过程中希望E尽可能大，如通过在装置四面敷设水袋，可以提高炸药能量利用率；芯模只允许发生弹性变形，不允许产生塑性变形，故药量必须控制好以减少E，同时要选用弹性模量较高的材料作芯模，并进行热处理。

1．2．2  药量的计算

    实践表明，应变速率对材料的流动应力有明显影响。爆炸成形是在高应变速率下进行的，但是在爆炸成形过程中，建立粘塑性模型十分困难，为了便于工程应用，我们采用塑性力学模型计算应变能，并提出如下假设：(1)不考虑应变速率效应；(2)材料为不可压缩的刚塑性硬化材料；(3)应力主轴和应变主轴重合，应变沿各个方向均匀分布；(4)管坯完全贴模。根据Mises屈服准则，在比例加载条件下，单位体积的应变能增量可写成：

    考虑应变硬化，流动曲线用指数方程表示。

式中，K为材料强化系数；n为材料硬化指数。从而可以计算单位体积应变能u及管坯的总应变能U为下式：

铜管坯的总应变能U的表达式如下 （数学推导过程从略）：

式中，r为圆角半径；h为铜管坯高度；d为铜管坯和芯模之间的平均间隙；t为铜管坯的平均厚度。

   总变形能U的计算式是在以上假设条件的基础上建立起来的，实质就是忽略了芯模的弹性变形能，在铜管坯刚刚贴模时的最小应变能，它是理论上的下限值。根据能量相等的原则，我们得到药量W的下限计算公式：

W=U／ηe    (8)

式中，η为炸药能量利用率；e为炸药的比能量，即炸药单位质量所释放出的能量。

  实际用药量计算公式：

            W=βU/ηe

  式中，β由实验得到的系数，β=70％～90％．

2   实验

2．1爆炸成形实验装置

在经过几次试验探索后，最后确定的实验装置如图3所示。在爆炸加工前要对芯模外表面均匀涂抹一层脱模剂，以便于爆后顺利脱模；为了防止炸药对铜管外表面的损伤并且使爆炸能量对管坯均匀作用，在管坯外裹一层缓冲层。同时，由于在成形过程中真空度的高低会直接影响爆炸成形的效果，所以要采用一定的密封装置。

2．2实验结果与分析

爆炸成形后的管坯在油压机上反向挤出，由于管坯有一定锥度和芯模涂有脱模剂，脱模力约为5 t。成形零件脱模后，通过直观观察，其表面状况非常良好，其后分别对芯模和铜管坯进行了测量，并和爆炸前的数据进行了对比，发现芯模的尺寸在试验前后几乎没有发生变化，这说明芯模在爆炸加工过程中仅仅发生了微小的弹性形变，而没有发生塑性变形。表1～表4为爆炸修复结晶器的数据及参数。

经过多次试验的数据表明，实验所用的药量及一些具体的参数选取正确，外表面保护措施得当；管坯贴模状况良好，内表面精度很高，同时还提高了圆管连铸结晶器的硬度。

3  结  论

 利用爆炸成形技术修复具有复杂内腔形状的圆管连铸结晶器在理论和实践上是可行的，所生产的圆管结晶器已在工业生产中得到成功的试验运行；修复后，管坯的硬度有一定程度的提高，这使管坯的使用寿命增加，与其它加工方法相比而言，结晶器的成本大为降低。