硝酸鉀對熱劑切割彈切割性能的影響

王 森，辛文彤，吳永勝，曲利峰，吳藝英

（1.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊，050003；2.重慶軍事代表局駐107廠軍事代表室，重慶，610000）

在工業(yè)應(yīng)用中往往需要對材料的幾何形狀和尺寸等進(jìn)行切割處理。目前，切割技術(shù)在理論、工藝、切割對象及設(shè)備等方面都得到了長足的發(fā)展。由最初單一的氧氣切割發(fā)展到激光切割、等離子切割、水射流切割等多種切割技術(shù)，切割效率、切割質(zhì)量等都逐步提高并適應(yīng)了現(xiàn)代化工程需求。但在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中不僅追求高精度高質(zhì)量的切割技術(shù)，而且對其環(huán)境的適應(yīng)性同樣有一定的要求。特別是在復(fù)雜環(huán)境下，諸如戰(zhàn)場搶修、自然災(zāi)害等，更加要求切割技術(shù)具有反應(yīng)快速、便攜的特點(diǎn)。但傳統(tǒng)切割設(shè)備的技術(shù)復(fù)雜性較高、便捷性差、安全性不穩(wěn)，而熱劑切割彈內(nèi)的切割劑能夠維持自蔓延燃燒[1]，可以利用切割劑燃燒反應(yīng)放出的高溫?zé)嵩醇叭紵a(chǎn)生的吹力進(jìn)行切割，具有無需外接能源及設(shè)備、小巧便捷、操作簡單、切割效率高的特點(diǎn)。本文通過試驗(yàn)研究切割彈中造氣劑硝酸鉀含量對切割彈切割效果的影響。

1 試驗(yàn)部分

切割彈全彈長90mm，彈徑為25mm，彈殼為1.5mm厚紙管；切割劑為固體粉末混合壓制成的中空結(jié)構(gòu)，中空孔道約為彈徑的1/5左右；彈內(nèi)前端為石墨或陶瓷材質(zhì)、內(nèi)錐孔加直孔結(jié)構(gòu)的噴嘴，噴嘴厚10mm、直孔口徑4mm，噴嘴外徑同彈殼內(nèi)徑，并采用耐高溫粘接劑與彈殼內(nèi)徑粘接。切割彈結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 切割彈結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of combustion cutting ammunition

試驗(yàn)所用打孔工件材料為Q235鋼板，試件尺寸：70mm×40mm ×10mm；切割彈垂直于工件表面，距工件約10mm。切割彈內(nèi)切割劑由高熱劑、造氣劑、造渣劑和合金劑等組成，高熱劑為鋁熱劑，造氣劑選用吸濕性低的分析純硝酸鉀，在對切割劑進(jìn)行配比和成型的過程中均未添加粘結(jié)劑。保持切割劑內(nèi)各組分含量不變，對硝酸鉀含量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，試驗(yàn)方案見表1。

表1 試驗(yàn)方案Tab.1 Test scheme

切割劑各組分經(jīng)三維混料機(jī)混合后，置入恒溫90°的鼓風(fēng)干燥箱2h后，進(jìn)行沖壓成型。切割時(shí)將熱劑切割彈裝填入特制切割槍中，手持切割槍對準(zhǔn)工件，擊發(fā)切割彈底火，底火引燃切割劑，產(chǎn)生高溫液流和高壓氣體，產(chǎn)物經(jīng)噴嘴聚能壓縮后噴出，將鋼結(jié)構(gòu)件局部熔化，實(shí)現(xiàn)切割和打孔。利用攝像機(jī)采集切割彈切割工件時(shí)的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 硝酸鉀對切割彈燃燒過程的影響

切割劑中硝酸鉀含量與切割彈噴射時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。由圖2可見，硝酸鉀含量在低于6.3%內(nèi)變化時(shí)，隨著其含量增加，切割彈噴射時(shí)間增長；硝酸鉀含量超過6.3%后，噴射時(shí)間逐漸縮短，燃燒速度加快。隨著硝酸鉀含量在6.3%內(nèi)逐漸增加，試驗(yàn)中煙霧量增加、飛濺量加大。

圖2 硝酸鉀含量與切割彈噴射時(shí)間關(guān)系Fig.2 Relation between ejection time and content of KNO3

硝酸鉀含量的增加導(dǎo)致切割劑燃燒產(chǎn)生的總熱量降低。根據(jù)蓋斯定律：

式（1）～（2）中：△H1為298K時(shí)切割劑完全燃燒時(shí)的焓變，為使系統(tǒng)溫度升高所需的熱量，ni為摩爾系數(shù)，為物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。根據(jù)熱力學(xué)手冊查出硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)生成焓為-494.04 kJ/mol，可知隨著硝酸鉀含量的上升切割彈內(nèi)的絕熱溫度降低，造成切割劑反應(yīng)速率下降、噴射時(shí)間增長。其實(shí)質(zhì)原因在于：一方面溫度降低反應(yīng)物分子的運(yùn)動(dòng)速度降低、總碰撞數(shù)減少，從而使反應(yīng)速度降低；另一方面，溫度降低使具有較大能量的活化分子數(shù)降低，有效碰撞數(shù)較少，從而使反應(yīng)速度降低[2]。

硝酸鉀含量超過6.3%后，硝酸鉀分解產(chǎn)生氣體量較多，彈內(nèi)部工作壓強(qiáng)指數(shù)絕對值大，起主導(dǎo)作用。對于這種情況，工作壓強(qiáng)的變化僅僅是由于切割劑燃燒速度變化引起，換熱系數(shù)為：

而傳熱表面積SC=Const，故燃燒時(shí)間內(nèi)的總熱損失為：

由此可見，在這種情況下，工作壓強(qiáng)的提高會(huì)使總熱損失減少。這是因?yàn)?，壓?qiáng)的提高能增加對流運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度（燃?xì)獾倪\(yùn)動(dòng)黏度降低），使換熱系數(shù)增大，與此同時(shí)切割劑燃燒時(shí)間縮短[3]。因此，切割彈內(nèi)壓力對燃速影響顯著，等容環(huán)境下彈內(nèi)的切割劑燃燒造成壓力迅速增加，其反應(yīng)速度較開放條件更快，因而噴射時(shí)間縮短。

2.2 硝酸鉀對打孔質(zhì)量的影響

切割彈以煙火藥作為切割能源，其打孔步驟大致為：首先，噴嘴處噴出髙溫液流將工件表面加熱熔化，初步形成熔池，熔池內(nèi)的液態(tài)金屬及熔渣提供熱量將孔洞邊緣熔化，增加上層孔洞直徑，同時(shí)對下層金屬進(jìn)行預(yù)熱；然后，切割彈噴射出的高溫、高速氣流吹除上層熔渣，沿厚度方向打孔，下層金屬受到預(yù)熱作用，沿深度方向的熔池停留時(shí)間逐漸縮短，徑向熔化減少，依次形成熔池，不斷循環(huán)進(jìn)行工件的打孔；最終，沿厚度方向形成喇叭孔，孔上表面直徑大于下表面孔直徑。由分析可見，熱劑切割彈的打孔中會(huì)出現(xiàn)上表面孔徑大、孔洞厚度方向形成喇叭孔的缺陷。

在不改變切割劑其他成分條件下，表1中1#至8#切割劑均能實(shí)現(xiàn)對70mm×40mm×10mm的Q235鋼板的穿孔。切割彈打孔時(shí)間短，打孔完畢后工件自然冷卻，未出現(xiàn)工件變形的情況。各孔洞上表面直徑與硝酸鉀含量的關(guān)系見圖3。

圖3 硝酸鉀含量與錐孔上表面直徑關(guān)系Fig.3 Relation between diameter of upper surface and content of KNO3

由圖3可見硝酸鉀含量低于3.3%時(shí)，孔洞上表面直徑隨著硝酸鉀含量增加而降低。原因在于工件厚度僅有10mm且面積較小，具有加熱速度快、散熱慢的特點(diǎn)[4]，而硝酸鉀含量較少時(shí)吹力較小，熔池停留時(shí)間長，熱量向熔池周圍擴(kuò)散，引起孔上表面邊緣熔化，造成孔洞上表面直徑較大；當(dāng)硝酸鉀含量超過4.8%后孔洞上表面直徑變化較小。硝酸鉀含量上升后，硝酸鉀吸熱分解生成氣體量增加，可有效增加切割彈吹力。一方面使液流能量有效地集中作用在工件表面[5]；另一方面吹力增加，熔池停留時(shí)間縮短，可以實(shí)現(xiàn)對工件下層金屬的預(yù)熱且不至于將工件邊緣迅速熔化。繼續(xù)增加硝酸鉀后，切割彈內(nèi)的壓力增加，切割劑燃燒速度加快，吹力加大，噴射時(shí)間縮短，對孔洞上表面直徑影響變小。

孔洞錐度角定義見圖4。

圖4 錐孔角度示意圖Fig.4 Taper of the hole

孔洞錐度與硝酸鉀含量的關(guān)系見圖5。

圖5 硝酸鉀含量與孔洞錐角關(guān)系Fig.5 Relation between taper of the hole and content of KNO3

由圖5可見硝酸鉀含量低于4.8%時(shí)，隨著硝酸鉀含量增加孔洞錐度逐漸縮小，趨于直孔。原因在于硝酸鉀含量的增加使彈內(nèi)壓力和氣體生成量增加，切割彈吹力增大，則噴射液流的速度增加，能量密度加大集中作用于工件表面，但火花飛濺程度也加大；同時(shí)熔渣和熔融金屬停留時(shí)間縮短，孔洞上表面直徑縮小，故形成孔洞的錐度逐漸縮小。當(dāng)硝酸鉀總量超過4.8%后，孔洞錐角略有變化但整體變化不大。這是因?yàn)橄跛徕浐吭黾邮骨懈顝棶a(chǎn)氣量增加，吹力也顯著增加，并且硝酸鉀分解后產(chǎn)生的氧氣量增加，部分氧氣與達(dá)到燃點(diǎn)的金屬反應(yīng)燃燒放出熱量，補(bǔ)償硝酸鉀增加所降低的切割劑總熱量，提高工件的熔化速度并對下層金屬提供預(yù)熱，實(shí)現(xiàn)工件穿孔。在試驗(yàn)中，穿孔后切割彈均持續(xù)噴射1s左右，切割彈高溫高速液流的持續(xù)沖刷對孔壁及下表面孔徑的擴(kuò)張起主要作用，測量后得出孔上表面直徑變化不大，經(jīng)沖刷后下表面孔的直徑與上表面直徑相近。硝酸鉀含量為7.8%時(shí)切割劑的打孔宏觀圖見圖6。

圖6 孔洞宏觀圖Fig.6 Appearance of the hole

經(jīng)清渣后孔洞表面呈銀白色金屬光澤，上表面為規(guī)則圓形。由于切割彈噴射終止前彈內(nèi)壓力迅速下降，使切割彈吹力下降，導(dǎo)致孔內(nèi)壁及下表面出現(xiàn)掛渣。經(jīng)改良切割劑配方，已經(jīng)較好地實(shí)現(xiàn)了脫渣。

3 結(jié)論

（1）硝酸鉀含量低于6.3%時(shí)，隨著其質(zhì)量的增加，切割劑的總熱量下降，切割劑燃燒速度減緩，噴射時(shí)間增長。超過6.3%后，產(chǎn)氣量增加，彈內(nèi)壓力作用顯著，致使切割劑燃燒速率提升，噴射時(shí)間縮短。硝酸鉀含量在4.8%和7.8%之間時(shí)，切割操作時(shí)間較適宜。

（2）硝酸鉀含量在3.3%內(nèi)變化時(shí)對孔洞上表面直徑影響顯著；超過3.3%后，切割彈吹力增加較快，熔池停留時(shí)間短，減緩了孔洞上表面邊緣熔化現(xiàn)象。

（3）硝酸鉀含量在4.8%內(nèi)逐漸增加時(shí)，上表面孔徑逐漸縮小，下表面孔徑較小，使得孔洞錐角逐漸縮?。划?dāng)硝酸鉀含量大于4.8%后孔洞錐角變化較小。

根據(jù)試驗(yàn)可以認(rèn)為硝酸鉀含量過低會(huì)出現(xiàn)燃燒速度快、吹力小、下層金屬預(yù)熱時(shí)間短、熔池停留時(shí)間長，且向邊緣熔化嚴(yán)重，以及形成孔洞錐角大的問題；硝酸鉀含量過高則產(chǎn)氣量增大，彈內(nèi)壓力增加，噴射速度加快、時(shí)間短，不利于切割。綜合各項(xiàng)得出硝酸鉀含量在4.8%～7.8%間打孔效果最佳。

[1]潘功配.煙火學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1997.

[2]王克秀,李葆萱,吳心平.固體火箭推進(jìn)劑及燃燒 [M].北京:國防工業(yè)出版社,1983.

[3]鄭亞,陳軍,鞠玉濤,等.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱學(xué)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[4]張應(yīng)立,羅建祥,張梅,等.金屬切割實(shí)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[5]吳永勝.一種手工自蔓延切割技術(shù)的研究[D].石家莊:軍械工程學(xué)院,2009.