環(huán)境氣體壓力對鎢系延期藥鉛皮延期索燃速的影響

彭加斌，苗久廠，李哲雨，周 曌，肖 勇 ，李 春

（1. 西安物華巨能爆破器材有限責任公司，陜西 西安，710061；2.大慶油田有限責任公司試油試采分公司射孔大隊，黑龍江 大慶，163000；3.延安吳起采油廠開發(fā)科，陜西 延安，717600）

鎢系延期藥鉛皮延期索是目前應用非常廣泛的一種慢燃速索式延期火工品，它不僅廣泛應用在軍品上，還在民用爆破器材上得到越來越多的應用，關于它的研究也越來越多[1-2]。李繼等[3]認為延期索的不同部位對延期時間精度有著較大的影響，并比較了延期索式結構和直填直壓式結構的延期時間精度；周海卿等[4]研究了索式延期體的其它紡織方法，并比較了其秒量與鉛結構延期體秒量的精度；李峻東等[5]對索式延期體的工藝進行了研究；陳志軍等[6]分析了延期藥、延期體芯數、工藝條件(包括點火藥、延期體、長度、電點火藥頭等)對延期時間的影響，最后創(chuàng)新地提出了長延期體絲技術（即索式延期體技術），證實長延期體絲技術的新型延期結構具有可靠、穩(wěn)定的延期性能等。目前鎢系延期藥被普遍認為是微氣體延期藥，其燃速受環(huán)境氣體壓力的影響很小，但實驗研究顯示，環(huán)境氣體壓力對鎢系延期藥鉛皮延期索燃速的影響是較為明顯的，筆者對此開展了研究。

1 實驗方法

1.1 鎢系延期藥鉛皮延期索的制作

本實驗鎢系延期藥的配方[7]為：wW/wKClO4/wBaCrO4/w添加劑＝42/8/50/5。按比例準確稱取總重為1 500g的上述原料，先將KClO4和BaCrO4混合，再將W粉加入，過100目篩5遍，形成均勻墨綠色粒狀鎢延期藥粉末。將延期藥總質量5%的硅藻土與之混合，再過100目篩5遍。在真空干燥箱烘干3h，最后存放在干燥器中待用。將準備好的1 500g鎢系延期藥裝入經過處理的鉛管，然后將裝藥的鉛管進行拉拔，經過多次拉拔，最終形成實驗需要的某型鎢系延期藥鉛皮延期索。

1.2 實驗體制作

如圖1所示，將兩根長650mm的鎢系延期藥鉛皮延期索纏繞在某裝置的螺旋溝槽里，然后在該裝置一端壓裝點火藥（輸入端），另一端壓裝起爆藥和炸藥（輸出端）。

1.3 延期時間測試

延期時間測試裝置如圖2所示。

由圖2可見，將實驗體的輸入端與電點火頭進行連接，然后放入壓力罐中，關上蓋。啟動壓力泵對壓力罐進行加壓，到預定壓力值時，關閉壓力泵。最后點火，開始計時，當聽到爆炸聲時計時結束，時間差即為該段鎢系延期藥鉛皮延期索在室溫下某環(huán)境氣體壓力下的延期時間。

1.4 燃燒速度計算

將裝置中鎢系延期藥鉛皮延期索的長度計為l(mm)，秒表測得時間計為t(s)，鎢系延期藥鉛皮延期索的燃速計為v(mm/s)，其計算公式為：v=l/t。

2 結果與討論

2.1 實驗結果

按圖2所示的實驗方法進行了多次實驗，其結果見表1。其燃燒速度和環(huán)境氣體壓力的關系見圖3。

表1 不同段別索式延期體在20℃、不同環(huán)境氣體壓力下的延期情況Tab.1 Delay time of different type objects under different ambient air pressure at 20℃

從表1 結果看，4種不同段別的索式延期體在不同環(huán)境氣體壓力下都表現為相同的規(guī)律：隨著環(huán)境氣體壓力的增加，其延期時間在不斷減小；圖3中曲線顯示，4種不同段別的索式延期體的燃燒速度都隨環(huán)境氣體壓力的增加而不斷變大。傳統(tǒng)觀點認為鎢系延期藥為微氣體延期藥，其燃燒速度受環(huán)境氣體壓力的影響應該很小[8]；實際上，鎢系延期藥燃燒會產生少量氣體[9]，根據化學熱力學原理，增加環(huán)境氣體壓力將延緩其燃燒反應的速度，至少不會加快燃燒速度。

圖3 不同段別索式延期體在不同環(huán)境氣體壓力下的燃速變化Fig.3 Change of burning rate of different type objects with ambient air pressures

2.2 結果討論

首先，對鎢系延期藥鉛皮延期索的燃燒過程做簡單分析。延期藥燃燒是一個氧化和還原的過程，隨著反應的進行，伴隨著熱量的產生和傳遞以及固體殘渣和少量氣體產物的生成[8]。對于正在燃燒的鎢系延期藥鉛皮延期索，在燃燒面附近通常劃分3個區(qū)域，即預熱區(qū)、反應區(qū)和燃燒產物區(qū)，其示意圖見圖4。

圖4中的延期藥劑開始燃燒面為拋物面，此燃燒過程的模型可在實驗中得以驗證，見圖5。圖5為采用快速冷卻法將正在燃燒的延期索快速冷卻后進行解剖的燃燒面剖切圖，該實驗說明延期索燃燒面為拋物面。在預熱區(qū)（藥劑開始溫升面至藥劑開始燃燒面之間），延期藥由于得到了從反應區(qū)傳導來的熱量，其溫度由原始環(huán)境溫度T0逐漸上升至發(fā)火點T1，即開始燃燒并過渡到反應區(qū)。該區(qū)域的延期藥劑及其外鉛保護層均處于固相。在反應區(qū)，氧化劑和可燃劑激烈反應，放出大量的熱，使該區(qū)溫度由發(fā)火點T1升高至T2（T2為燃燒反應區(qū)的最高溫度）。該區(qū)域中的延期藥劑和反應中間產物或最終產物已處于固液相共存狀態(tài)，圖6為鎢系延期藥柱在某金屬管中燃燒時從金屬管孔流出來的流體，這現象正是燃燒反應區(qū)物質固液相共存狀態(tài)的例證。而此區(qū)域的鉛保護層也開始逐層熔化（由內向外）。燃燒產物區(qū)通常是由燃燒后的固態(tài)或液態(tài)氧化物和未參加反應的惰性物質等組成，該區(qū)由于熱量的不斷散失，其溫度逐漸降低，直至與環(huán)境溫度達成平衡。在反應結束面到反應產物完全固化初始面之間的區(qū)域內，鉛保護層逐漸熔化殆盡，其燃燒產物由流體狀態(tài)逐漸冷卻為固態(tài)。圖7為某延期索燃燒時外觀的變化。其情況與以上幾個區(qū)域的分析基本一致。

圖6 鎢系延期藥燃燒時流體的溢出Fig.6 Overflow of fluid in burning area of tungsten delay composition

圖7 延期索燃燒的外觀Fig.7 Photo of delay fuse on combustion

燃燒理論[10]認為，燃燒產物運動方向與燃燒波傳播方向是相反的，在圖4 中表現為，燃燒波向右運動而固液流體向左運動。鎢系延期藥鉛皮延期索在一定環(huán)境氣體壓力下燃燒時，各區(qū)域受到環(huán)境氣體壓力的作用。在預熱區(qū)，由于該區(qū)域的延期藥劑及其外鉛保護層均處于固相，因此環(huán)境氣體壓力難以傳遞給燃燒反應區(qū)。在燃燒產物區(qū)的完全固相段，同樣無法傳遞環(huán)境氣體壓力，并作用于燃燒反應區(qū)。在反應區(qū)和燃燒產物區(qū)的固液相共存段，由于鉛保護層沒有完全熔化，因此作用在未完全熔化鉛上的環(huán)境氣體壓力可以通過該區(qū)域內的流體傳遞到燃燒面上，這樣就減緩了流體正常離開燃燒面的速度，從而延長了高溫流體在燃燒面的滯留時間，造成了對待點燃延期藥劑的過能量點火，最終表現為燃燒速度加快，延期時間縮短。隨著環(huán)境氣體壓力增加，燃燒產物的高溫流體對燃燒面的滯留時間越長，對待點燃延期藥劑的過能量點火越強，結果燃燒速度越快，延期時間越短。

3 結論

在不同環(huán)境氣體壓力下，鎢系延期藥鉛皮延期索的延期時間隨著環(huán)境氣體壓力的增加而縮短，燃燒速度隨著環(huán)境氣體壓力的增加而變大。對于微氣體延期藥表現出這種異常的規(guī)律，筆者認為與延期索外金屬保護層的低強度和反應產物的高溫流體特性有關。環(huán)境氣體壓力作用在強度較低的鉛保護層上，再通過該區(qū)域內的流體傳遞到燃燒面上，減緩了流體正常離開燃燒面的速度，從而延長了高溫流體在燃燒面的滯留時間，形成了對待點燃延期藥劑的過能量點火，最終表現為燃燒速度加快，延期時間縮短。

[1]王凱民,溫玉全,編著. 軍用火工品設計技術[M].北京：國防工業(yè)出版社, 2006.

[2]蔡瑞嬌,編著.工品設計原理[M].北京:北京理工大學出版社,1999.

[3]李繼.提高延期裝置時間精度關鍵問題的試驗研究[D].南京:南京理工大學,2005.

[4]周海卿,等.導爆管雷管延期體結構改進[J].火工品,2003(1):45-46.

[5]李峻東,等.某延時起爆器延期時間的工藝控制[J]. 爆破器材,2011,40(2):45-46.

[6]陳志軍.工業(yè)雷管延期精度的研究[D].南京:南京理工大學,2010.

[7]許峻峰,等.粘合劑對鎢系延期藥燃速的影響[J].含能材料,2007,15(2):144-147.

[8]劉自鐋,蔣榮光,編著.工業(yè)火工品[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2003.

[9]Joseph Howard Mclain. Pyrotechnics from the view of solid state chemistry[M]. USA: The Franklin Institute Press,1980.

[10]惠君明,陳天云.炸藥爆炸理論[M].南京：江蘇科技出版社，1995.