鋁粉粒度對切割彈燃燒和切割機(jī)理的影響

吳藝英，朱秀英，高顯明，徐酉亮

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鋁粉粒度對切割彈燃燒和切割機(jī)理的影響

吳藝英，朱秀英，高顯明，徐酉亮

（中國白城兵器試驗(yàn)中心總裝備部輕武器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林白城， 137000）

基于切割彈燃燒合成過程及切割機(jī)理，通過實(shí)驗(yàn)分析研究了鋁粉粒度對切割彈切割性能的影響。實(shí)驗(yàn)表明，鋁粉粒度過?。ǎ?8μm）會使切割彈內(nèi)以鋁熱劑為主要成分的切割劑反應(yīng)過快，發(fā)生安全危險；鋁粉粒度過大（＞106μm）則導(dǎo)致反應(yīng)無法進(jìn)行。鋁粉粒度在一定范圍內(nèi)（48~106μm）可使切割彈發(fā)生穩(wěn)定的合成燃燒反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)切割。就切割效果而言，鋁粉粒度越小反應(yīng)速率越快，噴嘴出口壓力和速度越大，有利于切割厚鋼板；鋁粉粒度越大燃燒時間越長，熱量轉(zhuǎn)換效率越高，有利于切割薄鋼板。

切割彈；鋁粉粒度；燃燒合成反應(yīng)；切割機(jī)理

高溫自蔓延反應(yīng)（SHS）又稱燃燒合成反應(yīng)。其基本原理是利用外部提供的能量使高放熱反應(yīng)體系局部燃燒，反應(yīng)形成前沿燃燒波，在自身放出熱量的支持下，反應(yīng)隨著燃燒波繼續(xù)向前推進(jìn)，并合成具有指定成分和結(jié)構(gòu)的燃燒產(chǎn)物[1]。自蔓延高溫鋁熱劑反應(yīng)常用于一些工程應(yīng)用的熱源和一些先進(jìn)材料的合成。其中Fe2O3+Al鋁熱劑作為一個非常經(jīng)典的反應(yīng)體系早在1898年就被應(yīng)用于鐵軌的焊接，這一反應(yīng)體系同樣適用于材料的切割和打孔[2]。本文介紹了一種基于鋁熱燃燒合成反應(yīng)技術(shù)和固體火箭彈設(shè)計原理研制而成的新型切割技術(shù)——燃燒合成切割彈技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無需外界能源、攜帶方便、操作簡單的有效切割金屬的新型切割方法。

燃燒合成切割彈主要包括底火、彈殼切割劑和噴管5個部分[3]。其工作原理是利用彈內(nèi)切割劑（主要成分為Fe2O3+Al系和CuO +Al系鋁熱劑）燃燒產(chǎn)生的高溫熔融金屬射流對金屬材料進(jìn)行切割，以實(shí)現(xiàn)在無外加能源的條件下對金屬材料實(shí)現(xiàn)快速切割的熱切割技術(shù)。在兩種鋁熱反應(yīng)中可燃劑鋁都是非常重要的一種組分。因此，本研究通過研究鋁粉粒度對切割彈燃燒機(jī)理的影響，從而更加有效地實(shí)現(xiàn)切割彈的切割性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法和原理

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，從200目到600目之間篩選出如表1所示的5種粒度的鋁粉，每組鋁粉按化學(xué)計量比分別稱取Fe2O3和CuO各5組，混合均勻后得到Fe2O3+Al系和CuO +Al系各5組，置于容器中備用。

表1 鋁粉粒度

Tab.1 Granularity of Al

Fe2O3+Al系和CuO +Al系按照比例為4∶1的配比[3]制備5組切割劑，每組除鋁粉外的各組分粒度保持相同，既保證鋁粉粒度是唯一的變量，并添加一定量的造渣劑和稀釋劑。

配比完后在混料機(jī)中將原料進(jìn)行均勻混合，取出后置于110°恒溫烘箱烘烤2h，在常溫下冷卻，采用沖壓成型法壓制于切割彈內(nèi)。彈體前端為耐高溫材料的錐形石墨噴嘴，噴嘴半徑為2mm，彈長90mm、外徑26mm、中空孔道直徑6mm。彈內(nèi)切割劑密度為2.47g/cm3，裝藥量為63.6g。為安全和數(shù)據(jù)的測量，實(shí)驗(yàn)并未將切割彈裝入切割槍進(jìn)行切割，設(shè)計的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，從5到1的順序依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

實(shí)驗(yàn)時將切割彈與點(diǎn)火裝置固定在支架橫梁，控制器進(jìn)行點(diǎn)火控制，被切割工件為20mm厚的Q235鋼板，距切割彈噴嘴8mm，鋼板置于耐高溫石墨平臺，其底部與傳感器固連，用以測量燃燒時間和射流出口壓力，平臺可通過步進(jìn)電機(jī)控制移動，數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡傳送至計算機(jī)進(jìn)行處理。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對被切割工件——鋼板進(jìn)行清渣處理，分析其切割效果，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為方便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，減少切割人為因素帶來的誤差，切割時未控制電機(jī)進(jìn)行移動操作，通過切割熔融鋼板的孔深、熔化體積比較其切割效果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 燃燒速度

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，5號鋁粉粒度過大，難以引燃；4和3號的燃燒速度相對緩慢且伴隨斷續(xù)燃燒，噴射時間相對較長；2號燃燒時間和火花飛濺相對較小；1號燃燒火花飛濺及煙霧量較大，同時在1.2s左右噴嘴被噴出，導(dǎo)致切割持續(xù)作用時間很短。通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析和對燃燒時間的測量，可以發(fā)現(xiàn)鋁粉粒度的一個明顯作用是對切割彈噴射時間的影響，既隨著鋁粉顆粒尺寸的增加，燃燒速度降低。實(shí)驗(yàn)所測切割彈燃燒時間隨粒度的變化如圖2所示。

圖2 燃燒時間隨鋁粉粒度變化曲線

由圖2可見，在未引燃（5）和彈內(nèi)壓力過大（1）兩個臨界狀態(tài)下，隨著鋁粉粒度的增大，燃燒時間逐漸增加。這是因?yàn)閷τ谇懈顝椀母邷刈月樱⊿HS）過程，其反應(yīng)所需溫度都較高：對于Fe2O3+Al系，其反應(yīng)溫度為（1 735±50）K；而對于CuO +Al系，約為（2 390±150）K[4]。圖3為切割劑表面的分區(qū)情況。

圖3 切割劑表面的分區(qū)

由圖3可知，只有被加熱區(qū)的右邊緣溫度等于燃燒合成溫度時，燃燒前沿才左移。而對于Fe2O3+Al系和CuO +Al系為主體組成的切割劑在進(jìn)行SHS時，其反應(yīng)過程為：底火被引燃，其溫度高于Al的熔點(diǎn)（933K），因此鋁粉首先熔化，接著CuO和Fe2O3持續(xù)吸熱分別分解為Cu2O和Fe3O4、FeO，同時釋放出氧氣[5]：

（1）

此時，部分熔化或者汽化的鋁與方程（1）和（2）生成的氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，生成氧化鋁并釋放出大量的熱量：

（3）

對于Fe2O3+Al系，剩下的Al和Fe3O4及FeO相互作用生成鐵鋁酸鹽類（FeAl2O4）和鐵，最終鐵鋁酸鹽類（FeAl2O4）與Al反應(yīng)生成鐵和氧化鋁[6]；同樣，對于CuO +Al系生成的Cu2O與Al反應(yīng)生成銅和氧化鋁。鋁粉燃燒反應(yīng)（3）作為一個關(guān)鍵的中間反應(yīng)，為后續(xù)反應(yīng)提供足夠的熱量，使燃燒反應(yīng)不斷延續(xù)下去，從而實(shí)現(xiàn)了切割劑的SHS過程。

可以認(rèn)為燃燒時鋁粉傳質(zhì)規(guī)律和普通固體一樣，利用對流傳質(zhì)的規(guī)律來計算擴(kuò)散傳質(zhì)，則鋁粉的單位燃燒速度可按式（4）來求取[7]：

由式（4）可知隨著鋁粉粒徑的增大，鋁粉的單位燃燒速度降低，也即反應(yīng)（3）速率減小，從而使燃燒波推移前進(jìn)速率降低，SHS過程變慢，宏觀上即表現(xiàn)為切割彈燃燒時間變長。另一方面，鋁粉粒度越小，越易與CuO和Fe2O3粉末充分混合，其反應(yīng)比表面積也越大，鋁熔化后各組分間易于擴(kuò)散而發(fā)生液-固反應(yīng)或液-液反應(yīng)，由此提高反應(yīng)速率；而對于粗鋁粉，粒度的增大導(dǎo)致熔化速率降低，只有部分鋁粉表面層液化，且熔化后需要通過毛細(xì)管漫流后同CuO和Fe2O3顆粒表面進(jìn)行接觸，導(dǎo)致燃燒合成反應(yīng)緩慢[8]。這也解釋了鋁粉粒度大的5號無法引燃的現(xiàn)象。

2.2 切割效果

除5未引燃情況下，1~4的切割效果圖見圖4。

(a) P1 ????(b) P2 ?????(c) P3 ????(d) P4

由圖4可見1號火花飛濺、煙霧量最大，噴嘴噴出高溫熔體和氣體，形成深度較淺且上表面直徑較大的錐孔。2號能實(shí)現(xiàn)20mm厚鋼板的割穿，火花飛濺相對較小，且孔洞上表面的直徑較小。3號燃燒均勻、燃燒時間較長，但切割效果相對于2號較差；4號燃燒時間最長，但吹力相對較小，使工件表面的孔洞中堆積一定量的熔渣或金屬球，形成的割孔形狀不規(guī)則。實(shí)驗(yàn)研究表明，對基于高溫自蔓延原理的切割彈而言，影響其切割效果的主要為“掛渣”。這是因?yàn)榍懈顒┤紵a(chǎn)生的高溫熔融金屬射流遇到冷的被切割金屬表面之后凝固成固態(tài)殘?jiān)?，對被切割金屬材料起到保護(hù)層的作用，阻礙熱傳導(dǎo)的進(jìn)行[9]。燃燒生成物（金屬射流介質(zhì)）的出口射流平均速度0越快，動量越大，起到的“吹渣”效果越好。

假設(shè)金屬射流以均勻的初始速度0經(jīng)半徑為0的噴嘴噴出，切割時無固定邊界對射流限制，此時可以看作自由射流。由流場顯示實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析，自由射流流場結(jié)構(gòu)如圖5所示。沿射流流動的方向可將射流劃分為起始段、過渡段和主體段。

圖5 噴嘴出口自由射流流場結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)測得的2~4噴嘴出口壓力如圖6所示。從圖6中可以看出，切割彈在點(diǎn)火時，壓力快速達(dá)到1個峰值，鋁粉粒度越小，峰值越大。峰值過后，壓力逐漸下降，然后趨于平緩，達(dá)到某1個穩(wěn)定值，直至燃燒結(jié)束。這也驗(yàn)證了1實(shí)驗(yàn)時噴嘴被噴出是彈內(nèi)壓力過大的原因。圓斷面射流應(yīng)用動量守恒原理，截面上動量流量為[10]：

式（5）~（6）中：為金屬射流密度，kg/m3；0為噴嘴出口橫截面積，m2；（）為所測量出口壓力，N。

圖7 噴嘴出口速度變化曲線

從圖7中可以看出，0首先快速達(dá)到1個最大峰值，最終下降趨于穩(wěn)定。同時2~4的速度隨著粒度的變小而增大。這是因?yàn)殇X熱反應(yīng)的反應(yīng)過程會產(chǎn)生氣體，其來源主要為各種金屬氧化物的分解或者蒸發(fā)[11]。鋁粉粒度越小，反應(yīng)速率越快，氣體生成速率也越快，導(dǎo)致切割彈內(nèi)壓強(qiáng)快速升高，從而使0增大。

實(shí)際切割過程中，為避免液態(tài)熔渣的堆積，噴嘴出口與被切割工件需保持適當(dāng)距離0(6~10mm)。而對于圓斷面射流，射流核心長度x由式（7）確定：

式（7）中： x為核心長度，m；0為噴嘴半徑，m；為紊流系數(shù)。

切割彈噴嘴種類為帶收縮口的噴嘴，查表可知=0.066，代入式（7）可得x=30.5mm。故0＜x，即切割過程處于起始段內(nèi)。由理論推導(dǎo)，射流流場結(jié)構(gòu)起始段內(nèi)（≤x）圓斷面平均流速可由式（8）表示[12]：

式（8）中：為噴嘴距被切割工件長度，。

由式（8）可知：當(dāng)=0時，金屬射流與被切割工件接觸處，射流接觸前的速度u僅由出口速度0決定，即0。結(jié)合圖4可知，鋁粉粒度越小，切割處的射流速度u越大，割孔越深。割孔深度與粒度關(guān)系見圖8。從圖8中可看出，除1壓力過大使噴嘴噴出，導(dǎo)致切割作用時間太短，深度很淺外，切割孔深隨著鋁粉粒度的增大而變小。同時，切割時鋼板熔化體積所吸收的熱量可由式（9）計算：

吸=△（9）

圖8 孔深隨鋁粉粒度變化曲線

式（9）中：吸為吸收熱量，J；為鋼板比熱容，J·kg-1·K-1；△為熔化質(zhì)量，kg；△為固體表面與射流溫度差，K。

計算結(jié)果示于圖9，從圖9中可以看出，除去1和5，2~4熔化的熱量隨著鋁粉粒度的增大而增大。這是因?yàn)榍懈顝椀慕饘偕淞髑懈钤韺?shí)質(zhì)為對流換熱，其過程遵守牛頓冷卻公式[13]：

=△（10）

圖9 熔化熱量隨鋁粉粒度變化曲線

式（10）中：為對流換熱熱量，W；為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W·m-2·K-1；為換熱表面面積，m2；△為固體表面與射流溫度差，K。切割過程中，切割彈燃燒通過對流換熱傳遞給鋼板的熱量為：

傳=△（11）

式（11）中：傳為傳遞熱量，J；△為燃燒時間，s。

由前文分析可知鋁粉粒度對射流速度和燃燒時間△均有影響。對于射流沖擊的換熱方式，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與射流速度的開方成正比，即∝0.5[14]，代入式（10）和（11）可知傳~0.5△。結(jié)合圖2、圖7和式（8）可得表2。

表22~4的值

Tab.2 The value of (P2~P4)

Tab.2 The value of (P2~P4)

代號P2P3P4 13.5414.215.69

由表2可知隨著鋁粉粒度的增大，0.5△不斷增大，即傳=吸不斷增大。故結(jié)合鋁粉粒度對割孔深度的影響可知，鋁粉粒度越大，割孔越淺，但傳熱熱量越多，越適合薄鋼板的切割。

3 結(jié)論

（1）鋁粉粒度大小對切割彈燃燒和切割機(jī)理的影響主要表現(xiàn)為：對以鋁熱劑為主要配系的切割劑的高溫自蔓延發(fā)生臨界條件及其速率的影響；對噴嘴出口壓力及射流速度的影響。（2）鋁粉粒度過小（＜48μm）會導(dǎo)致切割劑燃燒合成反應(yīng)過快，使切割彈內(nèi)壓力過大，易將噴嘴噴出，造成危險。鋁粉粒度過大（＞106μm）將造成鋁粉燃燒反應(yīng)緩慢，不足以為后續(xù)反應(yīng)提供所需的激化能，無法引燃切割劑。（3）一定范圍內(nèi)的鋁粉粒度（48~106μm）可使切割劑穩(wěn)定發(fā)生燃燒合成反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高溫自蔓延反應(yīng)，同時噴嘴出口穩(wěn)定壓力（1.8~2.7N）、流速（23.6~29.2m/s）和燃燒時間（4.5~6.0s）適宜，能較好地實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切割。（4）對于粒度為48~106μm的鋁粉，其粒度越小，噴嘴出口平均壓力和射流出口速度越大，割孔深，適合于切割厚鋼板；粒度越大，反應(yīng)速率越小，燃燒時間越長，熱量轉(zhuǎn)換率高，適合切割薄鋼板。

[1] Cobb PC.Titanium carbides as a sintering agent for titanium boride [J]. Material and Design, 1998, 11(3): 378-382.

[2] I.V. Babaitsev.Evaluating the blast pressure of iron-aluminum thermites [J]. Metallurgist, 2007, 51(7):348-350.

[3] 王森,辛文彤,吳永勝,等.高熱劑對燃燒型切割彈切割性能影響的研究[J].火工品,2012 (2):14-17.

[4] M.R. Weismiller.Temperature measurements of Al containing nano-thermite reactions using multi-wavelength pyrometry [J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2011, 33(7):1 933-1 940.

[5] Do Kyung Kim.Analysis on thermite reactions of CuO nanowires and nanopowders coated with Al [J]. Current Applied Physics, 2011(11):1 067-1 070.

[6] Yanxiang Li. Synthesis and cladding of Al2O3ceramic coatings on steel substrates by a laser controlled thermite reaction[J]. Surface and Coatings Technology, 2003,172 (4): 57-64.

[7] 劉連勝.燃燒理論與技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[8] Lusa Duraes. Fe2O3/aluminum thermite reaction intermediate and finalproducts characterization [J].Materials Science and Engineering, 2007(3):199-210.

[9] 王鵬,張靖.煙火切割熱力學(xué)分析及藥劑配方設(shè)計與實(shí)驗(yàn)[J].含能材料,2011,19(4):459-463.

[10] 董志勇.射流力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[11] J.L.Cheng. Kinetic study of thermal and impact-initiated reactions in Al-Fe2O3nanothermite [J]. Combustion and Flame, 2010, 157(7):2 241-2 249.

[12] 劉沛青.自由紊動射流理論[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[13] 張靖周,常海萍.傳熱學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

[14] 顧維藻,馬重芳,張玉明,等.強(qiáng)化傳熱[M].北京:科學(xué)出版社,1990.

Influence of Aluminum Granularity on Burning and Cutting Mechanism of Cutting Ammunition

WU Yi-ying，ZHU Xiu-ying，GAO Xian-ming，XU You-liang

(Key Laboratory for Small Fire of General Armaments Department, Baicheng Ordnance Test Center of China, Baicheng，137000)

Based on the combustion synthesis process and cutting mechanism of cutting ammunition, the influence of granularity of aluminum on the performance of cutting was experimental studied. The experimental results show that too small granularity of aluminum (＜48μm) makes rapid reaction of cutting ammunition, which is made up of thermit mainly and leads to danger, while too large granularity of aluminum(＞106μm) leads reaction failed. When the granularity is from 48μm to 106μm , the combustion synthesis reaction could be stable and realize cutting. The study explored that as the granularity of aluminum get smaller, the rate of reaction, nozzle exit pressure and velocity become higher, and it is suitable for cutting thicker steel plate. While larger granularity of aluminum leads to longer burning time and higher efficiency of energy conversion, which has the advantage of cutting thin steel plate.

Cutting ammunition；Aluminum granularity；Combustion synthesis；Cutting mechanism

1003-1480（2015）05-0009-05

TJ450.89

A

2015-05-02

吳藝英（1988 -），男，工程師，主要從事高溫自蔓延切割技術(shù)研究。