爆炸焊接用低爆速粉狀乳化炸藥研究

曲桂梅, 夏金民, 汪宏祥, 馬懷田, 黃文堯

(1. 撫順礦業(yè)集團有限責任公司十一廠， 遼寧撫順 113000； 2. 鄭州宇光復合材料有限公司， 鄭州 450001；

3. 安徽理工大學 化學工程學院， 安徽淮南 232001)

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爆炸焊接用低爆速粉狀乳化炸藥研究

曲桂梅1, 夏金民2, 汪宏祥3, 馬懷田3, 黃文堯3

(1. 撫順礦業(yè)集團有限責任公司十一廠， 遼寧撫順 113000； 2. 鄭州宇光復合材料有限公司， 鄭州 450001；

3. 安徽理工大學 化學工程學院， 安徽淮南 232001)

摘要：為降低巖石粉狀乳化炸藥的爆速，選擇了一種HW礦物粉，通過篩混方式將該分散劑與炸藥混合，并測定了該分散劑加入量和布藥厚度對炸藥爆速的影響。結(jié)果表明，巖石粉狀乳化炸藥中摻入44.5%～50%的HW礦物粉時，爆速為1913m/s～2378m/s，經(jīng)鋼與不銹鋼板爆炸焊接試驗表明，爆炸結(jié)合率達100%，可滿足金屬爆炸焊接用炸藥的要求。

關(guān)鍵詞：爆炸焊接； 粉狀乳化炸藥； 礦物粉； 低爆速； 布藥厚度； 爆速

1引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，單一的金屬或合金已很難滿足化工、石油等工程領(lǐng)域?qū)Σ牧暇C合性能的要求，采用爆炸焊接技術(shù)制成金屬復合材料現(xiàn)在得到了廣泛應(yīng)用〔1〕。作為爆炸焊接能源的低爆速炸藥是影響復合材料性能的關(guān)健因素之一。

目前，國內(nèi)外爆炸焊接用炸藥主要是在膨化硝銨炸藥、粉狀改性銨油炸藥中摻入食鹽、滑石粉、膨脹珍珠巖等分散劑來制得低爆速爆炸焊接炸藥〔2-6〕。炸藥中摻入食鹽使炸藥易吸濕而結(jié)塊，摻入滑石粉和膨脹珍珠巖使炸藥現(xiàn)場混藥時粉塵大，嚴重影響工人的健康。采用乳膠基質(zhì)與泡沫塑料和碳酸鹽類礦物粉混合制得一種性能優(yōu)良的低爆速爆炸焊接乳化炸藥〔7〕，但生產(chǎn)成本高。而粉狀乳化炸藥是將高溫的乳膠基質(zhì)通過噴霧造粒，冷風造型制得的。炸藥顆粒均勻，流散性好，但爆速高，不能滿足金屬爆炸焊接用低爆速炸藥的要求。因此，本文選擇一種不吸濕又無粉塵的分散劑摻入巖石粉狀乳化炸藥中，制得低爆速粉狀乳化炸藥，對改善爆炸焊接現(xiàn)場混藥的作業(yè)環(huán)境，提高炸藥低速爆轟的穩(wěn)定性能具有一定的借鑒作用。

2低爆速粉狀乳化炸藥用分散劑的選擇

通常，為降低粉狀乳化炸藥的爆速，加入的分散劑有滑石粉、粗糖、膨脹珍珠巖等〔8-9〕，除此之外，還有食鹽、硅藻土、HW礦物粉，這些分散劑各有其特點，見表1。

表1　炸藥常用分散劑的密度和特點

從表1中分析比較可以看出，HW礦物粉是一種與食鹽密度相當，成本低、流散性好，但又不易吸濕。該分散劑是一種礦物顆粒，其顆粒度與食鹽基本相同，因此，選擇HW礦物粉作為爆炸焊接用低爆速粉狀乳化炸藥的分散劑。

3實驗部分

3.1樣品制備

巖石粉狀乳化炸藥密度為0.66g/cm3；HW礦物粉密度為1.25g/cm3。

在巖石粉狀乳化炸藥中分別加入16%、28.5%、37.5%、44.5%、50%、52.5%、55%的HW礦物粉，用8目不銹鋼篩網(wǎng)篩混3次，即可制得混合均勻的低爆速粉狀乳化炸藥樣品。

3.2低爆速粉狀乳化炸藥的性能測試

(1)假密度測試：由于爆炸焊接是將炸藥自然平鋪于復板的表面，即炸藥自然堆積于復板表面，不受任何外力作用，因此，測試炸藥密度方法是將炸藥樣品輕輕倒入100mL的量筒中，稱取體積為100mL的炸藥凈重，則炸藥的凈重與炸藥的體積之比作為炸藥的自然堆積密度，通常又稱為炸藥的假密度。

(2)爆速測試：通常，炸藥的爆速是按照國標GB/T 13228-1991炸藥爆速的測試方法進行，但這與爆炸焊接實際應(yīng)用結(jié)果不相符。因此，根據(jù)爆炸焊接炸藥平面布藥的要求，本試驗采用厚度為2mm的紙板制成長×寬×高為500mm×70mm×60mm的紙盒，用雷管腳線擰緊作為探針，探針間距為80mm，探針離紙盒底板的間距為15mm，見圖1。將炸藥樣品輕輕倒入藥盒中，用紙板將炸藥刮平，見圖2。最后在藥盒探針的另一端用一發(fā)瞬發(fā)電雷管以45°～60°插入炸藥中，插入的深度為20mm～30mm，見圖3。采用DDBS-20型多段時間間隔測量儀測炸藥的爆速。

圖1　紙盒裝藥前探針安裝結(jié)構(gòu)Fig. 1　Probe installation structure before loading

圖2　紙盒裝上炸藥的布藥結(jié)構(gòu)Fig. 2　The explosive charging structure in the carton

圖3　起爆雷管安裝結(jié)構(gòu)Fig. 3　Primer detonator installation structure

4實驗結(jié)果與討論

4.1HW礦物粉含量對炸藥假密度的影響

實驗測得HW礦物粉的不同含量對炸藥樣品密度的影響，并計算了理論混合密度。具體方法如下：實測巖石粉狀乳化炸藥的密度ρ1=0.66g/cm3，HW礦物粉的密度ρ2=1.25g/cm3。設(shè)HW礦物粉的加入量為m，按炸藥混合的總質(zhì)量為100g，則炸藥的理論計算密度ρ按下式計算：ρ=100/[(100-m)/ρ1+m/ρ2]其結(jié)果見表2。

表2　HW礦物粉加入量對炸藥假密度的影響

從表2中可以看出，炸藥的實測密度與理論計算密度相近，說明采用篩混的方式混合的炸藥較均勻，且隨著分散劑的加入量增大，炸藥的密度增加。這是由于分散劑的密度比炸藥的密度高，當其含量增加時，單位體積內(nèi)的分散劑量增大，故炸藥的假密度增加。

4.2HW礦物粉含量對炸藥爆速的影響

實測布藥厚度為40mm時，HW礦物粉加入量對炸藥爆速影響的測試，分別測3次，其平均爆速見表3。

表3　HW礦物粉加入量對炸藥爆速的影響

從表3可以看出，采用直徑為0.78mm的雷管腳線擰緊后作為探針,且雷管腳線有一定的硬度，保證了兩探針間的平行度,避免了常用漆包線作為探針因其松軟導致炸藥倒藥時引起兩間距之間的誤差，故爆速測試的絕對誤差較小，最大絕對誤差僅為29m/s。因此，采用雷管腳線作為探針的方法簡單可行。隨著HW礦物粉的加入量增大，炸藥的爆速依次下降。當加入量達到55%時，炸藥不能可靠起爆。這是因為HW礦物粉是一種惰性粉狀物，主要成份為不溶于水的碳酸鹽，該礦物粉的顆粒形貌表征用日本電子株式掃描電鏡S-3000N觀察得到的結(jié)構(gòu)特征見圖4。

圖4　HW礦物粉的掃描電鏡圖Fig.4　SEM photograph of HW mineral powder

這種惰性物質(zhì)本身不參與爆炸反應(yīng)，但卻稀釋了單位體積內(nèi)炸藥爆炸反應(yīng)的有效能量，并隨著分散劑含量的增加，化學反應(yīng)區(qū)內(nèi)放出的能量也隨之降低，當HW礦物粉加入量達到55%時，化學反應(yīng)區(qū)內(nèi)所放出的能量不足以維持炸藥可靠起爆所需要的最小能量，故一發(fā)電雷管無法可靠起爆。

4.3布藥厚度對炸藥爆速的影響

從表3可知，當HW礦物粉加入量小于37.5%時，炸藥的爆速大于2500m/s，當HW礦物粉加入量大于50%時，炸藥的爆速小于1900m/s，均不能滿足金屬爆炸復合用炸藥爆速的要求，因此，只測HW礦物粉加入量分別為44.5%和50%時不同布藥厚度對炸藥爆速的影響，其結(jié)果見表4。

表4　不同布藥厚度對炸藥爆速的影響

根據(jù)工業(yè)炸藥爆轟理論，炸藥卷在同樣的約束條件下，存在臨界直徑和極限直徑，達到極限直徑時，炸藥爆速就不再增加，小于臨界直徑，炸藥就無法形成穩(wěn)定爆轟，介于臨界直徑和極限直徑之間，炸藥爆速與裝藥直徑間成函數(shù)關(guān)系〔10〕。從表4可知，當HW礦物粉的加入量達到50%時，布藥厚度為20mm時，炸藥不能被一發(fā)電雷管可靠起爆，當HW礦物粉的加入量達到44.5%時，布藥厚度為20mm時的爆速僅為1841m/s。根據(jù)爆轟反應(yīng)的Z-N-D模型可知，爆炸反應(yīng)區(qū)總有一個寬度，當炸藥的布藥厚度較小時，化學反應(yīng)區(qū)的有效炸藥量較小，爆轟所放出的能量較小，不足以支持前沿沖擊波的傳播，故當HW礦物粉的加入量達到50%時，炸藥的臨界布藥厚度至少大于20mm。當布藥厚度大于臨界厚度時，化學反應(yīng)區(qū)的有效炸藥量增加，爆轟所放出的能量增大，支持前沿沖擊波的傳播能量也增大，故炸藥樣品的布藥厚度從30mm增加至60mm時，炸藥樣品的爆速隨著布藥的厚度的增加而增大，當布藥厚度增加至50mm～60mm時，炸藥的爆速變化不明顯了，基本達到了極限爆速。

5工程應(yīng)用

采用含45%的HW礦物粉的巖石粉狀乳化炸藥進行不銹鋼與鋼板爆炸焊接試驗，將尺寸為4000mm×1800mm×18mm的鋼板作為基板，尺寸為4050mm×1850mm×2.5mm的不銹鋼板作為復板，用電砂輪按從粗到細把鋼板和不銹鋼板焊接表面打磨、拋光后用酒精進行擦洗。在松軟的水平沙土上，依次按基板、間隙物、復板、藥框和炸藥安裝起來。其中，基板與復板之間的間隙為6mm，布藥厚度為38mm，在炸藥的中心用一發(fā)電雷管起爆，即將鋼板與不銹鋼板焊接，見圖5。

圖5　 鋼與不銹鋼的爆炸焊接板Fig.5　Explosive welding plate of steel and stainless steel

用CTS-22A超聲波探傷儀檢測爆炸焊接，除雷管起爆點有直徑為26mm的不結(jié)合區(qū)外，其余部份結(jié)合率達100%。

6結(jié) 論

通過在巖石粉狀乳化炸藥中加入HW礦物粉實驗和分析研究，制得的爆炸焊接用低爆速粉狀乳化炸藥，可以得出如下結(jié)論：

(1)實驗所選擇的HW礦物粉為顆粒狀，具有不易吸濕、成本低、流散性好的特點，與巖石粉狀乳化炸藥通過篩混方式混合，混合均勻性好。

(2)鋼與不銹鋼爆炸焊接試驗結(jié)果表明，在巖石粉狀乳化炸藥中加入44.5%～50%的HW礦物粉，炸藥爆炸低，爆轟穩(wěn)定，能滿足鋼與不銹鋼金屬爆炸焊接用低爆速炸藥的要求。

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Research on powdery emulsion explosive of low detonation velocity used in explosive welding

QU Gui-mei1, XIA Jin-min2, WANG Hong-xiang3, MA Huai-tian3, HUANG Wen-yao3

(1.The 11thWorks of Fushun Mining Group Co., Ltd., Fushun 113000, Liaoning, China;2.Zhengzhou Yuguang Clad Metal Material Co., Ltd., Zhengzhou 450001, China;3.School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, Anhui, China)

ABSTRACT：A kind of HW mineral powder was chosen as dispersant to reduce the rock powdery emulsion explosive detonation velocity, and it was screened and mixed into explosive. The influence of the dispersant addition and charging thickness on detonation velocity were also measured. The results showed that when the addition of HW mineral powder was between 44.5% and 50% and the detonation speed was 1913m/s~2378m/s. The explosive welding experiments of steel and stainless steel plate showed that binding ratio was up to 100%, and it could satisfy the requirements for explosive used in explosive welding.

KEY WORDS:Explosive welding; Powdery emulsion explosive; Mineral powder; Low detonation velocity; Charging thickness; Detonation velocity

中圖分類號：TD235; X932

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.008

作者簡介：曲桂梅(1966-),女，工程師，從事民用爆破器材的生產(chǎn)和科研工作。E-mail: 875921901@qq.com

基金項目：安徽省高等學校省級自然科學基金資助項目(KJ2013A102)

收稿日期：2015-09-28

文章編號：1006-7051(2016)01-0042-04