含5/7單基藥灌注炸藥的制備及性能研究?

張 迪魏曉安俞永華王澤山南京理工大學(xué)化工學(xué)院(江蘇南京，210094)山東銀光科技有限公司(山東臨沂，273400)

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含5/7單基藥灌注炸藥的制備及性能研究
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張 迪①魏曉安①俞永華②王澤山①
①南京理工大學(xué)化工學(xué)院(江蘇南京，210094)
②山東銀光科技有限公司(山東臨沂，273400)

[摘 要]針對(duì)5/7單基藥，采用了R1、R2和R33種不同的填充材料制備抗水型灌注炸藥。利用改進(jìn)的工藝解決了5/7單基藥小孔隙的填充問題；該炸藥的水下測(cè)試結(jié)果顯示，含R1、R2和R3的灌注炸藥TNT當(dāng)量為0.97、1.11 和1.34，能量呈明顯遞增關(guān)系，結(jié)果與灌注液和發(fā)射藥顆粒能量匹配相對(duì)應(yīng)；對(duì)R2和R3灌注炸藥以及5/7單基藥顆粒的爆炸過程進(jìn)行高速攝影，發(fā)現(xiàn)它們?cè)谙嗤瑫r(shí)間段火球明顯不同，R3灌注炸藥火球亮度、大小及持續(xù)時(shí)間明顯超過R2體系，這與水下爆炸結(jié)果相一致，而未灌注的5/7單基藥顆粒在沖擊作用下還存在燃燒現(xiàn)象。這些結(jié)果為配方設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]5/7單基火藥；灌注炸藥；水下爆炸；高速攝影

[分類號(hào)] TJ51

引言

發(fā)射藥有一定的使用壽命，一旦過了使用壽命，便不能在武器中正常使用。目前，世界上每年都需處理大量的各類退役發(fā)射藥。我國(guó)現(xiàn)階段有大量的小顆粒單基藥退役待處理。以前常用的處理方法是深海填埋、堆肥和露天焚燒等方法，這些方法存在較大安全隱患，易造成安全事故和環(huán)境污染[1]。

將退役的發(fā)射藥制成工業(yè)用炸藥是非常好的處理方法，這樣不僅可以充分利用退役發(fā)射藥中的能量，節(jié)約能源，還減小了對(duì)人類和環(huán)境的威脅。退役發(fā)射藥可制成的工業(yè)炸藥現(xiàn)階段主要有乳化炸藥、漿狀炸藥和灌注炸藥。其中含退役發(fā)射藥的乳化炸藥和漿狀炸藥制備過程中需要攪拌，加上廢火藥撞擊感度較高，故制備工藝上存在一定的安全問題，其中乳化炸藥還存在能量較低的問題，不能滿足實(shí)際需求。而含退役發(fā)射藥灌注炸藥制備流程中無攪拌過程，提高了工藝的安全性；原藥無需過多的粉碎等預(yù)處理過程，簡(jiǎn)化了工藝且提高了安全性；體系本身含水，因此有極佳的抗水性能和抗靜電性能；膠凝劑和發(fā)射藥粒相對(duì)穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)有利于吸收外界振動(dòng)、消除發(fā)射藥粒間摩擦，提高運(yùn)輸安全性。

因此在其資源化利用中，直接通過灌注成型制備含廢火藥的灌注炸藥是相對(duì)較好的方法[1]。張麗華、魏曉安等[2-3]針對(duì)粗顆粒單基藥(長(zhǎng)度> 5 mm，直徑> 4 mm)裝藥，在復(fù)合氧化劑溶液中加入改性纖維素作為膠凝劑，制成灌注型炸藥，其性能可與露天型含火藥漿狀炸藥相當(dāng)。蔡昇[4]以CR3＋、Al3＋復(fù)合金屬離子交聯(lián)聚丙烯酰胺為膠凝劑，研究了該類灌注液的配方及成型工藝，對(duì)粗顆粒單基藥(長(zhǎng)度> 5 mm，直徑> 4 mm)的灌注炸藥進(jìn)行了研究。在后續(xù)的研究中[4]，采用了一種新型的灌注工藝，在氧化劑溶液中加入RSN膠作為膠凝劑，并在60℃下進(jìn)行熱固化，制備出含粗顆粒單基藥的剛性灌注炸藥，這2種灌注炸藥性能也與巖石型乳化炸藥性能相近。Machacek等[5-6]研究了在復(fù)合氧化劑溶液中加入一種改性古爾膠的延遲膠凝劑，并分別灌注到M30三基藥、M1/M6單基藥、M26雙基藥的顆粒中，制備了Slurran 400系列灌注炸藥，該炸藥密度為1.50 g/cm3左右，爆速為6.0～6.5 km/s，該方法對(duì)于顆粒狀的單基藥、三基藥較為適宜，對(duì)于其他類型的火藥并非都適用，較低能量的雙基藥可與單基藥或三基藥混合，該類炸藥性能也只與巖石型乳化炸藥性能相近。

近年來，Wang等[7]以丙烯酰胺為膠凝劑對(duì)含單基藥凝膠炸藥進(jìn)行了研究，并僅對(duì)含5/7單基藥的凝膠炸藥進(jìn)行了初步探索研究。但是，由于小顆粒單基藥尺寸細(xì)小，填充材料在細(xì)小的空隙中傳質(zhì)非常困難，工藝上難以對(duì)空隙進(jìn)行完全有效的填充，同時(shí)也極易出現(xiàn)成型質(zhì)量不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這對(duì)制備該類灌注炸藥造成很大的難度，致使進(jìn)一步的研究很少。而對(duì)于除5/7單基藥之外的其他的退役發(fā)射藥，有些還存在因發(fā)射藥感度過低導(dǎo)致制成的灌注炸藥感度低而不發(fā)生爆轟等一系列問題。因此，以退役發(fā)射藥制備工業(yè)用炸藥還處于探索階段，有很多的問題有待解決，離大量應(yīng)用還有一段路要走。

本文針對(duì)5/7單基藥小空隙傳質(zhì)困難的問題，同時(shí)選用R1、R2和R33種填充材料，使用安全的通道預(yù)熱控制裝置改進(jìn)灌注制備工藝，制備出含5/7單基藥的灌注炸藥，解決小空隙傳質(zhì)填充問題；研究3種不同的填充材料制備的灌注炸藥性能，通過見證板、水下性能測(cè)試和高速攝影來研究該類炸藥的能量特性。結(jié)果顯示，改進(jìn)工藝制備的灌注炸藥空隙填充較為完全，有一定的威力，能量也高于乳化炸藥。摩擦感度低于5/7單基藥；安全性能經(jīng)測(cè)試符合WJ9045—2004標(biāo)準(zhǔn)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)方法

火藥選用5/7單基藥(含95%硝化棉)進(jìn)行試驗(yàn)，填充材料R1、R2和R3是3種含能材料，自制R1為含氧化劑的聚丙烯酰胺凝膠，能量相當(dāng)于乳化炸藥能量70%；自制R2為含氧化劑和含能敏化劑的聚丙烯酰胺凝膠，能量略高于TNT；自制R3為含氧化劑、含能敏化劑和鋁粉的聚丙烯酰胺凝膠，能量比R2高20%。

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 灌注炸藥的制備

5/7單基藥先裝填在?60 mm的藥卷中，藥卷豎立放置，開口向上；配置填充材料R1、R2和R3；采用通道預(yù)熱技術(shù)(自行研制的通道預(yù)熱控制裝置)，將制備好的填充材料灌注于火藥顆粒間空隙中，待固化成型后，即制備出含5/7單基藥的灌注炸藥。

1.2.2 爆速、密度和見證板測(cè)試

將制備的含5/7單基藥灌注炸藥進(jìn)行爆速、密度和見證板性能測(cè)試，其中見證鋼板選用10～20 mm厚的A3鋼。

1.2.3 水下爆炸測(cè)試

水下爆炸能量輸出測(cè)試的水池幾何尺寸為?8.0 m×8.0 m，壓力傳感器型號(hào)為PCB138M，電壓靈敏度6.9 V/MPa；信號(hào)調(diào)理器型號(hào)為PCB 482A16，數(shù)據(jù)采集器為成都縱橫公司的Jovian5200。試驗(yàn)藥量為200 g，參比炸藥為40 g鈍化黑索今，試驗(yàn)裝藥位于水面下4.25 m處，藥包離傳感器的距離(L)為2.5 m。采用壓力傳感器記錄炸藥爆炸激發(fā)能量，如圖1所示。能量分析參考相應(yīng)文獻(xiàn)[8-10]。

1.2.4 灌注炸藥爆炸過程高速攝影

測(cè)試條件:8＃工業(yè)雷管、傳爆藥(40 g鈍化黑索今，密度1.6 g/cm3，直徑40 mm)和5/7灌注炸藥(200 g)；炸藥放置在間距1 m標(biāo)志桿中間，高速攝影機(jī)距炸藥30 m。

2 結(jié)果與討論

表1 灌注炸藥性能Tab.1 Performances of the perfusion explosive

2.1 爆速、密度和見證板測(cè)試結(jié)果

表1是5/7單基藥制備灌注炸藥的基本性能。從表1可以看出，制備成灌注炸藥后密度從0.99 g/cm3提高到1.46 g/cm3以上；炸藥爆速超過6 500m/s；沒填充時(shí)，鋼板只有壓痕，并有大量殘藥，而填充R1、R2和R3后，無殘藥，擊穿鋼板厚度從10、14 mm到20 mm依次提高，顯示炸藥沖擊波能依次增強(qiáng)。加入灌注液后，體系中氧含量得到提高，增加了體系的能量釋放效率，減少了殘?jiān)?/p>

2.2 灌注炸藥水下爆炸性能

將灌注炸藥進(jìn)行水下爆炸對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比炸藥(4＃)為鈍化黑索今，ρ=1.60 g/cm3。表2列出了5/7灌注R1、R2和R3體系沖擊波es、氣泡能eb及總能量et變化，考慮未填充的5/7單基藥爆炸過程不完全，難以在水中收集殘?jiān)?，故序?hào)0＃的水下試驗(yàn)未做。

從表2可以看出:灌注R2、R3炸藥的沖擊波能比R1體系高24%、32%；灌注R2、R3炸藥的氣泡能比R1體系高8%、41%；灌注R2、R3炸藥的總能量比R1體系高15%、38%。鈍化黑索今的TNT當(dāng)量約為1.2倍，依此為參照，含R1、R2和R3灌注炸藥TNT當(dāng)量為0.97、1.11和1.34，整體性能比較，R1灌注炸藥最差，R2次之，R3最好。

2.3 灌注炸藥爆炸過程高速攝影

對(duì)表1得到的炸藥通過高速攝影進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)(R1體系爆炸結(jié)果在今后其他文章中列出)，在此只列出5/7顆粒以及5/7顆粒灌注R2體系和5/7顆粒灌注R3體系的爆炸過程圖像。爆炸條件:炸藥為200 g，傳爆藥為40 g鈍化黑索今，8＃雷管激發(fā)。結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，5/7顆粒單基藥在傳爆藥激發(fā)下發(fā)生不完全的燃燒轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象(在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)10 g 5/7單基藥，即5%左右的殘藥)；5/7顆粒單基藥填充R2和R3的灌注炸藥在激發(fā)后完全爆轟(試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)無殘藥)，填充R2和R3體系都比不填充的5/7體系火球大，光亮強(qiáng)以及持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，其中，R2在66 μs、R3在264 μs仍處于強(qiáng)光區(qū)中，同時(shí)也表明，R3體系爆炸效果優(yōu)于R2體系。整體性能比較，仍然是R1灌注炸藥最差，R2次之，R3最好。

2.4 灌注炸藥爆炸過程特征分析

2.4.1 灌注炸藥性能差異分析

兩顆5/7單基藥顆?？梢约僭O(shè)成如圖3所示豎立放置的圓柱體。

1)設(shè)顆粒直徑為2R，長(zhǎng)度為4R，另一顆粒與其平行放置，最短距離為2R。

表2 灌注炸藥水下爆炸性能測(cè)試Tab.2 Performance test of the perfusion explosive in underwater explosion

2)設(shè)顆粒爆速為D1，灌注液的爆速為D2。

則炸藥體系中，從顆粒上表面A1垂直傳到下表面A2所需時(shí)間為:

從左邊顆粒中心O1傳到右邊顆粒中心O3(通過顆粒和灌注液傳播)所需時(shí)間為:

炸藥體系中，從左邊顆粒中心O1傳到右邊顆粒中心O3(直接通過灌注液傳播)所需時(shí)間為:

從而有

要使炸藥爆轟結(jié)構(gòu)不發(fā)生異化，需要爆速相近或者顆粒間隙2R變小。對(duì)于各種制式發(fā)射藥顆粒，裝填的間隙距離為定值(要改變距離大小可以通過加入細(xì)小顆粒發(fā)射藥進(jìn)行復(fù)配，需要調(diào)整裝藥工藝，這里只討論顆粒間隙為定值情況)，因此要改變灌注炸藥的性能，只有調(diào)節(jié)填充材料的能量特性，如果與單基藥能量相匹配，就能改善爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)的異化。

2.4.2 改進(jìn)灌注炸藥爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)的方法

單基藥的爆炸能量與TNT相當(dāng)，它的密度約為1.6 g/cm3、爆速約為7 000 m/s、撞擊感度為TNT的80%，而研究中采用的R1由于能量只相當(dāng)于乳化炸藥能量的70%，它的爆速及密度與單基藥差別較大，容易出現(xiàn)能量輸出結(jié)構(gòu)的異化；對(duì)于R2，它的能量略高于TNT，它的爆速及密度與單基藥也相近，能改善能量輸出結(jié)構(gòu)的異化；對(duì)于R3，它的能量比R2高20%，它的爆速也與單基藥接近，而密度比單基藥高，在提高能量的基礎(chǔ)上又明顯改善能量輸出結(jié)構(gòu)，基本消除了異化現(xiàn)象。同時(shí)，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，填充R3的沖擊波能和氣泡能都高于R2體系，可能與單基藥和R3在波陣面以及二次反應(yīng)中相互作用有關(guān)，這有待今后試驗(yàn)證實(shí)。

3 結(jié)論

1)針對(duì)顆粒細(xì)小的5/7單基藥，首次采用R1、R2和R33種灌注液，成功制備出3種5/7單基藥灌注炸藥。試驗(yàn)證實(shí)，這種通道預(yù)熱控制技術(shù)十分有利于小空隙的填充。

2)對(duì)不同性能的灌注液制備的灌注炸藥進(jìn)行的見證板試驗(yàn)和水下爆炸試驗(yàn)均顯示，灌注液的能量對(duì)性能的影響很大。其中，R3灌注液制備的灌注炸藥擊穿了20 mm的鋼板，其沖擊波能和氣泡能也明顯高于其他2類灌注炸藥，這表明R3填充材料中的為提高能量而加入的鋁粉能量得到了充分釋放。灌注炸藥爆炸過程高速攝影表明:灌注液的能量高低也會(huì)直接影響到火球爆炸的亮度、大小和持續(xù)時(shí)間，它們都和灌注液的能量相關(guān)。

3)5/7單基藥灌注炸藥的爆速和顆粒間距對(duì)爆炸過程有較大影響，要使灌注炸藥的性能有效釋放，調(diào)節(jié)填充材料的爆速，使與單基藥相匹配的爆速相一致，能改善爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)的異化。

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Research on Preparation and Properties of Perfusion Explosive Containing 5/7 Single Base Propellant

ZHANG Di①，WEI Xiaoan①，YU Yonghua②，WANG Zeshan①
①School of Chemical Engineering，Nanjing University of Science and Technology (Jiangsu Nanjing，210094)
②Shandong Yinguang Technology Co.，Ltd.(Shandong Linyi，273400)

[ABSTRACT]Water-resistance perfusion explosives containing 5/7 single base propellant were manufactured by three kinds of fillers (R1，R2and R3).Filling problems in small pores was resolved by the improved technology.In underwater explosion，the TNT equivalent of perfusion explosive with R1，R2and R3were 0.97，1.11 and 1.34 respectively，and energies of perfusion explosives obviously increase.Furthermore，energies of perfusion explosives were especially related with the characters of R1，R2and R3.Detonations of perfusion explosives with the fillers of white，R2and R3were tested through high speed photography.Results show that fire balls are also different among high energy and low energy fillers，and the brilliance and shape of fire ball from R3is more than those from R2.Meanwhile，the perfusion explosive with the filler of white still shows inflammation.This result is also according with the effect from the underwater explosions.

[KEY WORDS]5/7 single base propellant；perfusion explosive；underwater explosion；high-speed photography

通信作者:魏曉安(1968～)，男，講師，主要從事廢棄火炸藥資源化利用研究。E-mail:weixiaoan@126.com

作者簡(jiǎn)介:張迪(1993～)，男，碩士，主要從事新型黏結(jié)劑合成及退役火藥的利用的研究。E-mail:zdicanplay@163.com

基金項(xiàng)目:國(guó)家部委專項(xiàng)

收稿日期:?2015-11-18

doi:10.3969/j.issn.1001-8352.2016.02.004