點火方式和氣室長度對延期元件延期時間的影響研究*

袁和平，郭子如，韓體飛，汪 泉

(安徽理工大學 化工學院，淮南 232001)

點火方式和氣室長度對延期元件延期時間的影響研究*

袁和平，郭子如，韓體飛，汪 泉

(安徽理工大學 化工學院，淮南 232001)

為研究點火方式和氣室長度對民用雷管延期元件延期時間的影響，將延期元件裝配在石英玻璃管中，模擬延期體在雷管中的狀態(tài)，鉛延期體點火采用普通導爆管點燃和電引火藥頭點燃兩種方式。利用高速攝影觀察延期體的發(fā)火狀態(tài)并得到了不同點火方式和氣室長度對鉛芯延期體延期時間和的影響規(guī)律。實驗發(fā)現(xiàn)：點火后，延期體點火端會噴出正在燃燒的延期藥；相同條件下，采用引火藥頭點火方式時，鉛延期體延時時間更短；采用導爆管點火時，氣室長度的改變對延期時間影響不顯著；采用電引火藥頭式點火時，氣室長度從12 mm增加至20 mm的過程中，2段和4段延期體延時時間均增加。

雷管； 延期元件； 燃燒； 點火； 氣室長度

影響延期元件延期時間的因素有很多，包括延期元件自身因素(延期藥配方組成、組分粒度及表面狀態(tài)、制造工藝、管殼材質及厚度，貯存時間等)和外界條件的影響。在延期體自身影響因素方面，許多學者做了大量的研究工作，武雙章等人通過研究硼系延期藥的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)硼含量不超過16%時，燃速隨延期藥中硼含量的增加而增大[1]；Lu K T等人研究了低燃速的鎢系延期藥和Zr/B及Ti/B延期藥的燃燒特性[2,3]；張建富等人通過試驗不同粒度級配的Si-CuO延期藥延期精度，發(fā)現(xiàn)Si和CuO粒度分布一致性越好，延期藥的延期精度越高[4]；韓體飛等人研究了壓藥壓強與裝藥密度及裝藥密度與燃速的關系，結果顯示裝藥壓強決定的裝藥密度是影響延期藥燃速的重要因素，壓藥壓力與裝藥密度及裝藥密度與燃速都呈指數(shù)關系[5]；任慶國等人利用掃描電子顯微鏡、能譜分析、及X-射線粉末衍射研究了共沉淀法中的化學反應，制備出的延期藥精度高[6]；王志新等人利用熱分析技術對硅粉表面氧化過程進行了研究，提出改變硅粉研磨時間和高溫加速老化的辦法來提高精度[7]；許俊峰等人研究了管殼材質的導熱性對延期藥燃速的影響[8]；顏事龍等人對鉛丹-硅系延期藥在密封貯存條件下的化學反應機理進行了研究，給出了相應的化學反應方程式，并討論了反應的自發(fā)性[9]。但是，對影響延期體延期時間的外界條件的研究較少。

通過將民用雷管生產中使用的延期體裝配在石英玻璃管中，模擬了延期體在雷管中的狀態(tài)，利用高速攝影觀察延期體的發(fā)火狀態(tài)并得到了不同點火方式和氣室長度對鉛芯延期體延期時間和的影響規(guī)律。

1 實驗器材與實驗方法

1.1 實驗器材

實驗所用的毫秒鉛芯延期體(鉛丹-硅系延期藥)、引火藥頭、導爆管均為淮南某廠生產的同批次產品。高速攝像儀為日本NAC公司生產的Memrecam HX-3型高速攝像機。

1.2 實驗方法

為模擬延期體在雷管中的狀態(tài)，用膠水將延期體固定在石英玻璃管(外徑10mm，內徑6.3mm)內一端，在另一端插入藥頭或與導爆管連接的橡膠塞(無消爆腔)并用膠水固定，膠水同時起到密封作用。通過調節(jié)藥頭頂端或橡膠塞底部到延期體端面的距離來控制氣室長度。將制作好的裝置固定在木箱中，木箱一面開口并對著高速攝影儀。為安全起見，在木箱與高速攝影儀之間放置一塊厚度為10mm的鋼化玻璃，用發(fā)爆器使藥頭或導爆管發(fā)火，高速攝影儀在正面拍攝延期體從點火到噴火的過程，拍攝速率5萬fps。圖1為實驗系統(tǒng)示意圖。

2 實驗現(xiàn)象及分析

2.1 延期體點火至噴火過程

如圖2，是導爆管點火至延期體(MS2段，3芯)噴火的整個過程，采用高速攝影，拍攝速率為5萬fps，每幅圖片時間間隔為0.02 ms，通過圖片可以準確地計算出延期時間。若以第一次噴火即可使雷管起爆來計算延期時間，則延期時間為41.58 ms。0.00 ms時，噴出的火焰達延期體端面，延期體被點燃。2.25 ms時刻，延期體點火端開始以較低的速度噴出少量正在燃燒的延期藥粒(以下稱為延期體輸入端噴火)，噴出過程持續(xù)2.40 ms，圖中有三個較大的正在燃燒的延期藥粒，可以認為是三個藥芯各自噴出一個較大藥粒。在41.58 ms時刻，第一次從延期體輸出端噴火(以下稱為延期體輸出端噴火)，噴火過程持續(xù)0.13 ms，至41.71 ms后結束。

圖3中0.00 ms時刻藥頭橋絲發(fā)火，經過0.63 ms火焰?zhèn)鞑ブ裂悠隗w端面，17.16 ms時刻輸出端第一次噴火，持續(xù)0.6 ms，至17.76 ms結束。藥頭點燃延期體后，殘余藥渣在氣室中繼續(xù)燃燒，遮蓋了輸入端噴火過程。

2.2 輸入輸出端噴火分析

圖2中2.25 ms至4.65 ms，點火端有少量正在燃燒的延期藥粒以較低的速度噴出,這是由于延期藥的燃燒具有層狀振蕩燃燒的特點，從而使得少量藥劑從輸入端噴出燃燒[10]。

延期藥的振蕩燃燒是一個典型的非線性化學動力學現(xiàn)象[10]。點火后，第一層延期藥接收點火能量迅速被點燃并燃燒放熱，后部延期藥受加熱升溫，氧化劑Pb3O4分解生成氧氣和一氧化鉛，兩種產物再分別與硅粉發(fā)生反應，反應式如下[7]

氧氣與硅粉的反應是氣-固相反應，對燃燒過程和燃燒速度起著決定性作用[11]。在高溫和外部約束的共同作用下，生成的氧氣在延期體內部形成高壓氣體，氣體壓力大于正在燃燒的藥柱的抗拉強度及藥藥柱與約束環(huán)境間的摩擦力之和時，氣體推動正在燃燒的藥柱向點火端移動，產生裂隙，燃燒氣體產物向未燃區(qū)域的擴散速度減小，傳熱速度減?。煌瑫r氧氣濃度降低，與硅粉的氣-固相反應速度降低，燃速也降低。但隨著反應的積累，一定時間內燃速又開始增加。從非線性化學動力學的角度來看，燃燒反應波的擴散速度具有周期性脈沖的特點。

延期藥的燃燒是沿著燃燒波陣面法線方向層層再點火傳播的，噴出的粒藥可以認為是延期藥振蕩燃燒形成的第一層層狀燃燒產物。但由于正在燃燒的延期藥藥量較少，分解產生的氣體量和放出的熱量不足，內部氣體壓力沒有達到最大，與輸出端噴出的燃燒物質運動速度相比，輸入端噴火速度較低。輸入端被噴出的藥劑未能對后部延期藥傳熱，一定程度上降低了燃速。

3 實驗結果與討論

3.1 實驗結果

表1為電引火藥頭式點火延期時間，表2為導爆管式點火延期時間。實驗中采用的三芯延期體，芯孔藥柱長度相同，在討論點火方式和氣室長度對延期時間的影響時，可以以每個芯孔藥柱作為單個研究對象，單個延期體的延期時間為三個芯孔藥柱的平均延期時間。

表 1 藥頭式點火延期時間

表 2 導爆管式點火延期時間

3.2 點火方式的影響

導爆管式點火氣室是非封閉的，火焰直接到達延期體端面，瞬間即可點燃延期體；而藥頭在發(fā)火瞬間產生的火焰并不能立即到達延期體端面，而是在密閉的氣室中有一個振蕩過程。藥頭發(fā)火時燃燒生成了高溫高壓氣體，在氣室這個微小密閉空間內氣體膨脹波向兩端傳播，先后遇到兩端的延期體和塑料塞后反射，推動火焰來回移動。該特性是由點火方式決定的，圖3中，此過程0.63 ms。氣室長度不同，該過程所需的時間不同。

由表1和表2可知：藥頭式點火時，在長度不同的氣室中，2段延期體各芯孔延期時間為17.16～38.32 ms，4段延期體各芯孔延期時間為60.90～75.17 ms；導爆管式點火時，在長度不同的氣室中，2段延期體各芯孔的延期時間為39.60～51.75 ms，4段延期體各芯孔延期時間為62.80～85.85 ms。可以明顯看出藥頭式點火延期秒量明顯短于導爆管式。

延期藥的燃燒存在著復雜傳熱過程，熱量通過熱傳導、熱輻射及燃燒氣體產物的擴散作用傳入未燃燒延期藥[12]。氣室壓力越大，燃燒氣體產物擴散越快，對未燃燒延期藥的加熱作用越快。延期藥燃速隨壓力變化的規(guī)律可用下式表示[13]

(1)

式中:a、b分別表示燃燒反應在固相和氣相進行的程度;p表示壓力;γ約等于1。由該式可知壓力越大，燃速越快。導爆管式點火的氣室是與外界相通的，反應產生的高溫氣體會從管內向外泄露，而藥頭式點火的氣室密閉性好，燃燒產生的高溫氣體不流失，氣室內壓力大，使得燃燒氣體產物向后部未燃區(qū)域的擴散作用更強，燃速增加。藥頭在燃燒過程中產生的熱量一部分通過延期元件鉛質殼體向藥柱傳導，對藥柱起到了預熱的作用。

3.3 氣室長度的影響

對比表1中數(shù)據(jù)可以看出：采用藥頭式點火時，2段及4段延期體延期時間隨氣室的增長而增加。利用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行單因素分析發(fā)現(xiàn)：置信度設為99%，氣室長度為12 mm、16 mm、20 mm時，2段和4段延期體延期時間均存在顯著性差異。說明對于2段及4段延期體，氣室長度對其延期時間影響較大。

對表2中2段和4段延期時間分別進行單因素分析，發(fā)現(xiàn)：置信度為99%，氣室長度分別為6 mm、9 mm、12 mm時，其延期時間無顯著性差異。說明導爆管式點火時，氣室長度對2段和4段延期體延期時間無明顯影響。

4 結論

(1)延期體被導爆管點燃后，起燃端面有少量正在燃燒的延期藥粒以較低的速度噴出，噴出的粒藥可以認為是延期藥脈動燃燒形成的層狀燃燒產物的第一層。

(2)由于氣室氣密性的不同，導爆管式點火和藥頭式點火在點燃長度相同的同種延期體時，藥頭式點火的延期時間明顯比前者更短。

(3)運用顯著性分析手段發(fā)現(xiàn)：采用藥頭式點火時，對于2段及4段延期體，氣室大小對延期時間影響較大，延期時間隨氣室長度增加而增長。采用導爆管式點火時，氣室長度的變化對延期時間無顯著影響。

References)

[1] 武雙章,沈瑞琪,葉迎華,等.硼系延期藥燃燒特性分析[J].含能材料,2008(5):502-505.

[1] WU Shuang-zhang,SHEN Rui-qi,YE Ying-hua,et al.Analysis on combustion characteristics of B/BaCrO4delay composition[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2008(5):502-505.(in Chinese)

[2] LU K T,WANG Y C,YEH T F,et al.Investigation of the burning properties of Zr/B type and Ti/B type alloy delay compositions[J].Combustion and Flame,2009,156(8):1677-1682.

[3] LU K T,Yang C C,KO Y H.Investigation of the burning properties of slow-propagation tungsten type delay compositions[J].Propellants Explosives Pyrotechnics,2008,33(3):219-226.

[4] 張建富,胡延臣.延期藥粒度級配對延期精度的影響[J].含能材料,2014,22(1):84-88.

[4] ZhANG Jian-fu,HU Yan-chen.Effect of particle gradation of delay composition on delay precision[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2014,22(1):84-88.(in Chinese)

[5] 韓體飛,鐘 帥,張 涵,等.微氣體延期藥柱燃燒傳播與裝藥密度的關系[J].煤炭技術,2014(11):282-284.

[5] HAN Ti-fei,ZHONG Shuai,ZHANG Han,et al.Relationship between combustion propagation and charging density of columnar gasless delay composition[J].Coal Technology,2014(11):282-284.(in Chinese)

[6] 任慶國,喬小晶,李旺昌,等.硅系延期藥的共沉淀法制備及其性能[J].含能材料,2012,20(4):409-413.

[6] REN Qing-guo,QIAO Xiao-jing,LI Wang-chang,et al.Co-precipitation preparation of silicon delay composition and its properties[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2012,20(4):409-413.(in Chinese)

[7] 王志新,李國新,勞允亮,等.硅系延期藥貯存與硅粉表面穩(wěn)定性研究[J].含能材料,2005,13(3):158-161.

[7] WANG Zhi-xin,LI Guo-xin,LAO Yun-liang,et al.Study on the stability of keeping silicon type delay composition in storage and of silicon powder surface[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2005,13(3):158-161.(in Chinese)

[8] 許俊峰,彭加斌,王秀芝.管殼對長延期鎢系延期藥燃速的影響[J].火工品,2007(2):43-46.

[8] XU Jun-feng,PENG Jia-bin,WANG Xiu-zhi.Research on the effects of package on burning rate of long delay compositions[J].Initiators & Pyrotechnics,2007(2):43-46.(in Chinese)

[9] 顏事龍,張 涵,何 杰,等.鉛丹-硅系延期藥貯存中的化學反應機理[J].火炸藥學報,2014,37(2):86-90.

[9] YAN Shi-long,ZHANG Han,HE Jie,et al.Chemical reaction mechanism of the stored silicon type delay composition[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants,2014,37(2):86-90.(in Chinese)

[10] 馮長根,曾慶軒.化學振蕩混沌與化學波[M].北京:北京理工大學出版社， 2004 .

[11] 勞允亮,盛滌倫.火工藥劑學[M].北京：北京理工大學出版社,2011.

[12] 劉媛媛,馬志鋼,馬 勇,等.延期藥脈動燃燒機理的研究[J].爆破,2014,31(3):132-135.

[12] LIU Yuan-yuan,MA Zhi-gang,MA Yong,et al.Study of pulse combustion of delay composition[J]. Blasting,2014,31(3):132-135.(in Chinese)

[13] 劉媛媛.延期藥燃燒機理及壓力對燃燒的影響[D].淮南：安徽理工大學,2014.

[13] LIU Yuan-yuan.Mechanism of delay composition combustion and influence of pressure on combustion[D].Huainan：AnHui University of Science and Technology,2014.(in Chinese)

更正：2016年第二期第77頁圖6～圖8出現(xiàn)錯誤，現(xiàn)更正如下。

Effect of Ignition Ways and Gas Chamber Size on Interval Time of Delay Element

YUAN He-ping,GUO Zi-ru,HAN Ti-fei,WANG Quan

(School of Chemical Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China)

In order to study the influence of method of ignition and air chamber length on the interval time of lead delay element,the delay elements of detonators are assembled in a quartz glass tube to simulate the state of delay element in the detonator.Two methods are used to ignite the lead delay element:ignite by the plastic detonating tube and by the electric match head.The high-speed photography was taken to observe the ignition state of delay element,and studied the influence on the total delay time of the delay element when changing the ignition and the gas chamber length.It was found that:After firing,the firing end of delay element will emit burning delay composition.Under the same conditions,when ignite by the electric match head,the lead delay time was shorter.Change the length of the chamber had no significant effect on the delay time when ignite by the plastic detonating tube.But the delay time of 2# and 4# delay element increases with increase of the length of the air chamber from 12 mm to 20 mm when ignite by the electric match head.

detonator; delay element; combustion; ignition; air chamber length

10.3963/j.issn.1001-487X.2016.04.025

2016-09-16

袁和平(1992-)，男，碩士，主要從事民用爆破器材與應用研究，(E-mail)yuanhp23@sina.com。

郭子如(1962-)，男，教授，從事爆炸理論與含能材料的教學與研究，(E-mail)zrguo@aust.edu.cn。

中國博士后基金面上項目(2014M561808)；安徽省高校自然科學基金重點項目(KJ2013A100)；國家自然科學基金-煤炭聯(lián)合基金項目(51134012)

TJ45+.5

A

1001-487X(2016)04-0130-05