鋁粉含量和粒徑對乳化炸藥作功能力的影響

錢 海，吳紅波，邢化島，夏曼曼

(安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

鋁粉含量和粒徑對乳化炸藥作功能力的影響

錢 海，吳紅波，邢化島，夏曼曼

(安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

為研究鋁粉對乳化炸藥作功能力的影響，在負(fù)氧平衡的乳化炸藥中分別添加不同含量和粒徑的鋁粉，采用測時儀法測定其爆速；通過水下爆炸實驗計算出含鋁乳化炸藥的比沖擊波能、比氣泡能和總能量等參數(shù)。結(jié)果表明，當(dāng)鋁粉(粒徑為5μm和35μm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，含鋁乳化炸藥的爆速最大，分別為5128、5071m/s；當(dāng)鋁粉(粒徑為5μm和35μm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，乳化炸藥的比沖擊波能、比氣泡能、總能量均隨著鉛粉含量的增加而增大，比沖擊波能分別增加19.7%、15.3%；比氣泡能分別增加12.6%、13.7%，總能量分別增加15.1%、14.5%。

鋁粉；乳化炸藥；比沖擊波能；比氣泡能；作功能力

引 言

乳化炸藥因其原料來源廣泛、成本低、抗水性好、生產(chǎn)自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)已成為我國工業(yè)炸藥中的主導(dǎo)產(chǎn)品[1]。雖然乳化炸藥的爆速及相關(guān)爆轟參數(shù)都比較高，但是由于含有少量的水，在高溫高壓的爆轟瞬間吸收一定的能量，使其爆炸威力下降，破巖效果不理想。為了提高乳化炸藥的作功能力，近年來研制高威力的乳化炸藥已成為熱點(diǎn)課題。而向乳化炸藥中添加高能物質(zhì)是提高炸藥能量的途徑之一。Jolanta biegan ska[2]通過向乳化炸藥中添加硝化纖維素來提高其作功能力。程揚(yáng)帆[3]通過添加儲氫材料MgH2，改變?nèi)榛ㄋ幍拿艋绞揭约霸黾诱ㄋ幍暮芪镔|(zhì)來提高其作功能力。但儲氫材料MgH2在乳化炸藥弱酸性環(huán)境中容易水解產(chǎn)生氫氣，影響貯存穩(wěn)定性。國外對含鋁乳化炸藥的爆轟性能研究較多,如,Gret B jarnholt[4]側(cè)重于研究化學(xué)反應(yīng)后期熱量從Al2O3傳到膨脹氣體對外作功方面的問題。馮曉軍等[5]研究了鋁粉粒度對含鋁炸藥爆炸能量的影響，結(jié)果表明，鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%時，含細(xì)顆粒鋁粉炸藥的爆炸能量大于含粗顆粒鋁粉的炸藥。

含鋁炸藥具有二次反應(yīng)與尺寸效應(yīng)，直接測量爆熱比較困難，故含鋁炸藥的作功能力可通過水下爆炸實驗數(shù)據(jù)計算出的比沖擊波能和比氣泡能進(jìn)行評價[6]。本研究通過向乳化炸藥中添加不同含量和粒徑的鋁粉，采用水下爆炸實驗表征含鋁乳化炸藥的沖擊波能量和氣泡波能量，分析了鋁粉含量和粒徑對乳化炸藥作功能力的影響，為實際工程中根據(jù)被破壞介質(zhì)的特性來選用合適的含鋁乳化炸藥提供參考。

1 實 驗

1.1 材料和儀器

硝酸銨、硝酸鈉、水、復(fù)合鈉、Span-80，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；樹脂微球，鋁粉(平均粒徑分別為5、35μm)。

DDBS-20時間間隔測量儀，測時精度不低于0.1μs，開封市精工儀表廠；138A05型ICP傳感器，壓力量程0～34.47MPa，標(biāo)定靈敏度96.32mV/MPa，美國PCB公司；HDO4034高分辨率多用途數(shù)字儲存示波器，采樣頻率1MHz，美國力科公司。

1.2 含鋁乳化炸藥的制備

乳化炸藥配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：硝酸銨71%、硝酸鈉11%、水9%、復(fù)合鈉4%、Span-80 3%、樹脂微球2%。

將稱量的水相(硝酸銨、硝酸鈉、水)、油相(復(fù)合鈉、Span-80)分別加熱到115、95℃，先將油相加入乳化罐中，打開攪拌機(jī)，將攪拌速度調(diào)為1200r/min，再將水相慢慢加入乳化罐中，攪拌3min得到乳膠基質(zhì)。從乳化罐中取出乳膠基質(zhì)并將其冷卻到60℃，加入樹脂微球敏化劑進(jìn)行敏化，得到乳化炸藥。稱取適量的乳化炸藥分別加入粒徑為5μm和35μm鋁粉，鋁粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%、20%。含鋁乳化炸藥常規(guī)性能參數(shù)如表1所示。

表1 含鋁乳化炸藥性能參數(shù)

1.3 爆速測試

根據(jù)GB/T13228-91的規(guī)定，將含鋁乳化炸藥藥卷制作成直徑為32mm、長度為200mm。將最后一個探針插入距藥卷末端25mm處，并以此點(diǎn)向起爆端量取50mm插入第一個探針，通過測時儀法測量含鋁乳化炸藥的爆速。

1.4 水下爆炸實驗

爆炸水池為高3.6m、直徑5.5m的圓柱體。稱取10g含鋁乳化炸藥，做成球形藥包，插入8號工業(yè)雷管，固定在六角架上。其中，六角架上的藥包與傳感器相距50cm。實驗時將六角架放入水下三分之二處，即藥包放在水下2.4m處，此時，來自水面和水池底部的反射波可以相互抵消[7]。調(diào)試儀器，引爆含鋁乳化炸藥，示波器記錄水下爆炸沖擊波時程曲線，根據(jù)沖擊波時程曲線和傳感器的靈敏度等參數(shù)，得到?jīng)_擊波的峰值壓力、衰減時間常數(shù)、氣泡脈動周期，從而計算沖擊波的有關(guān)參數(shù)。水下爆炸測試系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 水下爆炸測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of underwater explosion test system

2 水中爆炸參數(shù)的計算

2.1 比沖擊波能計算

炸藥在未擾動的水中起爆后，會瞬間形成高溫、高壓的爆轟產(chǎn)物，高溫產(chǎn)物會迅速膨脹劇烈擠壓周圍水介質(zhì)從而形成水下沖擊波[8]。水下爆炸比沖擊波能公式為：

(1)

式中：Es為測點(diǎn)處比沖擊波能，MJ/kg；ρw為水的密度，取1000kg/m3；Cw為水中聲速，取1460m/s；W為炸藥藥包質(zhì)量，g；R為藥包與傳感器之間的距離，m；θ為沖擊波指數(shù)衰減的時間常數(shù)；p為積分區(qū)間內(nèi)的沖擊波壓力，MPa。

將水下爆炸實驗得到的電壓峰值按照式(2)換算成沖擊波壓力峰值:

(2)

式中：pmi為沖擊波壓力峰值，MPa；Vmi為記錄儀器顯示的電壓峰值，mV；Svi為傳感器電壓靈敏度，mV/MPa；

2.2 比氣泡能計算

炸藥水中爆炸后，爆炸產(chǎn)物以氣泡的形式在水中連續(xù)膨脹收縮，稱為氣泡脈動。氣泡脈動壓力只有沖擊波峰值壓力的15%～20%，但脈動的時間很長，產(chǎn)生的沖量高于沖擊波[9]，從裝藥爆轟到出現(xiàn)氣泡第一次收縮的氣泡振蕩周期稱為氣泡脈動周期。根據(jù)實測的氣泡脈動周期tb，與水面實測大氣壓和裝藥深度處的靜水壓修正成同一標(biāo)準(zhǔn)壓力下的氣泡脈動周期Tb，得到比氣泡能Eb

(3)

式中：C和k1為給定水池和裝藥位置等測試條件下的固有常數(shù)；W為炸藥包質(zhì)量，g；Tb為水面實測大氣壓和裝藥深度處的靜水壓修正成同一標(biāo)準(zhǔn)壓力下的氣泡脈動周期，ms。

2.3 總能量計算

炸藥總能量計算公式為：

Et=Kf(u·Es+Eb)

(4)

(5)

式中：Et為炸藥輸出的總能量，MJ/kg；Kf為藥型系數(shù)，對于球形藥包Kf=1；u為沖擊波損失系數(shù)。

式(5)中u與炸藥的爆轟壓力成函數(shù)關(guān)系，爆轟壓力可用式(6)求得：

pC-J=0.25ρ0D2

(6)

式中：ρ0為炸藥的密度，g/cm3；D為水中炸藥包的爆速，m/s。

爆炸實驗在淺水中進(jìn)行，可用空氣中的炸藥爆速來代替水中炸藥包的爆速，再綜合式(4)、(5)、(6)，可得到含鋁炸藥的總能量。

2.4 活性鋁含量計算

鋁粉中只有以單質(zhì)狀態(tài)存在且未被氧化的鋁對氧化放熱反應(yīng)起作用，故將鋁粉中未被氧化的鋁稱為活性鋁。而微米鋁粉的活性主要取決于活性鋁的含量，即活性鋁含量越高，單位質(zhì)量的鋁粉燃燒釋放的能量越多。曾亮[10]利用激光粒度儀及質(zhì)譜儀測得微米鋁粉的粒徑與其氧化層厚度之間的規(guī)律，如式(7)所示：

δ=56.514(1-e-0.0378d)

(7)

式中：δ為鋁粉氧化層厚度；d為鋁粉的粒徑，1～370μm。

根據(jù)式(7)可得出,當(dāng)鋁粉粒徑分別為5、35μm時，平均氧化層厚度分別為9.73、41.40nm。

3 結(jié)果與討論

3.1 鋁粉含量對乳化炸藥爆速的影響

含鋁乳化炸藥爆速測試結(jié)果如表2所示。

表2 乳化炸藥爆速

從表2可以看出，加入5%的鋁粉時，乳化炸藥的爆速達(dá)到最大，分別為5128、5071m/s，這是因為含鋁乳化炸藥爆轟時，爆轟反應(yīng)區(qū)間內(nèi)的鋁粉參與爆轟反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量使波陣面上支持爆轟反應(yīng)的能量增加。隨著鋁粉含量的增加，爆速開始下降，這是因為爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)鋁粉參加反應(yīng)，只能產(chǎn)生一定的熱量來支持乳化炸藥的爆轟。而隨著鋁粉的增加，爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)的鋁粉含量也開始增加，這些未參加反應(yīng)的鋁粉在反應(yīng)動力學(xué)上對反應(yīng)物的濃度起稀釋作用，同時吸熱并消耗部分能量，從而降低爆轟反應(yīng)區(qū)的能量，使爆壓降低，爆速開始下降[11]。

從表2還可以看出，鋁粉含量相同時，含小粒徑鋁粉(5μm)的乳化炸藥爆速比含大粒徑鋁粉(35μm)的爆速要高。這是因為，小粒徑鋁粉比大粒徑鋁粉的比表面積要大，與周圍介質(zhì)接觸的面積增大，鋁粉與周圍介質(zhì)的導(dǎo)熱更容易。由二次反應(yīng)論和惰性熱稀釋理論可知，比表面積越大的鋁粉，可較快地吸熱達(dá)到活化溫度，反應(yīng)更充分，參加爆轟反應(yīng)更容易。另外根據(jù)熱點(diǎn)理論，小粒徑鋁粉具有更多的棱角，在沖擊波的作用下形成更多的“灼熱點(diǎn)”，從而使炸藥的爆轟反應(yīng)更為迅速。

3.2 鋁粉含量對乳化炸藥比沖擊波能的影響

圖2為含鋁粉乳化炸藥的比沖擊波能曲線。從圖2可以看出，兩條曲線的變化趨勢基本一致，比沖擊波能隨鋁粉含量的增加而增大，當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至15%左右時，比沖擊波能達(dá)到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)；隨著鋁粉含量的增加，比沖擊波能變化非常小，說明隨著鋁粉含量的增加，對比沖擊波能的影響不大。當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至20%左右，其比沖擊波能分別增加19.7%和15.3%。當(dāng)鋁粉含量相同時，加入小粒徑鋁粉比大粒徑鋁粉的比沖擊波能大。說明大粒徑鋁粉參與爆轟反應(yīng)的量非常少，在爆轟波陣面上甚至起到惰性作用，更多的是與爆轟產(chǎn)物反應(yīng)。而比表面積更大的小粒徑鋁粉更容易參與爆轟反應(yīng)，并放出熱量來支持爆轟波的傳播；其次小粒徑鋁粉反應(yīng)較快，有利于沖擊波陣面上的能量積累。

圖2 鋁粉含量對乳化炸藥比沖擊波能的影響Fig.2 Effect of aluminum powder content on specific shock wave energy of emulsion explosive

3.3 鋁粉含量對乳化炸藥比氣泡能的影響

圖3為含不同粒徑鋁粉的乳化炸藥的比氣泡能曲線。

圖3 鋁粉含量對乳化炸藥比氣泡能的影響Fig.3 Effect of aluminum powder content on specific bubble energy of emulsion explosive

從圖3可以看出，乳化炸藥的比氣泡能隨鋁粉含量的增加而增大，其中含大粒徑鋁粉乳化炸藥的比氣泡能比含小粒徑鋁粉乳化炸藥的比氣泡能大。分析認(rèn)為，鋁粉粒徑越大，其表面氧化層的厚度也越大，被氧化的鋁粉就越多，其活性鋁的含量就越低，釋放的能量就越少。另外，在沖擊波的作用下，不同厚度鋁顆粒表面的氧化層承受沖擊波的能力不同，鋁粉粒徑越小，平均氧化層厚度越薄，鋁粉表面氧化層脫落的時間就越短，活性鋁參與反應(yīng)的時間越早，鋁粉氧化反應(yīng)也就越快。相反，鋁粉粒徑越大，平均氧化層厚度越厚，鋁粉表面氧化層脫落的時間就越長，活性鋁參與反應(yīng)的時間越晚，鋁粉氧化反應(yīng)也就越慢。故在鋁粉含量相同的條件下，含大粒徑鋁粉的乳化炸藥的能量釋放相對緩慢，持續(xù)時間較長，大粒徑鋁粉主要是在炸藥爆轟反應(yīng)的后期參加反應(yīng)，使反應(yīng)的氣泡能增加。

3.4 鋁粉含量對乳化炸藥總能量的影響

圖4為含不同粒徑鋁粉的乳化炸藥的總能量曲線。

圖4 鋁粉含量對乳化炸藥總能量的影響Fig.4 Effect of aluminum powder content on total energy of emulsion explosive

由圖4可以看出，含鋁乳化炸藥的總能量隨著鋁粉含量的增加而增加，當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到20%左右，其總能量分別增加15.1%、14.5%。其中鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～10%時，總能量增加較快，含小粒徑鋁粉的乳化炸藥總能量比含大粒徑鋁粉的乳化炸藥總能量高。隨著鋁粉含量的增加，含鋁乳化炸藥總能量增加較慢，鋁粉的粒徑對總能量影響較小。

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)乳化炸藥中鋁粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，爆速最大，隨著鋁粉含量的增加，炸藥的爆速呈減小趨勢。

(2)含鋁乳化炸藥在水下爆炸時所產(chǎn)生的比沖擊波能和比氣泡能都隨著鋁粉含量的增加而增大；其中，鋁粉含量相同時，含小粒徑鋁粉乳化炸藥的比沖擊波能大于含大粒徑鋁粉的比沖擊波能，含小粒徑鋁粉的乳化炸藥比氣泡能小于含大粒徑鋁粉的乳化炸藥的比氣泡能。

(3)含鋁乳化炸藥的總能量隨著鋁粉含量的增加而增大。鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～10%時，含小粒徑鋁粉的乳化炸藥的總能量比含大粒徑鋁粉的乳化炸藥的總能量高。

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Effect of Aluminum Content and Particle Size on the Power of Emulsion Explosives

QIAN Hai，WU Hong-bo,XING Hua-dao,XIA Man-man

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

To study the effect of aluminum powder on the power of emulsion explosives,aluminum powder with different particle size and content were added into emulsion explosive with negative oxygen balance.The detonation velocity of the explosive was measured by a timing instrument method and the specific shock wave energy,specific bubble energy and total energy etc.parameters for aluminized emulsion explosive were tested and calculated by underwater explosion experiment.The results show that when the mass fraction of aluminium powder with particle size of 5μm and 35μm in emulsion explosive is 5%,their detonation velocity achieves maximum 5128m/s and 5071m/s,respectively.The specific shock wave energy,specific bubble energy and total energy increase with the increase of aluminum content.When the mass fraction of aluminium powder with particle size of 5μm and 35μm in emulsion explosive is 20%,their specific shock wave energy increases by 19.7% and 15.3% respectively,specific bubble energy increases by 12.6% and 13.7%,respectively,and total energy increases by 15.1% and 14.5% respectively.

aluminum powder; emulsion explosive; specific shock wave energy; specific bubble energy; power

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.01.008

2016-07-15；

2016-10-30

高等學(xué)校博士學(xué)科基金資助項目(20123415110004)

錢海(1991-)，男，碩士，從事乳化炸藥性能研究。E-mail:1029670170@qq.com

吳紅波(1975-)，男，博士，副教授，從事乳化炸藥性能研究。E-mail:hbwu@aust.edu.cn

TJ55;TQ564

A

1007-7812(2017)01-0040-05