填充介質(zhì)對火藥裝藥爆轟性能的影響

王 鵬, 何衛(wèi)東, 魏曉安

(1. 湖北航天化學技術(shù)研究所, 湖北 襄陽 441003; 2. 南京理工大學化工學院, 江蘇 南京 290014)

1 引 言

火藥是槍、炮等武器的能源,具有一定的使用壽命,在和平時期每年有大量火藥因到期退役成為廢棄火藥。廢棄火藥傳統(tǒng)的處理方法是采用露天燃燒、燃燒爐焚毀、熔融鹽分解、生物降解、超臨界流體氧化法等方法[1]進行銷毀,不僅造成資源的浪費,而且易引起環(huán)境污染及爆炸等安全事故。為使廢棄火藥得到安全、環(huán)保的大批量處理與再利用,各國對廢棄火藥的資源化再利用技術(shù)進行了長期的研究[1-3]。

火藥具有自供氧、易燃燒的特點,在一定外界條件作用下,可由燃燒轉(zhuǎn)為爆轟[4]。陳曉明等[5]通過隔板試驗研究了不同類型發(fā)射藥的沖擊波感度,發(fā)現(xiàn)在強約束的條件下,高能組分含量及藥型尺寸會影響發(fā)射藥的沖擊波感度。姜夕博等[6]通過隔板實驗和臨界起爆壓力實驗,研究了退役單基發(fā)射藥在強約束下的臨界起爆特性,其臨界起爆壓力為1.35～1.49 GPa。由于形狀尺寸、組分等原因,在弱約束的條件下,自然堆積的火藥顆粒自身難以穩(wěn)定爆轟。要直接利用火藥顆粒的爆轟性能,需要采用某種可爆轟或可傳爆的物質(zhì)填充顆粒之間的空隙。蔡昇等[7]研究發(fā)現(xiàn)火藥經(jīng)過安全粉碎后,具有良好的爆轟性能,并發(fā)現(xiàn)火藥粒度對其爆速有顯著影響。廢棄火藥再利用的主要方法是將火藥粉碎后,加入到乳化炸藥、水膠或漿狀炸藥中或制成新型震源藥柱[8-11],目前該方法已應用于工程中,取得了良好的經(jīng)濟及社會效益。魏曉安等[12]首次提出了含火藥的灌注型炸藥制備工藝,并研究了灌注型炸藥的性能。該制備工藝避免了火藥的粉碎,直接利用大粒徑的廢棄火藥,工藝簡單,安全性高,且制備的炸藥爆速高、抗水性良好,具有良好的應用前景。國內(nèi)學者研究了不同單基藥類型、尺寸對灌注型炸藥爆轟性能的影響[13-14],但較少研究填充介質(zhì)的類型及氧平衡對灌注型炸藥爆轟性能的影響。

基于此,本研究分析了在火藥顆粒的間隙中分別填充水、氧化劑溶液、氧化劑凝膠等介質(zhì)后,不同填充物對含火藥顆粒裝藥爆轟性能的影響,測試了不同氧平衡的炸藥裝藥水下爆炸能量輸出特性,為廢棄火藥的再利用制備灌注型炸藥提供理論和實驗依據(jù)。

2 實驗部分

2.1 試樣的制備

將一定質(zhì)量的退役7/14單基藥顆粒(顆粒直徑約5 mm,長約10 mm)自由堆積裝填在直徑60 mm、高度約150 mm的塑料藥卷中,然后將水、含硝酸銨、硝酸鈉的氧化劑溶液分別灌注于裝藥的空隙中,直至剛好浸沒火藥顆粒,樣品編號分別為GZ-01、GZ-02,無填充介質(zhì)的樣品編號為GZ-00。在上述配置的氧化劑溶液中加入適量具有延遲凝聚作用的膠凝劑,攪拌均勻,灌注于火藥裝藥的空隙中,放置一定時間后,氧化劑溶液的粘度逐漸增加,灌注液發(fā)生交聯(lián)聚合,形成不具流動性的三維網(wǎng)絡狀凝膠,使火藥顆粒固定成型,并均勻填充于裝藥的空隙。改變氧化劑溶液中硝酸銨、硝酸鈉的質(zhì)量分數(shù),調(diào)節(jié)灌注液的氧平衡及其密度,制備不同氧平衡的試樣編號為GZ-03、GZ-04,不同試樣的氧平衡及填充介質(zhì)密度見表1。

表1 不同試樣的基本性能

Table 1 Fundamental characteristics of different samples

samplemediumdensityofmedium/g·cm-3oxygenbalanceofchargeGZ-00air0.0012-0.357GZ-01water1.0-0.236GZ-02oxidantsolution1.38-0.142GZ-03oxidantgel1.40-0.137GZ-04oxidantgel1.42-0.084

2.2 板痕試驗

采用板痕實驗測試GZ-00、GZ-01、GZ-02 、GZ-03 4種樣品的爆轟性能,板痕實驗裝置示意圖如圖1所示。測試方法為: 將裝藥垂直放在厚度為10 mm的Q235見證鋼板上,在裝藥的上端垂直放直徑40 mm、質(zhì)量為22 g鈍化黑索今傳爆藥柱(ρ=1.6 g·cm-3)及8#電雷管,然后起爆電雷管。根據(jù)炸藥起爆后見證鋼板上的壓痕深度及破壞情況,可對火藥裝藥是否發(fā)生爆轟進行比較。采用測時儀法,以電離探針測定火藥裝藥的爆速。

圖1 板痕試驗示意圖

1—雷管, 2—傳爆藥柱, 3—炸藥裝藥, 4—鋼板, 5—支架

Fig.1 Schematic diagram of the plate dent test

1—detonating cap, 2— booster pellet, 3—explosive sample, 4—steel plate, 5— stent

2.3 水下爆炸試驗

測試采用的水池幾何尺寸為Φ8.0 m×8.0 m。試樣的入水深度為4.25 m,測試點距爆源2.5 m。試樣質(zhì)量約為400 g,直徑為60 mm。每種試樣平行測試兩次,用8#電雷管及40 g鈍化黑索今傳爆藥柱起爆試樣。測試的儀器主要有: 美國PCB公司138A05型電氣石水下傳感器,靈敏度為1450 mV/MPa,美國PCB公司482A16型信號調(diào)理器,國產(chǎn)縱橫公司JOVIAN 5200 數(shù)據(jù)采集儀等。測試結(jié)果計算方法詳見文獻[15]。水下爆炸試驗示意圖見圖2。

圖2 水下爆炸試驗示意圖

1—起爆線, 2—承重繩, 3—傳輸線纜, 4—試驗支架, 5—炸藥試樣, 6—壓力傳感器

Fig.2 Scheme for underwater blast experimental arrangement

1—ignition cable, 2—load rope, 3—transmission cable, 4—experimental holder, 5—explosive sample, 6—pressure sensor

3 結(jié)果與討論

3.1 填充介質(zhì)對裝藥傳爆性能的影響

4種樣品起爆后見證鋼板凹坑照片如圖3所示。由圖3可知,隨著填充介質(zhì)密度的增加,裝藥被起爆后產(chǎn)生的沖擊波作用在見證鋼板上,使得鋼板的破壞程度逐漸增加,表明裝藥的爆轟傳播能力不斷增強,爆轟壓力也逐漸提高。當填充氧化劑凝膠時(GZ-03),鋼板被擊穿,證明裝藥傳播爆轟波,并發(fā)生穩(wěn)定爆轟。

這可能是因為自由堆積的火藥顆粒之間存在一定的空隙(空隙率約為48%),每個顆粒的尺寸沒有達到爆轟的臨界直徑,傳爆藥柱產(chǎn)生的沖擊波在空氣中迅速衰減,不足以激發(fā)火藥的自加速化學反應,因而迅速衰減為音波,部分火藥顆粒發(fā)生燃燒并被拋散; 當水、氧化劑溶液等密實介質(zhì)占據(jù)火藥顆粒間的空隙時,因其可壓縮性僅是空氣的1/10000,有利于能量的傳遞及沖擊波壓力的提高,使得裝藥的爆轟傳播能力增加,見證鋼板有明顯凹坑,表明火藥裝藥發(fā)生了爆轟。

a. GZ-00 b. GZ-01

c. GZ-02 d. GZ-03

圖3 填充介質(zhì)對裝藥傳爆性能的影響

Fig.3 Effect of filling medium on detonation propagation behavior of propellant charge

3.2 填充介質(zhì)對裝藥爆速的影響

采用測時儀法用電離探針測定了4種樣品的火藥裝藥爆速,結(jié)果如表2所示。

表2 不同試樣的爆速

Table 2 Detonation velocity of different sample

sampledensityofcharge/g·cm-3detonationvelocity/km·s-1GZ-000.83nodetonationGZ-011.264.93GZ-021.415.54GZ-031.436.30

由表2可知,隨著水、氧化劑溶液、氧化劑凝膠等密實介質(zhì)的加入,不僅填充了藥粒的空隙,增加了裝藥密度,火藥裝藥的爆速也逐漸增加。與未填充介質(zhì)相比(GZ-00),水(GZ-01)、氧化劑溶液(GZ-02)、氧化劑凝膠(GZ-03)等填充火藥顆粒的空隙后,有助于促進爆轟波持續(xù)傳播,有效減緩沖擊波能量的快速衰減。填充的氧化劑溶液及其凝膠加入后提高了裝藥的氧平衡,氧化劑參與爆轟過程的快速化學反應,釋放出的能量使整個裝藥的總能量增加; 且氧化劑溶解后,使得多種組分可互相接觸成為連續(xù)介質(zhì),有利于各組分及其分解產(chǎn)物之間加速發(fā)生化學反應,爆轟波能迅速成長及穩(wěn)定傳播,從而有助于提高裝藥的爆速。加入含氧化劑的密實介質(zhì)后,火藥裝藥具有良好的爆轟性能,其裝藥密度及爆速均高于乳化炸藥[16]。

該裝藥結(jié)構(gòu)屬于非均質(zhì)性,各組份的氧化或熱分解能力存在較明顯的差異,同時火藥顆粒之間存在較小的孔隙。火藥本身具有較高的能量,與組份中的硝酸銨等其他組分相比,容易發(fā)生氧化分解。當外界能量作用于裝藥時,微小氣泡被絕熱壓縮,形成熱點,引發(fā)火藥發(fā)生快速的熱分解,能量快速釋放,進而引發(fā)整個裝藥的爆轟。

采用一種簡易的計算方法[17],按照火藥的假定化學式為C22.3046H27.4632O36.0241N9.1415,理論計算了不同填充介質(zhì)的火藥裝藥的爆轟參數(shù),結(jié)果如表3所示。

表3 不同試樣爆轟性能的計算結(jié)果

Table 3 Calculation results of detonation performance of different samples

sampleD/km·s-1p/GPaQV/kJ·kg-1V/L·kg-1GZ-015.127.115161023GZ-026.4314.53196894GZ-036.4814.83189894

Note:Dis the detonation velocity,pis the detonation pressure,QVis the heat of explosion,Vis the specific volume.

由表3可知,填充介質(zhì)對火藥裝藥的爆轟性能影響顯著。當火藥顆粒分別填充水(GZ-01)、氧化劑溶液(GZ-02)、氧化劑凝膠(GZ-03)時,裝藥的理論爆速、爆壓逐漸增加。由于火藥本身具有較高的能量及爆熱,填充介質(zhì)(低能量)加入后,裝藥的爆熱降低。實際上由于含火藥顆粒的裝藥為負氧平衡(表2),火藥顆粒的粒度效應及組分的非均質(zhì)性等因素的影響,火藥裝藥為非理想爆轟,因此理論爆速高于實測值,但其變化趨勢與實驗值相吻合。

3.3 爆轟反應過程

GZ-03試樣的爆轟反應過程高速攝影結(jié)果如圖4所示,并GZ-00進行對比,見圖5。試驗采用美國Cook公司的PCO.dimax超高分辨率高速攝像機,拍攝速度為30000 幀/s,測試點距離爆源35 m。

由圖4可知,填充介質(zhì)為氧化劑凝膠的火藥裝藥(GZ-03)起爆后,隨著時間的增加,反應迅速加劇,爆轟波持續(xù)成長,球形火光的直徑及火光強度逐漸增加。整個爆轟反應持續(xù)時間較短,只有約0.2 ms。之后化學反應逐漸減弱,并由爆轟開始轉(zhuǎn)為燃燒階段,至0.6 ms燃燒結(jié)束。該過程表明,炸藥發(fā)生了明顯的爆轟過程。由圖5可知,GZ-00裝藥被起爆后,0.1 ms時,產(chǎn)生的沖擊發(fā)光強度較弱,火球直徑較小,2 ms后能觀察到火藥顆粒發(fā)生明顯的燃燒過程,至20 ms時發(fā)生劇烈燃燒現(xiàn)象。觀察整個攝影的動態(tài)畫面,火藥燃燒的過程長達約15 s,而且試驗現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)有較多的殘留火藥顆粒。結(jié)果表明填充介質(zhì)為空氣時,裝藥的顆粒僅發(fā)生拋撒并燃燒的現(xiàn)象。

a. 0 μs b. 0.1 ms

c. 0.2 ms d. 0.3 ms

e. 0.5 ms f. 0.6 ms

圖4 GZ-03爆轟過程的高速攝影

Fig.4 Detonation process of GZ-03 by high speed photos

3.4 灌注液氧平衡對水下爆炸能量的影響

不同氧平衡的火藥裝藥水下爆炸沖擊波衰減曲線如圖6所示,其能量輸出特性與自制的銨油炸藥、常用乳化炸藥的性能比較如表4所示。

由于在一定直徑的藥卷中,7/14單基藥顆粒堆積的體積空隙率為定值(約48%),因此,將不同氧化劑含量的灌注液填充于顆粒間的空隙中后,隨著灌注液的氧平衡及密度的增加,火藥裝藥的氧平衡及密度也逐漸增加,且裝藥中單基藥的質(zhì)量分數(shù)也逐漸降低。

a. 0 μs b. 0.1 ms

c. 0.2 ms d. 2.0 ms

e. 5.0 ms f. 20 ms

圖5 GZ-00起爆后的高速攝影

Fig.5 Detonation process of GZ-00 by high speed photos

圖6 不同氧平衡的火藥裝藥沖擊波p-t曲線

Fig.6 Shock wave curves ofp-tabout propellant charges with different oxygen balance

表4 不同炸藥的水下爆炸能量

Table 4 Underwater output energies of different explosive

No.pm/MPaTb/msμes/kJ·g-1eb/kJ·g-1et/kJ·g-1QV/kJ·g-1GZ-0111.60165.421.0091.4972.5432.266GZ-0212.24172.451.3131.7963.1573.196GZ-0412.60190.881.4022.1483.6403.8822#rockemulsionexplosive[18]--0.5752.6073.182-1#rockemulsionexplosive[18]--0.6132.7983.411-ammoniumnitratefueloilexplosive0.7822.4333.225-

Note:pmis the peak pressure of shock wave,Tbis the period of the bubble pulsation,esis the specific shock energy,μis the shock loss factor,μesis the initial shock wave energy,ebis the specific bubble energy,etis the specific explosion energy ,QVis the heat of explosion of explosive.

炸藥的水下爆炸能量分為兩部分: 沖擊波能和氣泡能,前者表征炸藥爆炸的沖擊作用,后者表征炸藥產(chǎn)生的爆轟氣體產(chǎn)物膨脹作用。水下爆炸試驗通過測定沖擊波能和氣泡能來表征炸藥的作功能力。由圖6、表5可知,當火藥裝藥的氧平衡增加時,裝藥體系發(fā)生反應時會產(chǎn)生更多的高溫、高壓的氣體及釋放更多的熱量,減緩了水中沖擊波的衰減; 同時,反應放出的熱量也增大了氣泡的脈動周期Tb和比氣泡能eb。因此,當炸藥的氧平衡由嚴重的負氧平衡增加至接近零氧平衡時,炸藥的水下爆炸能量隨之增加,且炸藥的總比能量et與其氧平衡存在顯著的線性關(guān)系,相關(guān)擬合系數(shù)為0.9945,兩者之間的關(guān)系為:

et=7.415OB+ 4.243

(1)

式中,et為炸藥的總比能, kJ·g-1;OB為炸藥的氧平衡,g·g-1。

結(jié)果表明,盡可能地將含氧量高的密實填充介質(zhì)加入到火藥裝藥中,改善其氧平衡,可提高裝藥的作功能力。與巖石乳化炸藥[18]、自制多孔粒狀銨油炸藥的水下爆炸能量相比,填充高氧平衡的氧化劑凝膠的單基藥裝藥的比沖擊波能較高,總比能接近。

因此,在火藥顆粒的裝藥中填充含氧化劑的密實介質(zhì)后,可使其穩(wěn)定爆轟且具有良好的爆轟性能及作功能力。利用該特點,可將廢棄火藥顆粒再利用,將其制成灌注型工業(yè)炸藥,且該方法工藝簡單、安全,具有良好的應用前景。

4 結(jié) 論

(1)理論計算及實驗結(jié)果表明,隨著水、氧化劑溶液、氧化劑凝膠的填充,火藥裝藥的爆轟傳播能力逐漸增強,爆速隨之增加。

(2)隨著填充液氧平衡的增加,含單基藥的裝藥負氧平衡顯著改善,水下爆炸的比沖擊波能及比氣泡能逐漸增加,總比能et與其氧平衡呈線性關(guān)系,et=7.415OB+4.243。

(3)填充氧化劑凝膠后,火藥裝藥具有良好的爆轟性能,其理論爆速最高可達6.48 km·s-1,比沖擊波能高于1.0 kJ·g-1,顯著高于巖石乳化炸藥、銨油炸藥,總比能基本相當。

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