多種鋁熱劑復(fù)配設(shè)計(jì)及其熱性能

賈栓柱， 甄建偉， 杜仕國， 閆 軍， 趙志峰

(1. 陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)彈藥工程系， 河北 石家莊 050003；2. 陸軍北京軍代局駐長治地區(qū)軍代室， 山西 長治 046000)

實(shí)彈訓(xùn)練中，未爆彈藥銷毀主要采取炸毀方法[1-3]處理。該方法具有人員操作安全性低、額外增加爆炸當(dāng)量和處理周期長等缺點(diǎn)，難以滿足訓(xùn)練過程實(shí)時(shí)、安全、高效的處理需要。根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知：Al的密度大，燃燒熱高，且燃燒產(chǎn)物Al2O3的熔點(diǎn)低(2 050 ℃)、沸點(diǎn)高(2 980 ℃)，易使產(chǎn)物形成熔融態(tài)，在金屬切割和彈藥銷毀領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[5-11]，其中在彈藥銷毀領(lǐng)域可實(shí)現(xiàn)射擊訓(xùn)練場不用額外增加爆炸當(dāng)量即可就地銷毀。目前，應(yīng)用的主要方式包括金屬射流銷毀法和應(yīng)用模具的粉態(tài)鋁熱劑高溫銷毀法，但仍存在人員操作安全性低、操作相對復(fù)雜等問題。

采用金屬基可燃膠體高溫灼燒方式就地銷毀未爆彈藥，具有可操作性強(qiáng)、作業(yè)效率高、安全風(fēng)險(xiǎn)低、場地適應(yīng)性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)器人遠(yuǎn)程隔離操作以及對操作的精準(zhǔn)度要求低等特點(diǎn)，特別適合于手榴彈、槍榴彈、子母彈和單兵火箭彈等殼體較薄、彈體較小、戰(zhàn)斗部殼體為低熔點(diǎn)合金材料的彈種。然而，鋁熱劑膠體化后的反應(yīng)形態(tài)和伴隨反應(yīng)與粉狀鋁熱劑的反應(yīng)過程存在差異，為使鋁熱劑膠體得到最佳反應(yīng)效果，達(dá)到銷毀未爆彈藥目的，筆者采用均勻設(shè)計(jì)法進(jìn)行多種鋁熱劑復(fù)配設(shè)計(jì)。

1 理論分析

1.1 均勻設(shè)計(jì)法

均勻設(shè)計(jì)法[12]是利用數(shù)論中的一致分布理論，將數(shù)論與多元統(tǒng)計(jì)相結(jié)合，挑選“均勻分散”的試驗(yàn)點(diǎn)，使每個(gè)因素的每個(gè)水平僅做一次試驗(yàn)，且任意2個(gè)對應(yīng)不同水平的因素相結(jié)合的試驗(yàn)點(diǎn)只出現(xiàn)一次，這樣可通過盡可能少的試驗(yàn)次數(shù)獲得最多的信息，因此特別適用于多因素、多水平的試驗(yàn)和系統(tǒng)完全未知的情況。該方法通過一系列數(shù)學(xué)模型建立了一套均勻設(shè)計(jì)表和與之對應(yīng)的使用表。

均勻設(shè)計(jì)法的步驟為：1)根據(jù)相關(guān)理論，計(jì)算得出所需試驗(yàn)次數(shù)，并選取相應(yīng)的初始均勻設(shè)計(jì)表；2)結(jié)合與均勻設(shè)計(jì)表相對應(yīng)的使用表，根據(jù)試驗(yàn)的因素?cái)?shù)，得到本試驗(yàn)最終的均勻設(shè)計(jì)表；3)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到對應(yīng)因素與結(jié)果的關(guān)系。

1.2 配方選擇

對于依附型鋁熱劑，考慮生成物流動性、保溫性、熱傳導(dǎo)以及能夠熔化金屬板和環(huán)保經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，初步篩選鋁熱劑應(yīng)達(dá)到以下要求：1)生成物金屬為液態(tài)；2)生成物絕熱溫度在2 000 ℃以上；3)反應(yīng)放熱量在3 500 J/cm3以上；4)氧化物日常放置穩(wěn)定、無毒性；5)氧化物應(yīng)常見,且價(jià)格相對低廉。根據(jù)文獻(xiàn)[13]，篩選出5種基本滿足上述要求的鋁熱劑，其鋁熱反應(yīng)及其相關(guān)性質(zhì)[14]如表1所示。

表1 鋁熱反應(yīng)及其相關(guān)性質(zhì)

金屬基可燃膠體高溫灼燒是利用反應(yīng)產(chǎn)生大量的高溫熔融金屬依附彈藥金屬，實(shí)現(xiàn)對未爆彈藥的熔穿銷毀。因此，若假設(shè)被熔金屬為鐵板，則熔穿過程需要綜合考慮以下5個(gè)因素：

1) 絕熱溫度高。

2) 等體積產(chǎn)生熱量多。反應(yīng)放熱量多，保證等體積的鋁熱劑能夠產(chǎn)生更多的能量。

3) 生成金屬比熱容高且熱導(dǎo)率不小于被熔金屬,保證熱量的正常傳導(dǎo)。

4) 生成金屬熔點(diǎn)不宜過高。如果生成金屬熔點(diǎn)太高。會過早固化在被熔金屬表面，這既不利于熱量的傳導(dǎo)，又不利于金屬板熔化形成的熔融金屬的流動，且會對金屬熔穿起相反的作用。

5)不會產(chǎn)生大量的氣體。彈藥銷毀過程中不利用模具進(jìn)行依附燃燒，因此需要膠體燃燒平穩(wěn)，不產(chǎn)生噴濺，保證熔渣的有效利用與安全性，避免熱量的大量流失和有利于溫度的保持。

綜合以上5個(gè)因素，對表1中材料分析如下：

1) 5種鋁熱劑絕熱溫度的關(guān)系為T3

2) 5種鋁熱劑等體積反應(yīng)放熱量的關(guān)系為ΔH4<ΔH5<ΔH2<ΔH1<ΔH3，即Al/CuO的反應(yīng)放熱量最多，但CuO在1 026 ℃時(shí)會分解產(chǎn)生O2[15]，因此在反應(yīng)過程中會同時(shí)產(chǎn)生氣體，宜適量采用。

3) 5種鋁熱劑生成金屬比熱容的順序?yàn)閏5

4)5種鋁熱劑生成金屬熔點(diǎn)的關(guān)系為Tm_4

5)5種鋁熱劑產(chǎn)生氣體量的關(guān)系為Vm_2

通過以上對比可知：Al/Fe3O4反應(yīng)產(chǎn)生氣體量比Al/Fe2O3少，熔渣產(chǎn)生量比Al/Fe2O3多，且易產(chǎn)生更多熔融金屬，因此選用Al/Fe3O4；由于YO3在850 ℃時(shí)會顯著升華，且生成金屬Y熔點(diǎn)太高、比熱容低，因此Al/YO3不宜大量加入；Al/SnO2的絕熱溫度、反應(yīng)放熱量均不佳，且生成金屬Sn熱導(dǎo)率比Fe小，反應(yīng)產(chǎn)生氣體量較大，不宜選用。因此，本試驗(yàn)選取Al/Fe3O4、Al/CuO、Al/YO3三種鋁熱劑進(jìn)行試驗(yàn)。

Al/KNO3反應(yīng)放熱量為-8.36 kJ/g[16]，即Al/KNO3的反應(yīng)放熱量是相同質(zhì)量Al/CuO的1.9倍。為提高整體反應(yīng)放熱量，且使綜合效果最佳，以Al/KNO3為輔助添加劑，其反應(yīng)方程式為

6KNO3+10Al→5Al2O3+3K2O+3N2。

KNO3在330 ℃時(shí)熔融，380 ℃時(shí)開始分解，670 ℃時(shí)產(chǎn)生O2和N2，565 ℃時(shí)才會與Al發(fā)生反應(yīng),因此反應(yīng)過程中會產(chǎn)生大量的氣體。Al/KNO3的氣體產(chǎn)生量是相同質(zhì)量Al/CuO的6倍，因此不宜大量使用。

1.3 測量指標(biāo)的選擇

本試驗(yàn)鋁熱劑配方主要用來熔穿金屬板，需要至少達(dá)到能夠熔穿金屬的溫度和熱量。由于影響溫度變化的因素很多，因此本試驗(yàn)選取溫度為測量指標(biāo)，以達(dá)到選取最佳配方的目的。

2 配方設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

2.1 配方設(shè)計(jì)

考察因素分別為ω(Al/KNO3)(ω1)、ω(Al/Fe3O4)(ω2)、ω(Al/CuO)(ω3)、ω(Al/YO3)(ω4)4個(gè)因素，則本試驗(yàn)因素?cái)?shù)m=4。為尋求最佳配方比及使理論模型可信度更高，根據(jù)均勻設(shè)計(jì)理論的要求，試驗(yàn)次數(shù)n應(yīng)滿足

n>1+m(m+3)/ 2=15。

(1)

對照均勻設(shè)計(jì)手冊中所給定的均勻設(shè)計(jì)表，確定本試驗(yàn)次數(shù)n=16，因此選取U16*(1612)均勻設(shè)計(jì)表[11, 17]。利用均勻設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行無約束配方設(shè)計(jì)，每組試驗(yàn)的藥劑質(zhì)量為100 g，對應(yīng)得出試驗(yàn)配方均勻設(shè)計(jì)表，如表2所示。

表2 試驗(yàn)配方均勻設(shè)計(jì)表 %

2.2 試驗(yàn)方法和結(jié)果

對16組配方進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，并用紅外熱像測溫儀測量溫度，其各組配方燃燒的最高溫度如表3所示。紅外熱像測溫儀成像測量儀型號為?，擜S892，試驗(yàn)測溫為200～2 200 ℃，響應(yīng)波長為8～14 μm，響應(yīng)時(shí)間為500 ms，誤差±2%,分辨率為0.1 ℃。

表3 各組配方燃燒的最高溫度

3 理論模型建立與分析

3.1 模型的建立

根據(jù)均勻設(shè)計(jì)軟件使用手冊分析可知：配方設(shè)計(jì)中4個(gè)因素的和為1。因此，用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對ω2、ω3、ω4進(jìn)行二次逐步線性回歸分析，其中：顯著性水平α=0.1，變量引入/剔除參考值為Fn(α，1，n-2)=Fn(0.1，1，14)=3.102，則建立的配方回歸方程為

Y= 1 462.52 + 8.33ω2+11.32ω3+9.06ω4-

0.07ω2ω4。

模型最終引入因子數(shù)p=8，分別為ω2、ω3、ω4、ω22、ω32、ω42、ω2ω3、ω2ω4，則檢驗(yàn)值t(α，n-p-1)=t(0.1，7)=1.415。表4為各個(gè)因子的t值，可以看出：各因子t值均大于t(0.1，7)，符合要求。

表4 各因子t值

檢驗(yàn)臨界值Fm(p，n-p-1)=Fm(8，7)=6.840。由于DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算得出模型的Fm=75.561 4>6.840，模型誤差自由度n-8=8>5，相關(guān)系數(shù)R2=0.988 6≈1，說明模型的可信度高。

3.2 模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的真實(shí)性，根據(jù)均勻設(shè)計(jì)表U10*(108)建立配方表，如表5所示，其試驗(yàn)測量溫度的真實(shí)值與模型預(yù)測值如表6所示。

由表6可知：

1) 與模型預(yù)測值相比，試驗(yàn)測量溫度的真實(shí)值偏小。分析其原因?yàn)椋簩?shí)際測量環(huán)境并非真空，空氣對流導(dǎo)致熱量散失，進(jìn)而使紅外輻射減弱；紅外熱像分析數(shù)據(jù)存儲存在一定時(shí)間間隔，而鋁熱劑溫度變化為連續(xù)變化，數(shù)據(jù)采集存在誤差。

2) 模型預(yù)測值與試驗(yàn)測量真實(shí)值的平均誤差約為3.5%，誤差在合理范圍內(nèi)，說明模型可信。

表5 配方U10*(108) 均勻設(shè)計(jì)表 %

表6 試驗(yàn)測量溫度的真實(shí)值與模型預(yù)測值

3.3 模型的預(yù)測

利用MATLAB軟件對模型進(jìn)行運(yùn)算預(yù)測，可得出配方三維可視化模型，其表示范圍為ω2+ω3+ω4≤100%，如圖1所示，并計(jì)算其最佳配方如表7所示。

因素1234最佳配比/%14322826最佳溫度/℃1 873.6

根據(jù)模型預(yù)測的最佳配方進(jìn)行試驗(yàn)，并用紅外測溫儀進(jìn)行成像測量，其燃燒過程紅外圖像如圖2所示，對應(yīng)的時(shí)間和溫度如表8所示，溫度變化曲線如圖3所示。

圖號時(shí)間/s溫度/℃圖號時(shí)間/s溫度/℃131.9500.69124.31 800.5267.3749.910145.31 600.3374.31 000.211163.31 399.2480.91 200.312181.61 199.4590.31 599.213205.9999.5693.61 700.614231.7800.7798.31 801.315260.46008110.61 85316290.3500.2

由表8可知：燃燒過程試驗(yàn)測定的最高溫度為1 853 ℃，與建立的模型預(yù)測結(jié)果相接近。由圖3可以看出：在引燃初始階段至60 s，溫度由外界環(huán)境溫度(23 ℃)升高到550 ℃左右，說明鋁熱劑并未被引燃，而是鋁熱劑膠體中的膠狀粘結(jié)劑在燃燒；在60 s以后，溫度逐步達(dá)到高溫，此時(shí)鋁熱劑被引燃。

將圖3的燃燒過程定義為兩級燃燒過程：一級燃燒過程，可為鋁熱劑膠體無人擠膠系統(tǒng)遠(yuǎn)離場地提供足夠的時(shí)間；二級燃燒過程，鋁熱劑產(chǎn)生的高溫液態(tài)金屬可將手榴彈、槍榴彈、子母彈、單兵火箭彈等殼體較薄、彈體較小、戰(zhàn)斗部殼體為低熔點(diǎn)合金材料彈種的彈殼熔穿并引燃內(nèi)部裝藥，達(dá)到銷毀的目的。

4 結(jié)論

利用配方均勻設(shè)計(jì)理論對Al/Fe3O4、Al/CuO、Al/Y、Al/KNO3四種成分進(jìn)行了配方均勻設(shè)計(jì)，通過DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)建立的理論模型與試驗(yàn)測量溫度真實(shí)值平均誤差約為3.5%，可信度較高，最終確定金屬基可燃膠體最佳配方為ω(Al/KNO3)=14%，ω(Al/Fe3O4)=32%，ω(Al/CuO)=28%，ω(Al/YO3)=26%，可達(dá)到的理論最高值為1 873.6 ℃。

通過改善鋁熱劑配方，可使膠體化鋁熱劑的反應(yīng)溫度得到較大提升，這在一定程度上推進(jìn)了膠體化鋁熱劑在遠(yuǎn)程操作銷毀彈藥中的應(yīng)用進(jìn)展。

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