小口徑槍彈焚燒銷毀機(jī)理分析與實(shí)踐

王小川

(中國人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000)

隨著輕武器更新?lián)Q代，老舊型號槍彈囤積量較大，接近甚至超過倉儲報(bào)廢年限，實(shí)彈射擊訓(xùn)練也導(dǎo)致部分失效槍彈的出現(xiàn)，這些槍彈危險(xiǎn)性極大，若處置不當(dāng)極易造成安全事故，所以必須銷毀。當(dāng)前，國內(nèi)外銷毀槍彈主要方法有：傳統(tǒng)燒毀法、掩埋、引爆、深海傾倒、聚能切割、化學(xué)分解法等[1-4]。其中掩埋、深海傾倒、引爆等方法會污染環(huán)境、銷毀效率低，且不利于資源回收利用和普及推廣;其他方法對于設(shè)備、技術(shù)要求高，銷毀成本大，也難以廣泛普及應(yīng)用。

燒毀法是目前應(yīng)用最廣泛的槍彈銷毀方法，它是對含能材料施以火焰(熱能)刺激，促使其能量按預(yù)定的途徑釋放出來的技術(shù)過程，主要是引燃含能材料后，含能材料能夠自維持燃燒，直到全部銷毀[5-8]。本文主要通過對小口徑槍彈銷毀過程中槍彈發(fā)射藥點(diǎn)火模式機(jī)理及燃燒和轟燃影響因素進(jìn)行分析，為設(shè)計(jì)銷毀小口徑槍彈裝置提供理論依據(jù)，力圖研究出行之有效的銷毀小口徑槍彈裝置及相關(guān)處置方法。

1 報(bào)廢槍彈焚燒銷毀過程機(jī)理特征分析

報(bào)廢槍彈重點(diǎn)是對槍彈發(fā)射藥的銷毀，發(fā)射藥的焚燒銷毀過程一般可分為兩個階段：發(fā)射藥表面著火、火焰向發(fā)射藥內(nèi)部傳播。

1.1 槍彈焚燒銷毀的點(diǎn)火特征分析

發(fā)射藥在點(diǎn)火源的作用下，局部表面溫度高于點(diǎn)火溫度時，發(fā)射藥表面出現(xiàn)火焰，這個過程稱為點(diǎn)火。發(fā)射藥點(diǎn)火溫度越高，點(diǎn)火壓力越大，點(diǎn)火速度越快，時間越短。發(fā)射藥燃燒產(chǎn)生的高溫氣體產(chǎn)物和凝聚相產(chǎn)物加熱發(fā)射藥局部表面，使發(fā)射藥的表面發(fā)生分解，分解產(chǎn)物發(fā)生放熱氧化還原反應(yīng)，很快使加熱的局部表面溫度增高到點(diǎn)火溫度而被點(diǎn)燃，點(diǎn)燃的發(fā)射藥火焰沿發(fā)射藥表面持續(xù)傳導(dǎo)，使整個發(fā)射藥表面被點(diǎn)燃。

槍彈燒毀的點(diǎn)火模型比較符合流動熱氣體點(diǎn)火模型，如圖1所示。點(diǎn)火發(fā)生在t=0時刻，若t≤0時發(fā)射藥溫度T0為常數(shù)，t=0時，熱氣流開始從材料表面流過，點(diǎn)火加溫發(fā)生在這個時刻。

圖1 點(diǎn)火源點(diǎn)燃發(fā)射藥模型示意圖

假設(shè)材料點(diǎn)火前不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和形態(tài)相變，發(fā)射藥表面為平面，建立材料點(diǎn)燃的熱傳遞方程：

(1)

式中，α為發(fā)射藥的散熱系數(shù)，α=λ/(ρc)；λ為發(fā)射藥的熱傳導(dǎo)系數(shù)；ρ為發(fā)射藥的密度；c為發(fā)射藥的比熱容。

在傳熱交界面處，根據(jù)能量傳遞守恒定律：

(2)

式中，h為熱交換系數(shù)。

材料被加熱點(diǎn)燃的最高溫度在x=0處的界面上，只要求出該界面上，表面溫度T隨時間的變化規(guī)律即可。根據(jù)拉普拉斯變換，在加熱氣體的溫度Tg為常數(shù)時，可得：

隨著時間的增加，發(fā)射藥表面的溫度不斷上升，只要?dú)怏w的溫度超過發(fā)射藥點(diǎn)火溫度TK，點(diǎn)火就發(fā)生。令T=TK，可求得點(diǎn)火延遲時間的長度。點(diǎn)火延遲時間可以表示為：

(4)

可知，點(diǎn)火延遲時間與發(fā)射藥密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)成正比，隨著點(diǎn)火溫度TK的升高和炸藥初始溫度的降低而增加，提高點(diǎn)火源的溫度Tg可縮短點(diǎn)火時間。

點(diǎn)火熱源引燃發(fā)射藥，必須有足夠高的溫度和熱量。根據(jù)點(diǎn)燃方式不同，發(fā)射藥點(diǎn)火方式分為自動點(diǎn)火和強(qiáng)制點(diǎn)火。槍彈銷毀工作中，應(yīng)盡可能避免自動點(diǎn)火和其他火災(zāi)引發(fā)的槍彈強(qiáng)制點(diǎn)火，但是，有時需要利用強(qiáng)制點(diǎn)火的方式燒毀報(bào)廢槍彈。

1.2 槍彈焚燒銷毀燃燒特征分析

(5)

式中，λ，ρ，c為發(fā)射藥的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容；r為燃燒速度；初始邊界條件為T=TK(x=0,y=1),T=T0(x→∞,0

(6)

可以看出，增加氣體與發(fā)射藥表面的熱交換系數(shù)，提高點(diǎn)火區(qū)周圍的氣體溫度和發(fā)射藥初溫，降低發(fā)射藥的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容或點(diǎn)燃溫度，均可提高火焰沿發(fā)射藥表面的傳播速度。發(fā)射藥持續(xù)燃燒，在常壓下，傳播速度一般為每秒幾毫米到每秒幾十毫米。影響燃燒速度的因素有：材料自身屬性，即材料的組成、密度、濕度；材料數(shù)量以及堆積方式，即數(shù)量多少，堆積厚度、寬度，以及暴露于空氣中的面積。在槍彈銷毀過程中，常利用這些影響因素控制發(fā)射藥材料的燒毀。

1.3 槍彈焚燒銷毀燃燒轉(zhuǎn)為爆轟的機(jī)理特征分析

發(fā)射藥燃燒過程中，當(dāng)燃?xì)膺M(jìn)入發(fā)射藥孔隙后，其內(nèi)部表面被引燃，當(dāng)孔隙率較高時，發(fā)射藥的燃燒面驟增，產(chǎn)生的燃?xì)饬恳裁驮?，壓力也隨之急劇上升，促使燃速迅速加快，產(chǎn)生對流燃燒。若燃燒在密閉或半密閉容器中發(fā)生，可能造成循環(huán)式的燃速增快、燃燒面增大和壓力急升，這時燃燒表面附近產(chǎn)生的氣體難以擴(kuò)散，燃燒面氣流密度升高從而形成壓縮波。壓縮波的疊加會形成沖擊波，當(dāng)沖擊波到達(dá)一定強(qiáng)度時，就會使氣體產(chǎn)物產(chǎn)生爆轟。氣體產(chǎn)物爆轟形成的新的沖擊波又反過來沖擊未反應(yīng)的發(fā)射藥并使其爆轟，于是發(fā)射藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟的過程一般經(jīng)過燃燒、不穩(wěn)定燃燒、低速爆轟、高速爆轟這四個階段。

1.3.1 槍彈發(fā)射藥燃燒轉(zhuǎn)為爆轟的影響因素

1.3.1.1 壓力的影響。影響發(fā)射藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟的最重要因素是壓力，壓力增大時，氣相活化分子的碰撞機(jī)會增多，氣相反應(yīng)加速，會增加氣相高溫產(chǎn)物向發(fā)射藥凝聚相內(nèi)部的滲透，加速凝聚相反應(yīng)。發(fā)射藥燃速和壓力的增加成正比，當(dāng)壓力超過壓力界限時，燃速就會急劇增加轉(zhuǎn)為爆轟，通常發(fā)射藥的裝藥密度越低，產(chǎn)物溫度越高，燃速越快，發(fā)火點(diǎn)越低，壓力對發(fā)射藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟的影響越大。在一定的壓力范圍內(nèi)(如0.006 7～20 MPa)，大多數(shù)發(fā)射藥能夠進(jìn)行穩(wěn)定燃燒，當(dāng)壓力值達(dá)到最大時，燃燒可能由穩(wěn)定燃燒變?yōu)椴环€(wěn)定燃燒，進(jìn)而產(chǎn)生爆轟；當(dāng)壓力小到某一值時，燃燒由于不能穩(wěn)定而熄滅。

發(fā)射藥屬于炸藥的一種，大多數(shù)炸藥都有穩(wěn)定燃燒的壓力界限，高于壓力上限時，燃燒轉(zhuǎn)為爆轟；低于壓力下限時，燃燒熄滅，只有在壓力區(qū)間內(nèi)，才能穩(wěn)定燃燒。

液態(tài)的、粉末狀的以及低密度壓裝的炸藥穩(wěn)定燃燒的壓力上限，比注裝的、高密度壓裝的、膠質(zhì)的炸藥壓力上限低，粉末狀炸藥在高壓條件下燃燒時，因顆粒著火速度快，燃燒面急劇擴(kuò)大，使粉狀炸藥不能穩(wěn)定燃燒。因此，禁止用焚燒法銷毀粉狀發(fā)射藥。

1.3.1.2 火焰熱輻射的影響。發(fā)射藥在燃燒的情況下產(chǎn)生巨大的火焰，火焰溫度越高，熱輻射的影響就越大，發(fā)射藥溫度上升的也就越快，在強(qiáng)熱和高溫作用下形成熱積累，壓力急劇上升，容易發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)為爆轟現(xiàn)象。

1.3.1.3 外殼的影響。當(dāng)發(fā)射藥有外殼時，氣體產(chǎn)物不易排出，壓力容易上升，因而外殼有利于燃燒轉(zhuǎn)為爆轟。如，發(fā)射藥密封于彈殼內(nèi)部時，有助于壓力的迅速升高促進(jìn)燃燒轉(zhuǎn)爆轟，燒毀未破壞彈殼密封性的槍彈時，應(yīng)注意彈頭及彈片飛濺帶來的危害。

1.3.1.4 熱傳導(dǎo)的影響。熱傳導(dǎo)系數(shù)大，導(dǎo)走的熱量多，加熱層越厚，達(dá)到材料燃燒所需的熱量就越多，需要不斷補(bǔ)充能量，燃速較慢，如果熱傳導(dǎo)系數(shù)太大，就可導(dǎo)致燃燒熄滅。

1.3.1.5 裝藥結(jié)構(gòu)的影響。裝藥強(qiáng)度不足時，尚未燃燒的發(fā)射藥在高溫高壓氣體及產(chǎn)物的作用下突然發(fā)生碎裂，燃燒面積突然增大，燃速突然加快，促使燃燒轉(zhuǎn)為爆轟。某些發(fā)射藥和起爆藥的晶體在燃燒時也能產(chǎn)生裂縫以致碎裂。粉狀裝藥及多孔性發(fā)射藥，它們的裝藥密度小、孔隙多，高溫燃燒產(chǎn)物容易滲透到發(fā)射藥內(nèi)部，便于燃燒轉(zhuǎn)爆轟。

1.3.1.6 受發(fā)射藥內(nèi)部孔隙的影響?？紫独谌?xì)獾倪M(jìn)入，使燃燒面變形擴(kuò)大，破壞燃燒的穩(wěn)定性，使燃燒轉(zhuǎn)爆轟，比如，柱狀發(fā)射藥比粉狀發(fā)射藥更容易由燃燒轉(zhuǎn)爆轟。

1.3.2 槍彈焚燒銷毀過程中燃燒與爆轟的區(qū)別

發(fā)射藥除穩(wěn)定燃燒外，還有不穩(wěn)定燃燒，甚至由燃燒轉(zhuǎn)為爆轟，這里有必要分析一下燃燒與爆轟的區(qū)別：(1)能量傳遞方式不同。燃燒是靠氣體產(chǎn)物擴(kuò)散和導(dǎo)熱將能量傳給尚未反應(yīng)的發(fā)射藥，使其繼續(xù)燃燒；爆轟是靠爆轟波將能量傳給尚未反應(yīng)的發(fā)射藥，使之繼續(xù)爆轟。(2)傳播的速度不同。燃燒比爆轟傳播的速度慢得多，燃燒傳播的速度低于聲速；爆轟傳播的速度高于聲速。(3)產(chǎn)物運(yùn)動方向不同。燃燒反應(yīng)結(jié)束瞬間，火焰陣面后的產(chǎn)物運(yùn)動方向與火焰?zhèn)鞑シ较蛳喾?；爆轟結(jié)束瞬間，爆轟波陣面后產(chǎn)物的運(yùn)動方向與爆轟波傳播的方向一致。(4)受外界條件影響不同。燃燒受外界條件(壓力、溫度、外殼等)影響很大；爆轟受外界條件影響很小，甚至無關(guān)。(5)化學(xué)反應(yīng)不同。同一種發(fā)射藥在燃燒與爆轟時反應(yīng)區(qū)中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)不同，放出的能量不同，在沒有外界空氣中氧參加時，同一種發(fā)射藥在爆轟時比燃燒時放出的能量多。

由上可見，燃燒與爆轟是性質(zhì)不同的兩個過程，但它們都是發(fā)射藥化學(xué)反應(yīng)的形式，二者存在一定聯(lián)系，在特定條件下燃燒才可以轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z。

2 焚燒箱銷毀小口徑報(bào)廢槍彈的處置方法

2.1 焚燒箱銷毀原理和設(shè)計(jì)要求

焚燒銷毀是以外部焚燒作為槍彈發(fā)射藥的點(diǎn)火熱源，以熱輻射形式點(diǎn)燃槍彈彈殼內(nèi)部發(fā)射藥，屬于強(qiáng)制點(diǎn)火，發(fā)射藥燃燒從表面開始向內(nèi)傳導(dǎo)，并逐步發(fā)展為爆轟。相對于正常以擊發(fā)槍彈底火，在彈殼內(nèi)部以明火瞬間引燃發(fā)射藥的點(diǎn)火方式相比，爆轟烈度較低，部分因銹蝕導(dǎo)致的彈殼密封失效的槍彈甚至不會發(fā)生爆轟現(xiàn)象，即使彈頭因爆轟飛濺，威力也比較低，處于可控可防范圍。因此，以箱體集中焚燒銷毀槍彈在理論上具有可行性。

焚燒箱燒毀法，主要適用于燒毀12.7 mm以下口徑槍彈、底火、發(fā)煙彈、催淚彈、信號彈等火工品，是在傳統(tǒng)焚燒銷毀法基礎(chǔ)上，用焚燒箱體作為載體，以內(nèi)部點(diǎn)火、焚燒方式來實(shí)施槍彈銷毀，其承載槍彈密度較高，但批量銷毀時不排除集中爆轟的可能性。焚燒箱設(shè)計(jì)要求較高：(1)為確保安全，既要保證箱體的耐爆性，又要防止彈片飛出箱體造成傷害；(2)既能為箱體內(nèi)部燃燒充分供氧，還要為槍彈爆轟有效排壓；(3)要求體積小、移動方便，使用上處置方法簡單，安全高效，易于回收清點(diǎn)。

2.2 焚燒箱制作

焚燒箱需要有一定耐爆性，目前公安部制式槍彈中口徑最小、發(fā)射藥裝藥量最少的槍彈在單體燒爆時，彈頭飛出了近20 m直線距離，銷毀其他口徑槍彈時焚燒箱的耐爆要求更高。因此，焚燒箱箱體使用10 mm厚防彈鋼板焊接成形，以保證焚燒箱不會因槍彈爆轟或彈片沖擊變形、受損，尺寸設(shè)計(jì)為420 mm×420 mm×350 mm，在其內(nèi)部距底部15 mm處設(shè)置可活動槍彈承載網(wǎng)。箱體與箱蓋采用卡榫固定，確保箱蓋在工作過程中不會產(chǎn)生位移，為保證燃燒過程的充分供氧以及防止彈片飛濺并有效排壓，在箱蓋均勻開有5 mm直徑圓孔矩陣，如圖2所示。

圖2 小口徑槍彈焚燒銷毀箱設(shè)計(jì)圖

2.3 焚燒箱銷毀小口徑報(bào)廢槍彈的處置方法

首先，在下方均勻鋪滿槍彈包裝紙、包裝盒、廢棄擦槍布等可燃物，而后放置承載網(wǎng)并均勻鋪裝彈藥，鋪裝高度不高過8 cm，為保證燃燒速度，可淋助燃劑，或繼續(xù)在槍彈上方覆蓋可燃物。其次，將頂蓋推入兩側(cè)卡榫，而后將沁有槍油的廢棄擦槍布點(diǎn)燃扔進(jìn)焚燒箱，迅速將頂蓋推送到位。作業(yè)人員退到20 m以外安全區(qū)域。第三，如果待銷毀槍彈較多，可只保留承載網(wǎng)下方可燃物，采用外部加熱方式銷毀。多品種燒毀時，應(yīng)注意按燃燒、爆炸強(qiáng)烈程度不同適當(dāng)搭配混合鋪裝，將爆轟強(qiáng)烈的品種在箱內(nèi)分散開。最后，殘?jiān)謇?。待焚燒箱熄? min后，對焚燒箱進(jìn)行澆水冷卻，確認(rèn)無燃燒、爆轟后進(jìn)行殘?jiān)謇?，?yán)禁帶火或焚燒箱未冷卻時清理。清理時認(rèn)真清點(diǎn)未燃、未爆品，仔細(xì)檢查灰燼和殘留物，嚴(yán)防未燒毀的彈藥混入渣殼中。

3 結(jié)論

本文建立了報(bào)廢槍彈的點(diǎn)火模型，分析了報(bào)廢槍彈點(diǎn)火-燃燒-爆轟過程機(jī)理特征，得到了影響銷毀小口徑槍彈的影響因素。發(fā)現(xiàn)通過增加氣體與發(fā)射藥表面的熱交換，提高點(diǎn)火區(qū)周圍氣體溫度和發(fā)射藥初溫，降低發(fā)射藥的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容或降低發(fā)射藥點(diǎn)燃溫度，均可使火焰提高沿發(fā)射藥表面?zhèn)鞑サ乃俣取Ｍ瑫r提出了利用焚燒箱銷毀小口徑槍彈的處置方法，設(shè)計(jì)了焚燒箱裝置，整理出了點(diǎn)火方法及殘?jiān)幚碓瓌t，保證了銷毀槍彈的可靠性，對于處置小口徑報(bào)廢槍彈具有一定現(xiàn)實(shí)意義。