煙火切割技術研究最新進展概述

夏國偉

摘 要 近年來，國內外關于煙火切割技術的研究有了很大突破，出現(xiàn)了許多新的煙火切割產品。煙火切割產品主要由切割炬和點火裝置兩部分組成。點火裝置用來輸出點火信號，也可作產品的手持部位。切割炬內含切割藥劑，燃燒后產生的高溫熔融金屬射流快速切割金屬。為了進一步促進國內煙火切割技術的發(fā)展，對國內外煙火切割技術的研究歷史和現(xiàn)狀，尤其是近五年的發(fā)展進行了對比、分析，發(fā)現(xiàn)國內的煙火切割技術研究發(fā)展迅速。

關鍵詞 煙火切割;切割炬;點火裝置;水陸兩用;綜述

煙火切割技術的作用原理是利用煙火藥劑點燃后燃燒產生的高溫熔融金屬射流在短時間內融化金屬材料，達到切割金屬材料的目的。煙火切割技術區(qū)別于其他切割技術最主要的特點就是可不依靠外界設備和能源進行切割，在搶險救援、緊急搶修、破拆救援等復雜環(huán)境有著廣泛的應用和不可取代的優(yōu)勢。煙火切割技術產品具有輕巧便攜、操作簡單、快速有效、價格便宜等優(yōu)點。為了進一步促進國內煙火切割技術的發(fā)展，對國內外煙火切割技術的發(fā)展歷程做了對比、分析。

1早期煙火切割技術的國內外發(fā)展情況

1.1 早期國外煙火切割技術的發(fā)展情況

國外對煙火切割技術的研究經驗較為豐富，開始于二十世紀七十年代。歷史上，國外發(fā)明過很多種不同樣式的煙火切割炬，如1973年和發(fā)明的手持式煙火切割炬。1973年發(fā)明的水陸兩用煙火切割炬。1986年等發(fā)明的帶噴嘴的煙火切割炬。1991年等發(fā)明了帶支架的煙火切割炬。

此外，還有Geasland在1995年，F(xiàn)accini等在1983年和Carter在2003年分別發(fā)明的便攜煙火切割炬，其結構相對簡單。這些煙火切割炬的結構不同，各有特點，但總結這些煙火切割炬的結構特點，會發(fā)現(xiàn)切割炬的都具有以下特點：

切割炬基本結構由煙火藥柱、殼體和噴嘴三部分組成。煙火藥柱由煙火藥劑壓制而成。煙火藥劑主要由鋁熱劑、還原劑、產氣劑等組成。利用瞬間發(fā)生的氧化還原反應產生高溫熔融金屬射流，通過噴嘴后熔融金屬材料，達到切割金屬的目的。此外，噴嘴的結構，尤其是噴口直徑大小對切割效果影響很大。噴嘴處溫度能達到3000～5000攝氏度，一般的材料無法承受此溫度，故噴嘴材料往往采用石墨等耐高溫材料。切割炬后加裝點火裝置，用于給煙火藥點火。由于燃燒時產生的巨大反作用力，為了確保安全，煙火切割裝置通常固定在試驗裝置上發(fā)射。

1.2 早期國內煙火切割技術的發(fā)展情況

國內對煙火切割技術的研究相對較晚，發(fā)展相對較少。具有代表性的有臺州盛世環(huán)境工程有限公司發(fā)明的。此熱切管器的煙火藥劑基本上由鋁熱劑和成氣劑所組成，各成分的重量百分比為鋁熱劑70%～95%，產氣劑5%～30%。鋁熱劑是由鋁和三氧化二鐵所組成。成氣劑是高錳酸鉀與活性炭混合物、聚四氟乙烯或者硝化棉。等應用鐵鋁熱劑（FeO/Al/添加劑=78/22/7）進行銷毀彈藥的試驗，獲得了成功。在結構相同的情況下，煙火藥劑起到關鍵作用。不同的煙火藥劑配方，產生的切割效果千差萬別。煙火藥劑燃燒絕大部分發(fā)生的是氧化還原反應，反應中快速放熱。化學反應迅速，燃燒速度要快，才能保證溫度不會下降;化學反應期間伴隨氣體產生，用于吹走掛渣。只有吹走掛渣，才會持續(xù)切割金屬。反應速度慢，產氣不足，熔融金屬留在表面，出現(xiàn)掛渣現(xiàn)象，會阻礙對金屬材料的進一步切割。

2近五年國內外煙火切割技術的最新研究

2.1 近五年國內外煙火切割技術研究的現(xiàn)狀

為了適應更為復雜的應用環(huán)境，對煙火切割技術提出了更高的要求。近年，無論國內外在煙火切割技術研究領域都有了新的思考和研究成果。其中比較有代表性的有：國外2015年發(fā)明的破拆裝備Tech Torch;成都銀河動力有限公司2016年發(fā)明的“無電切割刀”和2018年發(fā)明的“水陸兩用破拆便攜式產品”;深圳市沛泓電子有限公司2018年發(fā)明的PH-M9無電切割刀，安徽方圓股份有限公司2019年研發(fā)的“單兵縱火棒”等。

Tech Torch（見圖1）顧名思義，火炬，呈劍柄狀，燃燒切割時，火焰四濺，整個產品看起來就是一把光劍。Tech Torch其實是一種快速高溫切割工具，切割時間在3～5s左右。主要由切割炬和點火裝置由兩部分組合而成。前半段是切割炬，內含高能裝藥，噴嘴處有收斂段，開口處直徑最小，約3～6mm。后半段是點火裝置，裝置上有開關，用來輸出點火信號;啟動開關，切割炬內的裝藥被點燃，開始切割目標。只要按下開關，它瞬間將產生超過2500℃的熱焰，溫度遠超過一般金屬的熔點。切割鋼筋、鋼板不在話下。國外沒有透露Tech Torch的原理，只說是“物理和化學共同作用的結果”。與傳統(tǒng)切割產品相比，它是一個更加完整的產品，不需要外加輔助設備即可操作完成。且外形嬌小，長度約300mm，直徑30mm，重量甚至不到500g。設計輕巧，使用者一次可攜帶多發(fā)產品，亦可多發(fā)產品通過連接后，一次啟動，形成更大范圍的破拆效果。水下使用也不影響性能。

“無電切割刀”是成都銀河動力公司自主研發(fā)，參照國外的Tech Torch，經過科研攻關研制成功?！盁o電切割刀”是利用化學能破拆障礙物。同樣由兩部分組成， “藥筒”和“藥柄”。“藥筒”內裝有經多道特殊工藝處理的高能化學煙火藥劑， “藥柄”開關點火后，煙火藥劑自上而下逐漸燃燒，燃燒時最高溫度能達到4000℃以上。但該產品燃燒時間較長，目前，能夠在20s內熔斷16mm以上直徑的鋼筋。

“水陸兩用破拆便攜式產品”也是成都銀河動力公司自主研發(fā)，具有金屬快速破拆、輕巧便攜、水陸兩用、安全可靠等特點，主要應用于應急救援和水域破拆等領域。該技術為國際先進水平，填補了國內同類產品的空白，具有廣闊的民用前景?？傮w技術指標達到了國際先進水平。

對比近五年新發(fā)明的煙火切割產品與早期產品，會發(fā)現(xiàn)煙火切割技術產品的研究已經從最開始的簡單結構發(fā)展到現(xiàn)在的完備產品，功能和產品本身更加成熟，發(fā)明的產品更安全便捷、更人性化，功能更齊全。但對比近五年國內外產品，發(fā)現(xiàn)煙火切割產品設計思路越來越相似，都朝著小輕巧、高效、環(huán)境適應性強等方向發(fā)展。

值得一提的是，國內煙火切割產品價格基本在500～1000元之間;國外Tech Torch定價300美元，價格遠高于國內同類產品價格。在低成本的條件下，國內最新煙火切割技術不斷研發(fā)創(chuàng)新，最新產品在重量外形、切割效果、環(huán)境適應性等性能上，均與國外產品不相上下，已經基本達到國際水平。

2.2 未來煙火切割技術可能的發(fā)展方向

總體來說，煙火切割技術已經發(fā)展的相對成熟，但仍有許多需改進之處。

首先是安全性問題。目前，國內外沒有一種煙火切割產品允許操作者在沒有防護或只有簡單防護（僅帶普通手套、頭盔）的條件下操作產品。產品在幾秒內切割金屬，火焰溫度必須遠超過金屬熔化溫度，至少在2500℃以上（鐵的熔點為1535℃，一般工廠用來煉鋼的溫度是2000℃），甚至達到3000℃～5000℃。雖然溫度冷卻很快，手持的點火裝置處溫度基本也有500℃左右，徒手根本無法承受?；鹧媲懈罱饘俨牧蠒r產生的反噴作用也很大，就算是經驗豐富的消防員，單手也很難完全控制住產品。所以，操作者須穿戴耐高溫的全身防護服，才能操作產品。未來可以在降低手持處溫度和反噴力方面進行改進。

其次，雖然目前的煙火切割產品已經可以利用夾持工具固定在目標上，且可實現(xiàn)延時發(fā)火和定時發(fā)火目的，但可固定的目標較為局限。且不同的目標需要不同的夾持工具。比較好固定的是鋼板平面和鋼筋等圓柱形物體，如鐵門和圓柱形油桶等。對于更復雜的目標，有時就無能為力了。未來可在夾持工具上多進行研究，擴寬切割產品的應用范圍。

此外，煙火切割產品存在噪聲大、煙霧大、易引燃附近易燃物（如干草等）等缺點。亟待改進。所以說，未來煙火切割技術的研究還有很多需要改進的地方。

3總結與展望

綜上所述，煙火切割技術研究從最初的簡單設計，逐漸發(fā)展到現(xiàn)在的性能大幅度提升，適用環(huán)境更加復雜。對比國內外煙火切割技術的發(fā)展和現(xiàn)狀，國內在煙火切割技術領域的研究取得了飛躍式的進步，已經基本達到國際水平。在全球大型自然災害頻繁出現(xiàn)的嚴峻背景下，相信煙火切割技術將在應急救援和水域破拆等領域發(fā)揮越來越重要的作用。

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