M型雷管针刺感度影响因素研究.pdf

doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2018. 06. 010 M 型雷管针刺感度影响因素研究 ❋ 吴海山 王 迟 安徽红星机电科技股份有限公司安徽合肥,231135 [摘 要] M 型雷管在实际生产时针刺感度不稳定,通过试验排查,认定针刺药中硫化锑组分含杂质,影响了针刺 药的针刺感度。 通过工艺优化提高硫化锑纯度,同时对药剂粒度筛选及测定药剂粉末度的工艺过程进行优化。 试 验结果表明优化后,针刺药各组分间接触紧密,更有利于热点的形成,粒度匹配性好,针刺药针刺感度有所提高, 一致性较好。 [关键词] 针刺雷管;针刺感度;针刺药;硫化锑;工艺优化 [分类号] TD235. 2;TQ565. 2;TJ45 ＋2 Study on Influence Factors of Stab Sensitivity of M-type Detonator WU Haishan, WANG Chi Anhui Hongxing Electrical Polytron Technologies Co. , Ltd. Anhui Hefei, 231135 [ABSTRACT] Stab sensitivity of M-type stab detonator was found unstable during practical production. It was conc- luded by experimental investigation that the impurity of antimony sulfide in stab composition has affected its stab sensitivity. The purity of antimony sulfide was improved correspondingly by process optimization in cooperation with optimizing particle screening and antimony sulfide powder measurement. The results show the closer contact among the optimized components in favor of the construction of hot spots, good match of particle sizes, improved stab sensitivity and better consistency. [KEYWORDS] stab detonator; stab sensitivity; stab composition; Sb2S3; process optimization 引言 目前,针刺雷管已经成为弹药引信中使用最多 的火工品,作为武器系统中的激发系统,针刺雷管作 用的成败将直接影响整个传爆序列功能的实现,系 统对针刺雷管的作用可靠性提出了很高要求。 尤其 对小型化高敏感针刺雷管而言,在满足可靠性要求、 具备适当的威力的同时兼具合适的感度,更是各种 口径弹药引信结构小型化的关键[1-3]。 M 型高感度针刺雷管在生产过程调试药量时 常出现瞎火及压爆等问题。 通过试验测量发现,该 雷管针刺感度并不稳定,同批次产品多次测量针刺 感度时存在较大差异,相邻批次产品针刺感度差异 明显。 为确保产品一致性,根据多年设计和实际生 产经验,针对各种可能导致雷管针刺感度变化的影 响因素进行分析,通过大量的试验排查,确定了影响 雷管针刺感度的主要因素。 1 结构设计 M 型雷管结构设计采用典型针刺雷管结构,主 要由雷管壳、针刺药、起爆药、延期药及封口垫等组 成[4],产品结构如图 1 所示。 主要技术参数为发火能量56 g/ cm3,不发火能 量 8 g/ cm3;尺寸∅3. 73 mm 3. 00 mm;耐过载 50 000 倍重力加速度。 该型雷管为高感度针刺雷管,其厚度直接影响 产品针刺感度,针刺部位厚度为 0. 03 0. 05 mm。 为满足高过载要求,结构采用收口设计,并在口部使 用密封漆封闭,雷管结构为密封结构,可很好地满足 输出要求。 为满足发火能量要求,该型雷管针刺药由起爆 药、可燃剂、氧化剂、敏感剂按一定比例机械混制而 第 47 卷 第 6 期 爆 破 器 材 Vol. 47 No. 6 2018 年 12 月 Explosive Materials Dec. 2018 ❋ 收稿日期2017-05-11 作者简介吴海山1969 － ,男,硕士,工程师,主要从事火工品技术与质量管理工作。 E-mail348820391＠ qq. com 通信作者王迟1992 － ,男,学士,助理工程师,专业方向为武器系统与发射工程。 E-mail982623835＠ qq. com 1 － 雷管壳;2 － 针刺药;3 － 起爆药; 4 － 延期药;5 － 封口垫;6 － 绿色标志密封漆。 图 1 M 型针刺雷管结构示意图 Fig. 1 Structural diagram of M-type stab detonator 成,敏感剂采用四氮烯[5]。 通过大量试验摸索,配 制的针刺药具有感度高、发火可靠性高等特点,但雷 管存在发火能量散布范围大、精度差的问题。 从连续生产的多批次该型针刺雷管中每批抽取 子样分成若干组,每组测一个落高的发火曲线,对雷 管针刺感度进行多次测定,积累的感度曲线的包围 线形成一个有效范围[6],见图 2。 图 2 雷管针刺感度曲线 Fig. 2 Stab sensitivity curve of the detonator 生产一段时间或工艺上出现原材料换批、工装 设备调整等变动时,对感度曲线进行重新测定,一般 只核对上、下限及平均感度50％ 发火的能量 [4]。 生产实际中的感度曲线和标准感度曲线相比,有时 存在曲线平行移动的情况,如图 3 所示。 实线为标 准感度曲线,虚线为实际生产中实测感度曲线。 雷管的感度精度的好坏直接反映了整批产品的 质量水平。 感度上、下限愈靠近,感度精度愈好。 曲 线平行移动,表明生产中出现了系统误差。 2 影响雷管针刺感度的因素 雷管的针刺感度影响因素很多,分外因和内内; 外因包括针刺部位厚度和击针刺入的条件,如击针 的硬度、刺入速度和深度;内因则主要是针刺药的性 图 3 出现偏差的感度曲线 Fig. 3 Sensitivity curve with observed deviation 质,如药剂的机械感度、组分的匹配程度 [7]。 通过梳理针刺类产品针刺感度的影响因素,对 该型雷管针刺感度的影响因素进行排查。 结合工厂 实际生产情况,利用树状图对影响因素进行标识,如 图 4 所示。 图 4 影响雷管针刺感度的主要因素 Fig. 4 Main factors affecting stab sensitivity of the detonator 2. 1 试验因素 试验因素对针刺感度数据采集的有效性影响至 关重要。 测量针刺雷管感度的设备采用 WG 015 型 落球式针刺感度试验仪,设备在检定合格期内,满足 试验使用需求。 抽测多批次试验仪用击针,均符合 WJ2241 平头击针JP2的要求。 试验操作人员长期 从事针刺火工品检验、验收工作,熟悉试验设备,并 对设备定期维护保养,查看监控录像,在试验过程中 未发现违规操作。 2. 2 针刺部位厚度 针刺部位厚度是影响针刺感度的重要因素,针 刺部位厚度越大,击针消耗于穿透的能量就越多,表 现为针刺感度越低。 如存在管壳底厚不均时,将使 针刺感度产生严重偏差,不能很好地保证雷管作用 的一致性。 针刺部位厚度由模具尺寸保证,管壳制造过程 45 爆 破 器 材 第 47 卷第 6 期 中定期检测并更换冲压成型模具,可以很好地保证 管壳底厚的一致性。 在后续的表面处理环节,工艺 中对溶液配比及作用时间做了明确规定,查看检验 记录是否符合管壳加工工艺。 通过测量连续生产多批次针刺雷管管壳底厚, 针刺部位厚度在 0. 03 0. 05 mm 设计范围内表 1。 查看表面处理过程记录,溶液配比及处理时 间,均符合工艺要求。 表 1 抽测针刺雷管管壳底厚 Tab. 1 Selective test of bottom thickness of the stab detonator shell 管壳批号底厚范围/ mm底厚均值/ mm 6-170. 035 0. 0450. 041 7-170. 032 0. 0430. 038 8-170. 033 0. 0470. 039 9-170. 033 0. 0450. 039 2. 3 装配因素 根据雷管的生产要求,结合工厂成熟的雷管装 配工艺,该型雷管生产采用群模生产。 利用现有管 壳半成品制造、针刺药剂制造及成品装配生产线,生 产线长期投产于各型号针刺延期雷管,生产工房 采用供暖、空调、吸湿机等设施控制工房的温湿度, 满足产品对生产环境的要求,危险工序、危险工作点 设有安全防护装置。 雷管装配过程影响针刺感度的主要因素在于针 刺药装药量以及压针刺药时的压力。 压针刺药工序主要工艺要求为针刺药装药量 为 24 34 mg;压药压力范围为 460 500 MPa;保压 2 3 s。 每日生产雷管前,对压药机压力进行测量,压力 偏差控制在 8％以内。 每日生产前施工、试药时,确 定装药量,生产时每半小时抽测药量。 某日正常生 产条件下对针刺药装药量以及压针刺药压力进行测 定。 表 2 为当天抽测针刺药装药量,表 3 为当天抽 查压针刺药的压力。 查看现场生产记录,每批雷管生产压药机压力、 装药量均在工艺范围内。 2. 4 针刺药本身因素 排除试验因素、针刺部位厚度影响及针刺雷管 装配过程中对针刺感度造成的影响,雷管针刺感度 主要因素集中在针刺药剂。 针刺药采用各组分间按一定比例配比及粒度匹 配机械混制而成,当组分配比确定后,雷管针刺感度 与针刺药原材料的粒度和硬度有很大关系。 当针刺 表 2 抽测针刺药装药量 Tab. 2 Selective test of pressing stab composition charge mg 药量 30. 2 30. 4 28. 9 29. 4 30. 1 30. 5 30. 2 29. 9 药量 29. 8 29. 9 30. 2 29. 6 29. 9 29. 8 30. 4 29. 8 药量 30. 4 30. 2 30. 6 30. 5 30. 8 31. 2 28. 4 30. 2 药量 30. 6 30. 4 30. 2 29. 7 30. 5 30. 2 30. 4 29. 9 药量 29. 8 29. 6 30. 1 29. 7 30. 6 29. 6 29. 8 29. 9 最大值31. 2最小值28. 4 平均值 30. 06标准偏差0. 50 表 3 抽查压针刺药压力 Tab. 3 Selective test of pressure of pressing stab composition MPa 压力 491. 4 491. 4 493. 7 482. 1 485. 6 468. 3 491. 4 491. 4 压力 491. 4 474. 0 482. 1 479. 8 485. 6 491. 4 470. 6 487. 9 压力 476. 4 468. 3 491. 4 487. 9 491. 4 482. 1 479. 8 493. 7 压力 479. 8 470. 6 474. 0 485. 6 485. 6 493. 7 491. 4 491. 4 压力 493. 7 470. 6 468. 3 476. 4 468. 3 487. 9 476. 4 479. 8 最大值493. 7最小值468. 3 平均值483. 1标准偏差8. 66 药选用的原材料的粒度和硬度较大时,易使应力集 中,容易产生热点,药剂的发火感度将明显提高,但 感度精度较差。 小颗粒不利于热点的形成,但组分 间结合更为紧密,有利于能量的传递,使药剂的感度 升高。 同一批次产品采用相同批次的针刺药,每批次 针刺药在装配雷管前均进行理化分析及水分含量检 测。 查看药剂领用记录及药剂合格证,针刺药配比 及水分含量均符合工艺要求。 为确定影响因素,对该型雷管用针刺药剂抽取 多批次分成若干组,对各组药剂进行理化分析及水 分含量检测,经检测各组针刺药组分配比符合工艺 要求,同时水分含量在允许范围内。 但理化分析时, 部分组中出现难溶物,证明针刺药剂中含有杂质。 随即对难溶物进行分析,杂质中含硫化合物量偏高。 结合工厂针刺药各组分生产过程,最终确定针刺药 552018 年 12 月 M 型雷管针刺感度影响因素研究 吴海山,等 万方数据 中硫化锑组分含有杂质,导致硫化锑组分实际含量 偏低,造成针刺药感度不稳定。 在该型雷管针刺药组分中,可燃物硫化锑熔点 高、粒度大,又有尖锐棱角,所以硫化锑组分对针刺 感度影响非常明显。 3 工艺优化和改进研究 3. 1 硫化锑精制方法 硫化锑易溶于浓盐酸、醇、硫化钾和硫化铵溶 液,不溶于水、乙酸。 纯硫化锑为黄红色无定形粉 末。 硫化锑具有强还原性,在室温下稳定,但在空气 中加热会氧化[8]。 硫化锑基本性质见表 4。 表 4 硫化锑基本性能 Tab. 4 Fundamental characteristics of antimony sulfide 名称分子式分子量 熔点/ ℃ 密度/ gcm －3 硫化锑Sb2S3339. 685504. 562 军工行业用硫化锑多为辉锑矿矿石粉加工而 成,使用前需要提纯。 提纯工艺过程为硫化锑装在 陶罐中,密封后加热至800 ℃左右后会熔化成液态, 杂质会积聚,冷却后硫化锑凝结成密实固体,杂质形 成疏松的针状物或多孔的块状物,经破碎、挑选得到 较纯的硫化锑,再通过筛选得到符合要求的粒度。 精制流程如图 5 所示。 将辉锑矿矿石原料放入 特制陶罐中,用黄泥填塞陶罐的密封槽封坛,压实, 晾至半干,送烧制。 烧制完成后的坯料破碎至块径 5 cm 左右,剔除含明显杂质的块料。 随后,将块料 和筛选大粒100 目筛上物共同球磨。 球磨完成后 进行机筛,用筛为木质筛框,上筛 100 目,下筛 150 目,筛选量 1. 5 4. 0 kg,筛选时间 5 15 min。 球磨后,机器筛选所得药剂由于颗粒形状不规 则,筛选过程中一些粒度超差的细微颗粒残留在筛 选物中,此时对药剂粉末再次进行精筛,剔除粒度超 差颗粒物,获得粒度更佳的药剂颗粒。 然后,采用人 工手工过筛的方法进行精筛,取 100 150 目中间物 并测定本次筛选药剂粉末度,粉末度 ＝ 150 目筛下 物质量 样本质量 100％。 粉末度反应出细微颗 粒物占样本总量的比重,粉末度高即球磨所得药剂 中所含粒度在 150 目下物偏多。 当粉末度在一定范 围内时,由于小颗粒与针刺药其他组分间结合更为 紧密,更适宜能量传递,有利于药剂感度的提高。 同 时,相邻批次间粉末度偏差较小时,雷管的针刺感度 图 5 硫化锑精制流程 Fig. 5 Refining procedure of antimony sulfide 一致性更好。 结合实际生产情况,这一精制方法主要存在以 下两个问题 1封坛采用黄泥封坛,即将黄泥和至胶泥态, 填塞陶罐的密封槽,压实,晾至半干,送烧制。 但黄 泥在晾干和烧制过程中会出现裂纹,导致罐内硫化 锑与空气中的氧接触,反应生成二氧化硫并溢出,最 终使硫化锑中的硫含量降低,硫化锑纯度低,影响针 刺药感度。 2筛选采用手工过筛的方法进行筛选,取用 100 150 目中间物。 但手工过筛无法准确控制振 筛频率、时间;人工操作主观影响也较大,致使每次 取用的硫化锑中粉末度偏差较大,影响针刺药感度。 3. 2 封坛方案优化 封坛处产生裂纹导致硫化锑纯度降低,初步选 定几种常见封坛方案,见表 5。 经试验选取合适方 案进一步优化。 表 5 封坛初步方案 Tab. 5 Preliminary jar sealing scheme 序号方案晾干 1 d烧制后结论 1＃ V黄泥︰V砂砾 ＝ 1︰1胶泥状 无裂纹无裂纹 进一步 优化 2＃ V黄泥︰V棕毛 ＝ 1︰1胶泥状 出现细 小裂纹 裂纹扩大放弃 3＃ V黄泥︰V纸屑 ＝ 1︰1胶泥状 出现 裂纹 裂纹扩大放弃 4＃红土胶泥状 出现细 小裂纹 裂纹扩大放弃 5＃黄泥胶泥状大裂纹大裂纹放弃 从表 5 可以得出,用黄泥与砂砾体积比为 1︰1 混合至胶泥状封坛,效果最佳。 在此方案上继续优 化,摸索黄泥与砂砾最佳体积比及封坛状态,优化方 案见表 6。 最终确定封坛方案为黄泥与砂砾的体积比为 1 2︰1,和至胶泥状封坛。 封坛效果见图 6。 3. 3 粒度筛选工序优化 手工过筛无法准确控制振筛频率、时间,致使每 65 爆 破 器 材 第 47 卷第 6 期 万方数据 表 6 封坛优化方案 Tab. 6 Optimized jar sealing scheme 序号方案晾干 1 d烧制后结论 6＃ V泥︰V砂 ＝ 1︰1糊状 无裂纹无裂纹通过 7＃ V泥︰V砂 ＝ 2︰1糊状 无裂纹细小裂纹放弃 8＃ V泥︰V砂 ＝ 3︰1糊状 细小裂纹裂纹放弃 9＃ V泥︰V砂 ＝ 2︰1胶泥状 无裂纹无裂纹通过 10＃ V泥︰V砂 ＝ 3︰1胶泥状 细小裂纹裂纹放弃 a封坛 b优化前 c优化后 图 6 封坛方案优化前后对照图 Fig. 6 Comparison of jar sealing scheme before and after optimization 次取用的硫化锑粉末度偏差较大。 因此,设计了图 7 所示筛选设备,并用此设备进行了 6 个批次的药 剂筛选,取用 100 150 目中间物,每组样本总量为 200 g,并与手工筛选结果进行对比,机器筛选与手 工筛选硫化锑粉末度测定结果见表 7。 1 － 电机;2 － 支架;3 － 皮带;4 － 一层筛; 5 － 二层筛;6 － 转轴;7 － 粉料收集。 图 7 筛选设备结构简图 Fig. 7 Structure sketch of the sieving equipment 由表 7 测定结果可知,相较于手工筛选硫化锑, 采用设备筛选后的硫化锑粉末度偏差明显减小,设 备筛选的硫化锑粒度更均匀,每批药剂之间的粒度 偏差更小,硫化锑状态更好。 3. 4 优化结果 用工艺优化后的硫化锑制备针刺药,并装配针 刺雷管,对该针刺雷管输出特性进行考核,考核结果 见表 8。 表 7 机器筛选与手工筛选硫化锑粉末度测定 Tab. 7 Measurement of antimony sulfide powders sieved by machine and by manpower 批 号 机器筛选 粉末 质量/ g 粉末 度/ ％ 最大 偏差/ ％ 手工筛选 粉末 质量/ g 粉末 度/ ％ 最大 偏差/ ％ 1＃9. 184. 905 2＃6. 553. 275 3＃8. 644. 320 4＃6. 933. 465 5＃7. 823. 910 6＃7. 373. 685 1. 63 15. 647. 820 7. 283. 640 16. 138. 065 9. 524. 760 19. 709. 850 16. 378. 185 6. 21 表 8 针刺雷管发火率统计 Tab. 8 Firing rate statistics of stab detonator 发数 感度/ gcm －3 优化前 发火率/ ％ 优化后 发火率/ ％ 10056100100 1004988100 100428896 100356493 在其他装配条件相同的情况下,由表 8 可知,硫 化锑优化后,针刺雷管的发火率明显提高,即针刺药 感度明显提高。 由表 9 可知,硫化锑优化后,针刺雷管的压爆率 明显下降,即证明针刺药感度稳定性有所提高。 表 9 优化前后针刺雷管压爆次数统计 Tab. 9 Explosion statistics of stab detonator before and after optimization 优化前 施工总 发数 压爆 发数 压爆率/ ％ 优化后 施工总 发数 压爆 发数 压爆率/ ％ 16 80084 15 36072 16 32076 15 04076 16 96080 0. 482 14 72020 16 16032 15 20026 16 64029 15 68023 0. 166 4 结论 针对实际生产中 M 型雷管针刺感度不平稳现 象,对生产过程、试验过程等环节可能影响该雷管针 刺感度的因素进行研究,通过试验排查,最终确定主 要影响因素为针刺药中硫化锑组分含杂质导致实 际针刺药配比变化,硫化锑组分实际含量偏低影响 752018 年 12 月 M 型雷管针刺感度影响因素研究 吴海山,等 万方数据 针刺药剂各组分间配合,最终导致针刺感度不稳定。 通过优化硫化锑提纯工艺,对比优化前、后硫化 锑的性能指标变化、硫化锑制药并装配针刺雷管后 雷管的性能变化,可知硫化锑优化措施可行且效果 明显。 封坛优化后的硫化锑纯度提高,使用设备筛 选优化后的硫化锑粒度更加均匀,优化工艺制备的 硫化锑装配的针刺雷管性能显著提高。 优化设计目 前已应用于公司精制硫化锑粉末,并已推广用于其 他组分粉末的优化。 参 考 文 献 [1] 王凯民,温玉全. 军用火工品设计技术[M]. 北京国 防工业出版社,2006. WANG K M,WEN Y Q. Design of initiator and pyrotech- nics for weapon system [M]. BeijingNational Defence Industry Press,2006 . [2] 王斌,王润秦. 小型针刺雷管在引信中的应用[J]. 火 工品,1998333-36. WANG B, WANG R Q. The application of small stab detonators in fuze [ J]. Initiators ＆ Pyrotechnics,1998 333-36. [3] 朱浩,贠来峰,李盘,等. 斯蒂芬酸铅含量对某型雷管 作用可靠性的影响[J]. 爆破器材,2016,45143-46. ZHU H, YUN L F, LI P, et al. Influence of lead styph- nate content on the functional reliability of some detonator [J]. Explosive Materials,2016,45143-46. [4] 蔡瑞娇. 火工品设计原理[M]. 北京北京理工大学出 版社,1999. [5] 劳允亮. 起爆药化学与工艺学[M]. 北京;北京理工大 学出版社,1997. [6] 徐义根,张学舜. 65 号针刺雷管感度曲线的评定[J]. 火工品,1998312-15. XU Y G,ZHANG X S. Assessment of sensitivity curves for No. 65 Stab Detonator[J]. Initiators ＆ Pyrotechnics,1998 312-15. [7] 王凯民,张学舜. 火工品工程设计与试验[M]. 北京 国防工业出版社,2010. WANG K M, ZHANG X S. Enigineering design and test technology of initiators ＆ pyrotechnics [M]. BeijingNa- tional Defence Industry Press,2010. [8] 项斯芬,严宣申,曹庭礼,等. 无机化学丛书四卷 氮 磷砷分族[M]. 北京科学出版社,2015448-451. �������������������������������������������������������������������������������������������� 上接第 52 页 WANG Q H, SONG L, FU J, et al. Analysis of cost fac- tors for site mixed emulsion explosive blasting by im- proved analytic hierarchy process [J]. Explosive Mate- rials,2009,38514-18. [3] 冯有景,焦国庆,吉学军,等. BCJ-2000 型井下现场混 装乳化炸药车的应用[J]. 现代矿业,201412173- 174. [4] 胡燕武,林文勇. 现场混装乳化炸药在华润红水河公 司露天矿山的应用[J]. 爆破,2011,28453-56. HU Y W,LIN W Y. Application of on-site mixed emulsion explosive in China Resourses Hongshuihe Cement Open Mine[J]. Blasting,2011,28453-56. [5] 郝玉庆,姜庆洪. 现场混装乳化炸药技术在爆破现场 的应用[J]. 安全管理,20131245. [6] 姚桂勋. BCJ 现场混装乳化炸药车的应用[J]. 矿业快 报,20061265-67. [7] 郑磊,于杰,郭鹏,等. 中小直径现场混装乳化炸药车 在北洺河铁矿的应用研究[J]. 矿业研究与开发, 2016,36460-63. ZHENG L,YU J,GUO P,et al. Application research on- site mixed and charged emulsion explosive vehicle with medium-small diameter in Beiminghe Iron Mine [ J]. Mining Research and Development,2016,36460-63. [8] 郭雄,王贻明,周升平,等. 现场混装乳化炸药在巷道 高效光面爆破中的应用[J]. 现代矿业,2014 818- 21. GUO X,WANG Y M,ZHOU S P,et al. Application of on- site mixed charging emulsion explosive in high efficient smooth blasting[J]. Modern Mining,2014818-21. [9] 路燕泽,李成合,许长新,等. 一次成井技术在石人沟 铁矿的应用[J]. 矿业工程,2013,11619-20. LU Y Z,LI C H,XU C X,et al. Application of simulta- neous shaft sinking technology in Shirengou Iron Ore Mine[J]. Mining Engineering,2013,11619-20. [10] 刘伟,季志才,尹裕. 中深孔采矿技术在石人沟铁矿 的应用[J]. 现代矿业,2015926-27. [11] 温占国,张从军,季志才. 石人沟铁矿三期开采方法 的探讨[J]. 现代矿业,2014930-33. 85 爆 破 器 材 第 47 卷第 6 期 万方数据