铝粉粒径对销毁某未爆弹药影响的试验研究.pdf

doi10． 3969／ j． issn． 1001- 8352． 2017． 05． 006 铝粉粒径对销毁某未爆弹药影响的试验研究 * 李政阳 ① 安振涛① 李金明① 张启功② ①军械工程学院（河北石家庄，０５０００３） ②７５１７０ 部队（广西桂林，５４１０００） ［摘 要］ 为提高某种新型未爆弹销毁方式的工作效能和操作安全性，基于销毁装置内复合高热剂自蔓延燃烧过 程，利用试验分析研究了铝粉粒径大小对销毁该种未爆弹药的影响。 结果表明７４ ～ １７８ μ m 范围内，铝粉粒径越 大，金属熔流出口速度达到的峰值越低；同时，铝粉粒径过小（≤８９ μ m），会导致销毁装置内复合高热剂反应过于激 烈，容易出现燃爆现象；而 １２４ ～ １７８ μ m 粒径范围的铝粉适用于榴弹弹丸、破甲弹战斗部、手榴弹、地雷等多种壳体 厚度不超过９ mm 的猛炸药弹丸的未爆弹销毁工作。 为以后提高未爆弹销毁工作效能、保护销毁人员安全提供参 考。 ［关键词］ 铝粉粒径；未爆弹销毁；销毁装置；金属熔流 ［分类号］ TJ４１０． ８９ Experimental Study on the Effect of Particle Size of Aluminum Powder on Destroying Some Unexploded Ordnance LI Zhengyang ①， AN Zhentao①， LI Jinming①， ZHANG Qigong② ①Ordnance Engineering College （Hebei Shijiazhuang， ０５０００３） ②Unit ７５１７０ （Guangxi Guilin， ５４１０００） ［ABSTRACT］ In order to improve the destruction efficiency and safety of some new unexploded ordnance， influence of the particle size of aluminum powder on the destruction of unexploded ordnance was experimentally studied based on the self- propagating combustion process of composite thermite in the destruction device．Results show that， in the range of ７４- １７８ μ m， the higher the particle size of aluminum powder， the lower the peak value of metal melt outlet velocity reaches． At the same time， extremely small aluminum powder particle size （≤８９ μ m） will lead to intense reaction of composite ther- mite in destruction device．While aluminum powder with particle size of １２４- １７８ μ m could be applied to the destruction of high explosive projectile with thickness of shell less than ９ mm， such as shrapnel， shaped charge warhead， hand grenade， and land mine．It will provide some references for improving the perance of unexploded ordnance destruction and pro- tecting the safety of personnel． ［KEYWORDS］ particle size of aluminum powder； destruction of unexploded explosive projectile； destruction device； metal melt flow 引言 未爆弹销毁是军事训练和军事行动不可缺少的 保障性工作 ［１］ 。 未爆弹不仅严重威胁周边人员、设 施和设备的安全，而且制约军事行动和部队训练工 作的正常开展，需要采取措施尽快排除。 现有的销 毁方法多需近距离接触未爆弹，操作过程复杂、危险 性高；销毁作业过程中会产生冲击波，引起破片飞 散。 面对存在于建筑物内、残留于重要设施附近 （如水坝、电厂、雷达等）、布放于人员密集区等情 况的未爆弹药，现有的销毁方法难以适用。 所以，寻 找一种快捷、安全、成本较低的新型危险未爆弹销毁 方法势在必行。 金属熔流销毁危险未爆弹技术 ［２- ６］ 是利用复合 高热剂燃烧产生的高温高速熔融金属射流（以下简 第４６ 卷 第 ５ 期 爆 破 器 材 Vol． ４６ No． ５ ２０１７ 年１０ 月 Explosive Materials Oct． ２０１７ * 收稿日期２０１７- ０１- １０ 作者简介李政阳（１９９５ - ），男，硕士研究生，主要研究方向为弹药储存、供应与销毁。 E- mail５９１７２９３１３＠qq． com 万方数据 称金属熔流），快速熔穿危险未爆弹弹丸的金属壳 体并引燃弹丸内部炸药，使弹丸装药主要以燃烧的 方式释放能量。 利用该方法可在人员不接触危险未 爆弹的条件下较为安全地销毁危险未爆弹药。 金属熔流由复合高热剂发生剧烈反应后产生。 这其中，铝粉作为金属可燃剂，发挥着重要的作用。 本文中，通过试验研究铝粉粒径与复合高热剂燃烧 性能的关系，确定适合某型弹药销毁工作的铝粉粒 径的范围。 1 试验方法 根据试验要求，在 ４０ ～ ２００ 目范围内，筛选出 ５ 种粒径范围的铝粉，分别编号 A１～ A５，如表 １ 所示。 每种粒径范围内称取等化学计量铝粉，与等质量 Fe３O４粉末（８０ 目）和 Fe２O３粉末（８０ 目）均匀混合 后，得到５ 组对照组，置于容器中备用。 表１ 试验铝粉的颗粒度 Tab． １ Granularity of Al powder for testing 试验 编号 A１ � A２ o A３ A４ ▍ A５ W 粒径范 围／ μ m ７４ ～ ８９Y８９ ～ １０４▍１０４ ～ １２４⑨１２４ ～ １７８１７８ ～ ２２０▍ Fe２O３／ Al 系和 Fe３O４／ Al 系按质量比 １２ 混 合，分别加入等质量的造气剂、稀释剂及辅助药剂， 配制５ 组复合高热剂。 保证铝粉粒径为唯一变量。 已经配置好的复合高热剂装入销毁装置中，借 助成型机构对复合高热剂施以适当的压力。 在内壳 中，将复合高热剂由粉状压缩成相对密实的药柱。 试验时，将销毁装置固定于支架上。 被销毁工 件为某弹药外壳材料金属板，与传感器固定连接，测 定复合高热剂燃烧时间和金属熔流出口速度，数据 通过数据采集卡传送至计算机进行处理。 为确保安 全，架设无线点火机，连接点火导线。 试验结束后，对该金属板进行清理，测定熔孔深 度及熔孔平均直径。 2 试验结果分析 2． 1 燃烧速率 试验发现，A５销毁装置复合高热剂药柱点燃效 果不好，反应速率缓慢，喷出的金属熔流断断续续； A４燃烧速率较为平稳，工作时间适中，可控性能好； A３金属熔流飞溅较大，对金属板的熔穿效果较差； A２反应较为剧烈，在引燃瞬间，金属熔流冲破装置 壳体，如图１（a）所示，使内部压力瞬间降低，随后金 属熔流由于重力作用从喷管流出，严重影响作业效 果；A１燃烧反应过于剧烈，甚至会发生燃爆，造成试 验支架的损坏，如图１（b）所示。 通过传感器对燃烧时间的测定，实测销毁装置 燃烧时间，如图２ 所示。 可知，铝粉粒径在 ７４ ～ ２２０ μ m 范围内，复合高热剂燃烧时间随粒径的增大而 增大，即燃烧速率随铝粉粒径增大而减小。 （a）A２销毁装置 （b）A１销毁装置 图 １ 不同粒度的铝粉的销毁作业 Fig． １ Destruction operation by Al powder with different granularities 图 ２ 燃烧时间与铝粉粒径的关系 Fig． ２ Relationship between burning time and particle size of Al powder 在反应速率极为缓慢（A５）和由于销毁装置内 压力过大而燃爆（A１）的两个临界值内，销毁装置燃 烧速率随铝粉粒径增大而减小。 这是由于销毁装置 内复合高热剂燃烧是自蔓延燃烧反应中的铝热剂燃 烧，其反应过程为引燃药柱被无线点火装置引燃 后，迅速反应放热，点燃复合高热剂药柱。 由于 ０３ 爆 破 器 材 第 ４６ 卷第 ５ 期 万方数据 Fe２O３、Fe３O４和铝粉中，铝的熔点最低（９３３ K），所 以，铝粉首先熔化，随着温度的升高，Fe２O３持续吸 热，分别分解为 Fe３O４和 FeO，同时放出氧气 ［７］ 。 反 应方程式为 ４Fe２O３２Fe３O４＋ ２FeO ＋ O２。（１） 此时，部分汽化或者熔化的铝与方程（１）中生 成的氧气发生反应，生成 Al２O３，并释放出大量热 量。 反应方程式为 ４Al ＋ ３O２２Al２O３。（２） 剩下的铝和 Fe３O４及 FeO 相互作用， 生成 FeAl２O４和铁，最终 FeAl２O４与铝反应生成铁和 Al２O３ ［８］ 。 铝粉燃烧反应（２）作为一个关键的中间 反应，为后续反应提供足够的热量，使燃烧反应不断 延续下去。 可以认为，高温下复合高热剂反应为固- 液（铝 熔化）反应，同时有固相产物（铁）从熔体中析出。 且为由片层状混合组元（铝和铁的氧化物）受扩散 控制的反应，则反应速率 dη ／ dt 为 ［９］ dη dt ＝ D a０（a０＋ b０） １ η 。（３） 式中a０、b０分别为铝层及铁的氧化物层的厚度；D 为扩散系数，它与温度的关系符合 Arrhenius 公式 D ＝ D０e -E* RT。 （４） 式中D０为频率因子，是不随温度变化而变化的常 数；E *为扩散激活能。 因此，反应速率方程可表示为 dη dt ＝ D０ a０（a０＋ b０） １ η e -E* RT。 （５） 由式（５）可得，随着铝粉粒径的增大，铝层厚度 随之变大，即 a０变大，则反应速率降低；宏观上表现 为复合高热剂点燃效果不好，反应时间长。 另一方面，铝粉粒度越小，与 Fe３O４或 Fe２O３粉 末混合越均匀，反应表面积也越大，铝熔化后，各组 分间易于扩散而发生液- 固反应，由此提高反应速 率；而对于粗铝粉，粒度的增大导致熔化速率降低， 只有部分铝粉表面层液化，且熔化后需要通过毛细 管漫流后同 Fe３O４或 Fe２O３颗粒表面进行接触 ［１０］ ， 导致反应速率缓慢。 2． 2 金属熔流出口速度 试验测得 A１～ A５组的喷嘴出口速度的变化如 图３ 所示。 从图３ 中可以看出，A１～ A４出口速度均迅速达 到一个峰值，之后不断下降，直至燃烧结束。 而且， ７４ ～ １７８ μ m 范围内，铝粉粒径越大，达到的峰值越 低。 这是因为，反应过程中由于各种金属氧化物的 分解或者蒸发，会有气体产生 ［１１］ 。 铝粉粒度越小， 反应速率越快，气体生成速率也越快，导致销毁装置 内压强快速升高，从而使出口速度增大。 图３ 出口速度变化曲线 Fig． ３ Velocity curves at nozzle exit A５中铝粉粒径过大，导致高温自蔓延燃烧推进 过于缓慢，达到峰值后，由于复合高热剂只燃烧了外 层部分，内层药柱还未被点燃，产生气体速率基本保 持不变；所以，该组的复合高热剂出口速度长时间内 保持为峰值，并未出现明显的下降趋势。 2． 3 熔穿效果 由于 A１燃烧反应过于剧烈，发生燃爆，造成试 验支架的损坏，所以对目标金属板几乎未作用。 其 他各组复合高热剂引燃后对目标金属板熔穿效果如 图４ 所示。 A２引燃后，火花四溅，产生大量烟雾，喷出高温 熔体和气体，虽熔穿目标金属板，但形成的熔孔内径 较小。 A３也可熔穿目标金属板，但熔孔内径同样较 小。 A４燃烧均匀、燃烧时间稍长，能够熔穿目标金 属板，且形成的熔孔孔径较大；适用于采用目标金属 板作为弹丸壳体的未爆弹销毁工作。 A５反应速率 缓慢，并未熔穿目标金属板，这可能是由于燃烧时间 长，所以产生气体速率慢，形成的吹力相对较小，使 目标金属板的熔孔中不断积累熔渣或金属球。 研究 表明，对基于高温自蔓延原理的金属熔穿，其熔穿效 能主要受“挂渣”现象的影响 ［１２］ 。 熔化过程中，燃烧 产生的金属熔流遇到冷的被熔穿金属板之后凝固成 固态残渣，并堆积在被切割金属材料表面；使得后续 金属熔流不能直接与金属板接触，而是与固态残渣 接触，使热传导受到了阻碍。 通过对实弹进行销毁试验发现，该结果适用于 榴弹弹丸、破甲弹战斗部、手榴弹、地雷等壳体厚度 不超过９ mm 的猛炸药弹丸（不包含铝混合炸药）。 此外，熔穿目标金属板时，金属板所吸收的热量 公式为 １３２０１７ 年１０ 月 铝粉粒径对销毁某未爆弹药影响的试验研究 李政阳，等 万方数据 （a）A２ （b）A３ （c）A４ （d）A５ 图４ 金属板的熔穿效果 Fig． ４ Appearance of the cutting holes Q吸＝ cΔ mΔ T。（６） 式中Q吸为吸收热量，J；c 为目标金属板比热容，J／ （kg K）；Δ m 为熔化质量，kg；Δ T 为金属熔流与目 标金属板表面温度差，K。 熔穿过程中，销毁装置中复合高热剂燃烧对流 换热传递给目标金属板的热量为 Q传＝ φ Δ t。（７） 式中Q传为传递热量，J；φ为对流换热热量，W；Δ t 为燃烧时间，s。 由于销毁装置熔穿目标金属板实质为对流换 热，所以其过程遵循牛顿冷却公式 ［１３］ φ＝ hAΔ T。（８） 式中h 为表面传热系数，W／ （m ２ K）；A 为换热表 面面积，m ２。 对于熔流冲击的换热方式，h 与金属熔流速度 u 的关系为 h∝u ０． ５ ［１４］ 。 代入式（７）和式（８），得 Q传∝ u ０． ５Δ t。 结合图２、图 ３ 可知，７４ ～ ２２０ μ m（A １～ A４） 范围内，随着铝粉粒径的增大，u ０． ５ Δ t 不断增大，即 Q吸＝ Q传不断增大，故在 ７４ ～ ２２０ μ m 范围内，铝粉 粒径越大，穿孔越浅，但传热热量越多，适合较薄金 属板（ ＜ ５ mm）作为弹丸壳体的未爆弹销毁工作。 3 结论 １）销毁某未爆弹药时，铝粉粒径大小对复合高 热剂药柱燃烧速率、金属熔流喷出速度和目标金属 板熔穿效果均有影响。 ２）铝粉粒径过小（≤８９ μ m），会使复合高热剂 燃烧过于激烈，容易出现燃爆现象，对人员安全产生 威胁；铝粉粒径过大（≥１７８ μ m）会严重影响复合高 热剂燃烧速度，导致燃烧不充分、未爆弹销毁不成功 等后果。 ３）销毁装置产生的金属熔流出口速度会迅速 达到一个峰值，之后不断下降，直至燃烧结束。 而 且，７４ ～ １７８ μ m 范围内，铝粉粒径越大，达到的速度 峰值越低。 ４）榴弹弹丸、破甲弹战斗部、手榴弹、地雷等壳 体厚度不超过 ９ mm 的猛炸药未爆弹销毁工作，宜 采用１２４ ～ １７８ μ m 粒径范围的铝粉。 ５）７４ ～ ２２０ μ m 范围内，铝粉粒径越大，穿孔越 浅，但传热热量越多，故大粒径铝粉适用于较薄金属 板（ ＜ ５ mm）作为弹丸壳体的未爆弹销毁工作。 参 考 文 献 ［１］ 李金明，雷彬，丁玉奎． 通用弹药销毁处理技术［M］． 北京国防工业出版社，２０１２． LI J M， LEI B， DING Y K．Technology of conventional ammunition disposal ［ M］．Beijing National Defense Industry Press， ２０１２． ［２］ FISCHER S H，GRUBELICH M C． A survey of combusti- ble metals，thermites，and intermetallics for pyrotechnic applications［C］ ／ ／ ３２nd AIAA／ ASME／ SAE／ ASEE Joint Propulsion Conference． Lake Buena Vista， Florida，１９９６． ［３］ SONG E．Thermite destructive deviceUS５６９８８１２［P］． １９９７- １２- １６． ［４］ HEINRICH H． Hazardous material disposal，especially chemical munition disposalDE１９７４００８９［P］． １９９８- １２- ０３． ［５］ 易建坤，贺五一，吴腾芳，等． 高热剂在弹药销毁领域 应用初探［J］． 工程爆破，２００４，１０（４） ２１- ２５． YI J K， HE W Y， WU T F， et al． Preliminary investiga- tion into application of thermite in destruction of ammuni- tion［J］．Engineering Blasting， ２００４，１０ （４） ２１- ２５． ［６］ 张启功．基于金属熔流的未爆弹销毁方法与实验研究 ［D］． 石家庄军械工程学院，２０１５． ZHANG Q G．The and experimental study on the （下转第 ３７ 页） ２３ 爆 破 器 材 第 ４６ 卷第 ５ 期 万方数据 YU H J， FAN X Z， FU X L， et al．Rheological proper- ties of cast smokeless B propellants ［J］．Chinese Journal of Energetic Materials， ２０１２， ２０（１） ７１- ７５． ［９］ 周建栋， 崔永鲜，陈少镇，等．RDX 含量对 NC- DBP- RDX 体系流变性和弹性效应的影响［J］．含能材料， １９９４，２（４）７- １１． ZHOU J D， CUI Y X，CHEN S Z， et al．RDX content influence on the rheologic behavior and elastic effect of NC- DBP- RDX system［J］． Energetic Materials， １９９４，２ （４）７- １１． ［１０］ 张洁， 郝晓东． HAAKE 转矩流变仪及其应用［J］． 塑 料科技， ２００３（５）４１- ４３． ZHANG J， HAO X D． HAKKE torque rheometer and its applications［J］．Plastics Science and Technology， ２００３ （５）４１- ４３． ［１１］ 杜启玫， 周持兴．哈克转矩流变仪在聚合物加工中 的应用［J］．实验室研究与探索， ２００４， ２３（７）４６- ４７． DU Q M， ZHOU C X． Research on the polymer reactive processing based on haake mixer ［J］．Research and Exploration in Laboratory， ２００４， ２３（７）４６- ４７． ［１２］ 李玉宝， 宣超．转矩流变仪系列实验设备在 PVC 加 工中的应用［J］．聚氯乙烯， ２００４ （５） ２１- ２４． LI Y B， XUAN C．The application of experimental torque rheometer series in the processing of PVC［J］． Polyvinyl Chloride， ２００４ （５） ２１- ２４． ［１３］ 杨国娟．转矩流变仪在测定 PVC 树脂塑化性能方面 的应用［J］．中国氯碱， ２００４ （９） ２６- ２８． YANG G J．Application of torque rheometer in plastici- zation property determination of PVC resin［J］．China Chlor- Alkali， ２００４ （９） ２６- ２８． ［１４］ 王晓青， 刘滨， 李晓萌， 等．热塑性聚氨酯弹性体黏 合剂的加工流变性能研究［J］．北京理工大学学报， ２０１２， ３２（１１） １１９１- １１９４． WANG X Q， LIU B， LI X M， et al．Research on the processing rheological behavior of thermoplastic polyure- thane elastomer binders［J］．Transactions of Beijing In- stitute of Technology， ２０１２， ３２（１１） １１９１- １１９４． ［１５］ 李迎， 陈长明， 陈亭，等．用转矩流变仪测量高分子 材料的流变特性［J］．塑料科技， ２００２（６）４３- ４５． LI Y， CHEN C M， CHEN T， et al．Measuring of the rheological characteristics of high polymer with torque rheometer［J］．Plastics Science and Technology， ２００２ （６）４３- ４５． （上接第３２ 页） destruction of non explosive projectile based on metal melt flow ［D］．ShijiazhuangOrdnance Engineering College， ２０１５． ［７］ 吴艺英，朱秀英，高显明，等． 铝粉粒度对切割弹燃烧 和切割机理的影响［J］． 火工品，２０１５（５）９- １３． WU Y Y， ZHU X Y， GAO X M， et al．Influence of alu- minum granularity on burning and cutting mechanism of cutting ammunition［J］． Initiator ＆ Pyrotechnics， ２０１５ （５） ９- １３． ［８］ LI Y X， YAO J K， LIU Y．Synthesis and cladding of Al２O３ceramic coating son steel substrates by a laser con- trolled thermite reaction［J］． Surface and Coatings Tech- nology， ２００３，１７２ ５７- ６４． ［９］ 殷声． 燃烧合成［M］． 北京冶金工业出版社，１９９９． YIN S．Combustion synthesis ［M］．BeijingMetallurgi- cal Industry Press， １９９９． ［１０］ 张保元，辛文彤，武斌，等． 铝粉颗粒度对燃烧型焊条 燃烧的影响［J］． 热加工工艺，２００７，３６（１９）４７- ４９． ZHANG B Y， XIN W T， WU B， et al． Effect of Al par- ticle size on burning of combustion welding rod［J］．Hot Working Technology，２００７， ３６（１９）４７- ４９． ［１１］ CHENG J L， HNG H H， LEEY W， et al． Kinetic study of thermal and impact- initiated reactions in Al- Fe２O３ nanothermite ［J］．Combustion and Flame， ２０１０， １５７ （１２）２２４１- ２２４９． ［１２］ 王鹏，张靖． 烟火切割热力学分析及药剂配方设计与 实验［J］． 含能材料，２０１１，１９（４）４５９- ４６３． WANG P， ZHANG J．Thermo dynamic analysis compo- sition design and experimental study on metal- cutting pyrotechnic composition［J］．Chinese Journal of Ener- getic Materials， ２０１１，１９（４） ４５９- ４６３． ［１３］ 张靖周，常海萍． 传热学［M］． 北京科学出版社， ２００９． ［１４］ 顾维藻，神家锐，马重芳，等． 强化传热［M］． 北京科 学出版社，１９９０． ７３２０１７ 年１０ 月 高固含量改性双基推进剂流变性能的影响因素 杨雪芹，等 万方数据