压药压力对硅系延期药燃速影响的试验研究.pdf

第4 6 卷第2 期 2 0 1 7 年4 月 爆破器材 E x p l o s i v eM a t e r i a l s V 0 1 ．4 6N o ．2 A p r ．2 0 1 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 书3 5 2 ．2 0 1 7 ．0 2 ．0 1 2 压药压力对硅系延期药燃速影响的试验研究豢 朱帅①刘锋①张彦①唐俊峰②王宁波③ ①安徽理工大学化学工程学院 安徽淮南，2 3 2 0 0 1 ②湖南南岭衡阳民用爆破服务有限公司 湖南衡阳，4 2 1 6 0 0 ③中国人民解放军7 7 6 1 8 部队 西藏拉萨，8 5 0 0 0 0 [ 摘要]通过测量不同压力压装的单芯延期体的压药密度、燃烧速度，研究了压药压力对硅系延期药燃速及其 精度的影响。测试结果表明压药压力在4 0 ．6 4 0M P a 范围内，对应压药密度为3 ．1 5 4 ．0 8s ／c m 3 、延期药燃速为 1 8 7 ．7 4 ～2 5 8 ．2 6m m ／s 压药压力与平均压药密度、平均燃速均呈良好的线性关系；随着压药压力的增加，延期精度 变好6 4 0M P a 压药压力下硅系延期药燃速标准差最小，延期精度最高。 [ 关键词] 延期药；压药压力；压药密度；燃烧速度；延期精度 [ 分类号] T J 4 5 5 E x p e r i m e n t a lS t u d yo nE f f e c to fL o a d i n gP r e s s u r e o nt h eB u r n i n gR a t eo fS i l i c o nT y p eD e l a yC o m p o s i t i o n Z H US h u a i l ．L I UF e n g 。，Z H A N GY a n 上，T A N GJ u n f e n g 气W A N GN i n g b o 。 i S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，A n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y A n h u iH u a i n a n ，2 3 2 0 0 1 ②H u ’n a nN a n l i n gH e n g y a n gC i v i lB l a s t i n gS e r v i c e sC o ．，L t d ． H u ’n a nH e n g y a n g ，4 2 1 6 0 0 ③U n i t7 7 618 ，C h i n e s eP e o p l e ’SL i b e r a t i o nA r m y T i b e tL h a s a ，8 5 0 0 0 0 [ A B S T R A C T ] E f f e c to fl o a d i n gp r e s s u r eo nb u r n i n gr a t ea n dd e l a yp r e c i s i o no fs i l i c o nt y p ed e l a yc o m p o s i t i o nw a s s t u d i e db ym e a s u r i n gt h ec h a r g i n gd e n s i t ya n dt h eb u r n i n gr a t eo ft h es i n g l ec o r ed e l a ye l e m e n t sw i t hd i f f e r e n tl o a d i n g p r e s s u r e ．R e s u l t ss h o wt h a t ，i nt h er a n g eo f4 0 6 4 0M P at h ec h a r g i n gd e n s i t yc h a n g e sf r o m3 ．1 5g ／c m 3t o4 ．0 8g ／c m 3 ， a n dt h eb u r n i n gr a t ec h a n g e sf r o m18 7 ．7 4m m ／st o2 5 8 ．2 6m m ／s ．T h ec o r r e l a t i o no ft h el o a d i n gp r e s s u r ea n dt h ec h a r g i n g d e n s i t y ，o rt h el o a d i n gp r e s s u r ea n dt h eb u r n i n gr a t e ，s h o w sag o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i p ．W i t ht h ei n c r e a s e o fl o a d i n g p r e s s u r e ，d e l a yp r e c i s i o ni n c r e a s e s ．T h em i n i m u ms t a n d a r dd e v i a t i o no fb u r n i n gr a t ea n dt h eh i g h e s td e l a yp r e c i s i o na p p e a r a t6 4 0M P a ． [ K E Y W O R D S ] d e l a yc o m p o s i t i o n ；l o a d i n gp r e s s u r e ；c h a r g i n gd e n s i t y ；b u r n i n gr a t e ；d e l a yp r e c i s i o n 引言 延时性起爆器材中用以控制由点火到爆炸的时 间的药剂称为延期药。通过改变延期药的配方、粒 度及药柱长度等条件，控制延期药的燃烧时间，完成 延期功能。延期药的性质及工艺条件等因素，共同 决定其延期精度⋯。张建富等的研究表明，延期药 可燃剂、氧化剂的粒度分布对延期精度影响较大，粒 度分布的均匀性、一致性越好，越有利于提高延期药 的延期精度[ 2 ] 。曾寿礼等在硅系延期药中添加锆 粉，有效地提高了硅系延期药的燃烧速度、延期n , - t l 甘q 精度和储存稳定性[ 3 ] 。张致魁改变延期药中铬酸 钡的配比，得出铬酸钡含量越高，其假密度越低，药 柱高度增加，延期时间越长；含量过高时延期药的燃 烧时间、精度变低；硼粉含量越低，延期药燃烧时间 精度越高’4 1 。 以上研究人员着重研究了延期药的配比、粒度、 添加剂等因素对延期精度的影响。本文中，采用不 同压药压力压装单芯延期体，探究了硅系延期药压 曾} 收稿日期2 0 1 6 ．1 1 - 1 0 作者简介朱帅 1 9 9 2 ～ ，男，硕士研究生．主要从事民用爆破器材研究。E - m a i l s h u a i z h u 9 2 1 6 3c o m 通信作者刘锋 1 9 7 6 ～ ，男，博士．副教授，主要从事工业炸药及爆炸效应方面的研究，E - m a i l z s a u s t s i n a ．c o m 万方数据 爆破器材第4 6 卷第2 期 药压力与压药密度、燃烧速度及延期精度之间的关2 结果及分析 系。有利于提高火工品的延期精度。 1 试验部分 试验配方为叫 P b ，0 。 W S i 甜 S e 6 ．0 4 ．0 0 ．5 ；P b ，0 。纯度9 8 ．0 ％，粒径3 ．9 7 4 ～4 ．4 7 5 t x m ；S i 粉纯度9 9 ．8 ％，粒径3 ．2 3 5 ～4 ．6 2 3I x m ；S e 粉纯度9 9 ．5 ％，粒径2 0 ．2 3 7 2 3 ．9 4 3I ．z m ；设计4 0 、 8 0 、1 6 0 、3 2 0 、6 4 0M P a5 组压药压力，将延期药压装 在长1 5 ．0m m ，内径2 ．0m m 、外径5 ．6m m 的铝合金 管内每组2 0 发，共1 0 0 发。 延期药燃烧速度测试装置如图1 所示。 1 一发爆器；2 一导爆管；3 一信号线；4 一H D 0 4 0 3 4 示波器；5 一固定台；6 一光电二极管；7 一固定块； 8 一压装延期药的铝合金管；9 一蝶形螺母；1 0 一固 定夹片；1 1 一固定夹；1 2 一固定块；1 3 一起爆线。 图1延期药燃烧速度测试装置 F i g ．1 T e s td e v i c ef o rb u r n i n gr a t e o fd e l a yc o m p o s i t i o n 2 ．1 试验结果 用图1 装置测量铝合金管内压装延期药的燃烧 时间，结合药柱长度、压装延期药前后的质量差，计 算各组延期药平均压药密度、平均燃速、燃速极差及 燃速标准差，如表1 所示。 压药压力与平均压药密度、平均燃速等参数的 关系如图2 、图3 所示。 f 晷 e 吞 譬 摹 图2压药压力与平均压药密度的关系 F i g ．2R e l a t i o n s h i pb e t w e e nl o a d i n g p r e s s u r ea n da v e r a g eb u r n i n gr a t e 图3 压药压力与平均燃速的关系 F i g ．3R e l a t i o n s h i pb e t w e e nl o a d i n gp r e s s u r e a n da v e r a g ec h a r g i n gd e n s i t y 表1压药压力变化对装药密度及燃速的影响 T a b ．1 E f f e c to fl o a d i n gp r e s s u r eo nc h a r g i n gd e n s i t ya n db u r n i n gr a t e 注试验用铝合金管为机械加工；模具装药和压制过程中，药高和铝合金管长度一致，均为1 5 ．0m m 。 O O O O O O O O O掬笛孔矜鲍甜狮挎掩 万方数据 2 0 1 7 年4 月压药压力对硅系延期药燃速影响的试验研究朱帅，等 图4 为平均压药密度与平均燃速的关系，图5 为压药压力与燃速标准差的关系。 图4 平均压药密度与平均燃速的关系 F i g ．4R e l a t i o n s h i pb e t w e e na v e r a g ec h a r g i n g d e n s i t ya n da v e r a g eb u r n i n gr a t e 譬 呈 ＼凸 图5 压药压力与燃速标准差的关系 F i g ．5R e l a t i o n s h i pb e t w e e nl o a d i n gp r e s s u r e a n ds t a n d a r dd e v i a t i o no fb u r n i n gr a t e 2 ．2 结果分析 由图2 可知．压药压力在4 0 。6 4 0M P a 范围内 变化。对应的平均压药密度为3 ．1 5 ～4 ．0 8g ／c m 3 ，平 均压药密度随压药压力的增大而增大．二者呈良好 的线性关系。4 0 6 4 0M P a 范围内，压药压力增大， 延期药剂颗粒之间孑L 隙率减小，延期药剂颗粒之间 接触更加紧密，压药密度随之增大。 图3 中．平均燃速与压药压力呈线性增加的关 系。分析原因，可燃剂S e 、S i 的硬度较小，随着压力 的增大，可燃剂颗粒被压碎，破裂为更小的颗粒，将 导致 1 装药密度随压力的增大而增大．药柱结构更 为致密 2 可燃剂颗粒破裂，增大了颗粒的比表面积， 氧化剂与可燃剂接触更充分； 3 S e 、S i 与氧化剂接触，界面处发生扩散作用， 自然氧化，表面生成阻碍传热的氧化膜。颗粒破碎， 其内部未氧化的部分直接接触P b ，0 。，加剧燃烧过 程的传热 4 铝合金导热系数高达1 2 1 ～1 5 1W ／ I l l K ， 高于铁、铅等金属，装药密度随压力的增加而增大， 同等体积燃烧放热量增多，管壳传递的热量也增多， 加剧了未燃延期药的预热。 以上4 点原因导致延期药燃烧过程传热加剧。 硅系延期药以非均相的固．固、固一液反应为 主‘5 剖 1 S e 、S i 表面生成氧化膜，表面活性降低。氧 化膜把S i 、S e 和P b ，0 。隔开，P b ，0 。分解出的氧需通 过氧化膜扩散到S i 、S e 表面，燃烧才能进行下去。 压药压力增大，可燃剂颗粒破裂，内部未氧化部分直 接接触P b 、0 。，使原子的扩散运输容易进行； 2 传热增加，加剧了s i 、S e 和P b ，0 。晶体缺陷 程度，缺陷在晶体结构中热振动加剧，并快速移动， 促进传质和氧化还原反应的发生。7 1 。 以上2 点原因加剧延期药燃烧过程中的传质。 根据M c l a i n [ 8 ] 提出的药层再点火燃烧模型和 R o s e - 9 ] 的研究结果 P 1 _ 伽⋯专 式中P 。是传播指数；△日为反应热；吒为点火温 度。 P ．是延期药在外界刺激点燃后，产生持续燃烧 可能性的度量，与延期药的密度P 和燃烧速度口密 切相关。压药密度随压力的增加而增大，传热和传 质相互促进，共同作用，使延期药传播燃烧的能力增 大，平均燃速随之变快。 图3 中，4 0M P a 压药压力下燃速为1 8 7 ．7 4 m m ／s ．略高于8 0M P a 下的1 8 7 ．1 9m m ／s ，其原因可 能是 1 4 0M P a 压药压力较小．颗粒之间孔隙较大， 药柱整体结构松散。燃烧产物压力达到药柱强度极 限，使药柱破裂，增大燃烧延期药与未引燃延期药的 距离．阻碍了传热； 2 燃烧火焰及产物温度很高，部分通过松散药 柱的孔隙喷射至未燃烧延期药表面，直接加热未燃 烧延期药 3 延期药为微负氧平衡，低压装药时颗粒之间 孔隙掺杂的空气参与反应，使药剂间的氧化还原反 应受到一定的影响，从而影响延期药的燃速。 上述3 种情况相互作用、相互制约，造成延期药 燃烧不稳定、燃速较高、燃烧时间飘移。 对比图3 、图4 可知，压药压力和平均压药密度 对平均燃速的影响规律一致。原因是压药压力对 延期药平均燃速影响的本质是压药压力的变化导致 ∞如∞∞加m∞∞舳 2 2 2 2 2 2 2 1 1 I-s．d口目摹 万方数据 5 4 爆破器材第4 6 卷第2 期 压药密度的变化。 燃速标准差反应各组延期药的延期精度，其值 越小延期精度越好。由图5 可知，试验范围内延期 精度从4 0M P a 开始下降，1 6 0M P a 左右延期精度最 低，之后又逐渐升高，在6 4 0M P a 压药压力下延期精 度最高。4 0 。1 6 0M P a 压力范围内，装药密度较小， 孔隙率大，燃烧气体易渗透至f l Z f L 隙中形成对流燃烧、 振动燃烧等非平行层、非稳态燃烧[ i o ] ，秒量漂移严 重，精度不高。1 6 0 ～6 4 0M P a ，孔隙率减小，传热、传 质加剧，以平行层燃烧方式稳定传播延期精度随压 力的增大而增大。 3结论 1 硅系延期药压药压力在4 0 ～6 4 0M P a 范围 内变化。对应的平均压药密度变化为3 ．1 5 ～4 ．0 8g ／ c m 3 ．平均压药密度随压药压力的增大而增大，二者 呈良好的线性关系。 2 试验压力范围内，硅系延期药压药压力与平 均燃速呈线性关系。8 0 6 4 0M P a 压药压力增大， 传热、传质加剧，燃烧反应加剧，平均燃速随之增大； 4 0M P a 压药压力下燃速为1 8 7 ．7 4m m ／s ，略高于8 0 M P a 下的1 8 7 ．1 9m m ／s 。 3 4 0 。6 4 0M P a 压力范围内，硅系延期药压药 压力对延期药平均燃速影响的本质是压药压力的变 化导致压药密度的变化。压药密度导致燃速的变化， 压药压力和压药密度对燃速的影响规律一致。 4 试验压力范围内，硅系延期药的延期精度从 4 0M P a 开始降低，1 6 0M P a 左右延期精度最差，之 后又逐渐升高，6 4 0M P a 压药压力下延期精度最高。 [ 2 ] 参考文献 谢兴华．起爆器材[ M ] ．合肥中国科学技术大学出版 社，2 0 0 9 1 7 1 - 1 8 3 ． X I EXH ．I n i t i a t i n gd e v i c e s [ M ] ．H e f e i U n i v e r s i t yo fS c i e u c ea n dT e c h n o l o g yo fC h i n aP r e s s ，2 0 0 9 1 7 1 1 8 3 ． 张建富．胡延臣．延期药粒度级配对延期精度的影响 [ J ] ．含能材料，2 0 1 4 ，2 2 4 8 4 8 8 ． Z H A N GJF ，H UYC ．E f f e c to fp a r t i c l eg r a d a t i o no fd e l a y c o m p o s i t i o no nd e l a yp r e c i s i o n [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo f E n e r g e t i cM a t e r i a l s ，2 0 1 4 ，2 2 4 8 4 8 8 ． [ 3 ]曾寿礼，郑思友．锆粉对硅系延期药燃速的影响[ J ] ． 煤矿爆破，2 0 1 5 3 2 3 ．2 5 ． Z E N GSL ，Z H E N GSY ．R e l a t i o n s h i pb e t w e e nz i r c o n i u m p o w d e ra n dd e f l a g r a t i o nv e l o c i t yo fs i l i c o nd e l a yc o m p o s i t i o n [ J ] ．C o a lM i n eB l a s t i n g ，2 0 1 5 3 2 3 2 5 ． [ 4 ]张致魁．硼系延期药燃烧s , - j I s 7 与配比的关系探讨[ J ] ． 火工品，2 0 0 4 4 3 8 - 4 1 ． Z H A N GZK ．D i s c u s so nt h er e l a t i o nb e t w e e nt h eb u r n i n g t i m ea n dt h ef o r m u l a t i o no fb o r o nt y p ed e l a yc o m p o s i t i o n [ J ] ．I n i t i a t o r s ＆P y r o t e c h n i c s ，2 0 0 4 4 3 8 4 1 ． [ 5 ] 孙玉玲．延期药燃烧特性的表征方法的研究[ D ] ．淮 南安徽理工大学。2 0 0 7 ． S U NY L ．S t u d yo fc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sm e t h o do f t h ed e l a yc o m p o s i t i o n [ D ] ．H u a i n a n A n h u iU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 0 7 ． 『6 ]宋薇娜．热电偶法测量硅系延期药燃烧温度的研究 [ J ] ．爆破器材，2 0 1 3 ，4 2 2 4 1 - 4 3 ． S O N GW N ．M e a s u r i n gt h eb u r n i n gt e m p e r a t u r eo fs i l i c o n d e l a yc o m p o s i t i o nw i t ht h e r m o c o u p l e [ J ] ．E x p l o s i v eM a t e r i a l s ，2 0 1 3 ，4 2 2 4 1 ．4 3 ． [ 7 ] 劳允亮，盛涤伦．火工药剂学[ M ] ．北京北京理工大 学出版社，2 0 1 l 2 6 0 ．2 8 4 ． L A OYL ，S H E N GDL ．T h es c i e n c eo fi n i t i a t i n ge x p l o s i v e sa n dr e l a t i v ec o m p o s i t i o n [ M ] ．B e i j i n g B e i j i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g yP r e s s ，2 0 11 2 6 0 - 2 8 4 ． [ 8 ]麦克莱恩J ．H ．烟火学[ M ] ．张丙辰，等，译．北京国防 工业出版社．1 9 8 6 ． [ 9 ] R O S EJE ．F l a m ep r o p a g a t i o np a r a m e t e r so fp y r o t e c h n i c d e l a ya n di g n i t i o nc o m p o s i t i o n s [ R ] ／／R e p o r tI H M R71 - 1 6 8 ，N a v a lo r d n a n c es t a t i o n ，I n d i a nM a r y l a n d ，1 9 7 1 ． [ 1 0 ]韩体飞，钟帅，张涵，等．微气体延期药柱燃烧传播与 装药密度的关系[ J ] ．煤炭技术，2 0 1 4 ，3 3 1 1 2 8 2 ． 2 8 4 ． H A NTF ，Z H O N GS ，Z H A N GH ，e ta 1 ．R e l a t i o n s h i p b e t w e e nc o m b u s t i o np r o p a g a t i o na n dc h a r g i n gd e n s i t yo f c o l u m n a rg a s l e s sd e l a yc o m p o s i t i o n [ J ] ．C o a lT e c h n o l o g Y ，2 0 1 4 ，3 3 1 1 2 8 2 2 8 4 ． 万方数据