含5_7单基药灌注炸药的制备及性能研究 .pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 02. 004 含 5/7 单基药灌注炸药的制备及性能研究 ❋ 张 迪① 魏晓安① 俞永华② 王泽山① ①南京理工大学化工学院江苏南京,210094 ②山东银光科技有限公司山东临沂,273400 [摘 要] 针对 5/7 单基药,采用了 R1、R2和 R33 种不同的填充材料制备抗水型灌注炸药。 利用改进的工艺解决 了 5/7 单基药小孔隙的填充问题;该炸药的水下测试结果显示,含 R1、R2和 R3的灌注炸药 TNT 当量为 0. 97、1. 11 和 1. 34,能量呈明显递增关系,结果与灌注液和发射药颗粒能量匹配相对应;对 R2和 R3灌注炸药以及 5/7 单基药 颗粒的爆炸过程进行高速摄影,发现它们在相同时间段火球明显不同,R3灌注炸药火球亮度、大小及持续时间明显 超过 R2体系,这与水下爆炸结果相一致,而未灌注的 5/7 单基药颗粒在冲击作用下还存在燃烧现象。 这些结果为 配方设计提供了依据。 [关键词] 5/7 单基火药;灌注炸药;水下爆炸;高速摄影 [分类号] TJ51 引言 发射药有一定的使用寿命,一旦过了使用寿命, 便不能在武器中正常使用。 目前,世界上每年都需 处理大量的各类退役发射药。 我国现阶段有大量的 小颗粒单基药退役待处理。 以前常用的处理方法是 深海填埋、堆肥和露天焚烧等方法,这些方法存在较 大安全隐患,易造成安全事故和环境污染[1]。 将退役的发射药制成工业用炸药是非常好的处 理方法,这样不仅可以充分利用退役发射药中的能 量,节约能源,还减小了对人类和环境的威胁。 退役 发射药可制成的工业炸药现阶段主要有乳化炸药、 浆状炸药和灌注炸药。 其中含退役发射药的乳化炸 药和浆状炸药制备过程中需要搅拌,加上废火药撞 击感度较高,故制备工艺上存在一定的安全问题,其 中乳化炸药还存在能量较低的问题,不能满足实际 需求。 而含退役发射药灌注炸药制备流程中无搅拌 过程,提高了工艺的安全性;原药无需过多的粉碎等 预处理过程,简化了工艺且提高了安全性;体系本身 含水,因此有极佳的抗水性能和抗静电性能;胶凝剂 和发射药粒相对稳固的结构有利于吸收外界振动、 消除发射药粒间摩擦,提高运输安全性。 因此在其资源化利用中,直接通过灌注成型制 备含废火药的灌注炸药是相对较好的方法[1]。 张 丽华、魏晓安等[2-3]针对粗颗粒单基药长度 5 mm,直径 4 mm装药,在复合氧化剂溶液中加入 改性纤维素作为胶凝剂,制成灌注型炸药,其性能可 与露天型含火药浆状炸药相当。 蔡昇[4]以 CR3 +、 Al3 +复合金属离子交联聚丙烯酰胺为胶凝剂,研究 了该类灌注液的配方及成型工艺,对粗颗粒单基药 长度 5 mm,直径 4 mm的灌注炸药进行了研 究。 在后续的研究中[4],采用了一种新型的灌注工 艺,在氧化剂溶液中加入 RSN 胶作为胶凝剂,并在 60 ℃下进行热固化,制备出含粗颗粒单基药的刚性 灌注炸药,这 2 种灌注炸药性能也与岩石型乳化炸 药性能相近。 Machacek 等[5-6]研究了在复合氧化剂 溶液中加入一种改性古尔胶的延迟胶凝剂,并分别 灌注到 M30 三基药、M1/ M6 单基药、M26 双基药的 颗粒中,制备了 Slurran 400 系列灌注炸药,该炸药 密度为 1. 50 g/ cm3左右,爆速为 6. 0 6. 5 km/ s,该 方法对于颗粒状的单基药、三基药较为适宜,对于其 他类型的火药并非都适用,较低能量的双基药可与 单基药或三基药混合,该类炸药性能也只与岩石型 乳化炸药性能相近。 近年来,Wang 等[7]以丙烯酰胺为胶凝剂对含 单基药凝胶炸药进行了研究,并仅对含 5/7 单基药 的凝胶炸药进行了初步探索研究。 但是,由于小颗 粒单基药尺寸细小,填充材料在细小的空隙中传质 非常困难,工艺上难以对空隙进行完全有效的填充, .61. 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 2 期 ❋ 收稿日期2015-11-18 基金项目国家部委专项 作者简介张迪1993 ,男,硕士,主要从事新型黏结剂合成及退役火药的利用的研究。 E-mailzdicanplay@163. com 通信作者魏晓安1968 ,男,讲师,主要从事废弃火炸药资源化利用研究。 E-mailweixiaoan@126. com 同时也极易出现成型质量不稳定的现象,这对制备 该类灌注炸药造成很大的难度,致使进一步的研究 很少。 而对于除 5/7 单基药之外的其他的退役发射 药,有些还存在因发射药感度过低导致制成的灌注 炸药感度低而不发生爆轰等一系列问题。 因此,以 退役发射药制备工业用炸药还处于探索阶段,有很 多的问题有待解决,离大量应用还有一段路要走。 本文针对 5/7 单基药小空隙传质困难的问题, 同时选用 R1、R2和 R33 种填充材料,使用安全的通 道预热控制装置改进灌注制备工艺,制备出含 5/7 单基药的灌注炸药,解决小空隙传质填充问题;研究 3 种不同的填充材料制备的灌注炸药性能,通过见 证板、水下性能测试和高速摄影来研究该类炸药的 能量特性。 结果显示,改进工艺制备的灌注炸药空 隙填充较为完全,有一定的威力,能量也高于乳化炸 药。 摩擦感度低于 5/7 单基药;安全性能经测试符 合 WJ90452004 标准。 1 试验部分 1. 1 试验方法 火药选用 5/7 单基药含 95% 硝化棉进行试 验,填充材料 R1、R2和 R3是 3 种含能材料,自制 R1 为含氧化剂的聚丙烯酰胺凝胶,能量相当于乳化炸 药能量 70%;自制 R2为含氧化剂和含能敏化剂的 聚丙烯酰胺凝胶,能量略高于 TNT;自制 R3为含氧 化剂、含能敏化剂和铝粉的聚丙烯酰胺凝胶,能量比 R2高 20%。 1. 2 试验过程 1. 2. 1 灌注炸药的制备 5/7 单基药先装填在⌀60 mm 的药卷中,药卷 竖立放置,开口向上;配置填充材料 R1、R2和 R3;采 用通道预热技术自行研制的通道预热控制装置, 将制备好的填充材料灌注于火药颗粒间空隙中,待 固化成型后,即制备出含 5/7 单基药的灌注炸药。 1. 2. 2 爆速、密度和见证板测试 将制备的含5 / 7单基药灌注炸药进行爆速、密 度和见证板性能测试,其中见证钢板选用 10 20 mm 厚的 A3 钢。 1. 2. 3 水下爆炸测试 水下爆炸能量输出测试的水池几何尺寸为 ⌀8. 0 m 8. 0 m,压力传感器型号为 PCB138M,电 压灵敏度6. 9 V/ MPa; 信号调理器型号为 PCB 482A16,数据采集器为成都纵横公司的 Jovian5200。 试验药量为 200 g,参比炸药为 40 g 钝化黑索今,试 验装药位于水面下4. 25 m 处,药包离传感器的距离 L为 2. 5 m。 采用压力传感器记录炸药爆炸激发 能量,如图 1 所示。 能量分析参考相应文献[8-10]。 1 - 起爆电缆, 2 - 承重绳索, 3 - 传输电缆, 4 - 试验支架, 5 - 传感器,6 - 试验装置, 图 1 测量后燃效应的试验布置示意图单位m Fig. 1 Experimental disposal for measurement of afterburning effectunitm 1. 2. 4 灌注炸药爆炸过程高速摄影 测试条件8#工业雷管、传爆药40 g 钝化黑索 今,密度 1. 6 g/ cm3,直径 40 mm和 5/7 灌注炸药 200 g;炸药放置在间距 1 m 标志杆中间,高速摄 影机距炸药 30 m。 2 结果与讨论 2. 1 爆速、密度和见证板测试结果 表1是5 / 7单基药制备灌注炸药的基本性能。 从 表1可以看出,制备成灌注炸药后密度从0. 99 g/ cm3提高到1. 46 g/ cm3以上;炸药爆速超过6 500 表 1 灌注炸药性能 Tab. 1 Performances of the perfusion explosive 编号火药类型填充材料 主要成分/ % w5/7 单基药w填充材料 密度/ g.cm -3 爆速/ m.s -1 击穿钢板厚度 / mm 0#5/7 单基药无100. 000. 99010 ∗ 1#5/7 单基药 R168. 032. 01. 466 580 10 √∗ 2#5/7 单基药 R262. 537. 51. 587 180 14 √∗ 3#5/7 单基药 R360. 040. 01. 637 250 20 √∗ ∗ ,表示钢板只有压痕;√,表示钢板被击穿。 .71.2016 年 4 月 含 5/7 单基药灌注炸药的制备及性能研究 张 迪,等 m/ s;没填充时,钢板只有压痕,并有大量残药,而填 充 R1、R2和 R3后,无残药,击穿钢板厚度从 10、14 mm 到 20 mm 依次提高,显示炸药冲击波能依次增 强。 加入灌注液后,体系中氧含量得到提高,增加了 体系的能量释放效率,减少了残渣。 2. 2 灌注炸药水下爆炸性能 将灌注炸药进行水下爆炸对比试验,对比炸药 4#为钝化黑索今,ρ =1. 60 g/ cm3。 表2 列出了5/ 7 灌注 R1、R2和 R3体系冲击波 es、气泡能 eb及总能 量 et变化,考虑未填充的 5/7 单基药爆炸过程不完 全,难以在水中收集残渣,故序号 0#的水下试验未 做。 从表 2 可以看出灌注 R2、R3炸药的冲击波能 比 R1体系高 24%、32%;灌注 R2、R3炸药的气泡能 比 R1体系高 8%、41%;灌注 R2、R3炸药的总能量 比 R1体系高 15%、38%。 钝化黑索今的 TNT 当量 约为 1. 2 倍,依此为参照,含 R1、R2和 R3灌注炸药 TNT 当量为 0. 97、1. 11 和 1. 34,整体性能比较,R1 灌注炸药最差,R2次之,R3最好。 2. 3 灌注炸药爆炸过程高速摄影 对表 1 得到的炸药通过高速摄影进行对比试验 R1体系爆炸结果在今后其他文章中列出,在此只 列出 5/7 颗粒以及 5/7 颗粒灌注 R2体系和 5/7 颗 粒灌注 R3体系的爆炸过程图像。 爆炸条件炸药为 200 g,传爆药为 40 g 钝化黑索今,8#雷管激发。 结 果如图 2 所示。 从图 2 可以看出,5/7 颗粒单基药在传爆药激 发下发生不完全的燃烧转爆轰现象在试验现场发 现10 g 5/7 单基药,即5%左右的残药;5/7 颗粒单 基药填充 R2和 R3的灌注炸药在激发后完全爆轰 试验现场无残药,填充 R2和 R3体系都比不填充 的 5/7 体系火球大,光亮强以及持续时间长,其中, R2在 66 μs、R3在 264 μs 仍处于强光区中,同时也 表明,R3体系爆炸效果优于R2体系。 整体性能比 较,仍然是 R1灌注炸药最差,R2次之,R3最好。 a5/7 单基药;b5/7 单基药灌注 R2体系 c5/7 单基药灌注 R3体系 图 2 灌注炸药爆炸过程高速摄影 Fig. 2 High-speed photographs of perfusion explosive detonation 2. 4 灌注炸药爆炸过程特征分析 2. 4. 1 灌注炸药性能差异分析 两颗 5/7 单基药颗粒可以假设成如图 3 所示竖 立放置的圆柱体。 1设颗粒直径为2R,长度为4R,另一颗粒与其 平行放置,最短距离为 2R。 表 2 灌注炸药水下爆炸性能测试 Tab. 2 Performance test of the perfusion explosive in underwater explosion 序号炸药类型pm/ MPaμes/ kJ.g -1 eb/ kJ.g -1 et/ kJ.g -1 1# 5/7 单基药R112. 971. 9690. 6732. 1173. 525 2# 5/7 单基药R212. 782. 0060. 8372. 2884. 055 3# 5/7 单基药R313. 351. 9890. 8902. 9884. 878 4#钝化 RDXρ =1. 60 g/ cm35. 732. 0090. 9432. 3954. 346 .81. 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 2 期 a5/7 单基药颗粒 b5/7 单基药颗粒位置关系 图 3 发射药颗粒间距关系 Fig. 3 Relationships of shape and structure between 5/7 single-base propellants 2设颗粒爆速为 D1,灌注液的爆速为 D2。 则炸药体系中,从颗粒上表面 A1垂直传到下表 面 A2所需时间为 t1= 4R D1 。 1 从左边颗粒中心 O1传到右边颗粒中心 O3通 过颗粒和灌注液传播所需时间为 t2= 2R D1 + 2R D2 。 2 炸药体系中,从左边颗粒中心 O1传到右边颗粒 中心 O3直接通过灌注液传播所需时间为 t3= 4R D2 。 3 从而有 t2- t1= 2RD1- D2 D1D2 ;4 t3- t1= 4RD1- D2 D1D2 。 5 要使炸药爆轰结构不发生异化,需要爆速相近 或者颗粒间隙 2R 变小。 对于各种制式发射药颗 粒,装填的间隙距离为定值要改变距离大小可以 通过加入细小颗粒发射药进行复配,需要调整装药 工艺,这里只讨论颗粒间隙为定值情况,因此要改 变灌注炸药的性能,只有调节填充材料的能量特性, 如果与单基药能量相匹配,就能改善爆炸能量输出 结构的异化。 2. 4. 2 改进灌注炸药爆炸能量输出结构的方法 单基药的爆炸能量与 TNT 相当,它的密度约为 1. 6 g/ cm3、爆速约为7 000 m/ s、撞击感度为 TNT 的 80%,而研究中采用的 R1由于能量只相当于乳化炸 药能量的 70%,它的爆速及密度与单基药差别较 大,容易出现能量输出结构的异化;对于 R2,它的能 量略高于 TNT,它的爆速及密度与单基药也相近,能 改善能量输出结构的异化;对于 R3,它的能量比 R2 高 20%,它的爆速也与单基药接近,而密度比单基 药高,在提高能量的基础上又明显改善能量输出结 构,基本消除了异化现象。 同时,在试验中发现,填 充 R3的冲击波能和气泡能都高于 R2体系,可能与 单基药和 R3在波阵面以及二次反应中相互作用有 关,这有待今后试验证实。 3 结论 1针对颗粒细小的 5/7 单基药,首次采用 R1、 R2和 R33 种灌注液,成功制备出3 种5/7 单基药灌 注炸药。 试验证实,这种通道预热控制技术十分有 利于小空隙的填充。 2对不同性能的灌注液制备的灌注炸药进行 的见证板试验和水下爆炸试验均显示,灌注液的能 量对性能的影响很大。 其中,R3灌注液制备的灌注 炸药击穿了 20 mm 的钢板,其冲击波能和气泡能也 明显高于其他2 类灌注炸药,这表明 R3填充材料中 的为提高能量而加入的铝粉能量得到了充分释放。 灌注炸药爆炸过程高速摄影表明灌注液的能量高 低也会直接影响到火球爆炸的亮度、大小和持续时 间,它们都和灌注液的能量相关。 35/7 单基药灌注炸药的爆速和颗粒间距对爆 炸过程有较大影响,要使灌注炸药的性能有效释放, 调节填充材料的爆速,使与单基药相匹配的爆速相 一致,能改善爆炸能量输出结构的异化。 参 考 文 献 [1] 王泽山,张丽华,曹欣茂. 废弃火炸药的处理与再利用 [M]. 北京国防工业出版社,1999. [2] 张丽华. 用废弃发射药制造民用炸药的研究[D]. 南 京南京理工大学,1998. [3] 魏晓安,王泽山. 灌注式废发射药凝胶炸药的研制 [J]. 爆破器材,2001, 30 36-10. WEI X A, WANG Z S. Manufacture of explosive from perfusion gel containing waste propellant[J]. Explosive Materials, 2001, 3036-10. .91.2016 年 4 月 含 5/7 单基药灌注炸药的制备及性能研究 张 迪,等 [4] 蔡昇. 废弃火炸药制造小粒药和民用特种炸药的研究 [D]. 南京南京理工大学,2003. [5] MACHACEK O, ECK G R. Waste propellants and smoke- less powders as ingredients in commercial explosives [C] / / Proc. 23rd International Annual Conference of ICT Karl-sruhe. 199223 1-14. [6] MACHACEK O,ECK G R,TALLENT K. Development of new high energy blasting products using demilitarized and excess propellant grains from conventional ammunition rounds,2th int [C] / /2nd International Autumn Seminar on Propellants, Explosives and Pyrotechnics. Shenzhen People’s Republic of China, Publishing House of Ordance Industry,1997302-308. [7] WANG P, WEI X A, HE W D. 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Research on Preparation and Properties of Perfusion Explosive Containing 5/7 Single Base Propellant ZHANG Di①, WEI Xiaoan①, YU Yonghua②, WANG Zeshan① ①School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology Jiangsu Nanjing, 210094 ②Shandong Yinguang Technology Co. , Ltd. Shandong Linyi, 273400 [ABSTRACT] Water-resistance perfusion explosives containing 5/7 single base propellant were manufactured by three kinds of fillers R1, R2and R3. Filling problems in small pores was resolved by the improved technology. In underwater explosion, the TNT equivalent of perfusion explosive with R1, R2and R3were 0. 97, 1. 11 and 1. 34 respectively, and energies of perfusion explosives obviously increase. Furthermore, energies of perfusion explosives were especially related with the characters of R1, R2and R3. Detonations of perfusion explosives with the fillers of white, R2and R3were tested through high speed photography. Results show that fire balls are also different among high energy and low energy fillers, and the brilliance and shape of fire ball from R3is more than those from R2. Meanwhile, the perfusion explosive with the filler of white still shows inflammation. This result is also according with the effect from the underwater explosions. [KEY WORDS] 5/7 single base propellant; perfusion explosive; underwater explosion; high-speed photography .02. 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 2 期