含退役双基发射药的低爆速炸药的研究 .pdf

doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 06. 008 含退役双基发射药的低爆速炸药的研究 ❋ 贾占山 关渊华 卜宪强 郭 洋 吉林三三零五机械厂吉林敦化,133709 [摘 要] 研究了一种含双基发射药的低爆速炸药。 这种炸药以双基发射药作为敏化剂,以硝酸铵作为氧化剂, 二者混合后形成低爆速炸药。 炸药由质量分数为 75 80 的硝酸铵、15 22 的双基发射药、1 5 的密 度调节剂和 1 3的工艺添加剂组成。 试验表明,在低爆速炸药中,随双基发射药质量分数的不同,可制备出满 足不同需求的低爆速炸药产品。 产品密度控制在 0. 76 1. 02 g/ cm3之间,爆速在 1 500 2 200 m/ s 之间,猛度在 8. 8 9. 7 mm 之间,殉爆距离达到 4 cm。 分析探讨了双基发射药的含量、粒度、密度、直径等对爆速的影响。 [关键词] 双基发射药;低爆速炸药;资源化利用;性能 [分类号] TJ55;TQ562;TD235. 2 1 引言 低爆速炸药是一种极限爆速比较低的炸药,具 有低爆速和低威力等特点,极限爆速一般为1 500 2 200 m/ s。 在光面爆破、地震勘测、预裂爆破、爆炸 复合焊接等领域得到了广泛的应用[1]。 其中,爆 炸焊接材料在国防工业领域和国民经济建设中已获 得广泛的应用。 废弃火炸药是特殊的危险品,必须妥善处理。 传统的废弃火炸药的处理方法和处理过程不仅会对 环境产生严重的污染,而且没有物尽其用[2]。 本文 中所指的废弃火炸药处理主要是将退役发射药转化 为民用炸药产品,变废为宝。 该项目是国家“866 工 程”提出的科技成果之一,以南京理工大学王泽山 院士为首已研制出了含退役火药 HJZ 浆状炸药、 HFZ 粉状炸药[3]、含退役火药乳化炸药[4]、含火药 灌注炸药[5]等。 目前,本单位含火药乳化炸药工艺 技术及设备科技成果立项工作已得到国家工信部批 复,并获得国家实用新型专利证书[6]。 上述项目运 用的火炸药主要是单基发射药。 单基药性能优越、 规格小,加工方便。 而双基发射药虽然在废弃火药 中占有很大比例,但由于感度较低、加工困难,利用 双基发射药制造民用产品正处于研究开发利用阶 段。 因而,利用双基发射药研制低爆速炸药是国家 “866 工程”的延续,对资源化再利用具有深远意义。 1 双基发射药的性能及加工 1. 1 双基发射药的性能 双基发射药的品种主要有双芳型、乙芳型、双乙 型和双迫型等几种类型,主要由硝化棉、硝化甘油、 硝化二乙二醇或其他硝酸酯塑化而成。 硝化棉和液 态硝酸酯是双基药的能量组成部分[3]。 单基药中 硝化棉的质量分数在 95 以上,含氮质量分数 12. 76 12. 98 [7]。 而双基药的硝化棉质量分数只 有 50左右。 其他能量有效成分主要是硝化甘油 或硝化二乙二醇,质量分数占 40 左右,双基发射 药中硝化纤维素的平均含氮质量分数为 11. 92, 其含氮量与单基药比较接近。 虽然组分不同,但所 含能量完全能够满足民用炸药需要。 由于双基药使 用的安定剂是苯二甲酸二丁酯或乙基中定剂等,对 硝化棉起到了软化、钝感和塑化作用。 因此,双基药 的起爆感度比单基药低,在加工过程中的安全性比 单基发射药高。 通常双基发射药是以燃烧的形式释放内能,并 对外做膨胀功[3]。 当起爆能量较大时,其能量以爆 轰形式释放出来,又具有爆炸性。 双基发射药及常 见炸药的性能指标对比见表 1[8]。 1. 2 双基发射药的加工 大部分双基药以管状为主,也有一小部分是片 状。 由于发射药具有易燃性,无论哪种规格的双基 药,在加工过程中利用水做冷却剂,发射药与水的质 量比不小于 1︰8。 通过压延、粉碎的方法将双基药 粉碎到一定粒度,然后经离心机脱水后形成所需双 基药粉。 药粉细度由粉碎机的筛网控制。 双基药粉 加工过程如图 1 所示。 双基发射药粉碎后,药粉的粒度在 40 目以上时 932016 年 12 月 含退役双基发射药的低爆速炸药的研究 贾占山,等 ❋ 收稿日期2016-02-16 作者简介贾占山1963 - ,男,工程师,主要从事含退役火药的炸药的研究、开发和利用。 E - mailjzs9605163. com 万方数据 表 1 发射药及常见炸药性能比较 Tab. 1 A comparison of properties between propellants and common explosives 炸药 名称 密度/ gcm -3 爆速/ ms -1 爆热/ kJkg -1 比容/ Lkg -1 单基药1. 024 6003 663948 双基药1. 003 9003 1731 011 铵油 炸药 0. 853 2003 684986 岩石乳 化炸药 1. 155 3803 720792 图 1 双基发射药粉加工过程 Fig. 1 Processing of double-base propellant powder 无雷管感度;只有40目以下粒度的药粉占60 时,才 能被8雷管起爆。 双基药粉的平均自由装填密度为 0. 79 g/ cm3,殉爆距离为 8 cm,爆速可达3 937 m/ s, 其氧平衡值为 -0. 523 g/ g[7]。 2 含双基药低爆速炸药的制备 2. 1 含双基药低爆速炸药配方 对于普通低爆速炸药,随着爆炸组分与稀释剂 的质量分数的不同,可以得到低爆速炸药系列产 品[9]。 在双基发射药低爆速炸药配方设计中,双基 发射药为爆炸组分,硝酸铵为氧化剂。 配方的确定 按下列 3 条原则进行1爆炸完全;2爆速低;3零 氧平衡。 双基药的定容爆热为3 173 kJ/ kg,爆速为3 937 m/ s,做功能力为 344 mL,完全具有足够起爆能量, 使该体系达到爆炸完全;双基发射药氧平衡为 -0. 523 g/ g,硝酸铵的氧平衡为 0. 2 g/ g,有利于配 方氧平衡调节;由于硝酸铵是钝感炸药,其密度为 0. 8 g/ cm3时理论爆速为2 000 m/ s。 按照混合炸药 的爆速等于各组分体积分数乘以各组分的爆速之积 的总和的理论[10],该配方再通过使用密度调节剂、 钝感剂等,得到综合性能较好的低爆速性炸药的配 比。 据上述 3 个条件,确定含双基药低爆速炸药配 方如表 2。 炸药低爆速爆轰,意味着能量释放速度相对高 爆速炸药低[11]。 而双基发射药低爆速炸药必须将 发射药质量分数控制在一定范围之内 15 22;双基药的粒度控制为 60 目筛下物占 80 以 上;密度控制在 0. 76 1. 02 g/ cm3之间。 具备这 3 表 2 含双基药的低爆速炸药配方 Tab. 2 ulation of the low detonation velocity explosive containing double-base propellant 原材料硝酸铵 双基发 射药 密度调 节剂 钝感剂 质量分数75 8015 221 51 3 个条件的配方,释放爆速低,在较大的直径下能以稳 定爆轰的形式向周围扩展,维持低速爆轰,并达到稳 定爆轰的状态。 2. 2 含双基药低爆速炸药制备工艺 含双基发射药低爆速炸药是以双基发射药、硝 酸铵为主要原材料制备而成。 分别将两种原材料加 工成一定细度的半成品,备用。 将两种半成品按比 例要求混合,再加入密度调节剂和工艺附加物混合 均匀,混合时间为10 15 min。 然后进行内装药、封 口、包装,即可完成。 含双基发射药低爆速炸药制作 工艺流程如图 2 所示。 图 2 含双基发射药低爆速炸药的制作工艺 Fig. 2 Manufacture process of the low detonation velocity explosive containing double-base propellant 2. 3 含双基药低爆速炸药的性能 含双基发射药低爆速炸药通常是粉状物,按照 上述工艺要求,按双基药质量分数分别为 15、 18、20,设计出 A、B、C 3 个含双基药低爆速炸 药的基本配方。 具体性能见表 3。 表 3 含双基发射药低爆速炸药的性能 Tab. 3 Perances of the low detonation velocity explosive containing double-base propellant 配方 直径/ mm 密度/ gcm -3 殉爆距离/ cm 爆速/ ms -1 猛度/ mm A450. 7641 5208. 8 B450. 9841 9908. 9 C451. 0242 0809. 7 3 影响炸药爆速的因素 在含双基发射药低爆速炸药中,为掌握其配方 04 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 6 期 万方数据 范围,满足低爆速性能及传爆和爆炸的反应完全,在 上述 A、B、C 3 个基本配方的基础上,扩大了双基发 射药粉的质量分数18 25,调整了密度调节 剂含量和钝感剂的含量,对配方进行优化,设计了 5 个配方,分别为 D、E、F、G、H,其各自的爆炸性能见 表 4。 表 4 双基药粉含量不同时的爆炸性能对比 Tab. 4 Perance comparison of explosives with different double-base propellant fraction 配方 直径/ mm 密度/ gcm -3 爆速/ ms -1 殉爆距 离/ cm 猛度/ mm D450. 791 8204 E450. 812 03048. 70 F450. 842 2204 G450. 922 47058. 92 H450. 952 65069. 40 3. 1 质量分数对爆速的影响 表 4 的试验结果证明,当双基药粒度、装药条件 一定时,随着双基发射药质量分数的增加,爆速、殉 爆距离等也随之增高,反之则降低。 当双基发射药 质量分数低于 15 时,爆炸性能不稳定,只有双基 药质量分数控制 15 22 之间时,其爆速值才能 控制在 1 500 2 200 m/ s 之间,见图 3。 图 3 双基发射药的质量分数对爆速的影响 Fig. 3 Influence of mass fraction of double-base propellant on detonation velocity 3. 2 粒度和密度对爆速的影响 根据爆炸理论,爆炸颗粒物的粒度越细,爆炸反 应时在爆轰区内完成化学反应所需的时间就会越 短,使得反应区变窄,爆轰波受侧向膨胀波的影响减 弱,反应区中支持爆轰波传播的有效能量增加,从而 使爆速提高[7]。 所以,双基药的粒度应控制在一定 范围,保证一定量的微细粉来提高爆轰感度。 试验 证明,双基药粉粒度控制在 60 目筛下物达到 80 以上时,才能满足低爆速炸药的要求。 因而,双基药 的粒度与爆速也有着密切关系。 在含双基发射药低爆速炸药中,当配方一定时, 爆速随着密度的增大而升高。 装药密度由密度调节 剂的含量而定,密度调节剂质量分数应控制在 1 5之间,含双基药低爆速炸药密度一般控制在 0. 76 1. 02 g/ cm3之间,才能保证低爆速的有效性。 3. 3 装药直径与爆速的关系 炸药装药直径在临界直径和极限直径之间时, 存在明显的装药直径与爆速的正比例关系[12]。 试 验结果表明,含双基发射药低爆速炸药装药直径低 于 15 mm 时,爆轰无法持续,即为其临界直径;当装 药直径大于 32 mm 后,爆速的提升不再明显,即为 极限直径。 详见图 4。 当装药直径达到 45 mm 时, 爆速依然稳定在 2 200 m/ s,此爆速更适于地质勘 探。 图 4 含双基发射药低爆速炸药直径与爆速的关系 Fig. 4 Relationship between the diameter of double-base propellant and detonation velocity 4 低爆速炸药性能比较 对 8 种低爆速炸药密度、爆速及其装药直径的 数据进行统计表 5[10],含双基发射药低爆速炸药 具备密度大、爆速低和直径大的特点。 而在实际爆 破作业过程中,密度大更适宜炸药装填;爆速低能够 确保低爆速作用的可靠性;大直径能够增加单孔装 药量,从而发挥更好的爆破效果。 5 做功能力与爆炸能量分析 膨化硝铵炸药是一种较常见的粉状工业炸药, 将其与含双基发射药低爆速炸药的做功能力进行比 较。 采用抛掷漏斗法测定相关数据,得到在孔深 40 cm 的情况下,膨化硝铵炸药与含双基发射药低爆速 炸药的爆坑体积分别0. 178 8 m3和0. 209 0 m3。 数 据表明,含双基发射药低爆速炸药的做功能力明显 优于膨化硝铵炸药。 炸药的爆炸能量与爆炸物的装药量有关。由于 含双基发射药低爆速炸药能够在相对较大直径进行 低爆速传播,因此,在相同装药长度时,因其直径较 大使得装药量大,产生的爆炸能量也大。普通的低 142016 年 12 月 含退役双基发射药的低爆速炸药的研究 贾占山,等 万方数据 表 5 低爆速炸药性能对比 Tab. 5 ulation and perance of low detonation velocity explosive 工业炸药配方质量分数 密度/ gcm -3 爆速/ ms -1 装药直径/ mm TY187TNT、13矿物微粉0. 6232 09022 TY288TNT、12高分子树脂微粉0. 7102 37022 BY180黑索今、20矿物微粉0. 6373 18020 BY275黑索今、25高分子树脂微粉0. 3351 55018 粉状低爆速炸药502岩石硝铵炸药、50黑火药0. 7692 01032 低爆速膨化硝铵炸药82. 8膨化硝铵、3. 6木粉、3. 6燃料油0. 6502 40032 高能低爆速膨化硝铵炸药81膨化硝铵、3. 6木粉、2. 7Al 粉0. 6302 35032 含双基发射药低爆速炸药含双基发射药炸药 E 配方0. 8102 03045 爆速炸药直径一般控制 22 32 mm 之间,由于受装 药直径的限制,当装药长度一定时,装药量较少,不 能发挥较好的爆炸效果。 而双基发射药低爆速炸药 直径可达 45 mm 以上,在相同的长度时,其装药量 可增加 40 104,在单位体积内有足够的能量 传播。 爆炸后产生冲击波的能量相应也大,并以低 爆速的速度传播。 尤其适于地质勘探,可以更好地 提高分辨率。 6 机械感度 在含双基发射药炸药中,由于双基药本身含有 较多的钝感性物质例如苯二甲酸二丁酯、凡士林 等,只需要加较少的钝感剂就可以获得很好的钝 感效果。 为完全满足机械感度的要求,试验中选择 了不加钝感剂和添加钝感剂含双基药粉的低爆速炸 药,测试其爆炸性能和机械感度撞击感度、摩擦感 度,试验结果见表 6[7]。 表 6 一种含双芳-3 药粉体系的性能 Tab. 6 Perance of a single-base powder containing aromatic and double-3 powder systems w钝感 剂 / 氧平衡/ gg -1 vD/ ms -1 H50/ mm 摩擦感度/ 0-0. 075 61 8709784 1. 0-0. 075 61 7301 2500 从表 6 中可看出,双基药粉状炸药在零氧平衡 时和另一组含 1 钝感剂的含双基发射药炸药对 比,爆速 vD符合要求;对撞击感度特性落高指标 H50 是合格的;对摩擦感度分别是 4 和 0 也是合格的 TNT 为 8。 从安全角度来讲,添加一定剂量的 钝感剂对安全有保证,这种措施有利于降低撞击感 度和摩擦感度。 7 安全性能 7. 1 相容性 采用 DSC 测试了单基药与硝酸铵、双基药双 芳-3与硝酸铵的相容性。 其条件为升温速率 5 ℃ / min,反应气体为氮气,混合物的发射药与硝酸铵按 照质量比 1︰1 进行测试。 结果显示,单基药与硝酸 铵混合物放热峰值位移为1. 7 ℃,双基药与硝酸铵 混合物放热峰值位移为5. 1 ℃,因此,可以肯定单基 药与硝酸铵是相容的。 同时,双基药在高温80 ℃ 以上情况下相容性比单基药差[7],但在常温条件 下,完全能满足 6 个月至 8 个月的要求。 热分解是指在热的作用下,物质分子发生分裂, 形成分子量小于原来物质的众多分解产物的现象。 单、双基发射药的组分是含有能量基团ONO2或 NO2的化合物,这 2 种基团中的化学键在热的作 用下发生断裂,这些物质即使常温下也会发生缓慢 的热分解反应,释放出能够催化进一步分解的 NO2 气体。 为防止热分解的发生,单基药中二苯胺质量 分数不得低于 0. 6,双基药中安定剂质量分数不 小于 1时,能够有效地控制热分解。 7. 2 储存性能 在常温储存条件下,对含双基发射药炸药进行 储存性能考察。 在 3 个月、6 个月和 8 个月时分别 测试了其密度、爆速和传爆性能,均能满足产品性能 要求,见表 7。 表 7 含双基药发射药低爆速炸药储存性能 Tab. 7 Storage perance of low detonation velocity explosive containing double-base propellant 时间/ d 直径/ mm 密度/ gcm -3 殉爆距离/ cm 爆速/ ms -1 0450. 9541 975 90450. 9541 990 180450. 9731 930 240450. 9721 900 一般储存几十年后退役下来的废旧发射药,作 为民用炸药的原材料使用,其储存性能能满足民用 24 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 6 期 万方数据 炸药有效期的要求[7]。 8 结论 通过对含双基药低爆速炸药性能的研究,掌握 了双基发射药的性质及其加工方法,通过调整双基 药含量、粒度、水分、密度等指标,使其性能指标爆速 完全控制在 1 500 2 200 m/ s 范围内。 在较大的直 径范围内爆速低,并且传爆性能稳定。 含双基发射 药低爆速炸药的研究,为低爆速炸药增加了一个新 品种,具有研究和推广应用的价值,并为废旧双基发 射药再利用开辟新途径。 参 考 文 献 [1] 余燕. 低爆速乳化炸药及其在爆炸焊接中的应用[D]. 淮南安徽理工大学,2013. [2] 廖静林,江劲勇,路桂娥,等. 废弃火炸药的处理与再 利用研究[ J]. 装备环境工程,2010,74 108-111. LIAO J L, JIANG J Y, LU G E, et al. Research of obso- lete explosive and propellant utilization and recycle[J]. Equipment Environmental Engineering,2010,74108- 111. [3] 王泽山. 废弃火炸药的处理与再利用[M]. 北京 国防 工业出版社,1999. [4] 王文栋,李建红,张志斌. 退役火药在乳化炸药和水胶 炸药中的应用研究[J]. 爆破器材,2003,32513-16. WANG W D,LI J H,ZHANG Z B. Study and application of emulsion explosive and water gel explosives containing waste propellant[J]. Explosive Materials,2003,325 13-16. [5] 张迪,魏晓安,俞永华,等. 含5/7 单基药灌注炸药的制 备及性能研究并得到推广和运用[J]. 爆破器材, 2016,45116-20. ZHANG D, WEI X A, YU Y H, et al. Research on preparation and properties of perfusion explosive contai- ning 5/7 single base propllant[J]. Explosive Materials, 2016,45116-20. [6] 贾占山,关渊华,毕维忠,等. 使用含火药乳化炸药连 续化工艺技术的设备CN205347265U [P]. 2015-06- 29. [7] 张丽华. 用废旧发射药制造民用炸药的研究[D]. 南 京 南京理工大学,1998. [8] 贾占山,卜宪强. 含退役火药新型高爆速震源药柱配 方和工艺的研究[J]. 爆破器材,2013,42226-30 . JIA Z S,BU X Q. ulation and process of new high detonation velocity featured seismic charge containing waste propellants[J]. Explosive Materials,2013,422 26-30. [9] 陆明,吕春绪,刘祖亮. 低爆速膨化硝铵炸药及其安全 性研究[J]. 爆破器材,2002,312 1-4. LU M,L C X,LIU Z L. Study on low detonation velocity expanded ammoniumnitrateexplosivesanditssafe property[J]. Explosive Materials,2002,312 1-4. [10] 吕春绪. 工业炸药理论[M]. 北京 兵器工业出版社, 2003. [11] 魏晓安,何卫东,王泽山. 一种低爆速炸药的研制 [J]. 爆破器材,2006,352 5-7. WEI X A,HE W D, WANG Z S. Synthesis of a new low detonation velocity explosive[J]. Explosive Materials, 2006,352 5-7. [12] 高玉杰. 工业炸药装药直径对爆速的影响[J]. 淮南 职业技术学院学报,2012,12311-15. GAO Y J. The effects of charge diameter on the detona- tion velocity[J]. Journal of Huainan Vocational low detonation velocity explosive; resource utilization; perance 342016 年 12 月 含退役双基发射药的低爆速炸药的研究 贾占山,等 万方数据