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爆破器材E x p l o s i v eM a t e f i a l a第3 8 卷第3 期 无铅雷管系统研究 马宏昊沈兆武姚保学董树男 中国科学技术大学近代力学系 安徽合肥，2 3 0 0 2 7 中国兵器第二零四研究所 陕西西安，7 1 0 0 6 5 陈月畅 山东银光化工集团有限公司 山东费县。2 7 3 4 0 0 [ 摘要] 为了降低铅在雷管产业中的使用量，减小因铅造成的环境污染和人体健康损害，降低生产成本，该文提 出。无铅雷管系统”概念，即将传统铅材延期体改为铝材延期体，起爆能力测试使用铁板穿孔代替铅板穿孔。经实 验研究表明，铝材延期体延期时间准确，点火可靠，可替代铅材延期体实现雷管准确延期。铁板起爆能力测试穿孔 均匀，符合起爆能力检测标准。 [ 关键词] 无铅雷管系统铅污染延期体起爆能力 [ 分类号] T Q 5 6 5 ．2T D 2 3 5 ．2 2 2 一 l 引言 铅由于熔点低、力学强度低、性能柔软、便于加 工等优点，成为雷管行业广泛使用的一种原材料，如 延期体制作、延期药配方中添加的氧化铅、雷管起爆 能力检测使用铅板穿孔等。但铅是一种严重的环境 污染物，铅元素对人体各种组织都有毒害作用，可造 成人体智力、视觉、运动、记忆、语言等功能受损，会 危害人体造血功能、免疫功能和内分泌系统、消化系 统，特别对孕妇和少年儿童毒害作用更大。雷管在 炸药中爆炸反应后，铅元素以氧化铅的形式进入自 然循环，极易通过空气、食物、水等途径危害人体健 康，雷管使用地点分布广、从业人员多的特点更加重 了这种危害的传播。在如今资源日益稀缺的形势 下，铅的价格持续上涨，雷管行业中铅的大量使用会 造成生产成本提高。铅还是其它产业的重要原材 料，将大量的铅消耗在雷管行业中势必减少其对其 它工业的贡献。目前，国外发达国家雷管行业已逐 步淘汰铅，我国也应正视这一问题。基于此，本文提 出无铅雷管系统概念，并分别从雷管延期体技术和 起爆能力检测两个方面进行探讨。 2 无铅雷管系统 雷管生产和雷管检测是每个雷管生产厂必有的 两大环节，“雷管系统”即指生产和检测。雷管生产 中最主要的铅用量包括铅延期体元件、雷管检测中 涉及到的铅板穿孔检测、延期药中的氧化铅。“无 铅雷管系统”意指消除铅在雷管中的使用。本文主 要针对铅延期体元件和铅板检测提出相应的改进方 法u ’2 j ，使之无需铅即可实现延期和检测的目的，至 于使用无铅延期药的问题另有专文论述。 2 ．1 延期方式改进 2 ．1 ．1 传统延期技术 目前雷管起爆延期体均采用铅芯拉拔技术。将 装有延期药的粗铅管经过多次拉拔工艺，成为一定 外径的铅管 外径通常为5 ．5 6 ．5 m m ，再根据延 期时间需要切成一定长度的铅延期体。 铅延期体技术利用了铅具有良好延展性的特 点，虽然加工方便，但雷管爆炸后延期体中的铅除一 部分转化为氧化铅外。一部分以铅的形式进入自然 循环，两部分均对环境造成污染。 2 ．1 ．2 铝延期体技术 为了改变传统延期方式高成本、重污染的缺 点口．．J ，经过大量实验， 提出了使用延期药和铝 材料实现雷管的准确延 期、可靠点火。具体实 现方法是将延期药装 入铝管内后反复拉拔， 直至外径达到所需直 径，与雷管装配即可。 图l 是与起爆药结合制 作的铝延期体起爆药雷 管的结构示意图，图2 是利用高安全雷管技术 制作的飞片式铝延期体图1 铝延期体起爆药雷管 收稿1 3 期2 0 0 8 ．1 2 ．1 2 基金项目国家重点实验室基金资助项目 9 1 4 0 3 5 0 4 0 3 0 7 0 7 。 作者简介马宏吴 1 9 8 0 一 ，男，博士后。主要从事现代爆炸技术、新型爆破器材、爆炸力学等方面的研究。E m a i l h h m a u a t e ．e d u ．e n 万方数据 2 0 0 9 年6 月无铅雷管系统研究马宏昊等 1 9 高安全雷管 根据铝延期体长度分为普通型和加长 型 ‘引。 降药 a 普通型； b 加长型 图2 飞片式铝延期体高安全雷管 2 ．1 ．3 铝延期体工作原理 当电药头或导爆管接收到外界起爆信号后，药 头火焰或导爆管内形成的爆轰波传至铝延期体端面 处，点燃裸露的延期药芯，经过一定延期时间后，点 燃下方装药，实现雷管爆轰【l 。 2 ．1 ．4 铝延期体延期时间实验 分别使用某雷管厂生产的5 段、l O 段延期药配 方，装入同一规格铝管内 型号6 0 6 1 ，内径1 2 ．O m m ， 壁厚2 ．O m m ，拉拔成外径6 ．2 、6 ．0 、5 ．8 m m 的延期 体，分为不同切长，制作图2 所示飞片式高安全非电 雷管，测试延期时间，计算每个铝延期体单位长度延 期时间 均比 ，进行统计后得到数据分布图和直方 图。数据分布图直观表现了数据在平均值附近的分 布情况，直方图指在某一延期时间段内的延期时问 数据之和，表现了某一范围内数据的分布形态【l2 1 。 在以往的实验中，发现延期药的燃烧速度具有明显 的约束效应和长度效应，即铝的约束强度高于铅， 在条件相同的情况下，铝延期体燃烧速度略高于铅 延期体，当铝延期体长度在某一范围内时 受延期 药段别、延期体直径等因素影响 ，铝延期体内延期 药的燃烧速度较为稳定。为了验证约束效应与长度 效应，实验中5 段切长范围为2 0 8 0 m m ，共实验5 9 发，部分实验数据见表l ，均比见图3 ；而1 0 段切长 采用了燃烧稳定的5 0 r a m ，共实验1 2 发，实验数据 见表2 ，均比见图4 。 表15 段延期药铝延期体实验 暑 17 ．o 昱 、一6 ．8 ＼ 差6 ．6 苔6 ．4 烈 阍 b 螺 墨 慰 延期时叫段／ m s n l r n o 。 图35 段铝延期体延期时间均比统计 图3 、图4 中各参数意义如下延期时间比 脚 n l m 。 表示测得的延期时间与所使用的线延期体 长度之比，该数据能够反映同一配方不同长度的线 延期体的延期稳定性；延期时间均比 m ＆／m m 表示 表21 0 段延期药铝延期体实验 秒量／m s均E ／ 瑚衄‘1 0 0 0 0 0 6 3 l 3 8 5 1兹复兹笼笼笼盟兹兹殂∞船 3 7 3 3 2 5 6 8 9 7 6 5啷瑚M哟哟璐i刍耋}兰啷m琊 万方数据 2 0 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 8 卷第3 期 E g2 3 ． 罄2 3 ． V2 2 ． ≥2 2 ． 薹2 2 ． 鲁2 1 ． 蹊 鼬 嘲 士 螺 翟 甚 延期时间段／ m s ．m m ‘1 图41 0 段铝延期体延期时间均比统计 该组实验的所有延期时间比的平均值，能够反映该 配方的延期效果；延期时间段 r n , s ／H L r n 将实验中所 有延期时间比分为连续的片段，统计延期时间比在 各个片段内的实验组数 段内统计量 ，有助于揭示 该配方条件下线延期的最佳延期时间比。 由图3 可知，虽然5 段铝延期体切长不等，但各 个切长延期时间均比均匀，其均值为6 ．6 4 m s ／r a m ， 最大值为7 ．0 8 m s ／m m ，最小值为6 ．4 3 m s ／m m ，偏离 度分别为6 ．6 ％和3 ．2 ％，标准差仅为0 ．1 2 2 。1 0 段 铝延期体切长控制在5 0 r a m ，其均比均值为2 2 ．3 1 m s ／m a n ，实验数据最大值为2 3 ．5 r m ／m m ，最小值为 2 1 ．8 m s ／r a m ，偏离度分别为5 ．3 ％和2 ．3 ％，标准差 为0 ．5 1 4 m s ／r a m 。表明铝延期体延期时间稳定，该 方法具有可行性和应用价值。 2 ．1 ．5 铝延期体优越性 与传统铅延期方式相比，铝延期体具有独特的 优越性，具体表现在以下三个方面 1 低成本、无污染由于铝延期体外部材料为 铝，避免了重金属污染问题。而且，铝的密度是2 ．7 r , ／c m 3 ，铅的密度是1 1 ．3 4 r , ／c m 3 ，是铝密度的4 ．2 倍。目前，铝管价格约为2 1 0 0 0 衫t ，略低于铅价格 2 5 0 0 0 形t 。即满足同样延期时间所需铝延期体 的成本不到铅延期体成本的1 ／4 。 2 强度高、约束好铅的莫氏硬度为1 ．5 ，较 为柔软，容易拉拔。铝的莫氏硬度为2 ．7 5 ，本质柔 软，工业中常制成铝丝使用。故铝替代铅，不会对制 作产生影响。同时，铝的强度、熔点均高于铅，对延 期药的约束能力更好，利于延期药的均匀燃烧，延期 效果更好。 3 精确延期铝延期体具有很好的延期精度。 2 ．1 ．6 铝延期体制作方法 铝延期体制作分为两步。首先采用直线拉拔方 式将装有延期药的铝管拉拔至一定直径后，这一步 与传统延期体生产方法相同；再使用拉丝机多次操 作，将直径减小为所需尺寸。图5 是铝延期体拉丝 机拉拔过程生产工艺示意图。 图5铝延期体拉丝机拉拔过程工艺示意 拉拔过程中，应注意铝材硬化问题，拉拔后需经 热处理，在1 0 0 。C 水中浸泡2 h 。在剪切铝延期体时， 要避免直接剪切，刀刃处铝管变形的剪切应力极可 能会引燃管内延期药，最好使用旋切方式或锯齿剪。 2 ．2 雷管起爆能力检测 2 ．2 ．1 目前雷管铅板穿孔检测标准 通过爆炸作用时在铅板上产生的穿孔大小来确 定火工品的轴向输出能力，这是自雷管发明1 0 0 多 年以来一直沿用的一种检测方式，在一定程度上反 映了雷管起爆能力的大小。这种试验方法简单易 行，现在仍为科研、国家标准和工厂检测的标准。 试验铅板应符合G B 4 5 9 规定，尺寸见表3 。试 验后铅板穿孑L 直径若不小于雷管外径，则雷管合格。 如G B l 9 4 1 7 - 2 0 0 3 规定，6 号导爆管雷管应能炸穿厚 度为4 r a m 的铅板，8 号导爆管雷管应能炸穿厚度为 5 m m 的铅板，铅板穿孔直径不小于雷管外径。 表3铅板尺寸要求 这种雷管起爆能力实验方法虽简便易行，但每 年要消耗大量铅材。以直径4 0 m m 厚4 ．0 m m 铅板 为例，1 个铅板质量约5 7 ．0 0 9 。按当下铅2 5 0 0 0 形t ，即2 ．5 分／g 。换算得1 个铅板成本约1 ．4 2 5 元。每个铅板试验后，假设雷管合格，铅板穿孔直径 为1 0 ．0 m m ，铅板质量至少损失3 ．5 6 9 ，这些损失的 铅以氧化铅或铅的形式进入环境之中。我国年产雷 管3 0 亿发，假设1 万发雷管抽样l 发，每年需做铅 板实验多达3 0 万次，即每年至少有1 0 6 8 k g 铅进入 自然循环。假设每个铅板平均实验次数为l o 次，每 年所需铅板为3 万个，忽略损耗，即至少需要 1 7 1 0 k g 铅材料进行制作，约合4 2 7 5 0 元。此外，还 万方数据 2 0 0 9 年6 月无铅雷管系统研究马宏吴等 2 1 有加工铅板的能量消耗，熔铸时以铅蒸气形式进入 空气循环的铅，实验场铅蒸气扩散损害检验人员健 康和污染周围环境，以及日常铅板损耗等因素。总 之，铅板实验成本高，易造成铅污染，制作加工铅板 对人体会造成伤害。而选用铅板穿孔作为检测雷管 能量输出的理由是铅熔点低、可重复铸造，使用方 便，还有人们的思维魄性。 2 ．2 ．2 雷管爆炸能量输出检测方式改进 鉴于传统铅板穿孔测试的高成本、重污染问题， 在此提出新型爆炸能量输出检测方式使用铁板测 试雷管起爆能力，根据雷管爆炸时在铁板上产生的 炸孔大小来确定火工品的轴向输出能力。 选用铁作为起爆能力测试材料的理由如下铁 是地球上分布最广的金属之一，约占地壳质量的 5 ．1 ％，故铁的价格远低于铅，使用铁作为测试起爆 能力材料不会增加成本。现今铁板价格约4 0 0 0 形t 。以实验室使用厚1 ．5 m m 的铁板进行起爆能 力测试为例，只需尺寸为3 e r a 3 e r a 的铁片即可以 实现测试。平均每个铁片质量为1 0 ．5 3 9 ，成本为 4 ．2 1 2 分。按每年需做起爆能力实验3 0 万次计，共 需铁3 1 5 9 k g ，约合1 2 6 3 6 元。与铅的成本相比，铁 材料成本显著降低。 使用铁作为雷管起爆能力实验材料具有可行 性，图6 是实验室使用1 ．5 m m 铁板 型号为A 3 进 行的雷管起爆能力实验与铅板实验对比效果，铁板 穿孔直径约8 m m ，大于雷管外径，符合“穿孔直径大 于雷管外径”的判断标准。同时，与铅板实验比较， 铁板实验形成的穿孔几何形状更佳、均匀性好。 a 单发雷管铁板穿孔实验； b 铅板穿孔实验； c 多发雷管铁板穿孔实验 图6铁板与铅板穿孔实验对比效果 由于雷管的起爆能力主要取决于底部装药的密 度、质量，简单的1 ．5 r n m 铁板实验并不能说明该厚 度的铁板适合于所有型号雷管的起爆能力检测，还 需大量实验规范铁板的型号 屈服强度 、厚度、尺 寸、形状。但作为对传统铅板检测方法的改进，1 ．5 m i l l 铁板实验具有启发意义。 其实，成本问题并非起爆能力实验材料更换的 主要原因，铅材料的环境污染才是问题关键。使用 铁板测试雷管起爆能力，完全可替代铅的功能，而且 成本低于铅，无污染，使用后的铁板还可回收。起爆 检测能力实验中，铁板代替铅块作为实验材料，具有 可行性和较大的社会效益。 3 结语 本文提出的“无铅雷管系统”概念，实现了延期 雷管延期体无铅化、雷管起爆能力检测无铅化，不仅 雷管延期性能优于传统铅延期体，起爆能力检测指 标能够与铅板测试指标接轨，而且延期成本更低，经 实验检测，具有可行性。建议国家相关部门组织专 家认真研究，修订国家标准，将来在雷管行业实现无 铅化，消除药剂中的重金属元素。 无铅雷管系统最大的价值不仅是降低成本，而 且是实现无铅化，大大降低雷管产业中铅对环境的 污染作用，具有很高的社会效益。 参考文献 [ 1 ] 张立．爆破器材性能与爆炸效应测试[ M ] ．合肥中国 科学技术大学出版社。2 0 0 6 ．1 9 0 1 9 3 ． [ 2 ]李国新，程国元，焦清介．火工品实验与测试技术 [ M ] ．北京北京理工大学出版社，2 0 0 7 ．9 1 1 6 8 ． [ 3 ]吴幼成，宋敬埔．延期药技术综述[ J ] ．爆破器材， 2 0 0 0 ．2 9 2 2 3 2 7 ． [ 4 ] 孙德强，赵培亮．延期药的设计在生产实践中的应用 [ J ] ．爆破器材，2 0 0 6 ，3 5 2 1 7 1 9 ． [ 5 ]沈兆武，等．空心无起爆药雷管[ P ] ．C N 8 7 2 0 2 7 9 4 ， 1 9 8 7 ． [ 6 ]沈兆武，等．简易飞片式无起爆药雷管[ P ] ． C N l 0 3 2 2 3 4 ，1 9 8 7 ． [ 7 ]沈兆武，等．冲击飞片式无起爆药雷管[ P ] ． C N 2 0 5 9 9 7 9 ，1 9 9 0 ． [ 8 ] 沈兆武，等．飞片式无起爆药雷管[ P ] ．C N 2 1 7 7 9 3 1 ， 1 9 9 4 ． [ 9 ]沈兆武，等．活塞式导爆管雷管[ P ] ．C N 2 6 8 7 1 2 2 ， ．2 0 0 5 ． [ 1 0 ] 沈兆武，等．一种雷管激发装置及使用该装置的雷管 [ P ] ．C N l 0 1 0 2 9 8 1 4 ，2 i X 7 ． [ 1 1 ] 李兴旺，高毅．一种非起爆药电雷管[ J ] ．爆破器材， 2 0 0 0 ，2 9 1 2 6 2 8 ． 【t 2 ] 马宏吴，沈兆武，陈文川，等．P E T N 和R D X 在无起爆 药雷管中作为激发药的对比性研究[ J ] ．含能材料， 2 0 0 8 ，1 6 3 2 8 5 2 8 9 ． 下转第2 4 页 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 8 卷第3 期 第一类是泄放法，即让静电电荷从带电体上泄 漏散失掉，避免静电积累，从而消除静电危害。 1 增湿在允许情况下，增加工房湿度使带电 体表面附着水份，降低表面电阻率，有利于静电导人 大地。 2 接地设备尽可能接地，这样能及时把设备 上的静电导走，但接地不是对所有情况都有效。 3 地面采用防静电水泥抹面、防静电自流平 地面，墙壁采用防静电涂料涂刷。 4 涂层在设备或容器壁上涂上一层和炸药 得电子或失电子能力相同的物质，使产生静电尽可 能小些，再就是涂上一层防静电剂。 5 包覆火炸药颗粒包覆一层导电物质，如包 覆T M 、石墨等，即能有效地防止静电的积累，这样 的表面活性剂其防静电效果颇好。 6 导电橡胶、导电门帘等，使静电及时导走。 7 在呈坐姿操作的工序，给操作人员配戴导 静电手链。 8 工房内安装导静电手柄，让操作人员定时 去泄放自身所带静电。 第二类是中和法，即给带电体外加一定量的反 电荷，使其与带电体上的电荷中和，从而避免静电的 积累，防止静电电压上升，如正负相消法、电离空气 法和夕f , l J i 直流电场法等。 5 结论 火工品生产过程中，产生静电的方式是多种多 样的，并且在工作环境中存在着大量的易燃易爆物 质，在预防及消除静电时，既要考虑动态因素，又要 考虑静态因素，要采取相应的措施减少静电源的产 生，然后对静电环境进行静电处理，本文通过分析研 究火炸药在生产过程中静电产生的原因及难易程 度，并采用相应的防范措施，以达到降低或消除静电 对火化工生产安全和质量造成的危害，同时引起各 级领导和全体员工对静电危害的高度重视，加强防 范，避免事故。 参考文献 [ 1 ] 刘尚合，魏光辉，刘直承．静电理论防护[ M ] ．北京兵 器工业出版社，1 9 9 9 ． [ 2 ] 虢舜．防火防爆技术[ M ] ．北京北京群众出版社， 1 9 8 4 ． S t u d , O nt h eH a z a r da n dC o u n t e r m e a s u r e so fS t a t i cE l e c t r i c i t yi nt h eI n i t i a t i n g E x p l o s i v eD e v i c eP r o d u c t i o n S U ND e q i a n g ，G A Ob l i n g ，H A OX i n g m i r , g ，C A OZ h a n l i n g N e i m e n g g uH o n g q iC h e m i c a lI n d u s t r yC o ．，L t d ． N e i m e n g g uH u h e h a o t e ，0 11 6 0 0 [ A B S T R A C T ] A i m e da tt h eg e n e r a d o no fs t a t i ce l e c t r i c i t yi nt h ei n i t i a t i n ge x p l o s i v ed e v i c ep r o d u c t i o n ，8 0 1 1 1 es a f et e c h n i e a ll n e a s u r e st op r e v e n ta n de l i m i n a t et h es t a t i ce l e c t r i c i t yW a f tp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r ，i no r d e rt oe l i m i n a t et h eh a z a r d o fs m i l ee l e c t r i c i t yf u n d a m e n t a l l ya n di n s u r et h es a f ep r o d u c t i o na n dp r o d u c tq u e r y ． [ K E YW O R D S ] s a f ep r o d u c t i o n ，s m i l ee l e c t r i c i t y ，e l i m i n a t e1 1 1 C 8 8 1 ．1 1 “ 鹊，c o m p o s i t i o n 上接第2 l 页 R e s e a r c hO nD e t c n a t o rP r o d u c t i O nS y s t e mw i t h o u tL e a d b l AH o n g h a o ，S H E NZ h a o w u l - I o d e mI V l e e h a n i e sD e p a r t m e n t ，U 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 y0 fC h i n a A n h u iH e f e i ，2 3 0 0 2 7 Y A OB a o x u e ．D O N GS h u ’咖 b t o d e mC h e m i s t r yR e s e a r c hI n s t i t u t e S h a a n x ix i ’明，7 1 0 0 6 5 ‘；HEN Y u e e h a n g S h a n d o n gY i n ’g u a n gC h e m i c a lI n d u s t r yG r o u pC o ．，L t d ． S h a n d o n gF e i x i a n ，2 7 3 4 0 0 [ A B S T R A C T ] 1 1 l ec o n c e p to fd e t o n a t o rp r o d u c t i o ns y s t e mw i t h o u tl e a di 8p r o p o n e di nt h i sp a p e r ．1 1 l i 8s y s t e mC a l lh e l p t h ed e t o n a t o ri n d u s t r yd e c r e a s et h ea m o u n to ft h el e a d ，r e d u c el e a dp o l l u t i o na n dh e a l t hh a z a r d ，l o wd o w nt h ec 0 6 to fp r o - d u e t i o n ．‰c o n c e p t 删t h a tt h ed e h ye l e m e n ti sl n a d c0 fa l u m i n i u mi n s t e a do fl e a d ，a n ds h e e ti r o nc a nt a k ep l a c eo f t h el e a di nd e t o n a t o ri n i t i a t i o np o w e rt e s t ．‰e x p e r i m e n tp r e s e n t st h a ta l u m i n i u md e h ye l e m e n ti sa c c u r a t ea n dr e l i a b l e ， a n dh o l e sp u n c h e dO i ls h e e ti r o n 眦u n i f o r m ． [ K E YW O R D S ] d e t o n a t o rp r o d u c t i o ns y s t e mw i t h o u tl e a d ，l e a dp o l l u t i o n ，d e l a ye l e m e n t ，i n i t i a t i o np o w e r 万方数据