一种新型燃爆药剂的研究 .pdf

ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００１-８３５２. ２０１５. ０５. ００９ 一种新型燃爆药剂的研究 ❋ 孟丽娟①② 颜事龙① 丹慧勇② 王永华② 江元源② 刘兴远② ①安徽理工大学安徽淮南,２３２００１ ②河北六零七化工有限公司河北邯郸,０５６２０１ [摘 要] 测试了一种新型燃爆药剂的各项性能指标,分析讨论了燃爆药剂的起爆机理,利用 ＬＧＳ￣１ 型毫秒雷管 计时仪测定了无起爆药雷管的各项指标和延期时间,并研究了燃爆药剂的装药密度对雷管秒量精度的影响,以及 装药密度和装药量对雷管轴向输出能量的影响。 结果表明,燃爆药剂的无起爆药雷管的秒量精度明显优于起爆 药,在一定范围内,密度越大,无起爆药雷管的起爆能力越大,秒量精度越高,合适的燃爆药剂装药量为 ０. １８ ０. ２２ ｇ；装药密度最佳范围为 １. ４ １. ５ ｇ/ ｃｍ３。 [关键词] 燃爆药剂；性能测试；装药密度；装药量；输出威力 [分类号] ＴＱ５６３；ＴＱ５６５；ＴＪ４５３ 引言 新型燃爆药剂的研究意在取消传统的起爆 药[１￣４]。 传统的起爆药具有加工简单、燃烧转爆轰迅 速、成本低等优点,但是传统起爆药存在感度高、加 工过程不安全、污染严重等问题。 本文研究一种由 黑索今、氧化剂和可燃烧的辅助添加剂混合而成的 新型燃爆药剂,装配于无起爆药基础雷管中,测试其 性能,研究燃爆药剂的装药密度和装药量对无起爆 药雷管[５￣９]轴向输出威力影响,从而代替传统的起爆 药来提高工业雷管生产、运输、使用的安全性,减少 环境污染。 １ 燃爆药剂的制备 １. １ 原材料 黑索今,纯度为９９. ９％,平均粒径为４. ２３２ μｍ, 水分质量分数≤０. １０％；氧化剂,纯度为 ９９. ５％,平 均粒径为 ３. ４８８ μｍ,水分质量分数≤０. ０５％；可燃 烧的辅助添加剂, 纯度为 ９９. ５％, 平均粒径为 ２２. ５００ μｍ,水分质量分数≤０. ０２％；黏合剂为质量 分数 １０％的酒精虫胶漆。 １. ２ 试验样品的制备 黑索今、氧化剂、可燃烧的辅助添加剂按一定的 质量比放入混药机,混合均匀。 将混好的药送至晾 药间风干约 １ ｈ 左右,当药成型性好、过筛呈粒状 时,在３５ 目造粒筛上人工造粒,在恒定温度为５０ ℃ 的烘箱中干燥 ４８ ｈ 后待用。 １. ３ 燃爆药剂的起爆机理 燃爆药剂为黑索今、氧化剂、可燃烧的辅助添加 剂的混合药剂,燃烧转爆轰的速度比起爆药慢,因此 需要在燃爆药剂燃烧转爆轰的部位减少稀疏膨胀波 的损失,对无起爆药雷管壳进行了改进。 此时燃爆 药剂在强约束力的作用下,使燃烧转爆轰在短时间 内成功完成。 燃爆药剂的起爆是由延期药引燃燃爆药剂,产 生高温高压的燃烧气体产物,延期药燃烧后的残渣 阻塞高温高压的气体产物向上运动,防止泄压,气体 只能向下运动,由于无起爆药雷管壳独特的内部结 构,在装药部位产生的强约束力作用力下,使燃烧转 爆轰在短时间内成功完成。 当火焰的初始能量进入 燃爆药剂后,最初比较弱,燃烧速度慢,大部分燃爆 药剂不发生化学反应,在可燃烧的辅助添加剂的催 化作用下,到一定程度后燃速快速增加,温度足够高 时,经过一定的延滞期后发生局部爆炸,由于燃爆药 剂密度梯度和燃烧速度加快,化学反应放热能够加 强初始冲击波,反复作用下,使在燃爆药剂中进行的 冲击波不断增强,最后可达到高速稳定爆轰。 经计算可得,黑索今、氧化剂、可燃烧的辅助添 加剂组成的燃爆药剂的氧平衡值为 － ０. ０１５ ４５,微 负氧平衡。 ２ 燃爆药剂的性能 燃爆药剂的性能测试结果见表 １。 􀅰５３􀅰２０１５ 年 １０ 月 一种新型燃爆药剂的研究 孟丽娟,等 ❋ 收稿日期２０１５￣０１￣２０ 基金项目国家自然科学基金￣煤炭联合基金５１１３４０１２ 作者简介孟丽娟１９８３ ,女,硕士研究生,主要研究方向为工业雷管。 Ｅ￣ｍａｉｌ １２５３９９６８３＠ ｑｑ. ｃｏｍ 表 １ 燃爆药剂的性能测试 Ｔａｂ. １ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ 测试项目试验条件标准要求检验结果 摩擦感度平均发火 率 摆角 ６０ ℃；表压 ０. ８８ ＭＰａ； 药量 ２０ ｍｇ；室温 ２２ ℃；相对湿度 ６０％ 爆炸概率０. ４６；５０ 发置信区间 ０. ３２,０. ６１ 撞击感度５０％ 发火 感度,落高 锤质量 ２. ０ ｋｇ；药量 ２０ ｍｇ；落高 ２００ ｍｍ；室温 ２３ ℃；相对湿度 ４２％ 发火概率０. ３０；５０ 发置信区间 ０. １８,０. ４４ 静电火花感度 放电电压 ６. ６ ｋＶ；放电电容 ０. ２２ μＦ； 放电间隙 ０. ２５ ｍｍ；串联电阻 ０ Ω,无 点平, 极针为负； 药量 ２０ ｍｇ； 室温 ２４ ２５ ℃；相对湿度 ４５％ ４６％ 发火概率０；５０ 发置信区间为 ０,０. ０７ 真空安定性１００ ℃恒温 ４８ ｈ 每克试样放气量不大于 ２ ｍＬ,安定性合格 每克试样放气量分别为０. １４、 ０. ０５、０. １１ ｍＬ 相容性１００ ℃恒温 ４０ ｈ 评价火药、炸药相容性 的推荐性等级Ｒ ５. ０ ｍＬ,不相容 引火药与镀锌铁反应净增放气量 Ｒ为０. ０８、０. ２８、０. ２８ ｍＬ 引火药与法蓝铁反应净增放气量 Ｒ为０. ０８、 －０. １２、０. ２２ ｍＬ 吸湿性 相对湿度 ９１％；加热温度 ３０ ℃；加热 时间 ９６ ｈ 吸收水分的质量分数为０. ５９％ ３ 燃爆药剂装配成无起爆药雷管的过程中药量和 密度的确定 ３. １ 药量的确定 试验按 ＧＢ/ Ｔ１３２２６１９９１ 进行,本试验为燃爆 药剂无起爆药电雷管,猛炸药总药量为 ０. ６ ｇ。 每组 试验 ２０ 发,五段煤矿许用型无起爆药电雷管,采用 １００ 型发爆器引爆,数值取平均值。 从图 １ 中找出最大铅板穿孔直径,得出燃爆药 剂的药量在 ０. ２０ ｇ 时,铅板穿孔直径最大。 在生产 过程中,燃爆药剂的最佳药量控制在 ０. １８ ０. ２２ ｇ 之间。 当燃爆药剂的药量 ０. ３０ ｇ 时,开始出现半爆率增 大的现象。 ３. ２ 密度的确定 确定燃爆药剂的最佳药量范围 ０. １８ ０. ２２ ｇ, 分析燃爆药剂的密度对雷管轴向威力的影响。 燃爆药剂的爆轰属于混合反应机理,爆速随密 度增大而增大,见经验公式[１０] Ｄ ＝ Ｄ０＋ Ｍ ρ － ρ０ 。１ 式中Ｄ 为燃爆药剂在密度为 ρ 时的爆速,ｍ/ ｓ；Ｄ０ 为燃爆药剂在密度为 ρ０＝１ ｇ/ ｃｍ３时的爆速,ｍ/ ｓ；Ｍ 为密度增加 １ ｇ/ ｃｍ３时爆速的增值。 雷管的轴向威力主要取决于爆速,由式１可 得,密度越大,爆速越高,因此轴向威力越大。 通过 铅板穿孔试验亦得到印证,燃爆药剂的密度越大,对 无起爆药雷管的轴向输出威力越大,见图 ２。 在生产无起爆药毫秒延期电雷管[８]过程中,在 其他影响秒量精度的因素都相同的前提下,装入燃 爆 药剂,经计算可得燃爆药剂的假密度为０. ６ ｇ/ ｃｍ３。将制备的延期体装配于无起爆药基础雷管, 􀅰６３􀅰 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４４ 卷第 ５ 期 图 ２ 装药密度与穿孔直径的关系 Ｆｉｇ. ２ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｈａｒｇｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒａｔｉｏｎ ｄｉａｍｅｔｅｒ 在油压机定位压药压力作用下,使得燃爆药剂的假 密度由 ０. ６ ｇ/ ｃｍ３增加到１. ４ １. ５ ｇ/ ｃｍ３。 测得延 期时间,如图 ３ 所示。 由图 ３ 可得,燃煤药剂的密度 愈大,秒量精度愈高。 由于受到无起爆药雷管壳强 度的约束,使燃爆药剂的装药密度最大可达１. ４ １. ５ ｇ/ ｃｍ３。 图 ３ 装药密度对秒量精度的影响 Ｆｉｇ. ３ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｎ ｓｅｃｏｎｄ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ 然而,燃爆药剂的密度越大,爆轰感度越低,爆 轰成长期越长,起爆深度增加,因此,要求靠近燃爆 药剂的猛炸药密度不能太大。 ４ 燃爆药剂装配成无起爆药电雷管的性能 ４. １ 电学特性参数 取煤矿许用型无起爆药电雷管,按照 ＧＢ８０３１ ２００５ 的要求,采用 ＣＤＬＤ￣１０ 数显式电雷管电阻检测 仪测试其电阻；ＩＴ￣ＩＩ 型雷管电参数测量仪测试其安 全电流、串联准爆电流、最小发火电流、发火冲能,测 试结果见表 ２。 表 ２ 的数据显示出煤矿许用型无起 爆药电雷管各项发火参数符合 ＧＢ８０３１２００５[１１]。 ４. ２ 静电感度 依照 ＭＴ３７９１９９５煤矿用电雷管静电感度测 试方法,测试采用 ２１３ 所研制的 ＪＧＹ￣５０ 型静电感 度仪。 取煤矿许用型无起爆药电雷管 ２０ 发,电容 ２ ０００ ｐＦ,电压８ ｋＶ,脚壳放电,测试结果为０/２０,合 格。 电雷管的静电感度测试,是为了试验和评定煤 矿许用型无起爆药电雷管的抗静电能力,在生产、储 存、使用、运输中对静电放电作出评价,保证其安 全性。 ４. ３ 可燃气安全度 取煤矿许用型无起爆药电雷管 ２５ 发, 爆炸箱 为钢板卷制而成的内径为５８０ ２０ ｍｍ、长度为 １ ２００ ｍｍ 的圆筒,爆炸箱内混合气体中,甲烷的体 积分数为９. ０ ０. ３％,温度为 ５ ３５℃,相对湿度 不大于 ８０％。 测试结果 ０/２５,合格。 该试验是衡量 煤矿许用型无起爆药电雷管是否合格的特征性指 标,即该雷管是否可作为在有可燃气和煤尘爆炸危 险的矿井中使用的特种雷管。 ４. ４ 起爆能力 取煤矿许用型无起爆药电雷管 ５０ 发,合格的铅 板若干,采用 ＣＤ￣１ 型串联准爆电源仪测试。 游标 卡尺逐个测量,并记录铅板穿孔直径,每个铅板做相 交 ９０两次测量,取平均值。 测试结果,铅板穿孔直 径最小值为 ９. ４ ｍｍ； 铅板穿孔直径最大值为 １１. １ ｍｍ；铅板穿孔直径平均值为 １０. ３ ｍｍ。 雷管 的起爆能力是有方向性的,在底部起爆能力最大,铅 板穿孔试验用来评价雷管对介质的破坏效果。 ４. ５ 抗拉、抗水、耐温性能 抽取煤矿许用型无起爆药电雷管 ６０ 发,分为 ３ 组,每组 ２０ 发,按照 ＧＢ８０３１２００５ 的要求,测试无 起爆药电雷管的性能,测试结果见表 ３。 表 ２ 该煤矿许用型无起爆药电雷管的发火参数 Ｔａｂ. ２ Ｆｉｒｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｐｅｒｍｉｔｔｅｄ ｎｏｎ￣ｐｒｉｍａｒｙ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｔｏｎａｔｏｒ 性能安全电流/ Ａ 串联准爆 电流/ Ａ 最小发火 电流/ Ａ 发火冲能/ Ａ２􀅰ｍｓ 电阻/ Ω ＧＢ８０３１２００５ 规定值 ≥０. ２０≤１. ２≤０. ４５２. ０ ７. ９ 最大值≤６. ３, 极差≤２. ０ 试验值 通入 ０. ２６ Ａ 恒定 直流电 ５ ｍｉｎ 不发火 ０. ８ ０. ９０. ４０７. ２６ 最大值 ５. ３,极差 ０. ４, 平均值 ５. １ 􀅰７３􀅰２０１５ 年 １０ 月 一种新型燃爆药剂的研究 孟丽娟,等 表 ３ 无起爆药电雷管的性能测试 Ｔａｂ. ３ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ ｏｆ ｎｏｎ￣ｐｒｉｍａｒｙ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｔｏｎａｔｏｒ 测试项目试验条件试验结果结论 抗拉性能 试验静拉力 １９. ６ Ｎ, 保持 １ ｍｉｎ 均未拉脱合格 抗水性能 试验水压 ０. ０１ ＭＰａ, 保持 １ ｈ 均无瞎火合格 耐温性能 试验温度 １００ ℃, 保持 ４ ｈ 均无发火合格 表 ３ 的数据显示出该无起爆药电雷管各项发火 参数符合 ＧＢ８０３１２００５[１１]。 ４. ６ 可靠性试验 取燃爆药剂的无起爆药电雷管 １ １０ 段和非电 雷管半秒 ２ １０ 段、秒 ２ １０ 段各 ２００ 发,采用 ＣＤ￣ １ 型串联准爆电源仪测试该无起爆药电雷管的可靠 性试验,２０ 发雷管串联,通以 １. ２ Ａ 的恒定直流电, 批量试验。 试验测得该无起爆药电雷管每组全部正常发 火。 并且该无起爆药电雷管已广泛用于冀中能源的 煤矿和邯郸的铁矿、矿山,说明该类型的无起爆药电 雷管发火可靠、同步性好。 ４. ７ 燃爆药剂对电雷管和非电雷管秒量的影响 ４. ７. １ 电雷管对秒量的影响 以燃爆药剂和 ＤＤＮＰ 为基础雷管,采用苦味酸 钾、高氯酸钾和硫化锑制备的电引火药头,分别装配 成煤矿许用型电雷管 １ 段；与五芯铅芯延期体分别 装配成煤矿许用型延期电雷管,相同切长的每个段 别测试 ２０ 发,５ 组试验。 采用 ＬＧＳ￣Ｉ 型毫秒雷管计时仪测试延期时间, 测试结果表 ４ 所示。 由表 ４ 可得出,该燃爆药剂无起爆药电雷管秒 量精度高,极差和标准偏差均好于 ＤＤＮＰ 起爆药电 雷管,为研究分段式高精度无起爆药电雷管打下良 好基础。 煤矿许用型毫秒延期电雷管,由燃爆药剂组装 的电雷管比 ＤＤＮＰ 电雷管的延期时间略慢,由于燃 爆药剂的火焰感度低于 ＤＤＮＰ[１２],燃烧转爆轰的速 度相对ＤＤＮＰ的转变速度较慢,所以燃爆药剂的电雷 管如需达到起爆药剂的电雷管的秒量,则需稍稍缩 短延期体的切长。 ４. ７. ２ 非电雷管对秒量的影响 以燃爆药剂装配成无起爆药非电雷管半秒 １０ 段和秒 １０ 段,每个段别测试 ２００ 发。 采用 ＬＧＳ￣Ｉ 型毫秒雷管计时仪测试延期时间, 测试结果如表 ５。 表 ５ 非电雷管的秒量 Ｔａｂ. ５ Ｓｅｃｏｎｄ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ｏｆ ｎｏｎ￣ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｔｏｎａｔｏｒ 段别 平均秒量/ ｍｓ 极差/ ｍｓ 标准偏差/ ｍｓ 半秒 １０ 段４ ５２６. ９６１９６. ４２６２. ０５ 秒 １０ 段９ １４２. ５８３９６. ９６１４６. ３２ 由表 ５ 可得出,无起爆药非电雷管半秒 １０ 段和 秒 １０ 段的秒量稳定,但随着段别的增大,秒量精度 愈差。 ５ 结论 从对无起爆药雷管的燃爆药剂的研究,可以初 步得出以下结论 １燃爆药剂的各项性能测试均符合要求,比起 爆药的感度低,更安全环保。 ２燃爆药剂的最佳药量控制在 ０. １８ ０. ２２ ｇ, 此时无起爆药雷管的铅板穿孔值最佳,并且输出威 力最大。 ３燃爆药剂的最佳密度范围控制在 １. ４ １. ５ ｇ/ ｃｍ３之间,此时无起爆药雷管的输出威力最大,秒 量精度最高。 ４燃爆药剂装配于基础电雷管中,各项测试均 符合 ＧＢ８０３１２００５, 适合推广应 用。 相 比 较 于 ＤＤＮＰ 电雷管,秒量偏高,但秒量精度高。 表 ４ 装配成电雷管的延期时间测试 Ｔａｂ. ４ Ｄｅｌａｙ ｔｉｍｅ ｔｅｓｔ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｄｅｔｏｎａｔｏｒ 段别 燃爆药剂无起爆药电雷管 平均延期时间/ ｍｓ极差/ ｍｓ标准偏差/ ｍｓ ＤＤＮＰ 起爆药电雷管 平均延期时间/ ｍｓ极差/ ｍｓ标准偏差/ ｍｓ １７. ５１. １０. ３９６. ８２. ３０. ９５ ２２６. ７２. １０. ８４２５. ８２. ７１. ２１ ３５１. ６２. ６１. ０８４９. ７３. ２１. ３５ ４７７. ８３. ８１. ５４７４. ２４. ３１. ９５ ５１０４. ３４. １１. ７５９９. ６５. ４２. ２６ 􀅰８３􀅰 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４４ 卷第 ５ 期 ５燃爆药剂装配成非电无起爆药雷管,发火可 靠性高,秒量稳定。 参 考 文 献 [１] 肖月华,张海金. 新型起爆药的应用[Ｊ]. 爆破器材, ２００３,３２１２４￣２８. 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Ｉｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｒａｎｇｅ, ｔｈｅ ｍｏｒｅ ｔｈｅ ｄｅｎｓｉｔｙ, ｔｈｅ ｌａｒｇｅｒ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｔｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｎｏｎ￣ｐｒｉｍａｒｙ ｅｘｐｌｏ￣ ｓｉｖｅ, ａｎｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ. Ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｃｈａｒｇｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｂｕｒｎｉｎｇ ａｎｄ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｓ ０. １８ ０. ２２ｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｃｈａｒｇｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｓ １. ４ １. ５ ｇ/ ｃｍ３. [ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ] ｂｕｒｎｉｎｇ ａｎｄ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ； ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ； ｃｈａｒｇｅ ｄｅｎｓｉｔｙ； ｃｈａｒｇｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ； ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ 􀅰９３􀅰２０１５ 年 １０ 月 一种新型燃爆药剂的研究 孟丽娟,等