危險未爆彈銷毀用復合高熱劑配方正交優(yōu)化試驗

安振濤，李政陽，李金明，張啟功

?

危險未爆彈銷毀用復合高熱劑配方正交優(yōu)化試驗

安振濤1，李政陽1，李金明1，張啟功2

（1.陸軍工程大學石家莊校區(qū)，河北石家莊，050003；2.75170部隊，廣西 桂林，541000）

根據(jù)危險未爆彈銷毀時所需高溫高速熔融金屬射流的特點，確定復合高熱劑組成成分。利用對照試驗得到目標復合高熱劑主反應藥劑兩種成分的質量配比，確定目標復合高熱劑配方正交優(yōu)化試驗的各因素水平，并進行正交優(yōu)化試驗。通過對比試驗結果得到了目標復合高熱劑最優(yōu)配方。

危險未爆彈；高熱劑；金屬熔流；正交試驗；銷毀

金屬熔流銷毀危險未爆彈技術[1-4]利用復合高熱劑燃燒產(chǎn)生的高溫高速熔融金屬射流（以下簡稱金屬熔流），快速熔穿危險未爆彈彈丸金屬殼體并引燃彈丸內部炸藥，使彈丸裝藥主要以燃燒的方式釋放能量。利用該方法可在人員不接觸危險未爆彈的條件下較為安全地銷毀危險未爆彈藥。

試驗過程中發(fā)現(xiàn)影響金屬熔流銷毀危險未爆彈效能的主要因素之一是“掛渣”現(xiàn)象。所謂“掛渣”現(xiàn)象，是指金屬熔流遇到冷的金屬殼體表面，快速凝固成固態(tài)殘渣，并堆積在表面的現(xiàn)象。這些固態(tài)殘渣嚴重影響后續(xù)金屬熔流和彈丸殼體之間的熱傳導，影響熔穿效率。因此，解決“掛渣”問題，是金屬熔流銷毀危險未爆彈技術成功的關鍵。

目前的解決途徑主要是采用降低熔流金屬熔點的方式，使熔流保持熔融態(tài)不凝固，避免殘渣，以及提高金屬熔流的速度，速度越快動量就越大，沖擊效果越好，可以減少殘渣的堆積。本試驗致力于研制一種可以產(chǎn)生高溫、高速、高密度、高沸點、高熱容、高導熱系數(shù)、低熔點金屬熔流的復合高熱劑配方。

1 試驗設計

1.1 正交因素的確定

復合高熱劑體系由主反應藥劑、稀釋劑、造氣劑、輔助藥劑組成。

1.1.1 主反應藥劑的確定

主反應藥劑是復合高熱劑的主要成分，其所產(chǎn)生的燃燒熱和熔融物是衡量復合高熱劑燃燒形成的金屬熔流優(yōu)劣的依據(jù)。通過前期試驗，選用Fe2O3/Al系（Fe2O3∶Al=1∶3）和 CuO/Al系（CuO∶Al=1∶3.20）混合作為主反應藥劑，通過試驗確定兩系混合最優(yōu)配比。

該試驗方案如下：設定Fe2O3/Al系與CuO/Al系兩系的質量配比作為該試驗的變量，設置7個對照組，分別為4∶1、7∶3、3∶2、1∶1、2∶3、3∶7、1∶4。將兩系按上述質量配比分別混合，制成直徑為24mm、長度為72mm的藥柱，裝入自制銷毀彈中。對某彈藥彈丸殼體進行熔穿試驗，測定工作時間，以及在鋼板表面形成熔孔的孔徑及孔深。

1.1.2 稀釋劑的確定

稀釋劑是一種不參加復合高熱劑燃燒反應的惰性添加劑，通過調整其在高熱劑中的含量，可調節(jié)反應溫度和速度，使燃燒反應便于控制。選擇稀釋劑應遵循兩個原則：第一，不添加反應以外的物質；第二，不影響金屬熔流發(fā)揮效能。目前常用稀釋劑主要有Fe粉和Al2O3粉。Fe粉通過自身熔化吸收大量的反應熱，來降低主體反應的速率，但Fe粉易在空氣中氧化，所含雜質較多，不宜在復合高熱劑中使用。Al2O3粉在復合高熱劑反應過程中吸熱熔化，熔化的Al2O3粉附著在Al顆粒表面，阻隔了金屬可燃劑Al與金屬氧化劑的接觸，減緩復合高熱劑的反應速率。因此，選用Al2O3粉作為復合高熱劑的稀釋劑。

1.1.3 造氣劑的確定

造氣劑在復合高熱劑燃燒時產(chǎn)生氣體，可以增加銷毀彈彈內壓力，提高彈內燃燒速率；所產(chǎn)生的氣體伴隨著金屬熔流作用于危險未爆彈殼體表面，可以快速吹除殼體表面熔渣，促進金屬熔流與彈丸殼體間的能量交換。

造氣劑受熱產(chǎn)生氧氣可以促進復合高熱劑順利燃燒，所生成的氣體不僅影響彈內壓力，還防止熔渣對熔穿作業(yè)的影響。因此，造氣劑的選擇應從有效含氧量和氣體生成量兩方面進行考慮。目前常用的造氣劑主要有過氯酸鹽和硝酸鹽，其性能如表1所示。

表1 常用造氣劑屬性對比[5]

Tab.1 Crystal gas-making agents

由于復合高熱劑銷毀作業(yè)時處于半封閉空間，而金屬熔流噴出時要穩(wěn)定，所以造氣劑的氣體生成量不宜過大，反應程度不宜過于劇烈，因此排除過氯酸鹽；銷毀作業(yè)對復合高熱劑藥柱的裝藥密度有嚴格要求，對于吸濕性較高的硝酸鉀不宜使用。因此，選擇硝酸銨作為復合高熱劑的造氣劑。

1.1.4 輔助藥劑的確定

輔助藥劑可以提高金屬熔流浸入藥柱，保證復合高熱劑藥柱持續(xù)燃燒。同時，能夠降低生成物的凝固點，增加射流密度，提高金屬熔流熔穿能力。本文選擇常用的硅粉作為輔助藥劑。由于輔助藥劑影響較小，故不參與正交優(yōu)化試驗，約占總質量的30%。

1.2 各因素水平的確定

1.2.1 主反應藥劑的分析確定

主反應藥劑是復合高熱劑的主要成分，設定主反應藥劑水平為55%、60%、65%。

1.2.2 稀釋劑的試驗確定

設定稀釋劑所占質量百分比為試驗的變量，設置6個對照組，分別為0%、1%、2%、3%、4%、5%。將不同質量百分比的稀釋劑與相同質量主反應藥劑（實驗得出）及輔助藥劑混合，制成稀釋劑含量分別占0%、1%、2%、3%、4%、5%的藥柱，裝入自制銷毀彈中。

對某彈藥彈丸殼體進行熔穿試驗，測定工作時間，以及在鋼板表面形成熔孔的孔徑及孔深。

1.2.3 造氣劑的試驗確定

設定造氣劑所占質量百分比為試驗的變量，設置6個對照組，分別為0%、2%、4%、6%、8%、10%。將不同質量百分比的造氣劑與相同質量主反應藥劑（實驗得出）及輔助藥劑混合，制成稀釋劑含量分別占0%、2%、4%、6%、8%、10%的藥柱，裝入自制銷毀彈中。對某彈藥彈丸殼體進行熔穿試驗，測定工作時間，以及在鋼板表面形成熔孔的孔徑及孔深。

2 試驗結果與分析

2.1 主反應藥劑兩系質量配比試驗結果與分析

主反應藥劑兩系質量配比的試驗結果如表2所示。

表2 不同質量配比主反應藥劑的熔穿性能比較

Tab.2 Penetration performance comparison of main reactive agent with different mass ratio

第1組Fe2O3/Al系和CuO/Al系質量配比為4∶1，引燃銷毀彈后，燃燒速度快，反應產(chǎn)物噴出不通暢，導致內部壓力過大，噴嘴損壞。試驗現(xiàn)象表明，由于Fe2O3/Al系過多，反應速度快，易于發(fā)生速燃，不利于實際銷毀作業(yè)。第2組、第3組中Fe2O3/Al系和CuO/Al系質量配比為7∶3和3∶2，反應速度仍然很快，反應生成產(chǎn)物溫度較高，雖然噴口沒有破壞，但其反應工作時間短，不利于維持持續(xù)工作；第6組和第7組中Fe2O3/Al系和CuO/Al系質量配比為3∶7和1∶4，反應速度下降，噴出金屬熔流的時間長，但是噴出后熔流在金屬表面流動性較差，燃燒產(chǎn)物在金屬表面停留時間長，熔穿效果較差，未能形成孔洞。第4組、第5組中Fe2O3/Al系和CuO/Al系質量配比為1∶1和2∶3，反應速度及持續(xù)時間適中，熔孔深度、熔孔直徑效果良好。進行重復試驗，比較試驗結果，結果配比為2∶3的混合藥劑熔孔深度均超過11mm，最深的熔孔深度為12.5mm，孔徑為14.2mm，而比例為1∶1的混合藥劑熔孔深度均超過13mm，最深的熔孔深度達到15.8mm，其熔孔直徑為14.1mm。在熔孔直徑均滿足最小泄壓孔徑時，選用熔孔較深的配比，因此采用第4組中質量配比1∶1的方案，既主反應藥劑選用Fe2O3/Al系（Fe2O3∶Al=1∶3）和 CuO/Al系（CuO∶Al=1∶3.20），以1∶1的質量配比混合。

2.2 稀釋劑試驗結果與分析

稀釋劑的試驗結果如表3所示。由表3可見，在作業(yè)時間方面，當Al2O3含量小于3%時，由于Al2O3的熔點為2 373K，在復合高熱劑反應過程中，Al2O3熔化吸收了大量的熱量，降低了復合高熱劑反應的速度，導致作業(yè)時間隨Al2O3含量的增加而增長。當Al2O3含量超過3%后，由于Al2O3含量的不斷增加，嚴重影響復合高熱劑的燃燒速度，造成復合高熱劑反應不完全，大量藥劑伴隨著金屬熔流一同噴出，導致銷毀彈的作業(yè)時間縮短。在銷毀彈熔穿能力方面，由于Al2O3含量的增加，所形成的熔渣附著在殼體表面，難以被吹除，影響金屬熔流的沖蝕和熱量的傳遞，造成孔深和孔徑迅速下降，嚴重影響熔穿能力。對比結果，將稀釋劑的添加量控制在1%~2%時，較為適宜彈藥銷毀作業(yè)。

設定稀釋劑水平為1%、1.5%、2%。

表3 稀釋劑（Al2O3）含量對熔孔特性的影響

Tab.3 Comparison of the cutting aperture with different content of diluting agent (Al2O3)

2.3 造氣劑試驗結果與分析

造氣劑的試驗結果如表4所示。

表4 造氣劑（NH4NO3）含量對熔孔特性的影響

Tab.4 Comparison of the cutting aperture with different content of gas-forming agent (NH4NO3)

由表4可見，當NH4NO3含量較少時，反應所產(chǎn)生的氣體較少，金屬熔流停留在熔池內部時間較長，熱量向周圍的熔池壁傳播，引起熔孔內表面熔化，增加了熔孔的孔徑，熔穿鋼板的孔徑增加，熔孔深度較小。隨著NH4NO3含量逐漸增加，吹力增加，金屬熔流對熔池的沖蝕作用增強，從熔池底部反向溢出的剩余熔流對熔孔壁面進行二次沖刷，提高了熔孔的深度，增大了熔孔的直徑。當NH4NO3含量增加到4%時，有效地增加了熔孔的深度。NH4NO3含量繼續(xù)增加，熔孔深度出現(xiàn)拐點，主要是由于金屬熔流吹力較大，金屬熔流的熱效應不能較好地對下層金屬加熱軟化，僅通過吹力的機械效應對金屬殼體進行侵蝕作業(yè)，不利于熔穿作業(yè)。當NH4NO3含量增加到6%時，由于金屬熔流吹力較大，從熔池底部反向溢出的剩余熔流對熔孔壁面進行二次沖刷，增大了熔孔的直徑。當NH4NO3含量繼續(xù)增加到10%時，金屬熔流作業(yè)過于劇烈，銷毀作業(yè)時間大大縮短，金屬熔流未能很好與金屬板接觸就被后續(xù)的金屬熔流吹掉，嚴重影響熔穿作業(yè)的效果。綜合考慮，造氣劑NH4NO3含量控制在4%~6%為宜。

設定造氣劑水平為4%、5%、6%。

2.4 復合高熱劑配方正交優(yōu)化試驗結果分析

正交試驗選擇3因素3水平正交表L9（34）安排試驗，各因素水平如表5所示。將A、B、C3因子依次填入正交表L9（34），第4列為未排因子，此類的極差可以反映試驗的誤差。依次按表6所列試驗方案將復合高熱劑壓入銷毀彈中，將裝藥密度控制在1.78 g/cm3。對某彈藥彈丸殼體進行熔穿試驗，記錄熔穿深度。正交試驗結果如表6所示。

表5 正交試驗影響因子的不同水平

Tab.5 Different levels of factors in orthogonal test

表6 正交試驗結果

Tab.6 The result of the orthogonal test

由表6因素極差值可以看出，因素A（主反應藥劑含量）影響最大，因素B次之，因素C（稀釋劑Al2O3含量）的影響最小。熔穿深度是衡量銷毀能力的重要因素之一，通過對比先排除熔穿較少的配比模式，第1、2、3、4、7組試驗均未能達到試驗設定深度，可以除去。剩下的5、6、8、9組試驗中，第5組所對應的試驗組為A2B2C3，但由于時間過長，導致熔池中熔渣堆積，使能量不能有效傳遞，能量耗散大，弱化了金屬熔流的熔穿能力。第9組銷毀作業(yè)時金屬熔渣飛散劇烈，銷毀作業(yè)難以控制。第6組和第8組燃燒時間適中，金屬熔渣飛濺較小，同時熔穿深度可以達到標準要求。對比第6組和第8組可以看出，復合高熱劑的燃燒速率升高，有助于提高熔孔的直徑和深度。

因此，在同等條件下，應盡量選用NH4NO3較多的高熱劑復合配方。通過優(yōu)化試驗，確定復合高熱劑優(yōu)化配方為A2B3C1，試驗可以快速熔穿10mm厚的Q235鋼板，熔孔直徑滿足危險未爆彈穩(wěn)定燃燒的最小泄壓孔直徑，可以對彈丸裝藥進行穩(wěn)定引燃。通過歸一化計算，最終得到復合高熱劑配方為：主反應藥劑含量為62.7%，造氣劑NH4NO3含量為6.2%，稀釋劑Al2O3含量為1.1%，輔助藥劑含量為30%。

3 結論

本研究主要得出如下結論：（1）危險未爆彈銷毀用復合高熱劑由主反應藥劑（Fe2O3/Al系和CuO/Al系按1∶1質量比混合）、稀釋劑（Al2O3）、造氣劑（NH4NO3）及輔助藥劑（硅粉）組成。（2）危險未爆彈銷毀用復合高熱劑中主反應藥劑水平范圍為55%~65%，稀釋劑為1%~2%，造氣劑為4%~6%。（3）危險未爆彈銷毀用復合高熱劑最佳配方為主反應藥劑62.7%，造氣劑NH4NO36.2%，稀釋劑Al2O31.1%，輔助藥劑30%。

[1] Fischer S H,Grubelich M C.AIA96-3018.A survey of combustible metals，thermites，and intermetallics for pyrotech- nic application[C]//32ndAIAA/ASME/SAE/ ASEE. Joint Propulsion Conference.Lake Buena Vista,Fl,1996.

[2] Song Eugene. Thermite destructive device:US,5698812 [P].1997-12-16.

[3] Hampel Heinrich(BE). Hazardous material disposal, especially chemical munition disposal:DE,19740089 [P].1998-12-03.

[4] 易建坤,賀五一,吳騰芳,等.高熱劑在彈藥銷毀領域應用初探[J].工程爆破,2004,10(4): 21-25.

[5] M.A.Minovich.硝酸鹽[M].1956.

Orthogonal Optimization Test of Compound Thermit for Dangerous Non Explosive Ammunition Disposal

AN Zhen-tao1，LI Zheng-yang1，LI Jin-ming1，ZHANG Qi-gong2

(1.Army Engineering University Shijiazhuang Campus，Shijiazhuang，050003；2.75170 Forces, Guilin，541000）

According to the characteristics of the high temperature and high speed molten metal jet for ammunition disposal, the composition of the compound high heat agent was determined by the theoretical analysis and test. The mass ratio of the two components of the main reactive agent of the compound thermit was obtained by the experiments, and the level of each factor of the target compound thermit formula in orthogonal optimization was determined, so the orthogonal optimization test was carried out, and the optimal formula of the compound thermit was obtained.

Dangerous non explosive ammunition；Thermit；Metal melt flow；Orthogonal test；Disposal

TQ567.7

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.06.007

1003-1480（2017）06-0026-04

2017-07-07

安振濤(1963-)，男，教授，主要從事彈藥保障與安全技術研究。