危險品切割炬裝藥優化及性能

張啟功，李金明，安振濤

（軍械工程學院，河北 石家莊 050003）

危險品切割炬裝藥優化及性能

張啟功，李金明，安振濤

（軍械工程學院，河北 石家莊 050003）

在危險品切割銷毀中，穩定、高效的切割反應體系對切割的質量和銷毀的效率尤為重要。采用自主研制的切割炬，以Q235金屬板模擬危險品殼體進行切割作業，研究了主反應體系配比和裝藥量兩個主要因素對切割性能的影響。結果表明，Fe3O4+Al系高熱劑的加入可以使切割炬穩定作業，延長作業時間，提高切割效果。裝藥量對切割時間和切割孔徑影響趨勢呈倒U型變化，隨著裝藥量的增加，彈內壓力和熔流速度增加，切割質量提高，作業時間增長；在裝藥量接近特定值時，切割孔徑效果增加明顯，切割效率增快；裝藥量超過特定值后，燃燒速度加快，吹力加大，噴射時間縮短，切割效果變差。在危險品切割銷毀中，裝藥量應控制在65 g，不僅可以獲得最優的切割質量和銷毀效率，還提高了攜性能力。

切割炬；裝藥量；切割效率；銷毀方法

0 前言

危險品切割炬依靠高熱劑反應生成的高溫熔融物，能夠用來熔穿危險品包裝殼體（如鐵、鋁、塑料等），引燃而不引爆內部危險物質（如塑料、火藥、炸藥等易爆材料），以達到銷毀危險品的目的。該技術應用于危險品銷毀，可以防止危險品爆破，避免銷毀過程中沖擊波、破片等危害源的產生，縮小了安全防護距離，提高了效率，降低了成本，降低了銷毀危險品對周邊環境所帶來的危害；危險品作業時作業人員不接觸危險品，提高了作業的安全性，降低了操作中沖擊與振動對危險品的不良影響。本研究在主反應體系選擇和優化的基礎上，通過試驗，分析切割炬裝藥量變化對切割質量和銷毀效率的影響，并獲得了最佳裝藥數據。

1 主反應體系的選擇及優化

危險品切割是以主反應體系的燃燒熱為主要熱源，利用其燃燒產生的熔融態金屬熔化、沖蝕危險品包裝殼體。主反應體系主要由高熱劑（金屬氧化物和金屬粉組成）和多種改性劑組成，通過添加不同的改性劑，改變主反應體系的配方，提高主反應體系的燃燒熱，降低金屬熔融物的凝固點，調節危險品切割炬壓力變化，從而提高其作業效能。

主反應體系中的金屬可燃劑是保證高熱劑燃燒反應持續下去的重要材料，其選擇至關重要，金屬可燃劑中不宜選用原料稀缺的可燃劑（鎬、鉍、鈹），腐蝕性大的金屬（鈣），難以燃燒的金屬（錳）。對比表1中常用的金屬可燃劑發現，Al的放出熱量高，密度大，燃燒產物的熔點較低，沸點較高，是高熱劑較為合適的金屬可燃劑。金屬氧化劑能還原成低熔點、高沸點的金屬，是金屬熔融物的主要組成部分。通過對比表2中與Al反應的金屬氧化劑，可以看出，Pb3O4因其含氧量少、密度大，用來配置高熱劑，可燃劑的含量減少，鋁熱反應降低；這些均不易作為高熱劑的主體藥劑；CuO在反應中極易放出氧氣，反應劇烈；鐵鋁高熱劑燃燒時放出3.90 kJ/g熱量，并產生約2400℃的高溫熔融物，機械感度小，不易被點燃，一經點燃難以熄滅，可以在水下連續燃燒。通過對比，取表2中單位質量熱效應最高的前三組（CuO+Al、Fe2O3+Al、Fe3O4+Al）進行試驗，發現這三組高熱劑具有以下特點：

表1 金屬可燃劑的性能Tab.1 Performance of the metal combustible

表2 金屬氧化劑的性能比較Tab.2 Performance of the metal oxides

（1）CuO+Al反應產熱量最大，但速度極快，造成壓力過高，液流飛濺嚴重，需要降速處理。

（2）Fe2O3+Al反應釋放熱量適中，速度平緩。

（3）Fe3O4分子質量比Fe2O3大，熱效應相對小，Fe3O4+Al反應釋放熱量較小，適用于對薄鋼板的切割作業。

綜合考慮熱量、噴射時間、火花飛濺、危險品包裝特征等因素，按特定比例配制Fe3O4系（Fe3O4∶Al= 1∶3.20）和Fe2O3系（Fe2O3∶Al=1∶3）高熱劑，并調節配比進行混合作為反應體系的主體藥劑。

通過添加不同的改性劑，改進主反應體系的配方，對主反應體系配方進行優化，以優化熱熔效果，因此主反應體系主要由四部分組成：

（1）高熱劑：由Fe3O4+Al系（50%～88%）和Fe2O3+ Al系（50%～10%）高熱劑混合組成，是主反應體系的關鍵部分，約占主反應體系的70%～85%，調整不同的混合配比，能夠調整反應速度、生成熱、熔流質量等重要參數。

（2）合金劑：本配方選用Ni，約占主反應體系的5%。合金劑在噴射過程中增加射流密度，動量增加，加入合金劑后能夠有效地降低熔融合金的凝固點，提高表面金屬熔敷層的組織性能。

（3）造氣劑：選用KNO3作為造氣劑，約占主反應體系的7%。能夠提高切割彈切割效果，提高切割彈內壓力，便于主反應體系的充分反應和提高噴射液流的速度及出口壓力。添加的造氣劑提高造氣量，增大切割彈的彈內和出口壓力可有效地增加殼體的熔深，縮小孔洞錐角，有效改善切割質量。

（4）稀釋劑：選用Al2O3，約占總體積的1%。為了調整反應溫度和速度，使反應便于控制，還需要在主反應體系當中添加一定比例的不參加燃燒合成反應的稀釋劑，通常用一些金屬氧化物作為稀釋劑。

確定改性藥劑配比，調整主反應體系中高熱劑Fe3O4+Al系和Fe2O3+Al系配比進行試驗，試驗結果如表3所示。

1號配比，采用高熱劑Fe3O4+Al系和Fe2O3+Al系配比為8∶1，Fe3O4+Al系含量高，燃燒速度過快，在噴嘴入口端積蓄壓力過大，將噴嘴噴出，內部藥劑未完全燃燒，不適用于實際作業。2號配比，采用配比為7∶2，增加了混合藥劑中Fe2O3+Al系的含量，雖然燃燒產生的溫度高，但主反應體系燃燒速度仍然很快，作用在殼體表面時間過短，難以形成持續性作業。6號配比，采用配比為4∶5，Fe3O4+Al系含量減少，藥柱工作時間相對較長，形成熔池后的流動性較差，冷卻后熔渣較多，高溫流體在殼體表面作用時間較長，致使割孔效率降低，未能形成孔洞。4、5號配比均能熔穿10mm厚Q235鋼板，割孔效果較好，清渣后發現表面形成熔敷金屬層，在重復試驗中藥柱工作時間有跳躍，但總體上呈增加趨勢。相較殼體宏觀外貌與切割彈噴射時間，5號配比割孔效果最佳，經過大量試驗測試，確定主反應體系中高熱劑Fe3O4+Al系和Fe2O3+Al系配比為1∶1。

表3 不同高熱劑開孔孔徑特性統計Tab.3 Comparison the cutting aperture with different the combustion agent

2 反應體系的熱熔能力分析[4-5]

切割炬主要依靠主反應體系形成的金屬熔融物的熱效應熔穿金屬，引燃危險品。在給定主反應體系成分、燃燒炬結構、工作環境溫度等條件下假設：

（1）主反應體系形成的全部金屬熔融物具有相同的熱容并達到相同的溫度。

（2）不考慮向周圍環境的熱傳導和熱輻射所損失的能量。

（3）熔穿孔形狀近似為圓臺體。

主反應體系的有效利用率η為

式中 Ms為100g主反應體系生成的有效熔渣質量。

設鋼板的厚度為h，熔孔上表面半徑為R，下表面半徑r，鋼板的體積Vt為

熔化鋼板的質量Wt為

式中 Vt為鋼板的體積；ρt為鋼板的密度。

所需的熔化熱為

式中 Mt為鐵的摩爾質量；T為鐵的熔點1 535℃；為鐵的熱容，。

主反應體系燃燒放熱為

式中 q為主反應體系單位質量燃燒熱值，Fe3O4+Al系和Fe2O3+Al系高熱劑燃燒的理論熱效應分別為3.90kJ/g和3.57kJ/g，對于主反應體系，q≈3.735kJ/g。

由假設條件可列出

將式（2）、式（3）代入式（7）可得

式中 η為主反應體系的有效利用率。根據配方，100g主反應體系生成的熔渣質量為71.25g，代入式（1）可得η=0.712 5。

由式（8）可知主反應體系質量和熱熔能力的關系。在主反應體系的成分和裝藥結構一定時，主反應體系的熱熔能力受裝藥量的控制，裝藥量越多，主反應體系產熱越多，主反應體系的熔穿能力越強，因此，裝藥量是決定切割炬熔穿時間的重要因素。

3 主反應體系熔穿試驗

切割炬由殼體、主反應體系、底部引燃裝置、噴管等組成；切割炬裝藥由主反應體系擠壓成型，封裝在殼體內，切割炬裝藥為中空柱體，中心孔為引燃孔，一端緊貼底部引火裝置，一端緊貼噴管，噴管由耐高溫石墨材料壓制而成，如圖1所示；其工作原理是當底部引火裝置擊發后，引火藥劑燃燒，點燃切割炬裝藥，切割炬裝藥燃燒釋放大量的熱維持主反應體系繼續燃燒，主反應體系燃燒生成熔融態金屬鐵和氣體，熔融態物質在氣流的推動下從噴管噴出。這種高溫熔融態物質（溫度可達2 300℃～3 500℃）具有熔穿金屬殼體、引燃易燃物質的特性。

試驗采用的中空藥柱外徑25 mm、內孔直徑6 mm，使用厚10 mm的Q235鋼作為模擬危險品殼體，鋼靶距離切割炬噴口10 mm，控制燃燒炬其他參數不變，通過試驗研究切割炬裝藥量與熱熔能力之間的關系。試驗記錄切割炬的作業時間、開孔特征參數，試驗結果如表4所示。不同裝藥量下的開孔孔徑如圖2所示。

4 試驗結果分析

切割炬主要依靠金屬熔融物的熱熔能力熔穿金屬。金屬熔融物從噴口高速射向殼體，在殼體表面形成熔池，利用金屬熔融物的熱效應對表層殼體進行熔化，對下層殼體進行預熱，持續作用直至殼體熔穿。試驗測得的外孔孔徑、內孔孔徑和裝藥量的對應關系如表4所示，1組的裝藥量較少，嚴重影響開孔的孔徑和深度。2～5組，外孔孔徑隨著裝藥量的不斷增加而增加，內孔孔徑隨裝藥量的變化而變化。由熱熔能力公式分析，影響熱熔能力的主要因素裝藥量Wslag，裝藥量直接或間接影響彈內的壓力和熔流的速度，進而影響熔穿時間。由表4可知裝藥量在65 g以內時，隨著裝藥量的增加，彈內主反應體系含量增大，燃燒時間增長，直接增加了熔穿工作時間；在裝藥量Wslag=65g為熔穿時間的峰值點，此時熔穿時間最長，利于銷毀作業；隨著裝藥量的進一步增加，噴射時間逐漸縮短。由表4中開孔特征參數可見，隨著裝藥量的增加外孔表面直徑呈上升趨勢，但內孔直徑則在裝藥量為65 g時出現拐點，開始下降。

圖1 切割炬的結構Fig.1 Sketch of cutting device

表4 切割炬試驗開孔孔徑特性統計Tab.4 Comparison the cutting aperture with different charge weight

圖2 不同裝藥量下的開孔孔徑Fig.2 Photo of the cutting aperture with different charge weight

通過查看試驗視頻和分析作業后的切割炬，其原因主要如下：從切割質量方面，裝藥量在65 g以內逐漸增加時，彈長逐漸增加，產生的總熱量、氣體量、噴射產物飛濺也逐漸增加，故切割炬噴射時間逐漸加長，在殼體表面形成熔池后向下熔化時間增加，同時由于未穿透殼體出現液流的反射沖刷致使上表面直徑有所增加；另外，殼體僅有10 mm厚且面積較小具有加熱速度快、散熱慢的特點。吹力增加，熔池停留時間縮短，可以實現對殼體下層金屬的預熱且不至于迅速熔化殼體邊緣，故裝藥量明顯增加后，內孔孔徑增加較小。當裝藥量繼續增加后，主反應體系燃燒速度加快，吹力加大，噴射時間縮小，作用于殼體的時間縮短，出現內孔直徑下降。從切割效率方面，對于單孔管狀固定式裝藥，側面燃燒的藥劑超過某個特定值后會產生一定的侵蝕效應，影響切割炬的工作性能。裝藥量大于65 g、彈長超過90 mm后，對流傳熱系數沿裝藥長度逐漸增加起主要作用，而裝藥量對燃燒時間的影響相對變弱，裝藥通道內的流速沿流動方向逐漸增大，在侵蝕燃燒效應的作用下，裝藥燃速沿軸向也不斷增大，導致裝藥厚度不同時燃燒完全，使下游部分彈殼過早暴露在高溫燃燒產物的沖刷之下，由此可見侵蝕燃燒效應對切割彈的工作性能有重大影響。增至85 g后對噴嘴沖刷嚴重，且難以保證噴嘴與彈體間的緊密配合，出現噴嘴隨噴射產物噴出現象，彈內壓力瞬間下降，致使金屬熔流噴出速度下降。收集作業后的切割炬發現殼體過熱、表面燒損、碳化嚴重，如圖3所示。相比較幾種方案，裝藥量為65 g、彈長為90 mm時，切割時間、質量、操作性均為最佳。

圖3 切割炬的燒蝕狀態Fig.3 After-effect of destroy device

5 結論

在確定主反應體系中Fe3O4+Al系和Fe2O3+Al系所占最佳比例的基礎上，試驗分析裝藥量對熱熔能力的影響。通過分析對比作業時間、熔穿效果，得出結論：裝藥量直接或間接影響彈內的壓力和熔流的速度，進而影響熱容能力；當裝藥量在65 g以內時，隨著裝藥量的增加，產生的總熱量、氣體量、噴射產物飛濺也逐漸增加，熱容能力增強；當裝藥量為65 g時，切割時間、效果較好；當裝藥量大于65g時，彈內壓力增大，吹力增加，金屬熔融物在熔池停留時間縮短，不能將殼體邊緣迅速熔化，裝藥量過多導致彈長過長，產生侵蝕燃燒效應，破壞噴嘴與彈體間的緊密配合，致使彈內壓力瞬間下降，嚴重影響切割效果。裝藥量的設計影響彈內的燃燒方式，進而影響熔穿效果，裝藥量過少時，不利于熔穿作業，裝藥量過大時，導致彈內發生侵蝕效應，熔穿效果差，更可能導致爆炸等安全隱患。試驗表明，對于本配方，裝藥量控制在約65g時適用于整體引燃銷毀。

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Research of the combustion agent and ablation ability of cutting device

ZHANG Qigong，LI Jinming，AN Zhentao
（Ordnance EngineeringCollege，Shijiazhuang050003，China）

The stable and efficient combustion agent is particularly important for submarine pipeline cutting quality and efficiency in destruction.The packages of dangerous product with the metal plate of Q235 are cut using the independently developed cutting device.How the two main factors,ratio of the main reaction system and charge affect the performance of cutting is studied.The experimental results show that，Fe3O4+Al term join can make cutting torch stable operation,to extend the time of operation,improve the effect of cutting.In charge close to about 65g，melt through aperture increases obviously，melt through efficiency increases quickly. The charge weight should not be too much，otherwise the combustion speed increases，injection time is reduced，the effect of cutting becomes worse.For the destroying device，the charge weight of combustion agent should be controlled at about 65 g,which not only can gain the most optimal cutting quality and efficiency of destruction,also can increase the carrying ability.

cutting device；charge weight；cutting efficiency；destruction method

TG481

：B

：1001-2303（2015）10-0038-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.08

2015-03-25；

：2015-06-15

張啟功（1990—），男，遼寧人，碩士，主要從事彈藥保障與安全技術的研究工作。