小口徑槍彈焚燒銷毀機理分析與實踐

王小川

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000)

隨著輕武器更新換代，老舊型號槍彈囤積量較大，接近甚至超過倉儲報廢年限，實彈射擊訓練也導致部分失效槍彈的出現，這些槍彈危險性極大，若處置不當極易造成安全事故，所以必須銷毀。當前，國內外銷毀槍彈主要方法有：傳統燒毀法、掩埋、引爆、深海傾倒、聚能切割、化學分解法等[1-4]。其中掩埋、深海傾倒、引爆等方法會污染環境、銷毀效率低，且不利于資源回收利用和普及推廣;其他方法對于設備、技術要求高，銷毀成本大，也難以廣泛普及應用。

燒毀法是目前應用最廣泛的槍彈銷毀方法，它是對含能材料施以火焰(熱能)刺激，促使其能量按預定的途徑釋放出來的技術過程，主要是引燃含能材料后，含能材料能夠自維持燃燒，直到全部銷毀[5-8]。本文主要通過對小口徑槍彈銷毀過程中槍彈發射藥點火模式機理及燃燒和轟燃影響因素進行分析，為設計銷毀小口徑槍彈裝置提供理論依據，力圖研究出行之有效的銷毀小口徑槍彈裝置及相關處置方法。

1 報廢槍彈焚燒銷毀過程機理特征分析

報廢槍彈重點是對槍彈發射藥的銷毀，發射藥的焚燒銷毀過程一般可分為兩個階段：發射藥表面著火、火焰向發射藥內部傳播。

1.1 槍彈焚燒銷毀的點火特征分析

發射藥在點火源的作用下，局部表面溫度高于點火溫度時，發射藥表面出現火焰，這個過程稱為點火。發射藥點火溫度越高，點火壓力越大，點火速度越快，時間越短。發射藥燃燒產生的高溫氣體產物和凝聚相產物加熱發射藥局部表面，使發射藥的表面發生分解，分解產物發生放熱氧化還原反應，很快使加熱的局部表面溫度增高到點火溫度而被點燃，點燃的發射藥火焰沿發射藥表面持續傳導，使整個發射藥表面被點燃。

槍彈燒毀的點火模型比較符合流動熱氣體點火模型，如圖1所示。點火發生在t=0時刻，若t≤0時發射藥溫度T0為常數，t=0時，熱氣流開始從材料表面流過，點火加溫發生在這個時刻。

圖1 點火源點燃發射藥模型示意圖

假設材料點火前不發生化學反應和形態相變，發射藥表面為平面，建立材料點燃的熱傳遞方程：

(1)

式中，α為發射藥的散熱系數，α=λ/(ρc)；λ為發射藥的熱傳導系數；ρ為發射藥的密度；c為發射藥的比熱容。

在傳熱交界面處，根據能量傳遞守恒定律：

(2)

式中，h為熱交換系數。

材料被加熱點燃的最高溫度在x=0處的界面上，只要求出該界面上，表面溫度T隨時間的變化規律即可。根據拉普拉斯變換，在加熱氣體的溫度Tg為常數時，可得：

隨著時間的增加，發射藥表面的溫度不斷上升，只要氣體的溫度超過發射藥點火溫度TK，點火就發生。令T=TK，可求得點火延遲時間的長度。點火延遲時間可以表示為：

(4)

可知，點火延遲時間與發射藥密度、比熱容、導熱系數成正比，隨著點火溫度TK的升高和炸藥初始溫度的降低而增加，提高點火源的溫度Tg可縮短點火時間。

點火熱源引燃發射藥，必須有足夠高的溫度和熱量。根據點燃方式不同，發射藥點火方式分為自動點火和強制點火。槍彈銷毀工作中，應盡可能避免自動點火和其他火災引發的槍彈強制點火，但是，有時需要利用強制點火的方式燒毀報廢槍彈。

1.2 槍彈焚燒銷毀燃燒特征分析

(5)

式中，λ，ρ，c為發射藥的導熱系數、密度、比熱容；r為燃燒速度；初始邊界條件為T=TK(x=0,y=1),T=T0(x→∞,0

(6)

可以看出，增加氣體與發射藥表面的熱交換系數，提高點火區周圍的氣體溫度和發射藥初溫，降低發射藥的導熱系數、密度、比熱容或點燃溫度，均可提高火焰沿發射藥表面的傳播速度。發射藥持續燃燒，在常壓下，傳播速度一般為每秒幾毫米到每秒幾十毫米。影響燃燒速度的因素有：材料自身屬性，即材料的組成、密度、濕度；材料數量以及堆積方式，即數量多少，堆積厚度、寬度，以及暴露于空氣中的面積。在槍彈銷毀過程中，常利用這些影響因素控制發射藥材料的燒毀。

1.3 槍彈焚燒銷毀燃燒轉為爆轟的機理特征分析

發射藥燃燒過程中，當燃氣進入發射藥孔隙后，其內部表面被引燃，當孔隙率較高時，發射藥的燃燒面驟增，產生的燃氣量也猛增，壓力也隨之急劇上升，促使燃速迅速加快，產生對流燃燒。若燃燒在密閉或半密閉容器中發生，可能造成循環式的燃速增快、燃燒面增大和壓力急升，這時燃燒表面附近產生的氣體難以擴散，燃燒面氣流密度升高從而形成壓縮波。壓縮波的疊加會形成沖擊波，當沖擊波到達一定強度時，就會使氣體產物產生爆轟。氣體產物爆轟形成的新的沖擊波又反過來沖擊未反應的發射藥并使其爆轟，于是發射藥燃燒轉爆轟的過程一般經過燃燒、不穩定燃燒、低速爆轟、高速爆轟這四個階段。

1.3.1 槍彈發射藥燃燒轉為爆轟的影響因素

1.3.1.1 壓力的影響。影響發射藥燃燒轉爆轟的最重要因素是壓力，壓力增大時，氣相活化分子的碰撞機會增多，氣相反應加速，會增加氣相高溫產物向發射藥凝聚相內部的滲透，加速凝聚相反應。發射藥燃速和壓力的增加成正比，當壓力超過壓力界限時，燃速就會急劇增加轉為爆轟，通常發射藥的裝藥密度越低，產物溫度越高，燃速越快，發火點越低，壓力對發射藥燃燒轉爆轟的影響越大。在一定的壓力范圍內(如0.006 7～20 MPa)，大多數發射藥能夠進行穩定燃燒，當壓力值達到最大時，燃燒可能由穩定燃燒變為不穩定燃燒，進而產生爆轟；當壓力小到某一值時，燃燒由于不能穩定而熄滅。

發射藥屬于炸藥的一種，大多數炸藥都有穩定燃燒的壓力界限，高于壓力上限時，燃燒轉為爆轟；低于壓力下限時，燃燒熄滅，只有在壓力區間內，才能穩定燃燒。

液態的、粉末狀的以及低密度壓裝的炸藥穩定燃燒的壓力上限，比注裝的、高密度壓裝的、膠質的炸藥壓力上限低，粉末狀炸藥在高壓條件下燃燒時，因顆粒著火速度快，燃燒面急劇擴大，使粉狀炸藥不能穩定燃燒。因此，禁止用焚燒法銷毀粉狀發射藥。

1.3.1.2 火焰熱輻射的影響。發射藥在燃燒的情況下產生巨大的火焰，火焰溫度越高，熱輻射的影響就越大，發射藥溫度上升的也就越快，在強熱和高溫作用下形成熱積累，壓力急劇上升，容易發生燃燒轉為爆轟現象。

1.3.1.3 外殼的影響。當發射藥有外殼時，氣體產物不易排出，壓力容易上升，因而外殼有利于燃燒轉為爆轟。如，發射藥密封于彈殼內部時，有助于壓力的迅速升高促進燃燒轉爆轟，燒毀未破壞彈殼密封性的槍彈時，應注意彈頭及彈片飛濺帶來的危害。

1.3.1.4 熱傳導的影響。熱傳導系數大，導走的熱量多，加熱層越厚，達到材料燃燒所需的熱量就越多，需要不斷補充能量，燃速較慢，如果熱傳導系數太大，就可導致燃燒熄滅。

1.3.1.5 裝藥結構的影響。裝藥強度不足時，尚未燃燒的發射藥在高溫高壓氣體及產物的作用下突然發生碎裂，燃燒面積突然增大，燃速突然加快，促使燃燒轉為爆轟。某些發射藥和起爆藥的晶體在燃燒時也能產生裂縫以致碎裂。粉狀裝藥及多孔性發射藥，它們的裝藥密度小、孔隙多，高溫燃燒產物容易滲透到發射藥內部，便于燃燒轉爆轟。

1.3.1.6 受發射藥內部孔隙的影響。孔隙利于燃氣的進入，使燃燒面變形擴大，破壞燃燒的穩定性，使燃燒轉爆轟，比如，柱狀發射藥比粉狀發射藥更容易由燃燒轉爆轟。

1.3.2 槍彈焚燒銷毀過程中燃燒與爆轟的區別

發射藥除穩定燃燒外，還有不穩定燃燒，甚至由燃燒轉為爆轟，這里有必要分析一下燃燒與爆轟的區別：(1)能量傳遞方式不同。燃燒是靠氣體產物擴散和導熱將能量傳給尚未反應的發射藥，使其繼續燃燒；爆轟是靠爆轟波將能量傳給尚未反應的發射藥，使之繼續爆轟。(2)傳播的速度不同。燃燒比爆轟傳播的速度慢得多，燃燒傳播的速度低于聲速；爆轟傳播的速度高于聲速。(3)產物運動方向不同。燃燒反應結束瞬間，火焰陣面后的產物運動方向與火焰傳播方向相反；爆轟結束瞬間，爆轟波陣面后產物的運動方向與爆轟波傳播的方向一致。(4)受外界條件影響不同。燃燒受外界條件(壓力、溫度、外殼等)影響很大；爆轟受外界條件影響很小，甚至無關。(5)化學反應不同。同一種發射藥在燃燒與爆轟時反應區中進行的化學反應不同，放出的能量不同，在沒有外界空氣中氧參加時，同一種發射藥在爆轟時比燃燒時放出的能量多。

由上可見，燃燒與爆轟是性質不同的兩個過程，但它們都是發射藥化學反應的形式，二者存在一定聯系，在特定條件下燃燒才可以轉變為爆轟。

2 焚燒箱銷毀小口徑報廢槍彈的處置方法

2.1 焚燒箱銷毀原理和設計要求

焚燒銷毀是以外部焚燒作為槍彈發射藥的點火熱源，以熱輻射形式點燃槍彈彈殼內部發射藥，屬于強制點火，發射藥燃燒從表面開始向內傳導，并逐步發展為爆轟。相對于正常以擊發槍彈底火，在彈殼內部以明火瞬間引燃發射藥的點火方式相比，爆轟烈度較低，部分因銹蝕導致的彈殼密封失效的槍彈甚至不會發生爆轟現象，即使彈頭因爆轟飛濺，威力也比較低，處于可控可防范圍。因此，以箱體集中焚燒銷毀槍彈在理論上具有可行性。

焚燒箱燒毀法，主要適用于燒毀12.7 mm以下口徑槍彈、底火、發煙彈、催淚彈、信號彈等火工品，是在傳統焚燒銷毀法基礎上，用焚燒箱體作為載體，以內部點火、焚燒方式來實施槍彈銷毀，其承載槍彈密度較高，但批量銷毀時不排除集中爆轟的可能性。焚燒箱設計要求較高：(1)為確保安全，既要保證箱體的耐爆性，又要防止彈片飛出箱體造成傷害；(2)既能為箱體內部燃燒充分供氧，還要為槍彈爆轟有效排壓；(3)要求體積小、移動方便，使用上處置方法簡單，安全高效，易于回收清點。

2.2 焚燒箱制作

焚燒箱需要有一定耐爆性，目前公安部制式槍彈中口徑最小、發射藥裝藥量最少的槍彈在單體燒爆時，彈頭飛出了近20 m直線距離，銷毀其他口徑槍彈時焚燒箱的耐爆要求更高。因此，焚燒箱箱體使用10 mm厚防彈鋼板焊接成形，以保證焚燒箱不會因槍彈爆轟或彈片沖擊變形、受損，尺寸設計為420 mm×420 mm×350 mm，在其內部距底部15 mm處設置可活動槍彈承載網。箱體與箱蓋采用卡榫固定，確保箱蓋在工作過程中不會產生位移，為保證燃燒過程的充分供氧以及防止彈片飛濺并有效排壓，在箱蓋均勻開有5 mm直徑圓孔矩陣，如圖2所示。

圖2 小口徑槍彈焚燒銷毀箱設計圖

2.3 焚燒箱銷毀小口徑報廢槍彈的處置方法

首先，在下方均勻鋪滿槍彈包裝紙、包裝盒、廢棄擦槍布等可燃物，而后放置承載網并均勻鋪裝彈藥，鋪裝高度不高過8 cm，為保證燃燒速度，可淋助燃劑，或繼續在槍彈上方覆蓋可燃物。其次，將頂蓋推入兩側卡榫，而后將沁有槍油的廢棄擦槍布點燃扔進焚燒箱，迅速將頂蓋推送到位。作業人員退到20 m以外安全區域。第三，如果待銷毀槍彈較多，可只保留承載網下方可燃物，采用外部加熱方式銷毀。多品種燒毀時，應注意按燃燒、爆炸強烈程度不同適當搭配混合鋪裝，將爆轟強烈的品種在箱內分散開。最后，殘渣清理。待焚燒箱熄滅5 min后，對焚燒箱進行澆水冷卻，確認無燃燒、爆轟后進行殘渣清理，嚴禁帶火或焚燒箱未冷卻時清理。清理時認真清點未燃、未爆品，仔細檢查灰燼和殘留物，嚴防未燒毀的彈藥混入渣殼中。

3 結論

本文建立了報廢槍彈的點火模型，分析了報廢槍彈點火-燃燒-爆轟過程機理特征，得到了影響銷毀小口徑槍彈的影響因素。發現通過增加氣體與發射藥表面的熱交換，提高點火區周圍氣體溫度和發射藥初溫，降低發射藥的導熱系數、密度、比熱容或降低發射藥點燃溫度，均可使火焰提高沿發射藥表面傳播的速度。同時提出了利用焚燒箱銷毀小口徑槍彈的處置方法，設計了焚燒箱裝置，整理出了點火方法及殘渣處理原則，保證了銷毀槍彈的可靠性，對于處置小口徑報廢槍彈具有一定現實意義。