煙花用黑火藥發射力檢測及國際標準前期研究

摘 要：黑火藥發射力是影響煙花燃放高度、燃放效果、爆炸直徑和設置燃放安全區域最重要的參數，針對現行國際、國家標準未規定黑火藥發射力參數值的問題，本文首次闡述了黑火藥發射力檢驗原理，重點分析了藥量、粒度大小、發射筒內徑等對黑火藥發射力檢測結果的影響。結果表明：粒狀黑火藥發射力檢測值在13.0～15.2 kg/g。建議制定黑火藥發射力國際標準時其粒度宜在0.80～2.80 mm，藥量/內徑比在0.06～0.08 g/mm范圍，黑火藥發射力應大于13.0 kg/g。

關鍵詞：黑火藥，發射力，檢測方法

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.13.036

Test and Preliminary Study of International Standard for Emissive Force of Black Powder for Fireworks

ZENG Xiao-jun1，2

（1. Hunan Institute of Quality and Standardization； 2. China Quality Inspection and Testing Center for Fireworks）

Abstract： The emissive force of black powder is the most important parameter which affects the height， effect and diameter of fi reworks， and the key parameter to set the safety area for fi rework display. Given that the current international standards and national standards dont specify the parameters of black powder emissive force， this paper describes its testing principles， and analyzes the infl uence of quantity， particle size and inside diameter of fi ring cylinder on the testing results， which indicate that the emissive force of granulous black power is 13.0 kg/g～15.2 kg/g. The paper advised that when developing international standards， the size of black powder should be 0.80 mm～2.80 mm， mass/internal diameter should be 0.06 g/mm～0.08 g/mm， and the emissive force of black powder should be over 13.0 kg/g.

Keywords： black powder， emissive force， testing method

0 引 言

無論是北京冬奧會開幕式上絢麗綻放的“迎客松”“蒲公英”，還是春節期間火爆全國的“加特林”，煙花已然成為中國向世界展示文化自信最重要載體之一。煙花升空離不開發射藥，所謂發射藥是指能將煙花效果件[1]或禮花彈彈體[2]推送至空中的一種煙火藥劑，是煙花產品最基本的裝藥。某些笛音效果煙花產品中發射藥用量甚至超過煙火藥劑總量的50%。發射藥主要有兩種，一種是傳統的黑火藥發射藥，其特點是配方成分固定（成分為硝酸鉀、硫磺、木炭）、配比固定、性能穩定、燃燒時產生大量煙霧等；另一種為新型無硫發射藥，其特點是配方不固定（成分以軍用退役單、多基粉或硝化棉混合一定比例的穩定劑）、配比不固定、性能不穩定、燃燒時產生少量煙霧等。

煙火藥劑發射力是影響產品燃放安全、燃放高度、燃放效果、爆炸直徑等最重要的指標之一。但由于煙花爆炸具有瞬間性、難捕捉等原因，現行的國際、國家標準未規定煙火藥劑發射力技術參數值。本文利用傳感技術和數學分析模型構建了一種快速、準確、定量檢測黑火藥的發射力大小的方法，并對影響因素進行分析。為未來開展黑火藥發射力檢測方法國際、國家標準制定，新型煙花產品研發和重大焰火燃放區域設定奠定扎實的理論基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

在同一測試條件下，稱取一定數量、粒度大小不一的黑火藥試樣平鋪于不同規格的發射管底部，用大小合適乳膠墊片密封，放上砝碼，將電點火頭插入點火孔中，發射裝置、測試分析系統[3]與傳感器相連接，啟動點火按鈕，樣品爆燃后停止運行，記錄測試軟件的峰值。

測試條件：天氣：晴；溫度：23.5 ℃；濕度：35.0%；風力：2米/秒。

1.2 儀器與試樣

TSI AIRPROAP500風速計（美國TSI公司）；TMS402A溫度計（日本TASCO公司）；GJHY001-2022煙火藥作用力測試儀（國家煙花爆竹產品質量檢驗檢測中心）；500 g砝碼（上海實潤實業有限公司）；乳膠墊片（厚度：0.3 mm，中孔直徑5 mm）；發射管（高度均為300 mm，內徑：20 mm、25 mm、30 mm），如圖1所示。

黑火藥試樣由瀏陽*泰煙花材料制造有限公司提供，其組成成分為硝酸鉀75.0%，硫磺10.0%，木炭15.0%，粒度為0.4～2.8 mm。

1.3 實驗設計

通過對近10年煙花產品省級監督抽查結果的統計分析和對瀏陽100多家大中型生產企業調研發現，市面銷售的升空煙花產品的內徑以20 mm、25 mm、30 mm為主，其黑火藥藥量最大值分別為1.0g、2.0 g、2.5 g，黑火藥的粒度范圍在0.4～2.8 mm之間。為保證黑火藥發射力國際標準制修訂研究的科學性，選擇與產品規格一致的發射筒，測試6個藥量（詳見表1）、4個不同粒度（詳見表2）下的試樣的發射力數值，系統分析發射裝置內徑大小、藥量、顆粒大小等因素的結果的影響。在粒度、發射筒內徑最佳條件下，改變黑火藥中硝酸鉀、硫磺、木炭的配比，分析不同質量分數的硝酸鉀、硫磺、木炭對發射力大小的影響。

2 實驗結果與分析

2.1 藥量、粒度對發射力影響

發射筒內徑分別為20 mm、25 mm、30 mm時，粒度不同的1#～4#的黑火藥試樣的發射力與藥量的變化關系曲線如圖2至圖4所示，從圖中可以看出：發射內筒內徑相同時，黑火藥試樣的發射力檢測值隨著藥量的增加而增大；黑火藥發射力檢測值在13.0～15.2 kg/g范圍內；粒度不同1#～4#黑火藥試樣其發射力大小順序為2#>1#>3#>4#，其中，1#、2#、3#試樣發射力檢測值相近，表明黑火藥粒度大于0.8 mm時，試樣粒度大小對發射力的影響非常小。

2.2 藥量/內徑比對發射力影響

為進一步研究黑火藥發射力與藥量、發射筒內徑三者之間的關系，本論文以粒度1.18～2.00 mm的2#試樣為研究對象，在20 mm、25 mm、30 mm發射筒內按藥量/內徑比0.03～0.09 g/mm，每間隔0.01 g/ mm填充黑火藥，并對黑火藥發射力進行檢測，結果見圖5。從圖中可以看出，藥量/內徑比在0.06～0.08 g/mm之間，黑火藥發射力最佳。本論文作者統計分析近10年省級監督抽查結果時發現90.3%的產品藥量/內徑比在0.06～0.08 g/mm范圍內。

3 結 論

（1）首次將傳感技術運用到發射力檢測中，并分析了粒度、藥量、內徑等對發射力檢測結果的影響，實現了定量檢測黑火藥發射力的目的。該方法具有操作簡單、數據可靠、重復性好等特點，為后續開展國際標準研制、重大焰火安全區域劃定等提供強有力的技術支撐。

（2）制定黑火藥發射力國際標準時，建議其顆粒大小在0.80～2.80 mm范圍內，藥量/內徑比設置0.06～0.08 g/mm范圍最為合理，黑火藥發射力參數值應大于等于13.0 kg/g。

（3）建議重大焰火燃放劃定安全區域時，應按照黑火藥發射力最大檢測值的1.1倍以上確定。

參考文獻

[1]煙花爆竹 安全與質量：GB 10631-2013 [S].北京：中國標準出版社，2013.

[2]煙花爆竹 禮花彈：GB 19594-2015[S].北京：中國標準出版社，2015.

[3]曾小軍.基于圖像處理的升空煙花檢測及標準化數據處理系統V1.0[P].中國專利：軟著登字第8314543號.

作者簡介

曾小軍，碩士，高級工程師，從事標準化理論研究、國際標準制修訂和重大焰火產品檢驗檢測工作。

（責任編輯：張佩玉）