劉榆華，辛文彤，孫立明，崔秀梅

（軍械工程學(xué)院 車輛與電氣工程系 機(jī)械設(shè)計(jì)教研室，河北 石家莊，050003）

高熱劑中Al-Fe3O4對實(shí)心熱劑切割彈切割性能影響的研究

劉榆華，辛文彤，孫立明，崔秀梅

（軍械工程學(xué)院 車輛與電氣工程系 機(jī)械設(shè)計(jì)教研室，河北 石家莊，050003）

以實(shí)心熱劑切割彈為切割手段，實(shí)驗(yàn)研究了由Al-CuO、Al-Fe2O3、Al-Fe3O4三元燃燒系混合組成的高熱劑中Al-Fe3O4對切割性能的影響。結(jié)果表明，隨著Al-Fe3O4含量的增加，噴射時(shí)間增長，割孔深度加大。當(dāng)Al-Fe3O4占高熱劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)89.1％時(shí)，切割200(L)mm×200(W)mm×20(T)mm的Q235鋼板的噴射時(shí)間在6s以上，割孔深度達(dá)16.42mm。

高熱劑；Al-Fe3O4；實(shí)心熱劑切割彈；切割性能

熱劑切割彈切割技術(shù)是將切割彈裝填在切割槍（炬）中，利用彈內(nèi)切割劑燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的高溫高壓熔融金屬射流來完成對材料的切割。該技術(shù)不存在傳統(tǒng)切割設(shè)備出現(xiàn)的技術(shù)復(fù)雜性較高、便攜性差、安全性不穩(wěn)等問題，適用于野外搶修、搶險(xiǎn)救災(zāi)等特殊環(huán)境下的應(yīng)急切割。切割劑中的高熱劑組分作為熱劑切割彈切割的高溫?zé)嵩?，對切割彈的切割性能有著重要影響。常用的高熱劑選用燃燒熱大、絕熱燃燒溫度高的鋁熱劑，如Al-CuO、Al-Fe2O3、Al-Fe3O4等[1]。張啟功等[2]試驗(yàn)比較了Al-CuO、Al-Fe2O3、Al-Fe3O4燃燒特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)Al-CuO系放熱量最大、但燃速過快，液滴飛濺嚴(yán)重；Al-Fe2O3系放熱量適中，速度平緩；Al-Fe3O4系放熱量雖最小，但產(chǎn)生熔渣多。王森等[3]設(shè)計(jì)了空心熱劑切割彈，并實(shí)驗(yàn)研究了高熱劑中Al-CuO系和Al-Fe2O3系相對含量對切割性能的影響，發(fā)現(xiàn)Al-CuO系含量在13.6％～22.8％時(shí)能夠熔穿10mm厚鋼板，但切割時(shí)間不足4s。由于采用的是中孔結(jié)構(gòu)，空心熱劑切割彈在存儲、運(yùn)輸中容易因顛簸震動而損壞其藥柱。本文在空心熱劑切割彈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了雙藥柱結(jié)構(gòu)的實(shí)心熱劑切割彈。利用實(shí)心熱劑切割彈試驗(yàn)研究高熱劑（Al-CuO、Al-Fe2O3、Al-Fe3O4三元混合燃燒系）中Al-Fe3O4含量對切割彈切割性能的影響。

1 實(shí)心熱劑切割彈結(jié)構(gòu)

實(shí)心熱劑切割彈由切割劑、速燃劑、石墨噴嘴、引火片等7部分組成，其中速燃劑充填滿切割劑的中心孔洞中，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實(shí)心熱劑切割彈結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of solid thermite cutting ammunition

2 實(shí)驗(yàn)材料及方案

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

（1）主要儀器設(shè)備如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備Tab.1 The main experimental equipment

（2）切割試樣：200(L)mm×200(W)mm×20(T)mm的Q235鋼板；

（3）切割劑成分：高熱劑和功能添加劑。高熱劑選用Al-CuO系、Al-Fe3O4系和Al-Fe2O3三元混合系，占切割劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的74％，功能添加劑有造氣劑、合金劑、稀釋劑等，占切割劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的26％。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

保持添加劑成分和含量不變，高熱劑中Al-CuO系所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定，僅改變Al-Fe3O4系和Al-Fe2O3系的相對含量，設(shè)計(jì)了9組不同高熱劑，具體見表2。

表2 Al-Fe3O4系和Al-Fe2O3系占高熱劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 The mass percent of Al-Fe3O4and Al-Fe2O3in thermite

切割劑混合均勻后，在烘箱中120℃下進(jìn)行烘干處理2h，爐冷至室溫，經(jīng)模具壓制成型為Φ26mm的實(shí)心切割彈。各發(fā)彈的具體參數(shù)如表3所示。

表3 實(shí)心熱劑切割彈參數(shù)Tab.3 Parameters of solid cutting ammunition

3 割孔實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

為了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，本研究在自行搭建的切割實(shí)驗(yàn)平臺上利用實(shí)心熱劑切割彈進(jìn)行割孔試驗(yàn)，切割實(shí)驗(yàn)平臺如圖2所示。

圖2 切割實(shí)驗(yàn)平臺Fig.2 Test-bed for cutting experiment

實(shí)驗(yàn)時(shí)將帶有引火片的切割彈在裝彈筒中裝填到位，調(diào)整鋼板與噴嘴至適當(dāng)位置，用點(diǎn)火槍點(diǎn)燃引火片，引火片引燃速燃劑。速燃劑產(chǎn)生的高能高速燃燒波沿切割彈軸線向后移動，瞬間引燃切割劑整個(gè)內(nèi)壁，切割劑沿徑向燃燒。其產(chǎn)生的高溫金屬熔流和氣體產(chǎn)物經(jīng)噴嘴壓縮后高速噴出，對鋼板進(jìn)行割孔。用攝像機(jī)記錄切割彈燃燒過程并計(jì)算噴射時(shí)間；待工件冷卻后清理鋼板上的金屬渣，測得割孔深度。

3.2 噴射時(shí)間

不同Al-Fe3O4系含量下噴射時(shí)間的變化如圖3所示。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著Al-Fe3O4系含量的減少，切割劑的燃燒速度加快，噴射時(shí)間逐漸減少，產(chǎn)生的熔融金屬流飛濺大。

主要原因在于：切割劑的裝藥密度不同。圖4反映了裝藥密度的變化。由圖4可見，隨著Al-Fe3O4含量的增加，裝藥密度逐漸增大。當(dāng)裝藥密度較大時(shí)，切割劑內(nèi)各組分粉末接觸較為緊密。由于粉末間空隙減少，熱量傳播方式以傳導(dǎo)和輻射為主，隨著裝藥密度的繼續(xù)增加，熱傳播速度減慢，預(yù)熱區(qū)內(nèi)反應(yīng)物升溫也減慢，造成反應(yīng)區(qū)的熱散失加劇，導(dǎo)致隨著裝藥密度增大燃燒速度降低，噴射時(shí)間加長。此外，Al-Fe2O3系燃燒后溫度高，藥粉的輸運(yùn)特性加強(qiáng)，反饋到藥柱表面的熱量增加，Al-Fe2O3系含量多的燃燒速度也會加快[4]。

圖3 不同Al-Fe3O4含量下噴射時(shí)間變化曲線Fig.3 Curve of injection time with different content of Al-Fe3O4

圖4 不同Al-Fe3O4含量下裝藥密度變化曲線Fig.4 Curve of charge density with different content of Al-Fe3O4

3.3 割孔深度

割孔深度與Al-Fe3O4系占高熱劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系見圖5。由圖5可見，隨著Al-Fe3O4含量的增加，割孔深度呈現(xiàn)出遞增的趨勢。1#切割彈割孔深度不到11mm；9#切割彈割孔深度可達(dá)16.42mm，相較于1#，其深度提高了50％。割孔宏觀樣貌如圖6所示。

圖5 不同Al-Fe3O4含量下的割孔深度變化曲線Fig.5 Curve of cutting depth with different content of Al-Fe3O4

圖6 孔洞宏觀樣貌圖Fig.6 Appearances of hole

割孔深度的變化主要由切割劑產(chǎn)生的熱量不同引起的。實(shí)心熱劑切割彈內(nèi)燃燒產(chǎn)生的熱量主要來自于以下3個(gè)反應(yīng)[5]：

可以知道切割彈在絕熱條件下產(chǎn)生的熱量：

式（1）中：Q為切割彈的總釋放熱量；1Q為Al-Fe2O3體系放出的熱量；2Q為Al-Fe3O4體系放出的熱量；3Q為Al-CuO體系放出的熱量。

式（2）中：α為高熱劑占切割劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，為74％；m為切割彈中切割劑的裝藥質(zhì)量；iw為不同鋁熱劑占高熱劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；iq為不同鋁熱劑燃燒的理論熱效應(yīng)值，Al-Fe2O3、Al-Fe3O4和Al-CuO的理論燃燒效應(yīng)值分別為3.90kJ/g、3.57kJ/g、3.82 kJ/g。由于Al-CuO系占高熱劑的含量相對較小，可以認(rèn)為切割彈內(nèi)Al-CuO系燃燒產(chǎn)生的熱量3Q基本不變。

單位時(shí)間內(nèi)熱量為tQ：

式（3）中：t為切割彈的噴射時(shí)間，s。

在切割劑壓制成型過程中，由于四氧化三鐵的密度較大和自身的鐵磁性影響，相同壓力下，四氧化三鐵的壓縮率大于三氧化二鐵，這導(dǎo)致了在相同體積的彈體內(nèi)Al-Fe3O4系含量多的切割劑裝藥量要大。根據(jù)表3中數(shù)據(jù)，由公式（1）～（3）計(jì)算可得不同Al-Fe3O4含量下單位時(shí)間熱量Qt，見表4。

表4 不同Al-Fe2O3含量下單位時(shí)間熱量Tab.4 The heat per unit time with different content of Al-Fe3O4

當(dāng)Al-Fe3O4含量小于19.8％，隨著添加量的增加，雖然單位時(shí)間內(nèi)熱量逐漸減少，但液滴飛濺逐漸減小，高溫熔體對鋼板的實(shí)際熱作用面積增大，割孔深度不減反倒逐漸增加。未添加Al-Fe3O4（即Al-Fe2O3含量為89.1wt％）時(shí)，雖然其Qt高達(dá)25.03kJ/s，但噴射時(shí)飛濺最大，飛濺的液滴帶走了大量的熱量，實(shí)際熱作用面積最小，導(dǎo)致割孔深度最小。Al-Fe3O4含量大于19.8wt％時(shí)，隨著添加量的增加，單位時(shí)間熱量Qt增加，加之噴射過程中飛濺減小，熱作用面積大，故割孔深度逐漸增加。

4 結(jié)論

（1）與空心熱劑切割彈相比，雙藥柱結(jié)構(gòu)的實(shí)心熱劑切割彈能夠有效地防止藥柱結(jié)構(gòu)遭到破壞。

（2）由Al-CuO、Al-Fe2O3、Al-Fe3O4混合組成的高熱劑中Al-Fe3O4系含量的變化會影響實(shí)心熱劑切割彈的噴射時(shí)間和割孔深度。隨著Al-Fe3O4添加量的增加，切割彈的燃燒速度減慢，噴射時(shí)間增長；切割彈內(nèi)的裝藥量增加，切割劑放出的熱量增多，割孔深度加深。

（3）高熱劑中Al-Fe3O4系含量占89.1％時(shí)，熔融金屬飛濺小，噴射時(shí)間最長達(dá)到6.36s，有效地提高了實(shí)心熱劑切割彈的手工操作性；針對200(L)mm× 200(W)mm×20(T)mm的Q235鋼板，割孔深度可達(dá)16.42mm。

[1]潘功配,楊碩,編著.煙火學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 1997.

[2]張啟功,李金明,安振濤.危險(xiǎn)品切割炬裝藥優(yōu)化及性能[J].電焊機(jī),2015,10(45):38-42.

[3]王森,辛文彤,吳永勝,等.高熱劑對燃燒型切割彈切割性能影響的研究[J].熱加工工藝,2012,41(13):202-204.

[4]王克秀,李葆萱,吳心平.固體火箭推進(jìn)劑及燃燒[M].北京：國防工業(yè)出版社,1983.

[5]殷聲.燃燒合成[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1999.

Effect of Al-Fe3O4in Thermite on Cutting Capability of Solid Cutting Ammunition

LIU Yu-hua, XIN Wen-tong, SUN Li-ming, CUI Xiu-mei
(Staff Room of Mechanical Design, Department of Vehicles and Electrical Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang ,050003)

With solid thermite ammunition as cutting means, the effect of Al-Fe3O4in thermite consisting of Al-CuO, Al-Fe2O3and Al-Fe3O4on cutting capability was studied by test. The results indicated that with the increasing content of Al-Fe3O4, the injection time and cutting depth showed gradually increasing trend. When the weight of Al-Fe3O4is 89.1％, the ejection time was more than 6s, and cutting depth increased to16.42 mm while cutting the steel with size of 200 (L) mm × 200 (W) mm × 20 (T) mm.

Thermite; Al-Fe3O4; Solid cutting ammunition; Cutting capability

TQ567.7

A

1003-1480（2016）06-0036-04

2016-08-18

劉榆華（1990-），男，在讀碩士研究生，從事特種焊接與切割技術(shù)研究。

總裝司令部維修與改革項(xiàng)目。