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        以黏土顆粒為惰性劑的低爆速乳化炸藥爆炸性能及爆轟機(jī)理

        2018-07-02 05:47:24周國安馬宏昊沈兆武黃澤春胡立鵬
        火炸藥學(xué)報 2018年3期
        關(guān)鍵詞:惰性微球炸藥

        周國安,馬宏昊,2,沈兆武,楊 明,黃澤春,胡立鵬

        (1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計重點實驗室,安徽 合肥 230027;2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室,安徽 合肥 230027)

        引 言

        乳化炸藥作為工業(yè)炸藥的重要組分之一,具有制備簡單、應(yīng)用方便可靠等特點,廣泛應(yīng)用于煤礦冶金、石油地質(zhì)、交通水電、控制爆破等領(lǐng)域[1-4]。作為非理想爆轟的典型代表,常用的乳化炸藥(包括粉狀乳化炸藥、膠體乳化炸藥等)因其組分相對固定而具有單一的爆速和猛度。

        實際使用中,為了獲得特定的爆轟性能,需要向乳化炸藥中添加一些添加劑,包括惰性稀釋劑、密度調(diào)節(jié)劑等,以改變其爆炸參數(shù)用于諸如爆炸焊接、爆炸噴涂、金屬爆炸成型等特殊領(lǐng)域。就爆炸焊接領(lǐng)域使用的惰性添加劑而言,工業(yè)食鹽(也作為消焰劑應(yīng)用于煤礦許用炸藥)、碳酸鈣顆粒、高分子材料或金屬粉等占很大的比例[5-10],而這些添加劑都有著各自的使用缺陷。Shvedov等[9]認(rèn)為礦山爆破、爆炸焊接等領(lǐng)域所使用的大多數(shù)乳化炸藥是以工業(yè)食鹽為惰性添加劑的乳化炸藥,而長期使用這種惰性添加劑會帶來土壤鹽堿化等問題[11];張虎等[10]提出在乳化炸藥中加入鋁粉以降低其爆速,但需使用金屬粉作為惰性添加劑,增加了成本,不利于其推廣。

        基于此,本研究在傳統(tǒng)膠體乳化炸藥(玻璃微球敏化)的基礎(chǔ)上,以黏土顆粒作為惰性添加劑,制備出一種新型乳化炸藥,測定了其爆速和猛度,并通過水下爆炸試驗測得其爆轟參數(shù),以期為乳化炸藥在金屬爆炸焊接及光面爆破等領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

        1 實 驗

        1.1 材料與儀器

        膠體乳化基質(zhì),淮南舜泰化工有限公司,配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[12]為:NH4NO3,75%;NaNO3,10%;C18H38,4%;C12H26,1%;C14H44O6,2%;H2O,8%;玻璃微球(HGM),美國3M公司,密度0.14 g/cm3、平均粒徑100 μm;黏土顆粒,自制。

        2BS-110型多段智能爆速測量儀,南京理工大學(xué)民用爆破器材研究所;GZX-9030 MBE型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海博迅實業(yè)有限公司;PCB-W138 A25 ICP型水下壓力傳感器,美國PCB Piezotronics公司;Tektronix 7401型示波器,美國泰克公司。

        1.2 新型乳化炸藥的制備

        乳化炸藥配方見表1。

        表1 乳化炸藥配方Table 1 Different formulas of emulsion explosives

        首先,將普通黏土剔除明顯的石子、瓦礫,按質(zhì)量比約1∶12摻于水中,攪拌成泥漿后靜置2~3d。除去水面雜質(zhì),取出水底充分沉降后的黏土,經(jīng)0.125mm的篩子除雜過篩后,干燥備用。再將加入玻璃微球后的膠體乳化基質(zhì)置于溫度約70℃的烘箱內(nèi),保溫近10min后取出,加入不同含量的黏土顆粒,混合均勻后得到新型乳化炸藥。

        1.3 爆速及猛度測試

        采用數(shù)字式測速儀測量爆速,將乳化炸藥密實地裝入PVC塑料管中,測量時將爆速測量儀的時基調(diào)至0.1μs。探針的一頭插入實驗樣品中,另一頭接入爆速測量儀。當(dāng)爆轟波經(jīng)過探針時,高溫高壓的環(huán)境使得探針外部的漆層發(fā)生電離,其導(dǎo)通狀態(tài)由斷變?yōu)橥ǎM(jìn)而被爆速儀記錄,詳見圖1。

        依照國標(biāo)GB/T12440-1990,采用鉛柱壓縮法測量猛度。為了方便裝藥,整個實驗裝置約束在硬紙片(弱約束體系)中。實驗時在標(biāo)準(zhǔn)鉛柱(直徑40mm,高60mm)上放置一厚10mm、直徑41mm的鋼片,再在鋼片上裝藥50g。雷管起爆乳化炸藥后測量鉛柱的壓縮量,作為猛度的表征。

        1.4 水下爆炸實驗

        水下爆炸實驗在一個直徑(D)5m、高(H)5m的圓柱形開口爆炸罐中進(jìn)行,見圖2。其中,30g乳化炸藥和壓力傳感器均懸掛在水下2m處,兩者之間間隔(dt)為1m。壓力傳感器測得壓力信號后,經(jīng)信號調(diào)節(jié)器處理再由示波器顯示并存儲。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 玻璃微球和黏土顆粒含量對乳化炸藥爆速和猛度的影響

        乳化炸藥爆速及猛度實驗結(jié)果見表2,根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制等高線云圖以直觀地表征爆速、猛度隨黏土顆粒、玻璃微球含量變化而變化的趨勢,結(jié)果如圖3所示。

        表2 乳化炸藥爆速和猛度的實驗結(jié)果Table 2 Experimental results of the detonation velocity and brisance of emulsion explosive

        由圖3平行的等高線可知,新型乳化炸藥的爆速、猛度隨黏土顆粒含量變化的規(guī)律不受玻璃微球含量的影響。通過Origin 2017軟件對實驗結(jié)果擬合,提出該新型乳化炸藥在黏土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0~20%、玻璃微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%~15%時爆速、猛度的經(jīng)驗公式如下:

        D=4923.1-9930a-2980b

        (1)

        Δh=23.2-74a-20b

        (2)

        式中:D為爆速,m/s;Δh為猛度,mm;a、b分別為新型乳化炸藥中玻璃微球和黏土顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。兩式的Adj.R-Square分別為0.9985、0.9899。

        由公式(1)、(2)可知,在實驗條件下,黏土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加1%,新型乳化炸藥的爆速、猛度分別下降29.8m/s、0.20mm;玻璃微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加1%,新型乳化炸藥的爆速、猛度分別下降99.3m/s、0.74mm。由熱點模型[13]可知,爆轟反應(yīng)過程中釋放的化學(xué)能和爆速之間的關(guān)系可由式(3)估算:

        (3)

        式中:D為乳化炸藥的爆速,m/s;F為僅與爆轟反應(yīng)相關(guān)的惰性系數(shù);n為爆轟產(chǎn)物的比熱容;Q為反應(yīng)過程中釋放的化學(xué)能,MJ/kg。

        結(jié)合公式(1) ~ (3)可知,在實驗比例下,黏土顆粒和玻璃微球的加入導(dǎo)致新型乳化炸藥爆速和猛度降低,即在新型乳化炸藥爆轟反應(yīng)過程中,黏土顆粒和過量的玻璃微球都只起惰性添加劑的作用,減少了爆轟反應(yīng)過程中釋放的總化學(xué)能Q。

        2.2 爆轟機(jī)理分析

        根據(jù)熱點理論[13],當(dāng)爆轟波波陣面掠過玻璃微球時,其球殼結(jié)構(gòu)坍塌,內(nèi)部的空氣被劇烈壓縮,局部形成一個高溫高壓的“熱點”,進(jìn)而引發(fā)附近可爆組分的化學(xué)反應(yīng),為爆轟波進(jìn)一步傳播提供能量。研究表明[14],當(dāng)乳化炸藥的爆速穩(wěn)定在3000m/s左右時,爆轟波波后化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度約為2.0mm,且爆轟波波速隨著波后化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度的增加而下降。

        而對于該新型乳化炸藥而言,一方面,由于惰性添加劑(黏土顆粒和過量的玻璃微球)的加入,為了保證波后化學(xué)反應(yīng)區(qū)內(nèi)的有效熱點數(shù)量一致,以提供足夠的能量繼續(xù)傳爆下去,波后化學(xué)反應(yīng)區(qū)的寬度被迫拓寬,可認(rèn)為是黏土顆粒的阻隔效應(yīng);另一方面,由于黏土顆粒多空疏松的特性,在疏遠(yuǎn)了相鄰“有效熱點”距離的同時,勢必會吸收部分爆轟波能量。此時,爆轟波穩(wěn)定傳播需要更多的“有效熱點”為其提供能量,進(jìn)而波后化學(xué)反應(yīng)區(qū)的寬度進(jìn)一步拓寬,可認(rèn)為是黏土顆粒的吸收效應(yīng)。而波后化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度愈寬,意味著充分反應(yīng)的時間愈久,宏觀上即為該新型乳化炸藥的爆速愈低。

        綜上所述,新型乳化炸藥的爆速、猛度隨黏土顆粒或玻璃微球含量的改變而顯著改變。在實際應(yīng)用中,可通過改變?nèi)榛ㄋ幹叙ね令w?;虿A⑶虻暮縼碚{(diào)節(jié)其爆轟參數(shù)。

        2.3 黏土顆粒和玻璃微球含量對水下爆炸實驗結(jié)果的影響

        水下沖擊波的沖量I可由式(4)計算:

        (4)

        式中:p(t)為壓力時程曲線,Pa;θ為常數(shù)(s),數(shù)值上等于峰值壓力pm衰減到pm/e的時間;e為數(shù)學(xué)常量,約為2.71828。

        比沖擊波能(Es)由式(5)計算:

        (5)

        式中:dt為實驗樣品到壓力傳感器的距離,m;W為實驗樣品的質(zhì)量,kg;ρw為水的密度,kg/m3;Cw為水中的聲速,m/s。

        比氣泡能(Eb)由式(6)計算:

        (6)

        式中:tb為第一次氣泡脈動時間,s;C、K1為依賴于

        實驗條件的常數(shù),可分別由公式(7)、(8)計算:

        C=b/a2

        (7)

        (8)

        其中:a、b由式(9)通過最小二乘法計算[15];ph為實驗樣品處的靜水壓力,Pa。

        tb=aW1/3+bW2/3

        (9)

        水下爆炸的總能量(E)由式(10)計算:

        E=Ks(μEs+Eb)

        10)

        式中:Ks為實驗樣品的非球形修正系數(shù),本研究中由于樣品的形狀較為完好,故Ks取推薦的下限值1.02。根據(jù) Bjarnholt, G[16],μ為水下沖擊波在傳播過程中的壓力損失,可由式(11)計算:

        (11)

        其中:pC-J為爆轟過程中的C-J壓力值,GPa,可由式(12)計算:

        (12)

        式中:ρ為實驗樣品的密度,kg/m3;D為不同樣品的實測爆速,m/s。

        綜上,水下爆炸的峰值壓力及其他各項爆炸參數(shù)的計算結(jié)果見表3,圖4為水下爆炸試驗測得的乳化炸藥峰值壓力曲線。

        表3 不同類型乳化炸藥水下爆炸參數(shù)的對比Table 3 Comparison of the underwater explosion parameters of different kinds of emulsion explosives

        由表3可知,與傳統(tǒng)乳化炸藥(No.7)相比,新型乳化炸藥隨著乳化基質(zhì)、玻璃微球使用量的減少,峰值壓力、水下爆炸總能量等參數(shù)均有較明顯的非線性下降。當(dāng)黏土顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增至10%(No.8)時,乳化炸藥的峰值壓力、沖擊波沖量、比沖擊波能、比氣泡能和總能量分別下降3.11%、7.28%、8.58%、20.01%和17.5%;當(dāng)黏土顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由10%增至20%(No.9)時,水下爆炸的峰值壓力、沖擊波沖量、比沖擊波能、比氣泡能和釋放的總能量分別下降了31.2%、6.37%、65.03%、64.66%和64.8%。

        以上數(shù)據(jù)表明,黏土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增至10%時,主要通過降低乳化炸藥的比氣泡能來降低其水下爆炸的總能量,而峰值壓力幾乎沒有下降。而當(dāng)黏土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)由10%增加到20%時,水下爆炸比沖擊波能Es的下降超過了其比氣泡能Eb的下降,而此時峰值壓力pm也開始有明顯的下降。這種典型的非線性下降的規(guī)律可從以下兩個方面予以解釋:首先,惰性添加劑的加入使得炸藥的可爆組分減少,進(jìn)一步體現(xiàn)為黏土顆粒的含量增加,水下爆炸的比氣泡能明顯下降;其次,黏土顆粒作為一種多孔疏松介質(zhì),其含量越多,對爆轟過程中釋放的沖擊波的吸收效應(yīng)越明顯,表現(xiàn)為水下爆炸的比沖擊波能下降越明顯。

        綜上所述,相比于傳統(tǒng)乳化炸藥爆轟參數(shù)單一、固定且不便調(diào)節(jié)的特性,新型乳化炸藥水下爆炸的參數(shù)及能量結(jié)構(gòu)隨著黏土顆粒加入量的改變而發(fā)生明顯變化。這種爆轟參數(shù)穩(wěn)定可調(diào)的特性,使其可取代以工業(yè)食鹽等材料為惰性添加劑的傳統(tǒng)乳化炸藥,應(yīng)用于爆炸焊接、光面爆破等領(lǐng)域。

        3 結(jié) 論

        (1)以黏土顆粒為惰性添加劑制備的新型乳化炸藥具有爆轟參數(shù)穩(wěn)定可調(diào)、制備成本低及對環(huán)境無污染等優(yōu)點,可取代以金屬粉等材料為惰性添加劑的傳統(tǒng)乳化炸藥應(yīng)用于爆炸焊接及光面爆破等領(lǐng)域。

        (2)黏土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0~20%、玻璃微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~ 15%時,新型乳化炸藥爆速、猛度的經(jīng)驗公式分別為:D=4923.1-9930a-2980b(m/s)、Δh=23.3-74a-20b(mm)。

        (3)從傳爆機(jī)理來看,黏土顆粒和玻璃微球都只起惰性添加劑的作用。兩者降低新型乳化炸藥爆速的細(xì)觀機(jī)理可從阻隔效應(yīng)和吸收效應(yīng)兩個方面予以解釋。

        (4)水下爆炸實驗結(jié)果表明,爆轟參數(shù)隨黏土顆粒含量的增加而呈現(xiàn)出明顯的非線性下降,當(dāng)黏土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)20%時,新型乳化炸藥的峰值壓力、沖擊波沖量、比沖擊波能、比氣泡能和總能量相比傳統(tǒng)乳化炸藥分別下降了33.34%、13.19%、67.67%、71.73%和70.96%。

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