火焰射流型高热剂在废旧弹药销毁中的应用初探

宋佳星，方 向，周 鹏，丁 文，刘 涛，郭 涛



火焰射流型高热剂在废旧弹药销毁中的应用初探

宋佳星1，方 向1，周 鹏2，丁 文1，刘 涛3，郭 涛1

（1.解放军理工大学野战工程学院，江苏南京，210007； 2.装备发展部装备技术合作局，北京，100034；3.装甲兵学院，安徽蚌埠，233050）

针对熔渣型高热剂弹药销毁法存在的缺陷，基于火焰射流型高热剂进行弹药销毁的原理和优点，采用不同药量的二氧化锰火焰射流型高热剂对模拟弹体材料进行了弹药外壳熔穿实验，并对其燃烧温度进行理论计算。实验结果表明，该类高热剂能够快速有效熔穿模拟弹体材料，并且提高销毁的安全性。

高热剂；弹药销毁；火焰射流；二氧化锰；安全

高热剂是由金属或非金属单质与其他元素的氧化物组成的烟火药剂，其燃烧反应类似置换反应，生成另一种单质及氧化物的熔渣[1-3]。随着高热剂在军事中的广泛应用，研究人员考虑利用高热剂对废旧弹药进行销毁。目前，普遍采用的销毁器装药类型是铁铝高热剂，其销毁弹药的原理是利用铝热反应产生超过2 000K的高温灼热液态熔渣[4]，迅速熔穿弹药的外壳（弹药外壳的材质包括金属和塑料），进而点燃弹体内部的主装药，使炸药燃烧殆尽而不产生爆轰，从而达到销毁的目的。

易建坤[5-7]通过实验研究了Fe2O3/Al高热剂的反应现象、原理和配方，在单因素实验基础上，利用正交实验进行了配方的优化，得出了铁铝高热剂与添加剂的最佳配比和反应密度。美国的Saint[8]等主要对高热剂的红外效应以及添加剂的性能进行了研究。

虽然铁铝高热剂应用于高能燃烧法销毁废旧弹药具有良好的应用效果，然而，这种类型的高热剂在实际销毁作业中还是存在一定的局限性。由于铁铝高热剂是利用燃烧产生的液态高温熔渣进行销毁，在重力的作用下，液态熔渣会向下流动，为保证良好的熔穿效果，圆柱形的销毁器必须垂直设置在被销毁弹体的正上方，销毁器底部装药必须与被销毁弹药外壳接触，并要保证在销毁器作业燃烧的过程中不能发生倾斜或倒伏。这对销毁器的设置要求较高，通常需要配备特殊的固定装置等器材，提高了销毁作业成本，延长了销毁作业时间。

针对铁铝高热剂存在的上述不足，本文讨论了新型的火焰射流型高热剂在废旧弹药高能燃烧法销毁中的应用，使用二氧化锰配制的火焰射流型高热剂装填销毁器材，在销毁作业中，可将销毁器设置于被销毁弹药的上方、侧面或下方，并且设置时销毁器不需要接触弹体，销毁器作业时利用口部喷出的高温火焰射流迅速熔穿弹药壳体，点燃内部主装药，达到销毁废旧弹药的目的。这种类型的高热剂销毁器材能够有效弥补熔渣型高热剂销毁器材存在的缺陷，能够满足实际作业的应用需求，并保证销毁作业高效、安全、可靠地进行。

1 火焰射流型高热剂销毁弹药原理

火焰射流型高热剂销毁弹药主要是利用化学反应产生的高温火焰射流（通常温度在2 000~3 000℃，形成高温气体或气液混合体产物）对目标进行燃烧销毁。对于带金属壳体的装药，例如GLD213型防坦克地雷（72式铁壳）和GSL210型火箭扫雷弹等，通常在待销毁弹体目标的侧方或下方放置高热剂，高热剂反应喷射出的高温火焰射流可直接熔穿金属壳体形成开孔，同时将内部装药点燃，利用开孔将燃烧产生的气体释放出去，并使高温熔融的内部装药流出壳体燃烧，不至于因壳体的外部约束而形成内部高压，导致燃烧转爆轰，保证了燃烧销毁的安全性，也提高了销毁速率。

2 实验研究

2.1 配方选择与优化

根据烟火剂中燃烧剂的配方原理，考虑到金属Al的氧化物生成热高，燃烧猛烈，具有很高的火焰温度，选用金属Al作为还原剂，二氧化锰作高热剂中的氧化剂成分。因此，二氧化锰高热剂的主要成分为Al和MnO2，其热化学反应方程式为：

根据化学反应方程式可计算得到的高热剂装药配方为：MnO2/Al=70/30。按照销毁器的尺寸和药量要求，可得到高热剂的装填密度为2.596g/cm3。按化学计量比MnO2/Al=70/30配制的高热剂在燃烧时，平均每克二氧化锰高热剂放出热量为4.768kJ，即理论热效应为4.768kJ/g，平均每克高热剂可以产生0.45g金属锰单质[8]。

2.2 模型描述与钢板烧蚀实验

由于炸药的易燃特性，在实际销毁作业中，点燃弹体内的主装药通常比较容易。因此，销毁作业能够顺利进行的关键因素是能够迅速熔穿弹药的金属壳体，将壳体内的压力释放出来，防止燃烧转爆轰现象的发生。在初步的探讨中，本文重点研究了二氧化锰高热剂对金属壳体的熔穿作用。

航空炸弹、榴弹和破障弹等常规武器弹体常用钢质材料制成，也有采用刚性铸铁和高强度合金钢制成[9]。本实验选用了A3钢板模拟弹药金属壳体材料，既来源广泛又与实际弹壳材料相差不大。二氧化锰高热剂烧蚀A3钢板的实验示意图见图1。如图1所示，钢板设置在装填了高热剂的销毁器的上方，相距一定距离。

图1 高热剂销毁器熔穿模拟弹药金属壳体实验示意图

2.3 实验现象及结果

根据不同药量配置不同厚度的A3钢板和不同的距离，选择配方为MnO2/Al=70/30的药剂，分别以50g、100g、200g和500g药量进行实验。燃烧过程中可以观察到MnO2和Al反应剧烈，发出强烈的白光，有明显的上冲火焰射流区域，同时有大量灼热熔渣从上方喷射出，与火焰的喷射方向一致，并伴有声响和黄色烟雾，可在较短时间内将实验A3钢板熔穿。图2是二氧化锰高热剂反应时的现象，图3显示了各组实验反应后的A3钢板表面烧蚀效果及二氧化锰高热剂反应后产生的极少量熔渣，表1列出了不同药量各组的实验数据。

(a) 点火前 （b） 燃烧现象

图2 二氧化锰高热剂的燃烧现象

Fig.2 The combustion phenomena of manganese dioxide thermite

图3 各组模拟弹体表面燃烧穿孔实验效果

结合以上实验参数与实验现象可知，零氧平衡下所计算出的配比为MnO2/Al=70/30的二氧化锰型高热剂，其粉状装药点火性能良好，燃速较快，点火后能够实现稳定燃烧。各组实验均能够熔穿A3钢质的目标靶板，其中实验的最小药量为50g，就可在3s内迅速用高热火焰射流烧穿2mm厚的A3钢板。

表1 各组模拟弹体表面燃烧穿孔实验现象及燃烧时间

Tab.1 The perforated surface combustion experimental results and time of simulated projectile

3 燃烧温度计算与实验现象分析

3.1 燃烧温度计算

高热剂燃烧反应的最高温度[10]可以按下式进行计算：

式（1）中：为反应温度；为反应放热量；为反应产物的熔化热和汽化热总和；为反应产物的总热容。

根据二氧化锰高热剂的热化学反应方程式，Mn的熔点为1 244℃，沸点为2 061℃，Al2O3的熔点为2 050℃，沸点为2 980℃。其中，Q(Mn)=8.4kJ、Q(Al2O3)=33.4kJ、Q(Mn)=0.08×(2 061+273)= 186.7kJ[11-12]。

∑(Q+Q)=(484.9+33.4) ×2 +(186.7+8.4) ×3=1 621.9kJ （2）

查得金属Mn和金属氧化物Al2O3的热熔为C(Mn)=24.64J·mol-1·℃-1。C(Al2O3)=24.64J·mol-1·℃-1[11-12]。则：

∑C=24.64×3+129.6×2=333.12 J·mol-1·℃-1

计算得出的温度很低，因此反应产物不能全部汽化，须将沸点最高的反应产物Al2O3的汽化热去除，重新计算后得到：

计算得出的温度又高于产物Al2O3的沸点，因此，计算结果不能代表实际反应的温度。但从此计算中可以得出，反应的实际温度高于Mn的沸点，低于Al2O3的沸点，即二氧化锰高热剂的反应温度为2 061~2 980℃。

3.2 实验现象讨论与分析

由此分析二氧化锰高热剂反应的现象，由于金属Mn的熔点较低，仅有1 244℃，沸点也较金属Fe低得多，在2 061~2 980℃的高温燃烧产物中，金属Mn初始状态主要为气态，也可能同时存在少量的液态金属Mn，以小液滴的形式存在；此外，该类高热剂的颗粒度尺寸相对较大，装药结构比较疏松，颗粒与颗粒之间有一定的空气间隙，而药剂中的杂质参与反应，也可能产生一定量的气体；此外，相较于铁铝型高热剂，二氧化锰与铝的反应更加迅速，导致反应生成的高热使混合药剂中的气体迅速膨胀，将生成的大量气态或气液混合态的金属Mn以具有一定压力和速度的金属蒸汽射流的形式喷出，利用其高温金属射流对A3钢板靶板进行穿孔。此外，由于这种高热剂的高温产物主要分布在气相中，火焰压力大，火焰温度极高，随着火焰上下区域的分布，燃烧时高热产物及能量分布有较大不同。因此，燃烧目标靶板在火焰中所处的位置不同，其受热和烧蚀熔穿效果也会有很大的区别。

4 结论

（1）与铁铝高热剂相比，二氧化锰高热剂利用高温火焰射流，可在多角度以及不触碰弹体的情况下完成销毁作业，可对各种规格、形状的常规武器废弃弹药进行有效销毁，也可对一些勘明的简易爆炸装置进行现地销毁（化学武器、生物武器的销毁不能采用常规方法，如果提出该说法必须注明可靠的引用文献出处）。使用该类高热剂装填销毁器材，具有以下优点：其适用的销毁对象范围更加广泛；对销毁作业场地要求较低；器材设置简单，缩短了销毁作业所需的时间，增加了销毁作业的效率；不需触碰被销毁的弹体，提高了销毁的安全性。

（2）由于金属Mn的理化特性导致高热剂在燃烧完毕后，在装药底部几乎没有熔融的灼热金属熔渣产生，因此在之前的研究中并未在弹药销毁方面得到广泛应用。而本文的实验研究表明，该类高热剂可作为新型高温火焰射流型高热剂对废弃弹药进行销毁，并且其应用优点突出，能够弥补传统的熔渣型铁铝高热剂的一些不足之处，在高能燃烧销毁技术以及对一定厚度的金属壳体进行快速切割穿孔等方面具有广阔的应用前景。

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Preliminary Investigation into Application of Flame Jet Thermite to Scrap Ammunition Destruction

SONG Jia-xing1，FANG Xiang1，ZHOU Peng2，DING Wen1，LIU Tao3，GUO Tao1

(1. The Field Engineering College of PLA University of Science and Technology,Nanjing,210007；2.Equipment Technical Cooperation Agency of Equipment Development Department,Beijing,100034；3.Armored Force College,Bengbu,233050 )

Aimed at the defects of using slag thermite to disposal ammunition, based on the principle and advantages of flame jet thermite, the flame jet thermites of manganese dioxide with different mass were adopted, then the disposal experiment of simulated material of ammunition had been carried out, and the theoretical combustion temperature was calculated. Test result showed that the flame jet thermite could melt through simulation material of ammunition quickly and effectively, and the disposal safety was improved.

Thermite；Ammunition destruction；Flame jet；Manganese dioxide；Safety

1003-1480（2016）05-0046-04

TQ567.7

A

2016-04-28

宋佳星（1993 -），男，在读硕士研究生，主要从事兵器科学与技术研究工作。