铝粉含量和粒径对乳化炸药作功能力的影响

钱 海，吴红波，邢化岛，夏曼曼

(安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001)

铝粉含量和粒径对乳化炸药作功能力的影响

钱 海，吴红波，邢化岛，夏曼曼

(安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001)

为研究铝粉对乳化炸药作功能力的影响，在负氧平衡的乳化炸药中分别添加不同含量和粒径的铝粉，采用测时仪法测定其爆速；通过水下爆炸实验计算出含铝乳化炸药的比冲击波能、比气泡能和总能量等参数。结果表明，当铝粉(粒径为5μm和35μm)质量分数为5%时，含铝乳化炸药的爆速最大，分别为5128、5071m/s；当铝粉(粒径为5μm和35μm)质量分数为20%时，乳化炸药的比冲击波能、比气泡能、总能量均随着铅粉含量的增加而增大，比冲击波能分别增加19.7%、15.3%；比气泡能分别增加12.6%、13.7%，总能量分别增加15.1%、14.5%。

铝粉；乳化炸药；比冲击波能；比气泡能；作功能力

引 言

乳化炸药因其原料来源广泛、成本低、抗水性好、生产自动化程度高等优点已成为我国工业炸药中的主导产品[1]。虽然乳化炸药的爆速及相关爆轰参数都比较高，但是由于含有少量的水，在高温高压的爆轰瞬间吸收一定的能量，使其爆炸威力下降，破岩效果不理想。为了提高乳化炸药的作功能力，近年来研制高威力的乳化炸药已成为热点课题。而向乳化炸药中添加高能物质是提高炸药能量的途径之一。Jolanta biegan ska[2]通过向乳化炸药中添加硝化纤维素来提高其作功能力。程扬帆[3]通过添加储氢材料MgH2，改变乳化炸药的敏化方式以及增加炸药的含能物质来提高其作功能力。但储氢材料MgH2在乳化炸药弱酸性环境中容易水解产生氢气，影响贮存稳定性。国外对含铝乳化炸药的爆轰性能研究较多,如,Gret B jarnholt[4]侧重于研究化学反应后期热量从Al2O3传到膨胀气体对外作功方面的问题。冯晓军等[5]研究了铝粉粒度对含铝炸药爆炸能量的影响，结果表明，铝粉质量分数小于10%时，含细颗粒铝粉炸药的爆炸能量大于含粗颗粒铝粉的炸药。

含铝炸药具有二次反应与尺寸效应，直接测量爆热比较困难，故含铝炸药的作功能力可通过水下爆炸实验数据计算出的比冲击波能和比气泡能进行评价[6]。本研究通过向乳化炸药中添加不同含量和粒径的铝粉，采用水下爆炸实验表征含铝乳化炸药的冲击波能量和气泡波能量，分析了铝粉含量和粒径对乳化炸药作功能力的影响，为实际工程中根据被破坏介质的特性来选用合适的含铝乳化炸药提供参考。

1 实 验

1.1 材料和仪器

硝酸铵、硝酸钠、水、复合钠、Span-80，国药集团化学试剂有限公司；树脂微球，铝粉(平均粒径分别为5、35μm)。

DDBS-20时间间隔测量仪，测时精度不低于0.1μs，开封市精工仪表厂；138A05型ICP传感器，压力量程0～34.47MPa，标定灵敏度96.32mV/MPa，美国PCB公司；HDO4034高分辨率多用途数字储存示波器，采样频率1MHz，美国力科公司。

1.2 含铝乳化炸药的制备

乳化炸药配方(质量分数)为：硝酸铵71%、硝酸钠11%、水9%、复合钠4%、Span-80 3%、树脂微球2%。

将称量的水相(硝酸铵、硝酸钠、水)、油相(复合钠、Span-80)分别加热到115、95℃，先将油相加入乳化罐中，打开搅拌机，将搅拌速度调为1200r/min，再将水相慢慢加入乳化罐中，搅拌3min得到乳胶基质。从乳化罐中取出乳胶基质并将其冷却到60℃，加入树脂微球敏化剂进行敏化，得到乳化炸药。称取适量的乳化炸药分别加入粒径为5μm和35μm铝粉，铝粉的质量分数分别为5%、10%、15%、20%。含铝乳化炸药常规性能参数如表1所示。

表1 含铝乳化炸药性能参数

1.3 爆速测试

根据GB/T13228-91的规定，将含铝乳化炸药药卷制作成直径为32mm、长度为200mm。将最后一个探针插入距药卷末端25mm处，并以此点向起爆端量取50mm插入第一个探针，通过测时仪法测量含铝乳化炸药的爆速。

1.4 水下爆炸实验

爆炸水池为高3.6m、直径5.5m的圆柱体。称取10g含铝乳化炸药，做成球形药包，插入8号工业雷管，固定在六角架上。其中，六角架上的药包与传感器相距50cm。实验时将六角架放入水下三分之二处，即药包放在水下2.4m处，此时，来自水面和水池底部的反射波可以相互抵消[7]。调试仪器，引爆含铝乳化炸药，示波器记录水下爆炸冲击波时程曲线，根据冲击波时程曲线和传感器的灵敏度等参数，得到冲击波的峰值压力、衰减时间常数、气泡脉动周期，从而计算冲击波的有关参数。水下爆炸测试系统示意图见图1。

图1 水下爆炸测试系统示意图Fig.1 Schematic diagram of underwater explosion test system

2 水中爆炸参数的计算

2.1 比冲击波能计算

炸药在未扰动的水中起爆后，会瞬间形成高温、高压的爆轰产物，高温产物会迅速膨胀剧烈挤压周围水介质从而形成水下冲击波[8]。水下爆炸比冲击波能公式为：

(1)

式中：Es为测点处比冲击波能，MJ/kg；ρw为水的密度，取1000kg/m3；Cw为水中声速，取1460m/s；W为炸药药包质量，g；R为药包与传感器之间的距离，m；θ为冲击波指数衰减的时间常数；p为积分区间内的冲击波压力，MPa。

将水下爆炸实验得到的电压峰值按照式(2)换算成冲击波压力峰值:

(2)

式中：pmi为冲击波压力峰值，MPa；Vmi为记录仪器显示的电压峰值，mV；Svi为传感器电压灵敏度，mV/MPa；

2.2 比气泡能计算

炸药水中爆炸后，爆炸产物以气泡的形式在水中连续膨胀收缩，称为气泡脉动。气泡脉动压力只有冲击波峰值压力的15%～20%，但脉动的时间很长，产生的冲量高于冲击波[9]，从装药爆轰到出现气泡第一次收缩的气泡振荡周期称为气泡脉动周期。根据实测的气泡脉动周期tb，与水面实测大气压和装药深度处的静水压修正成同一标准压力下的气泡脉动周期Tb，得到比气泡能Eb

(3)

式中：C和k1为给定水池和装药位置等测试条件下的固有常数；W为炸药包质量，g；Tb为水面实测大气压和装药深度处的静水压修正成同一标准压力下的气泡脉动周期，ms。

2.3 总能量计算

炸药总能量计算公式为：

Et=Kf(u·Es+Eb)

(4)

(5)

式中：Et为炸药输出的总能量，MJ/kg；Kf为药型系数，对于球形药包Kf=1；u为冲击波损失系数。

式(5)中u与炸药的爆轰压力成函数关系，爆轰压力可用式(6)求得：

pC-J=0.25ρ0D2

(6)

式中：ρ0为炸药的密度，g/cm3；D为水中炸药包的爆速，m/s。

爆炸实验在浅水中进行，可用空气中的炸药爆速来代替水中炸药包的爆速，再综合式(4)、(5)、(6)，可得到含铝炸药的总能量。

2.4 活性铝含量计算

铝粉中只有以单质状态存在且未被氧化的铝对氧化放热反应起作用，故将铝粉中未被氧化的铝称为活性铝。而微米铝粉的活性主要取决于活性铝的含量，即活性铝含量越高，单位质量的铝粉燃烧释放的能量越多。曾亮[10]利用激光粒度仪及质谱仪测得微米铝粉的粒径与其氧化层厚度之间的规律，如式(7)所示：

δ=56.514(1-e-0.0378d)

(7)

式中：δ为铝粉氧化层厚度；d为铝粉的粒径，1～370μm。

根据式(7)可得出,当铝粉粒径分别为5、35μm时，平均氧化层厚度分别为9.73、41.40nm。

3 结果与讨论

3.1 铝粉含量对乳化炸药爆速的影响

含铝乳化炸药爆速测试结果如表2所示。

表2 乳化炸药爆速

从表2可以看出，加入5%的铝粉时，乳化炸药的爆速达到最大，分别为5128、5071m/s，这是因为含铝乳化炸药爆轰时，爆轰反应区间内的铝粉参与爆轰反应，产生的热量使波阵面上支持爆轰反应的能量增加。随着铝粉含量的增加，爆速开始下降，这是因为爆轰反应区内铝粉参加反应，只能产生一定的热量来支持乳化炸药的爆轰。而随着铝粉的增加，爆轰反应区内的铝粉含量也开始增加，这些未参加反应的铝粉在反应动力学上对反应物的浓度起稀释作用，同时吸热并消耗部分能量，从而降低爆轰反应区的能量，使爆压降低，爆速开始下降[11]。

从表2还可以看出，铝粉含量相同时，含小粒径铝粉(5μm)的乳化炸药爆速比含大粒径铝粉(35μm)的爆速要高。这是因为，小粒径铝粉比大粒径铝粉的比表面积要大，与周围介质接触的面积增大，铝粉与周围介质的导热更容易。由二次反应论和惰性热稀释理论可知，比表面积越大的铝粉，可较快地吸热达到活化温度，反应更充分，参加爆轰反应更容易。另外根据热点理论，小粒径铝粉具有更多的棱角，在冲击波的作用下形成更多的“灼热点”，从而使炸药的爆轰反应更为迅速。

3.2 铝粉含量对乳化炸药比冲击波能的影响

图2为含铝粉乳化炸药的比冲击波能曲线。从图2可以看出，两条曲线的变化趋势基本一致，比冲击波能随铝粉含量的增加而增大，当铝粉质量分数增至15%左右时，比冲击波能达到一个相对稳定的状态；随着铝粉含量的增加，比冲击波能变化非常小，说明随着铝粉含量的增加，对比冲击波能的影响不大。当铝粉质量分数增至20%左右，其比冲击波能分别增加19.7%和15.3%。当铝粉含量相同时，加入小粒径铝粉比大粒径铝粉的比冲击波能大。说明大粒径铝粉参与爆轰反应的量非常少，在爆轰波阵面上甚至起到惰性作用，更多的是与爆轰产物反应。而比表面积更大的小粒径铝粉更容易参与爆轰反应，并放出热量来支持爆轰波的传播；其次小粒径铝粉反应较快，有利于冲击波阵面上的能量积累。

图2 铝粉含量对乳化炸药比冲击波能的影响Fig.2 Effect of aluminum powder content on specific shock wave energy of emulsion explosive

3.3 铝粉含量对乳化炸药比气泡能的影响

图3为含不同粒径铝粉的乳化炸药的比气泡能曲线。

图3 铝粉含量对乳化炸药比气泡能的影响Fig.3 Effect of aluminum powder content on specific bubble energy of emulsion explosive

从图3可以看出，乳化炸药的比气泡能随铝粉含量的增加而增大，其中含大粒径铝粉乳化炸药的比气泡能比含小粒径铝粉乳化炸药的比气泡能大。分析认为，铝粉粒径越大，其表面氧化层的厚度也越大，被氧化的铝粉就越多，其活性铝的含量就越低，释放的能量就越少。另外，在冲击波的作用下，不同厚度铝颗粒表面的氧化层承受冲击波的能力不同，铝粉粒径越小，平均氧化层厚度越薄，铝粉表面氧化层脱落的时间就越短，活性铝参与反应的时间越早，铝粉氧化反应也就越快。相反，铝粉粒径越大，平均氧化层厚度越厚，铝粉表面氧化层脱落的时间就越长，活性铝参与反应的时间越晚，铝粉氧化反应也就越慢。故在铝粉含量相同的条件下，含大粒径铝粉的乳化炸药的能量释放相对缓慢，持续时间较长，大粒径铝粉主要是在炸药爆轰反应的后期参加反应，使反应的气泡能增加。

3.4 铝粉含量对乳化炸药总能量的影响

图4为含不同粒径铝粉的乳化炸药的总能量曲线。

图4 铝粉含量对乳化炸药总能量的影响Fig.4 Effect of aluminum powder content on total energy of emulsion explosive

由图4可以看出，含铝乳化炸药的总能量随着铝粉含量的增加而增加，当铝粉质量分数增加到20%左右，其总能量分别增加15.1%、14.5%。其中铝粉质量分数为0～10%时，总能量增加较快，含小粒径铝粉的乳化炸药总能量比含大粒径铝粉的乳化炸药总能量高。随着铝粉含量的增加，含铝乳化炸药总能量增加较慢，铝粉的粒径对总能量影响较小。

4 结 论

(1)当乳化炸药中铝粉的质量分数为5%时，爆速最大，随着铝粉含量的增加，炸药的爆速呈减小趋势。

(2)含铝乳化炸药在水下爆炸时所产生的比冲击波能和比气泡能都随着铝粉含量的增加而增大；其中，铝粉含量相同时，含小粒径铝粉乳化炸药的比冲击波能大于含大粒径铝粉的比冲击波能，含小粒径铝粉的乳化炸药比气泡能小于含大粒径铝粉的乳化炸药的比气泡能。

(3)含铝乳化炸药的总能量随着铝粉含量的增加而增大。铝粉质量分数为0～10%时，含小粒径铝粉的乳化炸药的总能量比含大粒径铝粉的乳化炸药的总能量高。

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Effect of Aluminum Content and Particle Size on the Power of Emulsion Explosives

QIAN Hai，WU Hong-bo,XING Hua-dao,XIA Man-man

(School of Chemical Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001，China)

To study the effect of aluminum powder on the power of emulsion explosives,aluminum powder with different particle size and content were added into emulsion explosive with negative oxygen balance.The detonation velocity of the explosive was measured by a timing instrument method and the specific shock wave energy,specific bubble energy and total energy etc.parameters for aluminized emulsion explosive were tested and calculated by underwater explosion experiment.The results show that when the mass fraction of aluminium powder with particle size of 5μm and 35μm in emulsion explosive is 5%,their detonation velocity achieves maximum 5128m/s and 5071m/s,respectively.The specific shock wave energy,specific bubble energy and total energy increase with the increase of aluminum content.When the mass fraction of aluminium powder with particle size of 5μm and 35μm in emulsion explosive is 20%,their specific shock wave energy increases by 19.7% and 15.3% respectively,specific bubble energy increases by 12.6% and 13.7%,respectively,and total energy increases by 15.1% and 14.5% respectively.

aluminum powder; emulsion explosive; specific shock wave energy; specific bubble energy; power

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.01.008

2016-07-15；

2016-10-30

高等学校博士学科基金资助项目(20123415110004)

钱海(1991-)，男，硕士，从事乳化炸药性能研究。E-mail:1029670170@qq.com

吴红波(1975-)，男，博士，副教授，从事乳化炸药性能研究。E-mail:hbwu@aust.edu.cn

TJ55;TQ564

A

1007-7812(2017)01-0040-05