小口径枪弹焚烧销毁机理分析与实践

王小川

(中国人民警察大学，河北 廊坊 065000)

随着轻武器更新换代，老旧型号枪弹囤积量较大，接近甚至超过仓储报废年限，实弹射击训练也导致部分失效枪弹的出现，这些枪弹危险性极大，若处置不当极易造成安全事故，所以必须销毁。当前，国内外销毁枪弹主要方法有：传统烧毁法、掩埋、引爆、深海倾倒、聚能切割、化学分解法等[1-4]。其中掩埋、深海倾倒、引爆等方法会污染环境、销毁效率低，且不利于资源回收利用和普及推广;其他方法对于设备、技术要求高，销毁成本大，也难以广泛普及应用。

烧毁法是目前应用最广泛的枪弹销毁方法，它是对含能材料施以火焰(热能)刺激，促使其能量按预定的途径释放出来的技术过程，主要是引燃含能材料后，含能材料能够自维持燃烧，直到全部销毁[5-8]。本文主要通过对小口径枪弹销毁过程中枪弹发射药点火模式机理及燃烧和轰燃影响因素进行分析，为设计销毁小口径枪弹装置提供理论依据，力图研究出行之有效的销毁小口径枪弹装置及相关处置方法。

1 报废枪弹焚烧销毁过程机理特征分析

报废枪弹重点是对枪弹发射药的销毁，发射药的焚烧销毁过程一般可分为两个阶段：发射药表面着火、火焰向发射药内部传播。

1.1 枪弹焚烧销毁的点火特征分析

发射药在点火源的作用下，局部表面温度高于点火温度时，发射药表面出现火焰，这个过程称为点火。发射药点火温度越高，点火压力越大，点火速度越快，时间越短。发射药燃烧产生的高温气体产物和凝聚相产物加热发射药局部表面，使发射药的表面发生分解，分解产物发生放热氧化还原反应，很快使加热的局部表面温度增高到点火温度而被点燃，点燃的发射药火焰沿发射药表面持续传导，使整个发射药表面被点燃。

枪弹烧毁的点火模型比较符合流动热气体点火模型，如图1所示。点火发生在t=0时刻，若t≤0时发射药温度T0为常数，t=0时，热气流开始从材料表面流过，点火加温发生在这个时刻。

图1 点火源点燃发射药模型示意图

假设材料点火前不发生化学反应和形态相变，发射药表面为平面，建立材料点燃的热传递方程：

(1)

式中，α为发射药的散热系数，α=λ/(ρc)；λ为发射药的热传导系数；ρ为发射药的密度；c为发射药的比热容。

在传热交界面处，根据能量传递守恒定律：

(2)

式中，h为热交换系数。

材料被加热点燃的最高温度在x=0处的界面上，只要求出该界面上，表面温度T随时间的变化规律即可。根据拉普拉斯变换，在加热气体的温度Tg为常数时，可得：

随着时间的增加，发射药表面的温度不断上升，只要气体的温度超过发射药点火温度TK，点火就发生。令T=TK，可求得点火延迟时间的长度。点火延迟时间可以表示为：

(4)

可知，点火延迟时间与发射药密度、比热容、导热系数成正比，随着点火温度TK的升高和炸药初始温度的降低而增加，提高点火源的温度Tg可缩短点火时间。

点火热源引燃发射药，必须有足够高的温度和热量。根据点燃方式不同，发射药点火方式分为自动点火和强制点火。枪弹销毁工作中，应尽可能避免自动点火和其他火灾引发的枪弹强制点火，但是，有时需要利用强制点火的方式烧毁报废枪弹。

1.2 枪弹焚烧销毁燃烧特征分析

(5)

式中，λ，ρ，c为发射药的导热系数、密度、比热容；r为燃烧速度；初始边界条件为T=TK(x=0,y=1),T=T0(x→∞,0

(6)

可以看出，增加气体与发射药表面的热交换系数，提高点火区周围的气体温度和发射药初温，降低发射药的导热系数、密度、比热容或点燃温度，均可提高火焰沿发射药表面的传播速度。发射药持续燃烧，在常压下，传播速度一般为每秒几毫米到每秒几十毫米。影响燃烧速度的因素有：材料自身属性，即材料的组成、密度、湿度；材料数量以及堆积方式，即数量多少，堆积厚度、宽度，以及暴露于空气中的面积。在枪弹销毁过程中，常利用这些影响因素控制发射药材料的烧毁。

1.3 枪弹焚烧销毁燃烧转为爆轰的机理特征分析

发射药燃烧过程中，当燃气进入发射药孔隙后，其内部表面被引燃，当孔隙率较高时，发射药的燃烧面骤增，产生的燃气量也猛增，压力也随之急剧上升，促使燃速迅速加快，产生对流燃烧。若燃烧在密闭或半密闭容器中发生，可能造成循环式的燃速增快、燃烧面增大和压力急升，这时燃烧表面附近产生的气体难以扩散，燃烧面气流密度升高从而形成压缩波。压缩波的叠加会形成冲击波，当冲击波到达一定强度时，就会使气体产物产生爆轰。气体产物爆轰形成的新的冲击波又反过来冲击未反应的发射药并使其爆轰，于是发射药燃烧转爆轰的过程一般经过燃烧、不稳定燃烧、低速爆轰、高速爆轰这四个阶段。

1.3.1 枪弹发射药燃烧转为爆轰的影响因素

1.3.1.1 压力的影响。影响发射药燃烧转爆轰的最重要因素是压力，压力增大时，气相活化分子的碰撞机会增多，气相反应加速，会增加气相高温产物向发射药凝聚相内部的渗透，加速凝聚相反应。发射药燃速和压力的增加成正比，当压力超过压力界限时，燃速就会急剧增加转为爆轰，通常发射药的装药密度越低，产物温度越高，燃速越快，发火点越低，压力对发射药燃烧转爆轰的影响越大。在一定的压力范围内(如0.006 7～20 MPa)，大多数发射药能够进行稳定燃烧，当压力值达到最大时，燃烧可能由稳定燃烧变为不稳定燃烧，进而产生爆轰；当压力小到某一值时，燃烧由于不能稳定而熄灭。

发射药属于炸药的一种，大多数炸药都有稳定燃烧的压力界限，高于压力上限时，燃烧转为爆轰；低于压力下限时，燃烧熄灭，只有在压力区间内，才能稳定燃烧。

液态的、粉末状的以及低密度压装的炸药稳定燃烧的压力上限，比注装的、高密度压装的、胶质的炸药压力上限低，粉末状炸药在高压条件下燃烧时，因颗粒着火速度快，燃烧面急剧扩大，使粉状炸药不能稳定燃烧。因此，禁止用焚烧法销毁粉状发射药。

1.3.1.2 火焰热辐射的影响。发射药在燃烧的情况下产生巨大的火焰，火焰温度越高，热辐射的影响就越大，发射药温度上升的也就越快，在强热和高温作用下形成热积累，压力急剧上升，容易发生燃烧转为爆轰现象。

1.3.1.3 外壳的影响。当发射药有外壳时，气体产物不易排出，压力容易上升，因而外壳有利于燃烧转为爆轰。如，发射药密封于弹壳内部时，有助于压力的迅速升高促进燃烧转爆轰，烧毁未破坏弹壳密封性的枪弹时，应注意弹头及弹片飞溅带来的危害。

1.3.1.4 热传导的影响。热传导系数大，导走的热量多，加热层越厚，达到材料燃烧所需的热量就越多，需要不断补充能量，燃速较慢，如果热传导系数太大，就可导致燃烧熄灭。

1.3.1.5 装药结构的影响。装药强度不足时，尚未燃烧的发射药在高温高压气体及产物的作用下突然发生碎裂，燃烧面积突然增大，燃速突然加快，促使燃烧转为爆轰。某些发射药和起爆药的晶体在燃烧时也能产生裂缝以致碎裂。粉状装药及多孔性发射药，它们的装药密度小、孔隙多，高温燃烧产物容易渗透到发射药内部，便于燃烧转爆轰。

1.3.1.6 受发射药内部孔隙的影响。孔隙利于燃气的进入，使燃烧面变形扩大，破坏燃烧的稳定性，使燃烧转爆轰，比如，柱状发射药比粉状发射药更容易由燃烧转爆轰。

1.3.2 枪弹焚烧销毁过程中燃烧与爆轰的区别

发射药除稳定燃烧外，还有不稳定燃烧，甚至由燃烧转为爆轰，这里有必要分析一下燃烧与爆轰的区别：(1)能量传递方式不同。燃烧是靠气体产物扩散和导热将能量传给尚未反应的发射药，使其继续燃烧；爆轰是靠爆轰波将能量传给尚未反应的发射药，使之继续爆轰。(2)传播的速度不同。燃烧比爆轰传播的速度慢得多，燃烧传播的速度低于声速；爆轰传播的速度高于声速。(3)产物运动方向不同。燃烧反应结束瞬间，火焰阵面后的产物运动方向与火焰传播方向相反；爆轰结束瞬间，爆轰波阵面后产物的运动方向与爆轰波传播的方向一致。(4)受外界条件影响不同。燃烧受外界条件(压力、温度、外壳等)影响很大；爆轰受外界条件影响很小，甚至无关。(5)化学反应不同。同一种发射药在燃烧与爆轰时反应区中进行的化学反应不同，放出的能量不同，在没有外界空气中氧参加时，同一种发射药在爆轰时比燃烧时放出的能量多。

由上可见，燃烧与爆轰是性质不同的两个过程，但它们都是发射药化学反应的形式，二者存在一定联系，在特定条件下燃烧才可以转变为爆轰。

2 焚烧箱销毁小口径报废枪弹的处置方法

2.1 焚烧箱销毁原理和设计要求

焚烧销毁是以外部焚烧作为枪弹发射药的点火热源，以热辐射形式点燃枪弹弹壳内部发射药，属于强制点火，发射药燃烧从表面开始向内传导，并逐步发展为爆轰。相对于正常以击发枪弹底火，在弹壳内部以明火瞬间引燃发射药的点火方式相比，爆轰烈度较低，部分因锈蚀导致的弹壳密封失效的枪弹甚至不会发生爆轰现象，即使弹头因爆轰飞溅，威力也比较低，处于可控可防范围。因此，以箱体集中焚烧销毁枪弹在理论上具有可行性。

焚烧箱烧毁法，主要适用于烧毁12.7 mm以下口径枪弹、底火、发烟弹、催泪弹、信号弹等火工品，是在传统焚烧销毁法基础上，用焚烧箱体作为载体，以内部点火、焚烧方式来实施枪弹销毁，其承载枪弹密度较高，但批量销毁时不排除集中爆轰的可能性。焚烧箱设计要求较高：(1)为确保安全，既要保证箱体的耐爆性，又要防止弹片飞出箱体造成伤害；(2)既能为箱体内部燃烧充分供氧，还要为枪弹爆轰有效排压；(3)要求体积小、移动方便，使用上处置方法简单，安全高效，易于回收清点。

2.2 焚烧箱制作

焚烧箱需要有一定耐爆性，目前公安部制式枪弹中口径最小、发射药装药量最少的枪弹在单体烧爆时，弹头飞出了近20 m直线距离，销毁其他口径枪弹时焚烧箱的耐爆要求更高。因此，焚烧箱箱体使用10 mm厚防弹钢板焊接成形，以保证焚烧箱不会因枪弹爆轰或弹片冲击变形、受损，尺寸设计为420 mm×420 mm×350 mm，在其内部距底部15 mm处设置可活动枪弹承载网。箱体与箱盖采用卡榫固定，确保箱盖在工作过程中不会产生位移，为保证燃烧过程的充分供氧以及防止弹片飞溅并有效排压，在箱盖均匀开有5 mm直径圆孔矩阵，如图2所示。

图2 小口径枪弹焚烧销毁箱设计图

2.3 焚烧箱销毁小口径报废枪弹的处置方法

首先，在下方均匀铺满枪弹包装纸、包装盒、废弃擦枪布等可燃物，而后放置承载网并均匀铺装弹药，铺装高度不高过8 cm，为保证燃烧速度，可淋助燃剂，或继续在枪弹上方覆盖可燃物。其次，将顶盖推入两侧卡榫，而后将沁有枪油的废弃擦枪布点燃扔进焚烧箱，迅速将顶盖推送到位。作业人员退到20 m以外安全区域。第三，如果待销毁枪弹较多，可只保留承载网下方可燃物，采用外部加热方式销毁。多品种烧毁时，应注意按燃烧、爆炸强烈程度不同适当搭配混合铺装，将爆轰强烈的品种在箱内分散开。最后，残渣清理。待焚烧箱熄灭5 min后，对焚烧箱进行浇水冷却，确认无燃烧、爆轰后进行残渣清理，严禁带火或焚烧箱未冷却时清理。清理时认真清点未燃、未爆品，仔细检查灰烬和残留物，严防未烧毁的弹药混入渣壳中。

3 结论

本文建立了报废枪弹的点火模型，分析了报废枪弹点火-燃烧-爆轰过程机理特征，得到了影响销毁小口径枪弹的影响因素。发现通过增加气体与发射药表面的热交换，提高点火区周围气体温度和发射药初温，降低发射药的导热系数、密度、比热容或降低发射药点燃温度，均可使火焰提高沿发射药表面传播的速度。同时提出了利用焚烧箱销毁小口径枪弹的处置方法，设计了焚烧箱装置，整理出了点火方法及残渣处理原则，保证了销毁枪弹的可靠性，对于处置小口径报废枪弹具有一定现实意义。