烟火切割技术研究最新进展概述

夏国伟

摘 要 近年来，国内外关于烟火切割技术的研究有了很大突破，出现了许多新的烟火切割产品。烟火切割产品主要由切割炬和点火装置两部分组成。点火装置用来输出点火信号，也可作产品的手持部位。切割炬内含切割药剂，燃烧后产生的高温熔融金属射流快速切割金属。为了进一步促进国内烟火切割技术的发展，对国内外烟火切割技术的研究历史和现状，尤其是近五年的发展进行了对比、分析，发现国内的烟火切割技术研究发展迅速。

关键词 烟火切割;切割炬;点火装置;水陆两用;综述

烟火切割技术的作用原理是利用烟火药剂点燃后燃烧产生的高温熔融金属射流在短时间内融化金属材料，达到切割金属材料的目的。烟火切割技术区别于其他切割技术最主要的特点就是可不依靠外界设备和能源进行切割，在抢险救援、紧急抢修、破拆救援等复杂环境有着广泛的应用和不可取代的优势。烟火切割技术产品具有轻巧便携、操作简单、快速有效、价格便宜等优点。为了进一步促进国内烟火切割技术的发展，对国内外烟火切割技术的发展历程做了对比、分析。

1早期烟火切割技术的国内外发展情况

1.1 早期国外烟火切割技术的发展情况

国外对烟火切割技术的研究经验较为丰富，开始于二十世纪七十年代。历史上，国外发明过很多种不同样式的烟火切割炬，如1973年和发明的手持式烟火切割炬。1973年发明的水陆两用烟火切割炬。1986年等发明的带喷嘴的烟火切割炬。1991年等发明了带支架的烟火切割炬。

此外，还有Geasland在1995年，Faccini等在1983年和Carter在2003年分别发明的便携烟火切割炬，其结构相对简单。这些烟火切割炬的结构不同，各有特点，但总结这些烟火切割炬的结构特点，会发现切割炬的都具有以下特点：

切割炬基本结构由烟火药柱、壳体和喷嘴三部分组成。烟火药柱由烟火药剂压制而成。烟火药剂主要由铝热剂、还原剂、产气剂等组成。利用瞬间发生的氧化还原反应产生高温熔融金属射流，通过喷嘴后熔融金属材料，达到切割金属的目的。此外，喷嘴的结构，尤其是喷口直径大小对切割效果影响很大。喷嘴处温度能达到3000～5000摄氏度，一般的材料无法承受此温度，故喷嘴材料往往采用石墨等耐高温材料。切割炬后加装点火装置，用于给烟火药点火。由于燃烧时产生的巨大反作用力，为了确保安全，烟火切割装置通常固定在试验装置上发射。

1.2 早期国内烟火切割技术的发展情况

国内对烟火切割技术的研究相对较晚，发展相对较少。具有代表性的有台州盛世环境工程有限公司发明的。此热切管器的烟火药剂基本上由铝热剂和成气剂所组成，各成分的重量百分比为铝热剂70%～95%，产气剂5%～30%。铝热剂是由铝和三氧化二铁所组成。成气剂是高锰酸钾与活性炭混合物、聚四氟乙烯或者硝化棉。等应用铁铝热剂（FeO/Al/添加剂=78/22/7）进行销毁弹药的试验，获得了成功。在结构相同的情况下，烟火药剂起到关键作用。不同的烟火药剂配方，产生的切割效果千差萬别。烟火药剂燃烧绝大部分发生的是氧化还原反应，反应中快速放热。化学反应迅速，燃烧速度要快，才能保证温度不会下降;化学反应期间伴随气体产生，用于吹走挂渣。只有吹走挂渣，才会持续切割金属。反应速度慢，产气不足，熔融金属留在表面，出现挂渣现象，会阻碍对金属材料的进一步切割。

2近五年国内外烟火切割技术的最新研究

2.1 近五年国内外烟火切割技术研究的现状

为了适应更为复杂的应用环境，对烟火切割技术提出了更高的要求。近年，无论国内外在烟火切割技术研究领域都有了新的思考和研究成果。其中比较有代表性的有：国外2015年发明的破拆装备Tech Torch;成都银河动力有限公司2016年发明的“无电切割刀”和2018年发明的“水陆两用破拆便携式产品”;深圳市沛泓电子有限公司2018年发明的PH-M9无电切割刀，安徽方圆股份有限公司2019年研发的“单兵纵火棒”等。

Tech Torch（见图1）顾名思义，火炬，呈剑柄状，燃烧切割时，火焰四溅，整个产品看起来就是一把光剑。Tech Torch其实是一种快速高温切割工具，切割时间在3～5s左右。主要由切割炬和点火装置由两部分组合而成。前半段是切割炬，内含高能装药，喷嘴处有收敛段，开口处直径最小，约3～6mm。后半段是点火装置，装置上有开关，用来输出点火信号;启动开关，切割炬内的装药被点燃，开始切割目标。只要按下开关，它瞬间将产生超过2500℃的热焰，温度远超过一般金属的熔点。切割钢筋、钢板不在话下。国外没有透露Tech Torch的原理，只说是“物理和化学共同作用的结果”。与传统切割产品相比，它是一个更加完整的产品，不需要外加辅助设备即可操作完成。且外形娇小，长度约300mm，直径30mm，重量甚至不到500g。设计轻巧，使用者一次可携带多发产品，亦可多发产品通过连接后，一次启动，形成更大范围的破拆效果。水下使用也不影响性能。

“无电切割刀”是成都银河动力公司自主研发，参照国外的Tech Torch，经过科研攻关研制成功。“无电切割刀”是利用化学能破拆障碍物。同样由两部分组成， “药筒”和“药柄”。“药筒”内装有经多道特殊工艺处理的高能化学烟火药剂， “药柄”开关点火后，烟火药剂自上而下逐渐燃烧，燃烧时最高温度能达到4000℃以上。但该产品燃烧时间较长，目前，能够在20s内熔断16mm以上直径的钢筋。

“水陆两用破拆便携式产品”也是成都银河动力公司自主研发，具有金属快速破拆、轻巧便携、水陆两用、安全可靠等特点，主要应用于应急救援和水域破拆等领域。该技术为国际先进水平，填补了国内同类产品的空白，具有广阔的民用前景。总体技术指标达到了国际先进水平。

对比近五年新发明的烟火切割产品与早期产品，会发现烟火切割技术产品的研究已经从最开始的简单结构发展到现在的完备产品，功能和产品本身更加成熟，发明的产品更安全便捷、更人性化，功能更齐全。但对比近五年国内外产品，发现烟火切割产品设计思路越来越相似，都朝着小轻巧、高效、环境适应性强等方向发展。

值得一提的是，国内烟火切割产品价格基本在500～1000元之间;国外Tech Torch定价300美元，价格远高于国内同类产品价格。在低成本的条件下，国内最新烟火切割技术不断研发创新，最新产品在重量外形、切割效果、环境适应性等性能上，均与国外产品不相上下，已经基本达到国际水平。

2.2 未来烟火切割技术可能的发展方向

总体来说，烟火切割技术已经发展的相对成熟，但仍有许多需改进之处。

首先是安全性问题。目前，国内外没有一种烟火切割产品允许操作者在没有防护或只有简单防护（仅带普通手套、头盔）的条件下操作产品。产品在几秒内切割金属，火焰温度必须远超过金属熔化温度，至少在2500℃以上（铁的熔点为1535℃，一般工厂用来炼钢的温度是2000℃），甚至达到3000℃～5000℃。虽然温度冷却很快，手持的点火装置处温度基本也有500℃左右，徒手根本无法承受。火焰切割金属材料时产生的反喷作用也很大，就算是经验丰富的消防员，单手也很难完全控制住产品。所以，操作者须穿戴耐高温的全身防护服，才能操作产品。未来可以在降低手持处温度和反喷力方面进行改进。

其次，虽然目前的烟火切割产品已经可以利用夹持工具固定在目标上，且可实现延时发火和定时发火目的，但可固定的目标较为局限。且不同的目标需要不同的夹持工具。比较好固定的是钢板平面和钢筋等圆柱形物体，如铁门和圆柱形油桶等。对于更复杂的目标，有时就无能为力了。未来可在夹持工具上多进行研究，扩宽切割产品的应用范围。

此外，烟火切割产品存在噪声大、烟雾大、易引燃附近易燃物（如干草等）等缺点。亟待改进。所以说，未来烟火切割技术的研究还有很多需要改进的地方。

3总结与展望

综上所述，烟火切割技术研究从最初的简单设计，逐渐发展到现在的性能大幅度提升，适用环境更加复杂。对比国内外烟火切割技术的发展和现状，国内在烟火切割技术领域的研究取得了飞跃式的进步，已经基本达到国际水平。在全球大型自然灾害频繁出现的严峻背景下，相信烟火切割技术将在应急救援和水域破拆等领域发挥越来越重要的作用。

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