烟花用黑火药发射力检测及国际标准前期研究

2024-01-28曾小军

中国标准化 2023年13期

摘要：黑火药发射力是影响烟花燃放高度、燃放效果、爆炸直径和设置燃放安全区域最重要的参数，针对现行国际、国家标准未规定黑火药发射力参数值的问题，本文首次阐述了黑火药发射力检验原理，重点分析了药量、粒度大小、发射筒内径等对黑火药发射力检测结果的影响。结果表明：粒状黑火药发射力检测值在13.0～15.2 kg/g。建议制定黑火药发射力国际标准时其粒度宜在0.80～2.80 mm，药量/内径比在0.06～0.08 g/mm范围，黑火药发射力应大于13.0 kg/g。

关键词：黑火药，发射力，检测方法

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.13.036

Test and Preliminary Study of International Standard for Emissive Force of Black Powder for Fireworks

ZENG Xiao-jun1，2

（1. Hunan Institute of Quality and Standardization； 2. China Quality Inspection and Testing Center for Fireworks）

Abstract： The emissive force of black powder is the most important parameter which affects the height， effect and diameter of fi reworks， and the key parameter to set the safety area for fi rework display. Given that the current international standards and national standards dont specify the parameters of black powder emissive force， this paper describes its testing principles， and analyzes the infl uence of quantity， particle size and inside diameter of fi ring cylinder on the testing results， which indicate that the emissive force of granulous black power is 13.0 kg/g～15.2 kg/g. The paper advised that when developing international standards， the size of black powder should be 0.80 mm～2.80 mm， mass/internal diameter should be 0.06 g/mm～0.08 g/mm， and the emissive force of black powder should be over 13.0 kg/g.

Keywords： black powder， emissive force， testing method

0 引言

無论是北京冬奥会开幕式上绚丽绽放的“迎客松”“蒲公英”，还是春节期间火爆全国的“加特林”，烟花已然成为中国向世界展示文化自信最重要载体之一。烟花升空离不开发射药，所谓发射药是指能将烟花效果件[1]或礼花弹弹体[2]推送至空中的一种烟火药剂，是烟花产品最基本的装药。某些笛音效果烟花产品中发射药用量甚至超过烟火药剂总量的50%。发射药主要有两种，一种是传统的黑火药发射药，其特点是配方成分固定（成分为硝酸钾、硫磺、木炭）、配比固定、性能稳定、燃烧时产生大量烟雾等；另一种为新型无硫发射药，其特点是配方不固定（成分以军用退役单、多基粉或硝化棉混合一定比例的稳定剂）、配比不固定、性能不稳定、燃烧时产生少量烟雾等。

烟火药剂发射力是影响产品燃放安全、燃放高度、燃放效果、爆炸直径等最重要的指标之一。但由于烟花爆炸具有瞬间性、难捕捉等原因，现行的国际、国家标准未规定烟火药剂发射力技术参数值。本文利用传感技术和数学分析模型构建了一种快速、准确、定量检测黑火药的发射力大小的方法，并对影响因素进行分析。为未来开展黑火药发射力检测方法国际、国家标准制定，新型烟花产品研发和重大焰火燃放区域设定奠定扎实的理论基础。

1 实验部分

1.1 实验原理

在同一测试条件下，称取一定数量、粒度大小不一的黑火药试样平铺于不同规格的发射管底部，用大小合适乳胶垫片密封，放上砝码，将电点火头插入点火孔中，发射装置、测试分析系统[3]与传感器相连接，启动点火按钮，样品爆燃后停止运行，记录测试软件的峰值。

测试条件：天气：晴；温度：23.5 ℃；湿度：35.0%；风力：2米/秒。

1.2 仪器与试样

TSI AIRPROAP500风速计（美国TSI公司）；TMS402A温度计（日本TASCO公司）；GJHY001-2022烟火药作用力测试仪（国家烟花爆竹产品质量检验检测中心）；500 g砝码（上海实润实业有限公司）；乳胶垫片（厚度：0.3 mm，中孔直径5 mm）；发射管（高度均为300 mm，内径：20 mm、25 mm、30 mm），如图1所示。

黑火药试样由浏阳*泰烟花材料制造有限公司提供，其组成成分为硝酸钾75.0%，硫磺10.0%，木炭15.0%，粒度为0.4～2.8 mm。

1.3 实验设计

通过对近10年烟花产品省级监督抽查结果的统计分析和对浏阳100多家大中型生产企业调研发现，市面销售的升空烟花产品的内径以20 mm、25 mm、30 mm为主，其黑火药药量最大值分别为1.0g、2.0 g、2.5 g，黑火药的粒度范围在0.4～2.8 mm之间。为保证黑火药发射力国际标准制修订研究的科学性，选择与产品规格一致的发射筒，测试6个药量（详见表1）、4个不同粒度（详见表2）下的试样的发射力数值，系统分析发射装置内径大小、药量、颗粒大小等因素的结果的影响。在粒度、发射筒内径最佳条件下，改变黑火药中硝酸钾、硫磺、木炭的配比，分析不同质量分数的硝酸钾、硫磺、木炭对发射力大小的影响。

2 实验结果与分析

2.1 药量、粒度对发射力影响

发射筒内径分别为20 mm、25 mm、30 mm时，粒度不同的1#～4#的黑火药试样的发射力与药量的变化关系曲线如图2至图4所示，从圖中可以看出：发射内筒内径相同时，黑火药试样的发射力检测值随着药量的增加而增大；黑火药发射力检测值在13.0～15.2 kg/g范围内；粒度不同1#～4#黑火药试样其发射力大小顺序为2#>1#>3#>4#，其中，1#、2#、3#试样发射力检测值相近，表明黑火药粒度大于0.8 mm时，试样粒度大小对发射力的影响非常小。

2.2 药量/内径比对发射力影响

为进一步研究黑火药发射力与药量、发射筒内径三者之间的关系，本论文以粒度1.18～2.00 mm的2#试样为研究对象，在20 mm、25 mm、30 mm发射筒内按药量/内径比0.03～0.09 g/mm，每间隔0.01 g/ mm填充黑火药，并对黑火药发射力进行检测，结果见图5。从图中可以看出，药量/内径比在0.06～0.08 g/mm之间，黑火药发射力最佳。本论文作者统计分析近10年省级监督抽查结果时发现90.3%的产品药量/内径比在0.06～0.08 g/mm范围内。