高熱劑中Al-Fe3O4對實心熱劑切割彈切割性能影響的研究

劉榆華，辛文彤，孫立明，崔秀梅

（軍械工程學院 車輛與電氣工程系 機械設(shè)計教研室，河北 石家莊，050003）

高熱劑中Al-Fe3O4對實心熱劑切割彈切割性能影響的研究

劉榆華，辛文彤，孫立明，崔秀梅

（軍械工程學院 車輛與電氣工程系 機械設(shè)計教研室，河北 石家莊，050003）

以實心熱劑切割彈為切割手段，實驗研究了由Al-CuO、Al-Fe2O3、Al-Fe3O4三元燃燒系混合組成的高熱劑中Al-Fe3O4對切割性能的影響。結(jié)果表明，隨著Al-Fe3O4含量的增加，噴射時間增長，割孔深度加大。當Al-Fe3O4占高熱劑質(zhì)量分數(shù)89.1％時，切割200(L)mm×200(W)mm×20(T)mm的Q235鋼板的噴射時間在6s以上，割孔深度達16.42mm。

高熱劑；Al-Fe3O4；實心熱劑切割彈；切割性能

熱劑切割彈切割技術(shù)是將切割彈裝填在切割槍（炬）中，利用彈內(nèi)切割劑燃燒反應產(chǎn)生的高溫高壓熔融金屬射流來完成對材料的切割。該技術(shù)不存在傳統(tǒng)切割設(shè)備出現(xiàn)的技術(shù)復雜性較高、便攜性差、安全性不穩(wěn)等問題，適用于野外搶修、搶險救災等特殊環(huán)境下的應急切割。切割劑中的高熱劑組分作為熱劑切割彈切割的高溫熱源，對切割彈的切割性能有著重要影響。常用的高熱劑選用燃燒熱大、絕熱燃燒溫度高的鋁熱劑，如Al-CuO、Al-Fe2O3、Al-Fe3O4等[1]。張啟功等[2]試驗比較了Al-CuO、Al-Fe2O3、Al-Fe3O4燃燒特點，發(fā)現(xiàn)Al-CuO系放熱量最大、但燃速過快，液滴飛濺嚴重；Al-Fe2O3系放熱量適中，速度平緩；Al-Fe3O4系放熱量雖最小，但產(chǎn)生熔渣多。王森等[3]設(shè)計了空心熱劑切割彈，并實驗研究了高熱劑中Al-CuO系和Al-Fe2O3系相對含量對切割性能的影響，發(fā)現(xiàn)Al-CuO系含量在13.6％～22.8％時能夠熔穿10mm厚鋼板，但切割時間不足4s。由于采用的是中孔結(jié)構(gòu)，空心熱劑切割彈在存儲、運輸中容易因顛簸震動而損壞其藥柱。本文在空心熱劑切割彈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了雙藥柱結(jié)構(gòu)的實心熱劑切割彈。利用實心熱劑切割彈試驗研究高熱劑（Al-CuO、Al-Fe2O3、Al-Fe3O4三元混合燃燒系）中Al-Fe3O4含量對切割彈切割性能的影響。

1 實心熱劑切割彈結(jié)構(gòu)

實心熱劑切割彈由切割劑、速燃劑、石墨噴嘴、引火片等7部分組成，其中速燃劑充填滿切割劑的中心孔洞中，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實心熱劑切割彈結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of solid thermite cutting ammunition

2 實驗材料及方案

2.1 實驗材料

（1）主要儀器設(shè)備如表1所示。

表1 實驗主要儀器設(shè)備Tab.1 The main experimental equipment

（2）切割試樣：200(L)mm×200(W)mm×20(T)mm的Q235鋼板；

（3）切割劑成分：高熱劑和功能添加劑。高熱劑選用Al-CuO系、Al-Fe3O4系和Al-Fe2O3三元混合系，占切割劑質(zhì)量分數(shù)的74％，功能添加劑有造氣劑、合金劑、稀釋劑等，占切割劑質(zhì)量分數(shù)的26％。

2.2 實驗方案

保持添加劑成分和含量不變，高熱劑中Al-CuO系所占質(zhì)量分數(shù)一定，僅改變Al-Fe3O4系和Al-Fe2O3系的相對含量，設(shè)計了9組不同高熱劑，具體見表2。

表2 Al-Fe3O4系和Al-Fe2O3系占高熱劑質(zhì)量分數(shù)Tab.2 The mass percent of Al-Fe3O4and Al-Fe2O3in thermite

切割劑混合均勻后，在烘箱中120℃下進行烘干處理2h，爐冷至室溫，經(jīng)模具壓制成型為Φ26mm的實心切割彈。各發(fā)彈的具體參數(shù)如表3所示。

表3 實心熱劑切割彈參數(shù)Tab.3 Parameters of solid cutting ammunition

3 割孔實驗

3.1 實驗方法

為了實驗數(shù)據(jù)的準確可靠，本研究在自行搭建的切割實驗平臺上利用實心熱劑切割彈進行割孔試驗，切割實驗平臺如圖2所示。

圖2 切割實驗平臺Fig.2 Test-bed for cutting experiment

實驗時將帶有引火片的切割彈在裝彈筒中裝填到位，調(diào)整鋼板與噴嘴至適當位置，用點火槍點燃引火片，引火片引燃速燃劑。速燃劑產(chǎn)生的高能高速燃燒波沿切割彈軸線向后移動，瞬間引燃切割劑整個內(nèi)壁，切割劑沿徑向燃燒。其產(chǎn)生的高溫金屬熔流和氣體產(chǎn)物經(jīng)噴嘴壓縮后高速噴出，對鋼板進行割孔。用攝像機記錄切割彈燃燒過程并計算噴射時間；待工件冷卻后清理鋼板上的金屬渣，測得割孔深度。

3.2 噴射時間

不同Al-Fe3O4系含量下噴射時間的變化如圖3所示。實驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著Al-Fe3O4系含量的減少，切割劑的燃燒速度加快，噴射時間逐漸減少，產(chǎn)生的熔融金屬流飛濺大。

主要原因在于：切割劑的裝藥密度不同。圖4反映了裝藥密度的變化。由圖4可見，隨著Al-Fe3O4含量的增加，裝藥密度逐漸增大。當裝藥密度較大時，切割劑內(nèi)各組分粉末接觸較為緊密。由于粉末間空隙減少，熱量傳播方式以傳導和輻射為主，隨著裝藥密度的繼續(xù)增加，熱傳播速度減慢，預熱區(qū)內(nèi)反應物升溫也減慢，造成反應區(qū)的熱散失加劇，導致隨著裝藥密度增大燃燒速度降低，噴射時間加長。此外，Al-Fe2O3系燃燒后溫度高，藥粉的輸運特性加強，反饋到藥柱表面的熱量增加，Al-Fe2O3系含量多的燃燒速度也會加快[4]。

圖3 不同Al-Fe3O4含量下噴射時間變化曲線Fig.3 Curve of injection time with different content of Al-Fe3O4

圖4 不同Al-Fe3O4含量下裝藥密度變化曲線Fig.4 Curve of charge density with different content of Al-Fe3O4

3.3 割孔深度

割孔深度與Al-Fe3O4系占高熱劑質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系見圖5。由圖5可見，隨著Al-Fe3O4含量的增加，割孔深度呈現(xiàn)出遞增的趨勢。1#切割彈割孔深度不到11mm；9#切割彈割孔深度可達16.42mm，相較于1#，其深度提高了50％。割孔宏觀樣貌如圖6所示。

圖5 不同Al-Fe3O4含量下的割孔深度變化曲線Fig.5 Curve of cutting depth with different content of Al-Fe3O4

圖6 孔洞宏觀樣貌圖Fig.6 Appearances of hole

割孔深度的變化主要由切割劑產(chǎn)生的熱量不同引起的。實心熱劑切割彈內(nèi)燃燒產(chǎn)生的熱量主要來自于以下3個反應[5]：

可以知道切割彈在絕熱條件下產(chǎn)生的熱量：

式（1）中：Q為切割彈的總釋放熱量；1Q為Al-Fe2O3體系放出的熱量；2Q為Al-Fe3O4體系放出的熱量；3Q為Al-CuO體系放出的熱量。

式（2）中：α為高熱劑占切割劑的質(zhì)量分數(shù)，為74％；m為切割彈中切割劑的裝藥質(zhì)量；iw為不同鋁熱劑占高熱劑的質(zhì)量分數(shù)；iq為不同鋁熱劑燃燒的理論熱效應值，Al-Fe2O3、Al-Fe3O4和Al-CuO的理論燃燒效應值分別為3.90kJ/g、3.57kJ/g、3.82 kJ/g。由于Al-CuO系占高熱劑的含量相對較小，可以認為切割彈內(nèi)Al-CuO系燃燒產(chǎn)生的熱量3Q基本不變。

單位時間內(nèi)熱量為tQ：

式（3）中：t為切割彈的噴射時間，s。

在切割劑壓制成型過程中，由于四氧化三鐵的密度較大和自身的鐵磁性影響，相同壓力下，四氧化三鐵的壓縮率大于三氧化二鐵，這導致了在相同體積的彈體內(nèi)Al-Fe3O4系含量多的切割劑裝藥量要大。根據(jù)表3中數(shù)據(jù)，由公式（1）～（3）計算可得不同Al-Fe3O4含量下單位時間熱量Qt，見表4。

表4 不同Al-Fe2O3含量下單位時間熱量Tab.4 The heat per unit time with different content of Al-Fe3O4

當Al-Fe3O4含量小于19.8％，隨著添加量的增加，雖然單位時間內(nèi)熱量逐漸減少，但液滴飛濺逐漸減小，高溫熔體對鋼板的實際熱作用面積增大，割孔深度不減反倒逐漸增加。未添加Al-Fe3O4（即Al-Fe2O3含量為89.1wt％）時，雖然其Qt高達25.03kJ/s，但噴射時飛濺最大，飛濺的液滴帶走了大量的熱量，實際熱作用面積最小，導致割孔深度最小。Al-Fe3O4含量大于19.8wt％時，隨著添加量的增加，單位時間熱量Qt增加，加之噴射過程中飛濺減小，熱作用面積大，故割孔深度逐漸增加。

4 結(jié)論

（1）與空心熱劑切割彈相比，雙藥柱結(jié)構(gòu)的實心熱劑切割彈能夠有效地防止藥柱結(jié)構(gòu)遭到破壞。

（2）由Al-CuO、Al-Fe2O3、Al-Fe3O4混合組成的高熱劑中Al-Fe3O4系含量的變化會影響實心熱劑切割彈的噴射時間和割孔深度。隨著Al-Fe3O4添加量的增加，切割彈的燃燒速度減慢，噴射時間增長；切割彈內(nèi)的裝藥量增加，切割劑放出的熱量增多，割孔深度加深。

（3）高熱劑中Al-Fe3O4系含量占89.1％時，熔融金屬飛濺小，噴射時間最長達到6.36s，有效地提高了實心熱劑切割彈的手工操作性；針對200(L)mm× 200(W)mm×20(T)mm的Q235鋼板，割孔深度可達16.42mm。

[1]潘功配,楊碩,編著.煙火學[M].北京:北京理工大學出版社, 1997.

[2]張啟功,李金明,安振濤.危險品切割炬裝藥優(yōu)化及性能[J].電焊機,2015,10(45):38-42.

[3]王森,辛文彤,吳永勝,等.高熱劑對燃燒型切割彈切割性能影響的研究[J].熱加工工藝,2012,41(13):202-204.

[4]王克秀,李葆萱,吳心平.固體火箭推進劑及燃燒[M].北京：國防工業(yè)出版社,1983.

[5]殷聲.燃燒合成[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1999.

Effect of Al-Fe3O4in Thermite on Cutting Capability of Solid Cutting Ammunition

LIU Yu-hua, XIN Wen-tong, SUN Li-ming, CUI Xiu-mei
(Staff Room of Mechanical Design, Department of Vehicles and Electrical Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang ,050003)

With solid thermite ammunition as cutting means, the effect of Al-Fe3O4in thermite consisting of Al-CuO, Al-Fe2O3and Al-Fe3O4on cutting capability was studied by test. The results indicated that with the increasing content of Al-Fe3O4, the injection time and cutting depth showed gradually increasing trend. When the weight of Al-Fe3O4is 89.1％, the ejection time was more than 6s, and cutting depth increased to16.42 mm while cutting the steel with size of 200 (L) mm × 200 (W) mm × 20 (T) mm.

Thermite; Al-Fe3O4; Solid cutting ammunition; Cutting capability

TQ567.7

A

1003-1480（2016）06-0036-04

2016-08-18

劉榆華（1990-），男，在讀碩士研究生，從事特種焊接與切割技術(shù)研究。

總裝司令部維修與改革項目。