CN106324033A - 一种可视化炸药烤燃及气体产物分析装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可视化炸药烤燃及气体产物分析装置，解决了目前炸药在半约束条件下1公斤量级的热安全性研究问题，并实现了试验现象的全程可视化观察记录及烤燃过程气体产物的实时定性分析。本发明主要由高清摄像系统、炸药烤燃系统、气体分析系统三大部分组成。该装置采用程序控制法调节并记录试验炸药的烤燃温度。通过高清摄像系统观察记录炸药在试验过程中的反应现象。通过气体分析系统定性分析烤燃过程不同阶段的分解气体产物。本发明主要用于含能材料/配方的热安全性研究。

Description

一种可视化炸药烤燃及气体产物分析装置
技术领域
本发明涉及一种可视化炸药烤燃及气体产物分析装置，主要用于炸药半约束条件下1公斤量级的热安全性研究。
背景技术
炸药的热安全性是炸药安全性研究的重要一面。对于新配方的研制，了解炸药在不同受热条件下的反应现象、反应等级、延滞期、临界爆炸温度等热安全性指标，对于确定相应的工艺参数，了解工艺放大时的安全边界等有着重要的指导意义。再者，结合具体的型号项目，炸药配方的热安全性对于其推广应用、日常维护、贮存管理等安全可靠使用问题也有重要的现实作用。
目前，关于炸药热安全性研究的手段根据试验样品用量的不同，主要有基于热分析的DSC、TG等热分析方法、基于获取在不同受热条件下最终反应现象的热爆炸罐以及快慢速烤燃试验等方法。其中，DSC、TG等热分析手段实验样品量通常为毫克级，与实际工艺及装药条件差异巨大，无法反映真实过程。且对于混合炸药，其组分通常包含几种含能材料，并通过不同的颗粒大小形成颗粒级配以提高质量。由于DSC、TG等所用样品量过小，在保证组分颗粒形态的条件下取样，很难包含全部组分。由此得到的分解曲线与混合试样的分解历程对比存在失真现象，从而可能形成错误的判断。热爆炸罐试验样品量为50g量级，与实际情况相比试样量仍然较小，且无法观察试验过程中的反应现象。快慢速烤燃试验为千克量级，但其试验时有密闭的钢质壳体约束，这与实际工艺明显不同，且也无法观察反应的细微现象。
再者，上述研究手段都无法获取被试炸药在试验过程中的反应现象，以及不同反应阶段分解气体产物的实时分析。尤其是接近实际工艺条件的公斤量级样品的反应现象，及不同温度阶段的分解气体产物等大量信息。
发明内容
本发明解决的主要技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种公斤量级且烤燃过程可视化及气体产物实时定性分析装置。可以对公斤量级的被试炸药样品烤燃过程实现全程可视化观察和记录，并对烤燃过程不同阶段的分解气体产物进行实时定性分析。由获取的高清视频能够直观的了解被试炸药受热过程的反应现象和剧烈程度。由不同温度阶段的气体产物定性分析结果可以推断被试炸药在不同温度下可能发生的分解反应种类等信息。由获得的温度数据能够得到被试炸药的自加热温度，热爆炸临界温度等信息。以上信息综合分析，可以为含能材料/配方热安全性的深入研究提供多维研判信息。
一种可视化炸药烤燃及气体产物分析装置主要由：高清摄像系统、可视烤燃箱体、气体分析系统三大部分组成。
高清摄像系统：由高清摄像机和远程可视化大容量存储设备组成。其中高清摄像机录制分辨率≥720P，大容量存储设备满足连续60天录制存储空间。试验时将高清摄像机架设在可视烤燃箱体观察玻璃一侧，调整好位置。试验过程中通过可视化远程端观察记录试验现象。
可视化烤燃箱体：烤燃箱体分为可视观察侧和非观察侧，其中五侧为耐热保温非观察侧，一侧为可视观察侧。箱体非观察侧由内外两层组成，外侧由实木板材制备，内侧为耐热保温材料，通过机械方式与外侧实木板材紧密结合。可视观察侧由双层高透光玻璃组成，在实现可视化的同时兼顾保温功能。箱体内部由热风循环隔板分为前后两个腔室。后腔室通过安装的电加热组件和热分循环风扇对试验箱体进行加热。前腔室通过箱体上侧的预留孔安装固定烤燃烧瓶，通过热风循环风扇驱动的热流对烤燃烧瓶进行加热。烤燃箱体整体耐热温度不小于300℃，保温精度±1℃。
气体分析系统：由气体导管和气体分析仪组成。其中气体分析仪可根据被试炸药种类的不同实现气体检测传感器的添加组合，测量灵敏度0.1PPM，根据需要灵敏度可调。
本发明的优点
1.本发明可以实现烤燃试验的全程可视化观察和记录，获得现有方法无法获取的试验反应现象及反应等级等直观的视频资料。
2.本发明可以实现公斤量级的炸药在半约束条件下的可视化烤燃研究，对炸药的热安全性，尤其是工艺条件下的热安全性研判有重要的指导意义。
3.本发明可以实现公斤量级的炸药在不同烤燃温度下分解气体产物的实时定性分析，为推断大药量下炸药不同受热温度可能发生的分解反应提供依据。
附图说明
图1为本发明装置的示意图。图中1高清摄像机，2观察玻璃①，3观察玻璃②，4耐热保温板，5烤燃烧瓶固定卡，6双口圆底烧瓶，7药温监测传感器，8药温监测传感器固定塞，9导气管固定塞，10热风循环风扇，11导气管，12气体分析仪，13加热组件，14热风循环隔板，15箱体温度监控传感器，16烤燃箱体，17可视化远程录像终端
具体实施方式
下面结合附图1及实施例对本发明做进一步的说明。
1.1本发明的制造
本发明的烤燃箱体(16)尺寸为70cm(长)×60cm×60cm，箱体整体耐热温度为不小于300℃，控温精度0.1～10℃/min，保温精度±1℃。高清摄像机(1)录制分辨率≥720P。气体分析仪(12)可根据被试炸药的不同实现气体检测传感器的添加组合。
1.2本发明的装配
试样组装：将准备测试的炸药粉粒装入圆底烧瓶(6)中，轻轻晃动，使装配的炸药颗粒尽可能密实，炸药试样至圆底烧瓶喉管内口处为限。试样装配完成后，将圆底烧瓶(6)放入烤燃箱体(16)上侧隔板的预留小孔，用固定卡(5)做好固定。将药温监测传感器(7)通过固定塞(8)安装在圆底烧瓶的上口并将传感器插入待测炸药中，插入深度至圆底烧瓶球形部分中心位置最佳。将导气管(11)一端通过固定塞(9)安装在圆底烧瓶的侧口上，另一端接入气体分析仪。
温控连接：将药温监测传感器(7)接入温控箱数据记录位。将箱体温度监控传感器(15)接入温度控制箱输入位。将加热组件(13)接入温度控制箱输出位。将热风循环电机接入12V直流电源。
监控设置：调整高清摄像机(1)放置在烤燃箱体观察玻璃(2)和(3)侧前方，调整好位置和焦距，使圆底烧瓶(6)完全处于监控画面之中。
1.3本发明的应用
如图1所示，一种可视化炸药烤燃及气体产物分析装置组成示意图。在使用时，按照1.2所述将待测试样进行装配，然后启动外连温度控制箱，按照待测炸药试样基本性能设置加热温度曲线。以下以熔铸炸药配方工艺热安全性研究为例，说明加热温度曲线设置的一般步骤：
(1)样品预热：采用较大的升温速率(5-10℃/min)，将样品迅速加热到其熔点之上10℃～20℃的温度并保持约6-8h。使样品充分变成熔融态，并使样品温度和炉温达到平衡。
(2)样品加热：在平衡期之后，以0.1℃/h-1℃/h的速率加热样品直至发生分解燃烧或爆炸。
试验过程中通过温度传感器(7)监测记录被测炸药试样的中心温度，通过温度传感器(15)监测调控烤燃箱体内部环境温度使其与试验设置温度曲线保持同步。通过热风循环风扇(10)使烤燃箱体内部环境温度保持均匀。通过高清摄像机(1)监控记录圆底烧瓶(6)中炸药样品的反应情况。试验结束后，通过温度传感器(7)和温度传感器(15)记录的温度数据作出时间温度曲线，从获得的曲线上确定被测炸药试样的自加热温度、热爆炸临界温度等信息。从高清摄像机(1)记录的监控视频，可以直观的确定被测炸药试样的热分解反应现象及热分解反应的剧烈程度。从气体分析仪(12)获得实时气体定性分析不同温度时的分解反应类型。
1.4本发明的实验结果
烤燃试验反应现象：不同的含能材料/配方在不同温度及受热时间下的反应现象有所不同。对单质炸药而言，随着温度的增加，可能伴随着气泡，沸腾，变色等反应现象。对混合配方可能还伴有分层现象的出现及消退等反应现象。结合试验录制的高清视频及温度数据可以对不同炸药在不同温度及受热时间下的反应现象加以定性描述。
自加热起始温度：在平衡期之后，炉温将线性增加。理想情况下，样品中热电偶的温度轨迹应该平行于炉温轨迹且通常低于炉温。样品的自加热会导致其温度轨迹偏离炉温轨迹。以温度的增量值对时间(到自加热为止)作图，可以得到一条斜向上的直线。在自加热起始点，温度增量/时间图(称作差热图)将向下弯曲，通常会非常剧烈。自加热起始温度就是此处斜率由正变负时的温度。自加热起始时样品反应还不严重，但随着时间的增加会导致样品发生破坏性的分解。
热分解反应的剧烈程度：含能材料/配方对热刺激的响应程度是不同的，自材料从烧瓶中喷出，直至产生更剧烈的过程，如燃烧、燃烧转爆轰、爆燃或爆轰。可以结合试验过程的视频对试验反应的现象加以描述和分级。
气体产物分析：不同的炸药配方在不同温度段可能发生不同类型的分解反应，相应的会生成不同气体产物。通过对烤燃试验过程气体产物的跟踪分析，一是可以定性了解试验配方在不同温度下的气体产物类型。二是可以结合不同温度下的反应现象对该温度下可能发生的分解反应类型进行推演，从而更深入的了解被试配方在不同温度下的热安全性。
本试验提供的数据信息包括
a.烤燃试验全过程高清视频
b.两个热电偶测得的温度/时间数据
c.温度-时间数据图形描述
d.被试炸药自加热起始温度
e.被试炸药最终耐热温度
f.热分解反应剧烈程度定性描述
g.烤燃试验不同阶段气体产物定性描述
表1为本发明与现有技术的比较。
表1为本发明与现有技术的比较

Claims (1)

1.一种可视化炸药烤燃及气体产物分析装置，其特征在于，包括高清摄像系统、炸药烤燃系统和气体分析系统；
所述烤燃系统由烤燃箱体(16)连接外部温控仪组成。烤燃箱体(16)为长方体，箱体正视侧为双层保温观察玻璃(2)和(3)材质。其它侧面为耐热保温板(4)材质。箱体内部由热风循环隔板(14)分隔成前加热仓与后加热仓两部分。后加热仓通过加热组件(13)和热风循环风扇(10)对箱体内部温度进行加热。前加热仓对装有炸药的双口圆底烧瓶(6)进行加热。箱体温度监控传感器(15)通过螺纹连接固定于前加热仓侧面预留孔，另一端接入温控仪输入端，温控仪输出端连接加热组件(13)。双口圆底烧瓶(6)用固定卡(5)固定于前加热仓上方预留孔。药温监测传感器(7)用固定塞(8)通过烧瓶上口插入炸药中心；
所述高清摄像系统由现场高清摄像机(1)与可视化远程录像终端(17)组成。高清摄像机(1)用三脚架放置于烤燃箱体(16)的双侧玻璃侧，对准双口圆底烧瓶(6)。另一端接入可视化远程录像终端(17)，对圆底烧瓶中烤燃炸药的反应现象进行观察录制。
所述气体分析系统由保温导气管(11)与气体分析仪(12)组成。保温导气管(11)一端用固定塞(9)接入双口圆底烧瓶(6)侧口，另一端接入气体分析仪(12)进气端。
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