CN112851452B

CN112851452B - 一种用于烟火切割装置的烟火药及其制造方法和应用

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Publication number: CN112851452B
Application number: CN202110253159.4A
Authority: CN
Inventors: 郭庆国; 张显文; 穆营洲; 郭十奇; 宁军垒; 王云鹏; 师后雨; 刘荣博; 叶斐; 秦莉
Original assignee: Henan Zhongnan Industrial Co ltd
Current assignee: Henan Zhongnan Industrial Co ltd
Priority date: 2021-03-09
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2022-03-22
Anticipated expiration: 2041-03-09
Also published as: CN112851452A

Abstract

本发明属于兵器弹药技术领域，具体涉及一种用于烟火切割装置的烟火药及其制造方法和应用。本发明所述用于烟火切割装置的烟火药，通过在配方中添加钨粉，可以大幅度提升切割能力；配方中加入了高氯酸钾，增加了烟火药剂的热量，进一步提升了切割能力，所述用于烟火切割装置的烟火药与同等已存在烟火切割药剂相比，配方中加入钨粉作为添加剂，较大幅度提升切割能力，将该药剂置于配套使用的烟火切割装置上，在2～5s，可切割厚22mm钢板或切断Φ20mm圆钢，具有良好的切割性能。本发明所述烟火药机械感度较低，且制作简单，适用于弹药销毁、海上救援、地震塌方救援、沉船切割等领域。

Description

一种用于烟火切割装置的烟火药及其制造方法和应用

技术领域

本发明属于兵器弹药技术领域，具体涉及一种用于烟火切割装置的烟火药及其制造方法和应用，所述烟火药适用于弹药销毁、海上救援、地震塌方救援、沉船切割等领域。

背景技术

烟火切割是一种利用烟火药燃烧产生的高温熔融金属射流来切割金属材料，以实现在无外加能量源的条件下对金属材料实现快速切割的工艺，其切割过程实际上是高温、高速、有相变的对流换热过程，对流换热过程遵循牛顿冷却公式。

烟火切割技术可用于抢险救援，特别适用于地震、塌方等灾害中，在无外电源的条件下对妨碍救援的金属连接件实施切割，烟火切割技术采用的是烟火药燃烧产生的熔融金属射流，不爆炸，不与被切金属产生机械摩擦，相对于电锯等机械切割技术具有噪声小的优点。

用于烟火切割装置的烟火药，目前主要由氧化剂、可燃物和产气剂组成。氧化剂一般采用金属氧化物，如氧化铁、氧化铜，也有采用硫酸钙作氧化剂的；可燃物一般采用镍粉、铝粉、镁粉、锆粉、铋粉、铍粉、硼粉；产气剂一般采用聚四氟乙烯，也有利用高锰酸钾和活性炭混合物的。

美国在切割药剂方面研究较早，1972年，Helms 率先研发了烟火切割药剂，配方是由镍粉，金属氧化物（氧化铁，四氧化三铁，氧化铬）、可燃金属粉（铝或镁、铍等）和少量的产气剂组成。1984年Christopher等发明了用于切割管道的烟火药配方，该配方中金属粉可选用铝、镁、铌、钛等，金属氧化物可选用氧化铁、氧化亚铁、氧化铜、三氧化铬等，造气剂采用聚四氟乙烯。2003年Carter发明了一种传热效率高的铝热剂，该铝热剂包含如氧化铜等强氧化性的金属氧化物，如镁等还原剂，一定量的造气剂和稀释剂，其中造气剂选用金属碳化物、金属氮化物或硝酸盐。

申请号为US6250002的美国专利公开了一种具有高传热速率的铝热剂，该铝热剂包含有强氧化性的金属氧化物，例如CuO，可热分解的传热介质Cu₂O和强还原剂，此外还含有产气剂、粘结剂、稀释剂和过程量的氧化剂。

国内对烟火切割技术的研究非常少，文献（王鹏,张靖.烟火切割热力学分析及药剂配方设计与实验[J].含能材料,2011,19(04):459-463.）报道了一种用于高温熔化金属材料的烟火药剂，但其药剂在切割时产生延误较多，挂渣较多，影响其切割效果，其最佳烟火药配方只可熔穿3.5mm厚的钢板。

因此，需要对现有的烟火药组分进行设计，以解决现有技术中用于烟火切割装置的烟火药燃烧热量低、切割性能不佳的问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种用于烟火切割装置的烟火药，通过在配方中添加钨粉，可以大幅度提升切割能力；配方中加入了高氯酸钾，增加了烟火药剂的热量，进一步提升了切割能力。

本发明的第二个目的在于提供上述用于烟火切割装置的烟火药的制造方法。

本发明的第三个目的在于提供所述用于烟火切割装置的烟火药的应用。

基于上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种用于烟火切割装置的烟火药，由主料和占主料重量3~5%的粘合剂组成，其中，主料各组分的质量百分比为：氧化铁15~30%，氧化铜25~35%，高氯酸钾12~25%，铝镁合金粉10~25%，钨粉10~20%；以氧化铁、氧化铜、高氯酸钾为氧化剂，铝镁合金粉为可燃物，钨粉作添加剂，氟橡胶为粘合剂。

进一步的，所述钨粉平均粒径为1~4μm。

具体的，各组分的作用为：

氧化铁：在燃烧过程中作为氧化剂，与铝镁合金粉作用，生成单质铁，形成金属射流。氧化铜：在燃烧过程中作为氧化剂，具有强氧化性，与铝镁合金粉作用产生大量气体，同时置换出单质金属铜，形成金属射流。

高氯酸钾：作为氧化剂，与铝镁合金粉作用，释放出大量的热量，弥补烟火药燃烧在空气中的热损失和被切割金属材料升温所需的热量。

铝镁合金粉：作为可燃物，提供烟火药所需的热量，其不同于铝、镁的混合物，其熔点为463℃比镁熔点（651℃）、铝熔点（660℃）都低，受腐蚀性较小，该类烟火药剂与同配比镁、铝药剂相比，易于点燃且燃速快。

钨：作为一种添加剂，目的是提升切割能力。

氟橡胶：作为粘合剂，改善制品的机械强度，降低了药剂的机械感度，改善了药剂的物理化学安定性，另外与铝镁合金粉作用，也起到了产气剂的作用。

本发明配方中，当氧化铁含量高于30%时，可以降低反应速度，减少射流长度，提高安全性，但同时会增加“挂渣”，使切割效果变差；当氧化铁含量低于15%时，燃速较快，射流量变小，切割效果较差，故氧化铁最佳比例在15~30%；氧化铜含量高于35%时，可以瞬间产生大量气体，气压很高，反应在很短时间内完成，射流速度快，切割效果较好，但发生爆炸的可能性很大，安全性差，氧化铜含量低于25%时，射流量长度短，燃速较慢，气压较低，切割效果较差，故氧化铜最佳比例在25~35%；高氯酸钾含量高于25%时，反应速度快，切割效果较好，但发生爆炸的可能性变大，高氯酸钾含量低于12%时，切割效果变差，故高氯酸钾最佳比例在12~25%，同类配方、同重量药柱在同一切割装置下试验，加入高氯酸钾的药剂切割钢板厚度可由（15～16）mm提升到（17～18）mm。

钨含量高于20%时，切割效果增加不明显，钨含量低于10%时，切割效果变差，故钨最佳比例在10~20%，同类配方、同重量药柱在同一切割装置下试验，切割钢板厚度可由（17～18）mm提升到 (20～22)mm。钨的熔点在3410±20℃，是所用金属中最高的，部分直接参与到金属射流中，增强切割能力，少部分与高氯酸钾作用，生成氧化钨，其熔点约1473℃，也形成了金属射流。另外钨具有较大的热导率，亦可提高燃速。

氟橡胶含量高于5%时，会明显降低药剂燃速，影响切割效果，氟橡胶含量低于3%时，药剂粒度不好，不利于装药，药剂制品强度较低，故氟橡胶最佳比例在3~5%；综合燃速、密度、切割效果等因素，铝镁合金粉的最佳含量在10~25%。

一种用于烟火切割装置的烟火药的制造方法，包括如下步骤：

（1）干混：按照烟火药主料中各组分的质量百分比称取原料，过筛网，筛混3～5遍至药剂原料颜色均匀一致；

（2）湿混：按每1kg烟火药主料中加60-80g氟橡胶丙酮溶液的用量，将氟橡胶丙酮溶液加入至步骤（1）中干混后的药剂原料中，混匀；

（3）造粒：将步骤（2）湿混后的药剂原料分散开，晾干，过筛网，造粒，筛下物为砖红色药粒；

（4）烘干：烘干温度为55～65℃，烘干时间不少于8h，得到烟火药剂。

进一步的，步骤（2）中所述氟橡胶丙酮溶液的质量分数为30-40%。

本发明还提供了所述用于烟火切割装置的烟火药在钢制壳体切割中的应用。

进一步的，将制备的烟火药剂制成烟火药药柱可以进行钢板、弹药外壳等材料的切割，具体方法为：

a、模压：将得到的烟火药剂装入模具中，在液压机上用约150-170MPa的压强压制，保压时间5～8s，退模后即制得烟火药药柱。

b、装配切割：在烟火药药柱外包裹包覆材料，再装配成烟火切割装置，将烟火切割装置和待切割的材料或部件进行相对位置的固定，即可进行切割。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述用于烟火切割装置的烟火药与同等已存在烟火切割药剂相比，配方中加入钨粉作为添加剂，较大幅度提升切割能力，同时，还加入高氯酸钾进一步提升了烟火药剂的热量，将该药剂置于配套使用的烟火切割装置上，在2～5s，可切割厚22mm钢板或切断Φ20mm圆钢，具有良好的切割性能。

本发明所述烟火药机械感度较低，且制作简单，成本较低，适用于弹药销毁、海上救援、地震塌方救援、沉船切割等领域。

附图说明

图1 本发明所述切割装置的结构示意图；

图2 本发明所述切割装置进行切割试验时固定结构图。

具体实施方式

为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明，但所述实施例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

实施例中使用的原材料名称、纯度、型号或标准及厂家如下：

氧化铁分析纯 Q/12HG3399-2002 天津申泰化学试剂有限公司

氧化铜分析纯 GB/T674-2003 天津申泰化学试剂有限公司

高氯酸钾分析纯 HG3247-2008 江西省铜鼓电化厂

铝镁合金粉 FLM3 GB5150-2004 山东致才颜料科技股份有限公司

钨粉 FW-1 粒度1-4μm 株洲硬质铝合金集团有限公司

氟橡胶 DS2601 山东东岳神州新材料有限公司

实施例1

一种用于烟火切割装置的烟火药，由主料和占主料重量4%的粘合剂组成，其中，主料各组分的质量百分比为：氧化铁20%，氧化铜30%，高氯酸钾20%，铝镁合金粉12%，钨粉（平均粒径为1~4μm）18%，粘合剂为氟橡胶。

所述用于烟火切割装置的烟火药的制造方法，包括如下步骤：

（1）干混：按照烟火药主料中各组分的质量百分比称取原料，用手工过0.45mm孔径的筛网，筛混3～5遍至药剂原料颜色均匀一致；

（2）湿混：按每1kg烟火药主料中加80g氟橡胶丙酮溶液（氟橡胶丙酮溶液的质量分数为40%的用量，将氟橡胶丙酮溶液加入至步骤（1）中干混后的药剂原料中，手工掺混均匀；

（3）造粒：将步骤（2）湿混后的药剂原料分散开，晾干，用孔径1.25mm的筛网采用筛选设备进行造粒，既能成粒又不粘筛网时，筛下物为砖红色药粒；

（4）烘干：将步骤（3）中的筛下物采用油浴烘箱（BHX-029AY，上海钧华防爆设备有限公司）进行烘干，烘干温度为60℃，烘干时间不少于8h，至筛下物不粘模具时，即停止烘干，得到烟火药剂。

性能试验

为了验证所制备的烟火药剂的性能，将所述烟火药剂置于烟火切割装置中进行切割试验，其中，烟火切割装置的结构、以及烟火切割试验时的固定加持方式采用现有技术即可，且不是本发明的发明点所在，具体的模压、装配和切割试验如下：

a、模压：将实施例1得到的烟火药剂150g装入模具中，在液压机上用约160MPa的压强压制，保压时间6s，退模后即制得烟火药药柱。

b、装配：在烟火药药柱外包裹包覆材料（道康宁995硅酮结构密封胶），再装配成烟火切割装置（如图1所示），烟火切割装置由外壳体（45号钢板）、烟火药药柱、喷嘴（石墨材质）和点火装置（包括点火管、堵头、接线柱）组成，采用中心通孔药柱装药结构，依次将喷嘴、烟火药药柱装入外壳体，拧上堵头，安装点火管。

装填完后，将烟火切割装置、固定于支座上，并安装固定加持装置，固定好试验钢板或圆钢，即可进行试验，如图2所示，此时，接通电源，点火管作用，药柱中心孔被火焰迅速点燃，药柱燃烧形成高温高压熔融态金属射流，经喷嘴喷出，将目标钢件熔化，实现快速熔穿或切割。

试验结果显示，本实施中采用的150g烟火药剂在2～5s可切割厚度22mm的钢板或切断Φ20mm圆钢。

实施例2

一种用于烟火切割装置的烟火药，由主料和占主料重量5%的粘合剂组成，其中，主料各组分的质量百分比为：氧化铁15%，氧化铜30%，高氯酸钾25%，铝镁合金粉10%，钨粉（平均粒径为1~4μm）20%，粘合剂为氟橡胶。

（1）干混：按照烟火药主料中各组分的质量百分比称取原料，用筛选设备过0.45mm孔径的筛网，筛混3～5遍至药剂原料颜色均匀一致；

（2）湿混：按每1kg烟火药主料中加60g氟橡胶丙酮溶液（氟橡胶丙酮溶液的质量分数为30%的用量，将氟橡胶丙酮溶液加入至步骤（1）中干混后的药剂原料中，用筛选设备掺混均匀；

（4）烘干：将步骤（3）中的筛下物采用蒸汽进行烘干，烘干温度为65℃，烘干时间不少于8h，至筛下物不粘模具时，即停止烘干，得到烟火药剂。

最后所应说明的是：上述实施例仅用于说明而非限制本发明的技术方案，任何对本发明进行的等同替换及不脱离本发明精神和范围的修改或局部替换，其均应涵盖在本发明权利要求保护的范围之内。

Claims

1.一种用于烟火切割装置的烟火药，其特征在于，由主料和占主料重量3~5%的粘合剂组成，其中，主料各组分的质量百分比为：氧化铁15~30%，氧化铜25~35%，高氯酸钾12~25%，铝镁合金粉10~25%，钨粉10~20%；粘合剂为氟橡胶；

所述钨粉平均粒径为1~4μm；

所述用于烟火切割装置的烟火药通过以下步骤制备得到：

（4）烘干：烘干温度为55～65℃，烘干时间不少于8h，得到烟火药剂；

步骤（2）中所述氟橡胶丙酮溶液的质量分数为30-40%。

2.根据权利要求1所述的用于烟火切割装置的烟火药，其特征在于，由主料和占主料重量4%的粘合剂组成，其中，主料各组分的质量百分比为：氧化铁20%，氧化铜30%，高氯酸钾20%，铝镁合金粉12%，钨粉18%。

3.根据权利要求1所述的用于烟火切割装置的烟火药，其特征在于，由主料和占主料重量5%的粘合剂组成，其中，主料各组分的质量百分比为：氧化铁15%，氧化铜30%，高氯酸钾25%，铝镁合金粉10%，钨粉20%。

4.一种用于烟火切割装置的烟火药的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，步骤（2）中所述氟橡胶丙酮溶液的质量分数为30-40%。

6.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，步骤（1）中和步骤（3）中筛网的孔径为0.45mm-1.25mm。

7.根据权利要求1-3任一所述用于烟火切割装置的烟火药在钢制壳体切割中的应用。