CN114544705B - 一种含铝炸药爆炸铝粉反应完全性评价装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含铝炸药爆炸铝粉反应完全性评价方法，用于表征爆炸过程中不同类型含铝炸药铝粉反应完全性。本发明利用一种由固体产物收集系统、起爆系统、排水系统、密封门和排气系统构成的铝粉反应完全性评价装置，收集并分析含铝炸药爆炸后固体产物，计算获得铝粉反应完全性程度，精确定量的评价含铝炸药爆炸铝粉反应完全性，该方法适用于不同炸药体系，不同铝粉含量，不同铝粉粒径等各类含铝炸药爆炸铝粉反应完全性的定量评价，具有简单，准确，直接等特点。
Description
技术领域
本发明属于含铝炸药爆炸测试领域，具体涉及一种含铝炸药爆炸铝粉反应完全性评价装置及方法。
背景技术
含铝炸药爆炸过程中，铝粉可与气相爆轰产物进行反应释放热量，从而提高炸药的爆炸能量。但由于铝粉反应时间尺度较大，使得含铝炸药的爆炸呈现出明显的非理想性和动力学特性。此外铝粉的粒径，反应的温度，反应的气体环境等均对铝粉反应完全性有着显著的影响。目前，随着铝粉在含铝炸药配方中的比重不断增加，含铝炸药实际释放能量远低于设计值的问题日益凸显。因此亟需一种方法对含铝炸药爆炸铝粉反应完全性进行评价，从而为含铝炸药配方设计提供理论指导。
现阶段，非理想炸药铝粉反应完全性一般采用定性评价方法(王兴龙.温压炸药爆炸释能及铝粉反应完全性研究[D].南京理工大学,2015)，而定量评价方法则多采用间接评价法(中国专利CN104237306A)或较为复杂的实验方法(李媛媛，王晓峰，牛余雷等.铝粉在不同爆炸环境中的反应率[J].科学技术与工程， 2020，20(7):2700-2704)，即使用含铝炸药爆炸能量的高低或对应的压力温度数据来表征含铝炸药爆炸铝粉反应完全性或使用多次复杂实验结果和经验参数进行计算，以此衡量含铝炸药爆炸铝粉反应完全性。上述方法除了多次实验外，计算过程使用了过多的理想环境假设条件和经验参数，其结果与实际情况存在误差。以上这些方法受到实验条件等约束，只能进行定性评价，精确度较低，因此需要一种直接的精确定量评价方法对含铝炸药爆炸铝粉反应完全性进行评价。
发明内容
为解决上述现有问题，本发明提出一种可精确定量评价含铝炸药爆炸反应时铝粉反应完全性的评价装置和评价方法。通过设计一种含铝炸药爆炸铝粉反应完全性评价装置对爆炸产物进行回收，结合理化分析，运用提出的计算方法计算铝粉反应完全性程度，实现对含铝炸药爆炸铝粉反应完全性的评价，本发明方法具体包括测试方法和计算方法两个部分。
本发明的目的之一在于提供一种含铝炸药爆炸铝粉反应完全性评价装置，包括罐体、起爆系统、固体产物收集系统、药柱、密封门，其中，所述的起爆系统设置在罐体顶端，与置于罐体内部中间的药柱相连，所述的固体产物收集系统固定在罐体的侧壁外表面上，并于罐体相同。
优选地，所述的固体产物收集系统至少设置3组，分别设置在与所述药柱不同距离处；各组固体产物收集系统的收集筒端口不需要正对药柱，可以安装在罐体的不同侧壁上，各组固体产物收集系统与药柱之间的距离可以相同或不同，随机安装在罐体的侧壁即可；
优选地，所述的药柱设置有雷管座，药柱形状不限，优选为圆柱状或球形装药；所述的药柱设置在罐体内的正中心位置；
优选地，所述的起爆系统包括起爆盖板、起爆电极，所述的起爆盖板通过螺钉安装在罐体顶部中心位置，所述的起爆电极安装在起爆盖板上，通过雷管与所述的药柱连接；
优选地，所述的固体产物收集系统由端盖、内衬和收集筒构成，所述的内衬置于收集筒内，所述的收集筒为中空筒状，其一端与端盖封闭式连接，其另一端固定在罐体侧壁上的开孔处；更优选地，所述收集筒的一端与所述的端盖通过螺纹紧密紧密连接，另一端通过螺钉与罐体侧壁连接，具体地，收集筒一端与罐体侧壁通过在收集筒的一端设置环状外沿，这个外沿贴在罐体侧壁开孔的外周，并与侧壁通过螺钉固定。
所述的端盖带内螺纹，所述的收集筒带外螺纹，所述的端盖和收集筒通过螺纹紧密连接；
上述固体产物收集系统中，所述的内衬为一端封闭的筒状，所述内衬的封闭端与端盖方向一致，内衬封闭端与收集筒与端盖连接的一端平齐，并朝向罐体外，通过端盖使固定内衬无法向外滑动，所述内衬的开口端和收集筒的一个开口端朝向罐体内，内衬开口端与罐体内壁平齐；所述内衬的封闭端外壁设置有螺纹连接的可拆卸式手柄，方便将内衬从收集筒内取出；所述内衬的筒外壁尺寸与收集筒的筒内壁尺寸相配合，优选为间隙式配合；所述内衬为不锈钢材质，优选高强度不锈钢材质；
优选地，所述罐体侧壁上还设置有密封门，所述的罐体下端还设置有排水系统、排气系统；所述的排气系统设置有电磁阀和压力表，用来释放装置内的压力。
本发明的目的之二在于提供一种铝粉反应完全性评价方法，采用上述铝粉反应完全性评价装置来实现。具体地，所述的评价方法具体包括以下步骤：
步骤1.将待测药柱悬吊于罐体内中心位置，关闭起爆盖板，人员撤离、起爆药柱；
步骤2.爆炸结束后，打开排气系统，进行释压操作；
步骤3.旋开固体产物收集系统的端盖，用手柄取出内衬，收集固体产物进行检测并计算所述的含铝炸药爆炸铝粉反应完全性。
上述评价方法中，所述步骤1需要先将雷管插入药柱上雷管座内，连接雷管与起爆系统的起爆电极，起爆药柱前需完成起爆系统调试和/或收集系统调试；
具体地，所述的起爆系统调试包括打开罐体顶端的起爆系统，将起爆电极一端短路，测量另一端电阻，确认起爆系统的导通性，完成起爆系统调试，当测得起爆电极的电阻不高于电极电阻和起爆线电阻之和，导通性良好，确认起爆系统调试完毕；
所述的收集系统调试包括取下所述的端盖，将内衬插入收集筒内，旋紧端盖，完成收集系统调试。内衬及端盖可以正常安装使用，即判定调试合格。
上述评价方法中，所述的内衬和收集筒在使用前需要清理，可以采用常用的清理方式来确保内衬和收集筒的内表面光滑无尘，例如采用无水乙醇清洗内衬，收集筒内部可以采用除锈剂进行清理，使用时，内衬外部可涂抹少量润滑油；
所述的步骤3中释压操作至装置内压力与大气压平衡；
所述的步骤4中取样后，需要清洗罐体。
上述评价方法，可优选地采用以下具体技术方案来实现：
(1)检查装置结构是否完好，各系统组件是否完整；
(2)取出不锈钢内衬并进行清洗擦拭；
(3)取下由螺纹与收集筒连接的端盖，将不锈钢内衬插入收集筒内，并旋紧端盖，完成收集系统调试；
(4)打开起爆系统，将药柱用线(例如棉线)悬吊入装置的中心位置，连接雷管后关闭起爆系统，完成起爆系统调试；
(5)实验开始，连接起爆线，起爆药柱；
(6)爆炸结束后，打开排气系统的电磁阀，进行释压操作，通过压力表确认装置内部压力基本与大气压平衡；
(7)确认压力基本与大气压平衡，旋开端盖，分别取出不锈钢内衬，使用毛刷收集固体产物，进行密封包装处理，并按取样点进行编号；
(8)打开密封门，使用高压水枪对罐体内部进行清洗，完成清洗后，使用排水系统将装置内部污水排空，待罐体干燥，关闭密封门；
(9)如需继续实验，按步骤(1)-(7)继续操作即可；
(10)对药柱所用铝粉和每个取样点(每组固定收集系统的内衬中样品) 的爆炸固体产物进行理化分析，获得铝粉及每个固体产物样品中铝及含铝物质的种类及质量占比；
(11)通过公式分别计算不同取样点铝粉反应完全性程度，取平均值作为最终结果，如果有一个取样点误差较大，则舍去；
(12)根据最终计算结果，进行铝粉反应完全性评价。
上述铝粉反应完全性程度(反应率)计算方法，通过分析爆炸前后粉末中铝、三氧化二铝以及其他含铝物质的含量来计算铝粉反应完全性程度，具体为：
反应率＝(反应前单质铝质量-反应后单质铝质量)/反应前单质铝质量＝1-反应后单质铝质量/反应前单质铝质量。
更具体地：对炸药配方中添加的铝粉炸药样品进行理化分析，获得铝粉中活性铝质量占比，记为X1，三氧化二铝质量占比，记为X2。待样品完全爆轰后，通过固体产物收集系统收集爆轰产物样品，并进行理化分析。含铝炸药爆炸铝粉反应完全性评价装置中至少设置3组固体产物收集系统，每个取样点的固体产物收集系统中获得的爆轰产物样品测试中测得铝的质量占比为Y1，三氧化二铝质量占比为Y2，其他含铝物质质量占比依次记为Y3、Y4···，即可通过下列铝粉反应完全性程度计算公式得到该组固体产物收集系统的铝粉反应完全性程度数值。将所有固体产物收集系统的铝粉反应完全性程度数值计算后，求取平均值即得该炸药配方中铝粉反应完全性程度。为了防止存在多个数据相差很大的可能性，如实验中仅有一组与其他数据相差过大，即可忽略该组，如果3 组均相差较大，则需要重新进行实验。
每个取样点的固体产物收集系统中铝粉反应完全性程度计算方法为：
式中，η为铝粉反应完全性程度，单位％；
Mr为各含铝物质对应的摩尔质量，单位g/mol；
Z为各含铝物质的一个分子中所含的铝原子的个数。
本发明的目的之三在于提供一种上述铝粉反应完全性评价装置或者上述铝粉反应完全性评价方法的应用，所述评价装置或评价方法应用于定量计算含铝炸药爆炸铝粉的反应完全性程度。
本发明提供的含铝炸药爆炸铝粉反应完全性评价装置为一种产物可回收式密闭爆炸容器，采用球形装药的方式，球形装药爆轰产物运动可视为均匀球形扩散，将收集筒放置在垂直壁面上收集到的为均匀球面上一个范围内的爆轰产物，具有一定的均匀性。同时，将收集筒放置在垂直壁面上也一定程度上防止了固体产物在罐体内不均匀沉降所导致的实验误差。此外为了防止存在多个数据相差很大的可能性，如实验中仅有一组与其他数据相差过大，即可忽略该组，如3组均相差较大，则需要重新进行实验。由此，本发明提供的评价方法可以在一定程度上解决取样不均匀性的问题，得出的铝粉反应完全性程度数据更可靠。
此外，本方法使用一次实验即可对各类含铝炸药爆炸铝粉反应完全性的定量评价，避免了多次实验带来的复杂性和不确定性，而且，本方法所采用的计算参数均来自于实际实验条件下获得的产物测试结果，避免了假设和参数等带来的不确定因素，具有准确，直接等特点。因此，本方法是对含铝炸药爆炸铝粉反应完全性进行评价的一种简单、直接、精确的定量评价方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明提供的评价装置，结构简单，操作方法简单易行、安全高效；
2.本发明提供的评价方法通过分析爆炸前后铝粉含量直观、定量的分析含铝炸药爆炸铝粉反应完全性，受环境影响小，精确度高。
附图说明
图1是一种含铝炸药爆炸铝粉反应完全性评价装置结构透视示意图，图1 中，1、固体产物收集系统，2、起爆系统，3、排水系统，4、密封门，5、药柱， 6、排气系统；
图2为固体产物收集系统结构透视示意图，图2中，7、端盖，8、内衬，9、收集筒。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。
实施例中铝粉理化分析中采用的仪器如下：
铝粉理化分析依据国军标(GJB 1738A-201)进行测试。
实施例中产物理化分析中采用实验室方法，具体仪器如下：
傅里叶红外光谱仪，赛默飞iS5：
X射线荧光光谱仪，岛津EDX-7000：
X射线衍射仪，布鲁克D8 advance；
热重分析仪，耐驰907F。
一种含铝炸药爆炸铝粉反应完全性评价装置
如图1所述，本发明提供的含铝炸药爆炸铝粉反应完全性评价装置包括罐体、起爆系统(2)、3组固体产物收集系统(1)、待测含铝炸药药柱(5)；其中，起爆系统(2)设置在罐体顶端，与置于罐体内部中间的药柱(5)相连，固体产物收集系统(1)由罐体的侧壁开孔处水平安装在罐体侧壁，药柱(5)为球形装药，其上设置有雷管座；起爆系统(2)包括起爆盖板和起爆电极；罐体侧壁上还设置有密封门，罐体下端还设置有排水系统(3)、排气系统(6)，排气系统(6)包括电磁阀和压力表。
其中，3组固体产物收集系统(1)分别设置在所述药柱不同距离处，3组固体产物收集系统(1)均由端盖(7)、内衬(8)和收集筒(9)构成，其中，内衬(8)为不锈钢材质，内衬(8)置于收集筒(9)内，端盖(7)和收集筒 (9)通过螺纹紧密连接，内衬(8)为一端封闭的筒状，收集筒(9)为中空筒状，一端带外螺纹并安装有带内螺纹螺纹的端盖，另一端通过螺钉与罐体侧壁连接。其中，内衬(8)的封闭端上设置带螺纹的可拆卸式手柄，内衬(8)的封闭端与端盖方向一致，内衬(8)封闭端与收集筒(9)带螺纹一端平齐，并朝向罐体外，通过端盖(7)使内衬无法向外滑动，所述内衬(8)的开口端和收集筒(9)的一个开口端朝向罐体内，内衬(8)开口端于罐体内壁平齐；内衬(8)的筒外壁尺寸与收集筒(9)的筒内壁尺寸相配合，优选为间隙式配合。
含铝炸药爆炸铝粉反应完全性评价方法
实施例1：
(1)检查装置结构是否完好，各系统组件是否完整；
(2)分别从包装中取出不锈钢内衬(8)，检查结构是否完好，使用无水乙醇进行清洗，确保内表面光滑无尘；
(3)分别旋出端盖(7)，使用除锈剂对收集筒(9)内部进行清理，之后使在不锈钢内衬(8)外部涂抹少量润滑油；
(4)将不锈钢内衬(8)插入收集筒(9)内，保证内衬顶部与装置内壁平齐，旋紧端盖(7)，完成收集系统调试；
(5)旋出起爆系统(2)固定螺钉，吊起起爆系统；
(6)将待测炸药药柱使用棉线悬吊入装置内部，并通过改变棉线长度使其位于装置内部中心；
(7)插入雷管，并将雷管线与起爆系统(2)连接；
(8)关闭起爆系统(2)，旋紧螺钉，完成起爆系统调试；
(9)检查各系统运行情况，将起爆线与起爆系统(2)连接，人员撤离，起爆药柱；
(10)打开排气系统(6)的电磁阀，进行释压操作，通过压力表确认装置内部压力基本与大气压平衡；
(11)旋开端盖(7)，分别取出不锈钢内衬(8)，使用毛刷对内部固体产物进行取样，使用密封袋对产物进行密封并编号保存；
(12)旋下固定螺钉，打开密封门(4)，使用高压水枪冲洗罐体壁面，同时打开排水系统(3)的抽水阀门，排空装置内部污水，待罐体清洗完毕后，关闭排水系统(3)，装置内部干燥处理完毕后，关闭密封门(4)，旋紧螺钉；
(13)对每个采样点收集的固体产物样品及添加的铝粉样品进行理化分析，获得铝及含铝成分的种类及含量，进行记录；
(14)通过公式分别计算不同取样点铝粉反应完全性程度，取平均值作为最终结果，如果有一个取样点误差较大，则舍去；
(15)根据采样点最终数据，结合铝粉测试结果，进行铝粉反应完全性评价。
含铝炸药爆炸铝粉反应完全性评价方法中计算方法具体包括如下步骤：
实验前，测得炸药配方中添加的铝粉活性铝含量98％，三氧化二铝含量 1.5％。
实验后，取样点1测得爆轰产物测试样品中铝的质量占比为5％，三氧化二铝质量占比为20％，无其他含铝物质。则铝粉反应完全性程度为：
取样点2测得爆轰产物测试样品中铝的质量占比为4.5％，三氧化二铝质量占比为21％，无其他含铝物质。则取样点2铝粉反应完全性程度为：
取样点3测得爆轰产物测试样品中铝的质量占比为4.7％，三氧化二铝质量占比为20.5％，无其他含铝物质。则取样点3铝粉反应完全性程度为：
铝粉反应完全性程度为：
实施例2：
按照实施例1中的操作方法起爆待测炸药药柱。
实验前，测得炸药配方中添加的铝粉活性铝含量96％，三氧化二铝含量3％。
实验后，取样点1测得爆轰产物测试样品中铝的质量占比为5％，三氧化二铝质量占比为60％，无其他含铝物质。则铝粉反应完全性程度为：
取样点2测得爆轰产物测试样品中铝的质量占比为6％，三氧化二铝质量占比为63％，无其他含铝物质。则铝粉反应完全性程度为：
取样点3测得爆轰产物测试样品中铝的质量占比为5.5％，三氧化二铝质量占比为63％，无其他含铝物质。则铝粉反应完全性程度为：
铝粉反应完全性程度为：
实施例3：
按照实施例1中的操作方法起爆待测炸药药柱。
实验前测得炸药配方中添加的铝粉活性铝含量97％，三氧化二铝含量2％。
实验后，取样点1测得爆轰产物测试样品中铝的质量占比为5％，三氧化二铝质量占比为30％，氯化铝含铝2％。则铝粉反应完全性程度为：
取样点2测得爆轰产物测试样品中铝的质量占比为6％，三氧化二铝质量占比为32％，氯化铝含铝1％。则铝粉反应完全性程度为：
取样点3测得爆轰产物测试样品中铝的质量占比为5.5％，三氧化二铝质量占比为31％，氯化铝含铝0.5％。则铝粉反应完全性程度为：
铝粉反应完全性程度为：
。
Claims (11)
1.一种含铝炸药爆炸铝粉反应完全性评价装置，其特征在于，包括罐体、起爆系统、固体产物收集系统、待测含铝炸药药柱；其中，所述的起爆系统设置在罐体顶端，与置于罐体内部中间的药柱相连，所述的固体产物收集系统固定在罐体的侧壁外表面上，并与罐体相通；所述的固体产物收集系统至少设置3组，分别设置在与所述药柱不同距离处；所述的固体产物收集系统由端盖、内衬和收集筒构成，其中，所述的内衬置于收集筒内，所述的收集筒为中空筒状，其一端与端盖封闭式连接，其另一端固定在罐体侧壁上的开孔处；
铝粉反应完全性程度计算方法：对炸药配方中添加的铝粉炸药样品进行理化分析，获得铝粉中活性铝质量占比，记为X1，三氧化二铝质量占比，记为X2；待样品完全爆轰后，通过固体产物收集系统收集爆轰产物样品，并进行理化分析；含铝炸药爆炸铝粉反应完全性评价装置中至少设置3组固体产物收集系统，每个取样点的固体产物收集系统中获得的爆轰产物样品测试中测得铝的质量占比为Y1，三氧化二铝质量占比为Y2，其他含铝物质质量占比依次记为Y3、Y4···，即可通过下列铝粉反应完全性程度计算公式得到该组固体产物收集系统的铝粉反应完全性程度数值，将所有固体产物收集系统的铝粉反应完全性程度数值计算后，求取平均值即得该炸药配方中铝粉反应完全性程度；
每个取样点的固体产物收集系统中铝粉反应完全性程度计算方法为：
式中，η为铝粉反应完全性程度，单位%；
Mr为各含铝物质对应的相对分子量；
Z为各含铝物质的一个分子中所含的铝原子的个数。
2.根据权利要求1所述的评价装置，其特征在于，
所述的药柱设置有雷管座；和/或，
所述的药柱为圆柱形或球形装药；和/或，
所述的药柱设置在罐体内的正中心位置；和/或，
所述的起爆系统包括起爆盖板、起爆电极，所述的起爆盖板通过螺钉安装在罐体顶部中心位置，所述的起爆电极安装在起爆盖板上，通过雷管与所述的药柱连接。
3.根据权利要求1所述的评价装置，其特征在于，
所述罐体侧壁上还设置有密封门；和/或，
所述的罐体下端还设置有排水系统和/或排气系统。
4.根据权利要求1所述的评价装置，其特征在于，
所述的内衬为一端封闭的筒状；和/或，
所述内衬为不锈钢材质；和/或，
所述收集筒的一端与所述的端盖通过螺纹紧密连接，另一端通过螺钉与罐体侧壁连接；和/或，
排气系统由电磁阀和压力表组成。
5.根据权利要求4所述的评价装置，其特征在于，
所述内衬的封闭端与端盖方向一致，内衬封闭端与收集筒与端盖连接的一端平齐，并朝向罐体外，所述内衬的开口端和收集筒的一个开口端朝向罐体内，内衬开口端与罐体内壁平齐；和/或，
所述内衬的封闭端底部设置有螺纹连接的可拆卸式手柄；和/或，
所述内衬的筒外壁尺寸与收集筒的筒内壁尺寸相配合。
6.根据权利要求5所述的评价装置，其特征在于，
所述内衬的筒外壁尺寸与收集筒的筒内壁尺寸为间隙式配合。
7.一种含铝炸药爆炸铝粉反应完全性评价方法，采用权利要求1~6任一项所述的含铝炸药爆炸铝粉反应完全性评价装置来实现。
8.根据权利要求7所述的评价方法，其特征在于，所述的评价方法具体包括以下步骤：
步骤1. 将待测药柱悬吊于罐体内中心位置，关闭起爆盖板，起爆药柱；
步骤2. 爆炸结束后，打开排气系统，进行释压操作；
步骤3. 旋开固体产物收集系统的端盖，取出内衬，收集固体产物进行检测并计算所述的含铝炸药爆炸铝粉反应完全性。
9.根据权利要求8所述的评价方法，其特征在于，
所述步骤1之前需将雷管插入药柱上雷管座内，连接雷管与起爆系统的起爆电极；和/或，
所述步骤1之前需完成起爆系统调试和/或收集系统调试。
10.根据权利要求9所述的评价方法，其特征在于，
所述的起爆系统调试包括打开罐体顶端的起爆系统，将起爆电极一端短路，测量另一端电阻，确认起爆系统的导通性，完成起爆系统调试；和/或，
所述的收集系统调试包括取下所述的端盖，将所述的内衬插入收集筒内，取下手柄，旋紧端盖，完成收集系统调试。
11.根据权利要求7所述的评价方法，其特征在于，
所述的内衬和收集筒在使用前需要清理；和/或，
所述的步骤3中释压操作至装置内压力与大气压平衡；和/或，
所述的步骤4中取样后，需要清洗干燥罐体。
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