金大勇，王親會(huì)，牛國(guó)濤，黃文斌，王淑萍，曹少庭

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

熔鑄混合炸藥的威力主要取決于固相高能炸藥組分的含量及其裝藥質(zhì)量，隨著固相炸藥含量的增加，其能量水平提高，而炸藥的粘度也不斷增大。當(dāng)固相高能炸藥含量超過(guò)60%時(shí)，由于懸浮液系統(tǒng)流動(dòng)性差[1]，在混合和澆注過(guò)程中容易攜帶大量的氣泡且不易排出，同時(shí)由于液相含量少，在冷卻凝固過(guò)程中不易補(bǔ)縮。以上原因?qū)е赂吖滔嗪咳坭T炸藥裝藥易形成氣孔、縮孔、粗結(jié)晶和未充滿(mǎn)區(qū)等疵病，影響裝藥密度和裝藥質(zhì)量。

為解決上述問(wèn)題，劉德潤(rùn)等[2]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)真空與振動(dòng)裝藥工藝均可提高裝藥密度和裝藥質(zhì)量；陳國(guó)光等[3]對(duì)真空振動(dòng)裝藥機(jī)理進(jìn)行了研究。本文在傳統(tǒng)真空與振動(dòng)裝藥工藝原理基礎(chǔ)上，以國(guó)內(nèi)目前綜合性能最好的高固相含量熔鑄炸藥——熔奧梯鋁炸藥[4]（ROTL-1，固相含量 70%）為研究載體，采用真空熔混振動(dòng)處理及控溫凝固工藝設(shè)備，發(fā)展出了一種新型精密鑄裝工藝。與傳統(tǒng)澆鑄工藝相比，該工藝裝藥缺陷明顯減少，裝藥質(zhì)量、裝藥密度及其均勻性都有較大提高。

1 精密鑄裝技術(shù)工藝原理

精密鑄裝技術(shù)工藝原理是根據(jù)高固相含量熔鑄炸藥粘度大、氣體雜質(zhì)含量高、流動(dòng)性差和不易補(bǔ)縮的特點(diǎn)，依次采用藥漿真空熔混、真空振動(dòng)處理藥漿、等負(fù)壓真空放料和冒口保溫補(bǔ)縮冷卻控制工藝技術(shù)，以達(dá)到減少藥漿和裝藥缺陷，提高裝藥密度均勻性和內(nèi)部質(zhì)量的目的。

1.1 藥漿真空熔混工藝原理

炸藥藥漿在加料與攪拌混合過(guò)程中不可避免地要攜帶或卷入氣泡，并且在加熱條件下微量的低沸點(diǎn)雜質(zhì)也會(huì)揮發(fā)產(chǎn)生氣泡。氣泡從液體中逸出必須克服摩擦阻力和壓差阻力，炸藥固相含量越大，混合物顆粒間被液相薄膜包圍，可流動(dòng)的液態(tài)載體越少，藥漿黏度也越大，藥漿中氣泡受到的摩擦與壓差阻力越大，常規(guī)攪拌混合條件下難以自行逸出。藥漿真空熔混工藝是將炸藥在抽真空條件下進(jìn)行熔化混合。當(dāng)溫度不變藥漿液面壓力降低時(shí)，相當(dāng)于常壓條件下將液體中的氣泡都提升到距離液面較近的位置[5]。由熱力學(xué)原理可知，P1·V1=P2·V2，因此在恒溫條件下氣體壓力減小，體積增大，浮力也隨之增大。當(dāng)浮力達(dá)到足以克服初始摩擦與壓差阻力之和時(shí)，氣泡就可以在藥漿內(nèi)上升，同時(shí)在上升過(guò)程中由于壓力不斷減小，體積進(jìn)一步膨脹，浮力不斷增大，上升的速度也越來(lái)越快，直至升至液面克服表面張力后破裂逸出。另外，攪拌可以使藥漿內(nèi)外循環(huán)，加快氣泡逸出速度。

1.2 真空振動(dòng)處理藥漿工藝原理

真空振動(dòng)處理藥漿工藝是利用真空與振動(dòng)設(shè)備，將熔混好的藥漿在真空條件下進(jìn)行振動(dòng)處理，以進(jìn)一步消除藥漿中的氣體雜質(zhì)，提高藥漿密度與質(zhì)量。在振動(dòng)條件下，藥漿中的小氣泡相互碰撞可形成大氣泡，使其浮力增大易于逸出。懸浮態(tài)炸藥按照某種波形曲線(xiàn)受到有規(guī)律的交替振動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部固相顆粒之間就有近似的應(yīng)力波在交替?zhèn)鞑ィ虼苏ㄋ幵谀程幱袝r(shí)受拉有時(shí)受壓，當(dāng)局部炸藥受拉時(shí)可形成短時(shí)間的低壓區(qū)，這給氣體分子聚集及氣泡上升創(chuàng)造了良好條件[3]。另外，振動(dòng)能量可以克服顆粒間的摩擦及黏附力而使藥漿流動(dòng)性增加，黏度降低，藥漿中氣泡受到的摩擦和壓差阻力也隨之降低，更易于逸出液面，真空環(huán)境則進(jìn)一步提高氣泡逸出的速度和效率。

1.3 等負(fù)壓真空澆注工藝原理

高固相含量炸藥由于黏度大，在向彈體澆注的過(guò)程中容易攜帶進(jìn)入空氣，形成裝藥的氣孔缺陷，同時(shí)由于藥漿流動(dòng)性差，在某些精密戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)腔復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位容易封閉入空氣，形成未充滿(mǎn)區(qū)，以上情況均會(huì)降低裝藥密度及裝藥質(zhì)量。等負(fù)壓真空澆注工藝是采用等負(fù)壓真空放料工藝設(shè)備，使藥漿在真空條件下澆注入彈體。由于澆注環(huán)境沒(méi)有空氣存在，澆注過(guò)程中藥漿不會(huì)攜帶空氣，基本上消除了裝藥內(nèi)部氣孔產(chǎn)生的可能性；同時(shí)由于不會(huì)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位封閉入空氣，形成未充滿(mǎn)區(qū)的可能性也大幅度降低，這對(duì)于提高裝藥質(zhì)量十分有利。

1.4 冒口保溫補(bǔ)縮控制冷卻工藝原理

設(shè)計(jì)了精密鑄裝技術(shù)工藝流程，見(jiàn)圖1。

高固相含量炸藥由于液相含量少導(dǎo)致其黏度大和流動(dòng)性差，在冷卻凝固過(guò)程中不易補(bǔ)縮，同時(shí)由于鋁粉的加入使其導(dǎo)熱系數(shù)變大，散熱加快，如果不對(duì)裝藥采取良好的冷卻護(hù)理工藝，則其內(nèi)部極易形成縮孔、疏松等缺陷。冒口保溫補(bǔ)縮控制冷卻工藝是采用可通蒸汽（或熱水）保溫的冒口漏斗，使裝藥口部的藥漿持續(xù)保持熔化狀態(tài)，裝藥從彈體底部向上冷卻凝固，冒口內(nèi)熔融的藥漿可對(duì)炸藥凝固時(shí)產(chǎn)生的收縮進(jìn)行不間斷補(bǔ)充，直至裝藥完全凝固。采用此工藝可以基本上消除裝藥內(nèi)部的縮孔和疏松等缺陷，提高裝藥質(zhì)量。

圖1 精密鑄裝技術(shù)工藝流程圖Fig.1 Flow chart of the precise melt-casting process

2 工藝實(shí)驗(yàn)

2.1 原材料、工藝設(shè)備及裝藥模具

原材料：梯恩梯（TNT），片狀，湖北東方化工有限公司；奧克托今（HMX），甘肅銀光化工集團(tuán)有限公司；鋁粉（Al），F(xiàn)LP-4，西北鋁加工廠(chǎng)；復(fù)合鈍感劑（FHD-1），自制。

工藝裝備：熔鑄炸藥自動(dòng)熔混系統(tǒng)，西安拓普電器有限責(zé)任公司；J-70C型機(jī)械振動(dòng)臺(tái)，蘇州試驗(yàn)儀器廠(chǎng)；02ZY/YM01型夾套式真空罐、02ZY/YM01型真空保溫夾套和蒸汽保溫冒口，非標(biāo)自制。

裝藥模具：開(kāi)合模，2A12鋁制，某曲線(xiàn)旋轉(zhuǎn)實(shí)體形，口部直徑 Ф125mm，底部直徑 Ф180mm，高210mm，壁厚7mm。

2.2 裝藥工藝過(guò)程、樣品制作和性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用ROTL-1炸藥，其配方為：wTNT/wHMX/wAl/wFHD-1=28.5/65/5/1.5。利用以下4種工藝方法進(jìn)行裝藥樣品制作。工藝（1）：藥漿自然混合、不處理、常壓澆鑄、自然冷卻鑄裝技術(shù)。首先將梯恩梯和復(fù)合鈍感劑放進(jìn)熔藥鍋內(nèi)熔化完全，然后將稱(chēng)量好的奧克托今和鋁粉依次放入熔藥鍋內(nèi)攪拌均勻，最后將藥漿在常壓下直接澆注入開(kāi)合模內(nèi)自然冷卻。工藝（2）：藥漿自然混合、不處理、常壓澆鑄、冒口保溫控制冷卻鑄裝技術(shù)。首先將梯恩梯和復(fù)合鈍感劑放進(jìn)熔藥鍋內(nèi)熔化完全，然后將稱(chēng)量好的奧克托今和鋁粉依次放入熔藥鍋內(nèi)攪拌均勻，最后將藥漿在常壓下直接澆注入開(kāi)合模內(nèi)，利用冒口保溫補(bǔ)縮控制冷卻工藝保溫冷卻凝固。工藝（3）：藥漿自然混合、真空振動(dòng)處理、常壓澆鑄、冒口保溫控制冷卻鑄裝技術(shù)。第1步將梯恩梯和復(fù)合鈍感劑放進(jìn)熔藥鍋內(nèi)熔化完全，第2步將稱(chēng)量好的奧克托今和鋁粉依次放入熔藥鍋內(nèi)攪拌均勻，第3步利用真空振動(dòng)處理藥漿工藝及設(shè)備對(duì)藥漿優(yōu)化處理，第4步將藥漿在常壓下直接澆注入開(kāi)合模內(nèi)，利用冒口保溫補(bǔ)縮控制冷卻工藝保溫冷卻凝固。工藝（4）：藥漿真空混合、真空振動(dòng)處理、等負(fù)壓真空放料澆鑄、冒口保溫控制冷卻的“精密鑄裝技術(shù)”。第1步利用真空熔混工藝及設(shè)備將梯恩梯和復(fù)合鈍感劑熔化完全，第2步將稱(chēng)量好的奧克托今和鋁粉依次放入熔藥鍋內(nèi)真空攪拌混合均勻，第3步利用真空振動(dòng)處理藥漿工藝及設(shè)備對(duì)藥漿優(yōu)化處理，第4步利用等負(fù)壓真空放料工藝及裝備將藥漿澆注入開(kāi)合模內(nèi)，第5步利用冒口保溫補(bǔ)縮控制冷卻工藝?yán)鋮s凝固。

2.3 性能測(cè)試方法

采用目視對(duì)澆鑄藥柱的外部質(zhì)量情況進(jìn)行檢測(cè)。采用目視檢測(cè)藥柱裝藥內(nèi)部（上、下藥片斷面，見(jiàn)圖2）質(zhì)量情況。

圖2 密度取樣圖Fig.2 The sampling of density

將澆注的藥柱按照?qǐng)D2的尺寸進(jìn)行機(jī)械加工，在上、下藥片上取密度樣塊，采用 GJB 772A-97方法401.2藥柱（塊）密度液體靜力稱(chēng)量法對(duì)所取樣塊進(jìn)行密度檢測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4種不同工藝條件下澆注的藥柱的裝藥質(zhì)量見(jiàn)表1。從表1的結(jié)果可以看出，與傳統(tǒng)自然冷卻的工藝（1）相比，采用冒口保溫補(bǔ)縮控制冷卻工藝的工藝（2）～（4）消除了縮孔、粗結(jié)晶以及大部分的疏松缺陷。從工藝（2）、（3）到采用精密鑄裝技術(shù)的工藝（4），依次增加了藥漿真空振動(dòng)處理、真空混合、等負(fù)壓真空放料澆鑄工藝，裝藥內(nèi)/外部的氣孔和疏松缺陷依次減少直至消除，未充滿(mǎn)區(qū)也獲得大幅度改善。結(jié)果表明，精密鑄裝工藝對(duì)于減少和消除傳統(tǒng)熔鑄炸藥的裝藥缺陷、提高裝藥質(zhì)量十分有利。

4種不同工藝條件下澆注的藥柱密度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，從工藝（1）到工藝（4），樣塊密度、藥片平均密度和整體裝藥密度呈不斷增大之勢(shì)，而密度差卻不斷減小。采用精密鑄裝技術(shù)裝填的藥柱，藥柱整體裝藥密度達(dá)到1.804g/cm3，其相對(duì)密度為99.0%TMD；上、下藥片周向藥塊密度差（樣塊1～樣塊4密度之差）最大為0.1%，徑向藥塊密度差（樣塊5與樣塊1～4密度之差）最大分別為0.3%和0.2%，軸向密度差（上、下藥片平均密度之差）為0.3%。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，精密鑄裝技術(shù)與傳統(tǒng)的鑄裝工藝（1）～工藝（3）相比，可以大幅度改善高固相含量熔鑄炸藥的裝藥密度及其密度均勻性。

表1 不同工藝條件下裝藥質(zhì)量結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparable results of charge quality with different process

表2 不同工藝條件下藥柱密度結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparable results of charge density with different process (g·cm-3)

圖3 上藥片樣塊密度對(duì)比Fig.3 Comparable charge density of upper sampling piece

圖4 下藥片樣塊密度對(duì)比圖Fig.4 Comparable charge density of down sampling piece

圖3和圖4是不同工藝條件下上、下藥片樣塊密度對(duì)比情況。由圖3～4中曲線(xiàn)可以看出，從工藝（1）～（4），藥柱上、下藥片樣塊的密度不斷增大的同時(shí)，密度差卻不斷減小，證明了采用精密鑄裝技術(shù)裝填的藥柱，其裝藥密度及密度均勻性獲得了大幅度改善。

4 結(jié)論

（1）精密鑄裝技術(shù)與傳統(tǒng)鑄裝工藝相比，明顯減少或消除了高固相含量熔鑄炸藥的裝藥缺陷，提高了裝藥的內(nèi)外部質(zhì)量，改善了裝藥密度及其均勻性。

（2）采用精密鑄裝技術(shù)裝填的藥柱，其相對(duì)密度達(dá)到了99.0%TMD，周向、徑向和軸向密度差控制在0.1%～0.3%之間。

（3）精密鑄裝工藝為高固相含量熔鑄炸藥裝藥工藝設(shè)計(jì)提供了重要的技術(shù)參考。

[1]孫業(yè)斌,等.軍用混合炸藥[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1995．

[2]劉德潤(rùn),等.裝藥工藝學(xué)[M].北京:北京工業(yè)學(xué)院,1981．

[3]陳國(guó)光,董素榮.彈藥制造工藝學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2004．

[4]王親會(huì),等.新型注裝含鋁混合炸藥研究[J].火炸藥,1997(1):3-5.

[5]王壯.真空脫氣原理和技術(shù)[J].真空,1999(4):37-41.