袁和平，郭子如，韓體飛，汪 泉

(安徽理工大學(xué) 化工學(xué)院，淮南 232001)

點(diǎn)火方式和氣室長(zhǎng)度對(duì)延期元件延期時(shí)間的影響研究*

袁和平，郭子如，韓體飛，汪 泉

(安徽理工大學(xué) 化工學(xué)院，淮南 232001)

為研究點(diǎn)火方式和氣室長(zhǎng)度對(duì)民用雷管延期元件延期時(shí)間的影響，將延期元件裝配在石英玻璃管中，模擬延期體在雷管中的狀態(tài)，鉛延期體點(diǎn)火采用普通導(dǎo)爆管點(diǎn)燃和電引火藥頭點(diǎn)燃兩種方式。利用高速攝影觀察延期體的發(fā)火狀態(tài)并得到了不同點(diǎn)火方式和氣室長(zhǎng)度對(duì)鉛芯延期體延期時(shí)間和的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：點(diǎn)火后，延期體點(diǎn)火端會(huì)噴出正在燃燒的延期藥；相同條件下，采用引火藥頭點(diǎn)火方式時(shí)，鉛延期體延時(shí)時(shí)間更短；采用導(dǎo)爆管點(diǎn)火時(shí)，氣室長(zhǎng)度的改變對(duì)延期時(shí)間影響不顯著；采用電引火藥頭式點(diǎn)火時(shí)，氣室長(zhǎng)度從12 mm增加至20 mm的過(guò)程中，2段和4段延期體延時(shí)時(shí)間均增加。

雷管； 延期元件； 燃燒； 點(diǎn)火； 氣室長(zhǎng)度

影響延期元件延期時(shí)間的因素有很多，包括延期元件自身因素(延期藥配方組成、組分粒度及表面狀態(tài)、制造工藝、管殼材質(zhì)及厚度，貯存時(shí)間等)和外界條件的影響。在延期體自身影響因素方面，許多學(xué)者做了大量的研究工作，武雙章等人通過(guò)研究硼系延期藥的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)硼含量不超過(guò)16%時(shí)，燃速隨延期藥中硼含量的增加而增大[1]；Lu K T等人研究了低燃速的鎢系延期藥和Zr/B及Ti/B延期藥的燃燒特性[2,3]；張建富等人通過(guò)試驗(yàn)不同粒度級(jí)配的Si-CuO延期藥延期精度，發(fā)現(xiàn)Si和CuO粒度分布一致性越好，延期藥的延期精度越高[4]；韓體飛等人研究了壓藥壓強(qiáng)與裝藥密度及裝藥密度與燃速的關(guān)系，結(jié)果顯示裝藥壓強(qiáng)決定的裝藥密度是影響延期藥燃速的重要因素，壓藥壓力與裝藥密度及裝藥密度與燃速都呈指數(shù)關(guān)系[5]；任慶國(guó)等人利用掃描電子顯微鏡、能譜分析、及X-射線粉末衍射研究了共沉淀法中的化學(xué)反應(yīng)，制備出的延期藥精度高[6]；王志新等人利用熱分析技術(shù)對(duì)硅粉表面氧化過(guò)程進(jìn)行了研究，提出改變硅粉研磨時(shí)間和高溫加速老化的辦法來(lái)提高精度[7]；許俊峰等人研究了管殼材質(zhì)的導(dǎo)熱性對(duì)延期藥燃速的影響[8]；顏事龍等人對(duì)鉛丹-硅系延期藥在密封貯存條件下的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究，給出了相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式，并討論了反應(yīng)的自發(fā)性[9]。但是，對(duì)影響延期體延期時(shí)間的外界條件的研究較少。

通過(guò)將民用雷管生產(chǎn)中使用的延期體裝配在石英玻璃管中，模擬了延期體在雷管中的狀態(tài)，利用高速攝影觀察延期體的發(fā)火狀態(tài)并得到了不同點(diǎn)火方式和氣室長(zhǎng)度對(duì)鉛芯延期體延期時(shí)間和的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)器材與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)所用的毫秒鉛芯延期體(鉛丹-硅系延期藥)、引火藥頭、導(dǎo)爆管均為淮南某廠生產(chǎn)的同批次產(chǎn)品。高速攝像儀為日本NAC公司生產(chǎn)的Memrecam HX-3型高速攝像機(jī)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為模擬延期體在雷管中的狀態(tài)，用膠水將延期體固定在石英玻璃管(外徑10mm，內(nèi)徑6.3mm)內(nèi)一端，在另一端插入藥頭或與導(dǎo)爆管連接的橡膠塞(無(wú)消爆腔)并用膠水固定，膠水同時(shí)起到密封作用。通過(guò)調(diào)節(jié)藥頭頂端或橡膠塞底部到延期體端面的距離來(lái)控制氣室長(zhǎng)度。將制作好的裝置固定在木箱中，木箱一面開(kāi)口并對(duì)著高速攝影儀。為安全起見(jiàn)，在木箱與高速攝影儀之間放置一塊厚度為10mm的鋼化玻璃，用發(fā)爆器使藥頭或?qū)П馨l(fā)火，高速攝影儀在正面拍攝延期體從點(diǎn)火到噴火的過(guò)程，拍攝速率5萬(wàn)fps。圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。

2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析

2.1 延期體點(diǎn)火至噴火過(guò)程

如圖2，是導(dǎo)爆管點(diǎn)火至延期體(MS2段，3芯)噴火的整個(gè)過(guò)程，采用高速攝影，拍攝速率為5萬(wàn)fps，每幅圖片時(shí)間間隔為0.02 ms，通過(guò)圖片可以準(zhǔn)確地計(jì)算出延期時(shí)間。若以第一次噴火即可使雷管起爆來(lái)計(jì)算延期時(shí)間，則延期時(shí)間為41.58 ms。0.00 ms時(shí)，噴出的火焰達(dá)延期體端面，延期體被點(diǎn)燃。2.25 ms時(shí)刻，延期體點(diǎn)火端開(kāi)始以較低的速度噴出少量正在燃燒的延期藥粒(以下稱(chēng)為延期體輸入端噴火)，噴出過(guò)程持續(xù)2.40 ms，圖中有三個(gè)較大的正在燃燒的延期藥粒，可以認(rèn)為是三個(gè)藥芯各自噴出一個(gè)較大藥粒。在41.58 ms時(shí)刻，第一次從延期體輸出端噴火(以下稱(chēng)為延期體輸出端噴火)，噴火過(guò)程持續(xù)0.13 ms，至41.71 ms后結(jié)束。

圖3中0.00 ms時(shí)刻藥頭橋絲發(fā)火，經(jīng)過(guò)0.63 ms火焰?zhèn)鞑ブ裂悠隗w端面，17.16 ms時(shí)刻輸出端第一次噴火，持續(xù)0.6 ms，至17.76 ms結(jié)束。藥頭點(diǎn)燃延期體后，殘余藥渣在氣室中繼續(xù)燃燒，遮蓋了輸入端噴火過(guò)程。

2.2 輸入輸出端噴火分析

圖2中2.25 ms至4.65 ms，點(diǎn)火端有少量正在燃燒的延期藥粒以較低的速度噴出,這是由于延期藥的燃燒具有層狀振蕩燃燒的特點(diǎn)，從而使得少量藥劑從輸入端噴出燃燒[10]。

延期藥的振蕩燃燒是一個(gè)典型的非線性化學(xué)動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象[10]。點(diǎn)火后，第一層延期藥接收點(diǎn)火能量迅速被點(diǎn)燃并燃燒放熱，后部延期藥受加熱升溫，氧化劑Pb3O4分解生成氧氣和一氧化鉛，兩種產(chǎn)物再分別與硅粉發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)式如下[7]

氧氣與硅粉的反應(yīng)是氣-固相反應(yīng)，對(duì)燃燒過(guò)程和燃燒速度起著決定性作用[11]。在高溫和外部約束的共同作用下，生成的氧氣在延期體內(nèi)部形成高壓氣體，氣體壓力大于正在燃燒的藥柱的抗拉強(qiáng)度及藥藥柱與約束環(huán)境間的摩擦力之和時(shí)，氣體推動(dòng)正在燃燒的藥柱向點(diǎn)火端移動(dòng)，產(chǎn)生裂隙，燃燒氣體產(chǎn)物向未燃區(qū)域的擴(kuò)散速度減小，傳熱速度減小；同時(shí)氧氣濃度降低，與硅粉的氣-固相反應(yīng)速度降低，燃速也降低。但隨著反應(yīng)的積累，一定時(shí)間內(nèi)燃速又開(kāi)始增加。從非線性化學(xué)動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，燃燒反應(yīng)波的擴(kuò)散速度具有周期性脈沖的特點(diǎn)。

延期藥的燃燒是沿著燃燒波陣面法線方向?qū)訉釉冱c(diǎn)火傳播的，噴出的粒藥可以認(rèn)為是延期藥振蕩燃燒形成的第一層層狀燃燒產(chǎn)物。但由于正在燃燒的延期藥藥量較少，分解產(chǎn)生的氣體量和放出的熱量不足，內(nèi)部氣體壓力沒(méi)有達(dá)到最大，與輸出端噴出的燃燒物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度相比，輸入端噴火速度較低。輸入端被噴出的藥劑未能對(duì)后部延期藥傳熱，一定程度上降低了燃速。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1為電引火藥頭式點(diǎn)火延期時(shí)間，表2為導(dǎo)爆管式點(diǎn)火延期時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中采用的三芯延期體，芯孔藥柱長(zhǎng)度相同，在討論點(diǎn)火方式和氣室長(zhǎng)度對(duì)延期時(shí)間的影響時(shí)，可以以每個(gè)芯孔藥柱作為單個(gè)研究對(duì)象，單個(gè)延期體的延期時(shí)間為三個(gè)芯孔藥柱的平均延期時(shí)間。

表 1 藥頭式點(diǎn)火延期時(shí)間

表 2 導(dǎo)爆管式點(diǎn)火延期時(shí)間

3.2 點(diǎn)火方式的影響

導(dǎo)爆管式點(diǎn)火氣室是非封閉的，火焰直接到達(dá)延期體端面，瞬間即可點(diǎn)燃延期體；而藥頭在發(fā)火瞬間產(chǎn)生的火焰并不能立即到達(dá)延期體端面，而是在密閉的氣室中有一個(gè)振蕩過(guò)程。藥頭發(fā)火時(shí)燃燒生成了高溫高壓氣體，在氣室這個(gè)微小密閉空間內(nèi)氣體膨脹波向兩端傳播，先后遇到兩端的延期體和塑料塞后反射，推動(dòng)火焰來(lái)回移動(dòng)。該特性是由點(diǎn)火方式?jīng)Q定的，圖3中，此過(guò)程0.63 ms。氣室長(zhǎng)度不同，該過(guò)程所需的時(shí)間不同。

由表1和表2可知：藥頭式點(diǎn)火時(shí)，在長(zhǎng)度不同的氣室中，2段延期體各芯孔延期時(shí)間為17.16～38.32 ms，4段延期體各芯孔延期時(shí)間為60.90～75.17 ms；導(dǎo)爆管式點(diǎn)火時(shí)，在長(zhǎng)度不同的氣室中，2段延期體各芯孔的延期時(shí)間為39.60～51.75 ms，4段延期體各芯孔延期時(shí)間為62.80～85.85 ms?？梢悦黠@看出藥頭式點(diǎn)火延期秒量明顯短于導(dǎo)爆管式。

延期藥的燃燒存在著復(fù)雜傳熱過(guò)程，熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱輻射及燃燒氣體產(chǎn)物的擴(kuò)散作用傳入未燃燒延期藥[12]。氣室壓力越大，燃燒氣體產(chǎn)物擴(kuò)散越快，對(duì)未燃燒延期藥的加熱作用越快。延期藥燃速隨壓力變化的規(guī)律可用下式表示[13]

(1)

式中:a、b分別表示燃燒反應(yīng)在固相和氣相進(jìn)行的程度;p表示壓力;γ約等于1。由該式可知壓力越大，燃速越快。導(dǎo)爆管式點(diǎn)火的氣室是與外界相通的，反應(yīng)產(chǎn)生的高溫氣體會(huì)從管內(nèi)向外泄露，而藥頭式點(diǎn)火的氣室密閉性好，燃燒產(chǎn)生的高溫氣體不流失，氣室內(nèi)壓力大，使得燃燒氣體產(chǎn)物向后部未燃區(qū)域的擴(kuò)散作用更強(qiáng)，燃速增加。藥頭在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱量一部分通過(guò)延期元件鉛質(zhì)殼體向藥柱傳導(dǎo)，對(duì)藥柱起到了預(yù)熱的作用。

3.3 氣室長(zhǎng)度的影響

對(duì)比表1中數(shù)據(jù)可以看出：采用藥頭式點(diǎn)火時(shí)，2段及4段延期體延期時(shí)間隨氣室的增長(zhǎng)而增加。利用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素分析發(fā)現(xiàn)：置信度設(shè)為99%，氣室長(zhǎng)度為12 mm、16 mm、20 mm時(shí)，2段和4段延期體延期時(shí)間均存在顯著性差異。說(shuō)明對(duì)于2段及4段延期體，氣室長(zhǎng)度對(duì)其延期時(shí)間影響較大。

對(duì)表2中2段和4段延期時(shí)間分別進(jìn)行單因素分析，發(fā)現(xiàn)：置信度為99%，氣室長(zhǎng)度分別為6 mm、9 mm、12 mm時(shí)，其延期時(shí)間無(wú)顯著性差異。說(shuō)明導(dǎo)爆管式點(diǎn)火時(shí)，氣室長(zhǎng)度對(duì)2段和4段延期體延期時(shí)間無(wú)明顯影響。

4 結(jié)論

(1)延期體被導(dǎo)爆管點(diǎn)燃后，起燃端面有少量正在燃燒的延期藥粒以較低的速度噴出，噴出的粒藥可以認(rèn)為是延期藥脈動(dòng)燃燒形成的層狀燃燒產(chǎn)物的第一層。

(2)由于氣室氣密性的不同，導(dǎo)爆管式點(diǎn)火和藥頭式點(diǎn)火在點(diǎn)燃長(zhǎng)度相同的同種延期體時(shí)，藥頭式點(diǎn)火的延期時(shí)間明顯比前者更短。

(3)運(yùn)用顯著性分析手段發(fā)現(xiàn)：采用藥頭式點(diǎn)火時(shí)，對(duì)于2段及4段延期體，氣室大小對(duì)延期時(shí)間影響較大，延期時(shí)間隨氣室長(zhǎng)度增加而增長(zhǎng)。采用導(dǎo)爆管式點(diǎn)火時(shí)，氣室長(zhǎng)度的變化對(duì)延期時(shí)間無(wú)顯著影響。

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更正：2016年第二期第77頁(yè)圖6～圖8出現(xiàn)錯(cuò)誤，現(xiàn)更正如下。

Effect of Ignition Ways and Gas Chamber Size on Interval Time of Delay Element

YUAN He-ping,GUO Zi-ru,HAN Ti-fei,WANG Quan

(School of Chemical Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China)

In order to study the influence of method of ignition and air chamber length on the interval time of lead delay element,the delay elements of detonators are assembled in a quartz glass tube to simulate the state of delay element in the detonator.Two methods are used to ignite the lead delay element:ignite by the plastic detonating tube and by the electric match head.The high-speed photography was taken to observe the ignition state of delay element,and studied the influence on the total delay time of the delay element when changing the ignition and the gas chamber length.It was found that:After firing,the firing end of delay element will emit burning delay composition.Under the same conditions,when ignite by the electric match head,the lead delay time was shorter.Change the length of the chamber had no significant effect on the delay time when ignite by the plastic detonating tube.But the delay time of 2# and 4# delay element increases with increase of the length of the air chamber from 12 mm to 20 mm when ignite by the electric match head.

detonator; delay element; combustion; ignition; air chamber length

10.3963/j.issn.1001-487X.2016.04.025

2016-09-16

袁和平(1992-)，男，碩士，主要從事民用爆破器材與應(yīng)用研究，(E-mail)yuanhp23@sina.com。

郭子如(1962-)，男，教授，從事爆炸理論與含能材料的教學(xué)與研究，(E-mail)zrguo@aust.edu.cn。

中國(guó)博士后基金面上項(xiàng)目(2014M561808)；安徽省高校自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2013A100)；國(guó)家自然科學(xué)基金-煤炭聯(lián)合基金項(xiàng)目(51134012)

TJ45+.5

A

1001-487X(2016)04-0130-05