环境气体压力对钨系延期药铅皮延期索燃速的影响

彭加斌，苗久厂，李哲雨，周 曌，肖 勇 ，李 春

（1. 西安物华巨能爆破器材有限责任公司，陕西 西安，710061；2.大庆油田有限责任公司试油试采分公司射孔大队，黑龙江 大庆，163000；3.延安吴起采油厂开发科，陕西 延安，717600）

钨系延期药铅皮延期索是目前应用非常广泛的一种慢燃速索式延期火工品，它不仅广泛应用在军品上，还在民用爆破器材上得到越来越多的应用，关于它的研究也越来越多[1-2]。李继等[3]认为延期索的不同部位对延期时间精度有着较大的影响，并比较了延期索式结构和直填直压式结构的延期时间精度；周海卿等[4]研究了索式延期体的其它纺织方法，并比较了其秒量与铅结构延期体秒量的精度；李峻东等[5]对索式延期体的工艺进行了研究；陈志军等[6]分析了延期药、延期体芯数、工艺条件(包括点火药、延期体、长度、电点火药头等)对延期时间的影响，最后创新地提出了长延期体丝技术（即索式延期体技术），证实长延期体丝技术的新型延期结构具有可靠、稳定的延期性能等。目前钨系延期药被普遍认为是微气体延期药，其燃速受环境气体压力的影响很小，但实验研究显示，环境气体压力对钨系延期药铅皮延期索燃速的影响是较为明显的，笔者对此开展了研究。

1 实验方法

1.1 钨系延期药铅皮延期索的制作

本实验钨系延期药的配方[7]为：wW/wKClO4/wBaCrO4/w添加剂＝42/8/50/5。按比例准确称取总重为1 500g的上述原料，先将KClO4和BaCrO4混合，再将W粉加入，过100目筛5遍，形成均匀墨绿色粒状钨延期药粉末。将延期药总质量5%的硅藻土与之混合，再过100目筛5遍。在真空干燥箱烘干3h，最后存放在干燥器中待用。将准备好的1 500g钨系延期药装入经过处理的铅管，然后将装药的铅管进行拉拔，经过多次拉拔，最终形成实验需要的某型钨系延期药铅皮延期索。

1.2 实验体制作

如图1所示，将两根长650mm的钨系延期药铅皮延期索缠绕在某装置的螺旋沟槽里，然后在该装置一端压装点火药（输入端），另一端压装起爆药和炸药（输出端）。

1.3 延期时间测试

延期时间测试装置如图2所示。

由图2可见，将实验体的输入端与电点火头进行连接，然后放入压力罐中，关上盖。启动压力泵对压力罐进行加压，到预定压力值时，关闭压力泵。最后点火，开始计时，当听到爆炸声时计时结束，时间差即为该段钨系延期药铅皮延期索在室温下某环境气体压力下的延期时间。

1.4 燃烧速度计算

将装置中钨系延期药铅皮延期索的长度计为l(mm)，秒表测得时间计为t(s)，钨系延期药铅皮延期索的燃速计为v(mm/s)，其计算公式为：v=l/t。

2 结果与讨论

2.1 实验结果

按图2所示的实验方法进行了多次实验，其结果见表1。其燃烧速度和环境气体压力的关系见图3。

表1 不同段别索式延期体在20℃、不同环境气体压力下的延期情况Tab.1 Delay time of different type objects under different ambient air pressure at 20℃

从表1 结果看，4种不同段别的索式延期体在不同环境气体压力下都表现为相同的规律：随着环境气体压力的增加，其延期时间在不断减小；图3中曲线显示，4种不同段别的索式延期体的燃烧速度都随环境气体压力的增加而不断变大。传统观点认为钨系延期药为微气体延期药，其燃烧速度受环境气体压力的影响应该很小[8]；实际上，钨系延期药燃烧会产生少量气体[9]，根据化学热力学原理，增加环境气体压力将延缓其燃烧反应的速度，至少不会加快燃烧速度。

图3 不同段别索式延期体在不同环境气体压力下的燃速变化Fig.3 Change of burning rate of different type objects with ambient air pressures

2.2 结果讨论

首先，对钨系延期药铅皮延期索的燃烧过程做简单分析。延期药燃烧是一个氧化和还原的过程，随着反应的进行，伴随着热量的产生和传递以及固体残渣和少量气体产物的生成[8]。对于正在燃烧的钨系延期药铅皮延期索，在燃烧面附近通常划分3个区域，即预热区、反应区和燃烧产物区，其示意图见图4。

图4中的延期药剂开始燃烧面为抛物面，此燃烧过程的模型可在实验中得以验证，见图5。图5为采用快速冷却法将正在燃烧的延期索快速冷却后进行解剖的燃烧面剖切图，该实验说明延期索燃烧面为抛物面。在预热区（药剂开始温升面至药剂开始燃烧面之间），延期药由于得到了从反应区传导来的热量，其温度由原始环境温度T0逐渐上升至发火点T1，即开始燃烧并过渡到反应区。该区域的延期药剂及其外铅保护层均处于固相。在反应区，氧化剂和可燃剂激烈反应，放出大量的热，使该区温度由发火点T1升高至T2（T2为燃烧反应区的最高温度）。该区域中的延期药剂和反应中间产物或最终产物已处于固液相共存状态，图6为钨系延期药柱在某金属管中燃烧时从金属管孔流出来的流体，这现象正是燃烧反应区物质固液相共存状态的例证。而此区域的铅保护层也开始逐层熔化（由内向外）。燃烧产物区通常是由燃烧后的固态或液态氧化物和未参加反应的惰性物质等组成，该区由于热量的不断散失，其温度逐渐降低，直至与环境温度达成平衡。在反应结束面到反应产物完全固化初始面之间的区域内，铅保护层逐渐熔化殆尽，其燃烧产物由流体状态逐渐冷却为固态。图7为某延期索燃烧时外观的变化。其情况与以上几个区域的分析基本一致。

图6 钨系延期药燃烧时流体的溢出Fig.6 Overflow of fluid in burning area of tungsten delay composition

图7 延期索燃烧的外观Fig.7 Photo of delay fuse on combustion

燃烧理论[10]认为，燃烧产物运动方向与燃烧波传播方向是相反的，在图4 中表现为，燃烧波向右运动而固液流体向左运动。钨系延期药铅皮延期索在一定环境气体压力下燃烧时，各区域受到环境气体压力的作用。在预热区，由于该区域的延期药剂及其外铅保护层均处于固相，因此环境气体压力难以传递给燃烧反应区。在燃烧产物区的完全固相段，同样无法传递环境气体压力，并作用于燃烧反应区。在反应区和燃烧产物区的固液相共存段，由于铅保护层没有完全熔化，因此作用在未完全熔化铅上的环境气体压力可以通过该区域内的流体传递到燃烧面上，这样就减缓了流体正常离开燃烧面的速度，从而延长了高温流体在燃烧面的滞留时间，造成了对待点燃延期药剂的过能量点火，最终表现为燃烧速度加快，延期时间缩短。随着环境气体压力增加，燃烧产物的高温流体对燃烧面的滞留时间越长，对待点燃延期药剂的过能量点火越强，结果燃烧速度越快，延期时间越短。

3 结论

在不同环境气体压力下，钨系延期药铅皮延期索的延期时间随着环境气体压力的增加而缩短，燃烧速度随着环境气体压力的增加而变大。对于微气体延期药表现出这种异常的规律，笔者认为与延期索外金属保护层的低强度和反应产物的高温流体特性有关。环境气体压力作用在强度较低的铅保护层上，再通过该区域内的流体传递到燃烧面上，减缓了流体正常离开燃烧面的速度，从而延长了高温流体在燃烧面的滞留时间，形成了对待点燃延期药剂的过能量点火，最终表现为燃烧速度加快，延期时间缩短。

[1]王凯民,温玉全,编著. 军用火工品设计技术[M].北京：国防工业出版社, 2006.

[2]蔡瑞娇,编著.工品设计原理[M].北京:北京理工大学出版社,1999.

[3]李继.提高延期装置时间精度关键问题的试验研究[D].南京:南京理工大学,2005.

[4]周海卿,等.导爆管雷管延期体结构改进[J].火工品,2003(1):45-46.

[5]李峻东,等.某延时起爆器延期时间的工艺控制[J]. 爆破器材,2011,40(2):45-46.

[6]陈志军.工业雷管延期精度的研究[D].南京:南京理工大学,2010.

[7]许峻峰,等.粘合剂对钨系延期药燃速的影响[J].含能材料,2007,15(2):144-147.

[8]刘自铴,蒋荣光,编著.工业火工品[M].北京:兵器工业出版社,2003.

[9]Joseph Howard Mclain. Pyrotechnics from the view of solid state chemistry[M]. USA: The Franklin Institute Press,1980.

[10]惠君明,陈天云.炸药爆炸理论[M].南京：江苏科技出版社，1995.