基于金属熔流的未爆弹药销毁技术研究进展

张启功， 安振涛， 肖 辉， 李金明

(1. 军械工程学院 弹药工程系， 石家庄 050003； 2. 武警8640部队， 河北定州 073000；

3. 第75170部队， 广西桂林 541000)



基于金属熔流的未爆弹药销毁技术研究进展

张启功1,3， 安振涛1， 肖 辉2， 李金明1

(1. 军械工程学院 弹药工程系， 石家庄 050003； 2. 武警8640部队， 河北定州 073000；

3. 第75170部队， 广西桂林 541000)

结合未爆弹销毁作业的特点，分析常用销毁方法的适用范围，将烟火切割技术应用于弹药销毁作业，介绍了一种引燃非引爆的销毁方法。概述了金属熔流销毁技术的原理，梳理了燃烧剂配方和燃烧炬结构的研究现状，分析了燃烧剂体系配比，添加剂成分和燃烧炬结构对金属熔流的作业时间、熔穿金属效率、效果的影响。对比文献资料，采用火箭发动机型燃烧炬和利用高热剂、合金剂、稀释剂和造气剂优化燃烧剂，更有利于未爆弹药的销毁。并为下一步深入研究基于金属熔流的弹药销毁技术提供参考。

销毁方法； 未爆弹药； 金属熔流； 燃烧炬； 燃烧剂

1　引言

金属熔流销毁技术是一种引燃非引爆的新型弹药销毁技术，该技术主要依靠金属熔融物的热效应、机械效应和化学效应，熔穿金属，引燃主装药。金属熔流销毁技术的关键点在于燃烧剂的配方和燃烧炬的结构，燃烧剂以高热剂为主，添加多种改性剂，可以提高作业效能；燃烧炬由管状腔体、燃烧剂和点火装置组成，可以集中能量，提高金属熔融物作业效率，以达到快速销毁单发未爆弹药的目的。

本文在分析未爆弹及其销毁技术的基础上，以燃烧剂配比和燃烧炬结构为重点，阐述了金属熔流销毁技术在未爆弹销毁中的应用范围和研究现状，对进一步的发展趋势进行了分析。

2　未爆弹药特点

部队在作战和实弹训练等相关军事活动中，往往会遇到敌方布放或我方射击未爆的弹药，统称未爆弹。未爆弹通常钻入地下或残存于地表， 残留于地表的弹药多为壳体较薄，弹丸重量较轻，装药量较少，常以单发出现，如X型火箭筒破甲弹、枪榴弹、反坦克手榴弹等弹药。此类弹药受过射击冲击，引信虽没能及时起爆弹丸，但已处于解除保险的不确定状态，极易因人员触碰发生意外爆炸，不仅对下一步的军事行动造成严重的制约和阻挠，还严重威胁周边人员安全，需要尽快排除。

3　射击未爆弹常用销毁方法

目前销毁弹药主要采用焚烧法、炸毁法、切割法、机械拆分法。

焚烧法是利用火焰(或热能)所产生的高温刺激含能物质燃烧销毁未爆弹药〔1〕。焚烧法分为露天焚烧和密闭焚烧两种烧毁方式。露天焚烧法主要用于大口径弹药的作业，而密闭焚烧法主要用于火炸药、污染物和小型弹药的销毁。主要应用于已经拆除危险单元，且内装药性质稳定的弹药。

炸毁法是利用炸药爆炸所产生的冲击波销毁未爆弹药。炸毁法需要完备的爆破器材，且爆破器材需要专业的装具运输，造成工作效率低，准备时间长，布设时接触未爆弹，作业过程中风险高。同时，在作业中产生的弹片和砂石对周边人员影响严重。该方法只有在满足安全防护距离要求，或搭设具备良好安全防护设施的条件下才能顺利开展工作，目前该方法仍是未爆弹销毁的主要技术手段，这种方法不适用于人口密集区或重要设施旁的销毁作业。

切割法是利用热、冲击、化学等多种效应破坏弹体，使弹药失去爆炸性能，销毁未爆弹药。切割法主要包括高热剂融化法、聚能切割法、水磨切割法、等离子体高温技术销毁法、激光销毁法〔2-8〕。该种销毁方法对周围环境破坏大、能源需求量大、作用功效低、成本昂贵，主要用于少量弹药的销毁。

机械拆分法是把弹药拆分成若干小部件，对有用的金属材料、火炸药等进行回收，处理弹药〔9〕。该方法只适用于对状态稳定弹药的处理。

焚烧法和机械拆分法适合销毁状态清晰，安全性高，不易在销毁过程中发生爆炸的弹药，不适用于未爆弹药销毁。目前，未爆弹药的主要销毁方法有炸毁法和切割法，虽然这些方法销毁可靠，但也潜藏巨大风险和不便，主要表现在销毁人员需要近距离触及未爆弹药，风险高，准备工作时间长、效率低，成本昂贵，对周围环境破坏严重。鉴于上述弊端，结合弹药结构和弹丸炸药燃爆属性，采用引燃非引爆的销毁思路提出金属熔流销毁法，以达到缩小防护范围，提高作业效率的目的。

4　金属熔流销毁法

4.1作用原理

金属熔流销毁法是针对残留在地表、壳体较薄的射击未爆弹弹丸的销毁方法，该方法利用添加多种改性剂的混合高热剂，发生剧烈的氧化还原反应，并释放大量热量，反应生成的铁和其他混合氧化物保持其熔融流体状态，这种高温熔融物能够熔化铁质、铝质等金属材料，引燃塑料、火药、炸药等易爆材料。该技术应用在射击未爆弹销毁中，可以提高未爆弹销毁的效率和安全性，能够最大限度地降低弹药销毁对周边环境的危害。

金属熔流销毁法主要依靠金属熔融物的热效应、机械效应和化学效应，熔穿金属，引燃主装药。金属熔融物离开喷口，形成不规则的熔融物；接触弹体时，熔融物迅速将弹丸壳体熔化，过多熔化金属被燃气吹除，减少包覆，增强热量渗透，提高冲蚀效果。高温的熔融物通过冲蚀、熔化和化学腐蚀持续作用对壳体造成破坏。壳体破坏瞬间，主装药被高温熔融物引燃，所产生的高压气体对高温软化的壳体造成二次破坏，增大了燃烧产生气体的释放面积，减弱了燃烧转爆轰的趋势，使主装药继续保持燃烧，直至销毁。金属熔流销毁法使弹丸只燃烧而不发生爆炸，对周边环境破坏小，工作效率高，可以在不移动弹药的情况下对弹药进行销毁，适用于单发危险弹药的销毁作业，销毁成本低，效果好。

4.2燃烧剂配方

金属熔融销毁技术是通过热、机械和化学的综合反应，其作业效能主要取决于燃烧剂。燃烧剂由高热剂和多种改性剂组成，通过改变高热剂，添加不同的改性剂，改进燃烧剂的配方，使铝热反应中的某些特性增加，从而提高它的作业效能。

高热剂是燃烧剂的主要热量提供单元，能形成易于流动的高沸点熔融物，合理的高热剂配方是燃烧剂的关键。高热剂是由金属可燃剂和与之反应的金属氧化剂混合而成，金属可燃剂是保证高热剂燃烧反应顺利进行的重要因素，其选择至关重要。最早的高热剂配方是由美国学者HELMS提出〔10-11〕，该配方是由镍粉、金属氧化物、可燃金属粉(铝、镁、镐、铋、铍、硼粉)和产气剂组成，首次用于金属切割作业。在此之后，很多学者都是以HELMS配方为基础进行改进，通过多种金属粉搭配组合发现金属可燃剂中不宜选用原料稀缺(镐、铋、铍)、腐蚀性大(钙)和难以燃烧(锰)的金属。对比常用的金属可燃剂发现，Al的放出热量高、密度大、燃烧产物的熔点较低、沸点较高，是高热剂较为合适的金属可燃剂。Al在高温下有较强的活动性，可以将金属氧化剂中的金属还原出来，生成低熔点、高沸点的液态金属流，有利于金属的熔穿作业。金属氧化剂的选择直接影响还原出金属的特性，进而影响作业效能。通过国内外学者不断探索发现，Pb3O4的含氧量少、密度大，配置的高热剂可燃剂含量少，导致铝热反应降低；CuO极易放出氧气，导致铝热反应剧烈，不宜控制；铁铝高热剂燃烧时放出3.90kJ/g热量，并产生约2 400 ℃的高温熔融物，机械感度小，不易被点燃，一经点燃难以熄灭，铝热反应稳定，可以生成低熔点、高沸点的液态金属流，较适应于销毁作业。综合考虑，选择铁铝高热剂作为燃烧剂的主体药剂调整燃烧剂的配方〔12-15〕。

金属熔融物通过机械效应和化学效应对弹丸壳体进行冲蚀，增加开孔深度，提高内孔孔径，增强熔穿效果。美国专利US6627013公开了一种由镍、铝、氧化铁和聚四氟乙烯组成的能够实现高效穿孔的燃烧剂配方〔16〕。美国专利US7632365的配方是由镁铝合金、CuO、MoO3和少量粘结剂组成〔17〕，提高了穿孔效率，是US6627013的金属消耗量的2.8倍。

近年来，国内学者通过不断创新，在燃烧剂方面得到了发展。在燃烧剂内添加有机粘结剂可以增大燃烧剂的火焰，减慢燃烧速度，降低燃烧剂的机械感度。添加二茂铁可改进燃烧剂的点火物性和燃烧特性，对燃烧过程起到催化的作用。添加S为粘结剂，可以生成SO2火焰，同时S易于和金属作用，生成低熔点、易流动的金属熔融物。加入MoO3提高燃烧剂的氧化性能，提高燃烧剂熔穿效果。以高热剂为主体的燃烧剂，通过添加硝酸盐，生成高速气流，减少金属熔流作用区内熔化金属堆积，提高冲蚀效果，从而改进燃烧剂的作用能力。适当调节燃烧剂主体反应体系的配比或添加合金剂、稀释剂、造气剂，可以提高熔穿弹丸壳体效果，加快熔穿速度，使弹丸主装药有充足的能量达到稳定燃烧，减少弹药销毁不完全造成的危险〔18-20〕。

4.3燃烧炬结构

燃烧炬主要由管状腔体、燃烧剂和点火装置三个部分组成，针对不同销毁目标改变燃烧炬结构，调节燃烧销毁效果，提高销毁作业的效率。美国专利US5698812中描述了一种由壳体和铁铝高热剂(也可是锰铝高热剂、铬铝高热剂)构成的燃烧破坏设备，可以广泛地用于烧毁破坏装甲车辆发动机、火炮以及地雷等目标〔18〕。这种技术不是专为弹药销毁设计的。美国专利US7632365描述了一种试验用燃烧炬〔17〕，由收敛喷管和贮存室组成，收敛的喷管较好地提高了燃烧剂的熔穿效率。法国专利DE19740089C1介绍的则是一种利用高热剂专门销毁有毒物质及军火等化学物质的技术手段〔21〕，就是将高热剂装入管体内制成燃烧装药置于装有有毒物质的容器或弹药上，通过铝热燃烧产生的高温熔融物烧穿容器或弹壳，以引燃内部物质达到销毁目的。俄罗斯国防部队使用的P-40“破坏者”排爆设备，该设备类似于我国的圆柱形礼花，在喷口端，放入引燃药剂和电点火头，用电容式电点火机远距离点火，点燃“破坏者”后，燃烧着的高温混合剂流体，从圆柱一端的中心定向孔喷出，瞬间融化装药金属壳体，未爆弹壳体被“击穿”一个孔，引燃弹体内的炸药，炸药在“穿孔”处引燃，燃烧气体从“穿孔”处流出，整个销毁过程弹药不会发生爆炸。该设备处理未爆弹大大优于传统的排爆器材。通过深化高热剂技术，相继又研制出一种由支架、高热剂、耐热壳体、点火剂、电点火头组成的爆炸物销毁装置，其中电点火头置于设备的前端，由支架附着在销毁弹体表面，通过高热剂生成的高温熔融物对榴弹进行熔穿，对弹内装药引燃销毁。

我国燃烧炬结构设计起步较晚，应用于销毁方面的研究较少，主要包含圆筒型、口部收敛型和火箭发动机型，如图1所示。

图1　典型燃烧炬结构Fig.1　Typical combustion torch

易建坤〔22〕设计的圆筒型燃烧炬由电点火头、高热剂和耐高温陶制圆筒组成，使高热剂完全贴敷于模拟弹药表面进行销毁作业，通过模拟弹药实验如(图2(a))，验证高温熔融物销毁弹药技术是可行的。刘涛〔23〕在此基础上对圆筒型燃烧炬进行详细改进，由点火药、点火盖、密封盖、外壳、主装药、挡药盖和密封盖组成，针对不同型号的地雷进行销毁作业，设计了多种类型不同的燃烧炬。彭飞等〔24〕设计的口部收敛型燃烧炬将高热剂装入口部收敛的耐热壳体内，由装置前端点火，利用400g高热剂可顺利熔穿6mm厚A3钢板，可以应用于榴弹销毁作业，销毁试验如图2(b)所示。吴艺英等〔25〕借鉴固体火箭发动机设计原理，设计的火箭发动机型燃烧炬由壳体、底火、燃烧剂和喷管组成的燃烧炬，可对Q235、H26黄铜板材、铝材等多种金属靶板进行熔穿，测试证明60g燃烧剂，可熔穿20mm厚钢板〔26〕，提高了熔穿壳体的深度，满足不同类型弹药装药的销毁作业〔26-28〕，较适用于弹药销毁领域，销毁试验如图2(c)所示。通过对国内外燃烧炬结构分析研究，燃烧炬的结构直接影响金属熔融物流速、流量，从而影响熔穿效果，燃烧炬上的喷嘴可以起到定向和聚能的作用，有助于增加弹内压力，增强燃烧剂的熔穿效果，进而提高弹药销毁作业效率。

图2　燃烧炬销毁实验Fig.2　Combustion torch in destruction experiment

5　结论

(1)未爆弹销毁与普通弹药销毁方法有所不同，未爆弹已处于解除保险的不确定状态，极易因人员触碰发生危险，销毁此类弹药存在极大风险，需要尽量减少弹药的移动和碰触，并且未爆弹药所处的环境复杂，需要提高在多种环境下的适用性，减少对周围重要设施的影响。

(2)金属熔流销毁法是一种引燃非引爆的新型弹药销毁方法，金属熔流销毁设备总重量较小，便于单兵携带，针对单发未爆弹药作业，可以减少与弹药触碰，提高作业的安全性；销毁作业中不生成破片和爆轰波，可以缩小防护范围，提高作业效率。

(3)燃烧剂反应体系由高热剂和多种改性剂组成。对于未爆弹药销毁作业，其弹丸内部装药复杂，主反应体系应选用稳定的高热剂，为了提高作业效率，适当调节主体反应体系的配比或添加合金剂、稀释剂，减少包覆，增强热量渗透，提高冲蚀效果，达到安全销毁的目的。

(4)燃烧炬结构直接影响销毁作业的效率。对比文献资料，借鉴固体火箭发动机设计原理，设计的火箭发动机型燃烧炬，赋予高温熔融物动能，能够提高熔化金属材料的速度和深度，增加应用范围，满足销毁不同类型弹药装药，较适于弹药销毁领域。但燃烧炬的研究仅限于结构设计，对于应用材料、喷口结构、内部构造等仍需深入研究。在引燃和作业阶段，生成的高温金属熔融流体对结构有什么影响，目前在此方面的研究几乎为空白，仍需继续研究。

根据相关资料，该技术能够应用在某些未爆弹的销毁工作中，对如何使用高温金属熔融物销毁未爆弹引燃而不发生爆炸的机理，仍需要进一步研究。今后需进一步对燃烧剂配方优化设计和燃烧炬结构设计，形成多种不同类型，适合不同种类弹药的燃烧销毁作业。

〔1〕 谷智国,张怀智,杜润生,等. 废旧弹药销毁方法探究[J]. 工程爆破,2012,18(1):97-81.

GUZhi-guo,ZHANGHuai-zhi,DURun-sheng，etal.Destructionmethodsofwasteammunition[J].EngineeringBlasting, 2012, 18(1):97-81.

〔2〕 黄鹏波,张怀智,谢全民,等. 废弃常规弹药销毁技术综述[J]. 工程爆破,2013,19(6):53-56.

HUANGPeng-bo,ZHANGHuai-zhi,XIEQuan-min,etal.Reviewondestructiontechnologyofrejectedconventionalammunition[J].EngineeringBlasting,2013,19(6):53-56.

〔3〕CARTER,GREGJR.Portablemetalcuttingpyrotechnictorch:US20030145752 [P].August7, 2003.

〔4〕 易建坤,贺五一,吴腾芳,等. 高热剂在弹药销毁领域应用初探[J]. 工程爆破,2004,10(4):21-25.

YIJian-kun,HEWu-yi,WUTeng-fang,etal.Preliminaryinvestigationintoapplicationofthermiteindestructionofammunition[J].EngineeringBlasting,2004,10(4):21-25.

〔5〕 宋桂飞,李成国,夏福君,等. 危险弹药销毁用聚能引爆器设计[J]. 弹箭与制导学报,2010,30(4):99-100.

SONGGui-fei,LICheng-guo,XIAFu-jun,etal.Designofcumulativedetonatorfordangerousammunitiondisposal[J].JournalofProjectiles,Rockets,MissilesandGuidance, 2010,30(4):99-100.

〔6〕 李金明,丁玉奎,可勇. 利用聚能原理销毁危险弹药的试验方法[J]. 爆破器材,2008,37(3):37-39.

LIJin-ming,DINGYu-kui,KEYong.Thetestmethodofdisposingdangerammunitionbyusinggatherenergytheory[J].ExplosiveMaterials,2008,37(3):37-39.

〔7〕 吴艺英,王瑞林,辛文彤,等. 装药直径对切割弹燃烧及切割效率的影响[J]. 电焊机,2014,44(3):26-30.

WUYi-ying,WANGRui-lin,XINWen-tong,etal.Combustionandcuttingefficiencyofcuttingammunitioninfluencingbychargediameter[J].ElectricWeldingMachine, 2014,44(3):26-30.

〔8〕 张庆良. 水射流技术及其应用[J]. 液压与气动,2012:(3): 71-72.

ZHANGQing-liang.Theapplicationofwaterjettechnology[J].ChineseHydraulics&Pneumatics,2012(3):71-72.

〔9〕 李金明,王国栋,张玉令,等. 报废弹药拆卸销毁安全性探讨[J]. 工程爆破,2016,22(1):46-48,60.

LIJin-ming,WANGGuo-dong,ZHANGYu-ling,etal.Safetyassessmentdiscussionaboutabandonedammunitiondecomposition[J].EngineeringBlasting,2016,22(1):46-48,60.

〔10〕HELMSJ,HORACEHR,ALEXANDERG.Pyrotechniccomposition:US3695951[P]. 1972-10-03.

〔11〕HELMSJ,HORACEHR,ALEXANDERG.Pyrotechniccomposition:US3890174 [P]. 1975-10-03.

〔12〕 吴艺英,王瑞林,辛文彤,等. 切割弹装药设计研究[J]. 热加工工艺,2014,43(11):166-169.

WUYi-ying,WANGRui-lin,XINWen-tong，etal.Researchongraindesignofcuttingammunition[J].HotWorkingTechnology,2014,43(11):166-169.

〔13〕 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(4):459-463.

WANGPeng,ZHANGJing.Thermodynamicanalysis,compositiondesignandexperimentalstudyonme-tal-cuttingpyrotechniccomposition[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials,2011,19(4):459-463.

〔14〕 王鹏,张靖. 烟火切割技术研究进展[J]. 含能材料,2010,18(4):476-480.

WANGPeng,ZHANGJing.Reviewonpyrotechniccuttingtechnology[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials,2010, 18(4):476-480.

〔15〕KENNEDY,KATHERINELP,PAULWD,etal.Pyrotechniccompositionforcuttingtorch:US4432816 [P]. 1984-02-21.

〔16〕CARTERJ,GREGCS,GREG.Pyrotechnicthermitecomposition:US6627013[P]. 2003-09-30.

〔17〕ARCHED,STEVENPS,TRAVISM,etal.Pyrotechnicthermitecomposition:US7632365 [P]. 2009-12-15.

〔18〕SONG，EUGENE.Thermitedestructivedevice:US5698812[P]. 1997-10-16.

〔19〕HALCOMB,DANNYLM,JONATHANH.High-and-low-temperature-stablethermitecompositionforproducinghigh-pressure,high-velocitygases:US4963203[P]. 1990-10-16.

〔20〕HLAVACEKV,PRANDAP.High-speedchemicaldrill:US20040206451 [P]. 2004-10-21.

〔21〕HAMPELH.Hazardousmaterialdisposal,especiallychemicalmunitiondisposal:DE19740089(C1)[P]. 1998-09-03.

〔22〕 易建坤,吴腾芳. 高热剂燃烧法销毁薄壁弹药的试验研究[J]. 火工品,2005(1):17-21.

YIJian-kun,WUTeng-fang.Experimentalstudyondisposalofthin-shellammunitionbythermitecombustion[J].Initiators&Pyrotechnics,2005(1):17-21.

〔23〕 刘涛. 高热剂应用于销毁废弃弹药的相关研究[D]. 南京:解放军理工大学,2013.

LIUTao.Therelatedtechnologyresearchofthermiteusedinthedestroyingofabandonedammunition[D].Nanjing:ThePLANanjingUniversityofScienceandTechnology, 2013.

〔24〕 彭飞,万文乾,刘权. 高热剂熔穿能力计算与试验[J]. 工程装备研究,2012,31(5):19-22.

PENGFei,WANWen-qian,LIUQuan.Calculationandexperimentonablationabilityofthermites[J].EngineerEquipmentResearch,2012,31(5):19-22.

〔25〕 吴艺英,王瑞林,辛文彤,等. 装药长度对切割弹切割性能的影响[J]. 火工品,2013(1):13-16.

WUYi-ying,WANGRui-lin,XINWen-tong,etal.Influenceofchargelengthoncuttingammunition[J].Initiators&Pyrotechnics,2013(1):13-16.

〔26〕 王森,辛文彤,吴永胜,等. 高热剂对燃烧型切割弹切割性能影响的研究[J]. 金属铸锻焊技术,2012,41(13):202-204.

WANGSen,XINWen-tong,WUYong-sheng,etal.Effectofthermiteoncuttingcapabilityofcombustioncuttingammunition[J].CastingForgingWelding, 2012, 41(13):202-204.

〔27〕 吴艺英. 一种枪发切割弹关键技术研究[D]. 石家庄:军械工程学院,2013.

WUYi-ying.Studyonkeytechnologyofnewcuttingammunitionlaunchedbypistol[D].Shijiazhuang:OrdnanceEngineeringCollege, 2013.

〔28〕MUELLER,KURTFC,MARGUERITESF，etal.Metalcuttingpyrotechniccomposition:US4349396[P]. 1985-09-14.

Unexplodedordnancedestructiontechnologybasedonmetalflow

ZHANGQi-gong1，ANZhen-tao1，XIAOHui2，LIJin-ming1

(1.DepartmentofAmmunitionEngineering,OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazhuang050003,China；2.ChinaArmedPoliceForce8640,Dingzhou073000，Hebei，China；3. 75170PLATroop，Guilin541000，Guangxi，China)

Combinedwiththecharacteristicsofthedestructionofunexplodedordnance(UXO),thescopeofapplicationofcommonlymethodsofdestructionwasanalyzedandthepyrotechniccuttingtechnologywasappliedtoordnancedestruction.Destructionmethodofignitionandnon-detonationwasintroduced.Theprincipleofthedestructiontechnologyofmetalflowwassummarized.Theresearchstatusofcombustionagentformulaandcombustiontorchstructurewascombed.Theratioofcombustionagentsystem,additivecomposition,combustiontorchstructureimpactingontheoperationtimeofmetalmeltflow,theefficiencyandeffectofmeltingthemetalwereanalyzed.Bycomparingthereferences,therocketenginecombustiontorchwasusedandthecombustionagentwasoptimizedwiththermite,alloyingadditives,diluentandgas-formingagent.ItwashelpfultodestroyUXO.Itprovidedareferenceforfurtherresearchofthedestructiontechnologyofmetalflow.

Destructionmethod；Unexplodedordnance(UXO)；Metalflow；Combustiontorch；Combustionagent

1006-7051(2016)04-0047-05

2015-01-06

张启功(1990-)，男，硕士，主要研究方向为弹药保障与安全技术。E-mail：zhangqigong07@163.com

TD235.21+4

Adoi： 10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.010