火炸药热爆炸临界温度试验系统

摘要

本发明公开了一种火炸药热爆炸临界温度试验系统，包括升温加热单元、反应器单元、自动进样单元、压力检测单元和计算机；升温加热单元包括热导层、保温层、3组加热层和陶瓷隔热层的单腔加热炉体，加热炉体的温度和升温速率受计算机控制。反应器单元包括试验炉盖，提篮、样品池，预热炉盖；自动进样单元包括炉体支架、两台步进电机、滑轮，钢丝绳，气体压力检测单元含有压力传感器，该压力传感器通过试验炉盖安装于样品池内，并与计算机相连；计算机装有数据采集卡、图形显示控件和数据处理单元。使用时将一定尺寸的火药或炸药试样置于专用防爆炉内，在等温或升温条件下对试样加热，测定试样发生燃烧或爆炸时的热爆炸临界温度。

说明书

技术领域

本发明属于火炸药性能测试领域，主要涉及一种火炸药热爆炸临界参数测 试装置，特别是一种火炸药热爆炸临界温度试验系统，该系统采用隔离操作方 式，将一定尺寸的火药或炸药试样置于专用防爆炉内，在等温、非等温条件下 对试样加热，测定试样发生燃烧或爆炸时的热爆炸临界温度。

背景技术

理论上火炸药在任何温度下都能发生热分解，放出热量。火炸药在生产工 艺过程或长贮过程中会经受温度载荷、压力载荷的作用，对于药柱尺寸较小或 堆积尺寸较小的情况，温度载荷、压力载荷作用产生的热量能及时散发出去， 因而不会产生自加热和燃烧，对于药柱尺寸较大的药柱或堆积存放量过的，则 分解放热不能及时传导使火炸药自加热而温度升高，导致燃烧甚至爆炸。火炸 药热爆炸临界参数是指火炸药处于常压或压力状态时，在热刺激作用下处于爆 炸临界状态时的参数，包括热爆炸临界温度、延滞期、临界尺寸及临界压力等。 准确获得火炸药热爆炸临界参数是评价火炸药在生产工艺过程或弹药常贮过程 中不发生意外的燃烧或爆炸事故的关键依据。

热爆炸理论根据热量生成和散失建立热平衡方程，通过求解偏微分方程获 得热爆炸临界参数，但是由于热分解反应的复杂性，火炸药的热分解活化能、 导热系数测定引入的误差使得计算获得的热爆炸临界参数不理想。实验研究一 直落后于理论研究。现有的通过爆发点或发火点试验获得的参数测试装置，因 为没有考虑尺度效应与实际药柱偏差较大。而用于测试药柱的装置有以下不足：

(1)等温或程序升温条件下药柱燃烧或爆炸前存在一定的环境温度，对于 尺寸较小或能量偏低的火炸药，放热量较小的试样或热爆炸临界温度较高的试 样，分解、燃烧、爆炸产生的热量不足以使环境温度发生显著改变，即存在温 度干扰时传统的热电偶温度传感器判断特征反应信号的数据不易采集，无法获 得热爆炸临界温度。

(2)目前国内的恒温爆炸炉测试仪的控温精度都在±5℃，测温范围在0～ 200℃，炉体采用可控硅方式控温，且为单点控温，不能满足温场均匀性、稳定 性要求，温场的波动影响热爆炸临界参数的准确性。

(3)人工进样，高温下进行大尺寸样品实验时人身安全受到威胁。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种火炸药热爆炸临界温度试验系统，该系统采 用隔离操作方式对火炸药进行热安全性评价，即将一定尺寸的火药或炸药试样 置于样品池，放入炉体内，在等温或升温条件下对试样加热，测定试样发生燃 烧或爆炸时的热爆炸临界温度。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案予以实现：

一种火炸药热爆炸临界温度试验系统，其特征在于，包括升温加热单元、 反应器单元、自动进样单元、压力检测单元和计算机；

所述升温加热单元包括热导层、保温层、3组加热层和陶瓷隔热层的单腔加 热炉体，加热炉体上有预热炉盖和试验炉盖，炉腔底部、中部、上部分别装有 与所述计算机相连的温度传感器，加热炉体的温度和升温速率受计算机控制。

反应器单元包括试验炉盖、提篮、样品池、预热炉盖、四脚吊架；样品池 置于提篮内，提篮与试验恒温炉盖相连接。

所述自动进样单元包括炉体支架、步进电机、滑轮，钢丝绳，其中，炉体 支架两端装配有低支架和L型支架，两台电机分别安装在炉体支架两侧，其中一 台电机通过一组安装在L型支架上的定滑轮带动连接有钢丝绳的反应器单元试 验炉盖，另外一台电机通过一组安装在低支架上的定滑轮带动连接有钢丝绳的 反应器单元的预热炉盖；

所述气体压力检测单元含有压力传感器，压力传感器通过实验炉盖安装于 样品池内，并与计算机相连。

所述计算机装有数据采集卡、图形显示控件和数据处理单元，数据处理单 元包含数据采集模块、数据存储模块、图形化模块、数据分析模块和系统管理 模块。数据采集模块通过数据采集卡实时获得测温热电偶输出的温度-时间数组 和压力传感器输出的压力-时间数组并存入到数据存储模块中；图形化模块调用 数据存储模块中的数据和图形显示控件，将温度-时间数组和压力-时间数组转化 成试验温度下气体量随时间变化的关系曲线；系统管理模块根据人工输入的试 验参数控制所述加热体的温度和升温速率，同时完成用户管理和打印输出。

本发明的火炸药热爆炸临界温度试验系统的有益效果体现在：

1、等温或程序升温条件下药柱燃烧或爆炸前存在一定的环境温度，对于尺 寸较小或能量偏低的火炸药，放热量较小的试样或热爆炸临界温度较高的试样， 分解、燃烧、爆炸产生的热量不足以使环境温度发生显著改变，即存在温度干 扰时传统的热电偶温度传感器判断特征反应信号的数据不易采集，获得的热爆 炸临界温度不准确。以系统压强作为燃烧或热爆炸时的特征信号参量，通过炉 体内部样品池中安装的压力传感器，检测药柱受热过程中特征信号参量突跃， 辨识热分解转燃烧或爆炸的临界状态，获得临界参数。

2、样品池为带有胶木塞的半密闭铝制池，样品置于其中，压力传感器安装 于池壁与样品中间，便于特征信号检测。

3、采用预热炉盖与试验炉盖分离并由电机控制升降、提篮与实验炉盖连接 一体化的设计，通过计算机控制完成自动进样，实现了加热单元与计算机隔离， 保证操作人员的人身安全，能够开展高能量、大尺寸的火炸药热稳定性研究。

4、目前国内的测试仪的控温精度都在±3℃，测温范围在20～200℃。本装 置加热炉体设有多组电热丝，并分别于炉体底部、中部、上部安装的高精度温 度传感器连接，实现多点控温，提高温场均匀性和稳定性，控温精度可以达到 ±0.5℃，测温范围宽在20℃～400℃。控温方式采用先进的PID控温算法，并有自 学习系统的神经网络，高效、准确。

5、不仅获得临界温度，同时可以获得不同尺寸药柱燃烧或爆炸时的压力峰 值，为火炸药加工设备研制和安全防范措施制定提供依据

附图说明

图1为本发明的临界温度试验系统结构示意图；

图2为图1所示的反应器单元结构示意图；

图3为图1所示的炉盖的剖视图；

图4为图2所示提篮支架与提篮连接方式示意图

图中的标记分别表示：1、低支架，2、低支架定滑轮，3、低支架钢丝绳， 4、L型支架前端定滑轮，5、L型支架钢丝绳，6、L型支架，7、L型支架定滑轮， 8、炉盖，9、下层温度传感器安装孔，10、上层温度传感器，11、上加热层， 12、中层温度传感器，13、中加热层，14、下层温度传感器，15、炉体支架， 16、试验步进电机，17、热导层，18、下加热层，19、石棉保温层，20、陶瓷 隔热层，21、壳体，22、预热步进电机，23、转轴，24、预热炉盖，25、预热 炉盖保温层，26、试验炉盖，27、试验炉盖保温层，28、螺钉孔，29、提篮支 架，30、底盘边缘通孔，31、螺钉，32、挂钉，33、提篮，34、样品池，35、 样品，36、压力传感器，37、样品池盖，38、样品池盖孔，39、L型豁槽，40、 底盘通孔，41、试验炉盖保温层通孔，42、试验炉盖通孔，43、四脚吊架，44、 上层温度传感器安装孔，45、中层温度传感器安装孔。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详述。

具体实施方式

参见图1～图4，本发明的火炸药热爆炸临界温度试验系统，包括升温加热 单元、反应器单元、自动进样单元、压力检测单元和计算机。

升温加热单元包括带有热导层17、三组加热层(上加热层11、中加热层13、 下加热层18)、石棉保温层19、陶瓷隔热层20的单腔加热炉体，各加热层中有 独立加热丝；炉腔底部、中部、上部分别装有与所述计算机相连的上层温度传 感器10，中层温度传感器12，下层温度传感器14，加热炉体外部有固态继电器 和温度控制器，加热炉体的最外层为壳体21，其上盖有炉盖8和预热炉盖24，预 热炉盖24通过转轴23与固定于炉盖8上。加热炉体的温度和升温速率受计算机控 制。其中：

热导层17是用导热性好的铝合金加工而成的圆形腔体。

热导层17外围为加热层。加热层均为圆柱型加热套，其中有加热丝，加热 丝材料为镍镉合金，采用绕组方式，均匀缠绕后，用2mm厚的不锈钢板进行封 装，每层加热丝的最大功率为1500W，可以独立控制。加热丝的两端加入氧化 镁进行绝缘处理，加热层紧箍在热导层17柱面上。加热层与壳体21之间的空隙 中装有用硅酸铝纤维板毡制作的保温层19。加热层中的加热丝采用耐高温导线 与3组固态继电器连接，固态继电器与温度控制器连接，温度控制器与计算机系 统连接。

加热层外围包有石棉保温层19，石棉保温层19外围为陶瓷隔热层20(采用 99陶瓷)；陶瓷隔热层20外围为壳体21，为防爆层，该防爆层采用8mm厚的304 不锈钢。在壳体21顶端盖有同材质的炉盖8。其中，炉盖8上设上层的温度传感 器安装孔44，中层温度传感器安装孔45、下层温度传感器安装孔9(均为水平通 孔)。上层温度传感器10、中层温度传感器12、下层温度传感器14分别通过上 层温度传感器安装孔44、中层温度传感器安装孔45、下层温度传感器安装孔9， 相应地安装于炉腔的上部、中部和底部炉壁处，3个温度传感器采用信号屏蔽线 与温度控制器连接。温度传感器采用铂电阻，型号为Pt100，四线制。

炉盖8上有预热炉盖24，该预热炉盖24通过转轴23固定于炉盖8上。本实施 例中，预热炉盖24采用6mm的不锈钢制成，内嵌石棉材质的预热炉盖保温层25。

反应器单元包括试验炉盖26，提篮支架29、提篮33、样品池34、样品池盖 37、样品35、四脚吊架43。试验炉盖26采用8mm的不锈钢制成，是由试验炉盖 外沿和试验炉盖芯体构成的一体式结构，试验炉盖芯体外径为Φ90mm，进样时 可嵌入炉腔内。试验炉盖26在沿径向方向距中心10mm处开有1个Φ2.5mm的圆形 通孔，该圆形通孔为试验炉盖通孔42，用于通过压力传感器36，试验炉盖26内 嵌试验炉盖保温层27(为石棉材质)，试验炉盖保温层27在沿其径向方向距中 心10mm处开有1个Φ2.5mm圆形通孔(为试验炉盖保温层通孔41)。试验炉盖26 中心焊接有不锈钢的四脚吊架43，其顶部与L型支架钢丝绳5连接。试验炉盖芯 体下端面边缘设有4个M4螺钉孔28。提篮支架29由耐热胶木材制成，是由提篮支 架底盘和提篮支架环状芯体组成的一体式结构，提篮支架29底盘边缘均匀分布4 个底盘边缘通孔30，提篮支架环状芯体柱面圆周上的螺纹连接有4个挂钉32。螺 钉31穿过底盘边缘通孔30与螺钉孔28紧固配合，将提篮支架29与试验炉盖26固 定连接。提篮支架29的提篮支架底盘在沿其径向方向距中心10mm处开有1个 Φ2.5mm的圆形通孔(为底盘通孔40)。上述试验炉盖通孔42、试验炉盖保温层 通孔41及底盘通孔40，3孔垂直贯通，用来通过压力传感器36。提篮33上端有4 个对应的L型豁槽39，L型豁槽39穿过挂钉32后旋转，即可将提篮33与提篮支架 29连接。提篮33为耐热胶木材制成，尺寸为Φ90mm×85mm。样品池34装在提篮 33内，样品池22为半密封样品池，用于放置样品35，样品池22采用导热性好的铝 合金加工成圆柱形腔体，样品池22上盖有铝合金制样品池盖37，样品池盖37在 沿径向方向距中心10mm处开有1个Φ2.5mm圆形样品池盖孔38，用来通过压力传 感器36。

自动进样单元包括低支架1、L型支架6、炉体支架15、两台步进电机(16、 22)、滑轮(2，4，7，其中滑轮4和滑轮7为一组，滑轮2位于低支架1顶端)、 钢丝绳(3，5)。

其中，炉体支架15为5mm厚的铁质箱体，箱体的尺寸为 600mm×500mm×400mm。

低支架1和L型支架6的材质均为不锈钢，分别与箱体焊接连接。两台步进电 机(16、22)分别安装在炉体支架15两侧。其中，L型支架6为倒“L”型，包括有 竖直段和水平段，其水平段两端分别装有L型支架定滑轮7和L型支架前端定滑轮 4。

步进电机16通过安装在L型支架6上的定滑轮7带动连接有钢丝绳5的试验炉 盖26升降。步进电机22输出端与钢丝绳5的一端连接。钢丝绳3绕过安装在低支 架1上的定滑轮2与预热炉盖24连接。步进电机(16、22)通过驱动器、接线端 子与装有运动控制卡的计算机连接。

所述气体压力检测单元含有压力传感器36，本实施例中，压力传感器36选 用为硅压阻型(深圳华天测控有限公司HTP-6)，通过试验炉盖通孔42、试验炉 盖保温层通孔41、底盘通孔40、样品池盖孔38，安装于样品池34内，输出端通 过压力变送器、数据采集卡与计算机相连。

计算机8装有数据采集设备(XSLE系列)实时采集各种环境参数、温度 传感器输出的温度-时间数据以及压力传感器输出的压力-时间数据等。温度控制 器(WEST 4100)，对加热炉的温度和加热过程进行控制。计算机软件部分包 括：数据实时采集模块，负责实时采集各项数据；数据存储模块，负责实时采 集数据的存储和管理；数据图形化展示模块，实时展示采集到的环境变化曲线， 温度-时间变化曲线，压力-时间变化曲线等；数据分析和处理模块，负责将温度 -时间数据和压力-时间数据转化成试验温度下气体量随时间变化的关系曲线，并 进行实验各项处理工作，对实验样品的各项性质给出分析结果，报表输出工作； 温度控制模块，根据实验要求，对加热炉的温度进行控制，保证誓言对温度的 恒温、升温要求；系统管理模块，完成用户管理和系统各项参数的设置和管理 工作。

下面详叙本发明的热爆炸临界温度实验系统使用方法：

(1)打开仪器电源，开启计算机。打开桌面上的“热爆炸临界温度实验系 统”应用程序；检查软件记录的温度、压力值，确定仪器连接正常。

(2)进入爆炸塔，将待测样品装入试验炉盖的样品池内，离开爆炸塔，关 闭防爆门。

(3)通过软件操作，关闭预热炉盖。设置加热炉温度T₀、压力传感器采集 信号时间等相应参数。打开加热炉开关，开始加热。

(4)待加热炉恒定至设定温度后，通过软件操作，升起预热炉盖，降下装 有将样品的试验炉盖。

(5)从软件观察加热炉内压力随时间变化。

(6)若10h内未检测到热炉内压力随时间变化，停止试验。关闭加热电源， 自然降至室温后，升起试验炉盖；

(7)进入爆炸塔，将新的待测样品装入试验炉盖反应样品池内，离开爆炸 塔，关闭防爆门。

(8)设置加热炉温度T₀+ΔT_i，打开加热炉开关，开始加热。待加热炉恒 定至设定温度后，通过软件操作，升起预热炉盖，降下装有样品的试验炉盖， 盖在加热炉上。

(9)通过软件观察加热炉内压力随时间变化，若10h内检测到压力突跃， 表明发生了燃烧或爆炸，于是得到该环境温度下的压力突跃对应的时间，该时 间为热爆炸临界时间。

(10)关闭加热电源，自然降至室温后，升起试验炉盖，改变环境温度，重复 步骤(7)～步骤(9)，获得药柱发生热爆炸的最低环境温度与不发生热爆炸的 最高环境温度，二者的平均值作为热爆炸临界温度。