乳化炸药物理敏化工艺的应用现状

民爆库

       张璞，杨佳，汪惊奇
      
       湖南金能科技股份有限公司（湖南长沙，410012）
      
       摘 要：将活塞式装药机、珍珠岩远距离输送机等新设备应用于乳化炸药的生产，使中低温物理敏化工艺适用于民爆行业新的要求，并具有其独特的优点。本研究中，将乳化炸药物理敏化工艺的应用现状的重要特征逐一讨论。
      
       关键词：乳化炸药；物理敏化；活塞泵；应用现状
      
       Application Status of Physical Sensitization Technology for Emulsion Explosive Production
      
       ZHANG Pu，YANG Jia，WANGJing-qi
      
       Hunan Kenon Science & Technology Co Ltd, (Hunan Changsha,410012)
      
       Abstract: Some new types of equipment, such as piston loading machine and perlite powder long distance conveyer were applied in emulsion explosive production, thus making low temperature physical sensitization technology meet new requirements of civil explosive industry, and possess its unique advantages. In this study, important characteristics of application status of physical sensitization technology for emulsion explosives were discussed.
      
       Keywords: emulsion explosive physical sensitization piston pump application status
      
       引言
      
       乳化炸药是基于乳状液理论发展起来的，通常由不溶于水的碳氢燃料作为连续相，以过饱和硝酸铵盐水溶液作为分散相，通过乳化剂的乳化作用，硝酸铵盐水溶液以极小的液滴(通常为1μm内)分散在碳氢燃料中而形成的一种油包水(W/O)型特殊乳胶体系。在工业建设中，为了使乳化炸药可靠地被引爆，需要添加一些敏化组分，将乳化炸药变得敏感起来[1]。
      
       敏化组分，可以是感度较高的其他炸药，混合在乳化炸药中，例如TNT等单质炸药，也可以是微小分散气泡分布在炸药中，通过起爆能量的高温绝热压缩形成热点。从安全和成本角度出发，目前全世界乳化炸药所广泛使用的敏化方式，基本都是在乳胶体中引入微小气泡。这种微小气泡，既可以是通过机械搅拌滞留在乳胶基质中的空气，也可以是通过能反应生成气体的化学物质，还可以是本身就带有气泡的物质，例如空心玻璃微珠或者是膨胀珍珠岩。有研究表明，乳化炸药的气泡直径通常在0.5~100μm之间，主要集中在5~50μm，在1cm3的乳化炸药中，有效气泡数约为104~107个。与化学敏化方式相比，使用膨胀珍珠岩物理敏化的方式，生产工艺简单易于管理操作，产品爆炸性能优良，油相原材料成本低，炸药储存期性能稳定[2]。
      
       长期以来，因物理敏化乳化炸药的流动性差，且对泵送部分的磨损较大，而采用金属转子和定子的叶片泵进行装药又存在安全风险，诸如此类的问题导致物理敏化的市场份额缩小。2015年活塞泵成功研发且通过科技成果鉴定，并在此基础上完成了DKJ-3和DKJ-5两种型号的研发。在不提高原材料成本的前提下，活塞泵提高了泵送安全、效率、精度，减小了设备磨损，稳定了爆炸性能，受到了行业内的广泛关注。
      
       本文中，将活塞泵和物理敏化工艺方式进行匹配，对当前乳化炸药物理敏化工艺应用现状中的重要特征逐一讨论。
      
       1. 工艺介绍和分析方法
      
       1.1 工艺介绍
      
       将各组分进行加热充分溶解，油相、水相温度控制在90~93℃，使用AE-HLCⅢ型乳化器，通过960r/min的转速将油相、水相按照质量比65:935进行剪切乳化，形成乳胶基质使用钢带进行冷却至（52±3）℃进入敏化机。将膨胀珍珠岩按照1.5%~2.5%的比例加入敞开式敏化机进行敏化。敏化后的乳化炸药进入活塞泵装药机形成药卷，药卷通过皮带输送到包装机，进行整理装箱，最后送入库房。膨胀珍珠岩是由管链机在土堤外送至工房内的储罐。生产过程中的不合格品，另外设立了不合格品工房和敏化装药设备。
      
       1.2 分析方法
      
       国内乳化炸药生产工艺主要是中高温化学敏化、中低温化学敏化和中低温物理敏化。敏化方式的不同，影响了原材料成本、硝酸铵酸性的要求、关键设备的危险性等级、冷却方式对环境的影响、设备中途停机时的不合格品处理、库房保温或冷却的要求、库存数量等一系列重要参数。
      
       2. 结果与讨论
      
       2.1 原材料成本分析
      
       油相材料是乳化炸药组分中价格差异较大的部分。例如高分子乳化剂、微晶蜡是组分中价格较贵的部分，复合蜡、石蜡是价格适中的部分，而大豆卵磷脂等助乳剂价格较为低廉。合理的使用组分配比，能明显地控制原材料成本，达到降本增效的目的。表1列出了部分原材料的用量和价格。
      
       表1 油相原材料的价格及用量（质量分数）
      
       工艺方式
      
       微晶蜡/%
      
       高分子乳化剂/%
      
       大豆卵磷脂/%
      
       综合成本
      
       中低温物理敏化
      
       0~2
      
       0~2
      
       10~15
      
       低
      
       适合化学敏化的油相材料，大多需要添加微晶蜡和高分子乳化剂，其中微晶蜡对提高乳胶稳定性、高分子乳化剂对乳化效果以及敏化速度都有较为重要的影响，从而影响了整体的价格。中低温物理敏化的多数厂家都有在乳化剂中添加大豆卵磷脂等助乳剂的成熟的工艺方式，在合适的范围内对储存期并没有负面影响，对控制生产成本有明显作用。
      
       2.2 硝酸铵酸性的要求
      
       硝酸铵是乳化炸药中的重要爆炸组分，也是配方中占比最大的氧化剂。在化学敏化工艺中，硝酸铵虽然是存在于水相中，但其配置完成后的水相材料pH值，对化学敏化的速度有明显的影响，特别是近年来使用愈加广泛的液态硝酸铵，其pH值对化学敏化的影响尤为明显，通常需要硝酸铵供应厂家严格控制其pH值，否则会导致敏化速度的变化，或者需要乳化炸药车间在水相中通过加入添加剂的方式调节pH值[3]。
      
       物理敏化对硝酸铵酸性要求范围较宽，只要酸性强度不足以破坏乳胶体系的稳定性，其敏化工艺完全不受pH值的影响。
      
       表2 水相pH值的影响
      
       水相pH值
      
       珍珠岩质量分数/%
      
       敏化出药密度/( g.cm-3 )
      
       储存期（月）
      
       2.4
      
       2.0%
      
       1.12±0.03
      
       ≥8
      
       5.0
      
       2.0%
      
       1.12±0.03
      
       ≥8
      
       2.3 关键设备选型
      
       采用中低温物理敏化工艺，同时生产大小直径药卷时，配置敞开式乳化机一台，敞开式敏化机一台，装药活塞泵两台，均已通过科技成果鉴定，并通过1年时间的安全验证。
      
       2.4 珍珠岩远距离自动化输送
      
       膨胀珍珠岩作为乳化炸药的敏化材料，在我国应用较为成熟广泛。使用膨胀珍珠岩生产的物理敏化乳化炸药，爆炸性能稳定，抗压能力强，且来源广泛，工艺易于控制。通常将袋装的珍珠岩转运至生产工房的珍珠岩储罐平台，进行人工投料，但随着产能的扩大，珍珠岩用量增加，该投料岗位已需要一个固定岗位人员。因此湖南金能科技在2015年研发了珍珠岩输送管链机，可将防爆土堤之外的珍珠岩输送至土堤内的储罐中，并与生产控制系统结合，进行断料及时补充，将物理敏化的关键工序实现了无人化、自动化输送，同时也提高了工房内的空气质量，降低了粉尘。
      
       2.5 活塞泵介绍
      
       DKJ-3型活塞泵工作原理是，将若干和活塞均匀分布在凸轮上，通过凸轮的慢速转动，带动12个小活塞的上下直线往复运动，将旋转变成了直线运动。并和转盘无缝对接，实现了活塞装药和转盘打卡的过程，原理简单维护方便，药卷的爆炸性能继续保持原有物理敏化性能，药卷精度极高，外观饱满且利于包装工序的流畅。
      
       通过对活塞泵的成功应用，相继研发了DKJ-5型乳化炸药双活塞泵装药机，原理为两个活塞式的输送缸的交替运作，将乳化炸药送入塑膜中形成药卷，其工作原理更为简单，缸体运行速度更低，对物料的破坏性更小，适合中低温敏化后的乳化炸药。泵送后乳胶体和敏化气泡都维持稳定状态，保证了爆炸性能和储存稳定性[4]。
      
       表3 DKJ-5 活塞泵的泵送压力与乳化炸药密度变化
      
       泵送压力/ MPa
      
       泵送前密度/（g·cm-3）
      
       泵送后密度/(g·cm-3)
      
       0.35
      
       1.10
      
       1.12
      
       表4 活塞泵的泵送压力与爆炸性能关系
      
       泵送压力/ MPa
      
       殉爆距离/cm
      
       爆速/(m·s-1)
      
       0.35
      
       8
      
       5330
      
       表5 高低温循环后殉爆距离测试的结果 cm
      
       循环次数
      
       泵送压力/ MPa
      
       0.36
      
       0.40
      
       0.45
      
       6个循环
      
       8
      
       8
      
       8
      
       12个循环
      
       7
      
       6
      
       6
      
       18个循环
      
       5
      
       5
      
       5
      
       活塞泵在装药时，通过控制油相材料的比例，输送压力一般不超过0.5MPa，且泵送过程虽然对气泡有挤压等作用，但造成的密度变化不大，即珍珠岩气泡逃逸数量少。通过性能测试表明，泵送压力小，其殉爆距离测试结果较为接近，不存在明显差异。泵送后的炸药经过高低温循环实验，其性能虽然有衰减，但是并未呈现较明显变化。
      
       2.6 设备中途停机的不合格品处理
      
       目前不同的敏化工艺，都使用了转盘打卡装药机，随着该类国产装药机日渐成熟，故障率较初期有明显下降，与国外产品已十分接近。在生产中，因卡扣的消耗，需要更换停机，或故障需要停机维护等各种其他原因需要中途停机时，装药设备暂停运转。重新开机时，物理敏化产品得益于不受温度和停留时间的影响，无需排空物料，直接继续装药，中途不产生不合格品，无需频繁接料安排返工。
      
       2.7 库房要求
      
       化学反应受温度影响较为明显，使用中低温化学敏化工艺时，通常留有一定的“后效”来提高敏化气泡的质量，药卷装箱入库后，炸药内部还会产生一定的微小气泡，使药卷变得更饱满，同时爆炸性能也进一步提升。当环境温度较低，会造成这种“后效”反应速度的降低，甚至是停止，造成敏化的不完全，爆炸性能偏低。而高温敏化工艺生产的大直径药卷，经过冷却水池后，其表面温度降低，内部核心的温度仍然较高，导致了需要在南方夏季库房存放较长时间自然降温或者是在库房安装空调的方式加速降温。中低温物理敏化产品，不受环境温度的影响，其敏化工艺“所见即所得”，敏化完成后，其乳胶体温度和敏化组分已经稳定，可直接在爆破工程中应用。因此，中低温物理敏化工艺对于组织生产，库房管理等有明显优势。
      
       3. 结 语
      
       乳化炸药的工业化生产中，敏化环节的工艺改变，影响到整体工艺的方案。从物理敏化的应用中可以看出，当前物理敏化工艺，能满足产能要求，在线人员控制要求，并在应用上有如下几个优点：
      
       1）油相原材料成本较低，比例控制简单；
      
       2）工艺控制范围较宽，如水相pH值，敏化工艺；
      
       3）关键设备整体安全性较高；
      
       4）珍珠岩远距离输送，减少了在线人员和粉尘；
      
       5）独有的活塞泵装药工艺，提高了效率和安全性；
      
       6）不合格品处理的量明显较低；
      
       7）几乎不受环境温度影响，随季节变化库房内无需进行温度调节措施。
      
       参考文献
      
       [1]FARRELL SA, Gunpowder: Alchemy, Bombards, & Pyrotechnics: The History of the Explosive that Changed the World[J].Militarg History,2006,16(2):405-406.
      
       [2] 韦锦初. 物理敏化乳化炸药影响因素的研究 [J].广东化工, 2012,13(2): 24~25.
      
       [3] 姚普华. 液态硝酸铵生产乳化炸药的技术与实践[J]. 现代矿业, 2011, (9): 117-121.
      
       [4] 邓声普. 地下矿用现场混装乳化炸药及其装药车的研究 [J]. 采矿技术, 2016, (2): 87-89.
      
      
原文网址：

1. http://www.cqmbxh.com/new/xingyedongtai/1585.html

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