Ⅱ型粉状乳化炸药的研究.pdf

2 0 0 7 年1 2 月I 型粉状乳化炸药的研究唐双凌等 Ⅱ型粉状乳化炸药的研究 唐双凌倪欧琪 南京理工大学 江苏南京，2 1 0 0 9 4 [ 摘要] 通过对粉状乳化炸药配方、工艺、爆炸性能和安全性能的优化和深入研究，成功地开发出了Ⅱ型岩石粉 状乳化炸药和I 型煤矿许用粉状乳化炸药，显著降低了粉状乳化炸药的生产成本，提高了作功能力和本质安全性。 [ 关键词] 粉状乳化炸药爆炸性能安全 [ 分类号] T D 2 3 5 ．2 1 1引盲 工业粉状铵梯炸药不仅含有毒性成分T N T ，且 爆轰性能差，吸湿结块严重，生产工艺落后，长期以 来这些问题一直未能很好解决[ 1 ] ，而现有的乳化炸 药则存在作功能力较小的问题。 南京理工大学发明的粉状乳化炸药不但解决了 这些国内外关注的难题，而且显著提高了粉状工业 炸药的爆炸性能，是工业炸药的一次重大创新[ 2 ] 。粉 状乳化炸药是我国具有自主知识产权的高技术产 品，属国内外首创，已获国家发明专利，国防科技进 步二等奖，2 0 0 7 年江苏省十大发明专利金奖。 为了进一步提高粉状乳化炸药的性能价格比和 本质安全性，南京理工大学与盾安化工集团合作，研 究开发了新一代粉状乳化炸药Ⅱ型粉状乳化炸 药。它采用乳化混合的方式将氧化剂与高热值燃料 制成高均一性的乳胶，然后经喷雾制粉技术制成Ⅱ 型粉状乳化炸药。该炸药是一种不含单质炸药的高 性能新型工业炸药，具有爆炸性能优良、本质安全性 好、作功能力大、原材料成本低、生产工艺流畅、产能 大、能耗小、操作简单、适用于各种爆破作业等优点， 推广应用后将产生显著的社会效益和经济效益。 2 配方设计 配方设计是Ⅱ型粉状乳化炸药研制的关键之 一。Ⅱ型粉状乳化炸药的配方设计以零氧平衡为原 则，在全面考虑了炸药的性能、安全性、经济性、工艺 可行性、产品的物理形态等因素后，最终确定了Ⅱ型 粉状乳化炸药的配方。 2 ．1 配方的氧平衡 根据炸药中含氧化剂量和还原剂量的不同，炸 药的氧平衡呈三种状态。分别为正氧平衡、负氧平衡 和零氧平衡。同零氧平衡的工业炸药相比，正氧或负 氧平衡的炸药中氧化剂或可燃剂的含量过高，不能 完全参与反应，造成材料浪费，爆炸性能下降。同时 在爆炸过程中产生的有毒气体量明显高于零氧平衡 通讯联系人。 的炸药，且爆破中未发生反应的残留物多，易引燃可 燃气体，给使用带来安全隐患。因此零氧平衡的设计 原则，对保证炸药的优良性能和使用安全至关重要。 基于以上考虑，Ⅱ型粉状乳化炸药配方采用零氧平 衡设计。 2 ．2 配方中氧化剂选择 硝酸铵是工业炸药中最常用的氧化剂。虽然硝 酸铵有效氧含量略低，但来源广泛、价格低廉、性能 稳定，爆炸时生成的气体量较大。用它制造的炸药 感度适中，生产和使用的安全性高，作功能力较大。 基于上述分析，Ⅱ型粉状乳化炸药选用硝酸铵为氧 化剂。这样做既保证了炸药的爆炸性能和生产的安 全性，同时又考虑了合理性。 2 ．3 可燃剂的选择 为了使粉状乳化炸药颗粒中的油膜在常温条件 下呈固态，从而使产品具有良好的流散性，目前粉状 乳化炸药的油相以熔点较高的固态复合蜡为主。而 高熔点蜡的价格较高，因此增加了粉状乳化炸药的 成本。 Ⅱ型粉状乳化炸药由于采用了新的工艺和配 方，可以采用熔点较低的复合蜡作为油相材料。复合 蜡为化学性能稳定的烷烃，具有较高的韧性和较小 的透湿性，有利于Ⅱ型粉状乳化炸药的抗水性和储 存稳定性。熔化后的复合蜡粘度较低，更有利于乳化 混合和喷雾制粉工艺。基于以上考虑，确定采用复合 蜡作为Ⅱ型粉状乳化炸药主要油相材料。这样做既 改善了生产工艺，而且显著降低了生产成本。每吨炸 药仅原材料就可节约2 2 6 元，从而提高了炸药的性 能价格比，批量生产后必将给企业带来可观的经济 效益。 2 ．4 配方中消焰剂的选择 消焰剂是煤矿许用炸药的重要成分，其主要作 用为两方面一是降低炸药的爆温，二是对瓦斯的燃 爆起阻化作用。 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第3 6 卷第6 期 炸药中消焰剂的消焰效果直接关系到Ⅱ型煤矿 许用粉状乳化炸药在井下的使用安全。在水相中加 入无机消焰剂可以增加消焰剂在炸药中的均匀性， 从而提高消焰效果，但无机消焰剂在水中的溶解量 有一定的限度。为了使炸药具有更好的消焰效果，Ⅱ 型煤矿许用粉状乳化炸药在使用无机消焰剂的同时 使用了有机消焰剂。有机消焰剂能有效降低炸药的 爆温，增强消焰效果。这种方式不但提高了炸药的消 焰能力，而且有利于调整炸药的氧平衡。 基于以上考虑，Ⅱ型煤矿许用粉状乳化炸药选 用碱金属盐类为主要消焰剂，惰性有机物质为辅助 消焰剂。 2 ．5 配方的确定 通过大量的生产试验和性能检测，最终筛选出 了Ⅱ型粉状乳化炸药的配方，参见表1 和表2 。 表1Ⅱ型岩石粉状乳化炸药组成 表2Ⅱ型煤矿许用粉状乳化炸药组成 组分硝酸铵复合腊乳化剂消焰剂水 含量／％ 8 1 ～9 14 ～51 ～24 ～9o ．1 ～3 ．O 表1 和表2 中的配方呈零氧平衡，组分简单，爆 炸性能良好，安全性能优良。 3 制造工艺设计 粉状乳化炸药的制造工艺主要包括乳化混合 工艺和制粉工艺两个主要部分。 3 ．1 乳化混合工艺 Ⅱ型粉状乳化炸药采用具有高安全性的连续乳 化工艺，将氧化剂与还原剂混合制成高均一性的乳 胶基质。该工艺的油水相计量采用连续自动计量方 式，油水相计量准确。乳化设备采用大间隙、低转速 的乳化器，乳化器的转速仅为胶状乳化炸药的二分 之一，从而提高了乳化工序的本质安全性。乳化基质 制备的流程如图1 所示。 图1 乳化基质的流程框图 确定乳化工序的工艺参数时，在能满足氧化剂 和可燃物混合均匀性的基础上，从本质安全的角度 出发，尽可能降低水、油相的温度。在大量试验的基 础上，Ⅱ型粉状乳化炸药水相的溶解温度控制在 1 2 5 ～1 3 5 ℃之间，油相熔化温度控制在1 1 0 ～1 2 5 ℃ 之间。 3 ．2 制粉工艺 制粉工序采用了南京理工大学的新型双风流系 统喷雾制粉技术，该技术比原单风流系统调控方便， 能耗显著减少，而且自动化程度高，产能大，制粉条 件不受外界气候变化影响，产品质量稳定。 该工序由四部分组成第一部分是控制部分，集 中对生产线上的电气开关及各关键点的仪表和执行 机构进行控制，从而实现对整个生产过程的监视和 控制。第二部分是基质的输送部分，主要由各种输送 设施组成。第三部分是制粉部分，包括喷雾制粉系 统、管道输送系统、固气分离系统、冷却系统。第四部 分是除尘系统，主要设备为湿法除尘器，该系统可有 效地防止粉尘污染。制粉的流程如图2 所示。 图2制粉沉程框图 乳化基质的粘度对制粉工序有一定的影响。基 质粘度大，泵送压力高，雾化效率低。Ⅱ型粉状乳化 炸药由于采用了新的配方和乳化工艺，显著减小了 基质的粘度，从而大大降低了泵送压力，工序的本质 安全性进一步提高，生产效率明显增加，每小时产量 可达4 t 以上。 进塔的风温高低将影响产品的温度和含水量。 风温过高将使产品出料温度增高，引起产品粘结；温 度过低，产品水分过高，贮存时问缩短。综合上述考 虑，通过能量估算和试验，风温范围定在6 0 ～8 0 ℃ 之间为宜。 由于采用了先进的结晶控制技术，使胶体颗粒 的结晶速度加快，成品的含水量降低，粉体的流散性 明显提高，堆积密度显著增加。通过能量估算和试 验，进塔风温的范围为6 0 ～8 0 ℃。从制粉塔里出来 的物料需进一步冷却，经过试验确定风温为8 ～ 1 5 ℃，经过冷却的炸药可直接装药包装。 由于采用了新的制粉工艺，所需配置的降温除 湿设备大大减少，同时小时产能又明显增加。因此生 产Ⅱ型粉状乳化炸药的能耗显著下降，燃料及动力 成本下降达6 3 元／t ，进一步降低了粉状乳化炸药的 生产成本。 4 性能测试 采用乳化混合一喷雾制粉新工艺制造的Ⅱ型粉 状乳化炸药，其炸药中的颗粒仍具有w ／O 型乳胶 万方数据 2 0 0 7 年1 2 月I 型粉状乳化炸药的研究唐双凌等 体的微观结构。因此氧化剂、还原剂和消焰剂的混合 均匀，炸药具有优良的爆炸性能、安全性能和抗水性 能。 4 ．1 爆炸性能 炸药爆炸性能直接关系到炸药的使用效果，因 此爆炸性能的优劣是检验炸药配方与工艺设计成功 与否的主要指标。试验结果参见表3 和表4 。 表3Ⅱ型岩石粉状乳化炸药爆炸性能 表4Ⅱ型煤矿许用粉状乳化炸药的爆炸性能 从表3 和表4 可以看出，经过原材料和工艺调 整后的Ⅱ型粉状乳化炸药不但克服了现有粉状乳化 炸药的不足，而且仍然保持了现有粉状乳化炸药优 良的爆炸性能，并且炸药的密度明显提高。现有粉状 乳化炸药装药密度一般为o ．8 4 ～O ．8 7 9 ／c m 3 ，而Ⅱ 型粉状乳化炸药装药密度可达O ．9 5g ／c m 3 以上，从 而显著提高了粉状乳化炸药的作功能力。 4 ．2 安全性能 炸药的安全性能直接关系到生产、运输、储存和 使用各环节，因此本研究对Ⅱ型粉状乳化炸药进行 了较全面的安全性能试验。内容包括炸药的机械感 度试验和热感度试验，试验结果参见表5 和表6 。 试验结果表明粉状乳化炸药的机械感度、热感 度、可燃气安全度和抗爆燃性能均符合标准要求，是 一种本质安全性较好的工业炸药。 5 结论 Ⅱ型粉状乳化炸药具有以下特点 表5Ⅱ型岩石粉状乳化炸药的安全性能 表6Ⅱ型煤矿许用粉状乳化炸药的安全性能 1 研究表明，Ⅱ型粉状乳化炸药技术比现有 粉状乳化炸药又有了明显的提高，它具有优良的爆 炸性能、较高的本质安全性和性价比，是一种非常有 前景的工业炸药； 2 Ⅱ型粉状乳化炸药的配方设计合理，既保 证了优良的爆炸性能，又满足了工艺的要求，并且显 著降低了原材料成本。油相材料主要选用粘度较低 的复合蜡，更有利于乳化混合和喷雾制粉工艺，同时 降低了材料成本； 3 I 型粉状乳化炸药的密度明显提高，增加 了炸药的体积威力。机械感度和热感度低，可燃气安 全度和抗爆燃性能均符合标准要求，是一种本质安 全性较好的工业炸药； 4 生产线整体连续化水平高，设备运行可靠， 产品质量稳定。采用的双风制粉系统大大方便了制 粉工序工艺参数的调控，显著降低了能耗； 5 乳化设备可采用大间隙、低转速的乳化器， 转速仅为胶状乳化炸药生产的二分之一，从而显著 提高了乳化工序的本质安全性； 6 基质粘度的减小降低了泵送压力，提高了 输送能力和安全性，并且明显增加了制粉效率； 7 爆炸过程中产生的有毒气体含量低，炮烟 少，改善了作业环境，提高了爆破作业效率； 8 生产线采用了水、油相、冷却水断流报警，基 质断流或堵料报警，超温、超压报警，以及相应的连 锁停机措施。生产时的在线药量是目前工业炸药中 最小的，因此具有较高的本质安全性。 参考文献 [ 1 ]吕春绪，等．膨化硝铵炸药[ M ] ．北京兵器工业出版 社，2 0 0 1 ．4 ～6 ． [ 2 ] 倪欧琪，俞明熊．粉状乳化炸药的研究与发展口] ．爆破 器材，2 0 0 0 ，2 9 2 1 2 ～1 5 ． R e s e a r c ho fM o d e l ⅡP o w d e r yE m u I s i o nE x p I o s i V e P E E T a n gS h u a n g I i n g ，N iO u q i N a n j i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y J i a n g s uN a n j i n g ，2 1 0 0 9 4 [ A B S T R A C T ]B yf u r t h e rs t u d y i n gt h ef o r m u l a ，t e c h n i q u e ，p e r f o r m a n c ea n ds a f e t yo fP E E ，M o d e lIr o c kP E E a n dp e r m i t t e dP E Ea r es u c c e s s f u l l yi n v e n t e d ．L o w e rc o s t ，l a r g e rs t r e n g t ha n de x c e l l e n ts a f e t yo fP E Eh a v eb e e n r e a c h e d ． [ K E Yw O R D S ]p o w d e r ye m u l s i o ne x p l o s i v e ，e x p l o s i v ep e r f o r m a n c e ，s a f e t y 万方数据