工业炸药有关设备运转过程中的能量与安全.pdf

2 0 0 9 年1 2 月工业炸药有关设备运转过程中的能量与安全金娥等 1 7 工业炸药有关设备运转过程中的能量与安全 金娥唐芳 云南国防职业技术学院 云南昆明，6 5 0 2 2 4 李克升 国营云南包装厂 云南陆良，6 5 5 6 1 3 [ 摘要] 文章以撞击感度和摩擦感度的能量为依据，对工业炸药的有关设备，在作业过程中的能量与安全做了 分析比较，以能量的观点分析了设备在运转中的安全性问题，具有一定的参考价值。 [ 关键词] 工业炸药设备能量安全 [ 分类号] T D 2 3 5 ．2 1 1 引言 工业炸药生产中应坚持“安全第一，预防为主” 的安全生产方针，采用的加工设备及有关工艺条件， 从能量观点分析，其安全性如何，应该说也是重要的 一环。能量是多方面的，但只能从加工过程中的实 际情况予以分析。炸药生产过程中产生的能量最多 的是机械能和热能。因机械能的重要性，在工业炸 药安全检测项目中已作明确规定，本文以此作为一 种分析安全性的依据。 2 感度 2 ．1 撞击感度Ⅲ 炸药在机械撞击作用下发生爆炸变化的难易程 度叫做炸药的撞击感度，较常用的设备为W L 一1 型 立式落锤仪。药量3 0m g 、锤重l Ol 【g 、落高2 5 c l r l l 。以爆炸百分数表示试验结果。 落锤撞击炸药的能量可用下式计算 E m g h 1 式中卜势能，J ； m 一落锤质量，k g ； 落高，m ； g 一重力加速度，9 ．8l n ／s 2 。 由表l 可以看出，不同质量的落锤，悬挂在不同 的高度，具有不同的撞击感度。 表1不同落高不同锤重时的势能 单位J 2 ．2 摩擦感度1 炸药在机械摩擦作用下发生爆炸变化的能力称 为摩擦感度，较常用的仪器为W M ．1 型摩擦感度仪。 药量3 0m g 、摆臂长7 6 0m m 、摆角9 6 。；对敏感炸 药摆角为9 0 。，以爆炸百分数表示试验结果。当摆 角为9 0 。时，挤压压强4 7 6 ．6N P a ；当摆角9 6 0 时，挤 压压强5 3 9 ．2M P a 。锤重1 ．5k g 。 摆锤击中击杆时的冲击能可按下式计算 E m g h m g l 1 一e 0 8 0 ￡ 2 式中E 势能，J ； m 摆锤质量，k g ； 三摆臂长，I n ； g 重力加速度，9 ．8m ／s 2 。 对于一般不敏感的工业炸药，摆角多采用9 6 。。 冲击能量计算结果如下 E 1 ．5 9 ．8 0 ．7 6 1 一c o s 9 6 。 1 2 ．3 4J 对于一般较敏感的工业炸药，摆角多采用9 0 0 ， 冲击能量计算结果如下 E 1 ．5 9 ．8x 0 ．7 6 I c o s 9 6 0 1 1 ．1 7J 二者略有区别，但能量相差不大。 表2 列出了几种工业炸药的撞击感度和摩擦感 度的测试结果。 从表2 不难看出，在相对统一稳定的条件下，不 同炸药的撞击感度和摩擦感度是不同的。仅就工业 炸药而言，其差异也是很大的。新型的乳化炸药、膨 化销铵炸药、粉状乳化炸药，其撞击感度和摩擦感度 值最小，即所需要的起爆能量大，因此生产过程较为 安全。 3 气流工艺中有关设备 在工业炸药发展中，用气流工艺直接生产改性 铵油炸药，制药全过程在管道中完成；再就是以气流 收稿日期2 0 0 9 - 0 5 1 9 作者简介金娥 1 9 6 6 一 ，女，高级讲师，主要从事化学研究与教学工作。E - m a i l j d i 2 6 6 9 0 1 6 3 ．c O l U 万方数据 1 8 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 8 卷第6 期 表2 有关炸药的撞击感度与摩擦感度 工艺为基础，制药部分采用连续球磨机混药；另一种 形式是采用改型轮碾机混药。现对其加工过程的能 量与安全关系进行分析。 3 ．1 风速与投料量 气流工艺管道中具有一定的动能，其动能大小， 是完成作业的根本保证。动能计算公式如下 r ’ I 2 丘I2T 脚 3 式中邑动能，J ； m 质量，k g ； 移速度，m ／a o 其风速、投料量与动能关系计算结果如表3 所 示，动能的计量单位用J 表示。 表3 风速、投料量与动能关系 J 投料量风速／ m 8 “ ／ k g s 以 1 0 1 52 02 53 0 3 54 03 4 0 1 ．05 01 1 2 ．52 0 03 1 2 ．54 5 06 1 2 ．58 0 05 7 8 0 0 1 ．57 51 6 8 ．83 0 04 6 8 ．86 7 59 1 8 ．81 2 0 08 6 7 0 0 表3 中的数据，若用撞击能值和摩擦能值比较， 实在是太大了，但性质不同，它是外界给予的能量， 在一定范围内是安全的，长期生产实践证明也是安 全的。但随着投料量的增加，风速的增加，则能量急 剧增加，这在安全的角度上应重点考虑。气流工艺 一般风速2 5 m ／s 左右，投料量I k g ／s 左右。 3 ．2 管道中喷油 在表3 数据中，当风速达到声速时其能量是很 大的。根据文献[ 2 ] ，南京理工大学曾采用以刚玉 为衬里的超音速气流粉碎机，以干燥空气为介质，对 干燥的强氧化剂进行超细化试验。试验时发现粉体 出口处实测静电压高达3 万伏以上，夜间粉碎时3 m 以外可观察到明亮的静电放电火花，并听到静电 放电的爆炸声。这可能是超细化气流粉碎机多次发 生爆炸事故的最主要原因之一。为此，气流式喷嘴 的工作安全状态不能不引起重视。 设管道风速3 0m ／s ，硝铵量为1k g ／s ，管道中动 能4 5 0J 。设喷油量为0 ．0 4 4k g ／s ，需喷嘴风速1 4 3 m ／s ，油才能喷入管道中；为了使油能雾化，喷嘴出 口动能要远大于管道中的动能。实际采用喷嘴出口 风速为3 1 7m ／s ，喷嘴出口动能为2 2 1 1J ，是管道中 动能的5 倍。喷嘴出口处这样高的速度和这样高的 动能，会不会产生静电火花 气流式喷嘴和超音速气流粉碎机的结构、作用 原理和性能是不同的。气流粉碎机是被粉碎物料由 加料喷嘴进入粉碎腔内，高压主气流经文丘里喷管 加速到超音速，以高速冲击被粉碎的物料，同时使物 料间相互碰撞、摩擦、剪切而粉碎，因此摩擦静电 是可观的。气流式喷嘴由高压流体经喷嘴后突然膨 胀成低压，由于压力降低而引起温度变化。设膨胀 过程中绝热且对外不做功，所以焓变等于零，导致膨 胀后流体温度降低的原因即膨胀后流体的压力突然 降低，引起流体分子间的位能增加，而动能相应减 少。油料离开喷嘴时被雾化，进人管道后与固体物 料牢固黏附吸收，其摩擦忽略不计，加之油料与管道 物料流向相同，具有缓冲作用，不存在产生静电火花 问题。据此认为管道中雾化喷油是安全的。 3 ．3 作业时管道中摩擦产生静电火花问题 文献[ 3 ] 作者自1 9 7 7 年起，先后在山西、甘肃、 湖南和江苏某些工厂进行了现场静电测试，历经三 年，积累了上万个试验数据，其中对工艺条件的变动 与静电荷大小之间的关系也作了重点测试。 根据理论分析与实测数据结果估算，所观察到 的静电脉冲，其能量尚未达到毫焦耳数量级，这与撞 击感度与摩擦感度的能量相比是很小的。气流工艺 的静电火花问题从理论分析和实测结果估算还是比 较安全的。 文献[ 4 ] 认为膨化硝铵炸药与普通硝铵炸药一 样，在生产过程中呈粉状，特别是在气流工艺中，还 会有大量粉尘，粉尘大量聚集成带有静电荷的粉尘 云，积聚的静电一旦放电便会产生电火花，这些火花 是否能引起粉尘着火或燃烧爆炸还不太清楚。为 此，作者设计加工了一套测定炸药静电火花感度的 设备，在流动状态下，测定了膨化硝铵炸药及其各种 组分的静电火花感度，结果如表4 所示HJ 。 表4 的数据说明，在正常范围内，膨化硝铵炸药 及其无梯炸药的静电感度并没有发生多大变化。当 然，试验中仅考虑了放电电压， 4 0 0 0V ，电火花能量 ≤1 4 ．7J 时的情况，而实际上，静电达4 0 0 0V 以上及 有电火花同时存在是不大可能的。因此，同普通硝 铵炸药一样，膨化硝铵炸药可以用在同一生产气流 万方数据 2 0 0 9 年1 2 月工业炸药有关设备运转过程中的能量与安全金娥等 1 9 表4 样品对静电的安定状况 放电亨压8 0 01 2 0 01 6 0 02 0 0 02 4 0 02 8 0 0 3 2 0 03 6 0 0 4 0 0 0 电篓能o ．7 1 ．4 2 - 3 3 ．6 5 ．o6 ．99 ．0 1 1 ．6 1 4 ．7 普通硝酸铵X XX 膨化硝酸铵X XXgX _ i 电料XVV VVV～VV 木粉 X x、／、／、／ 膨华粟蓉铵 x 膨华雾鬈铵 徽x xxxxx 注“”表示物料没有着火；。、／”表示物料有爆燃现象。 线。该项试验与撞击感度和摩擦感度的能量相比 较，也说明是安全的。 文献[ 5 ] 提出，在粉状乳化炸药的生产过程中， 不论采用喷雾成粉工艺、旋转闪蒸成粉工艺，还是机 械搅拌成粉工艺，与普通的工业粉状炸药生产一样， 都有一定量的粉尘产生，从安全生产的角度出发，需 要考虑炸药的静电积累情况和对于静电火花的感 度，为此，进行了静电积累试验和静电火花感度试 验，试验结果如表5 所示。 表5 静电积累试验 从表5 的结果可见，粉状乳化炸药与各种材料 摩擦时引起的静电积累远小于2 。岩石铵梯炸药，与 表4 相比，采用的电压小，产生静电火花的可能性也 就小。因此，不同材料间摩擦时静电积累是不同的， 这点也要引起注意。 粉状乳化炸药的粉尘是一种自供氧粉尘，与其 它含能材料粉尘一样存在粉尘爆炸安全性问题。为 此，对粉状乳化炸药的粉尘与空气混合物采用静电 火花点火，进行粉尘爆炸模拟试验，未出现任何燃烧 和爆炸现象。国内有关单位采用H a r t m a n n 装置，对 粉状乳化炸药的最小点火能量和粉尘爆炸极限浓度 进行了较深入的研究，结果如表6 和表7 所示。 根据上述数据可知，粉状乳化炸药静电积累和 静电火花感度小，其粉尘具有较高的最小点火能量 和较大的粉尘爆炸下限浓度。因此，粉尘炸药危险 表6 几种典型粉尘云的最小点火能量 表7 几种典型粉尘的爆炸下限浓度 性较小些。 4 生产设备 4 ．1 二级凸轮粉碎机 在气流工艺直接生产改性铵油炸药中，硝铵要 经二级凸轮粉碎机，使硝铵细碎；而二级凸轮粉碎机 的转速较高，一般为2 9 6 0r ／m l n ，硝铵又是一种强氧 化剂，在高速粉碎中，其安全如何，现作分析。 设管道中风速2 5m ／s ，二级凸轮粉碎机大搅拌 齿线速度9 3m ／s ，硝铵投料量为1k g ／s ，在此条件下 其能量关系为 加料进口动能 1． E I - i f l - m ／ 2 X l 2 5 2 3 1 2 ．5J ‘二 凸轮机动能 11． 以 i I t 舢2 XlX 9 3 2 4 3 2 4 ．5J ‘二 两种动能叠加E 息 3 1 2 ．5 4 3 2 4 ．5 4 6 3 7J 若采用三级凸轮粉碎机，其能量还要更大。长 期生产实践证明是安全的。不难看出，在气流本身 具有的能量和凸轮机强烈搅拌突然又增加给混合物 以较大的能量，使体系产生湍流和漩涡，粒子间产生 强烈的碰撞、摩擦和剪切，历经不到O ．0 4s ，硝铵就 被粉碎细化。这一过程是复杂的，但也是安全的。 根据功和摩擦力的概念，可以分析二级凸轮粉 碎中摩擦力与能量之间的关系。 二级凸轮粉碎机在高速转动中具有较大的能 量，这种能量使气流与硝铵混合物产生湍流和涡流， 从而发生硝铵粒子间、粒子与器壁和气流间的摩擦 力。硝铵粒子间的摩擦力与速度无关；因硝铵粒子 在气流中运动，摩擦力又随速度的增大而增大。摩 擦力在运动中要做功，这种功使硝铵颗粒被粉碎。 设硝铵颗粒为6 ，粉碎硝铵颗粒所消耗的功为 ∑艿肛N S c o s a ，设这种功为形并全部由摩擦力产 生，来源于二级凸轮粉碎机所提供，则有 形 ∑占弘N S c o s a 4 万方数据 2 0 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 8 卷第6 期 根据动能公式可知，其动能非常小，加之粉尘浓 度很小，能量密度也就很小，形成不了能量集中化。 所以尽管二级凸轮机转速很高，因其能量被分散化， 所以它是安全的。 至于摩擦产生静电问题，因停留时间不到O ．0 4 s ，又与导体接触，物料流动而不积聚，形成不了电荷 电位，也就谈不上电火花产生，所以也是安全的。 4 ．2 球磨机 球磨机主体部分是转筒，内装圆球，转筒转动 时，球与球之间相对运动，球与转筒壁之间相对运 动，这两种相对运动使物料受到剪切、摩擦和挤压 力。主要是转筒转动时，圆球在离心作用下随着旋 转方向而升起，运动至一定高度时，圆球的重力超过 离心力，然后沿着某些曲线路径而降落，使物料受到 撞击力而被粉碎。在整个过程中，物料也起到有效 的混合作用。 在操作时，能充分发挥撞击与研磨作用称为正 常操作，转速过快或过慢就会造成不正常操作。球 磨机在正常操作时的旋转速度，称为临界转数，亦即 极限转数。适宜转速n 可用下列经验公式估算 n 2 _ 6 ．i 4 5 n ．‘3J 、l D 式中卜转筒直径，m 。 球磨必须在正常转速下才能达到粉碎和混合的 效果。现工业炸药生产中，大多数用球磨机作为连 续混合和粉碎设备。 假设产量lk g ／s ；球磨原料量3m i n 为1 8 0k g ； 5m i n 为3 0 0k g ；7m i n 为4 2 0k g 。木球物料 4 0 3 0 ，装料后球磨机空隙为3 0 ％；球磨机直径为 6 0 0 m m 。利用势能计算公式，可计算出球磨机过程 势能的大小。 落高以球磨机半径0 ．3 m 计算，球磨机长度按 条件算出，球磨机中的势能估算结果见表8 。 采用连续式或间断式球磨机，必须要有一定的 表8 球磨机中势能估算 贮存量，否则达不到研细或混合的目的，这在本质上 确定了它的不安全性。与撞击感度能或摩擦感度能 相比，在运转中势能较大。若球磨机直径较大时其 势能更大，尽管计算方法有些欠妥，也说明球磨机是 不利于安全的。因存料量大，作业中采用木球，导电 性差，电荷易积聚，形成一定的电位，一旦电火花放 电是很危险的。设备庞大复杂，带来诸多不利因素。 据此可认为，在工业粉状炸药生产中，采用球磨 机以达到研细与混合之目的，在安全上应慎重考虑。 5 结论 从能量与安全观点讨论的几种工业炸药加工设 备具有如下特点 1 球磨机是存料多，撞击及摩擦 能量大，且静电荷易积聚，应用时应慎重考虑安全 性。 2 工业炸药生产中应严禁敲打撞击和严重摩 擦。 3 目前炸药生产中应用较多的是气流工艺。 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 ．3 9 7 - 4 0 0 ． [ 2 ] 李风杰．特种超细粉体制备技术及应用[ M ] ．北京国 防工业出版社，2 0 0 2 ．1 4 ． [ 3 ] 鲍重光．硝铵炸药气流工艺中的静电测试[ D ] ．北京 北京工业学院，1 9 8 0 ．9 - 3 3 ． [ 4 ] 胡炳成，刘祖亮，陆明，等．膨化硝酸铵及其无梯炸药 的安全性研究[ J ] ．爆破器材，1 9 9 7 ，2 6 6 1 3 1 5 ． [ 5 ] 倪欧琪．粉状乳化炸药安全性能研究[ J ] ．爆破器材， 1 9 9 7 ，2 6 6 1 6 。1 8 ． E n e r g ya n dS e c u r i t yo ft h eE q u i p m e n t si nt h eI n d u s t r i a lE x p l o s i v eP r o d u c t i o nP r o c e s s J I NE ，T A N GF a n g Y u n n a nD e f e n s eV o c a t i o n a lT e c h n i c a lC o l l e g e Y u n n a n ，K u n m l n g ，6 5 0 2 2 4 L IK e s h e n g S t a t e - o w n e dP a c k i n gP l a n ti nY u n n a n Y u n n a nL u l i a n g ，6 5 5 6 1 3 [ A B S T R A C T ] B a s e do nt h ee n e r g yo fi m p a c ts e n s i t i v i t ya n df r i c t i o ns e m l t i v i t y ，t h ee n e r g ya n ds e c u r i t yo ft h er e l a t e de ． q u i p m e n t si nt h ei n d u s t r i a le x p l o s i v ep r o d u c t i o np r o c e s sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ．O nt h ev i e wo fe n e r g yt h es e c u r i t yo f e q u i p m e n t si no p e r a t i o ni ss t u d i e d ，a n dh a v ea c e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e ． [ K E YW O R D S ] i n d u s t r i a le x p l o s i v e ，e q u i p m e n t s ，e n e r g y ，s e c u r i t y 万方数据