耐压高威力乳化震源药柱的制备及其性能研究.pdf

爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 2 卷第1 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 8 3 5 2 ．2 0 1 3 ．0 1 ．0 0 6 耐压高威力乳化震源药柱的制备及其性能研究 赵洁①俞珍权②于永华①张凯铭②陈静①秦卫国①倪欧琪② ①湖北凯龙化工集团股份有限公司 湖北荆门，4 4 8 0 0 0 ②国家民用爆破器材质量监督检验中心 江苏南京，2 1 0 0 9 4 [ 摘要]针对现有乳化震源药柱作功能力低、耐压性能差、低温起爆感度低等问题，研究了耐压高威力乳化震源 药柱的配方和工艺，并对产品性能进行了全面的测试分析。试验结果表明，新研制的乳化震源药柱克服了现有乳 化震源药柱的不足，作功能力可达3 8 0m L ，在0 ．3M P a 的水压条件下，或在一4 0 。C 的低温条件下均能够正常起爆， 显著拓宽了乳化炸药的应用范围。 [ 关键词] 耐压高威力耐低温乳化炸药震源药柱配方 [ 分类号] T J 4 5 0 引言 目前，用于地震勘探的震源药柱品种主要有铵 梯震源药柱和乳化震源药柱两种剖，它们虽然广泛 地应用在地震勘探工程中，但都存在一定的不足。 其中，铵梯震源药柱组分中含有梯恩梯，在制造过程 中对环境和人体有一定的危害，在使用过程中易对 环境造成二次污染M 1 ；现有的乳化震源药柱属环保 型产品，但组分中含有大量的水，爆炸威力低，激发 地震波的能量弱，药态软，耐压性能差，使用可靠性 低，乳化体系的物理化学性能不稳定导致低温起爆 感度低、储存稳定性能差。 本文针对现有乳化震源药柱的不足，从配方和 生产工艺上进行了深人的研究，探讨了提高乳化震 源药柱作功能力、耐压性能和低温性能的新途径。 1 试验部分 1 ．1 试验仪器和药品 试验仪器F l u k o 乳化机，德国；爆速仪，南京理 工大学；E X C A L 5 4 2 3 ．H 环境试验箱，法国C l i m a t e s ； 带压起爆装置。 药品硝酸铵、硝酸钠、蒸馏水、复合蜡、乳化剂 A 、玻璃微球、树脂微球。 1 ．2 耐压高威力乳化震源药柱制备 1 乳胶基质制备。首先将水相材料硝酸铵、硝 酸钠加水溶化后保温待用，将油相材料复合腊、乳化 剂加热熔化后保温待用。接着在乳化器中先加人待 用的油相材料，并以一定的转速搅拌，然后缓慢地倒 入水相材料。待水相全部加入后，调整乳化机的转 速继续乳化1m i n ，乳胶基质制备完成。 2 乳化炸药的制备。将乳胶基质冷却至所需 温度，加入定量的敏化剂搅拌均匀，制成乳化炸药。 3 震源药柱的制备。将制备的乳化炸药装入 壳体，装人起爆具，盖上密封盖，用热封的方法将壳 体密封，即得耐压高威力乳化震源药柱。 1 ．3 性能测试方法 1 爆速。采用标准G B ／T 1 3 2 2 8 卅1 中所描述 的测试仪法测量药柱的爆速。 2 作功能力。采用标准G B1 2 4 3 6 9 0 中所描 述的方法和水下爆炸法测试药柱的作功能力。 3 低温起爆感度。将药柱放在一4 0 ℃环境中 储存8 h ，取出后立即测量其爆轰感度。 4 带压起爆。图1 是模拟震源药柱在炮孔中 的实际受压状态，将震源药柱与雷管装配好后放入 特制的水压装置中保持0 ．3 M P a 水压4 8 h ，在水压装 置中带压起爆。 1 一加压泵；2 一压力表；3 一连接管； 4 一耐压圆筒；5 一震源药柱；6 一雷管 图1耐压测试装置示意图 F i g ．1 P r e s s u r er e s i s t a n c et e s t i n gd e v i c e } 收稿1 3 期2 0 1 2 1 0 3 1 作者简介赵洁 1 9 7 3 一 ，女，工程师，主要从事民爆器材生产技术管理。E - m a i l 1 3 9 0 8 6 9 8 4 6 8 1 3 9 ．c o m 通信作者倪欧琪 1 9 5 3 一 ，男，研究员，主要从事含能材料的制备和应用研究。E - m a i l n i o u q i m m m 1 6 3 ．c o m 万方数据 2 0 1 3 年2 月耐压高威力乳化震源药柱的制备及其性能研究赵洁等 2 实验结果与讨论 2 ．1 爆速及其影响因素 乳化炸药的爆速与生产工艺有着极为密切的关 系。乳化效果和炸药密度直接影响乳化炸药的爆 速哺] 。乳化效果可以通过调节乳化器的剪切强度 来控制，炸药密度可以通过敏化来调整。 2 ．1 ．1 乳化器转速对爆速的影响 表I 是不同乳化器转速制备的药柱的爆速。从 表中数据得知，随着乳化器转速的降低，药柱的爆速 逐渐减小，当转速足够低时药柱发生拒爆；乳化器转 速升高至一定程度后炸药爆速趋于稳定。出现上述 现象是因为随着乳化器转速的提高，油包水乳化体 系中分散相液滴的尺寸越来越小，水油相的接触面 积越来越大，混合均匀性不断提高，因此爆轰反应的 速度越来越快。但是当转速达到一定值后，粒径减 小的趋势变小，乳化炸药爆速也随之趋于稳定。 袁1 不同转速的药柱的爆速 T a b ．1T h ed e t o n a t i o nv e l o c i t i e so fs e i s m i cc h a r g e a td i f f e r e n tr o t a t i o ns p e e d s 2 ．1 ．2 密度对爆速的影响 表2 是不同玻璃微球质量分数药柱的密度和爆 速。从实验结果可以看出，乳化震源药柱的爆速受 药柱密度的影响较大一引。为了使药柱具有较好的 爆炸性能，本研究将药柱的密度控制在1 ．0 5 ～1 ．1 5 表2 爆速与玻璃微球质量分数和药柱密度的关系 T a b ．2T h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h eg l a s sb u b b l e c o n t e n ta n dt h es e i s m i cc h a r g e ’Sd e n s i t y a n dd e t o n a t i o nv e l o c i t y g ／c m 3 的范围内。 2 ．2 作功能力及其影响因素 2 ．2 ．1 水的质量分数对药柱作功能力的影响 水的质量分数对作功能力的影响如表3 所示。 从表3 可以看出，炸药中水的质量分数越低，炸药的 作功能力越大。本研究药柱水的质量分数控制在 3 ％～5 ％。 表3不同水的质量分数药柱的作功能力 T a b ．3 T h es t r e n g t ho fs e i s m i cc h a r g ew i t h d i f f e r e n tw a t e rc o n t e n t s 水的质量分数／％作功能力／m L 3 ．O 3 ．8 5 ．0 1 0 ．O 3 4 0 3 2 0 3 0 0 2 8 0 配方中较低的水的质量分数使得硝酸铵的溶化 温度升高，不利于安全生产，因此需要加入添加剂来 降低硝酸铵的溶化温度怛J 。在水相中添加硝酸钠 能有效降低硝酸铵的溶化温度和析晶点。本研究在 水的质量分数为3 ％的条件下探讨了硝酸钠的质量 分数对硝酸铵析晶点的影响 表4 。当硝酸钠的质 量分数超过8 ％时，硝酸铵溶液的析晶点能够降低 到1 2 5 ℃以下。 表4 硝酸钠质量分数与硝酸铵溶液析晶点的关系 T a b ．4T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es o d i u mn i t r a t e c o n t e n ta n dt h ec r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r e o fa m m o n i u mn i t r a t e 但是硝酸钠质量分数对药柱能量有影响。通过 实验发现硝酸钠在配方中的质量分数从5 ％增至 1 5 ％，药柱的爆热由3 2 6 6 ．0l 形k g 先增至3 3 0 6 ．8 k J ／k g ，然后又下降到3 1 8 8 ．7k J ／k g ，比容由9 6 8 ．9 L ／k g 下降到9 2 9 ．8L ／k g 引。为了使药柱既有优良 的爆炸性能，又具有很好的工艺性和安全性，配方中 硝酸钠的质量分数为7 ％一1 0 ％。 2 ．2 ．2 敏化剂对作功能力的影响 考察了不同的敏化剂对药柱作功能力的影响， 如表5 所示。表明不同的敏化剂制备出的药柱的作 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4 2 卷第1 期 功能力不同。用树脂微球敏化的药柱的作功能力明 显高于用玻璃微球敏化药柱。这是因为玻璃微球是 一种惰性物质，它的加入在一定程度上降低炸药的 能量。而树脂微球本身是一种可燃物，除了起到敏 化作用外，还能够参与药柱的爆轰反应，从而提高了 药柱的作功能力。 表5 含不同敏化剂药柱的作功能力 T a b ．5T h es t r e n g t ho fs e i s m i cc h a r g ew i t h d i f f e r e n ts e n s i t i z e r s 2 ．2 ．3 高能添加剂对作功能力的影响 表6 是添加铝粉对乳化炸药作功能力的影响。 可以看出铝粉的加入能够明显提高药柱的作功能 力，这是因为铝粉的加入增加了药柱的爆热，进而提 高了药柱的作功能力。 表6 添加铝粉药柱的作功能力 T a b ．6T h es t r e n g t ho fs e i s m i cc h a r g ec o n t a i n i n g a l u m i n u mp o w d e r 2 ．2 ．4 与现有乳化震源药柱爆炸能量的比较 采用水下爆炸法∞1 和爆热试验比较了耐压高 威力乳化震源药柱与常用乳化震源药柱爆炸能量的 差异。从表7 的测试结果可以看出耐压高威力乳化 震源药柱的爆炸能量显著高于常用乳化炸药。 2 ．3 带压起爆性能及影响因素 震源药柱使用中经常会遇到水孔，因此在水压 情况下药柱的爆轰可靠性非常重要。普通乳化震源 药柱由于药态较软，在一定水压下会产生严重变形、 载药壳体容积减小，使得炸药密度增大，起爆感度下 降，经常发生半爆、拒爆等情形【6J 。 乳化炸药的耐压性主要受乳化炸药刚度的影 响。而刚度主要取决于氧化剂水相的结晶程度。结 晶程度越高，炸药的刚度越大，其形变就越小。而水 相的结晶程度可以通过调节分散相的分散程度来控 表7 不同乳化炸药爆炸能量的比较 T a b ．7T h ee x p l o s i o ne n e r g yc o m p a r i s o nf o r d i f f e r e n te m u l s i o ne x p l o s i v e s 制。在炸药配方一定的情况下，乳化时的剪切强度 越大，分散相液滴尺寸越小，同样温度下氧化剂水相 的结晶程度就弱，乳化炸药的刚度就小。反之，乳化 强度越小，则乳化炸药的刚度就越大。表8 是不同 乳化转速制备的乳化震源药柱经水压后的变形情况 和爆速值。从表8 可见，随着乳化机转速降低，炸药 的刚度逐渐增加，药体的变形减小，但爆速则呈现下 降的趋势。通过不同乳化转速的试验，从综合性能 考虑，本研究选择的转速为1 3 5 0r ／m i n 。 表8 不同乳化转速制备的药柱的形变及爆速 T a b ．8T h ed e f o r m a t i o na n dd e t o n a t i o nv e l o c i t yo f t h es e i s m i cc h a r g e sp r o d u c e du n d e r d i f f e r e n tr o t a t i o ns p e e d s 注药柱原直径为砑5 0 m m 。 2 ．4 低温起爆性能 通过实验发现普通乳化震源药柱在一4 0 ℃时发 生拒爆，而耐压高威力乳化震源药柱在一4 0 ℃时仍 能够正常起爆。导致上述差异的主要原因是乳化体 系微观结构变化的结果。乳化震源药柱具有油包水 的微观结构，油膜均匀地包覆在分散相液滴表面。 普通乳化震源药柱在常温时其油膜的流动性和延展 性较温度较高时已经下降，而油膜内部的硝酸铵溶 液仍然为液态。在环境温度降至一4 0 。C 的过程中， 由于油膜的进一步脆化和硝酸铵结晶引起的体积变 万方数据 2 0 1 3 年2 月耐压高威力乳化震源药柱的制备及其性能研究赵洁等 2 5 化导致油膜破裂，乳化体系破坏，从而使得药柱拒 爆。耐压高威力乳化炸药虽然微观结构与普通乳化 炸药相同，但其在常温下已呈现固态。较低的水的 质量分数和较大的液滴尺寸，使得分散相中的硝酸 铵在较高的温度下就从溶液中结晶析出。而此时的 油膜仍具有较好的流动性和延展性，结晶时的体积 的变化不会导致油膜破裂，药柱仍具有完好的乳化 微观结构。因此当温度降至一4 0 ℃时，耐压高威力 乳化震源药柱仍然能够稳定爆轰。 3 结论 1 本文研究了耐压高威力乳化震源药柱的配 方、工艺和性能，探讨了配方和生产工艺对耐压高威 力乳化震源药柱作功能力、爆速和低温性能的影响。 2 研制的耐压高威力乳化震源药柱较现有乳 化震源药柱在作功能力、耐压性和低温性能方面得 到了显著的提高。该震源药柱的作功能力为 3 4 0 m L ，含高能添加剂的配方作功能力可达3 8 0 m L ； 在0 ．3 M P a 的水压条件下，或在一4 0 ℃的低温条件 下均能够正常起爆，显著提高了乳化震源药柱爆炸 性能，拓宽了应用范围。 参考文献 [ 1 ] 陆明，吕春绪．低爆速震源药柱的配方研究[ J ] ．火炸 药学报，2 0 0 6 ，2 9 1 1 4 ．1 6 ． L uM i n g ，L t iC h u n x u ．S t u d yo nt h eF o r m u l a t i o no fl o wd e t - 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