提高岩石膨化硝铵炸药的堆积密度研究.pdf

1 0 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r ／M s 第3 9 卷第2 期 提高岩石膨化硝铵炸药的堆积密度研究’ 徐鸿儒 福建省民爆化工股份有限公司福安分公司 福建福安，3 5 5 0 0 0 [ 摘要] 文章通过对影响膨化硝铵炸药产品性能的配方、膨化硝酸铵密度等因索的研究，分析了影响膨化硝酸 铵密度和颗粒尺寸分布的真空度、膨化剂、硝铵浓度、溶液温度、设备等关键因素，结合连续化工艺设备特点，提出 了一些提高膨化硝铵炸药堆积密度的方法，以达到改善炸药体积威力的目标。 [ 关键词]膨化硝铵炸药 颗粒尺寸堆积密度体积威力 [ 分类号] T D 2 3 5 ．2 1 l 引言 膨化硝铵炸药作为无梯粉状工业炸药，以其成 本低廉、生产安全性高、无毒无害等优点被广大厂家 及客户认可，但作为一种低爆速工业炸药，其装药密 度小，单位体积的做功能力较小。这是膨化硝铵炸 药的缺点⋯。因此，在生产过程中，提高膨化硝铵 炸药的堆积密度、增加炸药体积威力，成为连续化膨 化硝铵炸药生产厂家亟需解决的问题。从配方研 究、生产工艺的调控、设备的改造等方面着手，研究 出一种实现膨化硝铵炸药堆积密度动态控制的方 法。该方法制造的膨化硝铵炸药装药密度在0 ．8 0 O ．9 5g ／e r a 3 之间在线适时可调，产品性能可靠稳 定。 2 配方对装药密度影响的实验 在连续化膨混生产线上，在真空度、硝铵浓度相 同的情况下，人为地改变各组分的配比，对炸药性能 进行试验验证，寻找影响连续化自动化生产线上膨 化硝铵炸药装药密度及其性能的因素。实验结果见 表1 。 从表1 可以看出，配比是决定质量威力的关键， 精确的计量是生产高质量膨化硝铵炸药的基础。遵 循零氧平衡的法则，越接近零氧平衡，膨化硝铵炸药 的做功能力就越大；在配比不同的情况下，爆速越 大，理论上做功能力并非越大；该实验范围下的装药 密度与爆速体现明显的正相关；高密度的药卷经过 2 个月储存后会变硬，殉爆距离6c m 以上，爆速稳 定在3 6 0 0m ／s 以上。这说明该膨化硝铵炸药内部 仍然存在微孔，明显不同于其它硝铵类炸药发生结 块硬化拒爆现象，可能是装药过于密实的一种表象。 在该生产条件下并没有看出木粉和复合油的配比波 动是决定连续化膨化硝铵炸药装药密度的主导因 素，膨化硝酸铵的密度可能是决定膨化硝铵炸药堆 积密度的关键因素。 3 膨化硝酸铵的堆积密度 硝酸铵膨化效果的好坏，宏观上体现在密度、比 表面积和颗粒尺寸分布等上。这些人为制造的缺陷 使膨化硝酸铵密度等性能方面表现出差异，需要用 松装密度和堆积密度进行表征。由于试验手段的限 制，只从真空度、膨化剂、硝铵溶液浓度和温度对膨 化硝铵炸药的宏观结构 密度、颗粒尺寸 影响人 手，寻找解决提高膨化硝铵炸药堆积密度的关键因 素。 3 ．1 真空度对膨化硝酸铵密度的影响 真空条件一方面使硝酸铵溶液的沸点降低以利 表1 岩石膨化硝铵炸药配方与产品性能关系 收稿日期2 0 0 9 1 2 - 0 2 作者简介徐鸿儒 1 9 6 6 一 ，男，工程师，国家注册安全评价师。从事安全评价和企业生产、安全技术管理工作。E 一曲‘i l 棚h 叩g m 缸m k 鲫n 万方数据 2 0 1 0 年4 月 提高岩石膨化硝铵炸药的堆积密度研究徐鸿儒 于析晶，另一方面将其中的水分蒸发。真空度越大， 硝酸铵溶液沸点降低越迅速，加速水分的蒸发，硝酸 铵重结晶速度越快，抽真空时间越短，生产效率越 高，膨化效果越好。因此真空度是影响膨化硝铵密 度的关键因素。表2 是迸料量6 0k g ／m i n ，进料时间 6m i n ，硝酸铵质量分数9 2 ％，高位溶液温度1 3 0 ℃， 膨化剂质量分数0 ．1 5 ％状态下，真空度与膨化硝酸 铵堆积密度及其性能的关系。 表2 真空度与堆积密度及炸药性能的关系 O ．0 9 00 ．3 7 0 ．4 7 0 ．8 5 0 ．9 23 2 4 7 3 3 2 15 6 0 ．0 9 20 ．2 0 ．4 20 ．8 2 ．0 ．8 53 4 4 8 3 5 7 1 6 ．7 0 ．0 9 40 ．2 9 ～0 ．3 9 0 ．7 9 0 ．8 33 5 2 0 ～3 6 2 36 9 真空度高，膨化硝酸铵堆积密度小，装药密度 小；真空度低，膨化硝酸铵堆积密度大，装药密度大。 3 ．2 膨化剂对膨化硝酸铵密度的影响 膨化剂是一种用于硝酸铵结晶以改善硝酸铵性 能的表面活性剂，能有效降低硝酸铵膨化过程中溶 液的表面张力，使硝酸铵溶液的介稳区变窄，并“干 扰”晶体的生长，使结晶过程中产生大量的“歧化” 晶体，尤其是在水分快速蒸发时，会在其晶体上留下 空隙并使表面更加粗糙，使比表面增大，同时将微气 泡引入硝酸铵晶体内，从而达到降低膨化硝酸铵的 堆积密度，提高硝酸铵膨化效果的目的HJ 。表3 是 不同厂家的膨化剂及使用量的试验。试验条件迸 料量6 0 k g ／m i n ，进料时间6 r a i n ，硝酸铵质量分数 9 2 ％，高位溶液温度1 3 0 ℃，真空度在0 ．0 9 2 ～0 ．0 9 4 M P a 的状态下，堆积密度、装药密度与膨化硝铵状态 比较。 表3 膨化剂对膨化硝酸铵堆积密度、 装药密度和状态的影响比较 从表3 可知，膨化剂种类的选用和用量对膨化 效果、密度控制等都有直接影响，不同的膨化剂膨化 的硝酸铵堆积密度不同。 堆积密度越低，说明颗粒间、颗粒内部空隙越 多；装药密度与堆积密度之比从另一个侧面反映了 样品中可压缩的空隙相对数量，应该说可压缩的空 隙主要应该是颗粒间堆积的空隙。比值越大，说明 在该装药条件下颗粒间间隙减少越多，同时也说明 膨化硝酸铵颗粒间的间隙较多。 实验中加大了膨化剂的量，膨化剂量越大，堆积 密度减小，装药密度减小，装药密度与堆积密度比值 增大，这可能是膨化剂加到一定量后，膨化时更多地 影响了膨化硝酸铵颗粒间的间隙。同时也说明膨化 剂用量的增减可以调节装药密度，进而影响膨化硝 铵炸药的体积威力。 加大膨化剂量也影响了膨化硝铵流散性和防结 块性能，这应该是有更多的膨化剂分子更完全地覆 盖在膨化硝酸铵表面形成一层表面活性剂和憎水性 物质，使物化性能得到改善。 从试验也可以看出，在该工艺条件下，膨化剂的 选择非常重要，不同的膨化剂，其活性成分不同，如 堆积密度在符合标准方面看不出有太大的差异，装 药密度与堆积密度之比和装药密度差别明显，可能 是膨化硝铵在微观上存在不同，高效的膨化剂更多 地增加颗粒内部的空隙，低效的膨化剂更多地增加 颗粒间的空隙。 3 ．3 溶液的浓度和温度对膨化硝酸铵密度的影响 硝酸铵的膨化是硝酸铵饱和溶液在表面活性剂 的作用下的真空结晶过程，晶体的析出与饱和溶液 的浓度、温度有着一定的关系。温度越高则要求相 应的溶解度越高，而生产的膨化硝铵温度就会太高。 膨化硝铵温度太高会具有一定的塑性，且浪费能源， 容易硬化结块[ 1 】。表4 、表5 中进料量6 0 k g ／m i n ，进 料时间6 m i n ，真空度0 ．0 9 4 M P a ，膨化剂质量分数 表4 溶液的浓度与膨化硝酸铵堆积密度变化 温度／℃ 堆积密度／ g c m 。3 1 1 6 0 ．3 2 1 2 0 0 ．3 3 1 2 5O ．3 6 鼍一 万方数据 1 2 爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s 第3 9 卷第2 期 0 ．1 8 ％状态下，温度、浓度与膨化硝酸铵堆积密度关 系。 表4 、表5 可以看出，溶液浓度高、温度低，膨化 硝酸铵的堆积密度小，应该是硝酸铵溶液的介稳区 变窄，在一定的真空条件下，结晶更为快速。在外观 上体现了膨化硝铵大块率明显增加，结晶硬度提高。 3 ．4 膨化硝酸铵颗粒尺寸对膨化硝酸铵密度的影 响 3 ．4 ．1 凸轮粉碎对膨化硝酸铵堆积密度的影响 膨化硝铵混合前需要粉碎，为了确定凸轮粉碎 对密度的影响，在转速1 4 5 0r ／m i n 下，对粉碎前后 的膨化硝铵密度进行对比。 表6 说明经过粉碎作用力后，膨化硝酸铵的密 度有所增加，颗粒粒径的减少不仅使颗粒间堆积的 空隙体积减小，而且也破坏了颗粒内部的孔隙。增 加粉碎程度可以增加膨化硝酸铵的密度，进而增加 装药密度。在该极限工艺条件下堆积密度增加量并 不大，这说明合适的凸轮粉碎作用，首先导致颗粒间 空隙的减少，也验证了膨化硝酸铵内部存在大量微 孔的事实。 表6 膨化硝酸炸药凸轮粉碎前后堆积密度变化 状态 堆积密度／ g t i l l d 膨化硝酸铵粉碎前0 ．4 3 膨化硝酸铵粉碎后0 ．4 4 3 ．4 ．2 粉碎膨化硝酸铵颗粒尺寸 膨化硝酸铵的平均粒径远远小于普通硝酸铵， 膨化硝酸铵比普通硝酸铵有更宽的粒径分布、更多 的微粉，一旦同可燃剂混合后，混合体系的均匀程度 就会提高。根据工业炸药的混合反应机理，对膨化 硝铵微粉及粒度的控制是提高混合炸药爆轰反应速 度以及爆炸性能的重要途径L 3 】。膨化硝酸铵粉碎 时间太长、转速太高，会减少膨化硝铵内的有效气 泡，不利于热点的形成，并且严重影响炸药的流散性 能；粉碎时间太短，转速低，则不利于组分的充分均 匀接触，从而影响产品的爆炸性能。膨化硝酸铵的 细度并不是越细越好，太细不仅降低流散性能，而且 还会减少膨化硝酸铵内的有效“热点”气泡，影响装 药密度，降低炸药性能，甚至可能出现拒爆。 为了获取理想的膨化硝酸铵颗粒尺寸，乃至实 现对膨化硝酸铵颗粒尺寸的动态控制，对凸轮粉碎 机内结构形式、分布状况，膨化硝酸铵的出口方向、 位置、时间等进行了优化，获得的粉碎膨化硝酸铵具 有粗、细、微的理想搭配的颗粒尺寸效果。从而控制 膨化硝铵炸药堆积密度和装药密度。 表7 是在膨化剂、真空度、膨化温度、硝铵浓度 相同情况下，通过凸轮粉碎机的调整获取的硝酸颗 粒尺寸、堆积密度、装药密度、爆速的数据。 表7 中凸轮改进前的5 。状态改进后为2 。状态； 改进前的4 ‘状态改进后为3 ’状态，再次调整凸轮得 到1 。状态。 比较凸轮改进前后可知 表7凸轮粉碎改造对膨化硝酸尺寸、 堆积密度、装药密度影响比较 1 装药密度与堆积密度比值4 。 2 ．3 5 1 。 2 ．2 8 3 。 2 ．1 3 ；5 。 2 ．1 7 2 ‘ 2 ．0 2 。说明在 相同工艺条件下，改变膨化硝酸铵的可压缩间隙，可 以调整炸药半成品堆积密度和成品的装药密度。 2 改进后的设备，通过调节膨化硝酸铵颗粒 尺寸分布，实现混药细度、药卷细度、装药密度较大 范围的调整。在不改变其它工艺条件下，炸药密度 由原来基本稳定在0 ．8 7 0 ．8 9g ／e r a 3 之间，实现了 炸药密度在0 ．8 3 一O ．8 9g ／e m ’之间可控可调。根 据实际需要，生产中在O ．8 0 ～0 ．95 9 ／e m 3 之间调整 变动，而炸药爆速仍可稳定在3 5 0 0m ／s 左右。 4 装药压力、温度对密度的影响 混药后的炸药经过晾筛后进入装药工序，装药 机的气压过高，密度增大的同时，膨化硝酸铵晶体也 会受到破坏，甚至造成“压死”现象，导致产品拒爆； 反之气压过小，达不到装药机气缸工作压力，造成气 缸损耗率高、产量低、药条密度不均匀等，同样影响 了膨化炸药的体积威力，该装药机的动态气压压力 稳定在0 ．6 0 一0 ．6 5 M P a 之间。能够得到硬度适中、 性能可靠的药卷。 在相同装药压力下，半成品药温越高，装药越密 万方数据 2 0 1 0 年4 月提高岩石膨化硝铵炸药的堆积密度研究徐鸿儒 1 3 实，密度越大，特别是药温大于6 5 ℃时，膨化硝铵表 现出一定的塑性，装药极其困难，易出现结块硬化。 因此，不能采用提高装药温度来实现膨化装药密度 的方法。根据经验，装药温度控制在4 5 ℃以下装药 效果较好，能生产出密度比较理想的膨化硝铵炸药。 5 装药密度对猛度的影响 当组成配比及工艺条件确定之后，从试验数据 可以看出，膨化硝铵炸药装药密度虽然可以根据需 要选择，但最佳猛度值的炸药密度范围应控制在 药条密度住呻 图l 组分配比固定后猛度值与药条密度的关系 O ．8 3 ～0 ．8 7g ／c m 3 之间 图1 。 6 结论 1 通过对生产系统中影响硝铵膨化效果的真 空度、膨化剂、溶液浓度、温度等研究，可以控制膨化 硝酸铵的松装密度和堆积密度。 2 通过对产品配方、膨化硝酸铵颗粒尺寸的 研究，改进了工艺设备，调整膨化硝酸铵颗粒尺寸， 可以动态获得最佳的装药密度范围，实现膨化硝铵 炸药堆积密度的动态管理，达到改善膨化硝铵炸药 体积威力的目标。 参考文献 [ 1 ] 吕春绪．膨化硝铵炸药自敏化理论[ M ] ．北京兵器 工业出版社，2 0 0 8 ． [ 2 】 陆明．炸药的分子与配方设计[ M ] ．北京兵器工业 出版社，2 0 0 4 ． [ 3 ]吕春绪，等．膨化硝铵炸药[ M ] ．北京兵器工业出版 社，2 0 0 1 ． S t u d yo nI n c r e a s i n gt h eB u l kD e n s i t yo fR o c kE x p a n d e dA NE x p l o s i v e X UH o n g r u F u ’锄B r a n c ho fF u j i a nI n d u s t r i a lE x p l o s i v eC h e m i c a lC o ．，圳． F u j i a nF u ’8 n ，3 5 5 0 0 0 [ A B S T R A C T ] 1 1 l ep e r f o r m a n c ei m p a c tf a c t o r sdf o r m u l aa n dd e n s i t ro fe x p a n d e da m m o n i u mn i t r a t ee x p l o s i v ei ss t u d i e d i nt h i sp a p e r ，t h ev a c u u m ，p u f f i n ga g e n t ，a m m o n i u mn i t r a t ec o n c e n t r a t i o n ，s o l u t i o nt e m p e r a t u r e ，e q u i p m e n t ，a n do t h e r k e yf a c t o r sa f f e c t i n gt h ed e n s i t ya n dp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no fe x p a n d e da m m o n i u mn i t r a t e 啪a n a l y z e d ．C o m b i n e dw i t h t h ef e a t u r e so fc o n t i n u o u sp r o c e s se q u i p m e n t ．8 0 m em e a s u l e 8f o ri n c r e a s i n gb u l kd e n s i t yo fe x p a n d e da m m o n i u mn i t r a t ee x - p l o s i v ea ms u g g e s t e dt oa c h i e v et h e9 0 l a lo fi m p r o v i n gv o l u m es t r e n g t ho fe x p l o s i v e s ． [ K E YW O R D S ] e x p a n d e da m m o n i u mn i t r a t ee x p l o s i v e ，p a r t l d es i z e ，b u l kd e n s i t y ，v o l u m es t r e n g t h 汪旭光院士论文选集隆重出版 由徐匡迪、师昌绪作序，宋锦泉主编的 日前由科学出版社隆重出版。全书汇集了汪旭光院士不同 时期公开发表的工业炸药与工程爆破等方面具有代表性的科技论文1 2 8 篇。涵盖了工业炸药、工程爆破及相关学科的多个专 业领域，集中反映了汪旭光院士近4 0 年来在浆状炸药、乳化炸药、起爆器材、工程爆破等方面研究、探索及技术推广中所取得 的学术成就。按内容分综述及专论、理论研究、乳化炸药、工程爆破、浆状炸药及其它五部分，分别阐述了汪旭光院士在这些 方面的研究成果。附录罗列了汪旭光院士公开发表的全部论文名称、出版的著作名称及指导的学生学位论文名称。 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