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2 0 1 1 年l O 月提高硝酸铵炸药威力的途径研究陆明 提高硝酸铵炸药威力的途径研究’ 陆明 南京理工大学 江苏南京，2 1 0 0 9 4 [ 摘要]硝铵炸药的作功能力直接影响其爆破使用效果，该文就提高硝酸铵炸药的威力途径进行研究。硝铵炸 药作功能力的影响因素主要有炸药的氧平衡、组分、混合均匀性、水含量和炸药装填密度。论文以铵油炸药、含铝 膨化硝铵炸药、煤矿许用膨化硝铵炸药和乳化炸药为例，研究了这些因素是如何影响硝铵炸药的作功能力的。理 论计算和实验测定研究结果表明，采用零氧平衡设计工业炸药配方，加入铝粉、铁粉和硫磺粉，增加氧化剂与可燃 剂的混合均匀性，以及适当减少乳化炸药中水的用量，均可有效提高工业炸药的作功能力。 [ 关键词] 工业炸药硝酸铵作功能力提高途径 [ 分类号】T J 5 1T J 5 5T D 2 3 5 ，2 l 作为民用爆破器材产品之一的工业炸药具有成 本低廉、制造简单、使用方便等特点，广泛应用于水 电交通、冶金煤矿、地质石油、控制爆破等爆破工程 领域，是基础工业的基础，能源工业的能源。我国目 前工业炸药的主要品种是以硝酸铵为氧化剂的硝铵 炸药，它包括膨化硝铵炸药、改性铵油炸药、乳化炸 药 包括粉状乳化炸药 、多孔粒状铵油炸药、浆状 炸药等。低成本、高爆炸性能、高效的制备技术和高 安全的生产是工业炸药研究和生产单位的永恒主 题。工业炸药的高爆炸性能主要包括爆速、猛度和 作功能力，合适的殉爆距离，而作功能力尤为重要， 它反映了炸药爆炸后，对外界介质作功能力的大小。 分析作功能力的理论表达式可知，增加爆热和 比容的途径均可以使作功能力有所提高，其方法主 要有‘1 引 1 采用零氧平衡原则设计工业炸药的配方。 因炸药在零氧平衡时，爆炸反应完全，放出的热量最 大，因而炸药的作功能力相应最大。 2 在炸药中加入金属和非金属粉末。加入铝 粉、镁粉、铍粉 一般使用较多的是铝粉 ，可以有效 增加爆炸混合药剂体系的爆热，从而使工业炸药的 作功能力有较大幅度的提高。 3 采用细化、超细化的原材料和高温下的液 液混合，提高工业炸药的氧化剂、可燃剂、敏化剂和 功能添加剂之间的混合均匀性，充分发挥每一个氧 化剂、可燃剂分子的作用，提高炸药爆轰的释放能 量。 4 增加炸药的比容也是提高炸药作功能力的 途径之一，如在接近零氧平衡的前提下，提高炸药中 只含氮、氢和氧元素的氧化剂硝酸铵的配比，可以增 加炸药爆炸后的比容，达到提高硝酸铵体系工业炸 药作功能力的目的。 本文就影响硝铵炸药作功能力的主要因素 炸药氧平衡、组分、混合均匀性和水分含量等一进 行理论和实验研究，通过分析得到这些因素影响硝 铵炸药作功能力的规律。 1 氧平衡和配方组分对硝铵炸药性能影晌的理论 计算 1 ．1 炸药氧平衡对爆热和比容的影响 炸药的氧平衡决定炸药的爆热和爆炸产物组 成．因而炸药的氧平衡与炸药的作功能力有密切的 关系。当炸药为零氧平衡时，爆轰生成的主要产物 为氮气、水蒸气和二氧化碳，爆轰产生的爆热大；当 轻微负氧时，爆轰产物中仅有少量双原子气体分子 生成，这两种情况下炸药的作功能力均较大。通常 工业炸药的配方大都设计在零氧平衡或接近零氧平 衡偏负一点点，以使爆轰过程获得的放热量最 大㈨1 。 以膨化硝铵炸药为例，计算了不同氧平衡条件 下膨化硝铵炸药的爆热和比容，可加深氧平衡对炸 药作功能力影响的理解。不同氧平衡条件下的膨化 硝铵炸药的爆热和比容数据见表I 。 由表l 知，当氧平衡由一O ．1 ％降至一4 ．5 ％，膨 化硝铵炸药的理论爆热由3 8 3 8 ．7 1W k g 降至 3 5 5 5 ．9 9k J ／k g ，爆热下降值达7 ．3 6 ％。在氧平衡下 降的过程中，为保持爆热的最大值，各项组分的变化 收稿日期2 0 I l 舶聊 作者简介陆明 1 9 6 3 一 ，男。博士．教授，博导，主要研究方向为含能材料及精细化工。E - m a i l l u m i n b , m a i l ．n j u n ．e d u ．c n 万方数据 2 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 0 卷第5 期 表l不同氧平衡条件下的膨化硝铵炸药 的爆热和比容计算数据 序硝酸铵木粉柴油石蜡氧平衡爆热／比．g ／ 号 ／％／％／％／％ ／％ k J l 【g 。1 L k g - 1 不是太大，只是通过微小改变来达到改变氧平衡的 目的。因此，膨化硝铵炸药的原材料成本变化不大。 当氧平衡由一0 ．1 ％降至一4 ．5 ％，膨化硝铵炸药的 比容由9 6 0 ．9 4I V k g 提高到9 8 8 ．8 5L ／k g ，比容提高 2 ．9 ％。比容增加的原因是可燃剂组分含量提高引 起的。 1 ．2 炸药配方组分对爆热和比容的影响 工业炸药的组分总的来说，主要是氧化剂、可燃 剂以及敏化剂。在爆轰过程中，这些组分之间发生 快速的氧化还原反应，同时释放能量和产生气体，工 业炸药组分的种类与配比是直接与能量释放的大小 有关，所以对作功能力是有较大的直接影响的。 为了保证工业炸药易于激发和反应完全，在炸 药中往往添加一定量的敏化剂。这些敏化剂有的就 是猛炸药，或者是内含大量微空的惰性物质，或是某 些可燃剂。对于含水炸药来说，以铝粉的敏化作用 效果为最佳，梯恩梯次之，燃料油和火药更次之。因 为高能还原态铝粉的加入，除了其能吸附微气泡敏 化炸药之外，而且铝粉还可与爆轰产物中的水和二 氧化碳发生二次反应，放出大量的热量。即使是负 氧平衡，也可使爆热增加而有效提高炸药的作功能 力。 以铝粉为例，研究其含量变化对膨化硝铵炸药 作功能力的影响。在膨化硝铵炸药中加入铝粉，可 大大提高炸药的爆热。但爆热只能是炸药作功的能 源，还必须有作功介质，也就是炸药的比容。由于加 入铝粉，其爆炸生成物为固态A I 0 ，，如果炸药中的 铝粉含量增大，则反应生成物的A 1 0 ，的量增大，相 应生成的气体组分量就少，因而炸药的比容就会降 低。综合爆热和比容来看，炸药中铝粉的含量有一 个最佳加入量，理论上讲此点为爆热铝含量曲线 和比容铝含量曲线的交点。 表2 含铝膨化硝铵炸药中含铝量与爆热、 比容的关系 靠目i - - 』塑L 爆彬 序号鬃篓木粉柴油石蜡铝粉 k J 愿- “k 8 9 。“ 1 比容／ L l c g 。 从表2 可知，随着配方中铝粉含量的增加，含铝 膨化硝铵炸药的爆热增加。由原来不加铝粉时的 3 7 8 6 ．5 4 川k g 提高到含铝量为8 ％时的5 1 2 2 ．4 2 W k g ，但含铝膨化硝铵炸药的比容随着铝粉含量的 增加反而下降，由不加铝粉时的9 6 6 ．0 2L ／k g 下降 到含铝量为8 ％时的8 5 1 ．8 7L ／k g 。 1 ．3 炸药中水的质置分数的影响 粉状炸药中水的质量分数大于0 ．3 ％，炸药的 爆炸性能 特别是贮存后的 将衰减很多，一定时间 后将拒爆而失去爆炸性能。 对于含水炸药来说，水分是构成炸药的特定组 分之一。它们对作功能力的影响，既有有利的一面， 水能使可溶性的氧化剂等组分溶解，形成均匀致密 的连续相体系，并使体系的密度增加，这样可以保证 不同炸药组分接触紧密，爆轰反应进行得较完全，可 以相对提高工业炸药的爆速和爆热；但也有不利的 一面，主要是在于炸药爆炸时，所含的水变为水蒸 气，这一相变过程要吸收大量的热能。炸药中水的 质量分数愈多，吸收的汽化潜热也愈多，因而作功能 力也愈显著下降，因此含水炸药中水的质量分数应 控制在适当的范围内p 圳。 水的质量分数对工业乳化炸药作功能力有很大 的影响，这一点可以从乳化炸药水的质量分数与乳 化炸药的爆热和比容的关系得知。见图l 。 乳化炸药中的水作为氧化剂硝酸铵和硝酸钠的 溶剂，使氧化剂溶解为溶液，使其与可燃剂油相材 料，通过机械作用而形成均匀的乳状液混合体系，这 样使爆炸效能得到充分发挥。但水在爆炸过程中． 升温气化，而水的气化需要吸收大量的热量，从而使 乳化炸药的爆热降低，这就是含水乳化炸药的作功 能力 一般为2 6 0 3 0 0 n a 低于粉状硝铵炸药的作 万方数据 2 0 1 1 年1 0 月提高硝酸铵炸药威力的途径研究陆明 3 3 4 0 0 一3 3 0 0 兰3 2 0 0 王3 1 0 0 吾3 ∞0 0 。0 2 8 0 0 9 8 5 9 8 0 9 7 5 9 7 0 9 6 5 9 6 0 9 5 5 9 5 0 9 4 5 图1水的质量分数对乳化炸药爆热和比容的影响 功能力 一般为3 2 0 3 4 0 m 1 的根本原因所在。乳 化炸药水的质量分数由8 ％增至1 3 ％，爆热由 3 3 2 2 ．4k J ／k g 下降至3 0 2 2 ．8k J ／k g ，下降幅度达到 9 ％；比容由9 6 0 ．6 7L ／k g 增至9 8 0 ．0 01 ．．／k g ，上升了 2 ％，比容增加是配方中水的质量分数提高，气化后 气体体积增加导致的。 提高乳化炸药作功能力的有效途径是降低和控 制乳化炸药配方中水的质量分数，为使乳化炸药具 有较高的爆热和比容，应将水的质量分数控制在 9 ％一1 l ％之间；如果制备高威力一级岩石乳化炸 药，一般水的质量分数控制为8 ％一1 0 ％。需要注 意的是降低乳化炸药配方中水的质量分数，将带来 体系的析晶点降低、粘度增加、乳化需在高温进行等 安全问题。 2 影响硝铵炸药作功能力的实验研究 2 ．1 实验方法 按不同配方的需要，配制不同的硝铵炸药。按 标准的爆炸性能测定方法，测定炸药的作功能力、爆 速、猛度和殉爆距离。 2 ．2 炸药组分对威力的影响 表3 中列出了5 种不同配方的含铝膨化硝铵炸 药的作功能力。从表3 中的作功能力数据可知，含 铝膨化硝铵炸药中含铝量增加到5 ％一6 ％时，其炸 药的作功能力是增加的，但当炸药中的含铝量为 8 ％时，其作功能力反而下降。表2 中含铝炸药随着 铝粉含量的增加，炸药的比容降低，是其作功能力降 低的主要原因。 表3 几种含铝膨化硝铵炸药的实测作功能力 因此。从表3 含铝膨化硝铵炸药作功能力的实 际测得结果来看，含铝膨化硝铵炸药的含铝量最高 控制在6 ％左右为宜。从原材料成本的角度出发， 每吨增加了约1 0 0 0 元，但作功能力增加了5 0 一 7 0 m l ，作为高威力的膨化硝铵炸药，可用于特别坚硬 的岩石爆破场所。但考虑到原材料成本和工厂利 益，配方中的铝粉质量分数为2 ％一4 ％。 铁粉和硫磺的加入对膨化硝铵炸药的爆炸性能 也有改善。在膨化硝铵炸药中加入铁粉、硫磺对爆 炸性能的影响情况见表4 。铁粉和硫磺在爆炸反应 中，与氧化剂中的氧分别生成三氧化二铁和二氧化 硫，同时放出较高的热量。 表4 膨化硝铵炸药中加入铁粉、 硫磺对爆炸性能的影响 序 号 配方／％ 鬟篓木粉油相铁粉硫磺／ ，爆速．h 猛度翟墨／ m ．。．1 m m 怒 4 ．0 3 4 0 01 4 ．05 ．0 3 ．O2 ．51 ．53 3 5 01 4 ．09 ．0 3 ．52 ．51 ．53 5 3 01 5 ．51 1 ．0 3 ．52 ．51 ．53 7 0 01 6 ．79 ．0 2 ．3 混合均匀性对威力的影响 工业炸药是由氧化剂、可燃剂、敏化剂和功能添 加剂组成的一种多组分混合炸药，如果这些组分混 合均匀，工业炸药进行爆轰反应时，反应发生完全， 反应速度也快，这些都有利于改善工业炸药的爆炸 性能和作用效果。炸药生产过程中，决定粉状工业 炸药混合均匀性的主要因素是硝酸铵的细度，其靠 生产过程中的粉碎工序来保证；硝酸铵的细度达到 后，与其它组分的混合过程成为关键工序；炸药产品 的细度和混合均匀程度直接影响着工业炸药产品的 爆炸性能和最终使用效果。 粉碎是用机械方法克服固体内部的凝聚力，使 大块破碎成小块或小块分裂成细粉。粉状工业炸药 生产中最常见的是细碎和超细粉碎。原材料的超细 化是工业炸药的发展方向，需要解决的是粉碎设备 的选择和生产效率问题。 把物理形态或化学性质不同的物料，利用混合 装置，达到随机分布均匀状态的工序过程称为混合。 所有混合方法中，以液相混合能达到的混合效果最 佳。使工业炸药的主要组分氧化剂和可燃剂，在高 温液体状态下，进行准分子状态的混合，可以提高多 组分的混合均匀性，进而改善工业炸药的作功能力， 但需要注意的是高温状态条件下的生产安全问题。 以煤矿许用膨化硝铵炸药为例，通过将一部分 固体可燃剂，如十八酸、松香、地蜡等高熔点固体。加 O 0 0 O 4 3 3 3 O O 5 5s 如眇眇 l 2 3 4 万方数据 4 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 0 卷第5 期 入硝酸铵溶液中，熔化后形成分散体系一起膨化；还 有的可燃剂是直接在固体和液体混合过程中加入 的；可燃剂不同，加入量不同，加入方式不同，炸药的 混合均匀性不同，爆炸性能也有差异；工业炸药组分 的混合均匀性对炸药爆炸性能影响的试验结果列于 表5 中【1 们。 表5 工业炸药组分的混合均匀性对一级煤矿 许用膨化硝铵炸药爆炸性能的影响 1 膨化受璧 查粉 3 2 1 01 3 ．162 6 3 油相 盐 。 硝酸铵 l ％松香 2 一起膨化 木粉 3 3 3 01 3 ．3 72 6 6 油相 盐 硝酸铵 0 ．7 5 ％ 3 松香 唑至磊士八．ira 暇，s 一起膨化 3 4 2 01 3 。982 8 5 木粉 油相 盐 硝酸铵 1 ．0 ％松香 4 坠翌，八慰 3 5 2 01 4 ．392 9 8 ’一起膨化 木粉 。 油相 盐 5 堂垡硝篓黔 3 4 2 01 4 ．582 9 7 油相 5 ％T N T 盐 ‘ 3 结论 影响硝酸铵炸药作功能力的主要因素有炸药的 氧平衡、组分、混合均匀性、水含量和密度等。采用 零氧平衡设计工业炸药配方，加入铝粉、铁粉和硫磺 粉，增加氧化剂与可燃剂的混合均匀性，以及适当减 少乳化炸药中水的用量，均可有效提高硝酸铵炸药 的作功能力。 参考文献 [ 1 ] 陆明．工业炸药配方设计[ M ] ．北京北京理工大学 出版社，2 0 0 2 1 3 0 1 4 0 ． [ 2 ]王军．提高炸药威力和猛度的方法研究[ J 】．爆破器 材，2 0 0 5 ，3 4 2 1 6 - 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4 6 9 ． [ 1 0 ]陆明．高性能粉状硝铵炸药研究[ J ] ．爆破器材， 2 0 0 7 。3 6 6 9 ．1 1 ． S t u d yo nt h eI m p r o v i n gS t r e n g t hf o rA r a m o n i u mN i t r a t eE x p l o s i v e L UM i n S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，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 ] T h ep o w e r o fa m m o n i u mn i t r a t ee x p l o s i v e sd i r e c t l ya f f e c t sb l a s t i n gU 8 ee f f e c t ，w a y st oi m p r o v et h ep o w e ro f a n u n o n i m nn l t m t ee x p l o s i v e sw e r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r ．O x y g e nb a l a n c e ，c o m p o n e n t s ，m i x t u r eu n i f o r m i t y ，w a t e rc o n t e n t a n dp a c k i n gd e n s i t ya r et h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h ep o w e ro fa m m o n i u mn i t r a t ee x p l o s i v e ．A N F Oe x p l o e i v e ，e x p a n d - e da n u n o n i m nn i t r a t ee x p l o s i v ec o n t a i n i n ga h m i n i u m 。p e r m i s s i b l ee 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 n de m u l s i o n 嘶 p l o s i v ew e r es t u d i e d ∞e x a m p l e sf o rh o wt oi m p r o v et h ep o w e r0 fa n u n o n l t u nn i t r a t ee x p l o s i v ei nt h i sp a p e r ．T h er e s u l t so f t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ld e t e r m i n a t i o ns h o w e dt h a tt h ep o w e ro fa m m o n i m nn i t r a t ee x p l o s i v ee a r lb ee f f i c i e n t - l yi m p r o v e db ya p p l y i n gz c I Do x y g e nb a l a n c ef o r m u l a t i o n ，a d d i n ga l u m i n u m ，i r o na n ds u l p h u rp o w d e r ，i n c r e a s i n gt h em i x - t u r eu n i f o r m i t yo fo x i d i z e ra n dc o m b u s t i b l e s ，o ra p p r o p r i a t ed e c r e a s i n gt h ec o n t e n to fw a t e ri ne m u l s i o ne x p l o s i v 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 ，a m m o n i u mn i t r a t e ，p o w e r ，i m p r o v e m e n tw a y 万方数据