影響粉狀乳化炸藥質量的關鍵因素探討

白建明

(廣靈縣同德精華化工有限公司，山西廣靈037500)

粉狀乳化炸藥是一種新型硝酸銨炸藥,它兼具乳化炸藥和銨梯炸藥的優(yōu)點,同時又避免了銨梯炸藥毒性大、生產(chǎn)安全性差、吸濕結塊性嚴重的問題,以及膠狀乳化炸藥藥態(tài)軟導致的裝藥困難和爆破效果差的問題[1-2]。 目前,粉狀乳化炸藥廣泛地應用于非煤礦山工程爆破領域,是我國工業(yè)炸藥的重要組成部分。

1 生產(chǎn)工藝

粉狀乳化炸藥生產(chǎn)工藝包括制備乳狀液和霧化干燥兩部分。 制備乳狀液是由氧化劑鹽水溶液和可燃劑溶液按一定比例在乳化劑作用下通過專用乳化器剪切混合形成穩(wěn)定的乳狀液。 霧化干燥是利用三流式霧化器將乳狀液霧化成細小的液滴,并經(jīng)蒸發(fā)成為粉末狀或顆粒狀的產(chǎn)品,此工藝包括干燥脫水與藥體冷卻兩個工序,分別由兩套獨立系統(tǒng)完成。

2 影響產(chǎn)品質量的關鍵因素

2.1 油水相配比對粉狀乳化炸藥產(chǎn)品質量的影響

炸藥的配方?jīng)Q定了炸藥的爆炸性能、工藝的可行性和質量的穩(wěn)定性,配方的設計通常以炸藥爆炸的零氧平衡為基本目標。 就粉狀乳化炸藥而言,油水相配比是制粉的關鍵參數(shù),當油水相配比偏差較大時將直接影響炸藥質量。 根據(jù)生產(chǎn)實踐,得出在不同油水相配比條件下產(chǎn)品爆炸性能和儲存性能的變化情況,見表1。

表1 不同油水相配比條件下產(chǎn)品爆炸性能和儲存性能對照表

通過分析可知:粉狀乳化炸藥油水相配比對炸藥爆炸性能和穩(wěn)定性的影響與膠體狀乳化炸藥有顯著不同。 油相配比過大,乳化后乳狀液包覆油膜厚且油膜強度大,霧化干燥脫水困難,成粉率低,裝藥困難;油相配比過小,形成的包覆油膜薄,容易出現(xiàn)霧化干燥脫水過度,造成粉體干燥,在裝藥工序中受機械摩擦攪拌作用易發(fā)生破乳,導致產(chǎn)品貯存性能下降[3]。 由表1 可知,粉狀乳化炸藥生產(chǎn)工藝對油水相比例要求十分嚴格,允許波動的范圍較窄。而且,結合實踐經(jīng)驗來看,不同的粉狀乳化炸藥生產(chǎn)工藝和設備對油水相配比的要求也不盡相同。

2.2 炸藥堆積密度對粉狀乳化炸藥產(chǎn)品性能的影響

工業(yè)粉狀炸藥靠藥粉顆粒之間的空隙形成起爆“熱點”,其堆積密度對炸藥感度、爆速等爆炸性能有直接影響,是生產(chǎn)過程中重要的質量控制項目。 采用密度杯法對粉狀乳化炸藥堆積密度與炸藥爆炸性能的關系進行研究的試驗結果見表2。

表2 不同堆積密度的粉狀乳化炸藥性能測試結果

由表2 可知,當粉狀乳化炸藥堆積密度變化時,其殉爆距離、爆速和猛度都呈先升后降的趨勢;炸藥堆積密度為0.6 g/cm3左右時,其爆炸性能處于高點。 依據(jù)炸藥起爆和爆轟波傳播理論進行分析,粉狀炸藥的沖擊波感度和爆炸性能除與材料本身的性質密切關聯(lián)外,還取決于藥粉顆粒之間的空隙大小,空隙過大和過小,都不利“熱點”的形成與發(fā)展,從而導致炸藥的爆轟性能指標下降。

對于固定的生產(chǎn)工藝來說,炸藥密度的變化反映了炸藥質量的波動,這些波動與關鍵原材料的物理化學性能以及設備的機械性能密切相關[4-5]。因此,在生產(chǎn)過程中對粉狀乳化炸藥的堆積密度進行監(jiān)控是控制產(chǎn)品質量和安全生產(chǎn)的重要手段。為了確保安全和控制裝藥量,粉狀乳化炸藥成粉后將其堆積密度控制在0.58 ～0.62 g/cm3范圍內(nèi)是比較理想的。

2.3 藥粉含水量對粉狀乳化炸藥產(chǎn)品性能的影響

粉狀乳化炸藥是由乳狀液通過霧化干燥脫水制成,從粉狀乳化炸藥的微狀結構上看,每個顆粒實際上是一小塊固態(tài)的乳化基質,其內(nèi)部含有一定水分,保持了乳化炸藥混合均勻良好和具有抗水性的特點[6]。 基于目前粉狀乳化炸藥霧化干燥工藝的技術水平,在炸藥堆積密度相同的條件下,考察了粉狀乳化炸藥藥粉中水的質量分數(shù)在2%以下時對產(chǎn)品起爆感度和爆炸性能的影響,測試結果見表3。

表3 不同藥粉含水量的粉狀乳化炸藥性能測試結果

由表3 可以看出,當粉狀乳化炸藥堆積密度一定時,隨著藥粉中含水量的降低,炸藥殉爆距離、猛度、爆速等指標明顯提高;藥粉中含水量分數(shù)過大時,產(chǎn)品爆轟性能迅速衰減。 同時,實踐證明,藥粉含水量過大還會造成產(chǎn)品儲存穩(wěn)定性下降。 通常情況下,藥粉中水的質量分數(shù)控制在1.0%以下時,產(chǎn)品殉爆距離、猛度、爆速等指標數(shù)值趨于穩(wěn)定;夏季生產(chǎn)的粉狀乳化炸藥易吸濕結塊,藥粉中水的質量分數(shù)一般控制在0.8%以下為宜。

2.4 乳化劑的氮含量對粉狀乳化炸藥產(chǎn)品性能的影響

乳化劑作為表面活性劑,是制造粉狀乳化炸藥的關鍵性材料,對于形成穩(wěn)定的乳狀液是必不可少的[7]。 實際生產(chǎn)中,通常釆用分子質量相對較高的乳化劑作為主要乳化劑,同時加入輔助乳化劑,以實現(xiàn)復合乳化疊加的效果。 乳化劑的主要成分為聚異丁烯丁二酰亞胺,它是聚異丁烯馬來酸酐與多烯多胺的反應物,其中多烯多胺是乳化劑的親水基。 由于多烯多胺位于分子結構的中部,使得形成的乳狀液體系具有膠體的性質,相對于以油酸多醇酯類為主的乳狀液體系,其結構更加穩(wěn)定,炸藥的存儲期更長。 市售的聚異丁烯丁二酰亞胺是含有一定量溶劑的稀釋品,對其氮含量進行測定,可以反映其有效成分的含量。

生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn),粉狀乳化炸藥長時間放置在溫度較低(-20 ℃以下)條件下會發(fā)生硬化拒爆現(xiàn)象。 但將其在室溫(22 ℃左右)條件下放置一段時間后,炸藥藥體變軟、性能恢復正常。 針對這種現(xiàn)象,對不同氮含量的乳化劑生產(chǎn)的粉狀乳化炸藥產(chǎn)品進行了抗凍性能影響試驗。 試驗結果見表4。

表4 粉狀乳化炸藥產(chǎn)品抗凍性能測試結果

由表4 可知,隨著乳化劑中氮含量的增加,粉狀乳化炸藥的抗凍性能增加,乳化劑中w(N)在1.75% ～2.00%之間時炸藥抗凍性能較好。 乳化劑中有效成分增多,使得粉狀乳化炸藥體系油水結合界面穩(wěn)定性增加,降低了水相冰點溫度,大大減弱了溫度對炸藥物理狀態(tài)的影響,避免了冬季生產(chǎn)粉狀乳化炸藥硬化的現(xiàn)象。

3 結論

在粉狀乳化炸藥的生產(chǎn)過程中,油水相配比、藥粉堆積密度、藥粉含水量及乳化劑氮含量是影響產(chǎn)品質量和性能的關鍵因素[8]。 通過針對性試驗研究和長期生產(chǎn)實踐的技術積累,得出如下結論:

1)油水相配比是保證粉狀乳化炸藥產(chǎn)品質量的關鍵因素,嚴格控制好油水相配比,定期對油相及水相流量計量系統(tǒng)進行校驗,降低油水相比例波動,是保證產(chǎn)品質量的有效手段。

2)藥粉的堆積密度與炸藥的感度和爆炸性能密切相關。 堆積密度控制在0.6 g/cm3時可以保證粉狀乳化炸藥具有較好的感度和爆炸性能。

3)嚴格控制藥粉中水的質量分數(shù)。 兼顧炸藥爆炸性能和感度,水的質量分數(shù)一般控制在1.0%以下。

4)粉狀乳化炸藥所用乳化劑的性能,尤其是氮含量指標,對其質量的影響較大。 為了保證炸藥產(chǎn)品性能和質量,所用商品乳化劑中氮的質量分數(shù)應大于1.75%。