改性銨油炸藥油相加注裝置的設(shè)計(jì)

夏 光

(中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司，安徽 淮北235000)

改性銨油炸藥是一種由硝酸銨、復(fù)合油相、木粉、改性劑等經(jīng)計(jì)量混合而成的工業(yè)炸藥。 目前改性銨油炸藥生產(chǎn)工藝主要有兩種:一種是氣流干燥和球磨混藥工藝,硝酸銨經(jīng)粗碎、凸輪粉碎、氣流干燥和改性后經(jīng)旋風(fēng)分離在預(yù)混螺旋內(nèi)與油相、木粉混合,經(jīng)球磨機(jī)研磨混合后涼藥;另一種是液混式生產(chǎn)工藝,它是一種新型的改性銨油炸藥生產(chǎn)工藝,硝酸銨經(jīng)加熱溶解后與液態(tài)油相按照比例混合形成懸浮狀液體分散體系,再經(jīng)過(guò)真空干燥、粉碎,混藥、涼藥等工藝,制備成改性銨油炸藥。 液混式生產(chǎn)工藝制備的改性銨油炸藥流散性差,自然堆積密度小,其物理狀態(tài)、炸藥爆炸性能、穩(wěn)定性與氣流球磨工藝生產(chǎn)的改性銨油炸藥相差較大,很難滿足老用戶的需求[1]。 氣流干燥和球磨混藥工藝采用氣流工藝技術(shù)路線,改性后的硝酸銨顆粒較細(xì),各組分混合均勻,因此,改性銨油炸藥產(chǎn)品具有裝藥密度大、爆速高等特點(diǎn)[2]。 雖然氣流工藝制備的改性銨油炸藥性能方面較液混式工藝具有一定的提高,但是在爆破工程實(shí)際應(yīng)用中,炸藥的做功能力與生產(chǎn)廠家提供的參數(shù)指標(biāo)存在較大差異。 炸藥性能檢測(cè)時(shí)雖然各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)較高,但是在中深孔、硬巖、小直徑爆破作業(yè)中卻容易出現(xiàn)半爆、殘爆現(xiàn)象。 分析發(fā)現(xiàn),造成此類情況的原因主要是傳統(tǒng)的油相加注方式存在加注點(diǎn)單一,難以混合均勻的問(wèn)題。 針對(duì)此問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種可以多點(diǎn)、分層加注油相的裝置,解決了油相混拌不均勻的問(wèn)題,可有效提高炸藥的爆炸性能。

1 改性銨油炸藥質(zhì)量影響主要因素

現(xiàn)有氣流干燥和球磨混藥改性銨油炸藥生產(chǎn)工藝,采用袋裝硝酸銨、改性劑經(jīng)顎式破碎機(jī)粗碎混合,再由兩級(jí)凸輪粉碎機(jī)細(xì)碎、氣流干燥、旋風(fēng)分離,改性后的硝酸銨輸送至預(yù)混螺旋,同時(shí)復(fù)合油相經(jīng)計(jì)量、泵送至預(yù)混螺旋,油相加注多采用噴嘴噴灑和管路滴注的方式,改性后的硝酸銨在預(yù)混螺旋內(nèi)與油相、木粉混合,再經(jīng)球磨機(jī)研磨混合,然后涼藥、裝藥和包裝。 生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示。

硝酸銨和木粉均為固體,經(jīng)過(guò)預(yù)混螺旋和球磨機(jī),很容易被混拌均勻。 油相為液體,經(jīng)噴頭霧化后與硝酸銨和木粉混合,但油相在改性銨油炸藥組分中占比較小,復(fù)合油相與改性的硝酸銨在預(yù)混螺旋內(nèi)混合時(shí),由于細(xì)化后的硝酸銨對(duì)高溫熔化的油脂類物質(zhì)具有較強(qiáng)的吸附性,所以油相易被局部硝酸銨吸收,容易形成約6 mm×8 mm 大小的油塊。因?yàn)橛拖嗖荒芫鶆虻胤稚⑽皆谙跛徜@粒子表面,形成液固相界面膜[3],所以容易出現(xiàn)局部富油和少油的現(xiàn)象。 硝酸銨和油相混合是否均勻,對(duì)炸藥質(zhì)量有重要影響。 組分混合均勻,則爆轟速度快,反應(yīng)發(fā)生完全,有利于提高炸藥的爆炸性能[4]。 如果混合不均勻易造成炸藥性能不穩(wěn)定、爆轟不完全、有毒氣體超標(biāo)等問(wèn)題,嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)拒爆、半爆現(xiàn)象。 因此,油相加注方式選擇的合理與否是影響改性銨油炸藥質(zhì)量的重要因素。

2 設(shè)計(jì)原則與要求

圖1 氣流球磨工藝改性銨油炸藥生產(chǎn)工藝流程

早在2010 年肖代軍[2]撰寫(xiě)了題目為“提高改性銨油炸藥質(zhì)量的探討”,分別從“改性銨油炸藥生產(chǎn)工藝”“硝酸銨的含水量”“復(fù)合油相的選擇”等方面對(duì)炸藥質(zhì)量的影響進(jìn)行了分析研究,并給出合理選擇改性銨油炸藥組分配比、含水量、復(fù)合油相,有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量的結(jié)論。 查閱資料可知,多家科研單位和生產(chǎn)廠家的研究分析主要側(cè)重于生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品配方等方面對(duì)改性銨油炸藥質(zhì)量的影響,而關(guān)于油相加注方式、各組分混合的均勻度對(duì)炸藥質(zhì)量影響的研究未曾涉及。

本設(shè)計(jì)旨在使油相均勻分散在硝酸銨之中,提高炸藥組分混合均勻度。 因此,油相加注裝置設(shè)計(jì)應(yīng)有利于油相的分散,可自動(dòng)化、連續(xù)化生產(chǎn),并可直接安裝于現(xiàn)有改性銨油炸藥生產(chǎn)線上使用。 結(jié)合生產(chǎn)線實(shí)際情況和用戶需求,改性銨油炸藥油相加注裝置設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則和要求:

1)安全性高。 替代原有油相加注裝置的同時(shí),不給原炸藥生產(chǎn)線引入新的安全隱患,如觸電、機(jī)械傷害、纏繞、燙傷等。

2)有利于油相與硝酸銨均勻混合。 在油相進(jìn)入預(yù)混螺旋前,盡可能地使油相均勻地分散在藥粉之中,以達(dá)到更好的預(yù)混效果。

3)自動(dòng)控制,計(jì)量準(zhǔn)確。 能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控油相輸送系統(tǒng)的流量,并能夠根據(jù)生產(chǎn)線生產(chǎn)能力自動(dòng)匹配油相流量,與生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖,同時(shí)要求計(jì)量系統(tǒng)精準(zhǔn),以保證制備的炸藥組分配比精準(zhǔn),炸藥性能穩(wěn)定;控制系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控,一旦出現(xiàn)油相料位過(guò)低或斷料,控制系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警,確保生產(chǎn)安全、運(yùn)行可靠。

4)不改變或少改變?cè)a(chǎn)線油相制備系統(tǒng)。油相加注裝置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能利用原有設(shè)備和廠房,以降低改造成本。

3 油相加注裝置設(shè)計(jì)

3.1 油相加注裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)改性銨油炸藥生產(chǎn)線油相加注多采用泵送方式單點(diǎn)加注,將預(yù)先制備好的油相暫存在儲(chǔ)罐內(nèi)保溫,油相直接通過(guò)噴嘴噴灑或采用管路滴注的方式加入。 這種加注方式和裝置,只能將油相噴灑或滴注在表面部分的硝酸銨上,而油相在改性銨油炸藥組分中占比僅為3% ～4%,因此油相僅被少量的硝酸銨吸附,通過(guò)后續(xù)的混藥、涼藥設(shè)備,很難使油相均勻地分散在炸藥中,儲(chǔ)存過(guò)程中易產(chǎn)生炸藥結(jié)塊現(xiàn)象,直接影響炸藥質(zhì)量[5]。

設(shè)計(jì)擬采用多點(diǎn)、分層的方式加注油相,在預(yù)混前將油相均勻地分散在硝酸銨中,采用兩套或多套獨(dú)立的油相泵送系統(tǒng),使加注裝置內(nèi)壓力穩(wěn)定,保證油相注入口和滲入口注油量基本相同,油相可通過(guò)雙層加注,一層通過(guò)預(yù)混螺旋管壁滲入,另一層通過(guò)注油口注入,提高油相在炸藥中的均勻性。 改性銨油炸藥油相加注裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改性銨油炸藥油相加注裝置結(jié)構(gòu)

改性銨油炸藥油相加注裝置布置如圖3 所示,其工作原理為:制備好的油相經(jīng)儲(chǔ)存罐利用高差自然流入或泵送至油相緩沖罐,再經(jīng)輸送計(jì)量泵進(jìn)入油相加注裝置的上進(jìn)口和下進(jìn)口,進(jìn)入油相緩存腔,在輸送泵壓力作用下,油相經(jīng)油相注入口和滲入口進(jìn)入預(yù)混螺旋與改性硝銨混合。 油相通過(guò)油相注入口和滲入口分層、多點(diǎn)進(jìn)入混合物料能防止局部物料油相過(guò)多或偏少,達(dá)到充分混合。 油相加注裝置通過(guò)連接法蘭固定在預(yù)混螺旋的筒體上,油相加注裝置的內(nèi)壁與預(yù)混螺旋的筒體通過(guò)連接法蘭固定,預(yù)混螺旋筒體與加注裝置內(nèi)壁之間設(shè)有環(huán)形密封墊。 改性銨油炸藥組分之一的木粉由輸送計(jì)量系統(tǒng)輸送至預(yù)混螺旋的木粉進(jìn)口處,改性后的硝酸銨由進(jìn)口進(jìn)入預(yù)混螺旋,改性后的硝酸銨、油相和木粉在預(yù)混螺旋中預(yù)混,然后由預(yù)混螺旋出口進(jìn)入球磨機(jī)和涼藥設(shè)備。

圖3 改性銨油炸藥油相加注裝置

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)改性銨油炸藥生產(chǎn)線通信要求,控制系統(tǒng)可采用PLC 控制,用組態(tài)軟件創(chuàng)建人機(jī)界面,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置觸摸屏或組態(tài)軟件在控制室設(shè)置油相流量等參數(shù),與原安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖。 同時(shí),加注裝置還需設(shè)有單獨(dú)的急停按鈕。 為保證系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠,油相緩沖罐應(yīng)設(shè)置有液位高位、低位傳感器,當(dāng)緩沖罐液位達(dá)到高位時(shí),油相儲(chǔ)罐停止向緩沖罐輸料,當(dāng)液位達(dá)到低位時(shí),油相罐輸送泵啟動(dòng),自動(dòng)向緩沖罐輸料。 油相加注控制系統(tǒng)對(duì)流量進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)控、反饋,實(shí)際流量與設(shè)定流量出現(xiàn)偏差時(shí),控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)計(jì)量泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),計(jì)量泵轉(zhuǎn)速控制宜采用模糊-PID 混合智能控制算法[6],實(shí)現(xiàn)油相流量的精準(zhǔn)控制,控制原理如圖4 所示。

圖4 模糊-PID 混合智能控制原理

4 工業(yè)試驗(yàn)情況

本油相加注裝置在國(guó)內(nèi)某改性銨油炸藥生產(chǎn)線進(jìn)行了試用,生產(chǎn)線產(chǎn)能12 000 t/y,生產(chǎn)巖石型改性銨油炸藥約5 000 t。 試生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)可靠,油相計(jì)量精準(zhǔn),各組分混合均勻,制備的炸藥具有良好的流散性,在保質(zhì)期內(nèi)未出現(xiàn)結(jié)塊和吸潮現(xiàn)象,且炸藥性能較傳統(tǒng)油相加注工藝得到了一定程度的提高,炸藥性能對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 油相加注裝置改變前后制備的巖石型炸藥性能對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的改性銨油炸藥油相加注裝置,采用多點(diǎn)、分層注入的方式加注油相材料,在預(yù)混螺旋進(jìn)行預(yù)混前將油相均勻分散在硝酸銨中,提高了混合的均勻度,有利于形成液固相界面膜。 油相流量實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)節(jié)技術(shù)計(jì)量精準(zhǔn),生產(chǎn)的改性銨油炸藥性能穩(wěn)定可靠,有效解決了改性銨油炸藥流散性差、易吸潮結(jié)塊的問(wèn)題。 設(shè)備安裝無(wú)須改變?cè)猩a(chǎn)工藝,可與原生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖。 設(shè)置了液位傳感器,避免了油相斷料導(dǎo)致的炸藥質(zhì)量不合格問(wèn)題,提高了生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性和可靠性。