國產(chǎn)復(fù)合油相生產(chǎn)重銨油炸藥的研究與應(yīng)用

胡海云

（國家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)準(zhǔn)能公司炸藥廠，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

工業(yè)炸藥又稱民用炸藥，由氧化劑、可燃劑和其他添加劑等組分按照氧平衡的原理均勻混制而成的高能量密度含能材料。廣泛應(yīng)用于礦山、鐵路、水利等工程爆破。黑岱溝露天煤礦隸屬于中國神華集團(tuán)準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司（以下簡稱準(zhǔn)能公司），是國家“八五”計劃期間重點項目－準(zhǔn)格爾項目一期工程三大主體工程之一，是我國自行設(shè)計、自行施工的特大型露天煤礦。該礦于1990年開工建設(shè)，1998年投入試生產(chǎn)，1999年正式移交生產(chǎn)，并于次年達(dá)產(chǎn)。2006年6月，經(jīng)過擴(kuò)能改造后的黑岱溝露天煤礦年原煤年產(chǎn)量可達(dá)2500萬噸。擴(kuò)能改造拋擲爆破工程引進(jìn)的是澳大利亞澳瑞凱公司拋擲爆破拉斗鏟－倒堆工藝，其中拋擲爆破使用的炸藥品種為重銨油炸藥。

1 研發(fā)背景

黑岱溝拋擲爆破從2007年年初開始應(yīng)用至今，重銨油炸藥一直是拋擲爆破使用的常規(guī)炸藥品種，因其爆炸后氣體能較大，爆炸做功可以將更多的巖石拋擲采空區(qū)。生產(chǎn)重銨油炸藥的核心配方復(fù)合油相多年來一直依靠從國外進(jìn)口，其采購周期長，價格居高不下，給炸藥生產(chǎn)組織帶來諸多不便。近年來，隨著國內(nèi)民爆行業(yè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，國內(nèi)復(fù)合油相研究也在不斷深入，而且技術(shù)進(jìn)步的也相當(dāng)快。隨著企業(yè)生產(chǎn)工藝技術(shù)升級改造的加快推進(jìn)，國產(chǎn)復(fù)合油相的應(yīng)用范圍也在逐年擴(kuò)大，使用量不斷增加。但是，國產(chǎn)復(fù)合油相一直沒有應(yīng)用于重銨油炸藥的生產(chǎn)應(yīng)用，主要考慮因素是拋擲爆破裝藥量較大，大的拋擲爆破裝藥量在2000噸以上，小的拋擲爆破的裝藥量也在千噸之上，改變炸藥配方勢必會對炸藥的爆炸性能產(chǎn)生一定的影響，而炸藥的性能又是保證拋擲爆破質(zhì)量和效果的前提，同時也是保證爆破安全的基礎(chǔ)，所以改變炸藥配方對拋擲爆破的影響太大，所以一直保持原有的爆破設(shè)計方案和炸藥生產(chǎn)工藝配方。

近年隨著國家對技術(shù)創(chuàng)新的號召和鼓勵，很多企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新方面走在了時代的前沿。民爆行業(yè)因其行業(yè)管理的特殊性，是一個技術(shù)創(chuàng)新推進(jìn)其來不容易的一個領(lǐng)域，盡管如此，這些年炸藥生產(chǎn)工藝技術(shù)進(jìn)步也在悄然地發(fā)生變化。準(zhǔn)能炸藥廠散裝炸藥地面站生產(chǎn)線是與黑岱溝露天煤礦拋擲爆破工藝配套引進(jìn)的炸藥生產(chǎn)工藝技術(shù)。隨著這些年的發(fā)展，國產(chǎn)復(fù)合油相也在開始部分代替進(jìn)口復(fù)合油相在乳化炸藥生產(chǎn)中開始應(yīng)用，爆破效果相當(dāng)。作為重銨油炸藥與乳化炸藥的區(qū)別，就是炸藥的組分及比例稍有區(qū)別，但相同的是都含有乳膠基質(zhì)。而且國產(chǎn)復(fù)合油相生產(chǎn)制備的乳膠基質(zhì)各項性能參數(shù)與進(jìn)口復(fù)合油相生產(chǎn)制備的乳膠基質(zhì)幾乎一樣，通過這些年的生產(chǎn)應(yīng)用，爆破效果也未受影響。2018年年初，我廠提出利用國產(chǎn)復(fù)合油相代替進(jìn)口復(fù)合油相制備重銨油炸藥研究應(yīng)用項目，2018年年底完成了項目全部內(nèi)容。

2 炸藥設(shè)計的氧平衡理論

工業(yè)炸藥屬于多種組分混合而成高能量密度材料，其爆炸過程屬于氧化還原反應(yīng)，炸藥組分中的氧化劑與還原劑的相對含量直接與許多爆炸參數(shù)有關(guān)系，一般用氧平衡的概念來衡量炸藥中所含的氧將可燃元素完全氧化的程度。氧平衡有三種關(guān)系：正氧平衡、零氧平衡、負(fù)氧平衡。零氧平衡是炸藥設(shè)計遵循的原理。炸藥氧平衡的計算方法分為兩個步驟：

（1）查表或計算各組分氧平衡。

（2）以各組分氧平衡分別乘以組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并加和。

式中，a1，a2，an為工業(yè)炸藥各組分的氧平衡；x1，x2，xn為工業(yè)炸藥各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3 炸藥設(shè)計普遍遵循的原則

3.1 配方設(shè)計與生產(chǎn)工藝整體結(jié)合

實踐表明，炸藥配方改版不僅影響炸藥性能，而且也會影響生產(chǎn)工藝條件，該研究只是在組分上作了調(diào)整，并未影響炸藥生產(chǎn)工藝條件，仍然通過現(xiàn)場混裝炸藥車實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，不會太多增加生產(chǎn)研發(fā)成果的轉(zhuǎn)化難度。

3.2 性能、成本和爆破統(tǒng)籌兼顧

炸藥配方設(shè)計過程中炸藥的性能固然重要，但原材料成本和生產(chǎn)成本對企業(yè)的效益產(chǎn)生很大影響。所以設(shè)計時要同時兼顧性能、成本、爆破使用對象。

3.3 提高安全性和減少環(huán)境污染

安全是炸藥使用的前提，也是炸藥設(shè)計和生產(chǎn)工藝首要考慮的因素，無論是提高炸藥性能還是降低炸藥性能，不應(yīng)提高炸藥的感度，降低炸藥的安全性。同時，還要考慮到爆炸后產(chǎn)生有毒有害氣體的量，盡量降低對環(huán)境的污染。

4 重銨油炸藥的理化實驗

4.1 實驗過程原材料選擇及其指標(biāo)

（1）國產(chǎn)復(fù)合油相。目前，國內(nèi)研發(fā)復(fù)合油相的廠家較多，產(chǎn)品性能差參差不齊，比較了國內(nèi)多家復(fù)合油相，其中北京億博研發(fā)的復(fù)合油相在我廠乳膠基質(zhì)生產(chǎn)線應(yīng)用制備的乳膠基質(zhì)各項性能指標(biāo)滿足工藝要求。表1為國產(chǎn)復(fù)合油相的參數(shù)指標(biāo)。表2為多孔粒狀硝酸銨的參數(shù)指標(biāo)。

表1 國產(chǎn)復(fù)合油相的參數(shù)指標(biāo)

表2 多孔粒狀硝酸銨的參數(shù)指標(biāo)

（2）硝酸銨水溶液。硝酸銨水溶液采用的是九鼎化工廠生產(chǎn)的溶液，采用硝酸銨水溶液罐車直接注入乳膠基質(zhì)生產(chǎn)線中的硝酸銨水溶液儲罐進(jìn)行調(diào)配制備成氧化溶液。其標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)要求由我廠根據(jù)綜合因素確定。其參數(shù)指標(biāo)范圍如表3。

表3 硝酸銨水溶液的參數(shù)指標(biāo)

（3）柴油。我廠使用的柴油為神東煤制油柴油，其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)我廠未對其進(jìn)行規(guī)定，也沒有指定相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，所以柴油參數(shù)指標(biāo)不進(jìn)行二次檢測。

4.2 實驗過程乳膠基質(zhì)制備

（1）工藝流程。乳膠基質(zhì)制備過程主要分為4個主要生產(chǎn)工序：硝酸銨水溶液調(diào)配成氧化溶液制備、國產(chǎn)復(fù)合油相準(zhǔn)備、乳化、基質(zhì)儲存。其工藝流程如圖1。

圖1 乳膠基質(zhì)生產(chǎn)工藝流程圖

（2）工藝參數(shù)控制。上述乳膠基質(zhì)制備工序中，氧化溶液的調(diào)配有對溶液、循環(huán)熱水溫度的控制要求以及化工原料添加比例的工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，復(fù)合油相準(zhǔn)備有溫度的控制要求，乳化工序控制的參數(shù)指標(biāo)相對較多，主要包括流量控制、生產(chǎn)速率控制乳膠基質(zhì)黏度控制等（如圖4）。主要控制工藝參數(shù)控制如表4。

圖4 乳膠基質(zhì)黏度測試

表4 乳膠制備過程主要工藝參數(shù)控制

（3）乳膠基質(zhì)制備過程。采用乳膠基質(zhì)制備系統(tǒng)1號生產(chǎn)系統(tǒng)（如圖2）。將生產(chǎn)工藝參數(shù)控制在表5-4范圍內(nèi)。向攪拌罐內(nèi)注入56秒國產(chǎn)復(fù)合油相（如圖3），攪拌轉(zhuǎn)速調(diào)至400轉(zhuǎn)左右，再注入32秒氧化溶液，攪拌3分鐘左右，調(diào)整攪拌速度至600r/min。進(jìn)入連續(xù)化生產(chǎn)狀態(tài)。乳化工藝過程實際參數(shù)見表5。乳膠基質(zhì)成品如圖5。

表5 乳膠制備過程主要工藝參數(shù)控制

圖2 乳膠基質(zhì)生產(chǎn)操作

圖3 攪拌罐形成初乳

圖5 乳膠基質(zhì)成品

4.3 重銨油炸藥理化樣品實驗

（1）混制樣品。將稱量好的多孔硝酸裝入不銹鋼桶、將稱量好的柴油緩慢注入，手工不斷混合直至均勻，再按比例加入乳膠基質(zhì)，混合直至均勻。重銨油炸藥的組分比例如表6。

表6 重銨油炸藥組分比例

（2）爆速測試。分別制作12個平行樣，每三個一組進(jìn)行炸藥性能對比測試，即爆速、儲存穩(wěn)定性實驗測試。儲存穩(wěn)定性實驗內(nèi)容包括分別儲存7天、15天、30天的樣品的外觀、內(nèi)部藥體變化情況及對應(yīng)的爆速測試實驗。表7為爆炸性能測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計，表8為儲存穩(wěn)定性實驗爆速測試，表9為儲存期內(nèi)外觀、內(nèi)部藥體變化情況。

表7 重銨油炸藥爆速

表8 重銨油炸藥儲存穩(wěn)定性爆速

表9 儲存期內(nèi)外觀、內(nèi)部藥體變化情況

實驗結(jié)論：通過理化實驗對國產(chǎn)復(fù)合油相制備的重銨油炸藥的爆速、儲存穩(wěn)定性進(jìn)行實驗，從實驗數(shù)據(jù)上可以看出：炸藥性能與我廠工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求沒有太大的差別，可以在拋擲爆破中裝入少量重銨油進(jìn)行現(xiàn)場爆破實驗。

4.4 重銨油炸藥拋擲爆破實驗

（1）爆破設(shè)計。為了驗證國產(chǎn)油相替代進(jìn)口油相生產(chǎn)的重銨油炸藥在拋擲爆破中應(yīng)用的效果與之前爆破是否存在差異，2018年10月22日～10月29月在黑岱溝露天煤礦選取18南8次拋擲區(qū)進(jìn)行爆破試驗，炮區(qū)1-20列裝進(jìn)口復(fù)合油相生產(chǎn)的重銨油炸藥，21-35列裝國產(chǎn)復(fù)合油相重銨油炸藥。炸藥裝藥位置見圖6。

圖6 不同油相重銨油炸藥裝藥位置圖

（2）爆破實驗數(shù)據(jù)及效果分析。8-20列為進(jìn)口復(fù)合油相生產(chǎn)的重銨油炸藥裝藥區(qū)，有效拋擲率為35%，松動系數(shù)1.22，爆破平均沉降高度15.7米，圖7為拋擲爆破后拋擲率分析統(tǒng)計。

圖7 8-20列平均有效拋擲率

21-33列為國產(chǎn)復(fù)合油相重銨油炸藥裝藥區(qū)，有效拋擲率為35%，松動系數(shù)為1.19。爆破平均沉降高度16.1米，

圖8 為拋擲爆破后拋擲率分析統(tǒng)計。

圖8 21-33列平均有效拋擲率

國產(chǎn)復(fù)合油相生產(chǎn)的重銨油炸藥通過在拋擲爆破中試驗以及對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表10得出：國產(chǎn)、進(jìn)口油相制備重銨油炸藥在拋擲爆破中應(yīng)用的效果相當(dāng)。

表10 拋擲爆破基本數(shù)據(jù)對比表

根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)得出試驗結(jié)論：國產(chǎn)、進(jìn)口復(fù)合油相生產(chǎn)重銨油炸藥在拋擲爆破中應(yīng)用的效果相當(dāng)。

5 結(jié)語

本文主要討論了一個源于企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)經(jīng)營需求自發(fā)提出的創(chuàng)新項目即國產(chǎn)復(fù)合生產(chǎn)重銨油炸藥的研究與應(yīng)用，旨在解決生產(chǎn)組織更加便捷和靈活，減少生產(chǎn)操作流程，降低職工的勞動量，同時因為國產(chǎn)復(fù)合油相與進(jìn)口復(fù)合油相在價格上有每噸近萬元價格優(yōu)勢，所以增加國產(chǎn)復(fù)合油相的使用量會降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。

該項目從重銨油炸藥樣品試驗開始研究，難點一就是在樣品手工試驗的過程中的安全風(fēng)險。對于改變炸藥配方、調(diào)整生產(chǎn)工藝及設(shè)備在炸藥生產(chǎn)管理過程中會出現(xiàn)諸多難以預(yù)見的風(fēng)險，必須予以重視。難點二就是在黑岱溝露天煤礦拋擲爆破中的應(yīng)用，拋擲爆破裝藥量相對較大，炸藥性能對拋擲爆破的影響也十分巨大，如果因為炸藥的性能影響了爆破質(zhì)量，嚴(yán)重的會出現(xiàn)爆破事故，輕則也對增加爆破成本。同時，因為炸藥的變化會導(dǎo)致爆破設(shè)計等一系列變化，給爆破工程設(shè)計、施工都帶來了一定影響。該項目在研究和應(yīng)用的過程中，在諸多努力下，項目順利完成，而且在拋擲爆破工程中應(yīng)用，爆破效果也相當(dāng)，可以推廣應(yīng)用。