淺談提高巖石膨化硝銨炸藥密度的方法*

張貴良 段滿貴 李戰(zhàn)兵 余躍武 宋 肄

云南安寧化工廠(云南昆明，650301)

引言

基于經(jīng)典爆轟理論的“熱點(diǎn)”起爆機(jī)理和近代表面化學(xué)原理的深入研究，南京理工大學(xué)的研究者們采用特殊的控制析晶技術(shù)，成功地使硝酸銨得到“膨化”，獲得了“多微孔”片狀的自敏化硝酸銨，進(jìn)而制得了“銨木油”體系的巖石膨化硝銨炸藥[1]。

巖石膨化硝銨炸藥具有銨木油炸藥的配方和成本，更具有銨梯炸藥的爆炸性能和使用效果，它的無毒無污染的“綠色”特性、低成本特性和高安全性更受到廣大生產(chǎn)和使用單位的歡迎。該項(xiàng)技術(shù)和產(chǎn)品已在我國獲得廣泛的推廣和應(yīng)用，取得了極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

由于膨化硝酸銨中引入了大量的敏化微氣泡，使硝酸銨的晶粒密度有所降低，也必然使巖石膨化硝銨炸藥的密度降低，其裝藥密度僅為0.80～0.90 g/cm3。與粉狀巖石硝銨炸藥相比，它的密度降低了0.15～0.25 g/cm3。相應(yīng)的單位體積裝藥偏少，炮孔的利用率降低，一定程度上影響了硬質(zhì)巖層或特殊使用場合的爆破效果，因此提高巖石膨化硝銨炸藥密度成了各炸藥生產(chǎn)廠關(guān)心的課題。

1 提高巖石膨化硝銨炸藥密度的原則

在提高巖石膨化硝銨炸藥密度時，由于不可避免地會加入其它物料或用其它物料替代巖石膨化硝銨炸藥中的某些成分，如選擇不當(dāng)將會對炸藥安定性、生產(chǎn)過程的安全性和炸藥的爆炸性能產(chǎn)生影響，因此在這些物料的選擇上應(yīng)遵循如下原則：

(1)不添加國家明令禁止的高能物質(zhì)，如梯恩梯、黑索今、硝化甘油、金屬粉(如鋁粉)、高感度無機(jī)鹽(如氯酸鉀、高氯酸鉀)等；

(2)不添加或盡量少添加有毒組分；

(3)考慮添加的組分在生產(chǎn)過程中應(yīng)避免產(chǎn)生粉塵和排放廢液；

(4)各組分應(yīng)易于混勻分散，氧化劑與還原劑接觸充分而緊密，有利于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，從而使有毒氣體生成量盡量減少；

(5)安全是設(shè)計(jì)炸藥配方和生產(chǎn)工藝時必須首先考慮的要素。在選擇添加物時必須考查所添加物與其它成分的相容性、穩(wěn)定性；

(6) 使用方便，來源廣泛，成本低廉；

(7)基于配方設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝的綜合考慮 ，合適的組分配比選擇不但能提高炸藥的爆炸性能，而且還有利于工藝、設(shè)備的妥善安排，簡化工藝操作，提高連續(xù)化、自動化水平，這也是進(jìn)行工業(yè)炸藥配方設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮的問題之一。

2 提高巖石膨化硝銨炸藥密度的方法

巖石膨化硝銨炸藥原材料組成只包含有硝酸銨、膨化劑、木粉和油相材料，水則作為硝酸銨膨化過程的載體，在膨化完成時，水分將全部揮發(fā)。提高巖石膨化硝銨炸藥密度，可考慮使用高密度材料部分或全部替代現(xiàn)有的低密度材料；另外其生產(chǎn)過程也比較簡單，從可調(diào)節(jié)的角度出發(fā)，只存在膨化過程和裝藥過程等的優(yōu)化和調(diào)整。

2.1 優(yōu)化生產(chǎn)工藝

2.1.1優(yōu)化膨化工藝，提高膨化硝酸銨的密度[2]

由于巖石膨化硝銨炸藥的主要材料為膨化硝酸銨，其加入量占到炸藥配比的92%以上，因此只要提高膨化硝酸銨的密度，就能顯著提高巖石膨化硝銨炸藥密度。

硝酸銨膨化處理工藝為：在膨化劑作用下，一定溫度、一定濃度下的飽和硝酸銨溶液在一定真空度條件下，減壓蒸發(fā)強(qiáng)制析晶。硝酸銨膨化的程度可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。例如：適當(dāng)調(diào)整膨化劑的使用量可以在一定范圍內(nèi)改善膨化硝酸銨的感度，進(jìn)而改善炸藥產(chǎn)品的爆炸性能；改變壓力條件可以控制微氣泡量，從而改善膨化效果等。膨化硝酸銨堆積密度為0.28～0.42g/cm3。膨化劑用量越多，膨化硝酸銨的堆積密度越低(內(nèi)部微氣泡被破壞得越少)，吸油率越高。而通過調(diào)整膨化劑配方，降低膨化劑加入量，優(yōu)化膨化工藝參數(shù)，避免膨化過程因過分的“沸騰”形成大量無效的“大氣泡”，采用“精確”膨化技術(shù)，使硝酸銨膨化過程中產(chǎn)生的氣泡都是起敏化作用的有效“微氣泡”，從而提高膨化硝酸銨的密度。

在提高膨化硝酸銨密度的同時，應(yīng)保證膨化硝酸銨顆粒內(nèi)微孔的數(shù)量，使之具有足夠的熱點(diǎn)數(shù)、最佳起爆感度及完全爆轟的狀態(tài)，以確保巖石膨化硝銨炸藥爆轟性能。

2.1.2改進(jìn)裝藥設(shè)備

在巖石膨化硝銨炸藥生產(chǎn)過程中改善炸藥的流散性，并適當(dāng)增大裝藥壓力，優(yōu)化裝藥螺旋轉(zhuǎn)速，改變藥卷“兩頭松、中間緊”的不良現(xiàn)狀，不但使裝藥過程中的藥卷密度提高，而且使密度均勻化。實(shí)踐證明，這種方法可以將巖石膨化硝銨炸藥的裝藥密度提高0.05 g/cm3左右，達(dá)到0.95 g/cm3以上的水平。

2.2 原材料

炸藥通常都是由氧化劑(或助燃元素)和可燃劑(或可燃元素)組成的。炸藥的爆炸過程實(shí)質(zhì)上就是氧化劑與可燃劑進(jìn)行急劇的化學(xué)反應(yīng)，生成二氧化碳、水、一氧化碳等新產(chǎn)物的氧化還原過程。在巖石膨化硝銨炸藥的生產(chǎn)中采用的材料主要為硝酸銨、油相材料、木粉等，因此提高巖石膨化硝銨炸藥密度，在原材料的選擇上可考慮從以下幾方面進(jìn)行。

2.2.1氧化劑

2.2.1.1加入部分硝酸銨

即在巖石膨化硝銨炸藥中加入普通粉狀硝酸銨，其使用量可達(dá)20%；若將硝酸銨改性處理，則其加入量可達(dá)50%以上。該方法在國內(nèi)某些炸藥生產(chǎn)廠家得到了廣泛應(yīng)用，并已經(jīng)過大生產(chǎn)的驗(yàn)證，為行之有效的提高巖石膨化硝銨炸藥密度的方法。采用此方法不但不降低巖石膨化硝銨炸藥的感度和爆炸性能，而且可提高巖石膨化硝銨炸藥密度0.1～0.2 g/cm3，達(dá)到0.9～1.0 g/cm3以上。此方法工藝簡單、操作方便，但由于生產(chǎn)過程中大多采用輪碾機(jī)干燥、粉碎、改性硝酸銨，存在工藝落后、產(chǎn)能低、操作人員多，難以形成連續(xù)化生產(chǎn)的缺點(diǎn)；當(dāng)然也可采用氣流工藝干燥、粉碎、改性硝酸銨后再與膨化工藝對接，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的連續(xù)化。但該方法存在設(shè)備、能耗的增加，不是提倡發(fā)展的方向。

2.2.1.2加入輔助氧化劑

雖然硝酸銨是工業(yè)炸藥中廉價、有效且來源廣泛的氧化劑，但由于硝酸銨經(jīng)膨化后，密度明顯下降，因此也可采用添加輔助氧化劑的方法來提高膨化硝銨炸藥密度。由于金屬硝酸鹽均具有較高的密度和氧平衡值，因此常用作炸藥的輔助氧化劑，如乳化炸藥中常用作降低硝酸銨析晶點(diǎn)的硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鈣等。輔助氧化劑的加入不但能增大供氧量，提高炸藥的爆炸性能，還能提高膨化硝銨炸藥的裝藥密度。

2.2.2可燃劑

2.2.2.1取消或降低木粉的使用量

木粉主要因?yàn)樘細(xì)浜扛?，?fù)氧平衡大；密度小，可調(diào)節(jié)爆炸體系的疏松程度；孔隙多，對體系有敏化作用——?dú)馀菝艋盟频玫恼ㄋ幮阅軆?yōu)良和穩(wěn)定，因而在粉狀工業(yè)炸藥中得到普遍應(yīng)用。但由于木粉密度較低，一般干木粉的密度約0.4～0.6 g/cm3，堆積密度僅為0.17～0.24 g/cm3，它的加入無疑降低了膨化硝銨炸藥的密度。

由于膨化硝酸銨膨松、多微孔、多棱角的晶體結(jié)構(gòu)具有顯著的敏化效果，它可以被一發(fā)雷管起爆，對沖擊波比較敏感；表面分布了表面活性劑憎水層，物理性能顯著改善，吸濕速度慢，結(jié)塊強(qiáng)度低；比表面積大有利于爆炸反應(yīng)加速，利于油相的吸附和穩(wěn)定等。因此在膨化硝銨炸藥中可考慮降低木粉的加入量或用其它高密度的碳?xì)淙剂洗婺痉鄣龋古蚧蹁@炸藥的密度得到提高。

2.2.2.2引入煤粉

在很多場合，用碳質(zhì)燃料(如煤粉、活性炭等)代替碳?xì)淙剂?如木粉、柴油等)，可以改善體系的氧平衡和密度，甚至可以起到特殊效果[3]。有研究者探索了“煤粉在銨油炸藥中的應(yīng)用”[4]，且取得了一定進(jìn)展。

巖石膨化硝銨炸藥中若能用煤粉部分替代柴油或復(fù)合油相材料將可以降低炸藥成本，具有比較明顯的經(jīng)濟(jì)效益。而且在炸藥中煤粉包覆在硝酸銨表面，可以防止硝酸銨顆粒之間的直接接觸，從而進(jìn)一步改善硝酸銨的吸濕性和結(jié)塊性，提高巖石膨化硝銨炸藥貯存穩(wěn)定性。

2.2.2.3重質(zhì)油相材料的使用

由于巖石膨化硝銨炸藥配方中，油相材料比例也占到炸藥配比的3%～4%，而常規(guī)采用的柴油或復(fù)合油相的密度僅為0.8g/cm3，因此若能提高油相材料的密度，也能在一定程度上提高炸藥密度。

有的炸藥生產(chǎn)廠或油相材料生產(chǎn)廠家為了提高巖石膨化硝銨炸藥密度，從油相材料出發(fā)，開發(fā)了多種重質(zhì)油相材料，該重質(zhì)油相材料熔點(diǎn)一般在30～50℃之間，可替代碳?xì)淙剂?柴油、復(fù)合油相等)加入到炸藥體系中。這就是說，即使在較低的混合溫度下，燃料油也可以呈液態(tài)而分散和滲透于膨化硝酸銨的內(nèi)、外表面，從而降低了炸藥生產(chǎn)中的能量消耗，并使炸藥混合的均勻性大為提高。由于重質(zhì)油相材料比傳統(tǒng)碳?xì)淙剂嫌休^高的密度，它的加入不僅提高了炸藥的爆炸性能和物理性能，而且在一定程度上提高了炸藥密度。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 金屬硝酸鹽——硝酸鈉

硝酸鈉分子式為NaNO3,分子量84.99,生成能為-13.01×4.1868 kJ/kg,生成焓為-1315×4.1868 kJ/kg,含氮量為16.48 %，密度為2.065 g/cm3，熔點(diǎn)317℃，氧平衡+0.471 g/g。由此可見，當(dāng)質(zhì)量相同時，硝酸鈉的供氧量是硝酸銨的2.35倍，又能增加炸藥的密度，硝酸鈉是乳化炸藥中最常用的輔助氧化劑。

當(dāng)巖石膨化硝銨炸藥中加入硝酸鈉時，炸藥密度明顯提高，當(dāng)加入5%～10%硝酸鈉時，密度提高0.06～0.12 g/cm3，從而使巖石膨化硝銨炸藥密度達(dá)到0.85～1.05 g/cm3。按照零氧平衡原則，在相應(yīng)調(diào)整油相配比后，巖石膨化硝銨炸藥各項(xiàng)爆炸性能均能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。但由于硝酸鈉易吸濕潮解，在含有極少量氯化鈉雜質(zhì)時，硝酸鈉潮解性就大為增加，原材料含水量高，在生產(chǎn)過程中需添加硝酸鈉烘干裝置，且在存貯過程中由于硝酸鈉的吸濕結(jié)塊，容易導(dǎo)致巖石膨化硝銨炸藥產(chǎn)品性能下降，也給使用帶來不便，雖然也可選擇不產(chǎn)生吸濕潮解的金屬硝酸鹽，但由于金屬硝酸鹽的價格均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硝酸銨，因此其加入受到了很大限制。

3.2 材料A

材料A在工業(yè)炸藥生產(chǎn)中由于具有來源廣泛、價格便宜、含氧豐富、安全性好等特點(diǎn)而被廣泛使用，在巖石膨化硝銨炸藥中加入材料A可顯著提高炸藥密度，而炸藥的爆炸性能不受影響，見表1所示。

在巖石膨化硝銨炸藥生產(chǎn)過程中，材料A可直接加入也可粉碎后加入，但由于炸藥的爆炸反應(yīng)首先從顆粒表面開始，顆粒越細(xì)，反應(yīng)表面積越大，越有利于爆炸反應(yīng)進(jìn)行。同時各物質(zhì)的顆粒減小，容易混合均勻，能進(jìn)一步提高爆轟速度和反應(yīng)完全程度。所以，設(shè)法減小顆粒直徑，增大比表面積會明顯提高粉狀炸藥的爆炸性能。若從炸藥各物料的混拌均勻性及爆炸性能上考慮，材料A粉碎后加入效果更好。

表1 爆炸性能對比

經(jīng)檢測，添加材料A的巖石膨化硝銨炸藥在貯存一定時間后，炸藥并未出現(xiàn)吸濕結(jié)塊現(xiàn)象，爆炸性能穩(wěn)定達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，見表2所示。

表2 貯存穩(wěn)定性對比

另外，添加材料A的安全性也是工業(yè)炸藥生產(chǎn)中需重點(diǎn)考查的重要指標(biāo)。

參照撞擊感度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GJB772A-97方法601.1規(guī)定：將50 mg試樣裝入撞擊裝置后，撞擊感度儀的落錘質(zhì)量10 kg，落錘落高250 mm，在溫度20℃，相對濕度為26%的條件下，其發(fā)火百分?jǐn)?shù)為4%。

參照摩擦感度按標(biāo)準(zhǔn)GJB772A-97方法602.1規(guī)定：將30 mg試樣裝入摩擦裝置后，摩擦感度儀的擺角96°，試樣實(shí)際壓力4.9 MPa，在溫度21℃，相對濕度為26%的條件下，其發(fā)火百分?jǐn)?shù)為4%。

添加材料A的巖石膨化硝銨炸藥還具有生產(chǎn)工藝簡便的特點(diǎn)，其生產(chǎn)過程工藝流程如圖1所示。

更重要的是加入材料A后炸藥密度明顯提高，而原材料成本并沒有提高，炸藥的各項(xiàng)爆炸性能均能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，機(jī)械感度低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，且設(shè)備投入少、生產(chǎn)易于組織，是較佳的提高巖石膨化硝銨炸藥密度方法。

同時還進(jìn)行了取消或降低木粉的使用量、引入煤粉、優(yōu)化膨化工藝等試驗(yàn)，試驗(yàn)均取得了一定成果，但還需作進(jìn)一步驗(yàn)證。而改進(jìn)裝藥設(shè)備能取得立竿見影的效果，如通過對裝藥設(shè)備優(yōu)化調(diào)整后，添加材料A的巖石膨化硝銨炸藥藥卷密度可穩(wěn)定在0.90 g/cm3以上。

圖1 加入材料A的巖石膨化硝銨炸藥生產(chǎn)工藝流程示意圖

4 結(jié)論

(1)提高巖石膨化硝銨炸藥密度，既要從生產(chǎn)工藝出發(fā)，調(diào)整、優(yōu)化膨化工藝參數(shù)和裝藥設(shè)備參數(shù)；又要從原材料出發(fā)，采用高密度材料部分或全部替代現(xiàn)有的低密度材料。多種方法合理搭配，共同作用，方能取得明顯效果。

(2)材料A由于具有原料來源廣，價格與硝酸銨相當(dāng)，加入工藝簡單，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，生產(chǎn)過程安全性好，能顯著提高巖石膨化硝銨炸藥密度等特點(diǎn)。

(3)金屬硝酸鹽的加入將會導(dǎo)致巖石膨化硝銨炸藥成本的提高，但巖石膨化硝銨炸藥密度的提高能給企業(yè)帶來明顯的社會效益等，應(yīng)綜合考慮，尋求最佳平衡點(diǎn)。

(4)在爆破過程中，采取有效措施，例如適當(dāng)改進(jìn)裝藥方式、增大裝藥密度或加深炮孔深度等，可以使密度降低的消極因素得到改善或克服。

本文得到了云南安化有限責(zé)任公司全體科技人員的大力支持和配合，在此一并致謝。

[1] 呂春緒，等.工業(yè)炸藥理論[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2003：227-278.

[2] 呂春緒，等.巖石膨化硝銨炸藥[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2001：113-166.

[3] 陸明.工業(yè)炸藥配方設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002：50、178.

[4] 張智俊，劉萬榮，張繼東.煤粉在銨油炸藥中的應(yīng)用[J].爆破器材，2005，34(2)：10-11.