乳化炸藥爆轟感度性能影響因素研究

黃云川

（廣東宏大羅化民爆有限公司，廣東 云浮 527300）

民爆行業(yè)近幾年快速發(fā)展，乳化炸藥產(chǎn)能大幅度增加，導(dǎo)致炸藥市場競爭越來越激烈，工程爆破對乳化炸藥產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高，這就要求民爆生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)出的乳化炸藥具有良好的爆轟性能，以滿足客戶不同爆破條件的需要，達(dá)到最佳爆破效果。影響乳化炸藥爆轟敏感度影響因素很多，想要提高乳化炸藥爆轟敏感度，必須要控制好硝酸銨氧化劑、油相等原材料質(zhì)量；控制好水分含量；在生產(chǎn)過程中要控制敏化溫度、裝藥密度等關(guān)鍵工藝參數(shù)；也可以在乳化炸藥中添加一些爆溫高的鋁粉等高能材料，該文主要從這幾個方面進(jìn)行研究，對乳化炸藥生產(chǎn)工藝技術(shù)調(diào)整具有一定的意義。

1 氧化劑對乳化炸藥爆轟敏感度的影響

氧化劑水相溶液是以硝酸銨作為主要原材料，加水混合均勻，形成乳化炸藥的分散相，硝酸銨在乳化炸藥炸藥組分中占78%左右，是乳化炸藥主要的氧化劑。硝酸銨具有爆炸性，在乳化炸藥爆炸時，與油相材料等還原劑進(jìn)行劇烈氧化還原反應(yīng)，生成大量的熱，產(chǎn)生大量氣體，可以有效增加炸藥的爆轟敏感度。

1.1 硝酸銨析晶點控制

硝酸銨在水中的溶解度溫度系數(shù)較大，溫度過高，如達(dá)到140℃，硝酸銨就會變得很活潑，受熱分解，產(chǎn)生大量氨氣，氧化劑組分也隨之減少，進(jìn)而破壞水相溶液的各組分配比；溫度過低，硝酸銨在水相溶液的溶解度急劇減少，形成過飽和氧化劑水相溶液，硝酸銨很快發(fā)生析晶，不利于形成W/O型乳化基質(zhì)，爆轟敏感度下降，影響乳化炸藥爆轟性能和儲存穩(wěn)定性[1]。在該公司實際生產(chǎn)配制氧化劑水相溶液時，為了防止硝酸銨快速析晶，宜將水相溶液溫度控制在90℃~95℃，硝酸銨析晶點為78℃。

為降低硝酸銨在水相溶液中的析晶點，該公司選用混合氧化劑制備水相溶液。在水相溶液中添加硝酸鈉，硝酸鈉能有效降低水相溶液中硝酸銨的析晶點，增大乳化炸藥供氧量，改善乳化炸藥的零氧平衡，易于形成W/O型乳化基質(zhì)，提高乳化炸藥爆轟敏感度和爆炸威力，見表1。

表1 不同氧化劑溶液的析晶點對炸藥性能影響

經(jīng)過該公司反復(fù)試驗，從表1數(shù)據(jù)來看，在制備水相溶液時，硝酸銨控制在78%，硝酸鈉控制在8%，硝酸銨析晶點比不添加硝酸鈉析晶點降低8℃左右，W/O乳化效果好，炸藥爆速最高，炸藥感度明顯改善。

1.2 硝酸銨溶液pH值控制

氧化劑水相溶液除了要控制好硝酸銨析晶點，硝酸銨溶液的pH值對乳化炸藥的爆速、爆轟敏感度也是關(guān)鍵因素，尤其是化學(xué)敏化工藝。在實際生產(chǎn)中，硝酸銨溶液占整個乳化炸藥體系質(zhì)量比例為88%左右，硝酸銨溶液的pH值決定整個氧化劑水溶液的pH值，最終影響化學(xué)發(fā)泡效果[2]。采用化學(xué)敏化發(fā)泡時，發(fā)泡劑與促進(jìn)劑同時加入乳化基質(zhì)中攪拌，反應(yīng)產(chǎn)生氮氣。硝酸銨pH值越低（小于4.1），溶液酸性過強，發(fā)泡速率越高，容易形成較差的大氣泡 ，硝酸銨pH值越高（大于6.0），溶液酸性較弱，發(fā)泡速率越低，產(chǎn)生的有效氣泡較少，敏化困難，影響炸藥質(zhì)量穩(wěn)定性。

該公司在實際生產(chǎn)中，試驗用不同pH值的硝酸銨溶液對乳化炸藥性能進(jìn)行分析，試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 硝酸銨溶液pH值對炸藥性能的影響

經(jīng)過該公司試驗，如表2所示，將硝酸銨溶液的最佳pH值控制在4.0~5.1，乳化炸藥的爆速、猛度等爆炸性能最理想。

2 油相材料對乳化炸藥爆轟敏感度的影響

油相材料種類較多，來源較廣，一般都是從石油中提煉出來的蠟與合成聚物。理論上，只要黏度、含油率、針入度合適的油脂物質(zhì)都可以作為乳化炸藥的油相材料[3]。實際上，該公司油相材料供應(yīng)廠商較多，不同廠家生產(chǎn)出來的技術(shù)性能、質(zhì)量指標(biāo)存在細(xì)微差別，即使同一供應(yīng)廠商，不同批次生產(chǎn)出的油相材料其內(nèi)部組份差別也比較大。油相材料的質(zhì)量和性能，對乳化炸藥的密度、藥態(tài)感度、爆速、殉爆距離、感度等有直接影響，如果油相檢測把關(guān)不嚴(yán)，將會嚴(yán)重影響乳化炸藥產(chǎn)品質(zhì)量。

為研究油相材料對乳化炸藥性能的影響，該廠分別選用湖南瀏陽金科一體化固態(tài)油相、湖北同一一體化油相和廣州科律液態(tài)相3種不同的油相材料，采取相同的生產(chǎn)工藝和條件，生產(chǎn)不同批次的乳化炸藥產(chǎn)品，進(jìn)行性能測試分析，得到的試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 油相材料在乳化炸藥中應(yīng)用結(jié)果

由表3可以知道，廣州科律生產(chǎn)的油相材料更適合該公司乳化炸藥生產(chǎn)，油相材料質(zhì)量指標(biāo)宜：滴熔點控制在65℃~70℃，黏度7.5mm2·s-1~8.5mm2·s-1，含油率控制在20%~30%，針入度控制在55 mm~80mm。在這個指標(biāo)范圍，能保證乳化炸藥產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

3 水分對乳化炸藥爆轟敏感度的影響

水是乳化炸藥的成分之一，水在乳化炸藥爆炸時不參與反應(yīng)，組分中水分含量一般在6%~18%。水對乳化炸藥性能影響比較復(fù)雜，一方面水可以使硝酸銨、硝酸鈉等氧化劑溶解，形成均勻致密的連續(xù)相，使氧化劑與還原劑均勻混合，增加乳化炸藥中各組分接觸面積，保證藥態(tài)連續(xù)性，降低水相溶液析晶點，提高炸藥密度，在一定范圍能使爆速增加[4]。另一方面，水是穩(wěn)定的不活潑惰性液體，作為乳化炸藥中的鈍感劑，乳化炸藥在發(fā)生爆炸時，要吸收大量的蒸發(fā)熱，降低爆熱，做功能力也會下降。當(dāng)炸藥中水分過大時，硝酸銨等氧化劑的含量相對降低，會使爆速降低，爆炸能量也相應(yīng)降低，爆轟敏感度下降，甚至出現(xiàn)半爆、拒爆現(xiàn)象。因此，在生產(chǎn)實際中必須將水含量控制在適當(dāng)?shù)姆秶?。不同的水分含量對乳化炸藥的影響見?。

表4 水分對炸藥性能的影響

由表4數(shù)據(jù)可以看到，經(jīng)過長期生產(chǎn)實踐不斷探索，該公司生產(chǎn)的乳化炸藥中水分宜控制在10%~13%，最大不超過20%，爆速達(dá)到峰值，炸藥比較敏感，爆轟反應(yīng)完全，炸藥爆炸性能得到最大發(fā)揮。

4 乳化工藝對乳化炸藥爆轟感度的影響

4.1 乳化工藝

乳化工藝是按工藝配方要求，將制備好的水相與油相物料利用各自的輸送裝置分別輸送至各自的水、油相儲罐。當(dāng)所有水、油相管路設(shè)備達(dá)到工藝要求后，再按配方要求的比例，將水相、油相通過各自的輸送裝置和計量裝置輸送到精乳機，經(jīng)過強烈攪拌、剪切和混合，形成高質(zhì)量的W/O型乳化基質(zhì)。乳化工藝最關(guān)鍵的是要嚴(yán)格控制好水相溶液和油相輸送到乳化機的配比流量參數(shù)。如果乳化機開機時，水相流量過大，會導(dǎo)致乳化失敗，形成不了W/O型乳化液；如果油相流量過大，生產(chǎn)出的炸藥的分散相粒子直徑和連續(xù)相膜厚度不一致，影響炸藥性能。因此，在生產(chǎn)時，可以用變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)水相、油相輸送電機轉(zhuǎn)速，精準(zhǔn)控制水油相流量配比參數(shù)，用高精度的矢量流量計進(jìn)行監(jiān)測，定期對流量計進(jìn)行標(biāo)定，修訂流量參數(shù)。

4.2 乳化工藝的影響

制備乳膠基質(zhì)是乳化炸藥生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，為形成好的W/O型乳化基質(zhì)，必須要保證水相以及油相的溫度高于自身的溶解溫度，使乳化液分散相顆粒盡可能細(xì)小，微液滴粒子大小均勻分散在油相中。如果水相溫度溶液溫度過低，會導(dǎo)致水相中硝酸銨析晶，乳膠粒子表面膜不均勻，乳化炸藥的爆轟感度下降；油相溫度過高，乳膠基質(zhì)油膜稠度增大，不能形成微小的敏化氣泡，甚至導(dǎo)致破乳，進(jìn)而影響乳化炸藥體系穩(wěn)定性，不利于乳化炸藥的爆轟敏感度。因此，必須要將乳化溫度控制在一定范圍，根據(jù)該公司實際生產(chǎn)經(jīng)驗，將乳化溫度控制在95℃~100℃，乳膠基質(zhì)分散相顆粒細(xì)小，乳化效果比較理想，生產(chǎn)出的乳化炸藥穩(wěn)定性好，爆轟敏感度性能顯著提高。

5 乳化炸藥爆溫對爆轟敏感度的影響

乳化炸藥的爆溫是炸藥爆炸時放出的能量以及爆炸產(chǎn)物的最高溫度參數(shù)。要研究如何提高乳化炸藥感度，就必須要提高爆溫。一方面它是乳化炸藥熱化學(xué)計算所必需的重要參數(shù)值。另一方面，在工程爆破中，對爆溫也有一定的要求，為了確保爆破安全作業(yè)，必須將炸藥爆溫控制在安全范圍，一般乳化炸藥爆溫控制在2000℃~2500℃。

5.1 乳化炸藥爆溫計算

由于乳化炸藥爆炸瞬間溫度可到達(dá)2000℃~2500℃，目前測量技術(shù)有限，一般難于直接測定。因此炸藥的爆溫采用理論計算的方法，為方便簡化，筆者可以將乳化炸藥爆炸過程可以看作定熱容過程，通過微小氣泡絕熱壓縮，爆炸產(chǎn)生的熱量全都用以加熱爆炸產(chǎn)物，爆炸產(chǎn)物的熱容只是溫度函數(shù)，與其他條件無關(guān)。

爆溫的計算式：

從計算式可見，想要計算乳化炸藥爆溫t，只要知道炸藥的爆炸熱量Qv以及爆炸產(chǎn)物的熱容量Cv。筆者要增加乳化炸藥的爆溫t，只需要增加爆炸產(chǎn)物的生成熱Q1.3，減少炸藥自身的生成熱Q1.2，減少爆炸產(chǎn)物的熱容。

5.2 提高乳化炸藥保溫

因此筆者要提高乳化炸藥的性能，就要提高爆溫。理論上，可以在生產(chǎn)過程中加入高熱值的高能材料，如鋁粉、鎂粉等，乳化炸藥混入高能材料后，它們的爆炸產(chǎn)物生成熱量較大而爆炸產(chǎn)物的熱容量較小，爆溫增加。

6 敏化溫度對乳化炸藥爆轟敏感度的影響

該文在乳化炸藥生產(chǎn)過程中，用膨脹珍珠巖作敏化劑，物理敏化方式，研究不同敏化溫度對乳化炸藥爆轟性能，尤其對爆速的影響。乳膠基質(zhì)本身雷管感度較低，冷卻后的乳化基質(zhì)必須添加不同的敏化材料進(jìn)行敏化，在乳化基質(zhì)中加入微小氣泡，乳化炸藥具有雷管感度，受到外界能量激發(fā)，敏化后的微小氣泡后形成絕熱壓縮，乳化炸藥才能被起爆，乳化炸藥的敏化方式分為高溫敏化和低溫敏化[5]。不同敏化溫度對乳化炸藥的性能有很大影響。

為研究敏化溫度對乳化炸藥性能的影響，該公司在乳化炸藥生產(chǎn)過程中，保持生產(chǎn)設(shè)備、工藝配方不變，使用膨脹珍珠巖作敏化劑，用物理敏化方式，控制不同的敏化過程溫度進(jìn)行試驗，試驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 敏化溫度對乳化炸藥性能的關(guān)系

由表5實驗數(shù)據(jù)可以得知，實際生產(chǎn)過程中敏化溫度過高或者過低，藥態(tài)偏軟或偏硬，在裝藥時珍珠巖外殼體受到擠壓變形，氣泡被破壞壓死，有效珍珠巖減少，受到?jīng)_擊能作用爆炸后熱點減少，爆速降低，甚至有可能失去起爆感度，甚至出現(xiàn)半爆現(xiàn)象。因此敏化溫度宜控制在53℃~56℃，藥態(tài)適中，密度1.24g·cm-3，在這個敏化參數(shù)范圍，生產(chǎn)出的乳化炸藥起爆感度較高，爆速較高，爆炸性能好。

7 裝藥密度對乳化炸藥爆轟敏感度的影響

乳化炸藥炸藥的爆炸反應(yīng)機理為混合反應(yīng)機理，乳化炸藥的爆轟傳播過程受炸藥密度的影響很大。炸藥密度過大，裝藥直徑增大，炸藥中各組分顆粒間隙增加，微小氣泡含量減少，乳化炸藥起爆需要的沖擊波強度減少，爆速下降，不利于爆轟波傳播。

該公司在生產(chǎn)實踐中，以32藥卷直徑作為試驗項目，用珍珠巖物理敏化方式，在工藝配方保持不變的情況下進(jìn)行裝藥，分析炸藥密度對乳化炸藥的爆速、爆轟敏感度影響，試驗結(jié)果見表6。

表6 裝藥密度對爆炸性能的影響

由表6試驗數(shù)據(jù)可以知道，炸藥裝藥密度對爆轟敏感度有極其重要的影響，在裝藥直徑和質(zhì)量不變的情況下，爆速會隨著炸藥密度增加而增大，當(dāng)密度大于炸藥極限密度時后，產(chǎn)生“壓死”現(xiàn)象，炸藥不能穩(wěn)定爆轟，爆速急劇下降，甚至出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象。因此，炸藥的使用密度宜控制在1.13g·cm-3~1.30g·cm-3，炸藥爆炸性能最好，需要的沖擊波起爆強度小，炸藥敏感度高。

8 膨脹珍珠巖對乳化炸藥爆轟敏感度的影響

8.1 膨脹珍珠巖的敏化作用

膨脹珍珠巖是一種多空隙的松散顆粒物，它是珍珠巖礦石經(jīng)過破碎，在1250℃~1300℃高溫焙燒下制成的。用膨脹珍珠巖作物理敏化劑，經(jīng)敏化機攪拌，可以在乳膠基質(zhì)中形成大小均勻穩(wěn)定的微小氣泡，能夠有效改變?nèi)榛ㄋ幩幘砻芏?，對提高乳化炸藥的爆轟敏感度性能具有顯著作用。

8.2 膨脹珍珠巖含量的影響

膨脹珍珠巖加入量過高時，乳化炸藥的藥卷密度低，不利于乳化炸藥儲存穩(wěn)定性，炸藥性能衰減嚴(yán)重。珍珠巖加入量過低時，不能對炸藥的密度進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，乳化炸藥中的有效氣泡少，炸藥受到雷管沖擊波作用后，絕熱壓縮產(chǎn)生熱點少，爆速低。

該公司在生產(chǎn)工藝技術(shù)、配方相同的情況下，通過加入膨脹珍珠巖的不同量，分析對珍珠巖含量對乳化炸藥爆轟敏感度性能影響，試驗數(shù)據(jù)見表7。

如表7所示，珍珠巖的加入量有一個臨界量，當(dāng)膨脹珍珠巖的加入量超過1.8%后，乳化炸藥具才有雷管感度，隨著含量增加，爆速逐漸增大，加入量在2.5%左右，爆速達(dá)到峰值，隨后逐漸下降甚至出現(xiàn)半爆現(xiàn)象。因此，為提高乳化炸藥的爆轟感度和性能，宜將膨脹珍珠巖的加入量控制在2%~3%，能充分發(fā)揮珍珠巖的敏化作用。

表7 珍珠巖不同量對爆炸性能的影響

8.3 膨脹珍珠巖粒度的影響

粒度是珍珠巖質(zhì)量的主要性能參數(shù)，是衡量膨脹珍珠巖顆粒大小的度量，也是影響乳化炸藥敏化效果的重要參數(shù)。從炸藥爆炸理論上講，膨脹珍珠巖的粒度越大，物理敏化后加入乳化炸藥中的有效氣泡就越多，受雷管沖擊后，絕熱壓縮形成熱點也多，炸藥具有良好的爆轟感度和爆炸性能。

該公司在生產(chǎn)中，在實驗中，采用同一廠家、同批次生產(chǎn)的不同粒度的膨脹珍珠巖，測試珍珠巖粒度對乳化炸藥性能的影響，實驗數(shù)據(jù)見表8。

表8 珍珠巖粒度對乳化炸藥性能的影響

40~80目實驗，從表8數(shù)據(jù)可以知道，為了確保乳化炸藥具有良好的爆轟感度和爆炸性能，宜將膨脹珍珠巖的粒度控制在40~80目。

9 結(jié)論

影響乳化炸藥的爆轟性能因素很多，該文通過生產(chǎn)實際研究，為提高乳化炸藥的爆轟敏感度性能，建議采取的方式如下：1）氧化劑水相溶液制備過程將溫度控制在在90℃~95℃，硝酸銨溶液pH值控制在4.0~5.1，控制好水相溶液析晶點。2）加強油相材料入廠檢測，選擇合適的油相材料，確保油相原材料各項質(zhì)量指標(biāo)穩(wěn)定。3）生產(chǎn)過程中將乳化炸藥中的水分含量控制在10%~13%。4）可以在乳化炸藥中加入高熱值的高能材料，如鋁粉、鎂粉等，提高爆溫。5）膨脹珍珠巖物理敏化生產(chǎn)工藝，敏化溫度嚴(yán)格控制在53℃~56℃，裝藥密度控制在1.10g.cm-3~1.30g.cm-3。