吸收藥定量加料工藝設(shè)備安全性分析

景 青，蘇 楊

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

火炸藥生產(chǎn)工藝發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)朝著提高質(zhì)量和本質(zhì)安全程度、降低成本方向發(fā)展.這就要求火炸藥生產(chǎn)應(yīng)該連續(xù)化、自動(dòng)化、智能化，柔性化，隨著信息科技的發(fā)展，這些要求有了更好的支撐.在現(xiàn)代火炸藥制造工藝中，物料的連續(xù)定量加料變得越來(lái)越重要，但是火炸藥生產(chǎn)中很多原材料本身是一種具有爆炸危險(xiǎn)性的含能材料，這就使得在民用行業(yè)相對(duì)成熟的物料定量加料技術(shù)、設(shè)備不能照搬照用，它有著不同于一般加料裝置的特殊性.因此，針對(duì)火炸藥生產(chǎn)當(dāng)中含能原料的定量加料工藝設(shè)備安全性研究具有重要意義，同時(shí)針對(duì)不同物料要區(qū)別對(duì)待，現(xiàn)代火炸藥生產(chǎn)當(dāng)中，很多原料本身就是一種含能材料，比如推進(jìn)劑壓延工藝中用到的高固體含量吸收藥、新型炸藥生產(chǎn)中用到的黑索金，這些物料又有各自的特點(diǎn)，高固體含量吸收藥有一定的含水率，但是流動(dòng)性不好，黑索金流動(dòng)性好，但是容易產(chǎn)生靜電積累，本文主要針對(duì)壓延工藝中高固體含量吸收藥應(yīng)用失重式定量加料方法的安全性做主要研究.

1 失重式計(jì)量喂料器特性分析

物料定量加料裝置在塑料、食品加工、化工生產(chǎn)領(lǐng)域已經(jīng)大量應(yīng)用，先進(jìn)技術(shù)層出不窮，失重式計(jì)量喂料器是連續(xù)給料計(jì)量的自動(dòng)化衡器，它克服了傳統(tǒng)配料系統(tǒng)的間隙式生產(chǎn)的缺點(diǎn)，采用PID閉環(huán)控制、變頻控制等技術(shù)有效地實(shí)現(xiàn)解決了實(shí)時(shí)控制和動(dòng)態(tài)計(jì)量精度的矛盾，兼有靜態(tài)秤、動(dòng)態(tài)秤特點(diǎn).

通過(guò)試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)，加料精度滿(mǎn)足技術(shù)要求，均勻性較好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，但有物料堆積、打拱現(xiàn)象，這會(huì)引起物料的先進(jìn)先出性、同時(shí)會(huì)引起物料長(zhǎng)時(shí)間與輸送裝置的摩擦，極端情況下加料螺旋還有可能會(huì)與螺旋輸送套筒發(fā)生金屬摩擦、撞擊，出料口瞬時(shí)流量不均勻，說(shuō)明失重式計(jì)量控制系統(tǒng)在加料精度上基本滿(mǎn)足應(yīng)用條件，安全性上卻不能滿(mǎn)足，再次證明，普通民用定量加料裝置不能直接應(yīng)用于火炸藥生產(chǎn)當(dāng)中，必需針對(duì)火炸藥生產(chǎn)特點(diǎn)，在安全性上精心設(shè)計(jì)、驗(yàn)證，不僅能滿(mǎn)足加料精度，更加重要的是安全生產(chǎn)，裝置要有本質(zhì)安全性.

2 物料流量特性及受力分析

根據(jù)庫(kù)倫摩擦定律，當(dāng)物料與物料之間由靜止到開(kāi)始滑移時(shí)，滑移面上的切應(yīng)力τ與正應(yīng)力σ成正比，即

式中:μc是物料的摩擦系數(shù)；c是初抗剪強(qiáng)度；φi是物料的內(nèi)摩擦角.

物料與壁面的摩擦也滿(mǎn)足庫(kù)侖定律，若壁面摩擦角為φw，此時(shí)

當(dāng)任一平面上的應(yīng)力為τ<μcσ+c時(shí)，物料處于靜止?fàn)顟B(tài).當(dāng)某一平面上的應(yīng)力滿(mǎn)足庫(kù)侖定律τ=μcσ+c時(shí)，物料將沿該平面滑移.對(duì)螺桿加料器來(lái)說(shuō)，其工作過(guò)程就是物料在重力和螺旋推動(dòng)力的作用下不斷克服物料與物料、物料與壁面之間的剪切應(yīng)力后產(chǎn)生相對(duì)位移.

在實(shí)際科研生產(chǎn)中，高固體含量吸收藥主要成分為黑索金、硝化甘油、硝化棉，這種混合物料雖然有一定的含水率，但還是應(yīng)該考慮物料本身的摩擦感度，應(yīng)使前面分析的剪切力τ=μcσ+c小于物料摩擦感度最小受力

3 打拱（也叫架橋）現(xiàn)象引起的安全性問(wèn)題

出現(xiàn)此種情況是由于物料的流動(dòng)性不好，物料與料斗摩擦系數(shù)太大、物料之間的內(nèi)摩擦系數(shù)太大、料斗的錐角太大等因素導(dǎo)致物料在加料口上方形成一個(gè)拱形的料塞，這將會(huì)造成進(jìn)料不均勻甚至中斷，可采取降低物料高度、減小料斗錐角、增加機(jī)械攪拌等辦法，而高固體含量吸收藥黏度較大，這些措施效果不明顯，為解決此問(wèn)題，考慮采用一種彈性料斗，材料為導(dǎo)電橡膠一體成形，在料斗外部設(shè)計(jì)一組非對(duì)稱(chēng)揉捏機(jī)械裝置，使加料斗在工作當(dāng)中整體處于一種不停變化的狀態(tài)，可以完美解決堆料、打拱現(xiàn)象，此種料斗在國(guó)外個(gè)別產(chǎn)品上有應(yīng)用，需要加強(qiáng)的是料斗材料應(yīng)采用導(dǎo)電橡膠定做，導(dǎo)電橡膠應(yīng)滿(mǎn)足一定的韌性和導(dǎo)電率.

4 出料口速度瞬時(shí)均勻性不好的安全性分析

為了了解物料的流動(dòng)規(guī)律，通過(guò)透明套管來(lái)觀(guān)察物料在螺紋槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng).從圖1可以看到，在垂直于螺桿軸線(xiàn)的截面上固定弧段（一般在套管頂部附近）內(nèi)的物料總是隨螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，可將這個(gè)弧段稱(chēng)之為滯止區(qū)，而在套管底部附近的大部分物料隨著螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)在套管內(nèi)滑動(dòng)，并沿軸向移動(dòng)，可將這一弧段稱(chēng)之為滑移區(qū).由于在螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滯止區(qū)內(nèi)的物料以一定的質(zhì)量流量從一端進(jìn)入滑移區(qū)，同時(shí)滑移區(qū)內(nèi)的物料又以相應(yīng)的質(zhì)量流量從另一端進(jìn)入滯止區(qū)，這就使得滑移區(qū)內(nèi)的部分物料也有一定的周向運(yùn)動(dòng).另外，在沿螺桿軸向各截面上的固體物料在螺紋槽內(nèi)的流動(dòng)分布并不相同，從加料器進(jìn)口段到出口段滯止區(qū)內(nèi)物料經(jīng)歷了從多到少直到最終消失的過(guò)程.出現(xiàn)上述現(xiàn)象是因?yàn)闇箙^(qū)內(nèi)的物料沒(méi)有軸向運(yùn)動(dòng)，使得套管內(nèi)的料位沿軸向越來(lái)越低，當(dāng)料位降低到使處在料位最上端的物料所受到壁面的剪切力也能被其他力克服時(shí)，將不再有物料隨螺桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，就出現(xiàn)了如圖1b所示的情況，即滯止區(qū)內(nèi)沒(méi)有物料，此后套管內(nèi)的料位將不再變化.

圖1 物料流型分布示意圖

圖2 出料通道寬度變化示意圖

一般情況下,卸料口開(kāi)在套管的下部,常常為圓形或矩形，物料在螺桿的推動(dòng)下進(jìn)入出料通道依靠自身的重力自由落下.圖2a—圖5d分別顯示了θ為900、1800和2700時(shí)的出料通道寬度.顯然,螺桿旋轉(zhuǎn)一周,出料通道的寬度變化一個(gè)周期.相應(yīng)地顆粒出料是從0到突然以整體流的形式快速出料，隨后流量越來(lái)越小直到幾乎為零，完成一個(gè)周期.在一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)可以分為高速下料段和低速下料段，且很有規(guī)律性，因此加料螺旋可以考慮用雙螺旋加料，同時(shí)應(yīng)充分考慮此種流量特性，調(diào)整加料螺旋相位，使得一個(gè)加料螺旋的高速下料斷與另一加料螺旋的低速下料斷形成互補(bǔ)，則可以使加料器出口脈動(dòng)大大降低，達(dá)到實(shí)現(xiàn)流量均勻化的目的.

5 靜電危害現(xiàn)象及預(yù)防措施

火炸藥本身是絕緣體，它們同時(shí)又是靜電放電的敏感物質(zhì)，顯然針對(duì)不同的環(huán)境，不同的對(duì)象，應(yīng)該有不同的防靜電危害的技術(shù)和措施，雖然高固體含量吸收藥有一定的含水率，但靜電危害不能掉以輕心.

設(shè)靜電危險(xiǎn)場(chǎng)所的爆炸性混合物的最小點(diǎn)火能為Wmin，導(dǎo)電體與帶電體間的電容為C，臨界電壓為Uk，帶電體的電壓為U，則在放電過(guò)程中靜電源釋放出的能量為：

此能量不至引燃爆炸混合物的條件應(yīng)為：

式中α是恒小于1的安全系數(shù)

解上式可得帶電體的電壓應(yīng)滿(mǎn)足：

也就是說(shuō)，當(dāng)帶電體的靜電位不超過(guò)上式所確定的數(shù)值時(shí)，導(dǎo)電體上的放電火花不會(huì)點(diǎn)燃爆炸性混合物.為減少帶電體上靜電位，針對(duì)研究?jī)?nèi)容，可以采取下面的措施.

5.1 提高環(huán)境的相對(duì)濕度，由資料可知，火炸藥、電火工品等生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境中推薦的安全溫、濕度如表二所示.當(dāng)然，增加空氣濕度應(yīng)以不損壞機(jī)器設(shè)備、不危及產(chǎn)品質(zhì)量為原則.

5.2 跨接（接地法）：這是目前應(yīng)用最廣泛而且切實(shí)可行的辦法.

在火炸藥行業(yè)存在的靜電危險(xiǎn)場(chǎng)所，一般允許的最大靜電電位值即危險(xiǎn)電位值約為100V；另外，在目前的工業(yè)水平下，實(shí)際生產(chǎn)中靜電起電電流的范圍為10－11～10－4 A.

5.3導(dǎo)電涂層——物理方法消除物料加料過(guò)程中的靜電，就是在加料系統(tǒng)與物料摩擦的接觸面上涂覆復(fù)合涂層，通過(guò)調(diào)整復(fù)合涂層的組分和比例，使介電涂層得失電子的能力與物料得失電子的能力相同或相近，從而減少物料的摩擦起電量；同時(shí)還通過(guò)減小復(fù)合介電涂層的電阻值，以增大靜電泄露率.

6 結(jié)束語(yǔ)

失重式定量加料工藝可以滿(mǎn)足計(jì)量精度要求，但應(yīng)用于火炸藥行業(yè)還有許多安全性技術(shù)問(wèn)題需要解決，主要表現(xiàn)為物料打拱、流量脈動(dòng)性、摩擦力及摩擦起電現(xiàn)象，針對(duì)物料打拱可采用彈性料斗；針對(duì)流量脈動(dòng)可采用相位互補(bǔ)雙螺旋結(jié)構(gòu)；針對(duì)摩擦起電可采用導(dǎo)電涂料、安全接地、無(wú)源靜電消電器等綜合措施.這些方法、工藝是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要進(jìn)一步的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證，例如彈性料斗材料的導(dǎo)電系數(shù)、抗撕裂性；加料螺旋的流量系數(shù)設(shè)計(jì)；靜電導(dǎo)電涂層的導(dǎo)電率、附著性、耐用性等問(wèn)題，解決好這些問(wèn)題之后，新的定量加料裝置不單可以滿(mǎn)足壓延工藝生產(chǎn)需要，同時(shí)該工藝裝置研制方案可針對(duì)固態(tài)、粉料、半固態(tài)原料設(shè)計(jì)不同加料及輸送裝置，還可以應(yīng)用于壓延工序、膠化工序、雙螺桿成型、合成工藝等眾多工序中.

〔1〕陸福一，耿興國(guó)，等.用物理方法控制推進(jìn)劑組份在加料中的靜電.中國(guó)物理學(xué)會(huì)第八屆靜電學(xué)術(shù)年會(huì)，1999[分類(lèi)號(hào)]:V512;O 441.

〔2〕中國(guó)北方化學(xué)工業(yè)總公司.火炸藥理論與實(shí)踐，2000.

〔3〕王順森,毛靖儒,劉觀(guān)偉.顆粒加料器流量脈動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理及抑制新方法.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,39(11).

〔4〕范祖堯.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè).非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)[Z].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

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