固體推進劑壓延塑化溫度檢測與控制技術研究*

李　龍,郭效德,李鳳生,石玉銀

(1.南京理工大學 國家特種超細粉體工程技術研究中心,江蘇 南京 210094；2.山西北方興安化學工業(yè)有限公司,山西 太原 030008)

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固體推進劑壓延塑化溫度檢測與控制技術研究*

李龍1,郭效德1,李鳳生1,石玉銀2

(1.南京理工大學 國家特種超細粉體工程技術研究中心,江蘇 南京 210094；2.山西北方興安化學工業(yè)有限公司,山西 太原 030008)

摘要：針對固體推進劑在壓延塑化過程中溫度過高而容易引起的燃爆問題，提出了遠紅外測溫與噴霧降溫。通過試驗得出，當藥料的溫度超過設定值時，經噴霧降溫后，藥料的溫度降低了3～5 ℃，有效提高了固體推進劑在壓延塑化過程中的安全性。在此基礎上，研究了在壓延塑化過程中，影響藥料溫度變化的有關因素，得出了結論：隨著工作輥轉速、工作輥退水溫度、壓延塑化遍數和硝化棉含量的增加，藥料的溫度隨之升高；隨著硝化甘油含量的增加，藥料的溫度隨之降低。

關鍵詞：固體推進劑；壓延塑化；遠紅外測溫；噴霧降溫

固體推進劑是一種極為易燃易爆的危險品，對溫度十分敏感，但固體推進劑的壓延塑化過程又必須在高溫下進行，當溫度超過工藝參數時，往往會導致燃燒或爆炸事故的發(fā)生。固體推進劑的組分中既含有氧化劑又含有燃燒劑，即使是在沒有外界氧氣的情況下，在壓延塑化過程中也有可能發(fā)生燃燒或爆炸事故[1]。王明軍等[2]發(fā)現，在固體推進劑的壓延塑化過程中，溫度太高會使藥料粘在2個輥筒上，增加生產的危險性；但溫度過低，分子的熱運動速率變小，裝藥的藥料會變硬，可塑性變小，在壓延塑化時不易被塑化，從而導致塑化的藥粒的密實性減弱，影響產品的質量。

國內關于這方面的研究并不多，李晉等[3]研究了固體推進劑在壓延塑化過程中，噴水壓力、噴頭孔徑、噴頭與火焰區(qū)距離和預先燃燒時間對固體推進劑燃燒滅火效果的影響。國外關于這方面的研究未見相關報道。

鑒于固體推進劑在壓延塑化過程中溫度監(jiān)控的重要性，本文提出了采用遠紅外測溫與聯(lián)動噴霧降溫技術相結合的方法，有效提高了固體推進劑在壓延塑化過程中的安全性。

1試驗

1.1試驗原料及組成

試驗中用到的固體推進劑的組分見表1。表1中的其他組分包括聚甲醛、鋁、炭黑、彈道穩(wěn)定劑、凡士林和催化劑等，其均由山西北方興安化學工業(yè)有限公司提供。

表1　固體推進劑的組分　(%)

1.2試驗儀器及設備

試驗儀器及設備包括溝槽壓延塑化機(山西北方興安化學工業(yè)有限公司)、遠紅外測溫儀(德國Optris公司)和噴霧降溫霧化器(太原時代領航科技有限公司)。

1.3壓延塑化

壓延塑化是指將原材料經過混合攪拌均勻之后一起倒入擠出設備中，經過壓力的作用使物料變成可流動的塑性物料[4]。溝槽壓延塑化技術是在平輥壓延塑化技術的基礎上[5]，將輥筒的表面開鑿出不同形狀溝槽，主要有U型溝槽、螺旋狀的溝槽以及V型溝槽等[6-7]。

在整個壓延塑化過程中，藥料在2個輥筒之間進行驅水、溶解和塑化，最后藥料由疏松狀態(tài)變成結構致密的塑化狀態(tài)[8]，壓延塑化最終要完成藥料的干燥、塑化、壓延以及造粒第4個過程。

2遠紅外測溫與噴霧降溫裝置

2.1裝置構成

遠紅外測溫與噴霧降溫裝置是專門為高能火藥生產壓延工序安全生產而設計制作的專用裝置，由遠紅外測溫、預測控制和噴霧降溫等3大部分構成(見圖1和圖2)。紅外探頭和噴霧噴嘴安裝在距離工作輥上藥料約50 cm處，可以實現對壓延機工作輥上藥料非接觸連續(xù)測溫，0.5 s周期性取樣，取連續(xù)5次樣本值，通過一元二次線性回歸后，預測后3個周期數據，即1.5 s后可能出現的數據，來控制噴霧裝置動作，以彌補檢測與執(zhí)行機構響應時間造成的滯后，提高系統(tǒng)的靈敏度。

圖1　遠紅外測溫與噴霧降溫裝置

圖2　裝置的控制系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)

2.2遠紅外測溫

當物體的溫度高于絕對零度(-273 ℃)時，由于其內部分子或原子無規(guī)則熱運動的存在，就會不斷地向空間輻射電磁波，其中就包括波段位于0.76～1 000 μm的紅外線，紅外測溫儀正是利用這一原理制作而成的[9]。物體所發(fā)出的紅外輻射能量強度與其溫度成比例，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能量越強。

遠紅外測溫系統(tǒng)的組成如圖3所示，它是由光學系統(tǒng)探測器、信號處理電路及顯示終端等組成。

圖3　遠紅外測溫系統(tǒng)結構

本試驗所使用的遠紅外測溫儀具有非接觸測量、測量范圍廣、測溫速度快(響應時間短)、準確度高、靈敏度高、使用安全及使用壽命長等特點，已被廣泛應用于鋼鐵生產、變電站、汽車和醫(yī)用等領域。

固體推進劑在壓延塑化過程中，藥料在壓延機工作輥上隨壓延輥的轉動而轉動，其溫度的檢測只能采用非接觸式的測溫方法，遠紅外測溫是用于非金屬材料非接觸測溫最有效的方法。該裝置采用的是德國Optris CTLTCB3Ex測溫儀，測量范圍為-40～900 ℃，溫度分辨率為0.1 ℃。其高品質的光學性能(光學分辨率K=D∶S=20∶1)適合于惡劣環(huán)境下應用(探頭耐溫可達180 ℃)；電子盒帶有顯示和調節(jié)鍵功能，輸出4～20 mA電流信號，DC8～DC36 V供電；采用不銹鋼機殼，堅固耐用。配合信號隔離安全柵，安全等級可達到Ex(ia)ⅡCT4。在該裝置中，安全柵采用了德國STAHL的9002/22，紅外測溫探頭放置于2區(qū)，電子盒放置于隔爆電控柜內，符合規(guī)范要求。

2.3噴霧降溫

液體的霧化是指在外加能量的作用下，液體在氣體環(huán)境中變成液霧或其他小霧滴的物理過程。液霧噴射霧化過程分為3個階段：1)液體在噴嘴內部流動的階段；2)液體噴出后由液柱分裂為霧滴的階段；3)霧滴在氣體中進一步破碎的階段。其中第2個階段是相對重要的[10]。

該裝置的高壓噴霧采用SISTEM高壓柱塞泵將水壓提高到7 MPa，然后將加壓后的水經耐高壓尼龍管由專用噴嘴將其霧化，產生0.5～15 μm的微霧顆粒，噴在位于壓延工作輥表面的藥料上，微霧水滴迅速從藥料中吸收熱量完成汽化并擴散，從而達到降溫的目的。高壓微霧加濕系統(tǒng)的主機采用進口工業(yè)型柱塞泵，能夠24 h連續(xù)運轉，噴嘴及水霧分配器無動力易損部件，在高粉塵環(huán)境中不會損壞。當噴霧機停止工作時，機體自動將高壓噴管的壓力釋放，防止噴頭滴水。

2.4控制算法

遠紅外測溫儀將溫度信號轉換為4～20 mA電流環(huán)信號，通過PLC系統(tǒng)模擬量輸入模塊連續(xù)輸入PLC中，控制程序中以0.5 s為周期，存儲記錄當前與前4個周期的值，共5個值?？紤]到高能火藥在接近燃燒點時，溫升迅速，因此，以這5個點做1條一元二次曲線，在曲線上找出后3個周期對應值。所有數據共8個點，如有任何一點超過設定上限值，則啟動高壓噴霧降溫。紅外測溫響應時間為150 ms，控制算法用時為500 ms，柱塞泵動作時間為130 ms，共計需時間780 ms。由于控制算法中預測了3個周期1.5 ms，所以整體系統(tǒng)可以達到實時響應。

2.5安全性

系統(tǒng)中放置于危險場所的電氣設備有電動機、紅外測溫探頭和控制柜。電動機為防爆電動機，等級為ExdⅡBT4；紅外測溫探頭為Ex(ia)ⅡC；防爆控制柜為ExdⅡBT5，符合規(guī)范要求。裝置外殼為鋁合金噴塑，活動部件采用不銹鋼等不發(fā)火材料，而且安裝調試完成后在生產時不再移動，因此，在接地良好的情況下，裝置的安全性是有保障的。

3紅外測溫

固體推進劑在壓延塑化過程中溫度的變化與諸多因素有關，下述將從工作輥轉速、工作輥退水溫度、壓延塑化遍數、硝化棉含量和硝化甘油含量等5個方面進行討論。

3.1工作輥轉速的影響

固體推進劑在第1遍壓延塑化過程中，采用純手工加料方式，但從第2遍開始，采用純機械加料方式。雙乙醛-1A型推進劑在壓延塑化過程中，工作輥轉速分別為300和400 r/min時，壓延塑化的溫度變化情況見表2。

表2　不同轉速下的溫度變化情況

從表2可以看出，雙乙醛-1A型推進劑在壓延塑化過程中，隨著工作輥轉速的提高，藥料的溫度也隨之增加，這是因為隨著工作輥轉速的提高，2個輥筒上藥料之間的相互摩擦頻率會增加，因摩擦生熱，導致藥料的溫度隨之升高。

3.2工作輥退水溫度的影響

將加熱到一定溫度的循環(huán)水通入到工作輥輥筒內，流經空轉輥后流出到加熱系統(tǒng)，進行再加熱再重新流入工作輥輥筒內。工作輥輥筒內循環(huán)水的溫度稱為工作輥退水溫度。雙醋鉛銅-2型推進劑在壓延塑化過程中，工作輥退水溫度對藥料溫度的影響結果如圖4所示。

圖4　工作輥退水溫度的影響曲線圖

從圖4可以看出，雙醋鉛銅-2型推進劑在壓延塑化過程中，藥料的溫度隨工作輥退水溫度的升高而升高。

3.3壓延塑化遍數的影響

雙醋鉛銅-1型和姿控燃氣發(fā)生器型推進劑在整個4遍壓延塑化過程中的溫度變化情況見表3。

表3　不同壓延塑化遍數下的溫度變化情況

從表3可以看出，雙醋鉛銅-1型和姿控燃氣發(fā)生器型推進劑在整個壓延塑化過程中，隨著壓延塑化遍數的增加，藥料的溫度隨之升高。

3.4硝化棉含量的影響

雙乙醛-1A型和姿控燃氣發(fā)生器型推進劑在壓延塑化過程中的溫度變化情況見表4。

表4　不同硝化棉(NC)含量下的溫度變化情況

從表4可以看出，固體推進劑在壓延塑化過程中，隨著硝化棉含量的增加，藥料的溫度也隨之升高。

3.5硝化甘油含量的影響

雙醋鉛銅-2型和低能高燃速型推進劑在壓延塑化過程中的溫度變化情況見表5。

表5　不同硝化甘油(NG)含量下的溫度變化情況

從表5可以看出，固體推進劑在壓延塑化過程中，隨著硝化甘油含量的增加，藥料的溫度反而降低。

4噴霧降溫

固體推進劑在壓延塑化過程中溫度超過設定值時，噴霧系統(tǒng)自動啟動，使藥料的溫度降到安全溫度以下，有效提高了固體推進劑在壓延塑化過程中的安全性。

5種不同類型的固體推進劑噴霧降溫的試驗結果見表6。

表6　噴霧降溫的試驗結果

從表6可以看出，固體推進劑在壓延塑化過程中，經噴霧降溫后，藥料的溫度降低了3～5 ℃，基本滿足了生產的安全性。

5結語

通過上述分析，可以得到如下結論。

1)隨著工作輥轉速、工作輥退水溫度和壓延塑化遍數的增加，固體推進劑在壓延塑化過程中的溫度也隨之升高。

2)隨著硝化棉含量的增加，硝化甘油含量的減少，固體推進劑在壓延塑化過程中的溫度也隨之升高。

3)遠紅外測溫與聯(lián)動噴霧降溫裝置的引進，經噴霧降溫后，藥料的溫度降低了3～5 ℃，有效提高了固體推進劑在壓延塑化過程中的安全性。

參考文獻

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[10] 朱茂,道云寶,劉炳華.噴霧降溫技術在陽極爐高溫煙氣降溫中的應用[J].新技術新工藝,2012(5):69-72.

* 國防科工局項目(J201403075)

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(SJZZ 0050)

責任編輯鄭練

Temperature Detection and Control Technology Research of Solid Propellant in the Process of Rolling Plasticizing

LI Long1, GUO Xiaode1, LI Fengsheng1, SHI Yuyin2

(1.Nanjing University of Science and Technology, National Special Superfine Powder Engineering Research Center,Nanjing 210094, China; 2.Shanxi North Xing’an Chemical Industry Co., Ltd., Taiyuan 030008, China)

Abstract：In view of the high temperature and being easy to cause combustion and explosion of solid propellant in the process of rolling plasticizing, the method of far infrared temperature measurement and spray cooling is put forward, it is concluded through experiments that, when the temperature of solid propellant exceeds the set value, then after the spray cooling, the temperature of solid propellant reduces 3-5 ℃,it improves the security of solid propellant in the process of rolling plasticizing effectively. On the basis of this, the effect factors of the solid propellant temperature have been researched during the processing of rolling plasticizing. It is concluded that as the increase of work roll speed, the work roll returning water temperature, the number of rolling plasticizing, and the content of nitrocellulose(NC), the temperature of solid propellant will increase, but as the increase of the content of nitroglycerine(NG),the temperature of solid propellant will decrease instead.

Key words:solid propellant, rolling plasticizing, far infrared temperature measurement, spray cooling

收稿日期：2015-07-10

通信作者：郭效德

作者簡介：李龍(1989-)，男，碩士研究生，主要從事含能材料安全制造技術工藝等方面的研究。

中圖分類號：V 512

文獻標志碼:A