底排劑沸騰制粒工藝的研究

程秀蓮，張致豪，張玉光，郭小偉，霸書紅，周 琦

（1.沈陽理工大學裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.遼沈工業(yè)集團有限公司，遼寧 沈陽 110045）

底排劑沸騰制粒工藝的研究

程秀蓮1，張致豪1，張玉光2，郭小偉2，霸書紅1，周 琦1

（1.沈陽理工大學裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.遼沈工業(yè)集團有限公司，遼寧 沈陽 110045）

分別研究了沸騰制粒機進口風速對底排劑粉狀物料沸騰高度和物料利用率、氯丁橡膠濃度對霧化程度以及氯丁橡膠用量對沸騰制粒機制粒效果的影響。結果表明，沸騰制粒機進口風速（頻率）為20 Hz時，沸騰高度為25 cm，物料利用率為95.87%。當氯丁橡膠質量分數(shù)為9%以下時，霧化完全；當氯丁橡膠用量在3%以下時，沸騰制粒工藝可順利進行。用傳統(tǒng)制粒工藝與沸騰制粒工藝制得的顆粒制備藥柱的物理性能和靜態(tài)燃燒性能相比，后者的物理性能和靜態(tài)燃燒性能指標的方差和極差都較小，即后者產品質量穩(wěn)定性比前者高。

沸騰制粒；霧化；靜態(tài)燃燒時間；氯丁橡膠；底排劑

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，對火炮系統(tǒng)的要求不斷提高，但對遠射程的要求始終不變。而采用減小彈丸底阻的增程方法十分有效[1]。增程率可達20%～30%[2]，甚至可達到45%以上[3]。

底排減阻是靠底排劑燃燒產生的氣體，減小底阻達到增程的目的。底排劑由氧化劑、還原劑和粘合劑等組成，3者混制顆粒的大小、形狀和組分的一致性對底排裝置靜態(tài)燃燒時間的一致性和彈丸飛行穩(wěn)定性有顯著的影響[2，4]。由于底排劑混制顆粒的一致性較差，底排裝置靜態(tài)燃燒時間極差能達到十幾秒，甚至使底排裝置的靜態(tài)燃燒時間超出設計允許的上下限。

由于氧化劑、還原劑具有易燃易爆等性質，為保證生產安全，感度高的引燃藥采用手工混制工藝，感度較低的基本藥大多采用半機械半人工混制工藝。手工混制工藝能夠混制均勻，但勞動強度較大，效率較低，安全性較差，危害工人健康。半機械半人工混制工藝受其工藝和設備的局限性，其生產過程和產品存在著嚴重的安全和質量穩(wěn)定性問題。

沸騰制粒技術是國外研發(fā)的技術，我國自20世紀70年代初開始引進并在藥廠使用40多年。沸騰制粒技術具有傳熱效率較高、顆粒均勻、密度較小、流動性較好和壓縮成形性較好等特點，在制粒過程中不存在機械碰撞、摩擦，不易產生局部熱點，并且集底排劑的干混合、濕混合、造粒和干燥等過程在一臺設備上，一次完成，安全隱患大大減少，本質安全度和自動化程度得到提高[5]。

104廠已使用沸騰制粒技術進行煙火藥劑的生產。由于氯丁橡膠分子中含有氯元素，氯元素具有阻燃性，可以調節(jié)底排劑的燃速，但分子間作用力較大，在沸騰制粒中易出現(xiàn)“塌鍋”現(xiàn)象。

本研究探討了以氯丁橡膠為粘合劑的沸騰制粒工藝，雖然氯丁橡膠黏度較大，不易霧化，但氯丁橡膠的粘接力較強，可以提高底排藥柱的力學強度，也提升了底排藥柱質量的穩(wěn)定性，拓寬了沸騰制粒工藝的應用范圍。有關以氯丁橡膠為粘合劑的沸騰制粒工藝還未見報道。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

氯丁橡膠（CR2441型，濃度為20%），工業(yè)級，沈陽三園廠；甲苯，分析純，北京永利凱達化工產品銷售中心。

沸騰制粒機，江蘇遠望干燥設備制造有限公司；油壓機（800T），滕州市中和機械廠；EX-TCS-2000-2型防爆電子天平，沈陽龍騰電子有限公司；靜態(tài)燃燒測試系統(tǒng)（可測定靜態(tài)燃燒溫度和時間），遼沈工業(yè)集團有限公司。

1.2 沸騰制粒原理

在熱氣流和粉狀物料的重力作用下，粉狀物料在流化床中懸浮并呈流化狀循環(huán)流動使粉狀物料混合，混合均勻后，噴入霧狀粘合劑使粉狀物料凝成疏松的小顆粒，同時熱氣流對其作高效干燥，造成溶劑不斷蒸發(fā)，粉狀物料不斷聚集長大，形成多微孔球狀顆粒。

1.3 沸騰制粒工藝

配制一定濃度的氯丁橡膠甲苯溶液，按配方用防爆電子天平準確秤取各種氧化劑和還原劑。將各種粉狀物料加入到沸騰制粒機的流化床中。通入一定溫度和風速的潔凈熱空氣，使粉狀物料懸浮并呈流化狀循環(huán)流動使粉狀物料混合，混合一定時間后，噴入氯丁橡膠甲苯溶液，同時逐漸提高風速，使顆粒質量逐漸增大的粉狀物料保持懸浮并呈流化狀循環(huán)流動。氯丁橡膠甲苯溶液加完后，再持續(xù)通入潔凈熱空氣5 min，使甲苯蒸發(fā)干凈。再通入潔凈冷空氣冷卻至室溫，出料。

2 結果與討論

2.1 進風風速對粉狀物料沸騰效果的影響

進風風速的高低在噴膠前不僅影響粉狀物料的混合均勻性，而且影響粉狀物料的沸騰高度。風速過低，粉狀物料不能形成沸騰狀態(tài)；風速過高，小顆粒物料飛揚到沸騰制粒機頂部并吸附在隔塵袋表面，這不僅導致物料利用率降低，而且使最終顆粒的組成偏離原配方的配比。

在不噴入氯丁橡膠溶液、沸騰制粒機運行5 min的條件下，沸騰制粒機不同進風風速（頻率）對沸騰高度和物料利用率的影響如表1所示。

表1 進風風速（頻率）對粉狀物料沸騰效果的影響Tab.1 Effect of inlet-air speed on powdery material fluidization results

由表1可知：隨著進風風速的增大，沸騰高度隨之增高，物料利用率隨之降低。沸騰高度越高，物料混合的越均勻。物料利用率除與進風風速（頻率）成反比外，還與噴膠前運行時間成反比。在生產實際中，噴膠前運行時間低于5 min，噴膠后顆粒逐漸變大，不易飛揚到沸騰制粒機頂部，并且噴膠前飛揚到沸騰制粒機頂部的細粉物料，有可能被震落下來，在霧狀膠的作用下與沸騰顆粒凝聚在一起，提高了物料利用率。沸騰高度最好與噴膠形成的最大霧面高度相同，此位置一方面可使噴膠均勻，另一方面霧滴的下降速率比較高，且膠的濃度較低，有利于在遇見的粉狀物料表面潤濕；霧滴噴出后，霧滴開始下降，同時甲苯開始蒸發(fā)，霧滴高度越低，膠的濃度越高，膠的黏度也越大，不利于在遇見的粉狀物料表面潤濕。綜合上述因素，初始進風風速（頻率）為20 Hz比較適宜；噴膠后，物料顆粒不斷增大，進風風速（頻率）也應逐漸提高，以保持物料的沸騰高度不變。

2.2 氯丁橡膠濃度對霧化效果的影響

氯丁橡膠必須呈霧狀才能與呈沸騰狀態(tài)的粉狀物料混合均勻，并使不同粉狀物料粘接在一起，并逐漸增大，顯然霧滴越小，膠與粉狀物料混合越均勻。由于氯丁橡膠結構比較規(guī)整、又有電負性比較大的氯原子，使其內聚力增大，結晶性提高，容易造成拉絲，不易呈霧狀。降低氯丁橡膠的分子質量，可降低其結晶性，但同時使其粘接力下降；降低噴槍壓力，也可降低其結晶性，但同時霧滴下降速率變小，甲苯溶劑蒸發(fā)時間變長，膠濃度變大，不利于在粉狀物料表面潤濕；減小氯丁橡膠濃度，可有效降低其結晶性，甲苯可循環(huán)使用，但增加了能耗。為保證底排劑的質量，采用降低氯丁橡膠濃度的方法，降低其結晶性。不同氯丁橡膠濃度對霧化效果的影響如表2所示。

表2 氯丁橡膠濃度對霧化效果的影響Tab.2 Effect of chloroprene rubber concentration on atomization level

由表2可知：氯丁橡膠濃度對霧化效果有顯著影響，氯丁橡膠質量分數(shù)在9%以下時，氯丁橡膠溶液可被完全霧化。

2.3 氯丁橡膠用量對制粒效果的影響

氯丁橡膠將配方中的不同粉狀物料粘接在一起，保證了藥柱在貯存期內各組分分布的均一性。氯丁橡膠用量較小時，不能有效地將不同粉狀物料粘接在一起；氯丁橡膠用量增大時，沸騰制粒的粒度也隨之增大，用量過大后，甚至可形成大量棉絮狀物質，結果將所有粉狀物料粘接在一起，導致制粒失敗。氯丁橡膠質量分數(shù)為8.0%，氯丁橡膠用量對制粒效果的影響如表3所示。

表3 氯丁橡膠用量對制粒效果的影響Tab.3 Effect of chloroprene rubber amount on granulation results

由表3可知，氯丁橡膠用量對制粒效果的影響十分顯著。當氯丁橡膠用量在3%以下時，可保證沸騰制粒工藝順利進行；如需調整粒度大小，用量可在3%左右微調；如需用氯丁橡膠調整配方性能，可與粉狀物料同時加入適量固體氯丁橡膠。

對在氯丁橡膠質量分數(shù)為8.0%、氯丁橡膠用量為2%和初始進風風速（頻率）為20 Hz條件下，制得的顆粒，過25.4目篩，稱量，計算物料利用率為97.9%，高于未噴膠時的物料利用率95.87%；經理化分析，制得的顆粒組成與加料配比完全相同，至此，以氯丁橡膠為粘合劑的沸騰制粒工藝獲得成功。

2.4 制粒工藝對底排藥柱性能的影響

2.4.1 制粒工藝對底排藥柱物理性能的影響

除底排劑的配方和點火強度外，底排藥柱的長度（高度）和密度是影響其燃燒時間的主要因素。底排藥柱在彈道飛行中會受到一定強度的壓強作用，藥柱必須具有一定的強度才能保持藥柱結構穩(wěn)定和動態(tài)燃燒時間，從而保證底排增程效果。

壓制藥柱壓強為13 MPa，保壓時間為10 s，用2種制粒工藝制得的顆粒各壓制藥柱50發(fā)。2種制粒工藝壓制藥柱的物理性能如表4所示。

表4 制粒工藝對其底排藥柱物理性能影響Tab.4 Effects of granulating technologies on physical properties of base bleed charge

顆粒流散性越好，顆粒的假密度越大；由假密度越大的顆粒壓制的藥柱密度也就越大。眾所周知，球形化程度越高的顆粒，其流散性越好。由表4藥柱的密度可以說明，用沸騰制粒工藝制備的顆粒球形化程度較高。

在粘合劑用量不變的條件下，提高藥柱強度的唯一途徑是使粘合劑分布均勻，以保證藥柱強度處處相同。由表4藥柱的強度可以說明，沸騰制粒顆粒中的氯丁橡膠分布之均勻性較高。

只有在粒度分布較小、顆粒形狀相近且趨于球形、各組分分布均勻條件下，才能保證由其制備的藥柱密度和高度指標100%合格、密度和高度的方差和極差較小。由表4密度和高度的方差和極差可以說明，由沸騰制粒工藝制備的顆粒與由傳統(tǒng)制粒工藝制備的顆粒粒度相比，分布更小、顆粒形狀更相近且趨于球形、組分分布更均勻。

2.4.2 制粒工藝對底排裝置靜態(tài)燃燒性能的影響

底排裝置靜態(tài)燃燒性能是其動態(tài)燃燒性能的基礎，測定動態(tài)燃燒性能的成本較高，一般靜態(tài)燃燒性能合格后，再測定動態(tài)燃燒性能，大幅度降低動態(tài)燃燒性能測定次數(shù)，節(jié)約研究成本。

用2種制粒工藝制備的顆粒各制備10套底排裝置進行靜態(tài)燃燒試驗，底排劑制粒工藝對其靜態(tài)燃燒性能的影響如表5所示。

由表5可知：分別由沸騰制粒工藝制備的顆粒和由傳統(tǒng)制粒工藝制備的顆粒制備底排裝置，底排裝置均能100%正常發(fā)火；前者的靜態(tài)燃燒時間和溫度的平均值均高于后者，且前者的靜態(tài)燃燒時間和溫度的方差和極差明顯小于后者。

相同配方底排劑的燃燒溫度，由其組分混合的均勻性決定，各組分混合越均勻，燃燒越完全，則燃燒溫度越高。因此沸騰制粒顆粒組分混合的均勻性明顯好于傳統(tǒng)制粒顆粒。

表5 制粒工藝對底排裝置靜態(tài)燃燒性能的影響Tab.5 Effects of granulating technologies on static burning properties of base bleed charge

配方和藥柱形狀都相同的底排裝置的靜態(tài)燃燒時間，在藥柱長度和密度幾乎相等的條件下，主要由藥柱密度決定，密度越大，燃燒時間越長。由表4可知，由沸騰制粒顆粒制備的藥柱密度較大，因此其靜態(tài)燃燒時間較長。

底排裝置的靜態(tài)燃燒時間及溫度的方差和極差由其藥柱高度和密度的方差和極差決定。由表4可知，由沸騰制粒顆粒制備的藥柱密度及高度的方差和極差較小，因此由沸騰制粒顆粒制備的底排裝置的靜態(tài)燃燒時間和溫度的方差和極差也較小。

3 結論

（1）進口初始風速（頻率）為20 Hz，可使底排劑粉狀物料的沸騰高度適宜。

（2）氯丁橡膠的濃度越小，越容易霧化，氯丁橡膠的質量分數(shù)在9%以下，氯丁橡膠溶液可以被完全霧化。

（3）氯丁橡膠的用量越小，越有利于沸騰制粒工藝的順利進行，氯丁橡膠的用量在3%以下可保證沸騰制粒工藝順利進行。

（4）用沸騰制粒工藝制備的顆粒壓制藥柱的物理性能與由其制備的底排裝置的靜態(tài)燃燒性能指標的方差和極差較小，即產品質量穩(wěn)定性提高。

（5）用沸騰制粒工藝制備的顆粒粒度分布較小，球形化程度較高，各組分的混合均勻性較好。

[1]孫志艷.底排藥劑配方改進及燃燒產物參數(shù)計算[D].南京:南京理工大學,2006,1.

[2]張領科,周彥煌,余永剛.底排裝置工作不一致性對射程散布影響的研究[J].兵工學報,2010,31(4):443-446.

[3]潘功配,郝建春.煙火型底排劑減阻增程研究[J].火工品,1995,16(2):1-4.

[4]煙樸哲鎬,徐少明.煙火劑型底部排氣藥柱特性研究[J].彈箭與制導學報,2009,29(2):126-129.

[5]薛昌雄.沸騰造粒技術及其應用前景[J].國防技術基礎,2009,38(8):57-58.

Study of fluid bed granulating technology for base bleed charge

CHENG Xiu-lian1, ZHANG Zhi-hao1, ZHANG Yu-guang2, GUO Xiao-wei2, BA Shu-hong1,ZHOU Qi1
(1.College of Equipment Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang, Liaoning 110159, China; 2.Liaoshen Industrial Group Co., Ltd., Shenyang, Liaoning 110045, China)

The effect of inlet-air speed in fluid bed granulator on the powdery material fluidization height and material utilization ratio, the effect of chloroprene rubber concentration on the atomization level , and the effect of chloroprene rubber amount on the granulation results were studied in this paper. The result show that the powdery material fluidization height is 25 cm and the material utilization ratio is 95.87% when the inlet-air speed (frequency) in fluid bed granulator is 20 Hz; the powdery material is exactly atomized when the chloroprene rubber concentration is under 9%; the fluid bed granulator works well when the chloroprene rubber amount is under 3%.The physical properties and the static burning properties of the grains prepared respectively by the traditional granulating technique and the `fluid bed granulating technique were compared . The results show that the variance and range of physical properties and static burning properties for the latter are smaller than that for the former, namely the stability of product quality for latter is better than that for the former.

fluid bed granulating; atomization; static burning time; chloroprene rubber; base bleed charge

TQ333.5

A

1001-5922（2017）06-0036-04

2017-03-01

程秀蓮（1965-），女，碩士，教授，主要從事環(huán)境治理和涂料、粘合劑和含能材料等精細化學品的研發(fā)。E-mail：13079287290@163.com。