現(xiàn)場混裝乳化炸藥高溫敏化工藝技術(shù)研究

孫永奪，龔 兵，任 斌，黃 麟，琚楠松

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.北京北礦億博科技有限責(zé)任公司，北京 100160)

工業(yè)炸藥現(xiàn)場混裝技術(shù)以其高效、安全、環(huán)保等優(yōu)點，在世界各國得到了廣泛的推廣應(yīng)用，部分歐美發(fā)達(dá)國家的現(xiàn)場混裝炸藥占工業(yè)炸藥總量90%以上[1]。目前，我國現(xiàn)場混裝炸藥用量逐步提升，“十三五”末期有望達(dá)到工業(yè)炸藥總量的30%左右，根據(jù)國家和民爆行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，今后現(xiàn)場混裝應(yīng)用還將進(jìn)一步提升。然而當(dāng)前我國乳化炸藥現(xiàn)場混裝應(yīng)用還存在一些限制，許多現(xiàn)場混裝設(shè)備仍以中低溫化學(xué)敏化為主，使用50 ℃以下的乳膠基質(zhì)進(jìn)行裝藥，由于中低溫敏化反應(yīng)較慢，環(huán)境溫度對敏化過程影響較大，在北方地區(qū)或冬季露天作業(yè)中，炸藥自身溫度下降很快，會導(dǎo)致敏化反應(yīng)緩慢或停止，存在敏化過程較難控制、炸藥質(zhì)量不穩(wěn)定等一系列問題[2]。此外，采用中低溫敏化，乳膠基質(zhì)生產(chǎn)過程還需要進(jìn)行冷卻工序，增大了能耗和危險性。因此，進(jìn)行高溫乳膠基質(zhì)現(xiàn)場混裝工藝技術(shù)研究，提升現(xiàn)場混裝生產(chǎn)效率與本質(zhì)安全化水平具有重要意義。

北京礦冶研究總院作為國內(nèi)最早開展乳化炸藥和現(xiàn)場混裝技術(shù)與裝備研究的機(jī)構(gòu)之一，研發(fā)了多代乳化炸藥現(xiàn)場混裝地面站、以及BCJ系列露天、地下混裝車等[3-4]，在行業(yè)內(nèi)具有很強(qiáng)的研發(fā)實力。為推動我國乳化炸藥現(xiàn)場混裝工業(yè)發(fā)展，不斷改進(jìn)傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，促進(jìn)乳化炸藥現(xiàn)場混裝技術(shù)裝備升級，北京北礦億博科技有限責(zé)任公司開展新一代現(xiàn)場混裝乳化炸藥高溫敏化技術(shù)與裝備研究。結(jié)合目前我國乳化炸藥生產(chǎn)工藝技術(shù)現(xiàn)狀，通過研究高溫敏化工藝技術(shù)，簡化乳膠基質(zhì)制備工序，開發(fā)適合高溫乳膠基質(zhì)的現(xiàn)場混裝技術(shù)與裝備，實現(xiàn)向高效化和本質(zhì)安全化方向發(fā)展。因此，本文以現(xiàn)場混裝乳化炸藥高溫敏化工藝技術(shù)與裝備研究為例，以期為行業(yè)提供參考。

1 高溫敏化工藝技術(shù)研究

乳化炸藥高溫敏化技術(shù)在國內(nèi)經(jīng)過了初步的探索和研究，逐漸開展了一些工業(yè)化應(yīng)用[5]。相對于傳統(tǒng)的中低溫敏化，省卻了乳膠基質(zhì)的冷卻工序，大幅降低了生產(chǎn)線設(shè)備投資和能耗；同時高溫敏化反應(yīng)速度更快，基質(zhì)黏度低、流動性好、便于現(xiàn)場混裝裝藥，提高了現(xiàn)場混裝生產(chǎn)效率，具有明顯的優(yōu)勢。然而高溫敏化相對中低溫敏化反應(yīng)更快，影響因素較多，且敏感性更高，產(chǎn)品質(zhì)量可靠穩(wěn)定性和高溫敏化工藝控制技術(shù)還有待提高，嚴(yán)重影響了高溫敏化技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。因此，本文針對高溫敏化工藝，對敏化液濃度、添加量、基質(zhì)溫度、以及敏化助劑等因素對敏化后乳化炸藥性能進(jìn)行了全面的實驗研究。

本文選用典型的敏化劑亞硝酸鈉進(jìn)行實驗研究，其在乳膠基質(zhì)中敏化反應(yīng)機(jī)理如下[6]：

NaNO2+NH4NO3→NaNO3+NH4NO2

NH4NO2→N2↑+2H2O

敏化反應(yīng)產(chǎn)生的氣體以微小氣泡的形式均勻分布于乳膠基質(zhì)內(nèi)，在點火起爆能量激發(fā)下微小氣泡空間被絕熱壓縮，引發(fā)熱點連鎖反應(yīng)從而傳爆。因此，敏化反應(yīng)產(chǎn)生的微小氣泡在乳膠基質(zhì)內(nèi)的數(shù)量和分布等參數(shù)對乳化炸藥爆轟性能具有重要影響。由于敏化后的乳膠基質(zhì)內(nèi)部存在氣泡導(dǎo)致密度發(fā)生變化，并且敏化產(chǎn)生氣泡的數(shù)量和大小等參數(shù)均會改變密度，在本文實驗研究中用敏化后乳膠基質(zhì)密度來表征敏化效果指標(biāo)[7]。

1.1 敏化液濃度影響研究

敏化液濃度對敏化過程反應(yīng)特性具有重要影響，為研究敏化液濃度對乳膠基質(zhì)敏化過程影響，設(shè)計實驗進(jìn)行研究。選擇初始溫度75 ℃乳膠基質(zhì)，控制加入敏化液總量一定時，改變敏化液濃度和加入當(dāng)量，研究敏化液濃度對敏化效果的影響，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)用1∶8高濃度敏化液具有較好的敏化效果，如表1所示。

表1 不同敏化劑加入濃度效果對比

2.2 敏化液量影響研究

敏化液添加總量直接影響乳膠基質(zhì)中敏化反應(yīng)產(chǎn)生微小氣泡的數(shù)量，并且導(dǎo)致后效延長。乳膠基質(zhì)中氣泡的數(shù)量超出一定程度，將使氣泡之間發(fā)生聚集，導(dǎo)致出現(xiàn)破乳的情況。因此，選用濃度為1∶8的敏化液，改變敏化劑添加量，研究其對乳化炸藥敏化效果影響，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)0.8%的最優(yōu)敏化液添加量，實驗結(jié)果如表2所示。

表2 敏化液添加量對敏化效果的影響

2.3 敏化溫度影響研究

乳膠基質(zhì)溫度是敏化反應(yīng)過程重要的工藝參數(shù)，溫度參量直接影響乳膠基質(zhì)黏度等性質(zhì)，改變敏化摻混度；另一方面，溫度對敏化過程化學(xué)反應(yīng)速率具有顯著影響。在現(xiàn)場混裝應(yīng)用中，實際環(huán)境工況復(fù)雜，乳膠基質(zhì)溫度變化幅度較大，因此，為有效提高現(xiàn)場混裝乳化炸藥應(yīng)用效果，研究不同溫度范圍內(nèi)乳化炸藥的敏化效果。根據(jù)以上研究結(jié)果，控制敏化液的濃度為1∶8、添加量為0.8%，研究75～90 ℃高溫范圍內(nèi)乳化基質(zhì)的敏化效果，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場混裝乳化炸藥最高敏化溫度不宜超過85 ℃，此時敏化效果較好(表3)。

表3 不同溫度條件下敏化效果對比

2.4 敏化助劑影響研究

敏化助劑是一類敏化反應(yīng)調(diào)節(jié)劑，通過改變化學(xué)反應(yīng)速率促進(jìn)敏化反應(yīng)進(jìn)程。在現(xiàn)場混裝復(fù)雜環(huán)境中，敏化助劑是一種重要的敏化反應(yīng)調(diào)節(jié)手段。本文選用檸檬酸作為敏化助劑，根據(jù)上述實驗研究結(jié)果，在控制敏化液濃度為1∶8、添加量為0.8%的條件下，用75 ℃高溫乳膠基質(zhì)進(jìn)行實驗，研究不同敏化助劑對乳化炸藥性能的影響(表4)，可以發(fā)現(xiàn)，敏化助劑能夠顯著提高敏化反應(yīng)進(jìn)程，并且與加入量呈正相關(guān)關(guān)系，根據(jù)此原理可以在一些特殊應(yīng)用環(huán)境下通過敏化助劑調(diào)節(jié)現(xiàn)場混裝乳化炸藥敏化。

表4 敏化助劑(檸檬酸)對敏化影響

3 高溫敏化裝備技術(shù)研究

高溫敏化技術(shù)相比于傳統(tǒng)中低溫敏化影響因素較多，乳膠基質(zhì)黏度、輸送流動性及化學(xué)反應(yīng)等物化性質(zhì)差異較大，工藝技術(shù)要求更嚴(yán)格[8]，因此根據(jù)上述高溫敏化工藝實驗研究結(jié)果，結(jié)合當(dāng)前中低溫敏化現(xiàn)場混裝技術(shù)與裝備現(xiàn)狀，開發(fā)出一套適用于高溫敏化工藝的乳化炸藥現(xiàn)場混裝技術(shù)與裝備，主要包括乳膠基質(zhì)地面生產(chǎn)站、及其配套的現(xiàn)場混裝車兩個方面。在地面站生產(chǎn)過程中取消了冷卻工序，高溫乳膠基質(zhì)直接輸入混裝車儲罐內(nèi)，其中敏化劑和潤滑劑溶液在地面站配制后分別輸入混裝車儲罐。各物料通過混裝車裝載至爆破現(xiàn)場進(jìn)行敏化，在潤滑劑的水環(huán)減阻下輸入炮孔，完成爆破作業(yè)。生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 高溫敏化現(xiàn)場混裝工藝流程圖Fig.1 The flow chart of high temperature sensitization in site mixed emulsion explosive

其中，為適應(yīng)現(xiàn)場混裝高溫敏化工藝技術(shù)，北礦億博公司在傳統(tǒng)中低溫混裝車的基礎(chǔ)上改進(jìn)研發(fā)了BCJ-3H型高溫乳化炸藥現(xiàn)場混裝車。將敏化單元從輸藥管末端前移到基質(zhì)泵出口處，高溫基質(zhì)與敏化液在靜態(tài)混合單元內(nèi)充分混合，快速敏化。通過研究前端敏化引入惰性潤滑液作為乳化炸藥輸送的“潤滑劑”，并進(jìn)行了實驗研究潤滑液添加量對輸送壓力的影響，實驗結(jié)果如表5所示，得到潤滑液最優(yōu)添加比例1.5%～2%時效果最好，管路壓力0.2～0.4 MPa，本質(zhì)安全性高。

表5 潤滑液添加量與輸送壓力間的關(guān)系

4 工業(yè)化應(yīng)用試驗

高溫乳化炸藥現(xiàn)場混裝技術(shù)及裝備研制成功后，在易普力公司重慶地區(qū)、內(nèi)蒙古太平礦業(yè)、包鋼白云鄂博礦區(qū)、白音華礦區(qū)等地，對高溫乳化炸藥現(xiàn)場混裝技術(shù)與裝備進(jìn)行了工業(yè)化試驗生產(chǎn)，取得了較好的應(yīng)用效果。如圖2所示是在包鋼白云鄂博礦區(qū)應(yīng)用現(xiàn)場，白云鄂博礦區(qū)地質(zhì)斷裂發(fā)育嚴(yán)重，富含鐵、鈮及稀土礦等，地質(zhì)條件復(fù)雜，地處我國內(nèi)蒙北方，冬季寒冷氣候多變，爆破條件復(fù)雜，采用高溫敏化現(xiàn)場混裝車混制的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)過程安全可靠，對現(xiàn)場混裝乳化炸藥進(jìn)行了爆速性能測試如表6所示，并取得了國家煤安產(chǎn)品檢驗中心出具的檢驗合格報告和用戶的一致認(rèn)可。高溫乳化炸藥現(xiàn)場混裝技術(shù)安全穩(wěn)定生產(chǎn)累計達(dá)到3萬余噸，該技術(shù)簡化生產(chǎn)工序提高了生產(chǎn)效率，降低了單位能耗和產(chǎn)線投資，實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。

圖2 高溫乳化炸藥現(xiàn)場混裝車(包鋼白云鄂博礦區(qū))Fig.2 The high temperature emulsion explosive field mixed loading vehicle

表6 現(xiàn)場混裝高溫乳化炸藥性能

5 結(jié)論

本項目的研究與應(yīng)用，補(bǔ)充和完善了乳化炸藥現(xiàn)場混裝高溫敏化生產(chǎn)工藝技術(shù)，對系統(tǒng)裝置進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，極大提高了高溫乳化炸藥現(xiàn)場混裝技術(shù)及裝備推廣應(yīng)用。主要結(jié)論如下：

1)本項目研發(fā)的高溫敏化工藝技術(shù)，分別從敏化劑濃度、添加量、敏化溫度及敏化助劑添加量四個方面進(jìn)行了實驗研究，得到了敏化液濃度1∶8，添加量0.8%，敏化溫度為75～85 ℃，敏化助劑添加量0.03%的最優(yōu)工藝參數(shù)。

2)本項目研發(fā)的高溫敏化現(xiàn)場混裝生產(chǎn)系統(tǒng)與裝置，取消了地面站冷卻工序，改進(jìn)了混裝車敏化與減阻裝置，提高了生產(chǎn)效率和本質(zhì)安全化水平。

3)本項目研發(fā)的高溫敏化乳化炸藥現(xiàn)場混裝技術(shù)與裝備，解決了常規(guī)中低溫敏化技術(shù)的不足，經(jīng)過工業(yè)化試驗，產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)效益顯著。