乳化炸藥敏化技術(shù)的應(yīng)用

盧開(kāi)群(廣東宏大羅化民爆有限公司，廣東 云浮 527300)

0 引言

乳化炸藥具有良好的抗水性、爆炸性能、安全性能，已經(jīng)成為我國(guó)工業(yè)炸藥的主導(dǎo)產(chǎn)品，在乳化炸藥生產(chǎn)過(guò)程中，將一定比例的氧化劑(水相溶液)、可燃劑(油相溶液)混合后經(jīng)乳化機(jī)高速攪拌、剪切后形成了W/0型結(jié)構(gòu)的乳膠基質(zhì)。乳膠基質(zhì)密度一般在1.35～1.40 g/cm3左右，基本不具備雷管感度，而要使乳膠基質(zhì)變成具有雷管感度的炸藥，就要把大量微小的氣泡摻到乳化基質(zhì)中去，并使摻進(jìn)去的氣泡均勻的分布在乳膠基質(zhì)中，在起爆時(shí)微小氣泡受外界能量作用下，被絕熱壓縮，在極短的時(shí)間內(nèi)溫度快速升高到400 ℃以上，從而快速的激發(fā)乳化炸藥發(fā)生爆炸。

敏化技術(shù)對(duì)炸藥性能起到一個(gè)關(guān)鍵作用，敏化的效果直接影響其爆轟性能和儲(chǔ)存穩(wěn)定性，在現(xiàn)行的民爆行業(yè)中廣泛推廣應(yīng)用化學(xué)、物理敏化技術(shù)。本人從事乳化炸藥生產(chǎn)工藝技術(shù)工作多年，現(xiàn)結(jié)合工作實(shí)際情況和積累的一些個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，與業(yè)界同仁交流和探討各種敏化技術(shù)的利與弊。

1 化學(xué)敏化方式

純化學(xué)敏化技術(shù)具有成本低、使用簡(jiǎn)便、敏化劑用量低的優(yōu)勢(shì)，而受到國(guó)內(nèi)民爆行業(yè)的青睞，目前我國(guó)采用的發(fā)泡劑有無(wú)機(jī)、有機(jī)兩個(gè)種類(lèi)，主要為以亞硝酸鈉和H發(fā)泡劑的兩種方法。

(1)H發(fā)泡劑是一種常見(jiàn)的工業(yè)化學(xué)發(fā)泡劑，其分解溫度較高，通常在185～200 ℃，發(fā)氣量大，通常可達(dá)到190～200 mL/g。由于它具有易分散、發(fā)氣量大、發(fā)泡效率高等特點(diǎn)，常用于制造海綿橡膠，在塑料中多用于聚氯乙烯。但該發(fā)泡劑的缺點(diǎn)是分解溫度高，且分解放出甲醛等難聞氣體，現(xiàn)行工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常使用水楊酸、己二酸、鄰苯二甲酸等有機(jī)酸或尿素作發(fā)泡助劑，以降低分解溫度，增加發(fā)氣量，調(diào)節(jié)溫度在90～130 ℃的范圍內(nèi)，發(fā)氣量可達(dá)260～270 mL/g，并可緩解難聞氣味。該品對(duì)皮膚及粘膜有中等刺激性，當(dāng)含有1%以上甲醛時(shí)有劇毒，生產(chǎn)過(guò)程要注意防爆，因此在民爆行業(yè)采用此發(fā)泡劑的較少。

(2)在民爆行業(yè)生產(chǎn)中最常用的發(fā)泡劑是無(wú)機(jī)鹽亞硝酸鈉，其在弱酸性的條件下就可以發(fā)生反應(yīng)，從而生成氮?dú)獾臍怏w，乳化基質(zhì)是弱酸性物質(zhì)，pH值一般在4.0～5.5之間，敏化作用機(jī)理為亞硝酸鈉在酸性條件下，遇炸藥中的游離硝酸銨生成不穩(wěn)定、易分解的亞硝酸銨，亞硝酸銨再分解為氮?dú)夂退?。在乳膠基質(zhì)中經(jīng)充分混合后即可得到分布均勻、細(xì)微的敏化氣泡，從而對(duì)乳化炸藥基質(zhì)進(jìn)行敏化，其發(fā)泡反應(yīng)過(guò)程機(jī)理如下：

但這種反應(yīng)過(guò)慢，為了改變這種反應(yīng)過(guò)慢的狀態(tài)，要使其在低溫的情況下也能生成大量氣泡，并加速氣泡生成，一般在亞硝酸鈉發(fā)泡劑加入的同時(shí)添加一定量的無(wú)機(jī)酸(磷酸)、尿素等促進(jìn)劑，以加速亞硝酸鈉的反應(yīng)，從而促進(jìn)敏化氣泡的形成與均布，這種方法的好處就是發(fā)泡劑的效果較好。在這里稱(chēng)發(fā)泡劑為A劑(亞硝酸鈉溶液)，密度約為1.18 g/cm3左右，促進(jìn)劑為B劑(磷酸溶液)，密度約1.10 g/cm3左右，A劑加入量為炸藥量的2.6±0.2 L/t/h(根據(jù)炸藥密度大小可適當(dāng)增減加入量)，B劑加入量一般為A劑的0.9～1.2倍(可根據(jù)炸藥發(fā)泡快慢適當(dāng)增減)，一般加入量為炸藥量的2.7±0.2 L/t/h。敏化機(jī)出口密度約在1.24±0.03 g/cm3左右。化學(xué)敏化-發(fā)泡劑加入量對(duì)炸藥性能的影響，如表1所示。

表1 化學(xué)敏化-發(fā)泡劑加入量對(duì)炸藥性能的影響

生成氣泡的量由發(fā)泡劑的量決定，因此，發(fā)泡劑的量一般是固定的，促進(jìn)劑的量除了影響生成氣泡的大小之外，還決定生產(chǎn)氣泡的速度，炸藥的敏化密度直接是受氣泡量和大小影響的，生產(chǎn)過(guò)程中若發(fā)泡速度過(guò)慢，可適當(dāng)增加促進(jìn)劑量或適當(dāng)提高敏化溫度；若發(fā)泡速度過(guò)快，應(yīng)適當(dāng)減少促進(jìn)劑量或適當(dāng)控制敏化溫度；若乳膠基質(zhì)敏化效果不好或炸藥密度偏大，就要考慮發(fā)泡劑的量是否足夠或敏化溫度適用[1]。

目前，采用化學(xué)敏化工藝的乳化炸藥能得到較好的爆炸性能，但對(duì)中低溫化學(xué)敏化工藝，由于發(fā)泡速度相對(duì)較慢，整體發(fā)泡時(shí)間夏天需要3～4 h，冬天則需要5～8 h，存在后效及藥態(tài)過(guò)軟，不適用紙塑袋包裝。因化學(xué)敏化極易受環(huán)境變化、溫度變化、敏化機(jī)轉(zhuǎn)速及膠體機(jī)內(nèi)停留時(shí)間、乳化油膜強(qiáng)度影響而導(dǎo)致發(fā)泡速率變化，通常低溫環(huán)境下普遍存在發(fā)泡過(guò)程難控制等問(wèn)題，致使低溫環(huán)境下的炸藥質(zhì)量不穩(wěn)定、性能難保證。因此應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況定時(shí)抽檢炸藥密度，并根據(jù)密度的變化及時(shí)調(diào)整發(fā)泡劑的加入量。

據(jù)長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐統(tǒng)計(jì)，如敏化溫度增高，產(chǎn)品爆炸性能衰減增快，這主要是因?yàn)闇囟仍龈?，乳化基質(zhì)黏度降低，固泡能力下降，同時(shí)溫度增高也使敏化產(chǎn)氣反應(yīng)速度加快，使敏化氣泡直徑偏大而形成無(wú)效的氣泡。然而當(dāng)生產(chǎn)和儲(chǔ)存的環(huán)境溫度比較低時(shí)，炸藥自身溫度下降較快，會(huì)導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)變得緩慢或不再發(fā)生反應(yīng)，在儲(chǔ)存時(shí)，顯露在四周及與地面接觸的成品炸藥的發(fā)泡效果與中間堆垛的差別明顯，經(jīng)測(cè)試性能明顯低下，也有可能出現(xiàn)拒爆的現(xiàn)象。

2 物理敏化方式

物理敏化一般采用空心玻璃微球或珍珠巖顆粒作為乳化炸藥敏化劑。

2.1 空心玻璃微球的敏化方式

空心玻璃微球是鈉硼硅酸鹽材料經(jīng)特殊工藝制成的小顆粒，其粒度一般在20～180 gm、壁厚一般在1～2 gm范圍，空心玻璃微球是封閉的，表面經(jīng)過(guò)了特殊處理，能夠長(zhǎng)期將氣體穩(wěn)定地保持于基質(zhì)里，質(zhì)地較輕且導(dǎo)熱點(diǎn)較低，且強(qiáng)度與化學(xué)穩(wěn)定性也相對(duì)較高，具有親油和憎水性，與乳膠基質(zhì)反應(yīng)效果良好，儲(chǔ)存期穩(wěn)定性強(qiáng)，使用空心玻璃微球敏化用量少，但卻能對(duì)爆炸性能有明顯的改善，如果采用其作為乳化炸藥的敏化劑較為理想，但是成本太高也制約了其使用的廣泛程度[2]。

2.2 膨脹珍珠巖的敏化方式

膨脹珍珠巖是一種白色(灰白色)多孔、均勻顆粒，它由酸性火山玻璃質(zhì)熔巖經(jīng)過(guò)破碎、高溫焙燒而成，它自身夾帶氣泡，基本不受外界影響，生產(chǎn)的產(chǎn)品無(wú)存在后效；加入量一般為2.3%～3.0%，加入量一般要根據(jù)采用的制藥技術(shù)和裝藥機(jī)的型號(hào)、裝藥后的密度來(lái)調(diào)整，采用珍珠巖敏化的炸藥藥體硬度理想，藥態(tài)成形好、易裝藥，如采用紙塑袋包裝技術(shù)特別適合選用此敏化方式；敏化氣泡抗壓性能好，所以該敏化方式的應(yīng)用范圍也比較廣。

珍珠巖的質(zhì)量可直接影響敏化效果及炸藥性能，因此采購(gòu)時(shí)需重視珍珠巖的質(zhì)量。容重(堆積密度)與顆粒度是衡量珍珠巖質(zhì)量的兩項(xiàng)重要參數(shù)，容重和珍珠巖的粒度密切相關(guān)。如果容重相同，但顆粒度不同，這對(duì)炸藥的爆炸性能也是有所影響的，如果珍珠巖容重在一定范圍增加，它的有效利用率、炸藥的性能都有所增加，一般容重在(50～65 kg/m3)、顆粒度在(20～80目)之間≥80%較好。珍珠巖容重如果過(guò)大，則有效的氣泡和顆粒度將會(huì)減少，導(dǎo)致炸藥的穩(wěn)定性下降，在長(zhǎng)期存儲(chǔ)方面性能降低；如果容重過(guò)小，在混合摻雜過(guò)程中無(wú)法有效抵抗破碎力，敏化效果達(dá)不到預(yù)期。在相同粒度組成的珍珠巖中，容重較大則爆轟性能和利用率也可以更好。物理敏化—珍珠巖加入量對(duì)炸藥性能的影響，如表2所示。

表2 物理敏化—珍珠巖加入量對(duì)炸藥性能的影響

敏化時(shí)要掌握好乳膠基質(zhì)的溫度，因?yàn)闇囟葘?duì)乳膠體流動(dòng)性的影響比較大，膠體在溫度低的時(shí)候變稠、變硬，不容易摻混，并且影響利用率、爆轟性能及貯存期；相反的，乳膠基質(zhì)在溫度太高的時(shí)候油膜還不太穩(wěn)定，膠體摻入珍珠巖顆粒內(nèi)堵塞珍珠巖孔，使其喪失敏化作用，因此適宜的敏化溫度是50～55 ℃?？赏ㄟ^(guò)檢測(cè)敏化后半成品密度來(lái)判斷珍珠巖失去敏化作用，敏化后半成品的密度正常在1.05～1.15 g/m3范圍，如果密度低于最低范圍，則應(yīng)適當(dāng)提高敏化溫度，如果超出最高范圍則已經(jīng)存在堵孔現(xiàn)象，或珍珠巖的加入量過(guò)少，應(yīng)適當(dāng)降低敏化溫度或增加珍珠巖加入量[3]。

因珍珠巖松散體積大、易吸潮、運(yùn)輸費(fèi)用大；對(duì)環(huán)境有粉塵污染，對(duì)操作者身體有危害，生產(chǎn)時(shí)會(huì)對(duì)設(shè)備造成一定的磨損，且原材料成本比化學(xué)敏化高等缺點(diǎn)，采用時(shí)需要綜合的考慮。

3 復(fù)合敏化方式

炸藥的銷(xiāo)售雖然受到一定管控，但其價(jià)格也受市場(chǎng)行情影響，而生產(chǎn)成本控制、工藝技術(shù)的優(yōu)化則是生產(chǎn)廠家比較關(guān)注的問(wèn)題，同時(shí)也是決定炸藥性能的重要因素，由此如何選擇成本低、性能更佳的敏化工藝，也是廠家需要考慮的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)分析，不同的敏化方式制造出的乳化炸藥都有其特點(diǎn)，如：純化學(xué)敏化工藝生產(chǎn)的炸藥，爆炸性能最佳，但是藥態(tài)較軟，易受環(huán)境的影響，生產(chǎn)和存儲(chǔ)過(guò)程中不易受控，且存在較為明顯的后效；膨脹珍珠巖敏化工藝生產(chǎn)的炸藥藥態(tài)較佳，但生產(chǎn)過(guò)程中存在較多的負(fù)面效應(yīng)(污染、易造成設(shè)備磨損、生產(chǎn)成本高)，且爆炸性能相對(duì)較低。

而采用化學(xué)與物理復(fù)合的敏化方式，可克服單一物理或單一化學(xué)敏化的缺點(diǎn)，并且可以提高乳化炸藥的各項(xiàng)性能，而且藥態(tài)比化學(xué)敏化時(shí)較有明顯的好轉(zhuǎn)，為優(yōu)化敏化工藝，權(quán)衡利弊，我公司目前正在研究復(fù)合敏化生產(chǎn)工藝，其中化學(xué)發(fā)泡劑加量(A劑)為0.15%～0.18%，促進(jìn)劑(B劑)加入量為0.14%～0.19%，珍珠巖加入量為 1.0%～1.5%，生產(chǎn)時(shí)可視氣候溫度、藥卷密度、藥態(tài)軟硬程度對(duì)敏化劑量進(jìn)行微調(diào)，在敏化劑配方調(diào)整時(shí)南方和北方氣候相差較大，因此加入的量也不盡相同，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的摸索、試驗(yàn)，結(jié)果較為理想，如表3所示。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看復(fù)合敏化(膨脹珍珠巖+化學(xué)發(fā)泡劑)后，乳化炸藥貯存穩(wěn)定性更優(yōu)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，存在的后效可以接受，藥態(tài)更適合用戶(hù)要求。

表3 復(fù)合敏化—敏化劑加入量對(duì)炸藥性能的影響

4 結(jié)語(yǔ)

不同的敏化工藝都存在優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，化學(xué)敏化方式雖然簡(jiǎn)單、成本低，但受溫度和后效影響，近年來(lái)，開(kāi)始推廣紙塑袋包裝技術(shù)，因純化學(xué)敏化方式的炸藥藥態(tài)軟、存在后效，因此不適用于該技術(shù)的包裝，較多的生產(chǎn)廠家選擇珍珠巖物理敏化工藝進(jìn)行生產(chǎn)，導(dǎo)致了炸藥生產(chǎn)成本增高，且物理敏化工藝所帶來(lái)的污染較大，并且產(chǎn)品的爆炸性能也受一定的抑制，在生產(chǎn)過(guò)程中需承受潛在的職業(yè)病風(fēng)險(xiǎn)，此外，由于珍珠巖的硬度較高，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備磨損加重，結(jié)合種種分析，因此本人認(rèn)為采用物理化學(xué)復(fù)合敏化工藝值得民爆行業(yè)研究和推廣。