熱固型澆注PBX 在靜態(tài)混合器中的流動特性★

李 昆，高立龍，陳春燕，賈憲振，牛余雷，南 海

（西安近代化學研究所，陜西 西安 710065）

澆注PBX 炸藥因其兼顧能量水平與低易損特性，且具有較好的工藝適應性、環(huán)境適應性、貯存穩(wěn)定性等，成為目前炸藥裝藥發(fā)展的重要方向。一般的澆注PBX 炸藥主要由高分子預聚物、增塑劑、金屬粉、單質炸藥、固化劑、添加劑等組成，經(jīng)過混合、澆注、固化，完成殼體裝藥。目前澆注PBX 炸藥混合主要采用單鍋法，行星式雙槳捏合機是目前國內(nèi)最成熟、應用最廣的工藝裝置[1-2]。

隨著澆注PBX 炸藥應用越來越廣泛，單鍋法混合工藝也顯示出一些不足，如固化劑加入后，藥漿存在一個適應期，必須在適應期窗口內(nèi)完成澆注裝藥，否則物料流動性變差，無法澆注；大批量生產(chǎn)時，單鍋法混合在制量大，危險等級較高。因而國內(nèi)外正在發(fā)展?jié)沧BX 炸藥連續(xù)化的混合工藝，如雙螺桿混合工藝、多腔室捏合工藝、連續(xù)化靜態(tài)混合工藝等[3-6]。

連續(xù)化靜態(tài)混合工藝的特點是，將物料的固化劑和其他組份分成兩個組份，在澆注進彈體前經(jīng)過一組靜態(tài)混合器，實現(xiàn)固化劑的均勻混合，避免了工藝適應期。靜態(tài)混合器是一種新型高效管式混合裝置，管路內(nèi)部放置有不同結構的混合單元，混合單元使得流經(jīng)管路的物料發(fā)生傳質、傳熱及反應等效果，已經(jīng)在石油、化工、制藥、污水處理等行業(yè)取得應用。不同的內(nèi)部混合單元結構，適用于不同的物料特性及混合效果[7-13]。

由于澆注PBX 炸藥藥漿是一種高固相填料高黏度物料，因而需要選擇適用于高黏度物料的靜態(tài)混合器結構作為澆注PBX 炸藥連續(xù)化混合工藝的靜態(tài)混合器。為了實現(xiàn)澆注PBX 炸藥固化劑及其他組分連續(xù)化混合均勻的要求，需要選擇適合澆注PBX 物料的混合單元類型及尺寸結構等。國內(nèi)外已經(jīng)使用流體動力學仿真技術開展了靜態(tài)混合器內(nèi)部單元結構、物料參數(shù)、工藝參數(shù)等對物料在混合器內(nèi)流場的影響分析研究，為靜態(tài)混合器優(yōu)化選型，工藝設計提供了幫助。對于澆注PBX 炸藥，歐洲含能材料公司報道了一種連續(xù)化混合工藝，使用的就是靜態(tài)混合器,但目前暫未報道相關流場分析等基礎研究內(nèi)容。本文在測量高固相高黏度物料基本流變參數(shù)及結構選型分析的基礎上，基于Fluent 流體動力學仿真，對熱固型澆注PBX 物料在SK 型靜態(tài)混合器中的流動特性進行了數(shù)學模擬分析，并結合模擬物料的混合工藝試驗，對仿真結果進行了驗證[14-16]。

1 數(shù)學模擬仿真分析

1.1 模型建立

模型為固化劑與其他物料組分共同流進一組SK型靜態(tài)混合器。SK 型混合單元結構尺寸為葉片厚度1.5 mm，葉片直徑25 mm，葉片長度50 mm，葉片扭轉角度180°，相鄰葉片夾角90°，葉片個數(shù)20 個。A 組分（其他物料）入口管道長度120 mm，直徑60 mm；B 組分（固化劑）入口管道直徑3 mm，與靜態(tài)混合器管路入口界面中心垂直。采用四面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，數(shù)學模型如下頁圖1 所示。

圖1 數(shù)學模型及網(wǎng)格劃分圖

物料參數(shù)為，A 組分（其他物料），密度1.7 g/cm3，黏度200 Pa·s；B 組份（固化劑），密度1.0 g/cm3，黏度0.02 Pa·s。A 組分流速為6 g/s，B 組分流速為0.12 g/s，A、B 組分溫度分別為300 K。

1.2 結果分析

1.2.1 壓力變化分布

下頁圖2 與圖3 所示為管路中葉片表面與中軸面壓力變化分布圖，可見葉片表面壓力變化分布與中軸面壓力變化分布趨勢基本一致，管路的壓力降最大為1.99 MPa。A、B 組分輸入端的壓力降最大，隨著管路向出口端延伸，壓力降逐漸減小。

圖2 葉片表面壓力變化分布圖

圖3 中軸面壓力變化分布圖

1.2.2 溫度變化分布

2.2.2 臨床診斷分析 136份病歷記錄的臨床診斷病種共計38種，按臨床診斷分類為20種，其中病例數(shù)最多的診斷為腎病綜合征，共89例，占總病例數(shù)的65.44%。見表1。

圖4 所示為中軸面溫度變化分布圖，從中軸面溫度變化分布可以看出，物料組份混合過程管路內(nèi)溫度無明顯變化，各部分幾乎沒有溫度差，說明在物料的混合過程中，物料在較低速度下的剪切流動，不會導致明顯的溫度變化。

圖4 中軸面溫度變化分布圖

1.2.3 B 組份濃度分布

圖5 所示為B 組分流線圖，從B 組分流線圖可以看出，B 組分進入靜態(tài)混合器后其流線呈2n 次方指數(shù)級分割，符合SK 型靜態(tài)混合器對物料的逐級剪切分散原理，最終流線分割達到1011。

圖5 B 組分流線圖

圖6 所示為B 組分混合均勻度延Z 軸方向分布曲線，隨著向靜態(tài)混合器管路出口延伸，最終B 組分的混合均勻度達到98%以上。

圖6 B 組分混合均勻度延Z 軸方向分布曲線

圖7 所示為不同葉片位置界面處B 組分濃度分布云圖，可以看出，隨著固化劑與其他組分經(jīng)過的SK型靜態(tài)混合單元數(shù)增加，B 組分逐漸趨于分散均勻。靜態(tài)混合器入口處（z=0 mm），B 組分集中在B 組分出口中心位置。到第4 個葉片出口截面處（z=200 mm），B 組分分布于界面的大部分區(qū)域，但B 組分濃度分布差較大，濃度差為1.4e。第8 個葉片出口截面處（z=400 mm），B 組分濃度分布于整個界面，但濃度差較大，為0.5e。第16 個葉片出口截面處（z=800 mm），B組分濃度分布更加均勻，濃度差降低為0.06e。第20個葉片出口截面處（z=1 000 mm），B 組分濃度分布基本區(qū)域穩(wěn)定，濃度差降低為0.02e。濃度分布差隨靜態(tài)混合單元數(shù)增加的變化趨勢與B 組分混合均勻度延Z軸方向分布曲線變化趨勢一致。

圖7 不同葉片位置截面處B 組分濃度分布云圖

2 模擬物料混合工藝試驗

2.1 組分制備

設計了模擬物料，A 組分的黏度、密度等物理參數(shù)與澆注炸藥A 組分的黏度、密度等物理參數(shù)接近，與工藝仿真中設定的物料參數(shù)接近。B 組分設計則不變。

A 組分由端羥基聚丁二烯（HTPB Ⅳ型）、己二酸二辛酯（DOA）、無水硫酸鈉（工業(yè)級）、鋁粉（FLQT-3）、聚氯乙烯粉（工業(yè)級）、氯化鈉組成。B 組分由DOA、異氟爾酮二異氰酸酯（IPDI）、三苯基鉍（TPB）組成。

2.2 物料流變特性參數(shù)測試

圖8 不同剪切速率25 ℃與60 ℃下模擬物料與PBX物料黏度

2.3 混合工藝實驗

采用設計的連續(xù)化靜態(tài)混合試驗裝置進行物料混合，混合試驗裝置的匯流處、靜態(tài)混合器管路連接部、靜態(tài)混合器出口分別布置壓力溫度傳感器，用于測定物料混合過程中的溫度及壓力。靜態(tài)混合管路出口物料狀態(tài)見圖9。

圖9 靜態(tài)混合管路出口物料狀態(tài)

A 組分與B 組分按照質量比98∶2，匯流通過一組SK 型靜態(tài)混合器，完成物料的混合工藝試驗。從靜態(tài)混合器末端，分別間隔10 min，分3 次收集混合后的物料。

通過真空澆注、固化工藝，制備成20 mm×20 mm的藥柱，用于測試抗壓強度?？箟簭姸劝碐JB772A—97方法416.1 壓縮法試驗，測試溫度均為25 ℃。

對相同配方比例組成物料采用捏合機進行混合，相同真空澆注、固化條件制備抗壓強度試驗樣品，作為對比試樣。

2.4 工藝試驗結果

2.4.1 混合過程管路壓力溫度響應

表1 為混合試驗裝置管路不同位置處區(qū)溫度、壓力測試結果與數(shù)值仿真的溫度、壓力結果對比表，可見仿真結果與試驗實測結果基本在一個數(shù)量級，壓力在靜態(tài)混合器入口出最大，隨著向出口方向延伸，壓力逐漸減小，到出口位置壓力差為接近0。而溫度測試與仿真結果均表明，混合過程中靜態(tài)混合管路內(nèi)不發(fā)生明顯的溫度變化，擠出速度較低，物料與管路摩擦導致的溫度變化可基本忽略。

表1 工藝試驗過程管路溫度壓力響應

2.4.2 混合后物料樣品性能

表2 為采用不同混合工藝制備的模擬物料的抗壓強度測試結果，可見通過連續(xù)化靜態(tài)混合工藝制備的3 組模擬物料固化后樣品抗壓強度一致性較好，偏差較小，表明采用連續(xù)化靜態(tài)混合工藝制備的物料性能一致性較好。與捏合機混合工藝制備的模擬物料樣品抗壓強度相比，基本在一個數(shù)量級，強度略大，表明靜態(tài)混合工藝制備的物料性能能夠滿足原有工藝所要求的混合效果。

表2 采用不同混合工藝制備的模擬物料的抗壓強度對比MPa

3 結論

1）連續(xù)化靜態(tài)混合流體動力學仿真結果表明，采用SK 型靜態(tài)混合器，能夠實現(xiàn)固化劑組份與藥漿的混合均勻，混合均勻度隨著混合單元數(shù)量的增加而提高；

2）靜態(tài)混合器管路的壓力差變化在入口處最大，在出口處逐漸降低；

3）物料在靜態(tài)混合器管路內(nèi)部混合時，物料基本沒有溫度變化；

4）模擬物料的連續(xù)化靜態(tài)混合試驗結果與流體動力學仿真基本一致，設計的連續(xù)化靜態(tài)混合試驗裝置能夠進行模擬物料的混合，混合效果與捏合工藝基本一致。