改進(jìn)型多孔粒狀銨油炸藥生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)

牛 斌,李仕洪

(甘肅久聯(lián)民爆器材有限公司,蘭州 730030)

多孔粒狀銨油炸藥是由多孔粒狀硝酸銨與柴油利用現(xiàn)場(chǎng)混裝技術(shù)簡(jiǎn)單混合而得的一種工業(yè)炸藥，具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、使用安全、流散性好、易裝填等特點(diǎn)，廣泛用于無(wú)水條件下的露天大爆破工程，是民爆行業(yè)鼓勵(lì)發(fā)展的一個(gè)工業(yè)炸藥品種。但是，多孔粒狀銨油炸藥也具有爆炸性能低、儲(chǔ)存時(shí)間短、不防水等缺點(diǎn)，行業(yè)學(xué)者和工作人員也做了大量的工作以改善其性能，比如：有加入竹炭粉以改進(jìn)多孔粒狀銨油炸藥的爆炸性能[1]；采用白油代替柴油增加油相材料與多孔粒結(jié)合程度，或加入含有乳化劑的復(fù)合油相外加微量添加劑，從而延長(zhǎng)多孔粒狀銨油炸藥保質(zhì)期[2-3]；采用復(fù)合油相并加入定型劑、黏稠劑、能量促進(jìn)劑等混合制備特殊用途的黏稠性多孔粒狀銨油炸藥[4]；加入交聯(lián)劑和表面活性劑以提高炸藥的抗水性[5]；采用生物燃油替代柴油利于保護(hù)環(huán)境[6]；以基礎(chǔ)油或基礎(chǔ)油與抗氧化劑的混合物為油相材料替代柴油，提高炸藥的爆轟感度，并能夠在高溫環(huán)境中使用[7]；利用廢棄食用油脂與輕柴油混合使用變廢為寶、降低產(chǎn)品成本[8]；在炸藥中加入木粉提高炸藥性能、降低產(chǎn)品成本等。這些技術(shù)均不同程度地改善了多孔粒狀銨油炸藥的性能，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

但是，上述措施方案均局限于材料上的調(diào)整和變化，制造工藝仍然以現(xiàn)場(chǎng)混裝車(chē)和地面站簡(jiǎn)易設(shè)備混拌為主，產(chǎn)品性能得不到根本性改變。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種新的生產(chǎn)技術(shù)方案，進(jìn)一步解決多孔粒狀銨油炸藥產(chǎn)品爆炸性能不佳的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)多孔粒狀銨油炸藥生產(chǎn)配方多元化、系列化，產(chǎn)品爆炸性能基本達(dá)到粉狀改性銨油炸藥的質(zhì)量水平。

1 工藝方案設(shè)計(jì)

1.1 工藝原理

將多孔粒狀硝酸銨加熱后再進(jìn)行混油以提高其混勻度，以蠟系物為主的復(fù)合油相加入少量表面活性劑材料替代單一的柴油以提高銨油炸藥的穩(wěn)定性，加入木粉或稻糠調(diào)整炸藥的感度和密度并降低產(chǎn)品成本，選用兼具混拌、碾壓和涼藥功能的設(shè)備進(jìn)行混藥，提高炸藥的混勻度，改變炸藥的物理狀態(tài)，形成半顆粒半粉狀的多孔粒狀銨油炸藥，從而提高炸藥的綜合爆炸性能。

1.2 工藝流程簡(jiǎn)述

將備好的多孔粒狀硝酸銨定量輸送到高效升溫干燥機(jī)內(nèi)，加熱到80 ℃后進(jìn)入混油螺旋，配好備用的復(fù)合油相通過(guò)計(jì)量泵送到混油螺旋霧化后與多孔粒狀硝酸銨進(jìn)行混合；銨油混合物流入空心槳葉混涼藥機(jī)內(nèi)，加入定量輸入的木粉/稻糠進(jìn)行連續(xù)混藥涼藥，待藥溫降至45 ℃后進(jìn)入裝藥回轉(zhuǎn)螺旋，采用全自動(dòng)大包裝藥機(jī)進(jìn)行裝藥包裝，成品通過(guò)在線(xiàn)檢測(cè)后經(jīng)皮帶輸送到中轉(zhuǎn)裝車(chē)站臺(tái)，機(jī)器人自動(dòng)裝車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)入庫(kù)，改進(jìn)型多孔粒狀銨油炸藥生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

1.3 工藝設(shè)備選型與配置

本工藝加熱設(shè)備擬選JGS高效升溫干燥機(jī)(見(jiàn)圖2)，該設(shè)備采用限壓蒸汽加熱，能耗低，升溫效果好，熱交換效率高，盤(pán)面溫度與蒸汽溫度相差不到±5 ℃，料溫與盤(pán)面溫度相差小于10 ℃。JGS高效干燥升溫機(jī)主要由大小干燥盤(pán)、耙臂、耙葉、主軸、傳動(dòng)裝置和保溫筒體組成。大干燥盤(pán)和小干燥盤(pán)交替排列，每個(gè)盤(pán)上方有一個(gè)十字耙臂，耙臂固定在主軸上，耙臂上裝有若干可調(diào)的耙葉。干燥盤(pán)是空心的，夾層通蒸汽，蒸汽壓力控制在0.40 MPa，盤(pán)面溫度為(95±5) ℃。運(yùn)行時(shí)軸及十字耙臂由調(diào)速電機(jī)通過(guò)減速機(jī)帶動(dòng)而緩慢旋轉(zhuǎn)，耙葉則在盤(pán)面上移動(dòng)。多孔粒狀硝酸銨經(jīng)定量螺旋連續(xù)地加到JGS上部第一層小干燥盤(pán)靠?jī)?nèi)緣盤(pán)面上，耙臂隨主軸作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)耙葉連續(xù)地翻炒物料。物料沿指數(shù)螺旋線(xiàn)流過(guò)干燥盤(pán)表面，在小干燥盤(pán)外緣落到正下方的大干燥盤(pán)外緣，在大干燥盤(pán)上物料向里移動(dòng)，并從中間落料口落入下一層小干燥盤(pán)中，物料自上而下通過(guò)所有的干燥盤(pán)。干燥后的物料從最后一層干燥盤(pán)落到殼體的底層，被耙葉移送到出料口排出。水分從硝酸銨中逸出后，由設(shè)在頂蓋上的尾氣出口管道排出工房室外。

混涼藥設(shè)備選用廣泛用于粉狀炸藥生產(chǎn)線(xiàn)上的空心槳葉混涼藥機(jī)(見(jiàn)圖3)，由于其螺旋葉片為斧頭狀犬牙交錯(cuò)，對(duì)輥混藥時(shí)具有較好的碾壓功能，將多孔粒狀硝酸銨部分碾壓成粉狀，混合效果良好；由于螺旋葉片、螺旋軸以及夾套均通冷卻水，具有良好的涼藥效果?；煊驮O(shè)備選用普通雙軸混藥螺旋，便于油垢的清理，混涼藥機(jī)之間采用空心槳葉單軸夾套螺旋連接?；鞗鏊帣C(jī)及輸送螺旋在民爆行業(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛，其工作原理簡(jiǎn)單，不再贅述。生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備配置如表1所示。

表1 多孔粒狀銨油炸藥生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備配置

2 配方設(shè)計(jì)與性能測(cè)試結(jié)果

理論和實(shí)踐證明，當(dāng)油相質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4.5%～5%時(shí)，炸藥的威力和猛度性能最好，當(dāng)油相質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6%時(shí)，炸藥的爆速最高，當(dāng)油相質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%時(shí)炸藥基本沒(méi)有雷管感度，油相質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.5%左右時(shí)，炸藥的感度最高[9]。本工藝使用的復(fù)合油相采用液混式膨化硝銨炸藥或改性銨油炸藥通用的一體化復(fù)合油相，另外加入少量的表面活性劑，其氧平衡值約為-3.433，與柴油-3.428很接近，且化學(xué)性質(zhì)相近，因此在配方設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮各種性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)因素，按照零氧平衡原則，并參考傳統(tǒng)銨油炸藥配方設(shè)計(jì)了3種配方(見(jiàn)表2)，利用價(jià)格低廉的木粉或稻糠來(lái)調(diào)節(jié)炸藥的綜合性能和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，還可以根據(jù)不同的地質(zhì)情況設(shè)計(jì)生產(chǎn)其他的配方，調(diào)整油相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.0%～5.5%之間，再用木粉配平氧平衡，實(shí)現(xiàn)配方系列化。該工藝也能生產(chǎn)其他特殊要求的產(chǎn)品。

表2 改進(jìn)型多孔粒狀銨油炸藥配方

筆者在實(shí)驗(yàn)室模擬工藝技術(shù)條件進(jìn)行試驗(yàn)，在燒瓶中將多孔粒狀硝酸銨加熱到80 ℃，然后加入熔化后的復(fù)合油相進(jìn)行銨油混合，混勻后的銨油混合物倒入庫(kù)研缽中進(jìn)行研磨混拌稻糠，使多孔粒狀硝酸銨破碎粉化率達(dá)50%以上，使炸藥細(xì)度達(dá)到50%過(guò)40目篩，當(dāng)料溫降至45 ℃以下時(shí)，取樣進(jìn)行性能檢測(cè)，結(jié)果如表3所示。在內(nèi)覆膜編織袋中扎袋存放，改進(jìn)型1#多孔粒狀銨油炸藥儲(chǔ)存性能如表4所示。

表3 銨油炸藥爆炸性能對(duì)比

表4 改進(jìn)型1#多孔粒狀銨油炸藥儲(chǔ)存性能

由表3可以看出，改進(jìn)型多孔粒狀銨油炸藥各項(xiàng)爆炸性能略低于粉狀改性銨油炸藥。由表4可以看出，改進(jìn)型多孔粒狀銨油炸藥儲(chǔ)存90 d性能無(wú)明顯變化，120 d后有明顯衰減，180 d以后仍然能夠達(dá)到工業(yè)炸藥通用技術(shù)條件二號(hào)巖石炸藥標(biāo)準(zhǔn)水平。

3 少人化無(wú)人化設(shè)計(jì)

3.1 材料配送與加料

炸藥生產(chǎn)線(xiàn)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、無(wú)人化生產(chǎn)，必須要解決材料配送與添加的問(wèn)題[10]。

作為主要材料多孔粒狀硝酸銨優(yōu)先考慮使用散裝產(chǎn)品，在工房外合適位置建設(shè)一個(gè)低位料倉(cāng)，以便于散裝槽車(chē)卸料，料倉(cāng)的容量能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)能一天的用量，然后通過(guò)自吸式風(fēng)送系統(tǒng)輸送到生產(chǎn)線(xiàn)硝酸銨緩存料倉(cāng)，通過(guò)緩存料倉(cāng)的料位計(jì)控制輸送系統(tǒng)的啟/停，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程無(wú)人加料。當(dāng)主料倉(cāng)與緩存料倉(cāng)距離較近時(shí)，也可采用管式螺旋進(jìn)行物料輸送。如果沒(méi)有散裝多孔粒狀硝酸銨，則使用噸袋包裝產(chǎn)品提前備料(見(jiàn)圖4)，在開(kāi)班前用電瓶叉車(chē)將噸包多孔粒狀硝酸銨送到專(zhuān)用卸料機(jī)架上自動(dòng)破袋卸入低位料倉(cāng)備用。當(dāng)?shù)匦螚l件不具備時(shí)，可采用管式提升螺旋將物料輸送至高位料倉(cāng)備用；地形、位置條件較好的企業(yè)也可以采用叉車(chē)配合懸掛式軌道車(chē)將噸包多孔粒狀硝酸銨從庫(kù)房輸送到工房投料位自動(dòng)破袋投料。

木粉采用移動(dòng)式料倉(cāng)與生產(chǎn)線(xiàn)緩存料倉(cāng)對(duì)接使用，兩料倉(cāng)之間可以用自吸式風(fēng)送系統(tǒng)連接，也可以用螺旋或皮帶輸送連接，通過(guò)緩存料倉(cāng)的稱(chēng)重模塊計(jì)量系統(tǒng)控制送料系統(tǒng)的啟/停，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程無(wú)人加料。

油相材料從配制中心泵送到生產(chǎn)線(xiàn)緩存罐，通過(guò)緩存罐的稱(chēng)重模塊計(jì)量系統(tǒng)預(yù)警控制泵送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程無(wú)人加料。

包裝材料實(shí)行班前備料備用。

3.2 制藥

緩存料倉(cāng)中的多孔粒狀硝酸銨通過(guò)定量螺旋連續(xù)輸送進(jìn)入JGS高效升溫干燥機(jī)中進(jìn)行干燥，干燥后的硝酸銨經(jīng)干燥機(jī)出料口落入混油雙螺旋，與此同時(shí)，配制好的油相按配方比例通過(guò)輸送系統(tǒng)中的油相泵，經(jīng)油相流量計(jì)噴灑到下落的硝酸銨中，帶有油相的多孔粒狀硝酸銨由混油雙螺旋預(yù)混合后進(jìn)入1#混涼藥機(jī)進(jìn)一步混合和碾壓，使油相材料充分滲入硝酸銨中，銨油混合物再進(jìn)入2#混涼藥機(jī)，緩存料倉(cāng)中的木粉經(jīng)定量輸送螺旋按配方比例連續(xù)進(jìn)入2#混涼藥機(jī)內(nèi)進(jìn)行連續(xù)混合、碾壓和冷卻，再經(jīng)物料輸送螺旋送入3#混涼藥機(jī)進(jìn)行混藥、碾壓和涼藥，然后經(jīng)物料輸送螺旋將炸藥提升到裝藥回轉(zhuǎn)螺旋進(jìn)行裝藥，控制裝藥溫度小于45 ℃。制藥過(guò)程實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、自動(dòng)化、無(wú)人化生產(chǎn)。

3.3 產(chǎn)品包裝與成品轉(zhuǎn)運(yùn)

炸藥產(chǎn)品包裝采用全自動(dòng)散裝大包裝藥機(jī)，該設(shè)備具有自動(dòng)上袋、自動(dòng)計(jì)量裝藥、自動(dòng)折邊縫包等功能，包裝好的成品通過(guò)在線(xiàn)檢重系統(tǒng)檢測(cè)合格后皮帶輸送到成品中轉(zhuǎn)裝車(chē)站臺(tái)，裝車(chē)機(jī)器人自動(dòng)裝車(chē)，人工駕駛轉(zhuǎn)運(yùn)入庫(kù)。從而實(shí)現(xiàn)裝藥過(guò)程少人化，裝車(chē)過(guò)程無(wú)人化生產(chǎn)模式。

3.4 自控制系統(tǒng)

改進(jìn)型多孔粒狀銨油炸藥生產(chǎn)系統(tǒng)相對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的粉狀炸藥生產(chǎn)線(xiàn)來(lái)說(shuō)，控制系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，生產(chǎn)線(xiàn)監(jiān)控室集控臺(tái)通過(guò)動(dòng)力配電回路實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟停控制，通過(guò)計(jì)算機(jī)、PLC、智能儀表、變頻器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表和傳感器的溫度、流量、壓力、料位/液位、電流等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)控制，操控電腦屏幕上可以觀察到與實(shí)際工況同步的動(dòng)態(tài)運(yùn)行畫(huà)面、儀表實(shí)時(shí)參數(shù)畫(huà)面、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表，國(guó)內(nèi)技術(shù)非常成熟，不再贅述。

4 安全性分析

作為生產(chǎn)過(guò)程中唯一需要加熱的設(shè)備JGS高效升溫干燥機(jī)采用限壓蒸汽加熱，蒸汽壓力通過(guò)減壓閥和安全閥控制小于0.4 MPa，安全系數(shù)高，設(shè)置有溫度、蒸汽壓力、電流控制和煙霧傳感器、火焰探測(cè)器及自動(dòng)雨淋滅火系統(tǒng)等安全聯(lián)鎖裝置。混油雙螺旋在運(yùn)行過(guò)程中既不通蒸汽、也不通冷卻水，處于自然降溫狀態(tài)，設(shè)置有溫度、電流控制和內(nèi)置雨淋管?；鞗鏊帣C(jī)、物料輸送螺旋、裝藥回轉(zhuǎn)螺旋均有冷卻水進(jìn)行強(qiáng)制降溫，同時(shí)設(shè)置有物料溫度、設(shè)備電流控制和內(nèi)置雨淋管安全連鎖。

全線(xiàn)設(shè)備設(shè)置有報(bào)警系統(tǒng)，報(bào)警超時(shí)則自動(dòng)停機(jī)、自動(dòng)打開(kāi)內(nèi)置雨淋系統(tǒng)，確保生產(chǎn)安全。因此，生產(chǎn)線(xiàn)本質(zhì)安全水平較高。

需要注意的是，由于生產(chǎn)線(xiàn)螺旋較多，一定要定期檢查螺旋軸密封是否完好以避免軸端串藥，定期潤(rùn)滑保養(yǎng)和更換軸承以避免軸承缺油摩擦升溫，定期清理螺旋槽體內(nèi)的藥垢以避免螺旋葉片摩擦升溫形成熱點(diǎn)發(fā)生事故。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

以1#標(biāo)準(zhǔn)配方為例，改進(jìn)型多孔粒狀銨油炸藥生產(chǎn)成本與粉狀改性銨油炸藥對(duì)比情況如表5所示。

表5 銨油炸藥生產(chǎn)成本對(duì)比

表5中材料成本只比較硝酸銨，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為92%，材料價(jià)格以2021年12月份陜西興化出廠(chǎng)含稅價(jià)格測(cè)算，其他材料相同；粉狀銨油炸藥燃動(dòng)成本按結(jié)晶硝酸銨測(cè)算；人工成本只比較車(chē)間人工制造成本，人均年收入按60 000元測(cè)算。由此可見(jiàn)，改進(jìn)型多孔粒狀銨油炸藥與同類(lèi)型的粉狀銨油炸藥、膨化硝銨炸藥同比成本要低大約85元/t。另外，改進(jìn)型多孔粒狀銨油炸藥生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，故障率低，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用低于粉狀銨油炸藥生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備；生產(chǎn)線(xiàn)制藥設(shè)備總投資只需200多萬(wàn)元，遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)其他粉狀炸藥生產(chǎn)線(xiàn)，折舊費(fèi)用低。

另外，改進(jìn)型多孔粒狀銨油炸藥堆積密度可達(dá)0.68 g/cm3以上，高于液混式膨化硝銨炸藥和改性銨油炸藥0.48 g/cm3的平均水平，能夠提高炮孔的單孔裝藥量，具有良好的單位體積做功能力，有利于降低爆破過(guò)程中的鉆孔成本。

6 結(jié)語(yǔ)

改進(jìn)型多孔粒狀銨油炸藥生產(chǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人操作、少人值守的少人無(wú)人化安全生產(chǎn)目標(biāo)，產(chǎn)品爆炸性能基本與膨化硝銨炸藥和改性銨油炸藥在同一質(zhì)量水平，兼具了多孔粒狀銨油炸藥流散性好易于裝藥的優(yōu)點(diǎn)，單位體積做功能力強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)配方多元化、系列化生產(chǎn)，能夠滿(mǎn)足不同地質(zhì)條件的使用要求。生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備裝機(jī)功率不足100 kW，能耗低，綜合成本低于液混式膨化硝銨炸藥和改性銨油炸藥，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。