劉冬水,羅彥舟,郭佳甲,戴才根,謝紅衛(wèi),黃若輝

(1.江西吉安國泰特種化工有限責任公司,江西 吉安343100;2.江西國泰集團股份有限公司,江西 南昌330000)

0 引言

乳化銨油炸藥(又稱重銨油炸藥)是由乳化炸藥基質與多孔粒狀銨油炸藥混合而成的一種工業(yè)炸藥。 該炸藥具有本質安全性高、密度大、爆能高、成本低等優(yōu)點,并具有一定的抗水性能,兼?zhèn)淙榛ㄋ幒投嗫琢钿@油炸藥的技術經濟特性。 在上向孔或扇形孔裝藥時,通過氣動輸送,可較好地與炮孔貼緊粘合而不掉落,爆破耦合系數(shù)好,爆破效果及威力優(yōu)于乳化炸藥,爆破后巖石塊度均勻,可直接鏟、裝運,節(jié)約成本。 1980 年代末以來,乳化銨油炸藥在國內開始應用,以現(xiàn)場混裝車生產為主。 由于多數(shù)礦山工作作業(yè)面不大,一次爆破使用幾百千克或數(shù)噸炸藥,使用散裝大包裝乳化銨油炸藥比用現(xiàn)場混裝車方便。 目前,固定生產線相對落后,為半連續(xù)或斷續(xù)式,設備簡陋、自動化程度低,人員多[1-2]。

《民用爆炸物品行業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》提出“安全環(huán)保型系列工業(yè)炸藥研發(fā)”的發(fā)展方向以及優(yōu)化產品結構中明確了“工業(yè)炸藥由以包裝型為主向散裝型和現(xiàn)場混裝炸藥方向發(fā)展”要求。 《關于推進工業(yè)機器人產業(yè)發(fā)展的指導意見》提出:“通過鼓勵企業(yè)采用自動化、信息化技術改造傳統(tǒng)的生產方式和管理模式,加快現(xiàn)有生產工藝、裝備的升級換代,在危險作業(yè)工序實現(xiàn)無人少人化操作,減少人身傷亡事故的發(fā)生”。 因此,研究開發(fā)乳化銨油炸藥連續(xù)自動化生產技術符合民爆行業(yè)發(fā)展要求。

1 乳化銨油炸藥生產工藝

乳化銨油炸藥生產工藝流程如圖1 所示。 其中乳膠基質制備技術成熟且已實現(xiàn)無人化操作。本研究重點是如何實現(xiàn)連續(xù)自動化安全生產,特別是如何實現(xiàn)原材料連續(xù)自動計量進料、連續(xù)自動混料、連續(xù)自動裝包、自動碼垛裝車及自動控制等技術。

圖1 乳化銨油炸藥生產工藝流程

1.1 原材料連續(xù)自動計量進料

乳化銨油炸藥生產采用的原材料主要為多孔粒狀硝酸銨、柴油及乳膠基質。 根據物料特點分別對其連續(xù)自動進料技術進行了研究。

1.1.1 多孔粒狀硝酸銨自動進料

硝酸銨一般為25 kg/包的小包裝,需多次搬運、手工劃包并破碎,勞動強度大。 為減輕勞動強度,提高自動化水平,根據多孔粒狀硝酸銨流散性好的特點,定制多孔粒狀硝酸銨噸包產品,利用防爆吊車將多孔粒狀硝酸銨噸包提升到硝酸銨料倉,通過料倉上設置的破包錐及氣動滑動破包刀進行自動破包,多孔粒狀硝酸銨直接落入料倉。 再通過輸送螺旋提升至硝酸銨定量螺旋,實現(xiàn)定量連續(xù)進料。 硝酸銨定量螺旋通過變頻調整轉速,根據工藝需求實現(xiàn)產能大小調節(jié)。 破包錐及氣動滑動破包刀結構示意圖如圖2。

圖2 破包錐及氣動滑動破包刀結構

1.1.2 乳膠基質自動進料

生產的乳膠基質利用防爆電瓶車運至基質暫存間,通過懸掛輸送裝置自動倒入乳膠基質料倉中備用。 料倉下有乳膠定量螺旋可連續(xù)輸送基質,通過變頻可調整乳膠出料量,實現(xiàn)連續(xù)加料。 乳膠定量輸送曾考慮使用基質螺桿泵,其輸送計量準確,但基質螺桿泵為民爆行業(yè)0 類專用生產設備,使用時需有防斷料、防架空等安全保護措施,且維護費用高,生產結束時清理困難。 考慮安全經濟實用,最后設計了可清洗的乳膠基質定量輸送螺旋,雖然計量精度低于螺桿泵,但經試驗驗證,其定量輸送能力滿足工藝需求,對產品質量無影響。 乳膠基質定量輸送螺旋結構圖如圖3。

1.1.3 柴油自動進料

配方選用密度在0.87 ～0.9 g/cm3的輕柴油,按炸藥總生產能力4 ～6 t/h 考慮,柴油流量一般控制在0.24 ～0.35 m3/h,流量較小。 根據以上特性,柴油泵送設備選擇螺桿泵。 螺桿泵具有諸多優(yōu)點:1)壓力和流量范圍大;2)輸送液體的種類和黏度范圍寬廣;3)具有自吸能力;4)流量均勻連續(xù),振動小,利用變頻器控制螺桿泵轉速可調節(jié)流量[3]。 柴油計量根據流量范圍選用相應的質量流量計。

1.2 連續(xù)混合的實現(xiàn)

1.2.1 多孔粒狀銨油炸藥混合

多孔粒狀銨油炸藥混合技術成熟[4],設備由民爆行業(yè)專用輸送螺旋定點廠家生產。 多孔粒狀硝酸銨通過定量螺旋連續(xù)進料,同時柴油通過螺桿泵計量連續(xù)噴灑添加,兩者在輸送螺旋中連續(xù)混合形成多孔粒狀銨油炸藥后進入乳化銨油炸藥雙螺旋混拌機。

1.2.2 乳化銨油炸藥混合

要把流散性好的多孔粒狀硝酸銨與黏稠度很高的乳膠基質混合均勻且連續(xù)不間斷,必須綜合考慮物料特性及螺旋結構。 通過在多種結構螺旋上進行比較試驗,最終選定雙螺旋結構[5]。 通過試驗確定了混拌機長度、轉速、螺旋結構尺寸以及出料方式。 為提高雙螺旋的本質安全性,雙螺旋混拌葉片末端包裹聚四氟乙烯,即使葉片與不銹鋼螺旋內壁摩擦也不會產生火花或溫升。 雙螺旋混拌機由擺線針輪減速機(動力部分)帶動主軸以40 ～200 r/min 可調的速度轉動,通過齒輪帶動另一軸轉動。 兩軸上的刮板交錯同時旋轉,猶如幾十雙連續(xù)不斷翻動的手,將乳膠基質與多孔粒銨油炸藥連續(xù)攪拌混合形成乳化銨油炸藥。 雙螺旋混拌機結構如圖4。

1.3 自動裝包

自動裝包采用NWWBS-II-Ex 型自動裝藥機,實現(xiàn)了自動開袋、自動計量裝包及自動封包等操作,生產能力為6 t/h,其結構示意圖如圖5。

圖5 NWWBS-II-Ex 型自動裝藥機結構

1.4 全自動碼垛裝車系統(tǒng)

全自動碼垛裝車系統(tǒng)采用機械傳動,PLC 光電程序控制,實現(xiàn)自動碼垛及自動裝車。 其結構示意圖如圖6。

圖6 全自動碼垛裝車系統(tǒng)示意圖

全自動碼垛裝車系統(tǒng)由碼垛系統(tǒng)、裝車系統(tǒng)組成,實現(xiàn)乳化銨油炸藥散裝自動碼垛,無人化裝車,最高產能達12 t/h。 其碼垛工作流程:輸送→壓袋整形→旋轉→編組→推袋→排層→升降碼垛→出垛。 其裝車工作流程:取垛→旋轉→移送→傾斜卸垛。

1.4.1 碼垛系統(tǒng)工作原理

通過將包裝好的產品經過斜坡輸送機進入壓平機和加速輸送機,對料袋進行壓袋整形、加速,然后經過旋轉輸送機,將包裝袋旋轉,按照一層6 包交錯碼垛設置)分別進行90°旋轉、180°旋轉、270°旋轉。 旋轉好的料包輸送至推袋機,在推袋機上按照設計方式進行編組操作(將豎袋3 袋編為1 組,橫袋2 袋編為1 組);編好組的料袋由推袋機推到移動排層機上,一層4 ～8 個(可按需設置)料袋在排層機上再次整形后,排層機移動到升降機上的卸料托盤上(托盤倉能自動地將托盤放到托盤輸送機上),升降機根據料層實際高度上升一層料袋的高度,即碼好一層;碼完需求層數(shù)(1 ～12 層可調)即為一垛,碼好后升降機升高到最高位,再由垛盤輸送機將垛盤輸送到出碼輸送機上,最后由裝車系統(tǒng)運走,完成一輪碼垛。

1.4.2 裝車系統(tǒng)工作原理

1)取垛:叉車工作臺升高到與出垛機同一高度,逆時針旋轉90°,推拉器張開至最前端,推拉器前端夾緊裝置打開,叉車向出碼輸送機側移并與出碼輸送機側面對齊,推拉器前端夾緊裝置夾緊卸料托盤,推拉器帶著卸料托盤一垛料收縮至初始位置。

2)旋轉:順時針旋轉90°。

3)移送:叉車工作臺下降到初始位置,移動平臺帶著叉車工作臺及卸料托盤一垛料伸進已經停好的轉運車廂內卸料位置。

4)傾斜卸垛:叉車傾斜前端同時推拉器張開,將卸料托盤一垛料推送至轉運車廂內卸料位,移動平臺退后至初始位置,完成一輪裝車后重新開始。

2 自動控制及全線聯(lián)動設置

自動控制系統(tǒng)采用總線控制結構,現(xiàn)場實時數(shù)

據采集及檢測、集中控制,對關鍵數(shù)據及流程采用反饋控制模式,控制系統(tǒng)各項控制參數(shù)采用開放式設計,便于現(xiàn)場調試及管控。 控制系統(tǒng)包含流程查看、數(shù)據查看、報表查詢、數(shù)據分析等多個模塊,實現(xiàn)了對生產工藝的全流程監(jiān)管;控制系統(tǒng)數(shù)據庫采用雙備份形式,對過程數(shù)據每分鐘進行一次備份,保障數(shù)據安全,確?？刂葡到y(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。

2.1 自動控制系統(tǒng)流程

自動控制系統(tǒng)流程圖如圖7 所示。

2.1.1 控制設置

根據工藝需求,設置全線控制點包括:多孔粒狀硝酸銨料倉及乳化基質料倉料位檢測控制、全部電機電流及頻率控制、螺旋雨淋系統(tǒng)控制、物料溫度控制、料包間距控制、全線視頻監(jiān)控、現(xiàn)場應急急?？刂?、生產能力匹配控制、控制互鎖功能等。 控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場的溫度、流量、頻率、電流等數(shù)據采集,在PLC 程序中實現(xiàn)順序控制功能,當現(xiàn)場參數(shù)不在工藝設定范圍內時,控制系統(tǒng)可根據控制設定啟動報警顯示、輸出調整、連鎖停機等多種控制功能。

2.1.2 安全連鎖控制

全線安全連鎖控制包括:全線藥量超量連鎖控制、電機過載連鎖控制、溫度連鎖控制、料包間距連鎖控制及現(xiàn)場應急連鎖停機控制。 控制系統(tǒng)按照安全需求,對生產過程中主要的溫度、電機電流、在線存藥量等進行實時控制,當參數(shù)不在安全設定范圍內時,系統(tǒng)連鎖報警并停機。

2.2 全線聯(lián)動設置

裝車、包裝、制藥工序的運行控制相對獨立而又互相聯(lián)動,每個工序都是閉環(huán)控制調節(jié)、安全聯(lián)鎖保護,在制藥、包裝、裝車工序之間形成一個大的閉環(huán)控制。 生產環(huán)節(jié)中的任何工序出現(xiàn)故障,與之對應的上級工序和下級工序自動實現(xiàn)能力匹配,智能調節(jié)保護,避免了因物料堆積、設備空轉等造成的安全隱患,實現(xiàn)全線一體化控制。

當裝車停止時,裝藥3 min 延時停止;當包裝停止時,制藥3 min 延時停止;正常運行時,設定的產能相互匹配,維持運行。

圖7 自動控制系統(tǒng)流程(實線框為工序、虛線框為控制說明)

3 產能與定員

本技術生產能力為4 ～6 t/h,其中全自動碼垛裝車系統(tǒng)最大可達12 t/h。

全線崗位操作人員1 人,巡視2 人。 分別為多孔粒狀硝酸銨投料定員1 人,自動裝包封包機巡視1 人,全自動碼垛裝車系統(tǒng)巡視1 人。

4 產品質量

4.1 混合均勻性

為檢驗連續(xù)自動化生產技術穩(wěn)定性、可靠性,特別是混合均勻性,通過每隔半小時取同一生產工藝技術參數(shù)(產能5 t/h,乳化基質比例15%)生產的炸藥進行爆速性能檢測,其數(shù)據偏差不超過100 m/s,混合均勻性較好。 不同時段炸藥爆速性能數(shù)據(15%基質配比)如表1 所示。

表1 不同時段炸藥爆速性能統(tǒng)計數(shù)據

4.2 產品性能

產品性能及貯存期試驗情況具體見表2,經自檢及貯存期內試驗,產品性能較好。 產品封樣經國家民用爆破器材質量監(jiān)督檢驗中心檢測,爆速范圍3 200 ～3 300 m/s,平均爆速大于3 200 m/s,作功能力293 mL。

表2 產品性能及貯存期試驗情況

5 結束語

1)實現(xiàn)了從投料到裝車生產全過程的連續(xù)自動化,產能4 ～6 t/h,全線崗位操作定員少于3 人。

2)采用連續(xù)自動化生產技術,既提高了產品質量和生產效率[6],又減少了操作人員數(shù)量,本質安全性大大提高。

3)生產的炸藥黏性好,容易貼附于孔內不掉落,提高了裝藥效率。 爆破時耦合系數(shù)好,爆破后巖石塊度均勻。