崔雪峰, 王肇中

(1.鞍鋼礦業(yè)爆破有限公司,遼寧 鞍山114000;2.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司,北京100160)

0 引言

現(xiàn)場混裝炸藥技術(shù)是一種高效、靈活的炸藥生產(chǎn)與裝填方式, 在美國、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家已得到普遍應(yīng)用,并且向遠(yuǎn)程配送生產(chǎn)技術(shù)模式發(fā)展。遠(yuǎn)程配送技術(shù)要求乳膠基質(zhì)儲存期長、抗顛簸性好、低溫易敏化和黏度適中,這些條件也制約著國內(nèi)現(xiàn)場混裝炸藥技術(shù)發(fā)展[1-2]。 目前,我國大多數(shù)廠家仍采取“一點一站”的混裝技術(shù)生產(chǎn)模式。 針對遠(yuǎn)程配送現(xiàn)場混裝技術(shù)的要求,筆者研究了適合于遠(yuǎn)程配送的乳膠基質(zhì),研制了一種新型的乳化銨油炸藥。 實現(xiàn)了乳膠基質(zhì)“一點生產(chǎn)、遠(yuǎn)程配送、多點使用”的生產(chǎn)模式,因而在實際應(yīng)用中具有更廣闊前景。

1 配方及生產(chǎn)工藝

現(xiàn)場混裝乳化銨油炸藥不同于乳膠基質(zhì)和銨油炸藥簡單混合的重銨油炸藥[3],它是利用現(xiàn)場混裝技術(shù)將乳膠基質(zhì)與多孔粒狀硝酸銨混合、敏化和輸送,最終在爆破現(xiàn)場制備的一種工業(yè)炸藥。 該技術(shù)對乳膠基質(zhì)的質(zhì)量提出了更高要求,新型乳膠基質(zhì)需要滿足以下條件: 具有較好的抗顛簸性,置于混裝車上自然顛簸大于500 km 后,無析晶、脫水、破乳現(xiàn)象,并且乳膠基質(zhì)應(yīng)通過GB/T 14372-2013《危險貨物運輸爆炸品的認(rèn)可和分項試驗方法》中試驗系列8 的試驗,以滿足乳膠基質(zhì)遠(yuǎn)程配送需求;在30±5 ℃時乳膠基質(zhì)的黏度不大于40 Pa·s,適合敏化、混合及泵送,滿足混裝車泵送、敏化以及炸藥抗水的要求;乳膠基質(zhì)不僅需要通過第八組試驗,而且需具有不小于6 個月的儲存期,滿足工廠生產(chǎn)后遠(yuǎn)距離運輸以及用戶的使用和儲存,保證現(xiàn)場生產(chǎn)的安全性和可靠性;制備乳膠基質(zhì)的水相pH 值需適中,在不同的作業(yè)環(huán)境下混裝車裝藥時容易敏化。 為了解決這些技術(shù)難題,我們對炸藥配方和工藝進(jìn)行了深入研究。

1.1 配方

1.1.1 油相的確定

乳膠基質(zhì)是一種油包水結(jié)構(gòu),其質(zhì)量的好壞直接影響炸藥的性能,油相組成結(jié)構(gòu)、配比和乳化能力決定了乳膠基質(zhì)的穩(wěn)定性、流動性和抗水性能。為簡化操作、降低成本和保證產(chǎn)品質(zhì)量,行業(yè)多采用一體化油相。 一體化油相需滿足產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,而且抗顛簸能力強的要求[4-5]。 目前,我國具有從事現(xiàn)場混裝乳化銨油炸藥生產(chǎn)的廠家僅有兩家,生產(chǎn)中使用的油相依賴于進(jìn)口,生產(chǎn)成本高,所以加強油相的研究十分必要。 通過一系列試驗,研究了乳化銨油炸藥專用一體化油相—BMO 復(fù)合油相,即采用礦物油和復(fù)合乳化劑并添加多種添加劑復(fù)合而成,可以替代混裝乳化銨油炸藥生產(chǎn)過程中的所有油相成分,簡化了混裝乳化銨油炸藥生產(chǎn)工藝。 通過檢測油相材料的運動黏度、穩(wěn)定性、乳化能力以及乳膠基質(zhì)的穩(wěn)定性等指標(biāo),考察了BMO復(fù)合油相材料的適用性。 試驗表明,BMO 一體化油相具有較高的乳化效率和質(zhì)量穩(wěn)定性,適合于現(xiàn)場混裝乳化銨油炸藥的生產(chǎn)。

1.1.2 敏化方式的確定

乳化銨油炸藥是由氧化劑、還原劑、敏化劑和多孔粒狀硝酸銨組成,經(jīng)乳化、敏化和混合工藝而制備的。 敏化是在炸藥內(nèi)摻入敏化物質(zhì),提高炸藥的爆炸感度。 通常在乳膠基質(zhì)中引入均勻微氣泡,這些氣泡可包含在玻璃微球或珍珠巖內(nèi),也可由化學(xué)方法發(fā)泡而制得[6-7]。 這些氣泡起到熱點的作用,即在爆炸效應(yīng)下,氣泡開始絕熱壓縮,產(chǎn)生熱點,爆炸通過這些熱點傳遞。 為了氣泡分布均勻、細(xì)密,便于混裝作業(yè)輸送,通常選用化學(xué)發(fā)泡方式,采用亞硝酸鈉溶液作為敏化劑。 在冬季嚴(yán)寒天氣作業(yè)時,在敏化劑中應(yīng)加入適量的防凍劑,防止敏化劑結(jié)冰堵塞管路。

1.1.3 配方

現(xiàn)場混裝乳化銨油炸藥技術(shù)要求地面站生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)無雷管感度、流動性好、抗顛簸性強,通過優(yōu)選設(shè)備、配方優(yōu)化試驗和炸藥的氧平衡設(shè)計,最終確定乳膠基質(zhì)和現(xiàn)場混裝乳化銨油炸藥配方如表1 和表2 所示。

表1 乳膠基質(zhì)配方 %

表2 現(xiàn)場混裝乳化銨油炸藥配方 %

1.2 生產(chǎn)工藝

現(xiàn)場混裝乳化銨油炸藥的生產(chǎn)工藝分地面站制備(包括乳膠基質(zhì)的制備和多孔粒狀硝酸銨上料系統(tǒng))、乳膠基質(zhì)的遠(yuǎn)程配送和現(xiàn)場混裝三部分。

1.2.1 地面站制備

1)水相制備

水相溶液主要由硝酸銨、硝酸鈉、添加劑和水組成。 首先準(zhǔn)確計量每罐生產(chǎn)所需水量, 當(dāng)溫度升至60 ～70 ℃時開啟破碎機,將硝酸銨和硝酸鈉經(jīng)螺旋輸送至溶化罐,完全溶化后升溫至75 ～85 ℃,測量其析晶點。 控制析晶點在60 ～63 ℃范圍,加入添加劑,調(diào)節(jié)溶液pH 值到3.6 ～4.0,然后將溶液泵送至儲存罐保溫備用。

2)油相制備

BMO 一體化油相采用礦物油和復(fù)合乳化劑技術(shù)并添加多種添加劑復(fù)配而成,具有較好的流動性。 將一體化油相加入油相制備罐,充分?jǐn)嚢韬?溫度控制在20 ～40 ℃,然后將溶液泵送至儲存罐保溫備用。

3)乳膠基質(zhì)的制備

預(yù)熱工藝管路,按自控系統(tǒng)設(shè)定,依次啟動油相計量泵,粗乳罐攪拌電機,水相計量泵乳化,起乳后啟動螺桿泵,將乳膠基質(zhì)經(jīng)靜態(tài)乳化器進(jìn)一步乳化后,泵送到基質(zhì)儲存罐或直接注入乳膠基質(zhì)運輸車運到其它的地面站基質(zhì)儲存罐儲存?zhèn)溆谩?/p>

4)發(fā)泡劑的制備

發(fā)泡劑按亞硝酸鈉∶水= 1 ∶2 的比例加入制備罐,充分?jǐn)嚢枋蛊淙芑?保溫至30 ～35 ℃?zhèn)溆谩６靖鶕?jù)環(huán)境氣候的變化,將一部分水用多元醇防凍液代替,降低敏化液的冰點,防止混裝車輸送過程中結(jié)冰堵塞管路。

5)多孔粒狀硝酸銨上料

多孔粒狀硝酸銨上料通常有兩種方式,一是通過地勢高差,人工將多孔粒狀硝酸銨加入混裝車的料斗;二是通過螺旋輸送機和提升機將多孔粒狀硝酸銨自動加入多孔粒狀硝酸銨貯存罐中,然后根據(jù)需要自動加料。

1.2.2 遠(yuǎn)程配送

乳膠基質(zhì)遠(yuǎn)程配送由基質(zhì)運輸車完成,基質(zhì)運輸車將地面站生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)運送到各個礦山作業(yè)點的基質(zhì)儲罐,并在基質(zhì)儲罐中保溫儲存?zhèn)溆肹8]。

1.2.3 現(xiàn)場混裝

混裝車加料時,啟動地面泵送系統(tǒng)將乳膠基質(zhì)泵送到現(xiàn)場混裝車的料倉內(nèi),同時完成敏化劑加料。 再通過螺旋上料系統(tǒng)或人工將多孔粒狀硝酸銨加到混裝車料倉內(nèi),然后,混裝車到爆破作業(yè)現(xiàn)場,將乳膠基質(zhì)、多孔粒狀硝酸銨、敏化劑按一定的配比輸送到螺旋輸送機,再輸送到混裝車中間產(chǎn)品料斗內(nèi),通過輸藥軟管,將產(chǎn)品輸送到炮孔最終形成炸藥。 產(chǎn)品的制備、輸送和計量等操作通過可編程序PLC 自控系統(tǒng)自動完成,乳化銨油炸藥技術(shù)工藝流程見圖1 所示。

圖1 乳化銨油炸藥技術(shù)工藝流程

2 乳化銨油炸藥的性能

2.1 物理化學(xué)性質(zhì)

乳膠基質(zhì)粒徑0.1 ～10 μm,平均為1 ～3 μm;乳膠基質(zhì)的黏度一般為20 000 ～30 000 mPa·s(40 ～55 ℃);密度在1.30 ～1.38 g/cm3之間;乳化銨油炸藥密度在1.00 ～1.25 g/cm3之間;炸藥無雷管感度,具有一定的流動性的無色或淡黃色的粥狀體;在水孔中預(yù)裝藥七天仍能可靠起爆;其臨界直徑在60 ～130 mm。

2.2 爆速

乳化銨油炸藥的密度大小影響炸藥的感度和爆炸性能,直接影響爆破效果,因此保持炸藥合適的密度十分重要,現(xiàn)場混裝乳化銨油炸藥的密度大小可以根據(jù)現(xiàn)場爆破的孔網(wǎng)參數(shù)、巖土性質(zhì)和爆破塊度要求在裝藥現(xiàn)場調(diào)整,這也是現(xiàn)場混裝乳化銨油炸藥的技術(shù)優(yōu)勢。 試驗期間對不同批次進(jìn)行了密度檢測,檢測結(jié)果表明,采用BMO 復(fù)合油相材料生產(chǎn)的乳化銨油炸藥密度在1.10 ～1.20 g/cm3之間時爆破效果好。 對乳化銨油炸藥孔內(nèi)爆速進(jìn)行檢測,爆速測試結(jié)果見圖2,經(jīng)分析孔內(nèi)爆速為5 715 m/s。

圖2 孔內(nèi)爆速曲線圖

2.3 儲存穩(wěn)定性

將地面站制備的乳膠基質(zhì)和混裝車制備的乳化銨油炸藥分別裝入燒杯中,自然存放,定期觀察狀態(tài)變化,結(jié)果如表3 所示。

表3 乳膠基質(zhì)和乳化銨油炸藥自然儲存試驗

試驗表明乳膠基質(zhì)能儲存半年以上,乳化銨油炸藥能儲存4 個月。

2.4 抗水性能

乳化銨油炸藥是由乳膠基質(zhì)、敏化劑和多孔粒狀硝酸銨采用現(xiàn)場混裝技術(shù)制得。 乳膠基質(zhì)質(zhì)量好壞直接影響乳化銨油炸藥的抗水性和使用效果。試驗通過硝酸銨的溶損量來考察其抗水性能,即分別稱取一定量的乳膠基質(zhì)和乳化銨油炸藥樣品分別浸泡在定量的水中,密閉保存,定時測量樣品中硝酸銨在水中的溶解量,并且計算硝酸銨溶解量占原樣品中硝酸銨的百分比。 試驗結(jié)果見表4。

表4 樣品中硝酸銨的溶損量

結(jié)果表明乳膠基質(zhì)和乳化銨油炸藥具有良好的抗水性能。 因為地面站生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)不僅流動性好,而且油膜強度大,對多孔粒狀硝酸銨包覆均勻密實,增強了乳化銨油炸藥抗水性。

2.5 乳膠基質(zhì)的安全性能

乳膠基質(zhì)的安全性能是現(xiàn)場混裝乳化銨油炸藥技術(shù)中遠(yuǎn)程配送的前提,是生產(chǎn)乳化銨油炸藥的質(zhì)量保證,地面站生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)經(jīng)國家民爆器材檢測中心檢測,其性能如表5 和表6 所示。

表5 乳膠基質(zhì)安全性能

表6 乳化銨油炸藥安全性能

試驗結(jié)果表明乳膠基質(zhì)滿足現(xiàn)場混裝技術(shù)罐裝運輸要求。 乳化銨油炸藥的機械感度、熱感度和雷管感度均符合要求,是一種本質(zhì)安全性較好的工業(yè)炸藥。

3 應(yīng)用實踐

遼寧省的東南地區(qū)是重要的礦產(chǎn)資源帶,分布著鞍鋼集團(tuán)的齊大山礦、鞍千礦、大孤山礦、東鞍山礦、眼前山鐵礦、大連石灰石礦和遼陽的弓長嶺礦,以及本鋼集團(tuán)的南芬露天礦、歪頭山鐵礦和北臺鐵礦等,這些礦區(qū)儲量大、分布廣,每年消耗炸藥13 萬t,過去所需要的炸藥通常采用“一點一站”的生產(chǎn)模式,不僅綜合成本高,而且不利于安全管理。 于2012 年,鞍鋼礦業(yè)爆破有限公司撤銷了齊大山、弓長嶺、大連三個地面站的乳膠基質(zhì)制備系統(tǒng),僅保留大孤山地面站生產(chǎn)點,乳膠基質(zhì)除了滿足鞍山地區(qū)生產(chǎn)乳化銨油炸藥需求的同時,還采用遠(yuǎn)程配送方式向遼陽和大連地區(qū)兩個地面站提供乳膠基質(zhì)。 目前鞍鋼礦業(yè)爆破公司利用現(xiàn)場混裝技術(shù)制備乳化銨油炸藥,在鞍山、本溪、遼陽、大連等地15 個礦區(qū)使用。 多年來,現(xiàn)場混裝乳化銨油炸藥在遼寧地區(qū)應(yīng)用,解決了乳膠基質(zhì)“一點生產(chǎn)、遠(yuǎn)程配送、多點使用”的技術(shù)難題,實現(xiàn)了炸藥生產(chǎn)的本質(zhì)安全性和可靠性,降低了生產(chǎn)管理成本,提高了施工效率,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

4 結(jié)論

1)現(xiàn)場混裝乳化銨油炸藥兼顧了乳化炸藥抗水和粒狀硝銨炸藥低成本的優(yōu)點,是國內(nèi)近幾年發(fā)展起來的一種新型工業(yè)炸藥。它克服了傳統(tǒng)工藝制備的重銨油炸藥抗水性能不足的缺陷,具有良好的抗水性,適用于水孔爆破作業(yè),也保持了混裝乳化炸藥密度現(xiàn)場可調(diào)、爆速高、體積威力大的優(yōu)良特性。

2)地面站生產(chǎn)的乳膠基質(zhì)流動性好、黏度適中、質(zhì)量穩(wěn)定和安全性高,滿足長距離運輸現(xiàn)場混裝車裝填的要求,解決了乳膠基質(zhì)“一點生產(chǎn)、遠(yuǎn)程配送、多點使用”的技術(shù)難題。

3)生產(chǎn)乳化銨油炸藥過程中主要涉及無雷管感度的乳膠基質(zhì)和多孔粒狀硝酸銨原料,其加工、運輸和使用安全。

4)采用現(xiàn)場混裝技術(shù)制備乳化銨油炸藥,是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的炸藥生產(chǎn)與裝填方式,符合民爆行業(yè)發(fā)展方向,也將會成為行業(yè)發(fā)展的趨勢。