東非地區(qū)中低溫敏化技術(shù)生產(chǎn)乳化炸藥的組分與性能分析?

孫永江 江利民

中國(guó)萬(wàn)寶工程有限公司(北京，100052)

引言

乳化炸藥是一種油包水(W/O)乳膠型的抗水工業(yè)炸藥。它是由硝酸銨水溶液和油相物質(zhì)在乳化劑機(jī)械作用下經(jīng)敏化劑敏化而形成。生產(chǎn)中的原材料、生產(chǎn)的工藝過(guò)程和環(huán)境等方面都對(duì)乳化炸藥的穩(wěn)定性具有重要的影響。

眾所周知，近幾年，隨著國(guó)家一帶一路的不斷拓展，大量中資企業(yè)投資或參與海外基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，這些項(xiàng)目包括道路、礦山、橋梁、建筑等等?；A(chǔ)設(shè)施的建設(shè)離不開(kāi)民用炸藥及爆破器材。因此，某公司在烏干達(dá)納卡松格拉地區(qū)(東經(jīng)32°32′3.60″、北緯1°25′51.30″)建設(shè)了東非地區(qū)第一條產(chǎn)量為6 000 t/a的中低溫敏化卷裝乳化炸藥生產(chǎn)線。

烏干達(dá)平均海拔為1 500 m以上，屬于熱帶草原氣候，全年分為雨季和旱季。雨季集中在3至5月、9至11月，雨量充沛，相對(duì)濕度達(dá)79.7%；旱季空氣干燥，雨水稀少。極端最低氣溫11.4℃，極端最高氣溫37.1℃。赤道線橫穿烏干達(dá)，其日照時(shí)間長(zhǎng)，紫外線強(qiáng)度大。在東非地區(qū)生產(chǎn)乳化炸藥，有其氣候條件、材料來(lái)源及生產(chǎn)工藝等與國(guó)內(nèi)不同的特殊性。在國(guó)內(nèi)，并沒(méi)有與其相類(lèi)似的氣候環(huán)境條件。而且，在東非地區(qū)生產(chǎn)乳化炸藥，所有原材料(包括硝酸銨、硝酸鈉、油相、乳化劑、敏化劑等)都需要從國(guó)內(nèi)或其他國(guó)家進(jìn)口，原材料從海運(yùn)(高溫、高濕運(yùn)輸)及陸運(yùn)的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一、兩個(gè)月。在這樣的東非氣候條件及原材料來(lái)源等特殊條件下生產(chǎn)乳化炸藥，產(chǎn)品質(zhì)量有一定波動(dòng)，從而會(huì)對(duì)乳化炸藥性能有一定的影響。對(duì)于東非地區(qū)生產(chǎn)乳化炸藥的組分及性能，國(guó)內(nèi)外在這方面的研究幾乎是空白。

本文中，從實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)分析了東非地區(qū)特定環(huán)境下2＃巖石乳化炸藥的組成對(duì)產(chǎn)品性能的影響。利用東非中低溫敏化乳化炸藥生產(chǎn)線進(jìn)行了2＃巖石乳化炸藥組分及性能的研究，主要包括水相、油相和敏化劑3個(gè)主要組分及種類(lèi)對(duì)乳化炸藥性能的影響。為國(guó)內(nèi)一帶一路走出去的相關(guān)民爆生產(chǎn)企業(yè)及在非洲地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)單位提供借鑒。

1 水相組分

水相為乳化炸藥生產(chǎn)體系中的分散相，由硝酸銨、硝酸鈉、水等成分組成，是乳化炸藥的關(guān)鍵組分。各成分的配比直接影響著乳化炸藥的生產(chǎn)和性能。

1.1 水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

水是氧化劑的主要溶劑，是造成分散相均勻溶液的唯一介質(zhì)，含水量對(duì)乳化炸藥的穩(wěn)定性、爆炸性能有顯著影響，如表1所示。

表1試驗(yàn)結(jié)果表明:一定范圍內(nèi)，隨著水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，水相體系和乳膠基質(zhì)密度降低，而乳化炸藥爆速和殉爆距離在達(dá)到峰值后出現(xiàn)下降。因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，必定導(dǎo)致其他成分比例的降低，爆炸瞬間水的吸熱和本身能量的減少，導(dǎo)致爆熱逐漸下降，爆炸性能下降，水相的析晶點(diǎn)下降，不易析晶，穩(wěn)定性提高[1]。當(dāng)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10.0%時(shí)，水相的析晶點(diǎn)上升，新產(chǎn)品爆炸性能好；但是，析晶點(diǎn)過(guò)高，造成儲(chǔ)存期內(nèi)在乳化劑作用下形成的油包水乳膠體系中的分散性水相更容易從油相的包裹中析晶出來(lái)，穩(wěn)定性下降。當(dāng)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10.0%時(shí)，270 d儲(chǔ)存時(shí)間產(chǎn)品的爆轟距離為4 cm；當(dāng)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.5%時(shí)，270 d儲(chǔ)存時(shí)間產(chǎn)品的爆轟距離僅為3 cm。因此，東非特定的環(huán)境條件下，2＃巖石乳化炸藥中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在10.0%～10.5%之間，乳化炸藥穩(wěn)定性和爆轟性能較好。

1.2 硝酸銨和硝酸鈉的配比

中低溫敏化技術(shù)生產(chǎn)的乳化炸藥體系中的氧化劑為硝酸銨和硝酸鈉。硝酸銨作為乳化炸藥的分散相，不僅是乳化炸藥爆轟過(guò)程中的主要能量來(lái)源，也是維持炸藥爆轟過(guò)程中自供養(yǎng)體系的氧化劑。硝酸銨是制備乳化炸藥的主要成分，硝酸銨純度的不同，使硝酸銨析晶點(diǎn)不一樣，造成晶變狀態(tài)不同，影響油膜包覆效果，進(jìn)而影響產(chǎn)品儲(chǔ)存期的各項(xiàng)性能[2-3]。純度高的硝酸銨生產(chǎn)的乳化炸藥產(chǎn)品性能更加優(yōu)良。硝酸鈉作為輔助氧化劑，可以降低硝酸銨在分散相中的析晶溫度，提高分散相的運(yùn)動(dòng)黏度，使分散相晶粒在較低溫度時(shí)仍保持可靠的結(jié)晶聚集狀態(tài)。但硝酸鈉中含有金屬元素鈉并參與爆炸反應(yīng)，在參與爆炸反應(yīng)的過(guò)程中要奪取體系中的一部分氧而生成氧化鈉，而凝聚態(tài)的氧化鈉不利于炸藥的爆炸做功[4-5]。

所以，硝酸銨和硝酸鈉的比例影響著水相的析晶點(diǎn)，直接影響著乳化炸藥的爆轟性能和儲(chǔ)存性能。調(diào)整水相體系中硝酸銨和硝酸鈉的比例(水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持11%不變)，對(duì)比分析了水相體系中硝酸鈉對(duì)析晶點(diǎn)和性能的影響，見(jiàn)表2和表3。表2中，水相添加劑為乳化改良劑，按水相總質(zhì)量外加。

從表2和表3可以看出，因硝酸銨溶解溫度系數(shù)較大，水相體系中硝酸銨、硝酸鈉的質(zhì)量比過(guò)大，造成水相析晶點(diǎn)偏高，不利于生產(chǎn)和安全的控制；同時(shí)，水相材料在炸藥儲(chǔ)存期中更易析晶，從而影響儲(chǔ)存性能。硝酸鈉溶解溫度系數(shù)相對(duì)較小，故加入適量的輔助氧化劑硝酸鈉可以顯著降低水相溶液的析晶點(diǎn)，有利于炸藥生產(chǎn)工藝的控制和儲(chǔ)存穩(wěn)定性的提高。但是過(guò)多的硝酸鈉對(duì)炸藥的爆轟性能有一定的影響，同時(shí)也增加了制造成本。當(dāng)水相體系中硝酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.0%～8.5%時(shí)，水相析晶點(diǎn)適中，乳化炸藥爆轟性能好，產(chǎn)品儲(chǔ)存穩(wěn)定，儲(chǔ)存期可達(dá)270 d，藥卷狀態(tài)良好，爆轟感度和爆速均佳。

表1 水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)2＃巖石乳化炸藥性能的影響(?32 mm×300 g)Tab.1 Influence of water content on performance of No.2 rock emulsion explosive(?32 mm×300 g)

表2 水相體系中組分配比對(duì)析晶點(diǎn)的影響Tab.2 Influence of component proportion on crystallizing point in aqueous phase system

表3 硝酸銨和硝酸鈉配比和析晶點(diǎn)對(duì)2＃巖石乳化炸藥(?32 mm×300 g)性能的影響Tab.3 Influence of the ratio of ammonium nitrate and sodium nitrate in water phase system and crystallizing point on performance of No.2 rock emulsion explosive(?32 mm×300 g)

2 復(fù)合油相

復(fù)合油相包括油相材料和乳化劑。其中，油相材料在乳化炸藥體系中起還原劑作用。油相材料的含油量、HLB值、黏度等性能直接影響乳化炸藥的形態(tài)、爆炸性能和穩(wěn)定性[6-7]。乳化劑為乳化炸藥生產(chǎn)中非常關(guān)鍵的原材料，通過(guò)降低乳狀液的表面張力，使水相的微小液滴均勻分散于油相連續(xù)介質(zhì)中，形成穩(wěn)定的油包水結(jié)構(gòu)的乳化基質(zhì)[8]。目前，大部分為復(fù)合乳化劑，由Span80乳化劑和高分子乳化劑混合而成。復(fù)合油相材料各生產(chǎn)廠家配方各異，組分相差較多，直接影響乳化炸藥的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全性。乳化炸藥生產(chǎn)中水、油相的配比關(guān)系著炸藥的氧平衡，影響著乳化炸藥的爆轟性能和儲(chǔ)存性能，也直接決定著爆炸后有毒氣體的含量。通過(guò)調(diào)整炸藥體系中復(fù)合油相的含量，研究其對(duì)炸藥性能的影響，數(shù)據(jù)見(jiàn)表4(運(yùn)動(dòng)黏度為100℃時(shí)測(cè)得)。

表4結(jié)果證明，將Span80、高分子乳化劑按一定比例直接加入復(fù)合油相后，海、陸運(yùn)到廠，復(fù)合油相與混合乳化劑有著良好的乳化疊加效果，形成穩(wěn)定的乳膠體，而且隨著乳化劑用量的增加，乳化效果必然會(huì)有所提高[6]，儲(chǔ)存期增長(zhǎng)。采用復(fù)合油相(含乳化劑)，炸藥的初始性能及儲(chǔ)存穩(wěn)定性均較理想，且藥體的外觀狀態(tài)及彈塑性較好。按技術(shù)轉(zhuǎn)讓方的炸藥中油相質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.5%的配方設(shè)計(jì)，接近零氧平衡(偏負(fù)氧)，試驗(yàn)可見(jiàn)，微調(diào)復(fù)合油相(含乳化劑)對(duì)炸藥的初始性能影響不大；但是到180 d或270 d的儲(chǔ)存期后，當(dāng)復(fù)合油相(含乳化劑)的含量增加時(shí)，炸藥的穩(wěn)定性有所增加，但是生產(chǎn)成本會(huì)有所增加，這就需要工廠根據(jù)銷(xiāo)售情況和客戶需求酌情調(diào)整。

3 敏化劑

3.1 化學(xué)敏化劑對(duì)乳化炸藥性能的影響

敏化是乳化炸藥生產(chǎn)中非常關(guān)鍵的工序。在乳化基質(zhì)中混入均勻、分散的微小氣泡，使其在受到外界起爆能的作用時(shí)形成熱點(diǎn)，激發(fā)炸藥的爆轟性能[9]?；瘜W(xué)敏化因敏化效果好、生產(chǎn)成本低，被廣泛采用?；瘜W(xué)敏化劑一般由發(fā)泡劑和促進(jìn)劑組成。發(fā)泡劑一般選用易發(fā)生水解反應(yīng)而產(chǎn)生氣泡的鹽類(lèi)物質(zhì)，促進(jìn)劑則為發(fā)泡劑提供特定的環(huán)境，提高發(fā)泡劑的化學(xué)反應(yīng)速度。工廠地處非洲，氣候較為炎熱，故選用亞硝酸鈉(國(guó)內(nèi)發(fā)運(yùn))、發(fā)泡劑B和水按一定質(zhì)量比(2︰4︰4)配制成的復(fù)合發(fā)泡劑。亞硝酸鈉起主要發(fā)泡作用，發(fā)泡劑B為輔助作用。因原料易得，效果明顯，使用體積分?jǐn)?shù)為85%的磷酸(當(dāng)?shù)刭?gòu)買(mǎi))和水按一定的質(zhì)量比(1︰7)配制成促進(jìn)劑。通過(guò)敏化機(jī)構(gòu)(美國(guó)專(zhuān)利)在中低溫的條件下完成化學(xué)發(fā)泡。此種敏化方式安全，敏化效果好，敏化速度適中且易于控制?；瘜W(xué)敏化劑加入量對(duì)乳化炸藥初始性能和儲(chǔ)存期影響如表5所示。表5中，亞硝酸鈉和85%磷酸的加入量按復(fù)合發(fā)泡劑和促進(jìn)劑的配制比例計(jì)算。

由表5可見(jiàn)，對(duì)化學(xué)敏化劑加入量進(jìn)行一定范圍的調(diào)整，炸藥的初始檢測(cè)性能都非常的好，僅僅是藥卷硬度差別大，影響生產(chǎn)過(guò)程中裝藥和包裝操作。但是，化學(xué)敏化劑的加入量對(duì)炸藥的儲(chǔ)存性能影響較大。發(fā)泡劑加入量過(guò)大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.60%時(shí)，藥卷硬度大，不利于裝藥包裝；同時(shí)，乳化基質(zhì)產(chǎn)生的氣泡粒徑較大，氣泡固泡性能差，易聚集逃逸，從而使炸藥的感度下降比較明顯。儲(chǔ)存期到270 d時(shí)，炸藥感度已經(jīng)很低，殉爆距離為3 cm。發(fā)泡劑加入量太少時(shí)，發(fā)泡時(shí)間長(zhǎng)，藥卷狀態(tài)差，影響爆破裝藥，不利于客戶使用；并且，炸藥在儲(chǔ)存期內(nèi)感度下降也很明顯。根據(jù)實(shí)踐得出組分使用量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)):發(fā)泡劑為0.45%(亞硝酸鈉0.09%)、促進(jìn)劑為0.38%(磷酸0.047 5%)。此時(shí)，敏化效果好，發(fā)泡均勻，氣泡大小合適，藥卷狀態(tài)好，儲(chǔ)存期穩(wěn)定。

3.2 敏化發(fā)泡速度和后效

敏化速度和后效問(wèn)題不僅影響著乳化炸藥的性能和儲(chǔ)存期穩(wěn)定性，還關(guān)系著生產(chǎn)過(guò)程中的安全和生產(chǎn)效率管理。亞硝酸鈉化學(xué)發(fā)泡敏化機(jī)理為:亞硝酸鈉在酸性環(huán)境中發(fā)生水解反應(yīng)，產(chǎn)生微小氣泡，通過(guò)敏化機(jī)構(gòu)來(lái)敏化乳化基質(zhì)。促進(jìn)劑磷酸為亞硝酸鈉提供酸性環(huán)境，提高其化學(xué)反應(yīng)速度，通過(guò)調(diào)整磷酸和水的配比來(lái)控制酸值大小，從而控制敏化速度。酸值大小和敏化溫度影響著敏化的速度和敏化后效[10]。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。表6中，t1為裝藥機(jī)固定轉(zhuǎn)速工況下，藥卷打完卡后到發(fā)泡至藥卷最大硬度的時(shí)間；L1為2 h后藥卷的長(zhǎng)度變化；L2為12 h后藥卷的長(zhǎng)度變化。

采用亞硝酸鈉復(fù)合發(fā)泡劑，以磷酸為促進(jìn)劑進(jìn)行混合發(fā)泡。敏化溫度和促進(jìn)劑的酸值大小影響著敏化速度，其中敏化溫度的影響較大。64～66℃為東非地區(qū)中低溫敏化技術(shù)乳化炸藥生產(chǎn)線的最佳敏化溫度。敏化溫度過(guò)低時(shí)，發(fā)泡時(shí)間長(zhǎng)，影響后續(xù)包裝工序的操作。敏化溫度過(guò)高，達(dá)到70℃時(shí)，發(fā)泡速度過(guò)快，對(duì)裝藥的質(zhì)量和安全性存在不利的影響。從試驗(yàn)對(duì)比的情況來(lái)看，這種敏化方式后效非常小，有利于生產(chǎn)工藝控制和產(chǎn)品質(zhì)量管理。

4 結(jié)論

在東非地區(qū)特定的氣候條件下，利用中低溫敏化技術(shù)生產(chǎn)2＃巖石乳化炸藥，水相、油相、敏化劑組分對(duì)炸藥的性能影響如下:

表4 復(fù)合油相(含乳化劑)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)2＃巖石乳化炸藥(?32 mm×300g)性能的影響Tab.4 Influence of composite oil phase content(containing emulsifier)on performance of No.2 rock emulsion explosive(?32 mm×300g)

表5 化學(xué)敏化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)2＃巖石乳化炸藥(?32 mm×300g)性能的影響Tab.5 Influence of chemical sensitizer content on performance of No.2 rock emulsion explosive(?32 mm×300g)

表6 敏化溫度和促進(jìn)劑配比對(duì)2＃巖石乳化炸藥敏化速度和后效的影響(?70 mm×1 500 g)Tab.6 Influence of sensitization temperature and ratio of promoter on sensitizing speed and aftereffect of No.2 rock emulsion explosive(?70 mm×1 500 g)

1)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在10.0%～10.5%時(shí)，生產(chǎn)的2＃巖石乳化炸藥的穩(wěn)定性、爆炸性能較好。

2)水相析晶點(diǎn)影響著炸藥生產(chǎn)過(guò)程中的安全工藝控制和產(chǎn)品性能。水相體系中，硝酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.0%～8.5%時(shí)，可以獲得合適的水相析晶點(diǎn)，生產(chǎn)出爆轟性能良好和儲(chǔ)存期穩(wěn)定的乳化炸藥。

3)油相材料的質(zhì)量和性能直接影響乳化炸藥的形態(tài)、爆炸性能和穩(wěn)定性。乳化劑Span80和高分子乳化劑加入油相中形成復(fù)合油相。當(dāng)水、油相質(zhì)量比為93.5︰6.5時(shí)，生產(chǎn)出的2＃巖石乳化炸藥爆轟性能良好且儲(chǔ)存穩(wěn)定。

4)敏化劑的使用量對(duì)乳化炸藥的殉爆距離有很大的影響，對(duì)儲(chǔ)存期內(nèi)的炸藥感度影響很大。根據(jù)東非地區(qū)氣候，采用亞硝酸鈉復(fù)合發(fā)泡劑和磷酸促進(jìn)劑的化學(xué)發(fā)泡方式，在合適的溫度下，能夠很好地控制發(fā)泡速度，獲得好的敏化效果，解決了敏化后效問(wèn)題。

5)東非氣候條件下利用中低溫敏化技術(shù)生產(chǎn)2＃巖石乳化炸藥，在一定的原料和組分配比及合適的工藝條件下，乳化炸藥儲(chǔ)存期可達(dá)270 d以上。