硝酸銨含量對(duì)水膠炸藥爆速影響研究

檀 鑫,黃文堯,黃孟文,潮 捷,孫寶亮,高玉剛

(1.安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司,安徽 淮北 235000)

0 引言

水膠炸藥具有威力高、有毒氣體含量少、抗水性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在礦山和地質(zhì)開(kāi)采中被廣泛運(yùn)用,該炸藥的性能受多種因素的影響[1-5]。

化學(xué)敏化水膠炸藥是在硝酸銨水溶液和硝酸一甲胺水溶液混合后,加入硝酸鈉、膠凝劑、交聯(lián)劑、化學(xué)發(fā)泡劑和促進(jìn)劑等制得的含水炸藥。 為了創(chuàng)建環(huán)保、節(jié)能、和諧的民爆新產(chǎn)業(yè),國(guó)內(nèi)直接使用硝酸銨水溶液進(jìn)行工業(yè)炸藥的生產(chǎn)[6-8],通過(guò)研究硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)水膠炸藥爆速的影響,得出水膠炸藥爆速變化規(guī)律,對(duì)化學(xué)敏化水膠炸藥的基礎(chǔ)配方設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)具有參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 水膠炸藥原料及配方

硝酸銨,工業(yè)級(jí);硝酸一甲胺溶液,工業(yè)級(jí),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86%;發(fā)泡劑,亞硝酸鈉水溶液,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%;硝酸鈉,工業(yè)級(jí);膠凝劑,田菁粉;氟蛋白泡沫液,工業(yè)級(jí);交聯(lián)劑,焦銻酸鉀水溶液,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%;促進(jìn)劑,磷酸水溶液,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%;蒸餾水,自制。 水膠炸藥中各原料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1,不同樣品硝酸銨水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表2。

表1 水膠炸藥中各原料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

表2 不同樣品硝酸銨水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.2 水膠炸藥的制備

按表1 配方稱取一定質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86%的硝酸一甲胺溶液,加熱至60 ～65 ℃,稱取一定質(zhì)量的硝酸銨和蒸餾水配制成硝酸銨水溶液,加熱至70～75 ℃。 將上述兩種溶液混合并攪拌均勻,再加入已預(yù)混均勻的硝酸鈉和田菁粉固體混合物及發(fā)泡劑,以200 r/min 的轉(zhuǎn)速攪拌6 min。 隨后依次加入氟蛋白泡沫液、促進(jìn)劑及交聯(lián)劑,各自攪拌1 min,轉(zhuǎn)速為100 r/min,制得水膠炸藥。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器及測(cè)試

1.3.1 析晶點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

儀器與設(shè)備:錐形瓶、WIKA 溫度傳感器、磁力攪拌器、精密天平等。

按表1 配方稱取適量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86%的硝酸一甲胺溶液、硝酸銨顆粒、水和硝酸鈉,將該混合溶液加熱至85 ℃后,倒入放有磁棒和溫度傳感器的錐形瓶中。 啟動(dòng)磁力攪拌器,使錐形瓶中的磁棒緩慢旋轉(zhuǎn),通過(guò)溫度傳感器記錄該混合溶液析晶時(shí)的溫度[9]。

1.3.2 黏度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

儀器與設(shè)備:RVDV-1 數(shù)字黏度計(jì)。

將適量樣品裝入塑料杯,滑動(dòng)升降旋鈕使轉(zhuǎn)子的節(jié)點(diǎn)與被測(cè)水膠炸藥樣品的液面齊平,測(cè)量黏度,通過(guò)黏度計(jì)記錄黏度變化。

1.3.3 顯微鏡觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

儀器與設(shè)備:MSD-701 型生物顯微鏡。

用去離子水洗凈標(biāo)準(zhǔn)蓋玻片和載玻片,放在無(wú)水乙醇中浸泡,然后用酒精燈烘干以備取用。 取適量水膠炸藥樣品置于載玻片上,蓋上蓋玻片后放在顯微鏡下觀測(cè)。

1.3.4 爆熱實(shí)驗(yàn)

儀器與設(shè)備:爆熱量熱儀;8 號(hào)電雷管;蒸餾水;陶瓷坩堝。

實(shí)驗(yàn)使用已知熱值的苯甲酸作為標(biāo)準(zhǔn)量熱物質(zhì),標(biāo)定爆熱量熱儀的熱容。 稱取30 g 水膠炸藥樣品裝入陶瓷坩堝中,將試樣放置在爆熱彈內(nèi),抽真空達(dá)到無(wú)氧狀態(tài)。 測(cè)溫介質(zhì)使用20 L 的蒸餾水,根據(jù)水溫變化情況和量熱儀的熱容量,得到單位質(zhì)量的水膠炸藥樣品的定容爆熱。

1.3.5 爆速實(shí)驗(yàn)

儀器與設(shè)備:BSW-3A 型智能五段爆速儀、發(fā)爆器、8 號(hào)電雷管。

采用GB/T 13228—2015《工業(yè)炸藥爆速測(cè)定方法》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定水膠炸藥樣品的爆速。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 析晶點(diǎn)

通過(guò)實(shí)驗(yàn), 5 個(gè)樣品鹽溶液的析晶點(diǎn)見(jiàn)表3。

表3 不同樣品鹽溶液的析晶點(diǎn)

由表3 可知,從樣品1 至樣品5,硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)由78%增加至86%時(shí),鹽溶液的析晶點(diǎn)由26 ℃上升至36 ℃,這是由于當(dāng)硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高時(shí),水含量越少,硝酸銨越容易在水中形成過(guò)飽和溶液,而硝酸銨本身的溫度系數(shù)比較高,隨著溫度的降低,硝酸銨溶解度降低,在相同存儲(chǔ)條件下,含水量少的鹽溶液更容易析出晶體[10-11]。

2.2 黏度及微觀結(jié)構(gòu)

不同樣品水膠炸藥的黏度與硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系曲線如圖1 所示。

圖1 水膠炸藥黏度與硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線

5 組水膠炸藥樣品的微觀結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 水膠炸藥樣品的微觀結(jié)構(gòu)

由圖1 和圖2 可以看到,當(dāng)硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí),水膠炸藥的黏度增大。 這是因?yàn)閺臉悠? 至樣品5,水膠炸藥中硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)由78%增加至86%,炸藥含水量由15. 9%減少至12.2%,鹽溶液析晶點(diǎn)由26 ℃增加至36 ℃,在相同保存條件下,鹽溶液析晶點(diǎn)高的水膠炸藥會(huì)優(yōu)先析出晶體,并且晶體的析出量隨著溫度的降低而增多,引起水膠炸藥內(nèi)部的內(nèi)摩擦力逐漸增大,導(dǎo)致炸藥黏度不斷增大。

由圖2 可以看到,從樣品1 至樣品5,隨著硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加,炸藥中微氣泡數(shù)量逐漸增加,且90%以上的氣泡直徑在10 ～100 μm,這是由于隨著硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,水膠炸藥的黏度增大,而黏度大的炸藥對(duì)微氣泡的束縛能力更強(qiáng),氣泡更加穩(wěn)固,不易聚集或逃逸。

2.3 水膠炸藥的爆熱和爆速

將制作好的水膠炸藥樣品裝藥,在常溫下放置至少24 h 后進(jìn)行爆熱及爆速的測(cè)試,結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 水膠炸藥爆熱測(cè)試結(jié)果

圖4 水膠炸藥爆速測(cè)試結(jié)果

由圖3 和圖4 可得,當(dāng)硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)由78%增加至86%時(shí),水膠炸藥的爆熱分別增加了3.0%、5.7%、8.0%、10.0%,爆速也分別增加了3.0%、6.4%、12.6%、3.4%。 這是由于硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78%時(shí),水膠炸藥含水量為15.9%,水的比熱容及蒸發(fā)潛熱較大,作為溶劑和稀釋劑,一方面可以提高炸藥本身的安全性,但另一方面也會(huì)降低炸藥威力,同時(shí)由于水含量較高,炸藥黏度較低,氣泡出現(xiàn)逸出現(xiàn)象,在沖擊波絕熱壓縮時(shí)有效熱點(diǎn)少,導(dǎo)致爆轟時(shí)前沿沖擊波作用下放熱量少,爆轟反應(yīng)區(qū)的化學(xué)反應(yīng)速度低,炸藥的爆速較低。 炸藥爆速根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(1)計(jì)算。

式中:D為炸藥爆速,m/s;Q為炸藥爆熱,kJ/kg;γ為多方氣體指數(shù)。

由式(1)可知,炸藥的爆速與爆熱呈正相關(guān)關(guān)系,故隨著硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)由78%增加至84%時(shí),炸藥的爆熱增加,導(dǎo)致炸藥爆速增加,但隨著硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的持續(xù)增加,爆速反而降低,分析認(rèn)為,當(dāng)硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86%時(shí),水膠炸藥的含水量為12.2%。 根據(jù)表3 及圖2 可得,水膠炸藥在儲(chǔ)存過(guò)程中析出大量針柱狀硝酸銨晶體,這些晶體互相交織覆蓋,阻礙炸藥內(nèi)部的相對(duì)移動(dòng),炸藥的流動(dòng)塑性降低,炸藥的水凝膠體系難以保持穩(wěn)定,炸藥感度和威力下降,導(dǎo)致水膠炸藥爆速降低。

3 結(jié)論

對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硝酸銨水溶液制備的水膠炸藥樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析,結(jié)論如下:

1)隨著硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,鹽溶液的析晶點(diǎn)升高,炸藥黏度分別增加6.9%、14.3%、19.8%、25. 5%,晶體析出量增加,氣泡數(shù)量逐漸增多。

2)隨著硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)由78%增加至86%時(shí),炸藥的爆熱增加,爆速先升高后降低,水膠炸藥中硝酸銨水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為84%時(shí),炸藥爆速最大。