王雪峰
(山西同德化工股份有限公司,山西 忻州 036599)
敏化工藝作為乳化炸藥生產(chǎn)過程的關(guān)鍵,多年來得到了眾多研究單位和廠家的重視。目前,氣泡敏化方式已成為乳化炸藥敏化的主要方式。但總的來說,在這方面做得較多的主要是研究或試驗(yàn)結(jié)果的介紹和比較,而關(guān)于不同敏化方式之間的差異鮮有相關(guān)敏化機(jī)理等方面的分析與探討。
2002年5 月,在福建省泉州市海港的航道改造工程中,多數(shù)爆破點(diǎn)在水深20m以下,且一次性爆破施工量較大,整個(gè)裝藥周期較長(有時(shí)在20h以上),用戶要求我廠提供的乳化炸藥必須具有良好的抗水性、抗壓性和深水條件下的良好爆轟性。而能夠滿足這些要求的產(chǎn)品,我廠幾乎沒有生產(chǎn)和試驗(yàn)過。筆者與同事結(jié)合自己的生產(chǎn)實(shí)踐,對多種氣體敏化技術(shù)作了進(jìn)一步研究與探討,并通過工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究,采用復(fù)合敏化技術(shù)滿足了上述工程爆破的需求,取得了良好的效果。
一般情況下,乳化基質(zhì)本身的爆轟感度比較低,不易被雷管等所引爆,通常需要加入猛炸藥、金屬粉末或敏化氣泡等物質(zhì)作為敏化劑來提高它的感度。其中,從外界引入氣泡已成為目前最常采用的敏化方式。根據(jù)引入方式的不同,大致可分為機(jī)械敏化、物理敏化和化學(xué)敏化3種。
機(jī)械敏化是通過敏化機(jī)的不斷攪拌將空氣引入乳化基質(zhì),進(jìn)而對引入的空氣分割、分散成細(xì)微氣泡,從而達(dá)到敏化的目的。此方法成本最為低廉,工藝也最為簡單,但貯存性能差,不適于專業(yè)化工廠的生產(chǎn)是其最大的缺點(diǎn)。物理敏化多采用空心樹脂微球、空心玻璃微球和膨脹珍珠巖等作為載體,將氣泡引入乳化基質(zhì)而達(dá)到敏化目的。此方法操作較為簡單,性能較為穩(wěn)定,但制造成本相對較高?;瘜W(xué)敏化一般采用亞硝酸鹽、碳酸氫鹽、有機(jī)偶氮化合物和亞硝基化合物等作為發(fā)氣劑,通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體并將氣體引入乳化基質(zhì),從而達(dá)到敏化目的。此方法工藝較為復(fù)雜,但成本較低,生產(chǎn)的乳化炸藥性能也相對較高。為了進(jìn)一步提高乳化炸藥的爆轟性能和貯存穩(wěn)定性,國內(nèi)眾多研究單位和廠家相繼開發(fā)了新的敏化技術(shù),其中的復(fù)合敏化技術(shù)近幾年得到了較多廠家的應(yīng)用。
采用氣體敏化乳化基質(zhì),實(shí)質(zhì)上就是熱點(diǎn)敏化。研究表明[1],只有氣泡尺寸相當(dāng)小時(shí),才會(huì)在極短的時(shí)間(10-5s~10-3s)內(nèi)被絕熱壓縮,形成溫度高達(dá)400℃~600℃的灼熱點(diǎn),從而激發(fā)乳化基質(zhì)的爆炸;當(dāng)氣泡尺寸過大時(shí),氣泡壓縮將不再是絕熱壓縮,而是等溫壓縮,無法產(chǎn)生高溫成為激發(fā)乳化基質(zhì)爆炸的熱點(diǎn)。由此可見,無論采用何種氣體敏化方式,都必須通過足夠的攪拌,將氣泡、敏化劑或發(fā)氣劑充分分散,方能保證敏化氣泡的最終尺寸盡量小、數(shù)量足夠多。通常要求氣泡直徑小于100μm[2],最好是50μm以下;氣泡分布密度一般達(dá)到104個(gè)/cm3~107個(gè)/cm3。
實(shí)際上,乳化基質(zhì)在敏化機(jī)內(nèi)與物理或化學(xué)敏化劑攪拌混合的過程中,由于自身的黏度作用,不可避免地也會(huì)將外界的氣體吸留住,并不斷地在攪拌過程中將此部分氣體進(jìn)一步破碎、細(xì)化和分散,因此,無論是物理敏化還是化學(xué)敏化過程,都是一個(gè)綜合的、復(fù)合的敏化過程。雖然充分的攪拌與捏合對氣泡的分散與細(xì)化是有利的,但由于乳化基質(zhì)在經(jīng)過多次的揉合、攪拌后其結(jié)構(gòu)會(huì)受到一定程度的破壞,出現(xiàn)滲水、分層甚至析晶等現(xiàn)象,因此,過多的攪拌對乳化基質(zhì)和乳化炸藥的貯存穩(wěn)定性不利。
3種單一的氣體敏化過程所需要攪拌的次數(shù)和時(shí)間由少至多依次為:物理方法<化學(xué)方法<機(jī)械方法;相應(yīng)的攪拌作用對乳化基質(zhì)的破壞程度由小到大依次為:物理方法<化學(xué)方法<機(jī)械方法。在同樣或相當(dāng)?shù)拿艋潭认?,采用機(jī)械方法敏化的乳化炸藥最容易出現(xiàn)滲水、分層等現(xiàn)象,貯存期最短。
采用膨脹珍珠巖等物理敏化方式時(shí),在攪拌過程中,膨脹珍珠巖等氣泡載體在攪拌機(jī)構(gòu)和乳化基質(zhì)的摩擦、擠壓等外力作用下會(huì)遭到相當(dāng)程度的破壞,這也就是實(shí)際加入量往往高于理論加入量的主要原因。珍珠巖等載體本身或遭到破壞后產(chǎn)生的不規(guī)則表面與棱角刺入到乳化基質(zhì)的薄膜深層,會(huì)破壞乳化基質(zhì)薄膜的穩(wěn)定;同時(shí),乳化基質(zhì)具有良好的塑性,在貯存的過程中,基質(zhì)薄膜會(huì)逐漸滲入到膨脹珍珠巖等載體的微孔系內(nèi),破壞氣泡的保持[2],而且產(chǎn)生的破壞后果是不可恢復(fù)的。相比之下,采用化學(xué)敏化方式,即使產(chǎn)生的敏化氣泡遭到破壞,也會(huì)由于化學(xué)敏化本身就是化學(xué)反應(yīng)物過量的反應(yīng),在隨后的貯存過程中,隨著氣泡的逸失,化學(xué)平衡會(huì)自動(dòng)向著生成敏化氣泡的方向移動(dòng),起到修復(fù)敏化氣泡的作用。因此,雖然采用膨脹珍珠巖等物理敏化方式生產(chǎn)的乳化炸藥在生產(chǎn)當(dāng)日的爆轟性能可能會(huì)高于采用化學(xué)敏化生產(chǎn)的炸藥,但貯存穩(wěn)定性要低于后者。
采用珍珠巖物理敏化和發(fā)泡劑H等化學(xué)敏化相結(jié)合的復(fù)合敏化方式時(shí),其中的珍珠巖顆粒在與乳化基質(zhì)的攪拌、揉合過程中雖然會(huì)發(fā)生一定程度的破裂,原先保持的氣泡(主要成分是空氣)也會(huì)相應(yīng)地逸失,但由于相對滯后產(chǎn)生的化學(xué)敏化氣泡(主要成分是氮?dú)猓┑难a(bǔ)充,最終使得乳化基質(zhì)仍然能夠保持相當(dāng)數(shù)量的敏化氣泡。珍珠巖顆粒是由酸性火山玻璃質(zhì)熔巖經(jīng)破碎、預(yù)熱、焙燒而制成,主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等,使用溫度低于400℃,成分的熔點(diǎn)多高于乳化體系內(nèi)主要成分的熔點(diǎn)[3],即使珍珠巖顆粒內(nèi)的氣泡體系遭到破壞,也會(huì)由于自身的高熔點(diǎn)和高硬度等物理特性對乳化體系起到另一方面的敏化作用——固體敏化作用,從而使乳化體系在敏化作用方面得到一定程度的補(bǔ)充。另外,相對硬度較高的珍珠巖(包括微孔結(jié)構(gòu)已被破壞的部分)也可作為化學(xué)敏化氣泡依附的載體,提高氣泡保持的穩(wěn)定性和承壓性。不過,乳化體系的貯存穩(wěn)定性在一定程度上也會(huì)受到破碎珍珠巖的尖刺破壞作用的影響。
綜上所述,采用物理敏化、化學(xué)敏化和復(fù)合敏化方式生產(chǎn)的乳化炸藥的貯存穩(wěn)定性由弱到強(qiáng)的排列依次為:物理敏化<復(fù)合敏化<化學(xué)敏化,也可能是:物理敏化<化學(xué)敏化<復(fù)合敏化,這主要取決于珍珠巖顆粒的破壞程度。此外,采用復(fù)合敏化技術(shù)可使乳化基質(zhì)體系獲得更為細(xì)致、豐富和穩(wěn)定的敏化氣泡或“熱點(diǎn)”,提高炸藥的敏感度,同時(shí)確保乳化炸藥在較高的密度下仍可獲得穩(wěn)定的爆轟,為提高炸藥的爆速和猛度創(chuàng)造了條件。物理敏化和化學(xué)敏化結(jié)合的復(fù)合敏化技術(shù)能夠發(fā)揮物理敏化和化學(xué)敏化的優(yōu)點(diǎn),取長補(bǔ)短,從而獲得近乎理想的敏化效果[4-5]。
以原乳化基質(zhì)配方為基礎(chǔ),敏化劑加入量如第頁表1。將100kg~150kg乳化基質(zhì)晾至55℃~60℃,與50kg~100kg溫度在95℃~105℃的熱基質(zhì)先行在敏化攪拌機(jī)內(nèi)適當(dāng)攪拌混合,再按各自敏化工藝要求加入相應(yīng)的敏化劑進(jìn)行攪拌混合。待密度或溫度達(dá)到工藝要求時(shí)出料,并送到裝藥或保溫工序備用。若采用復(fù)合敏化工藝,則在攪拌時(shí)先加入化學(xué)敏化劑攪拌3min~4min,再加入一定量的物理敏化劑繼續(xù)攪拌2min~3min。若采用化學(xué)敏化工藝,出料后還應(yīng)在保溫工房內(nèi)適當(dāng)保溫30min~50min,待密度下降 到 1.20g/cm3~1.25g/cm3時(shí)方 可 送 去 裝 藥 (敏 化 劑 3.0% ~4.0%;1.0%~1.5%。發(fā)泡劑 H 0.10%~0.20%;0.10%~0.12%),測定其密度及其他性能。
試驗(yàn)可見,采用復(fù)合敏化方式可以兼取多種單一氣體敏化方式的長處,不但可通過較低的生產(chǎn)成本獲得比采用珍珠巖等物理敏化方式更為穩(wěn)定的爆轟性能和貯存性能,而且比采用發(fā)泡劑H等化學(xué)敏化方式具有更高的爆轟性能和貯存性能。同時(shí),也會(huì)具有更高的抗壓性能及一定的敏化氣泡自修復(fù)功能,更適合于水下爆破工程的應(yīng)用。
表1 受壓前、后的乳化炸藥性能①
采用復(fù)合敏化技術(shù),能夠兼取物理敏化和化學(xué)敏化等多種單一氣體敏化技術(shù)的多種優(yōu)勢,籍此制造的乳化炸藥更適合于深水條件下的工程爆破。2002年5月至今,我廠采用復(fù)合敏化技術(shù)生產(chǎn)的巖石型乳化炸藥,已在泉州和廈門兩地的海港航道改造工程及其他工程中得到了應(yīng)用,目前已生產(chǎn)1 800t以上,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,充分滿足了用戶的需要??偨Y(jié)其優(yōu)點(diǎn)主要有:1)能夠有效改善炸藥的外觀形態(tài),硬度大、成型好;2)敏化氣泡具有較強(qiáng)的承壓能力和自修復(fù)能力;3)能夠使乳化基質(zhì)體系獲得更為細(xì)致、豐富和穩(wěn)定的敏化氣泡,或更易于產(chǎn)生“熱點(diǎn)”;4)能夠有效提高炸藥的殉爆、爆速和猛度等爆轟性能;5)與采用單一珍珠巖物理敏化方式相比,生產(chǎn)成本明顯降低,產(chǎn)品的承壓性和貯存穩(wěn)定性也更高。
[1] 汪旭光.乳化炸藥[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1986:141-143,227-229.
[2] 呂春緒.膨化硝銨炸藥[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2001:72-743.
[3] 呂春緒.工業(yè)炸藥[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1994:125-127.
[4] 閆泉?jiǎng)?復(fù)合敏化劑在乳化炸藥中的應(yīng)用[J].爆破器材,2004,33(6):225.
[5] 王自軍.幾種乳化炸藥敏化方式的比較[J].煤礦爆破,1999(1):5-7.