東非地區中低溫敏化技術生產乳化炸藥的組分與性能分析?

孫永江 江利民

中國萬寶工程有限公司(北京，100052)

引言

乳化炸藥是一種油包水(W/O)乳膠型的抗水工業炸藥。它是由硝酸銨水溶液和油相物質在乳化劑機械作用下經敏化劑敏化而形成。生產中的原材料、生產的工藝過程和環境等方面都對乳化炸藥的穩定性具有重要的影響。

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

烏干達平均海拔為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，相對濕度達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，其日照時間長，紫外線強度大。在東非地區生產乳化炸藥，有其氣候條件、材料來源及生產工藝等與國內不同的特殊性。在國內，并沒有與其相類似的氣候環境條件。而且，在東非地區生產乳化炸藥，所有原材料(包括硝酸銨、硝酸鈉、油相、乳化劑、敏化劑等)都需要從國內或其他國家進口，原材料從海運(高溫、高濕運輸)及陸運的時間長達一、兩個月。在這樣的東非氣候條件及原材料來源等特殊條件下生產乳化炸藥，產品質量有一定波動，從而會對乳化炸藥性能有一定的影響。對于東非地區生產乳化炸藥的組分及性能，國內外在這方面的研究幾乎是空白。

本文中，從實際生產經驗分析了東非地區特定環境下2＃巖石乳化炸藥的組成對產品性能的影響。利用東非中低溫敏化乳化炸藥生產線進行了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個主要組分及種類對乳化炸藥性能的影響。為國內一帶一路走出去的相關民爆生產企業及在非洲地區的基礎設施建設單位提供借鑒。

1 水相組分

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

1.1 水的質量分數

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，含水量對乳化炸藥的穩定性、爆炸性能有顯著影響，如表1所示。

表1試驗結果表明:一定范圍內，隨著水的質量分數增加，水相體系和乳膠基質密度降低，而乳化炸藥爆速和殉爆距離在達到峰值后出現下降。因為在一定范圍內，水的質量分數增加，必定導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，導致爆熱逐漸下降，爆炸性能下降，水相的析晶點下降，不易析晶，穩定性提高[1]。當水的質量分數低于10.0%時，水相的析晶點上升，新產品爆炸性能好；但是，析晶點過高，造成儲存期內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，穩定性下降。當水的質量分數在10.0%時，270 d儲存時間產品的爆轟距離為4 cm；當水的質量分數為9.5%時，270 d儲存時間產品的爆轟距離僅為3 cm。因此，東非特定的環境條件下，2＃巖石乳化炸藥中水的質量分數控制在10.0%～10.5%之間，乳化炸藥穩定性和爆轟性能較好。

1.2 硝酸銨和硝酸鈉的配比

中低溫敏化技術生產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程中的主要能量來源，也是維持炸藥爆轟過程中自供養體系的氧化劑。硝酸銨是制備乳化炸藥的主要成分，硝酸銨純度的不同，使硝酸銨析晶點不一樣，造成晶變狀態不同，影響油膜包覆效果，進而影響產品儲存期的各項性能[2-3]。純度高的硝酸銨生產的乳化炸藥產品性能更加優良。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，提高分散相的運動黏度，使分散相晶粒在較低溫度時仍保持可靠的結晶聚集狀態。但硝酸鈉中含有金屬元素鈉并參與爆炸反應，在參與爆炸反應的過程中要奪取體系中的一部分氧而生成氧化鈉，而凝聚態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，直接影響著乳化炸藥的爆轟性能和儲存性能。調整水相體系中硝酸銨和硝酸鈉的比例(水的質量分數保持11%不變)，對比分析了水相體系中硝酸鈉對析晶點和性能的影響，見表2和表3。表2中，水相添加劑為乳化改良劑，按水相總質量外加。

從表2和表3可以看出，因硝酸銨溶解溫度系數較大，水相體系中硝酸銨、硝酸鈉的質量比過大，造成水相析晶點偏高，不利于生產和安全的控制；同時，水相材料在炸藥儲存期中更易析晶，從而影響儲存性能。硝酸鈉溶解溫度系數相對較小，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，有利于炸藥生產工藝的控制和儲存穩定性的提高。但是過多的硝酸鈉對炸藥的爆轟性能有一定的影響，同時也增加了制造成本。當水相體系中硝酸鈉質量分數為8.0%～8.5%時，水相析晶點適中，乳化炸藥爆轟性能好，產品儲存穩定，儲存期可達270 d，藥卷狀態良好，爆轟感度和爆速均佳。

表1 水的質量分數對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析晶點的影響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對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 復合油相

復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、爆炸性能和穩定性[6-7]。乳化劑為乳化炸藥生產中非常關鍵的原材料，通過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介質中，形成穩定的油包水結構的乳化基質[8]。目前，大部分為復合乳化劑，由Span80乳化劑和高分子乳化劑混合而成。復合油相材料各生產廠家配方各異，組分相差較多，直接影響乳化炸藥的產品質量和生產安全性。乳化炸藥生產中水、油相的配比關系著炸藥的氧平衡，影響著乳化炸藥的爆轟性能和儲存性能，也直接決定著爆炸后有毒氣體的含量。通過調整炸藥體系中復合油相的含量，研究其對炸藥性能的影響，數據見表4(運動黏度為100℃時測得)。

表4結果證明，將Span80、高分子乳化劑按一定比例直接加入復合油相后，海、陸運到廠，復合油相與混合乳化劑有著良好的乳化疊加效果，形成穩定的乳膠體，而且隨著乳化劑用量的增加，乳化效果必然會有所提高[6]，儲存期增長。采用復合油相(含乳化劑)，炸藥的初始性能及儲存穩定性均較理想，且藥體的外觀狀態及彈塑性較好。按技術轉讓方的炸藥中油相質量分數6.5%的配方設計，接近零氧平衡(偏負氧)，試驗可見，微調復合油相(含乳化劑)對炸藥的初始性能影響不大；但是到180 d或270 d的儲存期后，當復合油相(含乳化劑)的含量增加時，炸藥的穩定性有所增加，但是生產成本會有所增加，這就需要工廠根據銷售情況和客戶需求酌情調整。

3 敏化劑

3.1 化學敏化劑對乳化炸藥性能的影響

敏化是乳化炸藥生產中非常關鍵的工序。在乳化基質中混入均勻、分散的微小氣泡，使其在受到外界起爆能的作用時形成熱點，激發炸藥的爆轟性能[9]。化學敏化因敏化效果好、生產成本低，被廣泛采用。化學敏化劑一般由發泡劑和促進劑組成。發泡劑一般選用易發生水解反應而產生氣泡的鹽類物質，促進劑則為發泡劑提供特定的環境，提高發泡劑的化學反應速度。工廠地處非洲，氣候較為炎熱，故選用亞硝酸鈉(國內發運)、發泡劑B和水按一定質量比(2︰4︰4)配制成的復合發泡劑。亞硝酸鈉起主要發泡作用，發泡劑B為輔助作用。因原料易得，效果明顯，使用體積分數為85%的磷酸(當地購買)和水按一定的質量比(1︰7)配制成促進劑。通過敏化機構(美國專利)在中低溫的條件下完成化學發泡。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敏化劑加入量對乳化炸藥初始性能和儲存期影響如表5所示。表5中，亞硝酸鈉和85%磷酸的加入量按復合發泡劑和促進劑的配制比例計算。

由表5可見，對化學敏化劑加入量進行一定范圍的調整，炸藥的初始檢測性能都非常的好，僅僅是藥卷硬度差別大，影響生產過程中裝藥和包裝操作。但是，化學敏化劑的加入量對炸藥的儲存性能影響較大。發泡劑加入量過大，質量分數達到0.60%時，藥卷硬度大，不利于裝藥包裝；同時，乳化基質產生的氣泡粒徑較大，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。儲存期到270 d時，炸藥感度已經很低，殉爆距離為3 cm。發泡劑加入量太少時，發泡時間長，藥卷狀態差，影響爆破裝藥，不利于客戶使用；并且，炸藥在儲存期內感度下降也很明顯。根據實踐得出組分使用量(質量分數):發泡劑為0.45%(亞硝酸鈉0.09%)、促進劑為0.38%(磷酸0.047 5%)。此時，敏化效果好，發泡均勻，氣泡大小合適，藥卷狀態好，儲存期穩定。

3.2 敏化發泡速度和后效

敏化速度和后效問題不僅影響著乳化炸藥的性能和儲存期穩定性，還關系著生產過程中的安全和生產效率管理。亞硝酸鈉化學發泡敏化機理為:亞硝酸鈉在酸性環境中發生水解反應，產生微小氣泡，通過敏化機構來敏化乳化基質。促進劑磷酸為亞硝酸鈉提供酸性環境，提高其化學反應速度，通過調整磷酸和水的配比來控制酸值大小，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]。試驗結果如表6所示。表6中，t1為裝藥機固定轉速工況下，藥卷打完卡后到發泡至藥卷最大硬度的時間；L1為2 h后藥卷的長度變化；L2為12 h后藥卷的長度變化。

采用亞硝酸鈉復合發泡劑，以磷酸為促進劑進行混合發泡。敏化溫度和促進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℃為東非地區中低溫敏化技術乳化炸藥生產線的最佳敏化溫度。敏化溫度過低時，發泡時間長，影響后續包裝工序的操作。敏化溫度過高，達到70℃時，發泡速度過快，對裝藥的質量和安全性存在不利的影響。從試驗對比的情況來看，這種敏化方式后效非常小，有利于生產工藝控制和產品質量管理。

4 結論

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

表4 復合油相(含乳化劑)質量分數對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 化學敏化劑質量分數對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 敏化溫度和促進劑配比對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)水的質量分數控制在10.0%～10.5%時，生產的2＃巖石乳化炸藥的穩定性、爆炸性能較好。

2)水相析晶點影響著炸藥生產過程中的安全工藝控制和產品性能。水相體系中，硝酸鈉質量分數為8.0%～8.5%時，可以獲得合適的水相析晶點，生產出爆轟性能良好和儲存期穩定的乳化炸藥。

3)油相材料的質量和性能直接影響乳化炸藥的形態、爆炸性能和穩定性。乳化劑Span80和高分子乳化劑加入油相中形成復合油相。當水、油相質量比為93.5︰6.5時，生產出的2＃巖石乳化炸藥爆轟性能良好且儲存穩定。

4)敏化劑的使用量對乳化炸藥的殉爆距離有很大的影響，對儲存期內的炸藥感度影響很大。根據東非地區氣候，采用亞硝酸鈉復合發泡劑和磷酸促進劑的化學發泡方式，在合適的溫度下，能夠很好地控制發泡速度，獲得好的敏化效果，解決了敏化后效問題。

5)東非氣候條件下利用中低溫敏化技術生產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，乳化炸藥儲存期可達270 d以上。