金屬爆炸焊接專用炸藥的配方研究

侯志明

（福建海峽科化股份有限公司，福建 三明 366000）

新型金屬復合材料已廣泛應用在石油、船舶、海水淡化、化工、水利、電力、機械加工、城市建設等諸多領域。國內企業年產能難以滿足目前國內市場需求。福建海峽科化股份有限公司致力于打造鈦金屬復合板項目，本文對福建海峽科化永安分公司的膨化硝銨炸藥進行了現場金屬板焊接試驗和現場測試，發現試驗金屬板焊接成型率低且金屬板焊接處凹凸不平，效果不良。結合國內外關于金屬爆炸焊接炸藥的文獻闡述及現場專業技術人員討論[1]，認為現有炸藥配方及爆炸性能主要針對的是礦山開采、土石方爆破工程而設，爆速偏高，做功能力偏強，無法滿足金屬板爆炸焊接的需要。所以，本文進一步闡述了現場試驗結果與預期結果不相符的原因，并提出金屬焊接專用炸藥的配方方案修正建議。

1 2 號巖石膨化硝銨炸藥配方和生產工藝

膨化硝銨炸藥連續生產線在福建海峽科化股份有限公司年產能1.1 萬t，于2018 年完成轉產驗收并投入使用。該生產線現狀為1.1 級危險工房，在線人員5人，生產設備出自南京理工大學研發設計，生產過程工序的質量控制指標、工藝條件和參數、操作步驟及技安等都有嚴格的限定和要求。膨化硝銨炸藥主要原材料為硝酸銨水溶液、木粉、炸藥專用蠟，經真空膨化、連續混藥等工藝流程后包裝成Φ32 mm 藥卷，藥卷質量指標和儲存性能達到或超過國內同類領先產品。

2 膨化硝銨炸藥配方調整

為了降低膨化硝銨炸藥在金屬爆破焊接的做功能力，減小炸藥對金屬板的沖擊力，降低金屬板變形的程度，在炸藥原有生產工藝與流程穩定不變情況下，對2 號巖石膨化硝銨炸藥混合方式和配方進行篩選式試驗，調試出最佳配方方案。目前，根據最佳配方制作出的膨化硝銨炸藥已能滿足金屬爆炸焊接行業的生產需求。

在分公司現有生產的膨化硝銨炸藥產品上，通過對膨化炸藥成分組合的優化重組和混拌機制的升級改造，克服了膨化硝銨炸藥的高爆速、高猛度的缺陷，提高了其松散度和性能的穩定性。在與客戶對接爆炸焊接試驗過程中，根據試驗數據與理論的最優設計，確定金屬爆炸焊接專用炸藥的最優組分及結構。膨化硝銨炸藥配方如表1 所示。

表1 膨化硝銨炸藥配方（單位：%）

膨化炸藥的性能不僅受配方組成的影響，還與材料的質量、生產工藝有關。膨化炸藥的流水線生產工藝設備簡單、易操作，有良好的安全性，在膨化炸藥配方設計時要考慮與生產工藝的匹配度問題，以達到工業炸藥的生產需求。

經調查，國內現行的金屬爆炸焊接所使用的炸藥存在如下缺陷：所用炸藥品種中如RDX、PETN、TNT等炸藥，安全性低、毒性大、生產環境和條件惡劣；現行炸藥配方及爆炸性能主要針對的是礦山開采、土石方爆破工程而設，爆速偏高；未見有相關的產品技術標準，也未見能真正應用于金屬爆炸焊接工程的產業化研究。金屬爆炸焊接炸藥配方設計一般是在炸藥顆粒松散度、爆轟理論和氧平衡原理等理論上，通過調節配方組成得到的，通過單因素試驗考察添加稀釋劑種類和含量對金屬爆炸焊接炸藥的松散度和爆轟性能的影響，并根據經濟性和安全環保性來優化并確定金屬爆炸焊接炸藥的最佳配方。

2.1 金屬爆炸焊接專用炸藥稀釋劑種類的選擇方案

金屬爆炸焊接工藝對所用炸藥有著很嚴格的限定要求，所用炸藥的爆速一般在2 000 m/s 左右，殉爆、猛度適當，通常金屬復合板的面積越大，覆板延展性會越差，所用炸藥的爆速就應當越低。在金屬焊接爆炸專用炸藥配方選擇過程中，經資料查詢及工藝評估后，選用了珍珠巖、食鹽、玻璃微球、滑石粉為此次方案選擇的考察對象。在原有的膨化硝銨炸藥基礎上分別加入珍珠巖、食鹽、玻璃微球和滑石粉混合制成炸藥樣品，經性能檢測后得出：食鹽在爆炸過程中能減緩爆轟波的傳播速度，可以很好降低炸藥的爆速，但是加入食鹽的膨化硝銨炸藥更易吸潮結塊，容易影響炸藥的使用性能；珍珠巖和玻璃微球因其內部含有大量微孔，所以不參與反應且減低了炸藥成分占比和密度，但由于其制成炸藥產品呈蓬松狀，在炸藥存放、搬運過程中容易被壓實，導致炸藥爆轟不穩定、傳爆不力；滑石粉為金屬氧化物材料，不參與爆炸反應且降低炸藥成分占比，可降低炸藥的爆速，但其混合制成的炸藥密度增加過大。綜上所述，本文通過性能比對，選擇珍珠巖和滑石粉的混合物（玻璃微球價格貴）作為稀釋劑。

2.2 金屬爆炸焊接專用炸藥稀釋劑用量的選擇方案

金屬爆炸焊接專用炸藥配方的選擇對混合炸藥的爆速有很大的影響[2]，在配方種類確定情況下，探索配方各組分的含量占比對混合炸藥的性能的影響顯得尤為重要。在膨化硝酸銨、木粉與復合油相之間占比不變的情況下，稀釋劑以5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%占比不斷加大的使用量分別制備出金屬爆炸焊接專用炸藥的樣品，考察它們的炸藥性能密度、爆速指標以及松散度。在樣品松散度檢測方法上，使用了傳統的傾斜量筒法，用角度測量儀器測出各樣品傾倒完畢的傾斜角度，傾斜角度越小表示該樣品的松散度越好。經樣品現場性能檢測得出炸藥樣品具體試驗數據，如表2 所示。稀釋劑加入量不同占比炸藥的爆速數據圖如圖1 所示。

表2 稀釋劑加入量不同占比情況下炸藥的密度、爆速等情況表

圖1 稀釋劑加入量不同占比炸藥的爆速數據圖

3 新配方金屬爆炸焊接專用炸藥的性能分析

從表2 數據中可以看出，在保證稀釋劑與原膨化硝酸銨炸藥混合均勻的情況下，在稀釋劑加入量不斷加大時，炸藥的性能如密度、爆速等呈逐步降低趨勢，松散度得到進一步優化。說明選擇珍珠巖和滑石粉作為稀釋劑材料是能夠與原膨化硝銨炸藥很好地相容，在松散度方面還有很好的改善。由于珍珠巖和滑石粉沒有相應的爆炸能量，所以隨著它們占比的加大，炸藥的爆炸成分被稀釋，體現在爆炸性能的爆速指標上呈現逐級遞減。查閱《2015—2020 年中國金屬爆炸復合板行業現狀分析與發展前景研究報告》等相關文獻，中國金屬爆炸焊接行業所需的金屬爆炸焊接炸藥，一是要符合GB 28286—2012《工業炸藥通用技術條件》標準要求；二是要滿足流散性好、易于鋪藥的要求；三是大致爆炸性能范圍如爆速在1 800～2 400 m/s 之間。如表2、圖1 所示，稀釋劑加入占比在20%～40%之間可以很好地滿足爆炸焊接所需的炸藥性能且不會失去炸藥的雷管感度。

4 新配方金屬爆炸焊接專用炸藥試驗生產

金屬復合板即由2 塊或多層板爆炸焊接而成。福建海峽科化股份有限公司采用鈦板和鋼板進行爆炸焊接試驗，二者之間保持一定間隙，鋼板用焊于基板四周的鐵絲作支撐。鈦板上均勻鋪上福建海峽科化股份有限公司新研制的金屬爆炸焊接專用炸藥，藥框用木板制作，基礎是石沙堆或泥地，具體工藝裝置如圖2所示。

爆炸焊接后，將鈦鋼金屬復合板焊接面剖開，在金相顯微鏡下觀察，可看到細微的波狀結構。經分析，得出兩金屬線己彼此滲入到對方的組織中，焊接效果符合技術要求。因此，福建海峽科化股份有限公司新研制的金屬爆炸焊接專用炸藥具有性能穩定、流散性好、爆炸均一性好等特點。利用添加適當的稀釋劑配制爆炸焊接專用炸藥，可以較好地適應爆炸焊接對炸藥性能和安全的要求。

圖2 金屬板爆炸焊接工藝設備圖

5 結束語

通過對膨化硝銨炸藥組分混合體系中稀釋劑變化的研究，證明新配方組分材料的調整對膨化硝銨炸藥的爆炸性能有一定規律的影響。在加入稀釋劑的情況下，新配方的膨化硝銨炸藥的爆速變化能很好地滿足金屬板爆炸焊接行業對專用炸藥爆炸性能的需求。在炸藥零氧平衡原則下，優選出膨化硝銨炸藥配方組分的種類和含量，研制出一種爆炸性能適宜、炸藥顆粒松散度良好、無環境污染的金屬爆炸焊接專用炸藥。在此基礎上，仍有一些問題需要進一步研究和探討，主要有以下3 點：①膨化硝銨炸藥固有的易吸潮、不抗水的缺陷未得到有效解決，無法適用于大量生產推廣。②制造金屬爆炸焊接專用炸藥的關鍵技術是爆炸性能降低至適用范圍，由于炸藥在某一特定條件下會產生極強的破壞力，因此，其應用于焊接行業生產過程應該是嚴格控制的。基于這一點，針對生產實際情況，對金屬爆炸焊接專用炸藥的熱感度、撞擊感度、雷管感度進行了試驗研究。③將研究成果與金屬板爆炸焊接工程實踐相結合，炸藥的混合不均勻造成的爆炸能量不均勻或爆炸能量的不匹配，皆易造成焊接后的金屬板平整度不良等問題。