吸收药定量加料工艺设备安全性分析

景 青，苏 杨

（西安近代化学研究所，陕西 西安 710065）

火炸药生产工艺发展趋势应朝着提高质量和本质安全程度、降低成本方向发展.这就要求火炸药生产应该连续化、自动化、智能化，柔性化，随着信息科技的发展，这些要求有了更好的支撑.在现代火炸药制造工艺中，物料的连续定量加料变得越来越重要，但是火炸药生产中很多原材料本身是一种具有爆炸危险性的含能材料，这就使得在民用行业相对成熟的物料定量加料技术、设备不能照搬照用，它有着不同于一般加料装置的特殊性.因此，针对火炸药生产当中含能原料的定量加料工艺设备安全性研究具有重要意义，同时针对不同物料要区别对待，现代火炸药生产当中，很多原料本身就是一种含能材料，比如推进剂压延工艺中用到的高固体含量吸收药、新型炸药生产中用到的黑索金，这些物料又有各自的特点，高固体含量吸收药有一定的含水率，但是流动性不好，黑索金流动性好，但是容易产生静电积累，本文主要针对压延工艺中高固体含量吸收药应用失重式定量加料方法的安全性做主要研究.

1 失重式计量喂料器特性分析

物料定量加料装置在塑料、食品加工、化工生产领域已经大量应用，先进技术层出不穷，失重式计量喂料器是连续给料计量的自动化衡器，它克服了传统配料系统的间隙式生产的缺点，采用PID闭环控制、变频控制等技术有效地实现解决了实时控制和动态计量精度的矛盾，兼有静态秤、动态秤特点.

通过试验得到数据，加料精度满足技术要求，均匀性较好，系统运行稳定，但有物料堆积、打拱现象，这会引起物料的先进先出性、同时会引起物料长时间与输送装置的摩擦，极端情况下加料螺旋还有可能会与螺旋输送套筒发生金属摩擦、撞击，出料口瞬时流量不均匀，说明失重式计量控制系统在加料精度上基本满足应用条件，安全性上却不能满足，再次证明，普通民用定量加料装置不能直接应用于火炸药生产当中，必需针对火炸药生产特点，在安全性上精心设计、验证，不仅能满足加料精度，更加重要的是安全生产，装置要有本质安全性.

2 物料流量特性及受力分析

根据库伦摩擦定律，当物料与物料之间由静止到开始滑移时，滑移面上的切应力τ与正应力σ成正比，即

式中:μc是物料的摩擦系数；c是初抗剪强度；φi是物料的内摩擦角.

物料与壁面的摩擦也满足库仑定律，若壁面摩擦角为φw，此时

当任一平面上的应力为τ<μcσ+c时，物料处于静止状态.当某一平面上的应力满足库仑定律τ=μcσ+c时，物料将沿该平面滑移.对螺杆加料器来说，其工作过程就是物料在重力和螺旋推动力的作用下不断克服物料与物料、物料与壁面之间的剪切应力后产生相对位移.

在实际科研生产中，高固体含量吸收药主要成分为黑索金、硝化甘油、硝化棉，这种混合物料虽然有一定的含水率，但还是应该考虑物料本身的摩擦感度，应使前面分析的剪切力τ=μcσ+c小于物料摩擦感度最小受力

3 打拱（也叫架桥）现象引起的安全性问题

出现此种情况是由于物料的流动性不好，物料与料斗摩擦系数太大、物料之间的内摩擦系数太大、料斗的锥角太大等因素导致物料在加料口上方形成一个拱形的料塞，这将会造成进料不均匀甚至中断，可采取降低物料高度、减小料斗锥角、增加机械搅拌等办法，而高固体含量吸收药黏度较大，这些措施效果不明显，为解决此问题，考虑采用一种弹性料斗，材料为导电橡胶一体成形，在料斗外部设计一组非对称揉捏机械装置，使加料斗在工作当中整体处于一种不停变化的状态，可以完美解决堆料、打拱现象，此种料斗在国外个别产品上有应用，需要加强的是料斗材料应采用导电橡胶定做，导电橡胶应满足一定的韧性和导电率.

4 出料口速度瞬时均匀性不好的安全性分析

为了了解物料的流动规律，通过透明套管来观察物料在螺纹槽内的运动.从图1可以看到，在垂直于螺杆轴线的截面上固定弧段（一般在套管顶部附近）内的物料总是随螺杆转动，可将这个弧段称之为滞止区，而在套管底部附近的大部分物料随着螺杆转动在套管内滑动，并沿轴向移动，可将这一弧段称之为滑移区.由于在螺杆转动时，滞止区内的物料以一定的质量流量从一端进入滑移区，同时滑移区内的物料又以相应的质量流量从另一端进入滞止区，这就使得滑移区内的部分物料也有一定的周向运动.另外，在沿螺杆轴向各截面上的固体物料在螺纹槽内的流动分布并不相同，从加料器进口段到出口段滞止区内物料经历了从多到少直到最终消失的过程.出现上述现象是因为滞止区内的物料没有轴向运动，使得套管内的料位沿轴向越来越低，当料位降低到使处在料位最上端的物料所受到壁面的剪切力也能被其他力克服时，将不再有物料随螺杆一起转动，就出现了如图1b所示的情况，即滞止区内没有物料，此后套管内的料位将不再变化.

图1 物料流型分布示意图

图2 出料通道宽度变化示意图

一般情况下,卸料口开在套管的下部,常常为圆形或矩形，物料在螺杆的推动下进入出料通道依靠自身的重力自由落下.图2a—图5d分别显示了θ为900、1800和2700时的出料通道宽度.显然,螺杆旋转一周,出料通道的宽度变化一个周期.相应地颗粒出料是从0到突然以整体流的形式快速出料，随后流量越来越小直到几乎为零，完成一个周期.在一个脉动周期内可以分为高速下料段和低速下料段，且很有规律性，因此加料螺旋可以考虑用双螺旋加料，同时应充分考虑此种流量特性，调整加料螺旋相位，使得一个加料螺旋的高速下料断与另一加料螺旋的低速下料断形成互补，则可以使加料器出口脉动大大降低，达到实现流量均匀化的目的.

5 静电危害现象及预防措施

火炸药本身是绝缘体，它们同时又是静电放电的敏感物质，显然针对不同的环境，不同的对象，应该有不同的防静电危害的技术和措施，虽然高固体含量吸收药有一定的含水率，但静电危害不能掉以轻心.

设静电危险场所的爆炸性混合物的最小点火能为Wmin，导电体与带电体间的电容为C，临界电压为Uk，带电体的电压为U，则在放电过程中静电源释放出的能量为：

此能量不至引燃爆炸混合物的条件应为：

式中α是恒小于1的安全系数

解上式可得带电体的电压应满足：

也就是说，当带电体的静电位不超过上式所确定的数值时，导电体上的放电火花不会点燃爆炸性混合物.为减少带电体上静电位，针对研究内容，可以采取下面的措施.

5.1 提高环境的相对湿度，由资料可知，火炸药、电火工品等生产、储运环境中推荐的安全温、湿度如表二所示.当然，增加空气湿度应以不损坏机器设备、不危及产品质量为原则.

5.2 跨接（接地法）：这是目前应用最广泛而且切实可行的办法.

在火炸药行业存在的静电危险场所，一般允许的最大静电电位值即危险电位值约为100V；另外，在目前的工业水平下，实际生产中静电起电电流的范围为10－11～10－4 A.

5.3导电涂层——物理方法消除物料加料过程中的静电，就是在加料系统与物料摩擦的接触面上涂覆复合涂层，通过调整复合涂层的组分和比例，使介电涂层得失电子的能力与物料得失电子的能力相同或相近，从而减少物料的摩擦起电量；同时还通过减小复合介电涂层的电阻值，以增大静电泄露率.

6 结束语

失重式定量加料工艺可以满足计量精度要求，但应用于火炸药行业还有许多安全性技术问题需要解决，主要表现为物料打拱、流量脉动性、摩擦力及摩擦起电现象，针对物料打拱可采用弹性料斗；针对流量脉动可采用相位互补双螺旋结构；针对摩擦起电可采用导电涂料、安全接地、无源静电消电器等综合措施.这些方法、工艺是一项系统工程，需要进一步的设计、试验验证，例如弹性料斗材料的导电系数、抗撕裂性；加料螺旋的流量系数设计；静电导电涂层的导电率、附着性、耐用性等问题，解决好这些问题之后，新的定量加料装置不单可以满足压延工艺生产需要，同时该工艺装置研制方案可针对固态、粉料、半固态原料设计不同加料及输送装置，还可以应用于压延工序、胶化工序、双螺杆成型、合成工艺等众多工序中.

〔1〕陆福一，耿兴国，等.用物理方法控制推进剂组份在加料中的静电.中国物理学会第八届静电学术年会，1999[分类号]:V512;O 441.

〔2〕中国北方化学工业总公司.火炸药理论与实践，2000.

〔3〕王顺森,毛靖儒,刘观伟.颗粒加料器流量脉动产生的机理及抑制新方法.西安交通大学学报，2005,39(11).

〔4〕范祖尧.现代机械设备设计手册.非标准机械设备设计[Z].北京：机械工业出版社，1996.

〔5〕洪勇.粉体力学与工程[M].北京：化学工业出版社教材出版中心，2003.

〔6〕刘尚台，等.静电理论与防护[M].兵器工业出版杜，1999．