消焰剂对煤矿许用乳化炸药热稳定性的影响

刘 锋，朱 帅



消焰剂对煤矿许用乳化炸药热稳定性的影响

刘 锋，朱 帅

（安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南，232001）

利用改进的铁板实验测试了NaCl、KCl两种消焰剂对煤矿许用乳化炸药热稳定性的影响。实验结果表明：乳化炸药样品的发火延滞期均随着外界环境温度的增加而减小，最高发火温度随外界环境温度的升高而增加；在相同的环境温度下，含有NaCl的煤矿许用乳化炸药的发火延滞期最长，最高发火温度最高，表观活化能最大，含有KCl的乳化炸药次之，乳化炸药最小。研究表明消焰剂的加入可使得乳化炸药的延滞期延长，最高发火温度和表观活化能增加；在含量相同的情况下，含NaCl的乳化炸药的热稳定性优于含KCl的煤矿许用乳化炸药。

煤矿许用乳化炸药；消焰剂；延滞期；热稳定性

乳化炸药是20世纪70年代发展起来的一种新型含水炸药，因其具有良好的爆炸性能、抗水性能和加工方便、原料丰富、成本低廉等优点，得到了日益广泛的关注与应用。作为煤矿许用乳化炸药中的一种成分，消焰剂在炸药爆炸时能够降低爆炸产物的温度，减少爆炸火焰与缩短爆炸火焰的持续时间，抑制瓦斯的氧化反应，目前乳化炸药使用最常用的消焰剂是氯化钠（NaCl）与氯化钾（KCl）。

文献[1]用差示扫描量热仪（DSC）测试了二级和三级煤矿许用乳化炸药放热分解反应的起始温度和峰顶温度，用Kissinger法计算了该反应的动力学参数。文献[2-4]用加速度量热法（ARC）测试了安全乳化炸药和普通乳化炸药的热分解特性，得到了两种炸药及其与硫化矿反应的有关热分解动力学参数。本文通过改进的铁板实验测试了敞开环境下氯化钠和氯化钾两种常用消焰剂对乳化炸药在不同恒温条件下热稳定性的影响，得到了敞开环境下煤矿许用乳化炸药的热分解过程特点和活化能，以期为煤矿许用乳化炸药的安全使用提供参考价值。

1 实验

1.1 实验装置

改进的铁板实验装置如图1所示，该装置主要由红外测温仪（带有热电偶及数据记录分析软件）、电加热板、自制加热铁板（带有样品池）、台式计算机等组成。该装置增加了红外测温仪，通过热电偶与铁板连接来测试铁板温度，与计算机连接后通过专用软件与红外光线完成乳化炸药热分解温度的在线测试与记录。本实验采用美国Raytek公司生产的MX4+型高性能红外测温仪（配有热电偶及数据记录分析软件），其测温范围为-30～900℃，显示分辨率为0.1℃，精度（环境温度25℃）为±0.75K，光学分辨率为60∶1，响应时间（95％）为250ms；电加热板为国华DB-2型不锈钢电热板。

图1 实验装置图

1.2 实验样品

所用乳化炸药样品配方如表1所示，其中敏化剂为膨胀珍珠岩，氯化钾、氯化钠为天津市化学试剂三厂生产，分析纯。

表1 乳化炸药样品配方

Tab.1 Formula of emulsion explosive samples

1.3 实验条件及过程

红外测温仪的发射率在0.96～0.98之间，铁板温度为：245℃、250℃、255℃、260℃、265℃，一次实验样品量为1.0g。实验时，使用电压调压器调节电加热板的输入电压，使得铁板温度升到指定温度后，保持恒温(恒温精度为±1℃)，待铁板中间的样品池中锡铋合金熔化后，插入K型热电偶，用精度千分之一天平量取1.0g样品放入铁板另一样品池中，开启红外测温仪，使其发出的红外光线指向该样品池，然后启动测温程序测试乳化炸药样品受热后的温度变化。

2 实验结果及讨论

2.1 实验结果

3种不同样品乳化炸药在不同铁板温度下的热稳定性曲线如图2所示。

图2 3种乳化炸药样品在不同环境温度下的热稳定性曲线

2.2 实验结果分析

（1）从图2可知，乳化炸药样品的热分解过程可分为4个阶段：第1阶段为室温至200℃左右，在该阶段样品受热，表面温度快速升高，外相黏度变小，油相分离，含有NaCl的乳炸药样品升温速率最慢，经历时间最长，含有KCl的乳化炸药样品升温速率和经历时间次之，乳化炸药样品1的升温速度最快，经历时间最短；第2阶段，样品温度基本稳定在200℃左右，在这一阶段，油相吸热碳化，炸药中水分蒸发并伴随着大量的白色烟雾，硝酸铵部分产生分解，该阶段经历时间较长，含有消焰剂NaCl的乳化炸药样品3较为明显；第3阶段，温度从200℃左右至500℃左右，存在一个较高峰值，在该阶段炸药中的硝酸铵大量分解释放出的NO、N2O、O2等氧化性物质与油相碳化后的物质发生剧烈的化学反应，产生燃烧现象（有的样品在这一阶段只发生明显的放热反应，但不燃烧），发出大量的热，温度急剧升高，达到最高值；第4阶段，随着样品在第3阶段产生剧烈的热分解反应导致的物质消耗，体系反应终止，温度急剧下降。

（2）根据图2可知，3种样品在不同加热温度下的发火延滞期和最高着火温度如表2和表3所示。

表2 样品的发火延滞期 (s)

表3 样品的着火峰值温度 (℃)

Tab.3 Maximum ignition temperature of the samples

从表2可知，3种试样的发火延滞期均随着外界环境温度的增加而减小，含有KCl的样品2的发火延滞期比不含有消焰剂乳化炸药的延滞期增加了55s左右，而含有NaCl的乳化炸药的发火延滞期则增加得更多。表3表明3种样品对应的最高着火温度随外界环境温度的升高而增加，在相同的环境温度下，含有NaCl的乳化炸药样品3对应的最高着火温度最高，含有KCl的乳化炸药样品2次之，普通乳化炸药样品1最高着火温度最小。分析原因可能是：NaCl的比热容比KCl的比热容高，使得炸药受热分解的第2阶段中油相碳化、水分蒸发时间更长，同时积累的热量更多，所以含有NaCl的乳化炸药样品延滞期最长，最高发火温度最高。

（3）将Arrhenius公式=·e/RT两边取自然对数，得：

式（1）中：为样品的受热环境温度（即铁板温度），K；为样品在环境温度下的发火延滞期，从样品放入铁板至样品发火的时间间隔，s；为样品的活化能，kJ·mol-1；为系数，与系统特性有关；R为普适气体常数，8.314J·mol-1·K-1。根据式（1）可知，ln与1/呈线性关系。根据一元线性回归方程可求得3种样品的表观活化能分别为82.30kJ·mol-1、95.72 kJ·mol-1、128.15kJ·mol-1，既含有NaCl的乳化炸药的表观活化能最大，含有KCl的乳化炸药的表观活化能次之，普通乳化炸药的表观活化能最小，同时由图2可知，样品发生燃烧前的第2阶段，含有KCl的炸药样品的温度在5种不同环境温度下均比含有NaCl的炸药样品的温度高，因此含有NaCl的乳化炸药的热稳定性优于含有KCl的炸药。

3 结论

（1）使用改进的铁板实验测试了敞开环境下两种氯化物对煤矿许用乳化炸药在不同环境温度下的热稳定性影响，测试结果表明，3种试样的发火延滞期均随着外界环境温度的增加而减小，对应的最高发火温度随外界环境温度的升高而增加，在相同的环境温度下，含有NaCl的乳化炸药的发火延滞期最长，最高发火温度最高。

（2）根据计算结果可知，含有NaCl的乳化炸药的表观活化能最大，含有KCl的乳化炸药的表观活化能次之，乳化炸药的表观活化能最小，同时，在样品发生燃烧前的第2阶段，含KCl的炸药样品的温度比含有NaCl的炸药样品的温度高，因此含有NaCl的乳化炸药的热稳定性优于含有KCl的乳化炸药。

[1] 马志钢,王瑾.乳化炸药的热分解特性[J].含能材料,2004, 12(5): 294-296.

[2] 王国利,李建军,汪旭光,唐勇.采用加速量热法评价工业炸药热安全性的研究[J].爆破器材,1997,26(6):1-5.

[3] 傅智敏,冯宏图,冯长根,钱新明.用加速量热仪研究乳化炸药的热稳定性[J].安全与环境学报,2001,1(3):21-25.

[4] 李建军,汪旭光,欧育湘,陈博仁.乳化炸药热分解动力学研究[J].北京理工大学学报,1996,16(6):636-642.

Influence of Flame Inhibitor on the Thermal Stability of Coalmine Permitted Emulsion Explosive

LIU Feng，ZHU Shuai

(School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan, 232001)

Using the improved plate test, the effects of two kinds of flame inhibitor on the thermal stability of coalmine permitted emulsion explosive were measured. The experiment results showed that the ignition delay time of emulsion explosive was decreased with the increase of the external environment temperature, while the highest ignition temperature was increased. Under the same temperature, for the emulsion explosive containing NaCl, its ignition delay time is the longest, combustion temperature and apparent activation energy are the highest, while those of the emulsion explosive are the least. The study show that the addition of flame inhibitor could make the ignition delay time of emulsion explosive extended, and the highest ignition temperature and apparent activation energy increased, under the condition of the same content, thermal stability of the emulsion explosive containing NaCl is superior to that of the emulsion explosive containing KCl.

Coalmine permitted emulsion explosives；Flame inhibitor；Delay time；Thermal stability

1003-1480（2019）01-0043-03

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.01.011

2018-07-19

刘锋（1976 -），男，副教授，主要从事工业炸药及爆炸效应方面的研究。

国家自然科学基金煤炭联合基金重点项目资助（51134012）。