现场混装乳化炸药高温敏化工艺技术研究

孙永夺，龚 兵，任 斌，黄 麟，琚楠松

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.北京北矿亿博科技有限责任公司，北京 100160)

工业炸药现场混装技术以其高效、安全、环保等优点，在世界各国得到了广泛的推广应用，部分欧美发达国家的现场混装炸药占工业炸药总量90%以上[1]。目前，我国现场混装炸药用量逐步提升，“十三五”末期有望达到工业炸药总量的30%左右，根据国家和民爆行业发展规划，今后现场混装应用还将进一步提升。然而当前我国乳化炸药现场混装应用还存在一些限制，许多现场混装设备仍以中低温化学敏化为主，使用50 ℃以下的乳胶基质进行装药，由于中低温敏化反应较慢，环境温度对敏化过程影响较大，在北方地区或冬季露天作业中，炸药自身温度下降很快，会导致敏化反应缓慢或停止，存在敏化过程较难控制、炸药质量不稳定等一系列问题[2]。此外，采用中低温敏化，乳胶基质生产过程还需要进行冷却工序，增大了能耗和危险性。因此，进行高温乳胶基质现场混装工艺技术研究，提升现场混装生产效率与本质安全化水平具有重要意义。

北京矿冶研究总院作为国内最早开展乳化炸药和现场混装技术与装备研究的机构之一，研发了多代乳化炸药现场混装地面站、以及BCJ系列露天、地下混装车等[3-4]，在行业内具有很强的研发实力。为推动我国乳化炸药现场混装工业发展，不断改进传统生产工艺，促进乳化炸药现场混装技术装备升级，北京北矿亿博科技有限责任公司开展新一代现场混装乳化炸药高温敏化技术与装备研究。结合目前我国乳化炸药生产工艺技术现状，通过研究高温敏化工艺技术，简化乳胶基质制备工序，开发适合高温乳胶基质的现场混装技术与装备，实现向高效化和本质安全化方向发展。因此，本文以现场混装乳化炸药高温敏化工艺技术与装备研究为例，以期为行业提供参考。

1 高温敏化工艺技术研究

乳化炸药高温敏化技术在国内经过了初步的探索和研究，逐渐开展了一些工业化应用[5]。相对于传统的中低温敏化，省却了乳胶基质的冷却工序，大幅降低了生产线设备投资和能耗；同时高温敏化反应速度更快，基质黏度低、流动性好、便于现场混装装药，提高了现场混装生产效率，具有明显的优势。然而高温敏化相对中低温敏化反应更快，影响因素较多，且敏感性更高，产品质量可靠稳定性和高温敏化工艺控制技术还有待提高，严重影响了高温敏化技术的进一步推广应用。因此，本文针对高温敏化工艺，对敏化液浓度、添加量、基质温度、以及敏化助剂等因素对敏化后乳化炸药性能进行了全面的实验研究。

本文选用典型的敏化剂亚硝酸钠进行实验研究，其在乳胶基质中敏化反应机理如下[6]：

NaNO2+NH4NO3→NaNO3+NH4NO2

NH4NO2→N2↑+2H2O

敏化反应产生的气体以微小气泡的形式均匀分布于乳胶基质内，在点火起爆能量激发下微小气泡空间被绝热压缩，引发热点连锁反应从而传爆。因此，敏化反应产生的微小气泡在乳胶基质内的数量和分布等参数对乳化炸药爆轰性能具有重要影响。由于敏化后的乳胶基质内部存在气泡导致密度发生变化，并且敏化产生气泡的数量和大小等参数均会改变密度，在本文实验研究中用敏化后乳胶基质密度来表征敏化效果指标[7]。

1.1 敏化液浓度影响研究

敏化液浓度对敏化过程反应特性具有重要影响，为研究敏化液浓度对乳胶基质敏化过程影响，设计实验进行研究。选择初始温度75 ℃乳胶基质，控制加入敏化液总量一定时，改变敏化液浓度和加入当量，研究敏化液浓度对敏化效果的影响，实验结果发现用1∶8高浓度敏化液具有较好的敏化效果，如表1所示。

表1 不同敏化剂加入浓度效果对比

2.2 敏化液量影响研究

敏化液添加总量直接影响乳胶基质中敏化反应产生微小气泡的数量，并且导致后效延长。乳胶基质中气泡的数量超出一定程度，将使气泡之间发生聚集，导致出现破乳的情况。因此，选用浓度为1∶8的敏化液，改变敏化剂添加量，研究其对乳化炸药敏化效果影响，实验结果发现0.8%的最优敏化液添加量，实验结果如表2所示。

表2 敏化液添加量对敏化效果的影响

2.3 敏化温度影响研究

乳胶基质温度是敏化反应过程重要的工艺参数，温度参量直接影响乳胶基质黏度等性质，改变敏化掺混度；另一方面，温度对敏化过程化学反应速率具有显著影响。在现场混装应用中，实际环境工况复杂，乳胶基质温度变化幅度较大，因此，为有效提高现场混装乳化炸药应用效果，研究不同温度范围内乳化炸药的敏化效果。根据以上研究结果，控制敏化液的浓度为1∶8、添加量为0.8%，研究75～90 ℃高温范围内乳化基质的敏化效果，实验结果发现现场混装乳化炸药最高敏化温度不宜超过85 ℃，此时敏化效果较好(表3)。

表3 不同温度条件下敏化效果对比

2.4 敏化助剂影响研究

敏化助剂是一类敏化反应调节剂，通过改变化学反应速率促进敏化反应进程。在现场混装复杂环境中，敏化助剂是一种重要的敏化反应调节手段。本文选用柠檬酸作为敏化助剂，根据上述实验研究结果，在控制敏化液浓度为1∶8、添加量为0.8%的条件下，用75 ℃高温乳胶基质进行实验，研究不同敏化助剂对乳化炸药性能的影响(表4)，可以发现，敏化助剂能够显著提高敏化反应进程，并且与加入量呈正相关关系，根据此原理可以在一些特殊应用环境下通过敏化助剂调节现场混装乳化炸药敏化。

表4 敏化助剂(柠檬酸)对敏化影响

3 高温敏化装备技术研究

高温敏化技术相比于传统中低温敏化影响因素较多，乳胶基质黏度、输送流动性及化学反应等物化性质差异较大，工艺技术要求更严格[8]，因此根据上述高温敏化工艺实验研究结果，结合当前中低温敏化现场混装技术与装备现状，开发出一套适用于高温敏化工艺的乳化炸药现场混装技术与装备，主要包括乳胶基质地面生产站、及其配套的现场混装车两个方面。在地面站生产过程中取消了冷却工序，高温乳胶基质直接输入混装车储罐内，其中敏化剂和润滑剂溶液在地面站配制后分别输入混装车储罐。各物料通过混装车装载至爆破现场进行敏化，在润滑剂的水环减阻下输入炮孔，完成爆破作业。生产工艺流程如图1所示。

图1 高温敏化现场混装工艺流程图Fig.1 The flow chart of high temperature sensitization in site mixed emulsion explosive

其中，为适应现场混装高温敏化工艺技术，北矿亿博公司在传统中低温混装车的基础上改进研发了BCJ-3H型高温乳化炸药现场混装车。将敏化单元从输药管末端前移到基质泵出口处，高温基质与敏化液在静态混合单元内充分混合，快速敏化。通过研究前端敏化引入惰性润滑液作为乳化炸药输送的“润滑剂”，并进行了实验研究润滑液添加量对输送压力的影响，实验结果如表5所示，得到润滑液最优添加比例1.5%～2%时效果最好，管路压力0.2～0.4 MPa，本质安全性高。

表5 润滑液添加量与输送压力间的关系

4 工业化应用试验

高温乳化炸药现场混装技术及装备研制成功后，在易普力公司重庆地区、内蒙古太平矿业、包钢白云鄂博矿区、白音华矿区等地，对高温乳化炸药现场混装技术与装备进行了工业化试验生产，取得了较好的应用效果。如图2所示是在包钢白云鄂博矿区应用现场，白云鄂博矿区地质断裂发育严重，富含铁、铌及稀土矿等，地质条件复杂，地处我国内蒙北方，冬季寒冷气候多变，爆破条件复杂，采用高温敏化现场混装车混制的产品质量稳定，生产过程安全可靠，对现场混装乳化炸药进行了爆速性能测试如表6所示，并取得了国家煤安产品检验中心出具的检验合格报告和用户的一致认可。高温乳化炸药现场混装技术安全稳定生产累计达到3万余吨，该技术简化生产工序提高了生产效率，降低了单位能耗和产线投资，实现了经济效益和安全效益。

图2 高温乳化炸药现场混装车(包钢白云鄂博矿区)Fig.2 The high temperature emulsion explosive field mixed loading vehicle

表6 现场混装高温乳化炸药性能

5 结论

本项目的研究与应用，补充和完善了乳化炸药现场混装高温敏化生产工艺技术，对系统装置进行了改进设计，极大提高了高温乳化炸药现场混装技术及装备推广应用。主要结论如下：

1)本项目研发的高温敏化工艺技术，分别从敏化剂浓度、添加量、敏化温度及敏化助剂添加量四个方面进行了实验研究，得到了敏化液浓度1∶8，添加量0.8%，敏化温度为75～85 ℃，敏化助剂添加量0.03%的最优工艺参数。

2)本项目研发的高温敏化现场混装生产系统与装置，取消了地面站冷却工序，改进了混装车敏化与减阻装置，提高了生产效率和本质安全化水平。

3)本项目研发的高温敏化乳化炸药现场混装技术与装备，解决了常规中低温敏化技术的不足，经过工业化试验，产品性能稳定可靠，经济效益显著。