金属爆炸焊接专用炸药的配方研究

侯志明

（福建海峡科化股份有限公司，福建 三明 366000）

新型金属复合材料已广泛应用在石油、船舶、海水淡化、化工、水利、电力、机械加工、城市建设等诸多领域。国内企业年产能难以满足目前国内市场需求。福建海峡科化股份有限公司致力于打造钛金属复合板项目，本文对福建海峡科化永安分公司的膨化硝铵炸药进行了现场金属板焊接试验和现场测试，发现试验金属板焊接成型率低且金属板焊接处凹凸不平，效果不良。结合国内外关于金属爆炸焊接炸药的文献阐述及现场专业技术人员讨论[1]，认为现有炸药配方及爆炸性能主要针对的是矿山开采、土石方爆破工程而设，爆速偏高，做功能力偏强，无法满足金属板爆炸焊接的需要。所以，本文进一步阐述了现场试验结果与预期结果不相符的原因，并提出金属焊接专用炸药的配方方案修正建议。

1 2 号岩石膨化硝铵炸药配方和生产工艺

膨化硝铵炸药连续生产线在福建海峡科化股份有限公司年产能1.1 万t，于2018 年完成转产验收并投入使用。该生产线现状为1.1 级危险工房，在线人员5人，生产设备出自南京理工大学研发设计，生产过程工序的质量控制指标、工艺条件和参数、操作步骤及技安等都有严格的限定和要求。膨化硝铵炸药主要原材料为硝酸铵水溶液、木粉、炸药专用蜡，经真空膨化、连续混药等工艺流程后包装成Φ32 mm 药卷，药卷质量指标和储存性能达到或超过国内同类领先产品。

2 膨化硝铵炸药配方调整

为了降低膨化硝铵炸药在金属爆破焊接的做功能力，减小炸药对金属板的冲击力，降低金属板变形的程度，在炸药原有生产工艺与流程稳定不变情况下，对2 号岩石膨化硝铵炸药混合方式和配方进行筛选式试验，调试出最佳配方方案。目前，根据最佳配方制作出的膨化硝铵炸药已能满足金属爆炸焊接行业的生产需求。

在分公司现有生产的膨化硝铵炸药产品上，通过对膨化炸药成分组合的优化重组和混拌机制的升级改造，克服了膨化硝铵炸药的高爆速、高猛度的缺陷，提高了其松散度和性能的稳定性。在与客户对接爆炸焊接试验过程中，根据试验数据与理论的最优设计，确定金属爆炸焊接专用炸药的最优组分及结构。膨化硝铵炸药配方如表1 所示。

表1 膨化硝铵炸药配方（单位：%）

膨化炸药的性能不仅受配方组成的影响，还与材料的质量、生产工艺有关。膨化炸药的流水线生产工艺设备简单、易操作，有良好的安全性，在膨化炸药配方设计时要考虑与生产工艺的匹配度问题，以达到工业炸药的生产需求。

经调查，国内现行的金属爆炸焊接所使用的炸药存在如下缺陷：所用炸药品种中如RDX、PETN、TNT等炸药，安全性低、毒性大、生产环境和条件恶劣；现行炸药配方及爆炸性能主要针对的是矿山开采、土石方爆破工程而设，爆速偏高；未见有相关的产品技术标准，也未见能真正应用于金属爆炸焊接工程的产业化研究。金属爆炸焊接炸药配方设计一般是在炸药颗粒松散度、爆轰理论和氧平衡原理等理论上，通过调节配方组成得到的，通过单因素试验考察添加稀释剂种类和含量对金属爆炸焊接炸药的松散度和爆轰性能的影响，并根据经济性和安全环保性来优化并确定金属爆炸焊接炸药的最佳配方。

2.1 金属爆炸焊接专用炸药稀释剂种类的选择方案

金属爆炸焊接工艺对所用炸药有着很严格的限定要求，所用炸药的爆速一般在2 000 m/s 左右，殉爆、猛度适当，通常金属复合板的面积越大，覆板延展性会越差，所用炸药的爆速就应当越低。在金属焊接爆炸专用炸药配方选择过程中，经资料查询及工艺评估后，选用了珍珠岩、食盐、玻璃微球、滑石粉为此次方案选择的考察对象。在原有的膨化硝铵炸药基础上分别加入珍珠岩、食盐、玻璃微球和滑石粉混合制成炸药样品，经性能检测后得出：食盐在爆炸过程中能减缓爆轰波的传播速度，可以很好降低炸药的爆速，但是加入食盐的膨化硝铵炸药更易吸潮结块，容易影响炸药的使用性能；珍珠岩和玻璃微球因其内部含有大量微孔，所以不参与反应且减低了炸药成分占比和密度，但由于其制成炸药产品呈蓬松状，在炸药存放、搬运过程中容易被压实，导致炸药爆轰不稳定、传爆不力；滑石粉为金属氧化物材料，不参与爆炸反应且降低炸药成分占比，可降低炸药的爆速，但其混合制成的炸药密度增加过大。综上所述，本文通过性能比对，选择珍珠岩和滑石粉的混合物（玻璃微球价格贵）作为稀释剂。

2.2 金属爆炸焊接专用炸药稀释剂用量的选择方案

金属爆炸焊接专用炸药配方的选择对混合炸药的爆速有很大的影响[2]，在配方种类确定情况下，探索配方各组分的含量占比对混合炸药的性能的影响显得尤为重要。在膨化硝酸铵、木粉与复合油相之间占比不变的情况下，稀释剂以5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%占比不断加大的使用量分别制备出金属爆炸焊接专用炸药的样品，考察它们的炸药性能密度、爆速指标以及松散度。在样品松散度检测方法上，使用了传统的倾斜量筒法，用角度测量仪器测出各样品倾倒完毕的倾斜角度，倾斜角度越小表示该样品的松散度越好。经样品现场性能检测得出炸药样品具体试验数据，如表2 所示。稀释剂加入量不同占比炸药的爆速数据图如图1 所示。

表2 稀释剂加入量不同占比情况下炸药的密度、爆速等情况表

图1 稀释剂加入量不同占比炸药的爆速数据图

3 新配方金属爆炸焊接专用炸药的性能分析

从表2 数据中可以看出，在保证稀释剂与原膨化硝酸铵炸药混合均匀的情况下，在稀释剂加入量不断加大时，炸药的性能如密度、爆速等呈逐步降低趋势，松散度得到进一步优化。说明选择珍珠岩和滑石粉作为稀释剂材料是能够与原膨化硝铵炸药很好地相容，在松散度方面还有很好的改善。由于珍珠岩和滑石粉没有相应的爆炸能量，所以随着它们占比的加大，炸药的爆炸成分被稀释，体现在爆炸性能的爆速指标上呈现逐级递减。查阅《2015—2020 年中国金属爆炸复合板行业现状分析与发展前景研究报告》等相关文献，中国金属爆炸焊接行业所需的金属爆炸焊接炸药，一是要符合GB 28286—2012《工业炸药通用技术条件》标准要求；二是要满足流散性好、易于铺药的要求；三是大致爆炸性能范围如爆速在1 800～2 400 m/s 之间。如表2、图1 所示，稀释剂加入占比在20%～40%之间可以很好地满足爆炸焊接所需的炸药性能且不会失去炸药的雷管感度。

4 新配方金属爆炸焊接专用炸药试验生产

金属复合板即由2 块或多层板爆炸焊接而成。福建海峡科化股份有限公司采用钛板和钢板进行爆炸焊接试验，二者之间保持一定间隙，钢板用焊于基板四周的铁丝作支撑。钛板上均匀铺上福建海峡科化股份有限公司新研制的金属爆炸焊接专用炸药，药框用木板制作，基础是石沙堆或泥地，具体工艺装置如图2所示。

爆炸焊接后，将钛钢金属复合板焊接面剖开，在金相显微镜下观察，可看到细微的波状结构。经分析，得出两金属线己彼此渗入到对方的组织中，焊接效果符合技术要求。因此，福建海峡科化股份有限公司新研制的金属爆炸焊接专用炸药具有性能稳定、流散性好、爆炸均一性好等特点。利用添加适当的稀释剂配制爆炸焊接专用炸药，可以较好地适应爆炸焊接对炸药性能和安全的要求。

图2 金属板爆炸焊接工艺设备图

5 结束语

通过对膨化硝铵炸药组分混合体系中稀释剂变化的研究，证明新配方组分材料的调整对膨化硝铵炸药的爆炸性能有一定规律的影响。在加入稀释剂的情况下，新配方的膨化硝铵炸药的爆速变化能很好地满足金属板爆炸焊接行业对专用炸药爆炸性能的需求。在炸药零氧平衡原则下，优选出膨化硝铵炸药配方组分的种类和含量，研制出一种爆炸性能适宜、炸药颗粒松散度良好、无环境污染的金属爆炸焊接专用炸药。在此基础上，仍有一些问题需要进一步研究和探讨，主要有以下3 点：①膨化硝铵炸药固有的易吸潮、不抗水的缺陷未得到有效解决，无法适用于大量生产推广。②制造金属爆炸焊接专用炸药的关键技术是爆炸性能降低至适用范围，由于炸药在某一特定条件下会产生极强的破坏力，因此，其应用于焊接行业生产过程应该是严格控制的。基于这一点，针对生产实际情况，对金属爆炸焊接专用炸药的热感度、撞击感度、雷管感度进行了试验研究。③将研究成果与金属板爆炸焊接工程实践相结合，炸药的混合不均匀造成的爆炸能量不均匀或爆炸能量的不匹配，皆易造成焊接后的金属板平整度不良等问题。