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美國埃列克化學公司漿狀炸藥技術概況

2019-06-06 16:18:50 責任編輯:崔瑋娜

汪旭光 劉國林

(北京礦冶研究總院)

國內外的實踐證明,漿狀炸藥是一類有效的抗水工業炸藥,發展迅速,品種很多,引起了世界各國的普遍注意。埃列克化學公司( Ireco Chemicals)是由漿狀炸藥發明者M.A.庫克(Cook)博士于1958年創建的。該公司位于美國猶大州鹽湖城,專門從事漿狀炸藥的研究和生產,是美國漿狀炸藥的主要研究中心之一,在工業炸藥界享有一定的聲譽。據介紹,該公司擁有的漿狀炸藥研究人員和專利技術在美國處于領先地位。

埃列克公司比較重視漿狀炸藥的安全、成本和性能之間的平衡關系。據稱,該公司生產的漿狀炸藥具有安全、成本低和性能良好的特點。該公司生產兩種類型的漿狀炸藥,即用炸藥敏化的漿狀炸藥和非爆炸組分敏化的漿狀炸藥。考慮到生產的安全,通常推薦后者。該公司有兩種類型的漿狀炸藥工廠:①包裝型漿狀炸藥工廠( Packed Mixe Surry Plant);②現場混裝泵車工廠(Site-Mixed Surry System)。到目前為止,該公司已向世界各地輸出泵車工廠51座,年產漿狀炸藥31萬噸;包裝型工廠21座, 年產漿狀炸藥8萬噸。這些工廠分布在歐洲、美洲、非洲和大洋洲。日本有旭化成等五家工廠購買了包裝型工廠的專利技術,香港水泥廠則購買了泵車工廠專利技術。

1 炸藥品種及其發展

就炸藥的品種系列來說,埃列克公司向創建以來,大致經歷了下述發展階段:六十年代以前主要是以梯恩梯敏化的大直徑漿狀炸藥;六十年代初期即著手發展鋁粉敏化的大直徑漿狀炸藥;六十年代后期研制、生產了適于現場混裝的散裝漿狀炸藥(SMS),其典型代表為316系列。1970年研制了以鋁粉敏化的小直徑漿狀炸藥一埃列邁特I型(Iremite I),1972年又研制了以硝酸甲膠(MMAN)敏化的埃列曼型(lreman), 1973年發展了以燃料油敏化的散裝系列一606系列, 1976年又發展成614系列,1977年利用晶形控制研制了埃列邁特Ⅲ型,1978年則研制了以乳化油敏化、不含膠凝劑的小直徑漿狀炸藥一埃列邁特Ⅱ型。到現在為止,該公司已有 14個系列,45個品種,其中包裝型產品12個系列,35個品種。若按敏化劑的不同,這些品種可分為六種類型,每種類型均有若干個品種。各種類型漿狀炸藥的組分范圍見表1。

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1. 1鋁粉敏化型漿狀炸藥

這是一類以顏料級鋁粉敏化的漿狀炸藥,既有小直徑雷管敏感的品種,也有大直徑非雷管敏感的品種。其中埃列邁特Ⅰ型、Ⅲ型和埃列邁特PX型是小直徑雷管敏感的漿狀炸藥,埃列吉爾312系列是大直徑非雷管敏感的漿狀炸藥。

1. 2 乳化油敏化型漿狀炸藥

系以乳化油敏化的漿狀炸藥,是該公司近年來研究成功的一種新型漿狀炸藥。有關性能等在后面詳述。

1. 3 晶形控制敏化型漿狀炸藥

埃列邁特Ⅲ型便是這類炸藥的典型代表。它的組分配方與埃列邁特Ⅰ型基本相同,主要通過添加少量的晶形控制劑,改變氧化劑的結晶形狀,提高炸藥的爆轟感度,其突出特點在于改進了該類炸藥的溝槽效應和動態壓死效應。

1.4  硝酸甲胺敏化型漿狀炸藥

硝酸甲胺是水溶性的敏化劑,對于提高漿狀炸藥的爆轟感度十分有效。埃列邁特 M型和埃列曼(Ireman)系列均是用硝酸甲胺敏化的,前者系小直徑雷管敏感的漿狀炸藥,后者為大直徑非雷管敏感的漿狀炸藥。該公司對使用硝酸甲胺敏化的漿狀炸藥的改進是添加了鋁粉,完善了該類炸藥的低溫爆轟性能。

1.5 高氨酸納敏化型漿狀炸藥

高氯酸納在漿狀炸藥中既是氧化劑又是敏化劑,用高氯酸納敏化的漿狀炸藥具有相當高的爆轟感度。埃列吉爾(Iregel)724-P系列便是這類用高氯酸鈉敏化的小直徑雷管敏感的漿狀炸藥。該類炸藥的價格比用鋁粉敏化的要高。

1. 6 梯恩梯敏化型漿狀炸藥

在漿狀炸藥發展初期,主要研制和生產該類炸藥。由于安全和成本上的原因,六十年代以來,埃列克公司的主要力量用于發展鋁粉敏化和其他敏化劑。埃列托爾(lretol) 系列是該公司的梯恩梯敏化型漿狀炸藥,這類炸藥通常都是大直徑非雷管敏感的。

2 乳化油型漿狀炸藥

乳化油型漿狀炸藥是埃列克公司1978年研制的以乳化油敏化的一類新型漿狀炸藥,它與傳統的漿狀炸藥不同點是,不含有古爾膠或聚丙烯酰胺等膠凝劑。該類炸藥具有爆炸性能好、生產安全、價格便宜等優點。該公司認為這類炸藥具有很大的發展前途,可與干爆炸劑—銨油炸藥進行競爭。

2. 1 品種和性能

乳化油型漿狀炸藥有埃列邁特Ⅱ型(分為22型、42型、62型、82型四個品種) 和煤礦安全PX-2型等包裝型小直徑藥卷品種,它們均可直接用雷管起爆。埃列吉爾 312系列是大直徑包裝品,不能用雷管直接起爆。其性能列于表2。

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2.2 乳化油型漿狀炸藥工藝流程

埃列克公司的乳化油型漿狀炸藥工藝流程見圖l。

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應該指出,藥卷制作與包裝是小直徑漿狀炸藥在地下礦山獲得推廣應用的關鍵技術之一。據了解,這項技術在埃列克公司已通過下列途徑得以解決:①在漿狀炸藥制作過程中,添加交聯調整劑,使膠凝體系要在幾分鐘之后才能黏稠化,在藥卷制作過程中基本上保持液狀,以使漿狀炸藥在管道中易于流動通過。②采用Chub-Pak型臘腸包裝機改制成藥卷裝藥機。裝藥過程如圖2所示,漿狀炸藥在一定壓力下流入,通過裝藥機計量并裝入藥卷,同時用兩個金屬卡子自動封口, 并用刀子切斷。切斷了的藥卷由傳送帶送走。包裝材料用完時,備用的塑料薄膜就自動地續上去。埃列克公司使用的塑料薄膜為極薄的兩層復合而成的,中間夾一層尼龍,抗拉強度很好,不易變形,有時用聚酯代替尼龍。藥卷直徑尺寸公差可保持土1.5%。

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Chub- Pak型藥卷裝藥機的生產能力,隨藥卷尺寸不同而異。一般地說,年產5000噸的包裝型漿狀炸藥加工廠,需要配置兩臺Chub-Pak型藥卷裝藥機。

Chub-Pak型藥卷裝藥機的生產能力與藥卷尺寸的關系如下:

藥卷尺寸/毫米         生產能力/(公斤/小時)

           25×200            540

           25×400            750

                  32×200            750  

                  32×4OO            1300  

                  38×4OO            1900  

                  38×600            1900  

                  45×4OO            24OO  

                  50×4OO            3300  

                  100×600           5200  

2.3   乳化油漿狀炸藥的優點

(l)能量有較大的調節范圍(3~4. 5百萬焦耳/公斤)。

(2)密度一般為1. 25克/厘米3,可以根據需要進行調整。

(3)爆轟感度高,在—20℃時仍可用單個雷管進行起爆,臨界直徑約為13毫米。

(4)比用鋁粉敏化的漿狀炸藥爆速增大15%左右。乳化油型漿狀炸藥爆速一般為 4000~5000米/秒。

(5)在直徑43毫米,長3米的聚氯乙烯塑料管內試驗時不產生溝槽效應。

(6)動態壓死效應最小,也就是說,在現有的漿狀炸藥品種中抗壓死效果最好。

(7)成本低.生產安全,加工工藝簡單,不需要進行預混合。

3 現場混裝漿狀炸藥系統

漿狀炸藥發展過程中的主要突破點之一,是現場混制和裝藥技術(泵車)的研制和應用。據介紹,1969年埃列克化學公司首先發展了這項技術,至今仍處于領先地位。目前這項技術已在世界范圍內獲得推廣使用。

3. l 現場混制的埃列吉爾漿狀炸藥系列

現場混制的埃列吉爾漿狀炸藥具有良好的抗水性能,可以用泵車直接注入有水炮孔中。埃列克化學公司現有兩個適合于現場混裝的漿狀炸藥系列,即埃列吉爾316系列和614系列。316系列是1969年研制的以鋁粉作敏化劑的,是散裝系統中的老系列,據稱目前只少量生產。614系列是1976年研制的以燃料油敏化的系列,據了解目前大量生產使用該系列的產品,工藝比較簡單,價格便宜。埃列克公司在這次來我國座談中建議使用這個系列的產品,購買其有關專利技術。現將埃列吉爾316系列和614系列的概略配方列于表3。

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3.2 混裝設備

據介紹,漿狀炸藥現場混裝設備大致分為兩部分。

(1)混裝泵車。埃列克公司設計和制造的混裝泵車既是漿狀炸藥制造設備,又是炸藥注入炮孔輸送和裝填設備。現有混裝泵車容量為12.5噸,最大可達16噸。混裝效率通常為180公斤/分,最大可達1000公斤/分。熱硝銨溶液的溫度為70℃,漿狀炸藥注入炮孔的溫度為55~65℃。混裝泵車可按爆破的實際需要連續向同一炮孔內裝填四種不同的能量和密度的漿狀炸藥,通常為兩種,即炮孔底部裝填高能量的漿狀炸藥,上部裝填低能量的漿狀炸藥。據稱,該公司已制造了138臺混裝泵車同有關的專利技術一起銷售世界各地,每年可混制裝填漿狀炸藥31萬噸。埃列克公司提供的混裝泵車有兩種形式,即整車式和拖車式兩種。整車式是混裝設備、動力和泵等安裝在柴油車的底盤上,與車頭構成一個整體。這種混裝車行動比較靈活,該公司生產的大部分是這種形式的。拖車式是混裝設備、動力和泵等做成類似于拖車箱,另備車頭拖掛。

(2)儲存及預混裝置(工廠)。這是一種專為混裝泵車提供熱硝銨溶液、各種干燥的固體原料(如干硝銨、鋁粉等)和微量配料,必要時可以進行預混合的裝置。它主要由固體或液體的儲存罐、加熱裝置、螺旋給料裝置、泵、支架等組成的。這種裝置可分為活動的、固定的和半固定三種形式。

埃列吉爾614系列混裝工藝流程減圖3。

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4值得注意的兩項試驗技術

4. 1 溝槽效應試驗

炸藥藥卷裝在炮孔內有月牙形空氣間隙時,炸藥引爆后,不能連續正常爆轟的現象稱為溝槽效應。埃列克公司對溝槽效應進行了試驗研究認為,造成溝槽效應的原因是炸藥引爆后,在爆轟波前方有一個等離子層,對炸藥藥卷產生壓縮作用,使受壓炸藥發生能量衰減以致產生拒爆。這種等離子層可用高速攝影機拍攝下來。該公司將直徑32毫米的藥卷,連續放在直徑43毫米的聚氯乙烯塑料管或銅管內,在兩端不封閉的情況下,于一端用雷管引爆,用探針測得(圖4),當漿狀炸藥爆速為3700米/秒時,其爆轟波陣面前的等離子層(或稱離子波)速度為4500米/秒。兩者差值愈大,其溝槽效應愈顯著。當炸藥的爆轟速度達到4500米/秒以上時,其溝槽效應很小,甚至沒有。該公司試驗確定,用鋁粉敏化的埃列邁特Ⅰ型、Ⅲ型和用硝酸甲胺敏化的埃列邁特M型炸藥,其傳爆長度為1~2米,即溝槽效應等于或大于1米。而乳化油漿狀炸藥一一埃列邁特Ⅱ型其傳爆長度為3米,也就是說在試驗條件下,無溝槽效應。

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為了檢驗炸藥溝槽效應的大小,確定的標準試驗方法如圖5所示。塑料管長3米,內徑43毫米,藥卷直徑32毫米,管的兩端不用任何東西封閉。為了便于觀測,塑料管置于厚為0. 5~0.6厘米,寬20. 3厘米的鋁板上,鋁板底下墊以砂層。漿狀炸藥用雷管引爆后,由鋁板被沖擊的痕跡來確定有無溝槽效應及炸藥傳爆長度。

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經過試驗和理論分析后認為,可以采用下列技術措施中之一種來減小或消除溝槽效應。

(l)在炮孔中每個藥卷間進行充填(圖6),以阻塞等離子波前進。

(2)用水充填炮孔間隙。

(3)沿藥卷全長軸向放置導爆索。

(4)藥卷采用加厚的特殊包裝,如在藥卷外層涂以瀝青層,以減小或消除等離子波的壓力滲透。

(5)使炸藥散裝充滿炮孔,不留間隙。

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4. 2 動態壓死試驗

在爆破作業中,一個炮孔中的炸藥發生爆炸,沖擊波傳播到相鄰的炮孔中,使該炮孔中的炸藥受壓后鈍感以致不能被雷管起爆出現盲炮的現象,稱為動態壓死。埃列克公司設計的專門試驗裝置如圖7所示。

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圖中水池的水深4米,炸藥包浸入水下1.5 米,上方的鋼絲繩長30米,炸藥包A、B懸吊于鋼絲繩之上。標準藥包A為175克鑄狀彭托里特(PETM50/TNT50),B為試驗藥包,藥量也為175克。試驗時先引爆標準藥包,相隔 500毫秒(一般采用500毫秒延期雷管)引爆試驗藥包,通過試驗求得由于A藥包爆炸產生的沖擊波作用使B藥包不能引爆的最小距離x(米),顯然x值愈小愈好。這一炸藥特性值可以從理論上解釋在爆破作業中產生個別炮孔拒爆的現象,也就是說從事爆破技術的工作人員在爆破實踐中只考慮礦巖特性來布置孔網參數是不夠的,尚需考慮所選用的炸藥的動態壓死特性值。

埃列克公司四種小直徑漿狀炸藥的動態壓死試驗結果如下:

鋁粉敏化的埃列邁特Ⅰ型x=2. 5米。

硝酸甲胺敏化的埃列邁特M型x=2.0米。

控制晶形和鋁粉敏化的埃列邁特Ⅲ型x=l. 5米。

乳化油敏化的埃列邁特Ⅱ型x=l.0米。

從上不難看出,以乳化油敏化的埃列邁特Ⅱ型動態壓死值最小。

5 幾點看法

(1)埃列克化學公司是專門從事漿狀炸藥研制和生產的,技術上比較全面,理論上有獨到之處。目前該公司有六種類型14個系列計45個品種漿狀炸藥,威力從高到低,密度從大到小,既有露天爆破使用的品種,也有地下爆破使用的品種,還有煤礦安全型的品種。目前我國漿狀炸藥敏化劑品種比較單一,能量和密度的調節范圍較小,有必要進一步尋求新的敏化材料,大幅度地調節能量和密度,同時加強小直徑雷管敏感的漿狀炸藥新品種的研究。

(2)乳化油漿狀炸藥是埃列克公司近年來發展起來的不含膠凝劑的一類新型漿狀炸藥,是用油加乳化劑進行乳化,作為漿狀炸藥的敏化劑,其特點是成本低、制造安全、爆轟感度高、爆炸性能好,是一類很有發展前途的品種。值得我國炸藥工作者的注意,及早開展研究工作,突破這一技術。

(3)混裝泵車在露天礦山使用不但減輕了裝藥的勞動強度,降低爆破戚本,提高裝藥速度和密度,改善爆破質量,更重要的是由于抗水性能良好,且操作安全,可以實行預裝藥工藝,免除投孔工作,減低廢孔率,提高鉆孔的利用效率。有關的統計資料表明,僅此一項技術就可減少三分之一左右的鉆機,必須引起有關主管部門和礦山的領導和同志們的重視。

(4)與用沖擊波壓縮產生溝槽效應的理論不同,埃列克公司利用等離子波理論解釋溝槽效應,提出的減小或消除溝槽效應的技術工藝,在小直徑炮孔爆破作業中具有指導意義。

(5)埃列克公司設計的動態壓死試驗,是炸藥的一項重要特征數值,對于孔網參數的設計有一定的參考價值,且能從理論上解釋爆破實踐中產生個別盲炮的現象。

摘自《汪旭光院士論文選集》



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