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美国埃列克化学公司浆状炸药技术概况

2019-06-06 16:18:50 责任编辑:崔玮娜

汪旭光 刘国林

(北京矿冶研究总院)

国内外的实践证明,浆状炸药是一类有效的抗水工业炸药,发展迅速,品种很多,引起了世界各国的普遍注意。埃列克化学公司( Ireco Chemicals)是由浆状炸药发明者M.A.库克(Cook)博士于1958年创建的。该公司位于美国犹大州盐湖城,专门从事浆状炸药的研究和生产,是美国浆状炸药的主要研究中心之一,在工业炸药界享有一定的声誉。据介绍,该公司拥有的浆状炸药研究人员和专利技术在美国处于领先地位。

埃列克公司比较重视浆状炸药的安全、成本和性能之间的平衡关系。据称,该公司生产的浆状炸药具有安全、成本低和性能良好的特点。该公司生产两种类型的浆状炸药,即用炸药敏化的浆状炸药和非爆炸组分敏化的浆状炸药。考虑到生产的安全,通常推荐后者。该公司有两种类型的浆状炸药工厂:①包装型浆状炸药工厂( Packed Mixe Surry Plant);②现场混装泵车工厂(Site-Mixed Surry System)。到目前为止,该公司已向世界各地输出泵车工厂51座,年产浆状炸药31万吨;包装型工厂21座, 年产浆状炸药8万吨。这些工厂分布在欧洲、美洲、非洲和大洋洲。日本有旭化成等五家工厂购买了包装型工厂的专利技术,香港水泥厂则购买了泵车工厂专利技术。

1 炸药品种及其发展

就炸药的品种系列来说,埃列克公司向创建以来,大致经历了下述发展阶段:六十年代以前主要是以梯恩梯敏化的大直径浆状炸药;六十年代初期即着手发展铝粉敏化的大直径浆状炸药;六十年代后期研制、生产了适于现场混装的散装浆状炸药(SMS),其典型代表为316系列。1970年研制了以铝粉敏化的小直径浆状炸药一埃列迈特I型(Iremite I),1972年又研制了以硝酸甲胶(MMAN)敏化的埃列曼型(lreman), 1973年发展了以燃料油敏化的散装系列一606系列, 1976年又发展成614系列,1977年利用晶形控制研制了埃列迈特Ⅲ型,1978年则研制了以乳化油敏化、不含胶凝剂的小直径浆状炸药一埃列迈特Ⅱ型。到现在为止,该公司已有 14个系列,45个品种,其中包装型产品12个系列,35个品种。若按敏化剂的不同,这些品种可分为六种类型,每种类型均有若干个品种。各种类型浆状炸药的组分范围见表1。

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1. 1铝粉敏化型浆状炸药

这是一类以颜料级铝粉敏化的浆状炸药,既有小直径雷管敏感的品种,也有大直径非雷管敏感的品种。其中埃列迈特Ⅰ型、Ⅲ型和埃列迈特PX型是小直径雷管敏感的浆状炸药,埃列吉尔312系列是大直径非雷管敏感的浆状炸药。

1. 2 乳化油敏化型浆状炸药

系以乳化油敏化的浆状炸药,是该公司近年来研究成功的一种新型浆状炸药。有关性能等在后面详述。

1. 3 晶形控制敏化型浆状炸药

埃列迈特Ⅲ型便是这类炸药的典型代表。它的组分配方与埃列迈特Ⅰ型基本相同,主要通过添加少量的晶形控制剂,改变氧化剂的结晶形状,提高炸药的爆轰感度,其突出特点在于改进了该类炸药的沟槽效应和动态压死效应。

1.4  硝酸甲胺敏化型浆状炸药

硝酸甲胺是水溶性的敏化剂,对于提高浆状炸药的爆轰感度十分有效。埃列迈特 M型和埃列曼(Ireman)系列均是用硝酸甲胺敏化的,前者系小直径雷管敏感的浆状炸药,后者为大直径非雷管敏感的浆状炸药。该公司对使用硝酸甲胺敏化的浆状炸药的改进是添加了铝粉,完善了该类炸药的低温爆轰性能。

1.5 高氨酸纳敏化型浆状炸药

高氯酸纳在浆状炸药中既是氧化剂又是敏化剂,用高氯酸纳敏化的浆状炸药具有相当高的爆轰感度。埃列吉尔(Iregel)724-P系列便是这类用高氯酸钠敏化的小直径雷管敏感的浆状炸药。该类炸药的价格比用铝粉敏化的要高。

1. 6 梯恩梯敏化型浆状炸药

在浆状炸药发展初期,主要研制和生产该类炸药。由于安全和成本上的原因,六十年代以来,埃列克公司的主要力量用于发展铝粉敏化和其他敏化剂。埃列托尔(lretol) 系列是该公司的梯恩梯敏化型浆状炸药,这类炸药通常都是大直径非雷管敏感的。

2 乳化油型浆状炸药

乳化油型浆状炸药是埃列克公司1978年研制的以乳化油敏化的一类新型浆状炸药,它与传统的浆状炸药不同点是,不含有古尔胶或聚丙烯酰胺等胶凝剂。该类炸药具有爆炸性能好、生产安全、价格便宜等优点。该公司认为这类炸药具有很大的发展前途,可与干爆炸剂—铵油炸药进行竞争。

2. 1 品种和性能

乳化油型浆状炸药有埃列迈特Ⅱ型(分为22型、42型、62型、82型四个品种) 和煤矿安全PX-2型等包装型小直径药卷品种,它们均可直接用雷管起爆。埃列吉尔 312系列是大直径包装品,不能用雷管直接起爆。其性能列于表2。

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2.2 乳化油型浆状炸药工艺流程

埃列克公司的乳化油型浆状炸药工艺流程见图l。

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应该指出,药卷制作与包装是小直径浆状炸药在地下矿山获得推广应用的关键技术之一。据了解,这项技术在埃列克公司已通过下列途径得以解决:①在浆状炸药制作过程中,添加交联调整剂,使胶凝体系要在几分钟之后才能黏稠化,在药卷制作过程中基本上保持液状,以使浆状炸药在管道中易于流动通过。②采用Chub-Pak型腊肠包装机改制成药卷装药机。装药过程如图2所示,浆状炸药在一定压力下流入,通过装药机计量并装入药卷,同时用两个金属卡子自动封口, 并用刀子切断。切断了的药卷由传送带送走。包装材料用完时,备用的塑料薄膜就自动地续上去。埃列克公司使用的塑料薄膜为极薄的两层复合而成的,中间夹一层尼龙,抗拉强度很好,不易变形,有时用聚酯代替尼龙。药卷直径尺寸公差可保持土1.5%。

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Chub- Pak型药卷装药机的生产能力,随药卷尺寸不同而异。一般地说,年产5000吨的包装型浆状炸药加工厂,需要配置两台Chub-Pak型药卷装药机。

Chub-Pak型药卷装药机的生产能力与药卷尺寸的关系如下:

药卷尺寸/毫米         生产能力/(公斤/小时)

           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   乳化油浆状炸药的优点

(l)能量有较大的调节范围(3~4. 5百万焦耳/公斤)。

(2)密度一般为1. 25克/厘米3,可以根据需要进行调整。

(3)爆轰感度高,在—20℃时仍可用单个雷管进行起爆,临界直径约为13毫米。

(4)比用铝粉敏化的浆状炸药爆速增大15%左右。乳化油型浆状炸药爆速一般为 4000~5000米/秒。

(5)在直径43毫米,长3米的聚氯乙烯塑料管内试验时不产生沟槽效应。

(6)动态压死效应最小,也就是说,在现有的浆状炸药品种中抗压死效果最好。

(7)成本低.生产安全,加工工艺简单,不需要进行预混合。

3 现场混装浆状炸药系统

浆状炸药发展过程中的主要突破点之一,是现场混制和装药技术(泵车)的研制和应用。据介绍,1969年埃列克化学公司首先发展了这项技术,至今仍处于领先地位。目前这项技术已在世界范围内获得推广使用。

3. l 现场混制的埃列吉尔浆状炸药系列

现场混制的埃列吉尔浆状炸药具有良好的抗水性能,可以用泵车直接注入有水炮孔中。埃列克化学公司现有两个适合于现场混装的浆状炸药系列,即埃列吉尔316系列和614系列。316系列是1969年研制的以铝粉作敏化剂的,是散装系统中的老系列,据称目前只少量生产。614系列是1976年研制的以燃料油敏化的系列,据了解目前大量生产使用该系列的产品,工艺比较简单,价格便宜。埃列克公司在这次来我国座谈中建议使用这个系列的产品,购买其有关专利技术。现将埃列吉尔316系列和614系列的概略配方列于表3。

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3.2 混装设备

据介绍,浆状炸药现场混装设备大致分为两部分。

(1)混装泵车。埃列克公司设计和制造的混装泵车既是浆状炸药制造设备,又是炸药注入炮孔输送和装填设备。现有混装泵车容量为12.5吨,最大可达16吨。混装效率通常为180公斤/分,最大可达1000公斤/分。热硝铵溶液的温度为70℃,浆状炸药注入炮孔的温度为55~65℃。混装泵车可按爆破的实际需要连续向同一炮孔内装填四种不同的能量和密度的浆状炸药,通常为两种,即炮孔底部装填高能量的浆状炸药,上部装填低能量的浆状炸药。据称,该公司已制造了138台混装泵车同有关的专利技术一起销售世界各地,每年可混制装填浆状炸药31万吨。埃列克公司提供的混装泵车有两种形式,即整车式和拖车式两种。整车式是混装设备、动力和泵等安装在柴油车的底盘上,与车头构成一个整体。这种混装车行动比较灵活,该公司生产的大部分是这种形式的。拖车式是混装设备、动力和泵等做成类似于拖车箱,另备车头拖挂。

(2)储存及预混装置(工厂)。这是一种专为混装泵车提供热硝铵溶液、各种干燥的固体原料(如干硝铵、铝粉等)和微量配料,必要时可以进行预混合的装置。它主要由固体或液体的储存罐、加热装置、螺旋给料装置、泵、支架等组成的。这种装置可分为活动的、固定的和半固定三种形式。

埃列吉尔614系列混装工艺流程减图3。

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4值得注意的两项试验技术

4. 1 沟槽效应试验

炸药药卷装在炮孔内有月牙形空气间隙时,炸药引爆后,不能连续正常爆轰的现象称为沟槽效应。埃列克公司对沟槽效应进行了试验研究认为,造成沟槽效应的原因是炸药引爆后,在爆轰波前方有一个等离子层,对炸药药卷产生压缩作用,使受压炸药发生能量衰减以致产生拒爆。这种等离子层可用高速摄影机拍摄下来。该公司将直径32毫米的药卷,连续放在直径43毫米的聚氯乙烯塑料管或铜管内,在两端不封闭的情况下,于一端用雷管引爆,用探针测得(图4),当浆状炸药爆速为3700米/秒时,其爆轰波阵面前的等离子层(或称离子波)速度为4500米/秒。两者差值愈大,其沟槽效应愈显著。当炸药的爆轰速度达到4500米/秒以上时,其沟槽效应很小,甚至没有。该公司试验确定,用铝粉敏化的埃列迈特Ⅰ型、Ⅲ型和用硝酸甲胺敏化的埃列迈特M型炸药,其传爆长度为1~2米,即沟槽效应等于或大于1米。而乳化油浆状炸药一一埃列迈特Ⅱ型其传爆长度为3米,也就是说在试验条件下,无沟槽效应。

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为了检验炸药沟槽效应的大小,确定的标准试验方法如图5所示。塑料管长3米,内径43毫米,药卷直径32毫米,管的两端不用任何东西封闭。为了便于观测,塑料管置于厚为0. 5~0.6厘米,宽20. 3厘米的铝板上,铝板底下垫以砂层。浆状炸药用雷管引爆后,由铝板被冲击的痕迹来确定有无沟槽效应及炸药传爆长度。

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经过试验和理论分析后认为,可以采用下列技术措施中之一种来减小或消除沟槽效应。

(l)在炮孔中每个药卷间进行充填(图6),以阻塞等离子波前进。

(2)用水充填炮孔间隙。

(3)沿药卷全长轴向放置导爆索。

(4)药卷采用加厚的特殊包装,如在药卷外层涂以沥青层,以减小或消除等离子波的压力渗透。

(5)使炸药散装充满炮孔,不留间隙。

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4. 2 动态压死试验

在爆破作业中,一个炮孔中的炸药发生爆炸,冲击波传播到相邻的炮孔中,使该炮孔中的炸药受压后钝感以致不能被雷管起爆出现盲炮的现象,称为动态压死。埃列克公司设计的专门试验装置如图7所示。

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图中水池的水深4米,炸药包浸入水下1.5 米,上方的钢丝绳长30米,炸药包A、B悬吊于钢丝绳之上。标准药包A为175克铸状彭托里特(PETM50/TNT50),B为试验药包,药量也为175克。试验时先引爆标准药包,相隔 500毫秒(一般采用500毫秒延期雷管)引爆试验药包,通过试验求得由于A药包爆炸产生的冲击波作用使B药包不能引爆的最小距离x(米),显然x值愈小愈好。这一炸药特性值可以从理论上解释在爆破作业中产生个别炮孔拒爆的现象,也就是说从事爆破技术的工作人员在爆破实践中只考虑矿岩特性来布置孔网参数是不够的,尚需考虑所选用的炸药的动态压死特性值。

埃列克公司四种小直径浆状炸药的动态压死试验结果如下:

铝粉敏化的埃列迈特Ⅰ型x=2. 5米。

硝酸甲胺敏化的埃列迈特M型x=2.0米。

控制晶形和铝粉敏化的埃列迈特Ⅲ型x=l. 5米。

乳化油敏化的埃列迈特Ⅱ型x=l.0米。

从上不难看出,以乳化油敏化的埃列迈特Ⅱ型动态压死值最小。

5 几点看法

(1)埃列克化学公司是专门从事浆状炸药研制和生产的,技术上比较全面,理论上有独到之处。目前该公司有六种类型14个系列计45个品种浆状炸药,威力从高到低,密度从大到小,既有露天爆破使用的品种,也有地下爆破使用的品种,还有煤矿安全型的品种。目前我国浆状炸药敏化剂品种比较单一,能量和密度的调节范围较小,有必要进一步寻求新的敏化材料,大幅度地调节能量和密度,同时加强小直径雷管敏感的浆状炸药新品种的研究。

(2)乳化油浆状炸药是埃列克公司近年来发展起来的不含胶凝剂的一类新型浆状炸药,是用油加乳化剂进行乳化,作为浆状炸药的敏化剂,其特点是成本低、制造安全、爆轰感度高、爆炸性能好,是一类很有发展前途的品种。值得我国炸药工作者的注意,及早开展研究工作,突破这一技术。

(3)混装泵车在露天矿山使用不但减轻了装药的劳动强度,降低爆破戚本,提高装药速度和密度,改善爆破质量,更重要的是由于抗水性能良好,且操作安全,可以实行预装药工艺,免除投孔工作,减低废孔率,提高钻孔的利用效率。有关的统计资料表明,仅此一项技术就可减少三分之一左右的钻机,必须引起有关主管部门和矿山的领导和同志们的重视。

(4)与用冲击波压缩产生沟槽效应的理论不同,埃列克公司利用等离子波理论解释沟槽效应,提出的减小或消除沟槽效应的技术工艺,在小直径炮孔爆破作业中具有指导意义。

(5)埃列克公司设计的动态压死试验,是炸药的一项重要特征数值,对于孔网参数的设计有一定的参考价值,且能从理论上解释爆破实践中产生个别盲炮的现象。

摘自《汪旭光院士论文选集》