改进型多孔粒状铵油炸药生产工艺的设计

牛 斌,李仕洪

(甘肃久联民爆器材有限公司,兰州 730030)

多孔粒状铵油炸药是由多孔粒状硝酸铵与柴油利用现场混装技术简单混合而得的一种工业炸药，具有生产工艺简单、成本低廉、使用安全、流散性好、易装填等特点，广泛用于无水条件下的露天大爆破工程，是民爆行业鼓励发展的一个工业炸药品种。但是，多孔粒状铵油炸药也具有爆炸性能低、储存时间短、不防水等缺点，行业学者和工作人员也做了大量的工作以改善其性能，比如：有加入竹炭粉以改进多孔粒状铵油炸药的爆炸性能[1]；采用白油代替柴油增加油相材料与多孔粒结合程度，或加入含有乳化剂的复合油相外加微量添加剂，从而延长多孔粒状铵油炸药保质期[2-3]；采用复合油相并加入定型剂、黏稠剂、能量促进剂等混合制备特殊用途的黏稠性多孔粒状铵油炸药[4]；加入交联剂和表面活性剂以提高炸药的抗水性[5]；采用生物燃油替代柴油利于保护环境[6]；以基础油或基础油与抗氧化剂的混合物为油相材料替代柴油，提高炸药的爆轰感度，并能够在高温环境中使用[7]；利用废弃食用油脂与轻柴油混合使用变废为宝、降低产品成本[8]；在炸药中加入木粉提高炸药性能、降低产品成本等。这些技术均不同程度地改善了多孔粒状铵油炸药的性能，取得了较好的经济效益和社会效益。

但是，上述措施方案均局限于材料上的调整和变化，制造工艺仍然以现场混装车和地面站简易设备混拌为主，产品性能得不到根本性改变。为此，笔者设计了一种新的生产技术方案，进一步解决多孔粒状铵油炸药产品爆炸性能不佳的问题，并实现多孔粒状铵油炸药生产配方多元化、系列化，产品爆炸性能基本达到粉状改性铵油炸药的质量水平。

1 工艺方案设计

1.1 工艺原理

将多孔粒状硝酸铵加热后再进行混油以提高其混匀度，以蜡系物为主的复合油相加入少量表面活性剂材料替代单一的柴油以提高铵油炸药的稳定性，加入木粉或稻糠调整炸药的感度和密度并降低产品成本，选用兼具混拌、碾压和凉药功能的设备进行混药，提高炸药的混匀度，改变炸药的物理状态，形成半颗粒半粉状的多孔粒状铵油炸药，从而提高炸药的综合爆炸性能。

1.2 工艺流程简述

将备好的多孔粒状硝酸铵定量输送到高效升温干燥机内，加热到80 ℃后进入混油螺旋，配好备用的复合油相通过计量泵送到混油螺旋雾化后与多孔粒状硝酸铵进行混合；铵油混合物流入空心桨叶混凉药机内，加入定量输入的木粉/稻糠进行连续混药凉药，待药温降至45 ℃后进入装药回转螺旋，采用全自动大包装药机进行装药包装，成品通过在线检测后经皮带输送到中转装车站台，机器人自动装车转运入库，改进型多孔粒状铵油炸药生产工艺流程如图1所示。

1.3 工艺设备选型与配置

本工艺加热设备拟选JGS高效升温干燥机(见图2)，该设备采用限压蒸汽加热，能耗低，升温效果好，热交换效率高，盘面温度与蒸汽温度相差不到±5 ℃，料温与盘面温度相差小于10 ℃。JGS高效干燥升温机主要由大小干燥盘、耙臂、耙叶、主轴、传动装置和保温筒体组成。大干燥盘和小干燥盘交替排列，每个盘上方有一个十字耙臂，耙臂固定在主轴上，耙臂上装有若干可调的耙叶。干燥盘是空心的，夹层通蒸汽，蒸汽压力控制在0.40 MPa，盘面温度为(95±5) ℃。运行时轴及十字耙臂由调速电机通过减速机带动而缓慢旋转，耙叶则在盘面上移动。多孔粒状硝酸铵经定量螺旋连续地加到JGS上部第一层小干燥盘靠内缘盘面上，耙臂随主轴作回转运动，带动耙叶连续地翻炒物料。物料沿指数螺旋线流过干燥盘表面，在小干燥盘外缘落到正下方的大干燥盘外缘，在大干燥盘上物料向里移动，并从中间落料口落入下一层小干燥盘中，物料自上而下通过所有的干燥盘。干燥后的物料从最后一层干燥盘落到壳体的底层，被耙叶移送到出料口排出。水分从硝酸铵中逸出后，由设在顶盖上的尾气出口管道排出工房室外。

混凉药设备选用广泛用于粉状炸药生产线上的空心桨叶混凉药机(见图3)，由于其螺旋叶片为斧头状犬牙交错，对辊混药时具有较好的碾压功能，将多孔粒状硝酸铵部分碾压成粉状，混合效果良好；由于螺旋叶片、螺旋轴以及夹套均通冷却水，具有良好的凉药效果。混油设备选用普通双轴混药螺旋，便于油垢的清理，混凉药机之间采用空心桨叶单轴夹套螺旋连接。混凉药机及输送螺旋在民爆行业内应用广泛，其工作原理简单，不再赘述。生产线设备配置如表1所示。

表1 多孔粒状铵油炸药生产线设备配置

2 配方设计与性能测试结果

理论和实践证明，当油相质量分数在4.5%～5%时，炸药的威力和猛度性能最好，当油相质量分数在6%时，炸药的爆速最高，当油相质量分数大于5%时炸药基本没有雷管感度，油相质量分数在2.5%左右时，炸药的感度最高[9]。本工艺使用的复合油相采用液混式膨化硝铵炸药或改性铵油炸药通用的一体化复合油相，另外加入少量的表面活性剂，其氧平衡值约为-3.433，与柴油-3.428很接近，且化学性质相近，因此在配方设计时综合考虑各种性能指标和经济因素，按照零氧平衡原则，并参考传统铵油炸药配方设计了3种配方(见表2)，利用价格低廉的木粉或稻糠来调节炸药的综合性能和经济效益。同时，还可以根据不同的地质情况设计生产其他的配方，调整油相的质量分数在2.0%～5.5%之间，再用木粉配平氧平衡，实现配方系列化。该工艺也能生产其他特殊要求的产品。

表2 改进型多孔粒状铵油炸药配方

笔者在实验室模拟工艺技术条件进行试验，在烧瓶中将多孔粒状硝酸铵加热到80 ℃，然后加入熔化后的复合油相进行铵油混合，混匀后的铵油混合物倒入库研钵中进行研磨混拌稻糠，使多孔粒状硝酸铵破碎粉化率达50%以上，使炸药细度达到50%过40目筛，当料温降至45 ℃以下时，取样进行性能检测，结果如表3所示。在内覆膜编织袋中扎袋存放，改进型1#多孔粒状铵油炸药储存性能如表4所示。

表3 铵油炸药爆炸性能对比

表4 改进型1#多孔粒状铵油炸药储存性能

由表3可以看出，改进型多孔粒状铵油炸药各项爆炸性能略低于粉状改性铵油炸药。由表4可以看出，改进型多孔粒状铵油炸药储存90 d性能无明显变化，120 d后有明显衰减，180 d以后仍然能够达到工业炸药通用技术条件二号岩石炸药标准水平。

3 少人化无人化设计

3.1 材料配送与加料

炸药生产线要实现自动化、无人化生产，必须要解决材料配送与添加的问题[10]。

作为主要材料多孔粒状硝酸铵优先考虑使用散装产品，在工房外合适位置建设一个低位料仓，以便于散装槽车卸料，料仓的容量能够满足生产线设计产能一天的用量，然后通过自吸式风送系统输送到生产线硝酸铵缓存料仓，通过缓存料仓的料位计控制输送系统的启/停，实现生产过程无人加料。当主料仓与缓存料仓距离较近时，也可采用管式螺旋进行物料输送。如果没有散装多孔粒状硝酸铵，则使用吨袋包装产品提前备料(见图4)，在开班前用电瓶叉车将吨包多孔粒状硝酸铵送到专用卸料机架上自动破袋卸入低位料仓备用。当地形条件不具备时，可采用管式提升螺旋将物料输送至高位料仓备用；地形、位置条件较好的企业也可以采用叉车配合悬挂式轨道车将吨包多孔粒状硝酸铵从库房输送到工房投料位自动破袋投料。

木粉采用移动式料仓与生产线缓存料仓对接使用，两料仓之间可以用自吸式风送系统连接，也可以用螺旋或皮带输送连接，通过缓存料仓的称重模块计量系统控制送料系统的启/停，从而实现生产过程无人加料。

油相材料从配制中心泵送到生产线缓存罐，通过缓存罐的称重模块计量系统预警控制泵送系统实现生产过程无人加料。

包装材料实行班前备料备用。

3.2 制药

缓存料仓中的多孔粒状硝酸铵通过定量螺旋连续输送进入JGS高效升温干燥机中进行干燥，干燥后的硝酸铵经干燥机出料口落入混油双螺旋，与此同时，配制好的油相按配方比例通过输送系统中的油相泵，经油相流量计喷洒到下落的硝酸铵中，带有油相的多孔粒状硝酸铵由混油双螺旋预混合后进入1#混凉药机进一步混合和碾压，使油相材料充分渗入硝酸铵中，铵油混合物再进入2#混凉药机，缓存料仓中的木粉经定量输送螺旋按配方比例连续进入2#混凉药机内进行连续混合、碾压和冷却，再经物料输送螺旋送入3#混凉药机进行混药、碾压和凉药，然后经物料输送螺旋将炸药提升到装药回转螺旋进行装药，控制装药温度小于45 ℃。制药过程实现连续化、自动化、无人化生产。

3.3 产品包装与成品转运

炸药产品包装采用全自动散装大包装药机，该设备具有自动上袋、自动计量装药、自动折边缝包等功能，包装好的成品通过在线检重系统检测合格后皮带输送到成品中转装车站台，装车机器人自动装车，人工驾驶转运入库。从而实现装药过程少人化，装车过程无人化生产模式。

3.4 自控制系统

改进型多孔粒状铵油炸药生产系统相对国内现有的粉状炸药生产线来说，控制系统较为简单，生产线监控室集控台通过动力配电回路实现对现场设备的启停控制，通过计算机、PLC、智能仪表、变频器对现场仪表和传感器的温度、流量、压力、料位/液位、电流等参数进行实时采集和实时控制，操控电脑屏幕上可以观察到与实际工况同步的动态运行画面、仪表实时参数画面、实时动态曲线、历史数据报表，国内技术非常成熟，不再赘述。

4 安全性分析

作为生产过程中唯一需要加热的设备JGS高效升温干燥机采用限压蒸汽加热，蒸汽压力通过减压阀和安全阀控制小于0.4 MPa，安全系数高，设置有温度、蒸汽压力、电流控制和烟雾传感器、火焰探测器及自动雨淋灭火系统等安全联锁装置。混油双螺旋在运行过程中既不通蒸汽、也不通冷却水，处于自然降温状态，设置有温度、电流控制和内置雨淋管。混凉药机、物料输送螺旋、装药回转螺旋均有冷却水进行强制降温，同时设置有物料温度、设备电流控制和内置雨淋管安全连锁。

全线设备设置有报警系统，报警超时则自动停机、自动打开内置雨淋系统，确保生产安全。因此，生产线本质安全水平较高。

需要注意的是，由于生产线螺旋较多，一定要定期检查螺旋轴密封是否完好以避免轴端串药，定期润滑保养和更换轴承以避免轴承缺油摩擦升温，定期清理螺旋槽体内的药垢以避免螺旋叶片摩擦升温形成热点发生事故。

5 经济效益分析

以1#标准配方为例，改进型多孔粒状铵油炸药生产成本与粉状改性铵油炸药对比情况如表5所示。

表5 铵油炸药生产成本对比

表5中材料成本只比较硝酸铵，质量分数均为92%，材料价格以2021年12月份陕西兴化出厂含税价格测算，其他材料相同；粉状铵油炸药燃动成本按结晶硝酸铵测算；人工成本只比较车间人工制造成本，人均年收入按60 000元测算。由此可见，改进型多孔粒状铵油炸药与同类型的粉状铵油炸药、膨化硝铵炸药同比成本要低大约85元/t。另外，改进型多孔粒状铵油炸药生产线设备简单，故障率低，维护保养费用低于粉状铵油炸药生产线设备；生产线制药设备总投资只需200多万元，远低于国内其他粉状炸药生产线，折旧费用低。

另外，改进型多孔粒状铵油炸药堆积密度可达0.68 g/cm3以上，高于液混式膨化硝铵炸药和改性铵油炸药0.48 g/cm3的平均水平，能够提高炮孔的单孔装药量，具有良好的单位体积做功能力，有利于降低爆破过程中的钻孔成本。

6 结语

改进型多孔粒状铵油炸药生产技术实现了无人操作、少人值守的少人无人化安全生产目标，产品爆炸性能基本与膨化硝铵炸药和改性铵油炸药在同一质量水平，兼具了多孔粒状铵油炸药流散性好易于装药的优点，单位体积做功能力强，能够实现配方多元化、系列化生产，能够满足不同地质条件的使用要求。生产线设备装机功率不足100 kW，能耗低，综合成本低于液混式膨化硝铵炸药和改性铵油炸药，具有良好的经济效益和社会效益。