吸收藥定量加料工藝設備安全性分析

景 青，蘇 楊

（西安近代化學研究所，陜西 西安 710065）

火炸藥生產工藝發展趨勢應朝著提高質量和本質安全程度、降低成本方向發展.這就要求火炸藥生產應該連續化、自動化、智能化，柔性化，隨著信息科技的發展，這些要求有了更好的支撐.在現代火炸藥制造工藝中，物料的連續定量加料變得越來越重要，但是火炸藥生產中很多原材料本身是一種具有爆炸危險性的含能材料，這就使得在民用行業相對成熟的物料定量加料技術、設備不能照搬照用，它有著不同于一般加料裝置的特殊性.因此，針對火炸藥生產當中含能原料的定量加料工藝設備安全性研究具有重要意義，同時針對不同物料要區別對待，現代火炸藥生產當中，很多原料本身就是一種含能材料，比如推進劑壓延工藝中用到的高固體含量吸收藥、新型炸藥生產中用到的黑索金，這些物料又有各自的特點，高固體含量吸收藥有一定的含水率，但是流動性不好，黑索金流動性好，但是容易產生靜電積累，本文主要針對壓延工藝中高固體含量吸收藥應用失重式定量加料方法的安全性做主要研究.

1 失重式計量喂料器特性分析

物料定量加料裝置在塑料、食品加工、化工生產領域已經大量應用，先進技術層出不窮，失重式計量喂料器是連續給料計量的自動化衡器，它克服了傳統配料系統的間隙式生產的缺點，采用PID閉環控制、變頻控制等技術有效地實現解決了實時控制和動態計量精度的矛盾，兼有靜態秤、動態秤特點.

通過試驗得到數據，加料精度滿足技術要求，均勻性較好，系統運行穩定，但有物料堆積、打拱現象，這會引起物料的先進先出性、同時會引起物料長時間與輸送裝置的摩擦，極端情況下加料螺旋還有可能會與螺旋輸送套筒發生金屬摩擦、撞擊，出料口瞬時流量不均勻，說明失重式計量控制系統在加料精度上基本滿足應用條件，安全性上卻不能滿足，再次證明，普通民用定量加料裝置不能直接應用于火炸藥生產當中，必需針對火炸藥生產特點，在安全性上精心設計、驗證，不僅能滿足加料精度，更加重要的是安全生產，裝置要有本質安全性.

2 物料流量特性及受力分析

根據庫倫摩擦定律，當物料與物料之間由靜止到開始滑移時，滑移面上的切應力τ與正應力σ成正比，即

式中:μc是物料的摩擦系數；c是初抗剪強度；φi是物料的內摩擦角.

物料與壁面的摩擦也滿足庫侖定律，若壁面摩擦角為φw，此時

當任一平面上的應力為τ<μcσ+c時，物料處于靜止狀態.當某一平面上的應力滿足庫侖定律τ=μcσ+c時，物料將沿該平面滑移.對螺桿加料器來說，其工作過程就是物料在重力和螺旋推動力的作用下不斷克服物料與物料、物料與壁面之間的剪切應力后產生相對位移.

在實際科研生產中，高固體含量吸收藥主要成分為黑索金、硝化甘油、硝化棉，這種混合物料雖然有一定的含水率，但還是應該考慮物料本身的摩擦感度，應使前面分析的剪切力τ=μcσ+c小于物料摩擦感度最小受力

3 打拱（也叫架橋）現象引起的安全性問題

出現此種情況是由于物料的流動性不好，物料與料斗摩擦系數太大、物料之間的內摩擦系數太大、料斗的錐角太大等因素導致物料在加料口上方形成一個拱形的料塞，這將會造成進料不均勻甚至中斷，可采取降低物料高度、減小料斗錐角、增加機械攪拌等辦法，而高固體含量吸收藥黏度較大，這些措施效果不明顯，為解決此問題，考慮采用一種彈性料斗，材料為導電橡膠一體成形，在料斗外部設計一組非對稱揉捏機械裝置，使加料斗在工作當中整體處于一種不停變化的狀態，可以完美解決堆料、打拱現象，此種料斗在國外個別產品上有應用，需要加強的是料斗材料應采用導電橡膠定做，導電橡膠應滿足一定的韌性和導電率.

4 出料口速度瞬時均勻性不好的安全性分析

為了了解物料的流動規律，通過透明套管來觀察物料在螺紋槽內的運動.從圖1可以看到，在垂直于螺桿軸線的截面上固定弧段（一般在套管頂部附近）內的物料總是隨螺桿轉動，可將這個弧段稱之為滯止區，而在套管底部附近的大部分物料隨著螺桿轉動在套管內滑動，并沿軸向移動，可將這一弧段稱之為滑移區.由于在螺桿轉動時，滯止區內的物料以一定的質量流量從一端進入滑移區，同時滑移區內的物料又以相應的質量流量從另一端進入滯止區，這就使得滑移區內的部分物料也有一定的周向運動.另外，在沿螺桿軸向各截面上的固體物料在螺紋槽內的流動分布并不相同，從加料器進口段到出口段滯止區內物料經歷了從多到少直到最終消失的過程.出現上述現象是因為滯止區內的物料沒有軸向運動，使得套管內的料位沿軸向越來越低，當料位降低到使處在料位最上端的物料所受到壁面的剪切力也能被其他力克服時，將不再有物料隨螺桿一起轉動，就出現了如圖1b所示的情況，即滯止區內沒有物料，此后套管內的料位將不再變化.

圖1 物料流型分布示意圖

圖2 出料通道寬度變化示意圖

一般情況下,卸料口開在套管的下部,常常為圓形或矩形，物料在螺桿的推動下進入出料通道依靠自身的重力自由落下.圖2a—圖5d分別顯示了θ為900、1800和2700時的出料通道寬度.顯然,螺桿旋轉一周,出料通道的寬度變化一個周期.相應地顆粒出料是從0到突然以整體流的形式快速出料，隨后流量越來越小直到幾乎為零，完成一個周期.在一個脈動周期內可以分為高速下料段和低速下料段，且很有規律性，因此加料螺旋可以考慮用雙螺旋加料，同時應充分考慮此種流量特性，調整加料螺旋相位，使得一個加料螺旋的高速下料斷與另一加料螺旋的低速下料斷形成互補，則可以使加料器出口脈動大大降低，達到實現流量均勻化的目的.

5 靜電危害現象及預防措施

火炸藥本身是絕緣體，它們同時又是靜電放電的敏感物質，顯然針對不同的環境，不同的對象，應該有不同的防靜電危害的技術和措施，雖然高固體含量吸收藥有一定的含水率，但靜電危害不能掉以輕心.

設靜電危險場所的爆炸性混合物的最小點火能為Wmin，導電體與帶電體間的電容為C，臨界電壓為Uk，帶電體的電壓為U，則在放電過程中靜電源釋放出的能量為：

此能量不至引燃爆炸混合物的條件應為：

式中α是恒小于1的安全系數

解上式可得帶電體的電壓應滿足：

也就是說，當帶電體的靜電位不超過上式所確定的數值時，導電體上的放電火花不會點燃爆炸性混合物.為減少帶電體上靜電位，針對研究內容，可以采取下面的措施.

5.1 提高環境的相對濕度，由資料可知，火炸藥、電火工品等生產、儲運環境中推薦的安全溫、濕度如表二所示.當然，增加空氣濕度應以不損壞機器設備、不危及產品質量為原則.

5.2 跨接（接地法）：這是目前應用最廣泛而且切實可行的辦法.

在火炸藥行業存在的靜電危險場所，一般允許的最大靜電電位值即危險電位值約為100V；另外，在目前的工業水平下，實際生產中靜電起電電流的范圍為10－11～10－4 A.

5.3導電涂層——物理方法消除物料加料過程中的靜電，就是在加料系統與物料摩擦的接觸面上涂覆復合涂層，通過調整復合涂層的組分和比例，使介電涂層得失電子的能力與物料得失電子的能力相同或相近，從而減少物料的摩擦起電量；同時還通過減小復合介電涂層的電阻值，以增大靜電泄露率.

6 結束語

失重式定量加料工藝可以滿足計量精度要求，但應用于火炸藥行業還有許多安全性技術問題需要解決，主要表現為物料打拱、流量脈動性、摩擦力及摩擦起電現象，針對物料打拱可采用彈性料斗；針對流量脈動可采用相位互補雙螺旋結構；針對摩擦起電可采用導電涂料、安全接地、無源靜電消電器等綜合措施.這些方法、工藝是一項系統工程，需要進一步的設計、試驗驗證，例如彈性料斗材料的導電系數、抗撕裂性；加料螺旋的流量系數設計；靜電導電涂層的導電率、附著性、耐用性等問題，解決好這些問題之后，新的定量加料裝置不單可以滿足壓延工藝生產需要，同時該工藝裝置研制方案可針對固態、粉料、半固態原料設計不同加料及輸送裝置，還可以應用于壓延工序、膠化工序、雙螺桿成型、合成工藝等眾多工序中.

〔1〕陸福一，耿興國，等.用物理方法控制推進劑組份在加料中的靜電.中國物理學會第八屆靜電學術年會，1999[分類號]:V512;O 441.

〔2〕中國北方化學工業總公司.火炸藥理論與實踐，2000.

〔3〕王順森,毛靖儒,劉觀偉.顆粒加料器流量脈動產生的機理及抑制新方法.西安交通大學學報，2005,39(11).

〔4〕范祖堯.現代機械設備設計手冊.非標準機械設備設計[Z].北京：機械工業出版社，1996.

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