硝酸銨含量對水膠炸藥爆速影響研究

檀 鑫,黃文堯,黃孟文,潮 捷,孫寶亮,高玉剛

(1.安徽理工大學 化學工程學院,安徽 淮南 232001;2.中煤科工集團淮北爆破技術研究院有限公司,安徽 淮北 235000)

0 引言

水膠炸藥具有威力高、有毒氣體含量少、抗水性強等優點,在礦山和地質開采中被廣泛運用,該炸藥的性能受多種因素的影響[1-5]。

化學敏化水膠炸藥是在硝酸銨水溶液和硝酸一甲胺水溶液混合后,加入硝酸鈉、膠凝劑、交聯劑、化學發泡劑和促進劑等制得的含水炸藥。 為了創建環保、節能、和諧的民爆新產業,國內直接使用硝酸銨水溶液進行工業炸藥的生產[6-8],通過研究硝酸銨水溶液質量分數對水膠炸藥爆速的影響,得出水膠炸藥爆速變化規律,對化學敏化水膠炸藥的基礎配方設計和生產工藝的改進具有參考價值。

1 實驗部分

1.1 水膠炸藥原料及配方

硝酸銨,工業級;硝酸一甲胺溶液,工業級,質量分數為86%;發泡劑,亞硝酸鈉水溶液,質量分數為30%;硝酸鈉,工業級;膠凝劑,田菁粉;氟蛋白泡沫液,工業級;交聯劑,焦銻酸鉀水溶液,質量分數為8%;促進劑,磷酸水溶液,質量分數為85%;蒸餾水,自制。 水膠炸藥中各原料的質量分數見表1,不同樣品硝酸銨水溶液的質量分數見表2。

表1 水膠炸藥中各原料的質量分數%

表2 不同樣品硝酸銨水溶液的質量分數

1.2 水膠炸藥的制備

按表1 配方稱取一定質量的質量分數為86%的硝酸一甲胺溶液,加熱至60 ～65 ℃,稱取一定質量的硝酸銨和蒸餾水配制成硝酸銨水溶液,加熱至70～75 ℃。 將上述兩種溶液混合并攪拌均勻,再加入已預混均勻的硝酸鈉和田菁粉固體混合物及發泡劑,以200 r/min 的轉速攪拌6 min。 隨后依次加入氟蛋白泡沫液、促進劑及交聯劑,各自攪拌1 min,轉速為100 r/min,制得水膠炸藥。

1.3 實驗儀器及測試

1.3.1 析晶點實驗

儀器與設備:錐形瓶、WIKA 溫度傳感器、磁力攪拌器、精密天平等。

按表1 配方稱取適量的質量分數為86%的硝酸一甲胺溶液、硝酸銨顆粒、水和硝酸鈉,將該混合溶液加熱至85 ℃后,倒入放有磁棒和溫度傳感器的錐形瓶中。 啟動磁力攪拌器,使錐形瓶中的磁棒緩慢旋轉,通過溫度傳感器記錄該混合溶液析晶時的溫度[9]。

1.3.2 黏度測試實驗

儀器與設備:RVDV-1 數字黏度計。

將適量樣品裝入塑料杯,滑動升降旋鈕使轉子的節點與被測水膠炸藥樣品的液面齊平,測量黏度,通過黏度計記錄黏度變化。

1.3.3 顯微鏡觀測實驗

儀器與設備:MSD-701 型生物顯微鏡。

用去離子水洗凈標準蓋玻片和載玻片,放在無水乙醇中浸泡,然后用酒精燈烘干以備取用。 取適量水膠炸藥樣品置于載玻片上,蓋上蓋玻片后放在顯微鏡下觀測。

1.3.4 爆熱實驗

儀器與設備:爆熱量熱儀;8 號電雷管;蒸餾水;陶瓷坩堝。

實驗使用已知熱值的苯甲酸作為標準量熱物質,標定爆熱量熱儀的熱容。 稱取30 g 水膠炸藥樣品裝入陶瓷坩堝中,將試樣放置在爆熱彈內,抽真空達到無氧狀態。 測溫介質使用20 L 的蒸餾水,根據水溫變化情況和量熱儀的熱容量,得到單位質量的水膠炸藥樣品的定容爆熱。

1.3.5 爆速實驗

儀器與設備:BSW-3A 型智能五段爆速儀、發爆器、8 號電雷管。

采用GB/T 13228—2015《工業炸藥爆速測定方法》標準測定水膠炸藥樣品的爆速。

2 實驗結果與討論

2.1 析晶點

通過實驗, 5 個樣品鹽溶液的析晶點見表3。

表3 不同樣品鹽溶液的析晶點

由表3 可知,從樣品1 至樣品5,硝酸銨水溶液質量分數由78%增加至86%時,鹽溶液的析晶點由26 ℃上升至36 ℃,這是由于當硝酸銨水溶液質量分數越高時,水含量越少,硝酸銨越容易在水中形成過飽和溶液,而硝酸銨本身的溫度系數比較高,隨著溫度的降低,硝酸銨溶解度降低,在相同存儲條件下,含水量少的鹽溶液更容易析出晶體[10-11]。

2.2 黏度及微觀結構

不同樣品水膠炸藥的黏度與硝酸銨水溶液質量分數之間的關系曲線如圖1 所示。

圖1 水膠炸藥黏度與硝酸銨水溶液質量分數的關系曲線

5 組水膠炸藥樣品的微觀結構如圖2 所示。

圖2 水膠炸藥樣品的微觀結構

由圖1 和圖2 可以看到,當硝酸銨水溶液質量分數增加時,水膠炸藥的黏度增大。 這是因為從樣品1 至樣品5,水膠炸藥中硝酸銨水溶液質量分數由78%增加至86%,炸藥含水量由15. 9%減少至12.2%,鹽溶液析晶點由26 ℃增加至36 ℃,在相同保存條件下,鹽溶液析晶點高的水膠炸藥會優先析出晶體,并且晶體的析出量隨著溫度的降低而增多,引起水膠炸藥內部的內摩擦力逐漸增大,導致炸藥黏度不斷增大。

由圖2 可以看到,從樣品1 至樣品5,隨著硝酸銨水溶液質量分數的不斷增加,炸藥中微氣泡數量逐漸增加,且90%以上的氣泡直徑在10 ～100 μm,這是由于隨著硝酸銨水溶液質量分數的增加,水膠炸藥的黏度增大,而黏度大的炸藥對微氣泡的束縛能力更強,氣泡更加穩固,不易聚集或逃逸。

2.3 水膠炸藥的爆熱和爆速

將制作好的水膠炸藥樣品裝藥,在常溫下放置至少24 h 后進行爆熱及爆速的測試,結果如圖3、圖4 所示。

圖3 水膠炸藥爆熱測試結果

圖4 水膠炸藥爆速測試結果

由圖3 和圖4 可得,當硝酸銨水溶液質量分數由78%增加至86%時,水膠炸藥的爆熱分別增加了3.0%、5.7%、8.0%、10.0%,爆速也分別增加了3.0%、6.4%、12.6%、3.4%。 這是由于硝酸銨水溶液質量分數為78%時,水膠炸藥含水量為15.9%,水的比熱容及蒸發潛熱較大,作為溶劑和稀釋劑,一方面可以提高炸藥本身的安全性,但另一方面也會降低炸藥威力,同時由于水含量較高,炸藥黏度較低,氣泡出現逸出現象,在沖擊波絕熱壓縮時有效熱點少,導致爆轟時前沿沖擊波作用下放熱量少,爆轟反應區的化學反應速度低,炸藥的爆速較低。 炸藥爆速根據經驗公式(1)計算。

式中:D為炸藥爆速,m/s;Q為炸藥爆熱,kJ/kg;γ為多方氣體指數。

由式(1)可知,炸藥的爆速與爆熱呈正相關關系,故隨著硝酸銨水溶液質量分數由78%增加至84%時,炸藥的爆熱增加,導致炸藥爆速增加,但隨著硝酸銨水溶液質量分數的持續增加,爆速反而降低,分析認為,當硝酸銨水溶液質量分數為86%時,水膠炸藥的含水量為12.2%。 根據表3 及圖2 可得,水膠炸藥在儲存過程中析出大量針柱狀硝酸銨晶體,這些晶體互相交織覆蓋,阻礙炸藥內部的相對移動,炸藥的流動塑性降低,炸藥的水凝膠體系難以保持穩定,炸藥感度和威力下降,導致水膠炸藥爆速降低。

3 結論

對不同質量分數的硝酸銨水溶液制備的水膠炸藥樣品進行實驗對比分析,結論如下:

1)隨著硝酸銨水溶液質量分數的增加,鹽溶液的析晶點升高,炸藥黏度分別增加6.9%、14.3%、19.8%、25. 5%,晶體析出量增加,氣泡數量逐漸增多。

2)隨著硝酸銨水溶液質量分數由78%增加至86%時,炸藥的爆熱增加,爆速先升高后降低,水膠炸藥中硝酸銨水溶液質量分數為84%時,炸藥爆速最大。