金屬爆炸焊接專用炸藥的配方研究

侯志明

（福建海峽科化股份有限公司，福建 三明 366000）

新型金屬復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用在石油、船舶、海水淡化、化工、水利、電力、機(jī)械加工、城市建設(shè)等諸多領(lǐng)域。國內(nèi)企業(yè)年產(chǎn)能難以滿足目前國內(nèi)市場(chǎng)需求。福建海峽科化股份有限公司致力于打造鈦金屬復(fù)合板項(xiàng)目，本文對(duì)福建海峽科化永安分公司的膨化硝銨炸藥進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)金屬板焊接試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)金屬板焊接成型率低且金屬板焊接處凹凸不平，效果不良。結(jié)合國內(nèi)外關(guān)于金屬爆炸焊接炸藥的文獻(xiàn)闡述及現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)技術(shù)人員討論[1]，認(rèn)為現(xiàn)有炸藥配方及爆炸性能主要針對(duì)的是礦山開采、土石方爆破工程而設(shè)，爆速偏高，做功能力偏強(qiáng)，無法滿足金屬板爆炸焊接的需要。所以，本文進(jìn)一步闡述了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期結(jié)果不相符的原因，并提出金屬焊接專用炸藥的配方方案修正建議。

1 2 號(hào)巖石膨化硝銨炸藥配方和生產(chǎn)工藝

膨化硝銨炸藥連續(xù)生產(chǎn)線在福建海峽科化股份有限公司年產(chǎn)能1.1 萬t，于2018 年完成轉(zhuǎn)產(chǎn)驗(yàn)收并投入使用。該生產(chǎn)線現(xiàn)狀為1.1 級(jí)危險(xiǎn)工房，在線人員5人，生產(chǎn)設(shè)備出自南京理工大學(xué)研發(fā)設(shè)計(jì)，生產(chǎn)過程工序的質(zhì)量控制指標(biāo)、工藝條件和參數(shù)、操作步驟及技安等都有嚴(yán)格的限定和要求。膨化硝銨炸藥主要原材料為硝酸銨水溶液、木粉、炸藥專用蠟，經(jīng)真空膨化、連續(xù)混藥等工藝流程后包裝成Φ32 mm 藥卷，藥卷質(zhì)量指標(biāo)和儲(chǔ)存性能達(dá)到或超過國內(nèi)同類領(lǐng)先產(chǎn)品。

2 膨化硝銨炸藥配方調(diào)整

為了降低膨化硝銨炸藥在金屬爆破焊接的做功能力，減小炸藥對(duì)金屬板的沖擊力，降低金屬板變形的程度，在炸藥原有生產(chǎn)工藝與流程穩(wěn)定不變情況下，對(duì)2 號(hào)巖石膨化硝銨炸藥混合方式和配方進(jìn)行篩選式試驗(yàn)，調(diào)試出最佳配方方案。目前，根據(jù)最佳配方制作出的膨化硝銨炸藥已能滿足金屬爆炸焊接行業(yè)的生產(chǎn)需求。

在分公司現(xiàn)有生產(chǎn)的膨化硝銨炸藥產(chǎn)品上，通過對(duì)膨化炸藥成分組合的優(yōu)化重組和混拌機(jī)制的升級(jí)改造，克服了膨化硝銨炸藥的高爆速、高猛度的缺陷，提高了其松散度和性能的穩(wěn)定性。在與客戶對(duì)接爆炸焊接試驗(yàn)過程中，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論的最優(yōu)設(shè)計(jì)，確定金屬爆炸焊接專用炸藥的最優(yōu)組分及結(jié)構(gòu)。膨化硝銨炸藥配方如表1 所示。

表1 膨化硝銨炸藥配方（單位：%）

膨化炸藥的性能不僅受配方組成的影響，還與材料的質(zhì)量、生產(chǎn)工藝有關(guān)。膨化炸藥的流水線生產(chǎn)工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、易操作，有良好的安全性，在膨化炸藥配方設(shè)計(jì)時(shí)要考慮與生產(chǎn)工藝的匹配度問題，以達(dá)到工業(yè)炸藥的生產(chǎn)需求。

經(jīng)調(diào)查，國內(nèi)現(xiàn)行的金屬爆炸焊接所使用的炸藥存在如下缺陷：所用炸藥品種中如RDX、PETN、TNT等炸藥，安全性低、毒性大、生產(chǎn)環(huán)境和條件惡劣；現(xiàn)行炸藥配方及爆炸性能主要針對(duì)的是礦山開采、土石方爆破工程而設(shè)，爆速偏高；未見有相關(guān)的產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也未見能真正應(yīng)用于金屬爆炸焊接工程的產(chǎn)業(yè)化研究。金屬爆炸焊接炸藥配方設(shè)計(jì)一般是在炸藥顆粒松散度、爆轟理論和氧平衡原理等理論上，通過調(diào)節(jié)配方組成得到的，通過單因素試驗(yàn)考察添加稀釋劑種類和含量對(duì)金屬爆炸焊接炸藥的松散度和爆轟性能的影響，并根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和安全環(huán)保性來優(yōu)化并確定金屬爆炸焊接炸藥的最佳配方。

2.1 金屬爆炸焊接專用炸藥稀釋劑種類的選擇方案

金屬爆炸焊接工藝對(duì)所用炸藥有著很嚴(yán)格的限定要求，所用炸藥的爆速一般在2 000 m/s 左右，殉爆、猛度適當(dāng)，通常金屬復(fù)合板的面積越大，覆板延展性會(huì)越差，所用炸藥的爆速就應(yīng)當(dāng)越低。在金屬焊接爆炸專用炸藥配方選擇過程中，經(jīng)資料查詢及工藝評(píng)估后，選用了珍珠巖、食鹽、玻璃微球、滑石粉為此次方案選擇的考察對(duì)象。在原有的膨化硝銨炸藥基礎(chǔ)上分別加入珍珠巖、食鹽、玻璃微球和滑石粉混合制成炸藥樣品，經(jīng)性能檢測(cè)后得出：食鹽在爆炸過程中能減緩爆轟波的傳播速度，可以很好降低炸藥的爆速，但是加入食鹽的膨化硝銨炸藥更易吸潮結(jié)塊，容易影響炸藥的使用性能；珍珠巖和玻璃微球因其內(nèi)部含有大量微孔，所以不參與反應(yīng)且減低了炸藥成分占比和密度，但由于其制成炸藥產(chǎn)品呈蓬松狀，在炸藥存放、搬運(yùn)過程中容易被壓實(shí)，導(dǎo)致炸藥爆轟不穩(wěn)定、傳爆不力；滑石粉為金屬氧化物材料，不參與爆炸反應(yīng)且降低炸藥成分占比，可降低炸藥的爆速，但其混合制成的炸藥密度增加過大。綜上所述，本文通過性能比對(duì)，選擇珍珠巖和滑石粉的混合物（玻璃微球價(jià)格貴）作為稀釋劑。

2.2 金屬爆炸焊接專用炸藥稀釋劑用量的選擇方案

金屬爆炸焊接專用炸藥配方的選擇對(duì)混合炸藥的爆速有很大的影響[2]，在配方種類確定情況下，探索配方各組分的含量占比對(duì)混合炸藥的性能的影響顯得尤為重要。在膨化硝酸銨、木粉與復(fù)合油相之間占比不變的情況下，稀釋劑以5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%占比不斷加大的使用量分別制備出金屬爆炸焊接專用炸藥的樣品，考察它們的炸藥性能密度、爆速指標(biāo)以及松散度。在樣品松散度檢測(cè)方法上，使用了傳統(tǒng)的傾斜量筒法，用角度測(cè)量?jī)x器測(cè)出各樣品傾倒完畢的傾斜角度，傾斜角度越小表示該樣品的松散度越好。經(jīng)樣品現(xiàn)場(chǎng)性能檢測(cè)得出炸藥樣品具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2 所示。稀釋劑加入量不同占比炸藥的爆速數(shù)據(jù)圖如圖1 所示。

表2 稀釋劑加入量不同占比情況下炸藥的密度、爆速等情況表

圖1 稀釋劑加入量不同占比炸藥的爆速數(shù)據(jù)圖

3 新配方金屬爆炸焊接專用炸藥的性能分析

從表2 數(shù)據(jù)中可以看出，在保證稀釋劑與原膨化硝酸銨炸藥混合均勻的情況下，在稀釋劑加入量不斷加大時(shí)，炸藥的性能如密度、爆速等呈逐步降低趨勢(shì)，松散度得到進(jìn)一步優(yōu)化。說明選擇珍珠巖和滑石粉作為稀釋劑材料是能夠與原膨化硝銨炸藥很好地相容，在松散度方面還有很好的改善。由于珍珠巖和滑石粉沒有相應(yīng)的爆炸能量，所以隨著它們占比的加大，炸藥的爆炸成分被稀釋，體現(xiàn)在爆炸性能的爆速指標(biāo)上呈現(xiàn)逐級(jí)遞減。查閱《2015—2020 年中國金屬爆炸復(fù)合板行業(yè)現(xiàn)狀分析與發(fā)展前景研究報(bào)告》等相關(guān)文獻(xiàn)，中國金屬爆炸焊接行業(yè)所需的金屬爆炸焊接炸藥，一是要符合GB 28286—2012《工業(yè)炸藥通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求；二是要滿足流散性好、易于鋪藥的要求；三是大致爆炸性能范圍如爆速在1 800～2 400 m/s 之間。如表2、圖1 所示，稀釋劑加入占比在20%～40%之間可以很好地滿足爆炸焊接所需的炸藥性能且不會(huì)失去炸藥的雷管感度。

4 新配方金屬爆炸焊接專用炸藥試驗(yàn)生產(chǎn)

金屬復(fù)合板即由2 塊或多層板爆炸焊接而成。福建海峽科化股份有限公司采用鈦板和鋼板進(jìn)行爆炸焊接試驗(yàn)，二者之間保持一定間隙，鋼板用焊于基板四周的鐵絲作支撐。鈦板上均勻鋪上福建海峽科化股份有限公司新研制的金屬爆炸焊接專用炸藥，藥框用木板制作，基礎(chǔ)是石沙堆或泥地，具體工藝裝置如圖2所示。

爆炸焊接后，將鈦鋼金屬復(fù)合板焊接面剖開，在金相顯微鏡下觀察，可看到細(xì)微的波狀結(jié)構(gòu)。經(jīng)分析，得出兩金屬線己彼此滲入到對(duì)方的組織中，焊接效果符合技術(shù)要求。因此，福建海峽科化股份有限公司新研制的金屬爆炸焊接專用炸藥具有性能穩(wěn)定、流散性好、爆炸均一性好等特點(diǎn)。利用添加適當(dāng)?shù)南♂寗┡渲票ê附訉Ｓ谜ㄋ帲梢暂^好地適應(yīng)爆炸焊接對(duì)炸藥性能和安全的要求。

圖2 金屬板爆炸焊接工藝設(shè)備圖

5 結(jié)束語

通過對(duì)膨化硝銨炸藥組分混合體系中稀釋劑變化的研究，證明新配方組分材料的調(diào)整對(duì)膨化硝銨炸藥的爆炸性能有一定規(guī)律的影響。在加入稀釋劑的情況下，新配方的膨化硝銨炸藥的爆速變化能很好地滿足金屬板爆炸焊接行業(yè)對(duì)專用炸藥爆炸性能的需求。在炸藥零氧平衡原則下，優(yōu)選出膨化硝銨炸藥配方組分的種類和含量，研制出一種爆炸性能適宜、炸藥顆粒松散度良好、無環(huán)境污染的金屬爆炸焊接專用炸藥。在此基礎(chǔ)上，仍有一些問題需要進(jìn)一步研究和探討，主要有以下3 點(diǎn)：①膨化硝銨炸藥固有的易吸潮、不抗水的缺陷未得到有效解決，無法適用于大量生產(chǎn)推廣。②制造金屬爆炸焊接專用炸藥的關(guān)鍵技術(shù)是爆炸性能降低至適用范圍，由于炸藥在某一特定條件下會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的破壞力，因此，其應(yīng)用于焊接行業(yè)生產(chǎn)過程應(yīng)該是嚴(yán)格控制的。基于這一點(diǎn)，針對(duì)生產(chǎn)實(shí)際情況，對(duì)金屬爆炸焊接專用炸藥的熱感度、撞擊感度、雷管感度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。③將研究成果與金屬板爆炸焊接工程實(shí)踐相結(jié)合，炸藥的混合不均勻造成的爆炸能量不均勻或爆炸能量的不匹配，皆易造成焊接后的金屬板平整度不良等問題。