硝酸铵含量对水胶炸药爆速影响研究

檀 鑫,黄文尧,黄孟文,潮 捷,孙宝亮,高玉刚

(1.安徽理工大学 化学工程学院,安徽 淮南 232001;2.中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司,安徽 淮北 235000)

0 引言

水胶炸药具有威力高、有毒气体含量少、抗水性强等优点,在矿山和地质开采中被广泛运用,该炸药的性能受多种因素的影响[1-5]。

化学敏化水胶炸药是在硝酸铵水溶液和硝酸一甲胺水溶液混合后,加入硝酸钠、胶凝剂、交联剂、化学发泡剂和促进剂等制得的含水炸药。 为了创建环保、节能、和谐的民爆新产业,国内直接使用硝酸铵水溶液进行工业炸药的生产[6-8],通过研究硝酸铵水溶液质量分数对水胶炸药爆速的影响,得出水胶炸药爆速变化规律,对化学敏化水胶炸药的基础配方设计和生产工艺的改进具有参考价值。

1 实验部分

1.1 水胶炸药原料及配方

硝酸铵,工业级;硝酸一甲胺溶液,工业级,质量分数为86%;发泡剂,亚硝酸钠水溶液,质量分数为30%;硝酸钠,工业级;胶凝剂,田菁粉;氟蛋白泡沫液,工业级;交联剂,焦锑酸钾水溶液,质量分数为8%;促进剂,磷酸水溶液,质量分数为85%;蒸馏水,自制。 水胶炸药中各原料的质量分数见表1,不同样品硝酸铵水溶液的质量分数见表2。

表1 水胶炸药中各原料的质量分数%

表2 不同样品硝酸铵水溶液的质量分数

1.2 水胶炸药的制备

按表1 配方称取一定质量的质量分数为86%的硝酸一甲胺溶液,加热至60 ～65 ℃,称取一定质量的硝酸铵和蒸馏水配制成硝酸铵水溶液,加热至70～75 ℃。 将上述两种溶液混合并搅拌均匀,再加入已预混均匀的硝酸钠和田菁粉固体混合物及发泡剂,以200 r/min 的转速搅拌6 min。 随后依次加入氟蛋白泡沫液、促进剂及交联剂,各自搅拌1 min,转速为100 r/min,制得水胶炸药。

1.3 实验仪器及测试

1.3.1 析晶点实验

仪器与设备:锥形瓶、WIKA 温度传感器、磁力搅拌器、精密天平等。

按表1 配方称取适量的质量分数为86%的硝酸一甲胺溶液、硝酸铵颗粒、水和硝酸钠,将该混合溶液加热至85 ℃后,倒入放有磁棒和温度传感器的锥形瓶中。 启动磁力搅拌器,使锥形瓶中的磁棒缓慢旋转,通过温度传感器记录该混合溶液析晶时的温度[9]。

1.3.2 黏度测试实验

仪器与设备:RVDV-1 数字黏度计。

将适量样品装入塑料杯,滑动升降旋钮使转子的节点与被测水胶炸药样品的液面齐平,测量黏度,通过黏度计记录黏度变化。

1.3.3 显微镜观测实验

仪器与设备:MSD-701 型生物显微镜。

用去离子水洗净标准盖玻片和载玻片,放在无水乙醇中浸泡,然后用酒精灯烘干以备取用。 取适量水胶炸药样品置于载玻片上,盖上盖玻片后放在显微镜下观测。

1.3.4 爆热实验

仪器与设备:爆热量热仪;8 号电雷管;蒸馏水;陶瓷坩埚。

实验使用已知热值的苯甲酸作为标准量热物质,标定爆热量热仪的热容。 称取30 g 水胶炸药样品装入陶瓷坩埚中,将试样放置在爆热弹内,抽真空达到无氧状态。 测温介质使用20 L 的蒸馏水,根据水温变化情况和量热仪的热容量,得到单位质量的水胶炸药样品的定容爆热。

1.3.5 爆速实验

仪器与设备:BSW-3A 型智能五段爆速仪、发爆器、8 号电雷管。

采用GB/T 13228—2015《工业炸药爆速测定方法》标准测定水胶炸药样品的爆速。

2 实验结果与讨论

2.1 析晶点

通过实验, 5 个样品盐溶液的析晶点见表3。

表3 不同样品盐溶液的析晶点

由表3 可知,从样品1 至样品5,硝酸铵水溶液质量分数由78%增加至86%时,盐溶液的析晶点由26 ℃上升至36 ℃,这是由于当硝酸铵水溶液质量分数越高时,水含量越少,硝酸铵越容易在水中形成过饱和溶液,而硝酸铵本身的温度系数比较高,随着温度的降低,硝酸铵溶解度降低,在相同存储条件下,含水量少的盐溶液更容易析出晶体[10-11]。

2.2 黏度及微观结构

不同样品水胶炸药的黏度与硝酸铵水溶液质量分数之间的关系曲线如图1 所示。

图1 水胶炸药黏度与硝酸铵水溶液质量分数的关系曲线

5 组水胶炸药样品的微观结构如图2 所示。

图2 水胶炸药样品的微观结构

由图1 和图2 可以看到,当硝酸铵水溶液质量分数增加时,水胶炸药的黏度增大。 这是因为从样品1 至样品5,水胶炸药中硝酸铵水溶液质量分数由78%增加至86%,炸药含水量由15. 9%减少至12.2%,盐溶液析晶点由26 ℃增加至36 ℃,在相同保存条件下,盐溶液析晶点高的水胶炸药会优先析出晶体,并且晶体的析出量随着温度的降低而增多,引起水胶炸药内部的内摩擦力逐渐增大,导致炸药黏度不断增大。

由图2 可以看到,从样品1 至样品5,随着硝酸铵水溶液质量分数的不断增加,炸药中微气泡数量逐渐增加,且90%以上的气泡直径在10 ～100 μm,这是由于随着硝酸铵水溶液质量分数的增加,水胶炸药的黏度增大,而黏度大的炸药对微气泡的束缚能力更强,气泡更加稳固,不易聚集或逃逸。

2.3 水胶炸药的爆热和爆速

将制作好的水胶炸药样品装药,在常温下放置至少24 h 后进行爆热及爆速的测试,结果如图3、图4 所示。

图3 水胶炸药爆热测试结果

图4 水胶炸药爆速测试结果

由图3 和图4 可得,当硝酸铵水溶液质量分数由78%增加至86%时,水胶炸药的爆热分别增加了3.0%、5.7%、8.0%、10.0%,爆速也分别增加了3.0%、6.4%、12.6%、3.4%。 这是由于硝酸铵水溶液质量分数为78%时,水胶炸药含水量为15.9%,水的比热容及蒸发潜热较大,作为溶剂和稀释剂,一方面可以提高炸药本身的安全性,但另一方面也会降低炸药威力,同时由于水含量较高,炸药黏度较低,气泡出现逸出现象,在冲击波绝热压缩时有效热点少,导致爆轰时前沿冲击波作用下放热量少,爆轰反应区的化学反应速度低,炸药的爆速较低。 炸药爆速根据经验公式(1)计算。

式中:D为炸药爆速,m/s;Q为炸药爆热,kJ/kg;γ为多方气体指数。

由式(1)可知,炸药的爆速与爆热呈正相关关系,故随着硝酸铵水溶液质量分数由78%增加至84%时,炸药的爆热增加,导致炸药爆速增加,但随着硝酸铵水溶液质量分数的持续增加,爆速反而降低,分析认为,当硝酸铵水溶液质量分数为86%时,水胶炸药的含水量为12.2%。 根据表3 及图2 可得,水胶炸药在储存过程中析出大量针柱状硝酸铵晶体,这些晶体互相交织覆盖,阻碍炸药内部的相对移动,炸药的流动塑性降低,炸药的水凝胶体系难以保持稳定,炸药感度和威力下降,导致水胶炸药爆速降低。

3 结论

对不同质量分数的硝酸铵水溶液制备的水胶炸药样品进行实验对比分析,结论如下:

1)随着硝酸铵水溶液质量分数的增加,盐溶液的析晶点升高,炸药黏度分别增加6.9%、14.3%、19.8%、25. 5%,晶体析出量增加,气泡数量逐渐增多。

2)随着硝酸铵水溶液质量分数由78%增加至86%时,炸药的爆热增加,爆速先升高后降低,水胶炸药中硝酸铵水溶液质量分数为84%时,炸药爆速最大。