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搅拌桨对乳化炸药贮存稳定性的影响研究

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  • 发布日期:2009-12-09 14:28
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  • 技术区域:广东湛江市
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详细说明
爆破器材1999

1 引言  自1961年美国工业溶剂公司的R.S埃格利等将W/O型的乳化液混于普通含水浆状炸药中制成乳化炸药的雏形以来,各国都相继着手研究。但是过去人们一直关心的是乳化炸药的配方,对乳化设备和工艺条件不象对配方的研究那么深入。然而从多年的生产实践经验中,人们认识到影响乳化炸药稳定性并非单单是某一个因素起主导作用,而是多种因素的“综合效应”,这种“综合效应”包含着乳化炸药的配方、乳化工艺、乳化设备、工艺条件等。因此,人们认识到若有了一个成熟的乳化炸药配方,再有良好的乳化工艺设备和合理的乳化技术与之配伍,那么乳化炸药的性能会更趋于完善。
  鉴于以上情况,本文以某一种配方为基础,重点研究工艺设备即搅拌桨对乳化炸药贮存稳定性的影响,并获得了某一配方的最佳工艺条件。
2 基本理论部分  在乳化炸药的生产过程中,由于乳胶基质属于非牛顿流体中的胀塑性流体,同时它又具有触变性,表观粘度很大[1],因此在乳化后期搅拌轴周围有时会出现空腔,搅拌器不再使乳化基质翻动;也有时乳化炸药基质随着搅拌器团团转而不发生轴向或径向的基质循环,即形成“打旋”。一旦乳化釜内形成了空腔和乳化基质“打旋”,必将导致停滞区的出现(即死角)。尽管有时乳化炸药的性能尚可,但乳化炸药的贮存期只能在低水平上徘徊。
  上述现象形成的原因:在机械搅拌作用下由于水相与油相接触,乳胶粒子一经形成,则乳化炸药基质的表观粘度急剧增大,形成胶固状,它的内摩擦力很大,粘滞力起着主导作用,釜内基质任一点都可分解为3个分速度:纵向、径向、切向分速度。此时如果搅拌桨使釜内基质产生的径向的分速度不是很大,而切向分速度占优势时,那么乳化炸药基质就会随叶轮转动方向沿着釜壁滑动,这种旋转运动为“打旋”。膏体切向运动沿着一个围绕轴的环形路径进行,造成釜内基质压强分布呈抛物线,表面向下凹陷,当下陷中心下陷至叶轮处时,外面的空气被吸入[2],再被上面蓬起的基质盖上,空腔就形成了,这时叶轮施加给膏体的力会因此而变小,造成膏体各层的相对运动减弱。空腔和“打旋”是造成停滞区的两个因素;如果采用小直径的搅拌桨或它在层流搅拌时不会造成大范围的上下翻动,那么由于膏体内滞力的作用而使膏体只限制在叶轮附近运动,其它部分会造成停滞区(即死角)。
  只有采用A3、A2型式的搅拌桨,才能消除空腔和“打旋”以及停滞区。因这两种形式的桨的直径很大,旋转半径接近釜内径间隙较小,转速不很高,搅动范围大,适合于这种高粘度的乳化基质的搅拌,A3型式的桨的轴向流动要比A2型式的轴向流动弱一些。
  在搅拌作用下,乳胶粒子最终要达到细小、均一、稳定。乳胶粒子的大小可以用下式予以确定[1]:
.min-1;
   d——桨叶直径,cm;
   D——釜内径,cm;
   g——加速度,m.s-2;
   μd——分散相粘度系数,
      g.s-1.cm-1;
   μc——连续相的粘度系数,
      g.s-1.cm-1;
   σ——两相混合液的界面张力,
    10-3N*m-1;
 ρ4c-.gif (120 bytes)——平均密度,ρ4c-.gif (120 bytes)=0.4ρc+0.6ρd
    g.cm-3;
 ρc——连续相的密度,g.cm-3;
 ρd——分散相的密度,g.
cm-3。3 实验部分  (1)桨形设计具体尺寸见图1和表1。(2)确定影响试验的因素及每个因素的水平(表2)。(3)选正交表,设计试验方案。根据试验要求选用L8(41×24)正交混合如表3。(4)试验方案见表4。

 

 

 

  dk=K4s-.gif (115 bytes)f0(f4x-.gif (82 bytes)/D)(d3n34c-.gif (120 bytes)/σ)k1
  (dn2/g)k2(μc/μd

式中 K——桨形系数(不同的搅拌桨有不
      同的系数);
   4s-.gif (115 bytes)——分散相容积分数;
   f4x-.gif (82 bytes)——与4s-.gif (115 bytes)有关的系数;
   f0——临界粒径系数,转速再提高粒
      径不会减小;
   n——转速,r

 

 

0401.gif (15081 bytes)

图1 各桨形的形状照片

表1 桨型尺寸

型式 文献尺寸[3] 设计尺寸/mm 叶轮外缘线速度/ms-1
800 rmin-1 1400 rmin-1
A1 d/D=1/4~1/3
L/d=0.7~1
B/D′=0.2~0.25
D′/d=0.6~0.7
叶轮直径:D′=120
盘直径:d=80
上下盘间距:L=122
叶轮宽度:B=20
釜内径:D=150
5.03 8.79
A2 s/d=1
B/D=0.1
Z=1~2
d/D=0.90
螺带直径:d=138
螺带高:s=130
螺带宽度:B=23
螺带根数:Z=2
5.77 10.1
A3 d/D=0.92~0.95
B/D=1~12
框直径:d=137
框高:L=87.3
框宽度:B=20.2
5.73 10.0
A4 d/B=5~8
Z=6
螺旋直径:d=80
螺旋宽度:B=25
螺旋数:Z=3
3.35 5.86

注:搅拌轴长:287.4mm;轴径:17mm;叶轮厚度:4mm;A2、A3、A4桨中推进式桨叶尺寸基本相同;d=126mm;最宽:l=30.4mm;最窄:l′=27.2mm;折高:m=18mm;釜内径:D=150mm;液深:L=D;螺带宽度:B;螺带数:Z。

表2 影响试验的因素及每个因素的水平

水平 桨型 搅拌速度
/r.min-1
搅拌时间
/min
加料时间
/min
A B C D
1 A1 B1
(1400)
C1
(10)
D1
(1)
2 A2 B2
(800)
C2
(15)
D2
(3)
3 A3
4 A4

表3 正交混合

试验号 1 2 3 4 5
A B C D E
1 1 1 2 2 1
2 3 2 2 1 1
3 2 2 2 2 2
4 4 1 2 1 2
5 1 2 1 1 2
6 3 1 1 2 2
7 2 1 1 1 1
8 4 2 1 2 1

表4 试验方案

试验号 桨型 搅拌速度
/r.min-1
搅拌时间
/min
加料时间
/min
水溶值
×100
A B C D
1 A1 B1(1400) C2(15) D2(3) 0.44
2 A3 B2(800) C2(15) D1(1) 0.43
3 A2 B2(800) C2(15) D2(3) 0.33
4 A4 B1(1400) C2(15) D1(1) 0.65
5 A1 B2(800) C1(10) D1(1) 0.70
6 A3 B1(1400) C1(10) D2(3) 0.86
7 A2 B1(1400) C1(10) D1(1) 0.36
8 A4 B2(800) C1(10) D2(3) 0.40

4 试样制作

 

 

5.1 水溶值的测定[1]

  基质水溶值为硝酸铵析出量占试样的百分含量,水溶值的计算值列于表4。

5.2 乳胶基质表观粘度的测定

  用NDJ-79型旋转式粘度计测定乳胶基质粘度,测定数据见表5。

5.3 乳化炸药殉爆距离和密度的测定

  乳化炸药殉爆距离和密度测定值见表6。

6 计算结果[4]

 

表5 乳胶基质表观粘度测定值

  (1)水相、油相中各组分分别按规定含量称量配方;
  (2)水相加热化硝,温度控制在100℃~120℃;
  (3)油相加热熔化,温度控制在90℃~100℃;
  (4)油相置于乳化釜中,转速按规定调节;
  (5)开机、加入水相溶液按规定时间加料进行乳化;
  (6)按规定控制乳化时间;
  (7)停机出膏,取样待测定基质水溶值,粘度值;
  (8)凉膏至温度为50℃~55℃;
  (9)加入一定量的硫磺,膨胀珍珠岩进行人工混药,温度为50℃~55℃;
  (10)人工装药,药卷尺寸及装药量同铵梯炸药。
  配方设计:每次按3 kg制样,其中水相含量为93.2%;连续相含量5.3%;外加硫磺1.5%;外加膨胀珍珠岩4%。
5 有关性能的测定  根据测定的水溶值X大小作为考核指标,找出最佳方案,见表7。
  从表7可以看出,A2B2C2D2为最佳组合,即A2型桨,转速为800 r.min-1,乳化时间为15min,加料时间为3min。

试验号 1 2 3 4 5 6 7 8
表观粘度
/Pa*s
460 400 480 460 420 500 480 330

注:基质温度为50℃。

  表6 乳化炸药殉爆距离和密度测定值

试验号 1 2 3 4 5 6 7 8
殉爆距离
/mm
50 40 50 40 50 50 40 40
密度
/g.cm-3
1.04 1.04 1.05 1.04 1.07 1.04 1.02 1.07

注:各殉爆距离值是用平底打出。

表7 最佳方案计算结果

乳胶基质
水溶值
桨型 搅拌速度 搅拌时间 加料时间
A B C D
K1 1.14 2.31 2.32 2.14
K2 0.69 1.86 1.85 2.03
K3 1.29
K4 1.05
4b-.gif (129 bytes)1 0.570 0.578 0.580 0.535
4b-.gif (129 bytes)2 0.345 0.456 0.462 0.507
4b-.gif (129 bytes)3 0.645
4b-.gif (129 bytes)4 0.525
R=4b-.gif (129 bytes)max4b-.gif (129 bytes)min 0.300 0.113 0.118 0.028

表8 乳化炸药高低温循环试验

试验号 4循环 8循环 12循环 14循环 16循环
殉爆距离
/mm
硬化
情况
殉爆距离
/mm
硬化
情况
殉爆距离
/mm
硬化
情况
殉爆距离
/mm
硬化
情况
殉爆距离
/mm
硬化
情况
1 204a-.gif (100 bytes) 204a-.gif (100 bytes) 较软 稍软 稍软
2 30× 20× 较软 较软 04a-.gif (100 bytes) 稍硬
3 204a-.gif (100 bytes) 204a-.gif (100 bytes) 104a-.gif (100 bytes) 较软 104a-.gif (100 bytes) 较软
4 204a-.gif (100 bytes) 204a-.gif (100 bytes) 04a-.gif (100 bytes) 稍硬
5 30× 204a-.gif (100 bytes) 较软 稍软 稍软
6 30× 204a-.gif (100 bytes) 较软 较软 04a-.gif (100 bytes) 10× 略软
7 304a-.gif (100 bytes) 04a-.gif (100 bytes) 稍软
8 30× 20× 较软 稍软 稍硬

注:殉爆距离是用平底打出。“×”表示不殉爆;“4a-.gif (100 bytes)”表示殉爆。
  同时还可以看出各因素对指标的影响关系的主次性:桨型为主要影响因素;其次是搅拌速度和搅拌时间;再次是加料时间。

0402.gif (1480 bytes)

 

  试验条件:高温55℃±2℃,恒温12h;转入低温-5℃,恒温12h;每24h为一循环。经过高低温循环后测乳化炸药的殉爆距离,观察乳化炸药硬化情况,结果见表8。
  从表8可以看出,最佳组合的高低温贮存期最长,证明乳胶基质质量最好,乳化炸药的稳定性最好。

 

 

 

 

作者单位:山东省枣庄矿务局八二四厂(山东,277011)

参考文献

  1 汪旭光.乳化炸药.北京:冶金工业出版社,1988.79、239、388
  2 于震江.液体的搅拌.北京:化学工业出版社,1987.23
  3 《化学工程手册》编委会.《化学工程手册》第5篇.搅拌与混合.北京:化学工业出版社,1991.277~279
  4 王书昌.正交试验设计在炸药试验中的应用.爆破器材,1984,23(6)∶7

7 乳化炸药高低温循环实验8 结果与讨论   乳化炸药基质属于非牛顿流体中的胀塑性流体,不象单纯的水相油相有个称为粘度的属性,它所表现的粘性阻力随着基质受到的剪切速率而变,只能给它定义为“表观粘度”或“稠度”的概念[3]。由实验观察和测定数据可知,乳化炸药基质表观粘度很大,都接近500 Pa*s,并具有明显的触变性。 
  乳化炸药基质是油包水型的乳状液,表面活性剂与油相材料连续、均匀、吸附、包覆水相,形成致密的界面膜。而实际生产中,因搅拌效果不理想,出现表面活性剂吸附包覆水相不均,导致水相液滴游离于乳化炸药基质中,一旦与外界水接触,水相的过饱和无机盐会溶于水而析出。可利用水溶值测试表征乳胶基质的稳定性。实践证明,最佳组合制造的乳胶基质水溶值很小,即0.33%,乳胶体很稳定,乳化炸药的贮存稳定性较好。
  采用A2形式的桨,它在层流搅拌下不会造成停滞区,不再形成空腔和“打旋”。既能在乳化开始时对水相、油相产生剧烈的剪切搅拌,使水相均匀地分散在油相中形成乳胶粒子;也能使表观粘度很大的乳胶体产生剧烈的翻动和撕碎,使乳胶粒子进一步细小化。从结果中可以看出,转速(n)、桨叶直径(d)、釜内径(D)必须适宜,d/D接近于1,线速度V=5.77m.s-1,可以保证有足够的线速度进行搅拌,它旋转时迫使流体以螺旋行程沿釜壁上升,再在中央沿轴而下,基质循环量增加,提高了翻转率,使高剪切区与低剪切区域进行充分地循环,消除停滞区,乳胶体才能达到均一、稳定。然而还必须有足够的乳化时间保证翻转数量足够大;搅拌时间过长也不好,乳化过度会导致破乳;加料速度太快,则水相颗粒很大,不易被分散和包覆;若过慢,水相颗粒会游离在基质中,也不被表面活性剂吸附、包覆。优选出的最佳工艺组合能满足上面的要求。从高低温循环结果看,是最佳型式制造的乳化炸药稳定性最好。
  A1型的桨,它只产生纯剪切作用,槽内循环流太弱,在实验时也观察到这一点,几乎没有翻动,周壁存有死角,从而使液滴粒径偏大,乳胶粒子被包覆不均,在高温时连续相粘度下降造成膜很薄进而破裂析晶硬化,其转速也不是很高。A4型的桨,在1400 r*min-1时,14循环能传爆,但它轴向流比最佳桨要差一些,翻转率中等,基质从壁到轴慢一点,后期变得很慢,乳化效果不是太好。从高低温循环结果来看A3型式的桨是可行的,但要比A2型的桨略差一点,轴向流不太强,循环次数低一些,但比A4型式的桨好一些。
  乳化炸药基质是一种油包水型的乳状液,系一种不稳定的热力学体系。环境温度的变化,必然会给体系的物理状态带来影响。高低温循环试验是利用温度作为强化条件来考察乳胶体界面膜的致密性和强度的。乳化理想的乳化炸药基质,乳胶粒子细小、稳定、粘度很大,界面膜致密均匀。虽然在温度变化时,分子间的热运动发生变动,乳胶粒子界面膜的变化是缓慢的,出现界面膜局部变薄的机会不显著,乳化炸药经历循环次数越多。否则在经高低温循环时,界面膜会很快变薄,加速了老化,最终在最薄弱处破裂,析出硝酸铵(钠)晶体,使乳化炸药硬化。从高低温循环结果看,最佳组合的储存稳定期最长,其它桨型依次为A3>A4>A1
9 结论  通过上面的理论分析和实验结果得出如下结论:
  (1)乳化炸药基质是典型的非牛顿流体,具有触变性,表观粘度很大,宜采用大直径的高翻转率桨,低速层流,才能使乳胶粒子细小、均一、稳定。
  (2)最佳组合为A2型的桨,转速为800r.min-1,乳化时间15min,加料时间3min。测试结果:殉爆距离50mm,表观粘度480Pa.s,装药密度1.05g.cm-3,水溶值0.33%。
  (3)最佳组合的高低温循环结果,经过16循环仍达到10 mm的殉爆距离,其它依次顺序A3>A4>A1
  (4)粘度大、粒度小、水溶值小、贮存稳定性好基本上是一致的。
  由于时间关系以下问题尚待深入研究:(1)殉爆距离虽平底打出但不是太大,须提高;(2)最佳桨较笨重,须改良;(3)找出一个满意的关联式来计算搅拌功率。

 
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