龔 兵，孫永奪，張 陽(yáng)，楊文鎖，肖玉平，宮長(zhǎng)青， 王春峰，王慶枝

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160； 2.北京北礦億博科技有限責(zé)任公司，北京 100160； 3.撫順隆燁化工有限公司，遼寧 撫順 113217)

重銨油炸藥(即乳化粒狀銨油炸藥)兼?zhèn)淙榛ㄋ幒投嗫琢钿@油炸藥的共同優(yōu)點(diǎn)，具有較好的抗水性能、流散性能和優(yōu)良的爆轟性能，廣泛應(yīng)用于露天和地下等各類(lèi)礦山的爆破作業(yè)中，市場(chǎng)前景廣闊。

重銨油炸藥有現(xiàn)場(chǎng)混裝和地面生產(chǎn)線兩種生產(chǎn)方式，現(xiàn)場(chǎng)混裝生產(chǎn)方式在爆破作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)多種物料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)混合，在炮孔內(nèi)成為炸藥，對(duì)于小型露天礦和地下礦爆破作業(yè)來(lái)說(shuō)，難以體現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)混裝的高效性和經(jīng)濟(jì)性；地面生產(chǎn)線生產(chǎn)的包裝型重銨油炸藥仍有很大需求[1]。鑒于間斷式重銨油炸藥生產(chǎn)線存在的效率低、操作人員多、產(chǎn)品儲(chǔ)存期有待提升等不足[2]，提出開(kāi)發(fā)一條連續(xù)化和自動(dòng)化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)全線操作人員不超過(guò)5人的目標(biāo)，提升生產(chǎn)過(guò)程效率和安全性，符合民爆行業(yè)發(fā)展方向[3-4]。

1 重銨油炸藥生產(chǎn)線工藝設(shè)計(jì)

研究表明，常規(guī)重銨油炸藥由多孔粒狀硝酸銨、柴油和乳化基質(zhì)組成，存在儲(chǔ)存期短、容易板結(jié)等不足，本項(xiàng)目從優(yōu)化重銨油炸藥工藝配方入手，形成了如表1所示的工藝配方，在保持多孔粒狀硝酸銨、乳化基質(zhì)不變，通過(guò)優(yōu)選可燃劑、改性劑和穩(wěn)定劑等，提高產(chǎn)品儲(chǔ)存期；其中，可燃劑可以是柴油、其他礦物油或者二者的混合物；改性劑為增黏劑，主要用于增加重銨油炸藥的黏性；穩(wěn)定劑為硅質(zhì)干燥劑，具有一定的吸濕防板結(jié)作用。上述配方經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)和用戶使用驗(yàn)證表明，產(chǎn)品儲(chǔ)存期達(dá)到了50天。

表1 乳化銨油炸藥工藝配方

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)用戶的需求不同，工藝配方可選取表1范圍內(nèi)的不同數(shù)值。針對(duì)露天礦干孔，可不加入增黏劑和穩(wěn)定劑，甚至可不加入乳化基質(zhì)，直接使用多孔粒狀銨油炸藥即可；針對(duì)露天潮濕炮孔，則需重銨油炸藥具有一定的防水能力，防水能力要求越高，需加入的乳化基質(zhì)和改性劑比例就越高；針對(duì)地下礦上向炮孔，現(xiàn)場(chǎng)濕度大、且用量小，一次配送的重銨油炸藥，需較長(zhǎng)時(shí)間才能用完，因此需提高儲(chǔ)存期和穩(wěn)定性，配方中除加入增黏劑外，還需加入一定比例的穩(wěn)定劑，才能滿足地下礦上向炮孔機(jī)械化裝藥的需要，該類(lèi)重銨油炸藥是組分最多、工藝流程最長(zhǎng)的產(chǎn)品，其生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 乳化銨油炸藥生產(chǎn)工藝流程Fig.1 The production process of emulsified ANFO explosive

2 生產(chǎn)線關(guān)鍵裝備

重銨油炸藥組分多，且各組分的性質(zhì)差異大，其中硝酸銨是顆粒狀物料，流散性非常好。可燃劑和增黏劑為液體物料，而穩(wěn)定劑為粉狀物料，三種形狀和流態(tài)差異巨大的原料，需按比例、高效、均勻混合，才能成為合格的產(chǎn)品。從圖1所示的工藝流程可以看出，重銨油炸藥生產(chǎn)過(guò)程中，混合機(jī)和包裝機(jī)是影響整條生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵設(shè)備，其先進(jìn)性決定整條生產(chǎn)線技術(shù)水平。

研究表明，圖2所示的雙螺旋錐形混合機(jī)[5]能夠?qū)㈩w粒狀物料、液體物料和粉狀物料進(jìn)行高效、均勻混合，但難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化作業(yè)。犁刀混合機(jī)、無(wú)重力混合機(jī)等設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)化高效混合上述三種物料。圖3所示犁刀混合機(jī)[6]因犁刀與設(shè)備器壁間隙小，對(duì)顆粒物料破壞較大，不是理想設(shè)備。圖4所示臥式無(wú)重力混合機(jī)的指狀漿葉結(jié)構(gòu)在混合時(shí)對(duì)顆粒破壞小，能夠滿足項(xiàng)目需求。

圖2 雙螺旋錐形混合機(jī)Fig.2 The double screw cone mixer

圖3 犁刀式混合機(jī)Fig.3 The plough mixer

圖4 無(wú)重力混合機(jī)Fig.4 The agravic mixer

2.1 無(wú)重力連續(xù)混合機(jī)

臥式無(wú)重力混合機(jī)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備內(nèi)兩個(gè)軸相向旋轉(zhuǎn)，每個(gè)軸上設(shè)計(jì)多個(gè)指狀槳葉，槳葉平面與旋轉(zhuǎn)軸的角度設(shè)計(jì)為20o～30o?；旌线^(guò)程中的物料運(yùn)動(dòng)[7-8]可以分為四種：對(duì)流、圍流、擴(kuò)散和剪切。這四種運(yùn)動(dòng)相互作用，使得進(jìn)入無(wú)重力混合機(jī)內(nèi)的多孔粒狀銨油炸藥和乳化基質(zhì)在兩軸之間形成相應(yīng)的小循環(huán)與大循環(huán)，如圖5所示。工作時(shí)首先將多孔粒狀銨油炸藥從兩側(cè)向中間上空拋起，與后續(xù)次序進(jìn)入混合機(jī)的乳化基質(zhì)、增黏劑、改性劑等相互碰撞分散，充分混合形成合格產(chǎn)品。

圖5 無(wú)重力混合機(jī)幾何參數(shù)及物料混合示意圖Fig.5 Geometric parameters and material mixing diagram of agravic mixer

混合過(guò)程的工作效率I與葉片緊密度C、軸向半徑R、軸間距離D之間的關(guān)系如下所示：

(1)

式中，V為單位長(zhǎng)度混合的總體積，m3；Vwork為單位長(zhǎng)度混合器兩軸同時(shí)加工的體積，m3。

當(dāng)生產(chǎn)量一定時(shí)，工作效率I隨著葉片緊密度C的增加而增加。而生產(chǎn)量的控制主要通過(guò)螺桿給料器進(jìn)行調(diào)控，其裝置構(gòu)造如圖6所示，輸送量可依據(jù)式(2)進(jìn)行計(jì)算。

Q=47D2Snφλε

(2)

式中，Q為物料的輸送量，t/h；D為螺旋葉片直徑，m；S為螺旋葉片螺距，m；n為螺旋轉(zhuǎn)速，r/min；φ為物料在輸送機(jī)內(nèi)的填充系數(shù)；ε為螺旋的傾斜系數(shù)；λ為物料的堆積密度，t/m3。

圖6 螺桿給料器構(gòu)造圖Fig.6 Screw feeder structure diagram

通過(guò)調(diào)節(jié)主軸速度、槳葉角度、生產(chǎn)量[9]可以滿足不同產(chǎn)能和配方下重銨油炸藥的生產(chǎn)，本生產(chǎn)線的最大產(chǎn)量可達(dá)12 t/h。主要參數(shù)如下。

1)設(shè)備外形尺寸：4 200 mm×900 mm×700 mm

2)主軸轉(zhuǎn)速：65 r/min

3)設(shè)備功率：≤30 kW

4)物料停留時(shí)間：4～7 min

5)葉片與筒體間隙：≥5 mm

2.2 全自動(dòng)裝藥包裝機(jī)

裝藥包裝工序是包裝型重銨油炸藥生產(chǎn)線的關(guān)鍵工序，也是人員相對(duì)集中工序，只有實(shí)現(xiàn)連續(xù)供袋，自動(dòng)裝藥、封包和轉(zhuǎn)運(yùn)才能減少作業(yè)人員；同時(shí)研究黏性物料高效進(jìn)料與精確計(jì)量技術(shù)，才能提高生產(chǎn)線的整體效率。

連續(xù)供袋裝置由吸袋、夾袋、撐袋和抱袋輸送等機(jī)構(gòu)組成，按照設(shè)定的包裝速度通過(guò)負(fù)壓將包裝袋吸附在吸盤(pán)上，通過(guò)夾袋裝置輸送至裝藥機(jī)出料口，由撐袋裝置打開(kāi)袋口完成裝藥，然后由抱袋裝置輸送至封包機(jī)構(gòu)。

裝藥系統(tǒng)是包裝機(jī)的核心，與多孔粒狀銨油炸藥相比，重銨油炸藥流散性差，具有一定黏性，計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)料快易過(guò)沖，進(jìn)料慢則效率低，如何克服快速進(jìn)料與精確計(jì)量之間的矛盾是關(guān)鍵。通過(guò)研究重銨油炸藥的堆積角、安息角等物性參數(shù)，研究設(shè)計(jì)多級(jí)螺旋進(jìn)料圓滿解決了上述難題，通過(guò)一級(jí)螺旋快速給料、二級(jí)螺旋控制精度相結(jié)合的模式，如果用戶需要進(jìn)一步提升產(chǎn)能，還可設(shè)計(jì)為如圖7所示的雙計(jì)量系統(tǒng)交替作業(yè)。此外，該裝藥機(jī)實(shí)現(xiàn)了包裝規(guī)格從20～50 kg/袋快速調(diào)整(如表2所示)，只需在控制系統(tǒng)置入所需包裝規(guī)格，稱量、封包、皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)等機(jī)構(gòu)均可自動(dòng)快速調(diào)整，滿足不同用戶需要。

圖7 全自動(dòng)裝藥包裝機(jī)Fig.7 The automatic charging and packaging machine

表2 包裝機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.3 安全聯(lián)鎖與自動(dòng)控制

民爆行業(yè)是高危行業(yè)，一旦發(fā)生事故對(duì)公共安全危害大，國(guó)家和行業(yè)主管部門(mén)一直高度重視其安全生產(chǎn)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，重銨油炸藥是鈍感炸藥，本質(zhì)安全性高，生產(chǎn)線控制系統(tǒng)除完成設(shè)備啟停操作外，還根據(jù)需要設(shè)計(jì)安裝了流量、速度、壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)狀態(tài)參數(shù)，控制系統(tǒng)自動(dòng)采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)并與專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)物料斷流或超壓、電機(jī)電流異常等情況，立即發(fā)出聲光報(bào)警提示操作人員，并自動(dòng)延時(shí)停機(jī)，一方面確保各物料配比準(zhǔn)確，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，少出或不出廢品，另一方面確保生產(chǎn)過(guò)程安全。

3 工業(yè)化應(yīng)用

重銨油炸藥生產(chǎn)線和關(guān)鍵設(shè)備研制成功以后，在遼寧撫順某公司建成了單班年產(chǎn)1.2萬(wàn)t連續(xù)化自動(dòng)化生產(chǎn)線，全線操作人員3～5人。生產(chǎn)的重銨油炸藥得到了規(guī)模應(yīng)用。表3所示為某地下礦上向孔爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，每次裝填4排炮孔，單排炮孔需裝填炸藥270 kg，一次爆破需使用重銨油炸藥約1 100 kg；采用壓氣裝藥器實(shí)現(xiàn)了耦合裝藥，爆破效果好，爆破巖石塊度均勻、大塊少、殘孔少，爆破進(jìn)尺率高，得到用戶認(rèn)可。

表3 孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

本項(xiàng)目的研究實(shí)現(xiàn)了重銨油炸藥的連續(xù)化高效生產(chǎn)，自動(dòng)化信息化程度高，全線3人即可，促進(jìn)了工業(yè)炸藥生產(chǎn)技術(shù)向少人或無(wú)人方向發(fā)展，生產(chǎn)的重銨油炸藥為鈍感散裝炸藥，符合民爆行業(yè)發(fā)展方向。