新型水胶炸药配方设计的课程设计.docx

1、 课 程 设 计 任 务 书 1设计目的： 了解水胶炸药的 配方 组成及各组分的主要作用，掌握硝酸甲胺对常用水胶炸药的爆炸性能的影响，查阅相关文献资料，进行新型水胶炸药的配方设计，对所设计出的配方的爆轰性能进行理论估算，并对其适用范围进行评价。 2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）： （ 1）查阅相关的文献资料，了解硝酸铵的应用状况，了解 水胶炸药 的配方组成和及 存在的相关问题； （ 2）对水胶炸药的爆轰机理进行研究，分析硝酸铵和硝酸甲胺在水胶炸药中所发挥的作 用，选取能在水胶炸药中取代硝酸甲胺的物质，以降低水胶炸药的成本，在组分原材料 确定的基础上，进行氧平衡的计算

2、，确定配方的组分配比，然后对所确定的配方的爆轰 参数如爆速、爆压、爆热、爆容等的进行计算，并核算配方的成本。 （ 3）对所设计的配方的 适用范围进行评价预测。 3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书 (论文 )、图纸、实物样品等： 查阅相关资料的文献综述 1 份 课程设计说明书 1 份 说明书中的图表、参考文献、数据和单位等应符合有关标准规定的要求。 课 程 设 计 任 务 书 4主要参考文献： （ 1） 吕春绪 . 工业炸药理论 M. 北京：兵器工业出版社 , 2003.03. （ 2） 汪旭光 . 浆状炸药的理论与实践 M. 北京：冶金工业出版社 , 1985.05. （ 3）

3、 （美）库 克（ Cook， M.A.） . 工业炸药学 M. 北京：煤炭工业出版社 , 1987.06. （ 4） 朱啸宇 . 工业炸药技术 M. 北京：兵器工业出版社 , 2008.01. （ 5） 李克升 . 两种工业炸药 M. 昆明：云南科技出版社 , 2009.11. （ 6） 陆明著 . 工业炸药配方设计 . 北京：北京理工大学出版社 , 2002. （ 7）张胜利 .水胶炸药制备新工艺及相关配方研究 D .南京：南京理工大学 ,2011. （ 8） 黄文尧 ,颜事龙 . 炸药化学与制造 M . 北京： 冶金工业出版社 ,2009. （ 9） 梁飞 . 硝酸脲混合炸药的工艺研究 J

4、. 天津化工 ,2009,(04):33-35. 5设计成果形式及要求： 课程设计说明书 1 份 6工作计划及进度： 2017 年 6月 12 日 6 月 15日 查阅相关文献资料 6月 16 日 6 月 20日 原材料选择和配方设计 6月 21 日 6 月 22日 撰写课程设计说明书 6月 23 日 答辩或成绩考核 学科部负责人审查意见： 签字： 年 月 日 目 录 1 引言 . 1 1.1 发展沿革 . 1 1.2 发展趋势 . 2 2 水胶炸药简介 . 3 2.1 水胶炸药成分 . 3 2.1.1 可燃剂 . 3 2.1.2 溶剂 . 4 2.1.3 氧化剂 . 4 2.1.4 胶黏剂

5、. 5 2.1.6 发泡剂及其他 . 6 2.2 水胶炸药作用原理 . 6 3 新型水胶炸药配方设计 . 8 3.1 本设计技术要求 . 8 3.2 硝酸甲胺替代物 . 8 3.3 新型水胶炸药各组分及作用 . 8 3.4 配方设计的数学模型及爆热 . 9 3.4.1 目标函数 . 9 3.4.2 约束条件 . 11 3.4.3 数学模型 . 12 3.5 新型水胶炸药的爆容计算 . 13 3.6 新型水胶炸药的爆速计算 . 13 3.6.1 水胶炸药密度 . 13 3.6.2 加权法爆速计算 . 14 3.7 新型水胶炸药爆压计算 . 14 3.8 新型水胶炸药爆温计算 . 14 中北大学

6、2014 级课程设计说明书 第 I 页 共 I 页 3.9 核算价格 . 15 4 配方评价 . 16 5 总结 . 17 参考文献 .18 致谢 .19 中北大学 2014 级课程设计说明书 第 1 页 共 19 页 1 引言 工业炸药又称民用炸药，是以氧化剂和可燃剂为主体，按照氧平衡原理构成的 爆炸性混合物 ，属于非理想炸药。工业炸药具有成本低廉、制造简单、应用可靠等特点，因而广泛应用于煤矿冶金、石油地质、交通水电、林业建筑、金属加工和控制爆破等各方面。随着各国经济建设不断发展，工业炸药品种和产量的需求不断增大，因此得到迅速发展 1。 1.1 发展沿革 黑火药是最早的工业炸药，是我国 劳动

7、人民 的 四大发明 之一。 早在汉代 (距今约 2000多年 )就开始使用硝石、硫磺和木炭的 混合物 作为火工武器。到了 宋代 ，黑火药技术才逐渐经 阿拉伯 国家传到 欧洲 。后来黑火药在矿业开采中获得应用，大大提高了矿岩开采的效率，因此，黑火药在采矿工业中的应用被认为标志着 中世纪 的结束和 工业革命 的开始。黑火药作为世界上第一代工业炸药使用到 19世纪中叶，延达数百年之久。 硝化甘油发明以后， 诺贝尔 (Nobel)在一个偶然的机会把硝化甘油溅到包装用的硅藻土里，发现硅藻土能吸收大约三倍于自身质量的 硝化甘油 。于是他将 75%硝化甘油和25%硅藻土混合物作为爆炸剂投放市场，这就是第一代

8、代拿买特，后来用活性吸附剂硝化棉取代硅藻土制得爆胶，并掺入硝酸铵等氧化剂及其它添加剂，发展成一直沿用至今的胶质炸药。由于胶质代拿买特容易起爆、传爆稳定和爆炸威 力高等特点，它迅速取代了黑火药而获得广泛应用。 1867年 瑞典 工程师 Ohlsson 和 Norrbein 提出了硝酸铵和各种燃料制成的混合炸药专利，从而出现了硝铵炸药和代拿买特炸药相互竞争发展的局面。至 20世纪 30年代硝铵炸药就在 欧洲 、 北美洲 和 亚洲 的许多国家大量生产和使用，成为最主要的工业炸药和军用炸药之一。 铵油炸药 (ANFO)是一种硝酸铵和燃料油组成的爆炸性机械混合物。它于 20世纪中叶，由 加拿大 联合矿冶

9、公司 (Consolidated Mining and Smelting Co.)研究生产了普 里尔 多孔粒状硝酸铵以后，得到了极大发展。尤其在欧 美国 家，很快取代了长期沿用的硝化甘油类炸药和粉粒状硝铵炸药而居首要地位，使用量达 70% 80%。 浆状炸药是 1956年由 Cook 和 Farnam 发明和使用的。它是一种以胶凝剂稠化的无机中北大学 2014 级课程设计说明书 第 2 页 共 19 页 氧化性盐类水溶液为连续相、燃 料及敏化剂为分散相，通过交联剂形成网状结构的凝胶炸药。这种炸药打破了工业炸药不能含水的传统观点，将水引入体系中，以水抗水，不但增强了抗水性能，而且提高了炸药密度和

10、体积威力 2。 50年代以来，液体炸药以其良好的特性，在许多特殊爆破场合显示出独到之处。例如，我国研制成功的硝酸肼类液体炸药，以高爆速、 高猛 度和制作简便的特点，良好地应用在特种爆破工程上。 1969年 6月美国阿特拉斯 (Atlas)化学工业有 限公司发明了乳化炸药。它是含水炸药的新发展。它借助于乳化剂的作用形成油包水型乳状液，是一种反相的水胶炸药。这一结构特点进一步增强了含水炸药的抗水性和爆轰感度。很快，乳化炸药成为工业炸药的一支新秀，受到各国的普遍重视和大量使用。 此外，塑性炸药、挠性炸药、耐热炸药和低爆速炸药等特种炸药都作为工业炸药不可缺少的品种而在不同的特殊场合获得应用。 工业炸药

11、以成本低廉、制作简单、使用方便和能量较高为特点，作为一个特殊能源，广泛应用于矿岩爆破、爆炸加工、推进驱动、高压相变、起爆传爆等各个方面。 工业炸药品种繁多按组成特 点可分为 铵梯炸药 、硝甘炸药 (硝化甘油类炸药 )、 铵油炸药 、 含水炸药 (乳化炸药 、 水胶炸药 和 浆状炸药 )和特种炸药 (含铝炸药、液体炸药等 )。通常也按照使用场合分为 岩石炸药 、许用炸药和 露天炸药 等 4。 1.2 发展趋势 随着经济建设不断发展、 科学技术 不断进步，对工业炸药的品种、性能、生产和使用等各方面都会提出不同要求。总的发展趋势分析如下： (1)以两种至三种各具特色的炸药为基础，经过不同比例的简单混

12、合后，就可以获得不同使用要求的最经济炸药。例如，抗水性优良的乳化炸药与低成本、高威力的粉粒状铵油炸药 ( 如膨化硝铵炸药 )； (2)连续自动化生产是炸药生产发展的必然方向。炸药生产长期以来十分落后，多为间断生产方式，体力劳动强度大、生产条件恶劣、生产效率不高、产品质量不稳定。近年来，我国已对这方面做了大量工作。例如，膨化硝铵炸药自动生产线已大量投入生产； (3)现场混装是大孔径露天大爆破的捷径，它将炸药混合和炮孔装填相结合，大大简化了生产和使用过程，而且成本低、效率高； 中北大学 2014 级课程设计说明书 第 3 页 共 19 页 (4)不同特殊场合需要不同的特殊品种炸药所以各种专用炸药及

13、其制品的系列化开发是必然的。例如：高爆速炸药、 低爆速炸药 、耐热炸药、 塑性炸药 等 7。 中北大学 2014 级课程设计说明书 第 3 页 共 19 页 2 水胶炸药简介 水胶炸药是以硝酸甲胺盐、硝酸铵及硝酸钠等无机盐的水溶液为主要成分，在水溶液中加入古尔胶、田菁粉等多糖作为胶凝剂，采用交联技术使水胶炸药各组分均匀稳定地分布在水凝胶体系中的一种工业炸药。 下面简单介绍一下水胶炸药各组分及功能。 水胶炸药是一类包括氧化剂并由燃料敏化的混合炸药。除了氧化剂和可燃剂之外，还包括一些其他的组分，例如溶剂 (一般是水 )，胶粘剂，交联剂，发泡剂，稳定剂及其他。相比于其他工业炸药而言，水胶炸药的成分更

14、为复杂一些 8。 2.1 水胶炸药成分 2.1.1 可燃剂 （ 1）敏化剂型可燃剂 1）炸药类敏化剂： TNT、 MMAN、 RDX、 B 炸药、无烟药、乙二醇、丙二醇和氯丙醇等。但常用 TNT 和 MMAN。 2）非炸药类敏化剂：铝及其合金（ Al： 80%以上）、镁及其合金（ Al： 60%以上）、铝和硅铁的混合物等，但常用铝粉。 鳞片状 (涂料级 )铝粉对水胶炸药的敏化效果非常显著。在一定条件下，即使含量只有 2 4% (配方中不含爆炸成份 )，其敏化效果却比用 15 20% 的梯恩梯要好得多。 可是由于铝粉来源有限和价格较高，所以使用受到一定的限制。 3）其他敏化剂：乌洛托品、石蜡、纤

15、维状浆料等 5 （ 2）非敏化剂型可燃剂 这一类型的可燃剂来源非常广泛，如煤粉、砂糖、淀粉、木材、纸浆、粉末石蜡、硬沥青、糊精及硫等固体物质；燃料油、苯、甲苯、醇、酮、醛、胺等液体物质。使用液体可燃剂时，应和乳化剂混合，并在加入氧化剂水溶液之前增稠成胶状；或加入可吸收液体的物质（木屑）。制成炸药时，敏化气泡可附着于可燃剂（如硝酸铵、硝酸钠、纤维状浆料等）上，也可附着于氧化剂（如硝酸铵、油、硝酸钠等）上。 上面所列举的敏化剂，第一类敏化效果较好 , 因其大都是化学活性较高 , 能量密度大的爆炸物，只要配以合适的敏化气泡，就可以取 得良好的敏化效果 , 但这类物质成中北大学 2014 级课程设计说

16、明书 第 4 页 共 19 页 本较高 , 而大多有毒、危险性较大，大量使用在经济和安全上都不甚理想。第二类物质对制造工艺要求较高，较复杂，如为防止离析和便于固体物料分散，有时要配合乳化剂使用，其来源丰富，成本较低，因而有使用前途。选用敏化剂可根据设计配方的目的和爆破对象。单独选用第一类，也可两类配合使用。 2.1.2 溶剂 在产品中水的作用如下： （ 1）作为介质可以使固体组分溶解或悬浮在体系中，胶粘剂的持续黏度可以使所 有组分胶粘在一块不分离，这样组成的连续相可以形成很好的爆轰波。 （ 2）水可以使可溶组分的饱和溶液和 胶粘剂形成凝胶体，不吸水，达到了抗水的效果。 （ 3）水沸点低，也有较

17、大的比热和蒸发热，可以起到消焰剂的作用，极大地提高处理炸药时的安全性。但是，水还是水胶炸药的一个组分，较大的比热和蒸发热对于提高炸药的能量和感度不利，因此含水量一般控制在 10 20以内。 为了提高炸药的能量和感度，水含量要适当降低。一般来说，水含量低于 6时， 可以加入一些与水互溶的溶剂，如醇类、胺类、酰胺类、醛酮类等。例如，可 以加入约 5的乙二醇、乙醛、丙酮或者甲酰胺。其中，乙二醇可以促进古尔胶 的分散；和硝酸钙混合使用，可以生产低 温感、小药径的炸药。乙二醇还可以减少轻气泡中水蒸汽使之形成热点，这样对传爆性能有很大提高 4。 2.1.3 氧化剂 可以作为水胶炸药氧化剂的有碱金属及碱土金

18、属的硝酸盐与高氯酸盐，但是通常选用硝酸铵与硝酸钠作为氧化剂 2。 （ 1）硝酸铵 水胶炸药中硝酸铵含量通常达到 30% 50%，有的甚至达到 70%以上。制作水胶炸药时，硝酸铵是悬浮在溶剂中的，但对其形状、粒度一般没有特殊要求，可根据实际情况选用结晶状、粒度、粉状或多孔状。为降低成本，也有直接用生产硝酸铵的半成品中和液。 当制作非炸药敏化水胶炸药时，硝酸铵最好分两部分 加入。一部分在高温下预溶成饱和溶液，并向溶液中加入胶凝剂使之稠化，以固定其中气泡；然后再把剩余的硝酸铵以干粉的形式加进去。否则，将影响产品的性能。 （ 2）硝酸钠 中北大学 2014 级课程设计说明书 第 5 页 共 19 页

19、在使用硝酸铵的同时，一般还须混合使用一部分硝酸钠。 硝酸钠有以下作用： 1）高硝酸铵在水中的溶解性，降低硝酸铵、硝酸钠的析晶点 2）硝酸钠可以提高产品密度，增大氧平衡； 3）当硝酸钠和硫同时使用时，产品的爆破性能有所提高，降低温度感度，改善爆轰 稳定性。 （ 3）硝酸钙 有时也使用硝酸钙 ， 这是因为它具有以下优点 ： 1） 硝酸钙通常含有 30.5%的结晶水，而且和其他氧化剂混合后在水中具有较大的溶解度，这样就可以在较低温度（ 30）下配制溶液。 2） 它可以和硝酸铵 ， 硝酸钠制成低共熔混合物 ， 提高生产安全性和产品耐冻性 。 3） 对于未交联就注入炮孔的炸药 ， 只要进一步被冷却 ，

20、硝酸钙便以 Ca(NO3)2 4H2O的形式获得结晶水，从而使药料的粘度增加、抑制固体组分的沉降，同时分散于体系内的小气泡也被固定和安定化，确保产品感度。 2.1.4 胶黏剂 胶凝剂是水胶炸药的重要组分之一 , 是决定水胶炸药的物理化学性能、流变特性、 贮存性能、抗水性能乃至爆炸性能的一个重 要因素。因此 ,在炸药的生产过程中 ,国内外都重视对胶凝剂及交联技术的研究。 一般地说 , 水胶炸药中使用的胶凝剂是一些易在水或氧化剂饱和水溶液中 溶胀水合 的植物胶、 改性的天然聚合物、合成 聚 合物和无机化合物 等 2。 （ 1）形成凝胶需满足的两个条件 : 1） 降低溶解度 ， 使被分散的物质从溶液中以 “胶体分散状态析出； 2） 析出的质点既不沉降 ， 也不能自由行动 ， 而是构成骨架 ， 在整个溶液中形成连续的网状结构。 （ 2）胶凝剂的种类 1） 天然植物胶 ： 树干分泌物 ， 如阿拉伯树胶 、印度胶等； 海藻胶状物 ， 如琼脂 ； 植物种子 ， 如古尔胶 ， 田箐胶等 ； 2） 改性天然高分子化合物 ， 如糊精等 ； 3） 人工合成高聚物 ， 如聚丙烯酰胺 、 环氧树脂等 。