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兵器装备工程学报 2017-07-12 发射药制造中的静电在线检测及消除 董朝阳1，郭茂林2，李国峰1 (1.泸州北方化学工业有限公司，四川泸州646605； 2.中北大学 化工与环境学院， 太原 030051) 作者简介：董朝阳(1967—)，男，研究员级高级工程师，主要从事发射药工艺技术研究。 通讯作者：郭茂林(1991—)，男，研究生，主要从事发射药工艺及性能研究。 本文引用格式：董朝阳，郭茂林，李国峰.发射药制造中的静电在线检测及消除[J].兵器装备工程学报，2017(5):27-30. Citation：format:DONG Chao-yang, GUO Mao-lin，LI Guo-feng.Online Detecting and Elimination of Electrostatic Charge in Propellant Manufacturing Process[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):27-30. 摘要：为了保证发射药生产安全，在双基药中添加含量为0.1%～0.2%的石墨，可使干燥结束时静电电位降低到600 V左右；而采取增湿措施后，干燥结束时发射药静电电位降低约70%。采用静电在线检测与控制系统，能够检测准确、响应及时，实现发射药生产过程中静电实时消除。 关键词：发射药；静电；在线检测；静电消除 静电是一种客观的自然现象，发射药生产是个复杂多程序过程，如原材料分离、搅拌、输送，成品包装、运输等过程[1]。生产工艺中，由于物料与工具、容器、设备、包装材料等介质的摩擦都会产生静电[2]，而发射药是电的不良导体且易燃易爆，由于发射药及原材料自我释放静电的能力较差，就会导致大量的静电不断积累，因而极易受到静电危害，造成燃烧、爆炸事故[3-4]。 发射药制造工艺中，物料间相互摩擦就会产生静电。同样，物料流动时与别的物体摩擦也会产生静电，产生静电的方式不是单一的，而是几种方式共同作用的结果[5,6]。比较容易产生和积累危险静电的工序有: 成型与切断工序； 驱溶与烘干工序； 混同与包装工序；其中烘干工序在干燥发射药过程中是静电最易造成危害的操作工序。 国内外消除静电的方法主要有3类：泄露法、中和法与不产生静电法[7]。在实际生产中主要采用泄露法，目前国内发射药生产行业主要采用手工作业的静电检测与消除方式，尚未出现静电在线检测与自动消除技术，存在较大安全风险。通过静电在线检测与实时消除研究以促进实现发射药自动化生产就显得十分必要。本研究以各类发射药通用的烘干工序为研究对象，采用本质安全的静电检测传感器，结合EST-405新型静电电位检测仪与计算机控制系统(DCS系统)，将静电电位在线检测与监控、实时报警及消除功能结合在一起，保证安全生产。 1 试验部分 1.1 发射药生产工艺中静电消除试验 测试几种发射药的静电感度，确定其对静电的敏感程度；测试几种不同发射药黄药的静电电位及感度；测试发射药黄药在静止和翻动情况下的静电电位；测试发射药在是否加导电剂(石墨)情况下的静电电位；测试发射药在工房是否增湿情况下的静电电位。 1.2 发射药生产工艺中静电在线检测试验 发射药生产工艺中，静电危害最主要集中在烘干及其以后的工序，本试验在烘干工房设置了静电在线检测与消除系统。系统分为3路静电检测，分别位于3个盆式烘干机中距发射药面1 cm处，3路静电监测均采用EST-405静电监测系统，最后通过A/D输入计算机显示，工作示意图如图1所示。 图1 发射药烘干工序静电监测工作示意图 2 结果分析与讨论 2.1 发射药及主要原材料静电测试结果及分析 发射药是电的不良导体，当未采取有效措施时，会使静电荷积聚，这种积聚的电荷表现出很高的静电电位(最高可达几万伏)，一旦存在放电条件，就会产生火花。当放电火花的能量大于发射药的最小发火能量时，就会发生着火及爆炸事故。在生产过程中构成静电危害的条件易形成且容易被忽视，因静电造成的燃烧、爆炸事故瞬间发生，因此需明确发射药生产过程中物料、半成品、产品的静电感度、安全的静电电位的数值以及生产过程中各工序静电要求的安全值。 从表1的数据可看出，常用发射药及原材料的静电感度都比较高，对静电比较敏感。同时发射药在生产过程中，在制物料量一般比较大，易发生静电危害。尽管在生产过程中常见发射药及常用原材料产生静电的能量都很小，但带电体的电容可能在很大范围变化，而电压U与电容C和电量Q的关系式为：U=Q/C，容易产生尖端放电[8]。 根据电荷积累电压方程[7] 式中：U为电荷积累电压；K为单位时间产生的电量；R为放电电阻；t为放电时间；C为静电电容；R越大，电荷积累电压U越大；反之，若设备或装置接地良好，R越小，则静电积累不起来。 静电引起燃烧和爆炸，必须具备以下条件：产生火花放电的电压； 有能引起火花放电的合适间隙； 有爆炸性混合物； 放电火花有足够能量[9]。发射药生产过程静电的消除一般以控制静电的积累为主要手段。 表1 常用发射药及主要原材料的静电感度
名称静电感度W50/J静电电位U50/V军用硝化棉0．982990黑索金1．273400小粒单基药0．371830大粒单基药0．832750双基球扁发射药1．802150混合酯发射药1．193290硝胺发射药0．952930 注：试验以50%的发火率计算，放电电容为0.22 μF，放电间隙为1.2 mm。 2.2 有无翻动情况下不同发射药黄药静电测试结果及分析 针对发射药生产工艺通用的烘干工艺，以几种不同发射药为研究对象，进行了多次超长时间盆式烘干静电电位积累试验，取其中有效数据，经处理得到多种发射药在有无翻动情况下的静电电位平均值如表2所示。 表2 不同发射药在烘干过程中有无翻动情况下的静电情况
从表2的数据可以看出发射药药粒在烘干过程中，静电电位随着药粒的翻动逐渐增加，在出料时达到较高电位(2 000～2 700 V)，约为静止干燥时的35～44倍；并且随着发射药组分中硝化甘油含量的增加，所产生的静电电位增大。主要是由于药粒干燥和药粒之间的摩擦以及发射药导电性的不良，产生静电的集聚。导体发射药物料静电感度很高，在生产过程中会因翻动产生大量静电，静电最为可怕的危险是产生爆炸和火灾[10-12]。 2.3 是否加导电剂的情况下发射药电位测试结果及分析 静电消除的方法主要有3类：泄露法、中和法及不产生静电。为考察导电剂对发射药干燥工序发射药静电的影响，测试了发射药黄药和加石墨药在翻动状态和烘干出料过程中的静电电位，测试结果如表3所示。 表3 发射药粒石墨加否干燥静电对比试验
根据表3数据，对比添加导电剂石墨与未加石墨，其他生产条件相同的情况下，发射药干燥过程中添加石墨对静电电位影响很大，添加石墨明显提高了发射药的导电性。在大、小粒双基药中分别添加0.1%和0.2%含量的石墨，均可使干燥结束时静电电位降低到600 V左右。在目前盆式烘干静电电位积累试验中发现，发射药在达到一定的电位(3 800 V)时，静电电位就不再明显增加且发射药未发生燃烧，因此烘干工房静电位警报值就以此为标准。相比于生产中所要求的安全静电阈值(3 800 V)，生产工艺中添加适量导电剂时可视为基本消除了静电。 2.4 工房是否增湿情况下发射药静电测试结果及分析 当空气湿度提高时，空气中的水分子作热运动撞击到物质表面的几率增大，水分子容易被物体吸收或者附着在表面，形成一层很薄的水膜，由于水分子的强极性以及溶解在水中杂质的作用，可大大降低物体的表面电阻率。为研究工房增湿对发射药干燥过程中的静电影响，以探究增湿是否能有效降低发射药静电，试验通过在干燥工房增湿，控制干燥工房内的湿度，测试发射药黄药在干燥完毕状态下的静电电位，并对照未采取增湿措施时的发射药干燥完毕状态下静电电位，测试结果如表4所示。 由表4数据可知，在发射药生产过程中采取工房增湿措施后，相比于未采取措施的静电电位(3 300 V左右)，干燥完毕的发射药静电电位(1 000 V左右)降低了约70%，表明工房增湿能明显消除发射药静电。对不同火炸药进行了相关实验，结果表明环境湿度在60%～80%范围比较适宜。 表4 工房增湿与否干燥完毕的发射药静电电位对比
静电电位/V干燥完毕(未加湿)干燥完毕(采取增湿措施)双基药试样1325032003200620650720双基药试样2330032603300830820860双基药试样3350034003500110011501180 2.5 发射药制造工艺中静电在线监测分析 使用在线监测系统进行在线检测与控制时，系统一旦实时测得某处静电电位超过预警值(试验测定为3 800 V)，系统发出相应点位静电超标警示信号(声、光报警)，计算机DCS系统发出相应指令，停止烘干设备运作，并立即启动安全雨淋；当系统测得静电电位超过安全值(2 000 V)时，系统发出相应点位静电超标警示信号(声、光报警)，停止烘干风机送热风，并立即启动增湿风机往该处喷淋蒸汽增湿，以消除该处静电到设定的安全许可范围，警示信号解除，系统恢复到待机状态，生产线重新运行，保证生产的安全。控制系统如图2所示。 图2 发射药烘干工序静电检测及控制系统框图 试验中发射药的导静电预处理设备由加料斗、定量螺杆石墨加料机和混合搅拌器组成。采用EST405在线静电检测仪，通过非接触式静电电压检测技术测试了干燥过程中石墨含量不同时发射药药粒的静电电位，试验结果如表5所示。 表5 发射药干燥过程中静电电位的实时在线检测数据
样品石墨量/%预处理器顶部1静电电位/kV预处理器顶部2静电电位/kV料斗出口静电电位/kV大粒药100kg000．010．150．2000．080．5000．02小粒药100kg00．0100．120．200．010．050．5000．02 3 结论 发射药在烘干过程中，药粒翻动产生大量静电，在出料时静电电位约为静止干燥时的35～44倍。采用添加导电剂、工房增湿等措施能够明显降低发射药静电电位，达到有效消除静电的目的。在双基药中添加含量为0.1%～0.2%的石墨，可使干燥结束时静电电位降低到600 V左右；而采取增湿措施后，干燥结束时发射药静电电位可降低约70%。 采用计算机系统对发射药静电进行在线监控、实时报警和应急处理，能直观显示发射药制造工艺过程静电状况，即时处理因静电过高导致的紧急状况，系统响应及时、准确，实现了发射药生产作业静电在线检测和消除。本研究可用于单基发射药(含溶剂回收)制造、双基发射药和混合酯制造、球扁药生产后处理、火工品药剂制造工艺过程。 小编学非该专业，内容以原文为准。 |
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