广东宏大韶化民爆有限公司 广东 韶关 512000
摘要：在乳化炸药的生产过程中,基质冷却是一个很重要的环节,基质的冷却速度和冷却效果直接影响到敏化工序的敏化效果。因此，本文针对钢带凉药机的工艺提出了改进方案。
关键词：乳化炸药；强制对流；基质冷却
引言
随着生产乳化炸药的自动化、连续化、信息化水平的不断发展,钢带凉药机作为乳化炸药生产线的设备被广泛应用于露天矿山、地下矿山和水利水电等工程。乳化炸药在包装、存储、运输之前必须对其进行凉药降温，但由于受到工房结构的限制，必须对钢带凉药机进行改进。
1.钢带凉药机结构及工作原理
钢带凉药机主要由4部分组成:布料系统、钢带输送系统、冷却系统和刮料系统。从乳化器内出来的基质经过布料系统，使基质均匀地分布在输送钢带上;钢带下的冷却系统喷出冷却水冷却钢带上的基质，基质上表面采用自然风冷却;刮料系统把冷却后的基质刮入敏化器内进行敏化。从乳化器内出来的基质经过钢带凉药机的布料系统后变成层状，如图1。
图1 钢带凉药机基质层
待冷却的基质可以分为3层，最底层为钢带冷却层，属于间壁式换热。热量传递采用对流和热传导两种方式，即基质通过热传导换热方式将热量传递给钢带，钢带通过对流方式传递给冷却水。热量传递公式为:
Q水=H水·A·ΔTm水=H水·A·(T基－T水)。(1)
式中:Q水为水冷传热速率，kJ/h;H水为水冷传热系数，kJ/(m2·h·℃);A为钢带冷却面积，m2;T基为基质温度，℃;T水为冷却水温度，℃。可见，Q水与H水、A和ΔTm水成正比。
根据传热公式可知，在工艺、设备确定的情况下，水冷传热系数H水、钢带冷却面积A、基质温度T基是不变的，水冷速率取决于水温T水。由于循环水系统安装有冷却塔，加上水的比容比较大，水温相对稳定，基质的冷却效果较明显，是基质降温的主要方式。
中间基质层采用热传导冷却方式，将热量传递给水冷基质层、风冷基质层。其冷却效果与基质的热扩散率有关，基质的热扩散率为
式中:α为基质热扩散率;λ为基质热导率;ρ为基质密度;Cp为基质的定压比热容。
可见，乳化炸药基质的热扩散率很低，高温的乳化基质不能将热量迅速地传递给较冷的基质。基质上层为风冷基质层，热量传递采用对流冷却方式，属于直接接触式换热。热量传递公式为:
Q风=H风·A·ΔTm风=H风·A·(T基－T风)。(3)
式中:Q风为风冷传热速率，kJ/h;H风为风冷对流换热系数，kJ/(m2·h·℃);T风为空气温度，℃。
其主要影响因素有:流体物理性质(如密度、黏度、热导率、比热容)、流体对流起因(如自然对流和强制对流)、流体流动状态(如湍流、层流)、流体的相态变化、传热面的形状(如尺寸、相对位置)等。
根据传热公式可知，在工艺、设备确定的情况下，钢带冷却面积A、基质温度T基是不变的，风冷传热速率取决于风冷对流换热系数H风和空气温度T风。空气温度越高，与基质的温差就越小，热交换越少。在夏季高温天气，由于没有循环系统，完全靠自然风冷却，凉药机周围空气温度不断升高，与基质温差越来越小，热交换效果不好。
综合以上分析，可以确定水冷是钢带冷却的主要方式，风冷温差小、风速小、基质热扩散率不高是导致基质不能快速降温的主要原因。
2.钢带凉药工艺的改进
2.1现状
公司乳化炸药生产线，采用中低温敏化技术，工艺要求为:乳化出口温度105～110℃，敏化温度49～51℃。基质冷却选用DL-1b型钢带凉药机，长16m、宽1m，循环水最大流量为30t/h。装药机采用纸筒手工装药，产能为3.6t/h。
公司将原来的纸筒手工装药机改为塑膜自动装药机，生产线人员由原来的9人下降至4人，装药机产能由原来的3.6t/h提高至4.5t/h。技改前气温不高，钢带凉药机的冷却能力能够达到4.5t/h，与装药机产能匹配。
随着夏季气温的不断升高，钢带凉药机的冷却能力不断下降。在室温达到当地夏季常年最高气温40℃时，将冷却水流量调至最大，测得制药产能与敏化温度的变化如表1。表1可以看出，制药产能达到4.5t/h时，敏化温度为61℃，无法满足工艺要求。
2.2第1次改进
(1)将自然对流改为强制对流，提高对流换热系数H风。从式(3)可以看出，风冷传热速率Q风与对流换热系数H风成正比。而提高H风的最明显措施就是改变流体对流起因，将自然对流改为强制对流。经查资料，对流换热系数的大致量级:空气自然对流为5～25，气体强制对流为20～100。在钢带凉药机支架上安装风罩，将基质与周围空气隔离;在风罩上端面加装防爆轴流风机，风罩下端面加装可调节百叶式风口。风机的风量越大，风冷传热速率越高，故可通过试验确定风机型号。
(2)在钢带凉药机风罩间安装梳理板，使中间基质层与冷却风直接接触。基质由原来的热传导冷却方式改为对流冷却方式，提高冷却效果。
2.3实施步骤
为解决钢带凉药机的冷却能力，在钢带凉药机支架上安装了3个长4.5m、宽1.2m、高0.3m的风罩。风罩之间间距为0.5m，每个风罩底面加装2片2m×1m的可调节百叶式风口(图2)。每个风罩上端面中心位置各安装1台CBF-600型防爆轴流风机，共计3台风机。其参数为:直径600mm、功率0.75kW、转速1450r/min、风量10200m3/h。
图2 可调节百叶式风口
同时，制作两个齿形梳理板，齿宽为10mm、齿距为50mm。分别错齿安装在钢带凉药机风罩之间，梳理板至钢带距离为基质厚度的1/3，如图3所示。将平铺在钢带上的基质均匀地分成若干份，使基质的中间层与冷风接触，将原来的基质内部的热传导冷却改为冷风对流冷却，提高冷却效果。
经过调试、测量，钢带的冷却效果得到明显改善。在冷却水流量调整至最大状态时，测得制药产能与敏化温度的变化如表2。在室温40℃、制药产能达到4.5t/h时，敏化温度为50℃，能够满足工艺要求。但由于防爆轴流风机安装在钢带凉药机上，存在工房噪声大的缺点，3台风机同时工作，能耗也比较大，遂进行进一步改进。
2.4第2次改进
为降低工房噪声、减少能耗，取消风罩上的3台防爆轴流风机，改为安装工业冷风机，降低冷却风温度，改善风冷效果。从式(3)可以看出，风冷传热速率Q风与空气温度T风有关。T风越低，Q风越大。工业冷风机是无压缩机、无冷媒、无污染的环保型产品，具有耗电量小、送风量大、降温明显、运行成本低、便于维护等特点。在较潮湿地区，一般能达到5～9℃左右的明显降温效果;在特别炎热干燥地区，降温幅度能达到10～15℃左右。
根据工艺要求，乳化器出口基质温度为110℃、敏化温度为50℃，产能由3.6t/h增至4.5t/h，增产0.9t/h。考虑全部采用风冷，需导出热量:
Q1=C1M1(T基－T敏)=118800kJ/h。(4)
式中:Q1
为单位时间内基质散发的热量，kJ/h;C1为乳胶基质的比热，2.2kJ/(kg·K);M1为单位时间里风冷乳胶基质的质量，0.9t/h;T基为乳化器出口基质温度，110℃;T敏为乳胶基质敏化温度，50℃。
1－原基质;2－调节螺母;3－梳理板;4－槽钢
支承架;5－钢带;6－凉药机支架;7－梳理后基质。
图3 梳理板装置
根据能量守恒定律，基质散发的热量等于冷却风吸收的热量。即
Q1=Q2。(5)
式中:Q1为单位时间内基质散发的热量，kJ/h;Q2为单位时间内冷却风吸收的热量，kJ/h。如保持工房内室温不变，工房内冷风的温度变化即为室外冷风机的冷却温度。
Q2=C2ρ2V2ΔTm。(6)
式中:Q2为单位时间内冷却风吸收的热量，118800kJ/h;C2为空气的比热，1.01kJ/(kg·K);ρ2为空气密度，35℃时为1.15kg/m3;V2为单位时间内通过的冷风体积，m3/h;ΔTm为风机冷却温度，6℃。
根据式(6)，可计算出单位时间内冷风机的排风量V2
应不小于17047m3/h。
2.5 2次改进效果
取消风罩上的3台防爆轴流风机，在室外安装一台RDF20A型工业冷风机，该设备功率为1.1kW、最大排风量为20000m3/h、外形尺寸为1.1m×1.1m×1.3m。冷风机与钢带凉药机风罩采用风管相连。通过降低冷风温度，提高风冷传热效率。
经过多日调试、测量，钢带的冷却效果得到明显改善。在冷却水调整至最大状态时，测得制药产能与敏化温度的变化如表3。在室温40℃、制药产能达到4.5t/h时，敏化温度为49℃，满足工艺要求。由于冷风机安装在室外，工房内无噪声，同时只需1台冷风机，功耗也比较小。室温偏低时，可通过调整冷却水的大小、百叶式风口的开口等方式调整冷却效果，控制敏化温度在工艺范围之内。经过一段时间的试运行，效果良好。
3.结论
综上所述，乳化基质的冷却是乳化炸药生产工艺的一个重要环节，本文通过改进的钢带式乳化炸药凉药机实现了钢带凉药机与装药机的产能匹配，是综合效益最理想的、适合当前大产能自控生产线所用的连续凉药设备。
参考文献
[1]双子乳化剂的合成及其在乳化炸药中的应用[J].王开贵,陈龙.煤矿爆破.2016(05)
[2]浅析乳化炸药生产线安全联锁监控系统的重要性[J].王丽. 中国石油和化工标准与质量.2016(24)
论文作者:王新民
论文发表刊物:《防护工程》2017年第33期
论文发表时间:2018/3/26
标签：基质论文; 凉药论文; 钢带论文; 温度论文; 热量论文; 炸药论文; 效果论文; 《防护工程》2017年第33期论文;