丁羟复合推进剂混合工艺安全技术研

丁羟复合推进剂混合工艺安全技术研究
张明海冯自瑞郑钢贺锋刘成
（西安北方惠安化学工业有限公司陕西西安 710302）摘要：混合工序是复合推进剂制造工艺过程中最危险的工序之一，由于现场在制品量大，一旦发生事故，会造成巨大的人员伤亡和财产损失。

文章从目前典型混合工艺和设备、推进剂原材料特性、工艺特点进行分析，探讨丁羟复合推进剂装药混合过程中的工艺安全控制措施。

主题词：丁羟复合推进剂混合安全
1 引言
复合推进剂是火箭发动机工作的动力来源，主要由弹性基体、固化及键合增塑体系、含能密度材料和金属燃料、氧化剂等组成，是通过机械混合得到的一种热固性假塑性流体。

机械混合过程实际就是通过不断的剪切、捏合，使各种原材料充分搅拌浸润，达到各组分均匀一致。

因混合过程中在制品量大，同时由于设备的差异、原材料自身特性、工艺参数设定、工艺控制等因素影响，一旦控制不当，易形成重大安全事故。

据统计，复合推进剂制造过程中，混合工艺过程发生事故最多，几乎是原材料处理、浇铸、固化、脱模、整型等主要工序事故数的总和，约占总工艺事故数的41.86%[1]，消除或减少混合工序事故是提升复合推进剂制造科研生产安全的重点。

以下将从现行混合设备、混合工艺等方面展开分析。

2 现行工艺中存在的问题及危险机理分析
当前，国内外复合推进剂制造领域主要采用立式真空混合机进行混合，采用人工现场加料或远程控制加料的工艺方法。

在丁羟复合推进剂配方组成中，具有潜在燃爆危险的组分包括三类：镁、铝等金属燃料粉体；高氯酸按等氧化剂粉体；黑索今、奥克托金等高能炸药类含能密度材料。

镁、铝等金属粉具有爆炸性，其最小点火能量仅为几十毫焦；常用的氧化剂AP为助燃属性，AP细粉使用粒度一般在（0.1～50）微米之间，受到扰动易悬浮，会对燃爆起到推波助澜的效果；含能密度材料通常为高能炸药类材料，其使用粒度一般为几十微米，无论从能量特性还是安定特性都更应给予充分重视。

由于箭弹武器有效射程和飞行速度等技战术指标日益提高，要求推进剂必须追求更高的能量和更高的燃速，在现有材料能量水平难以大幅提升的情况下，只能通过提高推进剂配方中固体物的含量，降低固体物粒度来满足指标要求，目前，国内丁羟推进剂固含量指标一般在87%-91% ，微米级氧化剂含量可达到50% 。

较高的固体物含量和较细的固体物粒度会给推进剂混合过程安全控制带来威胁，主要体现在以下几个方面：
第一，当固体物料加入混合容器内时，细粒度物料在外力作用下会出现粉尘飞扬、弥散，可造成短时间、有限空间内的粉尘浓度过高的情况，即便未达到爆炸极限形成事故，也会在设备、管线、器物表面粘附积聚，尤其当粉尘粘附积聚在可能产生强机械作用的部位时，可能给日常生产、清理、维修等作业带来危险。

第二，随着推进剂配方中固体物含量的升高，液体组分占比逐渐降低，当固体粉料加入混合容器时，无论粉体物料自然堆积还是因静电吸附聚集，混合运转过程中不可避免出现“干混”现象，这种因未及时浸润而出现的“干混”几乎伴随混合工艺前期时间的1/3。

若出现较大“干混”料团，同时混合桨叶转速较快，固体粉料可能在较强的摩擦作用下被激发，酿成事故。

第三，固体粉料加入混合容器后，尤其是在推进剂配方中细料含量较多（20%以上），料浆会在离心力和表面张力作用下沿着搅拌桨和混合容器壁不断爬升。

当混合量较大（最大混合容积的80%以上）、混合桨叶转速较快、由普通混合进入真空混合过程时，部分物料会“爬升”至搅拌桨颈部或容器顶盖处，混合物料一旦进入工艺管线、设备缝隙，将形成安全隐患或造成安全事故。

第四，混合过程中，随着各种原材料尤其是固体物料逐步加入，混合设备扭矩逐步增大，当所有固体物料全部加入混合容器，设备扭矩接近峰值，此时容器内物料一般呈凝固块状。

若混合量较大或工艺由普通混合进入真空混合，设备扭矩将进一步攀升并伴随剧烈波动，此时混合设备甚至会出现停机、分离等保护性动作，这种情况下，推进剂物料会受到很强的剪切和摩擦作用，具有很大的安全隐患。

第五，混合过程中，尤其是固体物料加完后的初期混合阶段，由于物料尚处于未完全浸润的状态，流动性较差，造成混合锅内部分物料分布不均匀，混合桨某个方向上受力较大，混合桨发生形变，造成局部间隙变小，风险增加。

第六，高固体物含量和较细的固体物粒度使料浆的感度有所提高，同时，为提高装药燃速，需要加入各种燃速催化剂，催化剂一般起到降低分解温度，提高反应活性的作用，这样会使料浆更加敏感，更容易激发发生燃爆。

3 防范及改进措施
845厂是我国最早从事复合推进剂生产的单位之一，是最早从事丁羟推进剂装药研究和生产，通过对现有进行丁羟复合推进剂装药制造的两条生产线和一条工艺试验线的生产经验进行总结和比较，在解决上述问题时主要采取以下几方面措施：
第一，针对细粒度物料粉尘飞扬、弥散问题，应从改变加料方式入手。

对于金属燃料粉体，可采用循环吸入式将粉体分散到弹性机体内[2]。

利用特殊的泵输送液体组分产生高速液流，液流在管道内循环实现真空吸料，把金属粉末吸入液流中，粉末在液流中被瞬间浸润，最终实现在液流中的均匀分散。

与目前普遍使用的机械搅拌的混合形式相比，混合吸料时的真空是由液流产生，所有的金属粉末都毫无遗留地被导入液流中，具有几乎无粉尘、分散效率好的特点。

同时，设备结构相对简单，在满足混合工艺要求的情况下能较好保证工艺过程安全。

对于氧化剂类粉体物料，可采用管道式气力输送或真空输送，实现封闭环境下的加料[3]。

气力输送是利用高压气流产生推力实现对物料的输送，当高压气流充入粉体物料后使物料能在气流推动下通过管道实现输送。

真空输送也称负压输送，即利用真空发生器形成的真空，将料仓内的物料吸入管路形成“气料流”后进入集料器，通过过滤和分离装置使物料与空气分离，当集料器达到定量后停止真空发生器工作，打开下料阀下料。

真空输送和气力输送技术的优点在于料流相对稳定、物料几乎不受环境影响、防静电及除静电手段成熟、易实现生产连续化。

第二，解决混合过程中的“干混”问题，可采取以下措施：
通过对加料量进行控制，采用连续化计量加料设备，并根据物料性质、混合容器内物料状态、混合机工作特点，按“少量多次”的加料方式调整加料速度，控制每次物料加入量。

优化混合工艺，在加料过程中采用低速混合，加料完毕后采用中高速混合，根据混合料浆特性适当调整不同转速下混合的时间，使物料均匀分散。

采用上述措施基本可达到减少甚至杜绝“干混”的目的。

第三，对于混合过程中物料的“爬升”问题，可采取以下措施：
根据发动机装药要求，采用相匹配的混合机，合理设计推进剂混合量，在保证装药需求和装药质量的前提下，尽可能减少“满投满混”情况。

根据推进剂配方特点，调整固体粉料加入顺序和加入量，采取不同粒度物料交叉加料的方式，可抑制物料“爬升”现象。

合理设计搅拌桨转速和搅拌时间的关系，适当降低混合机转速，可有效减弱物料“爬杆”带来的负面影响，消除隐患。

第四，针对混合过程中混合设备扭矩大的问题，可采取以下措施：
合理进行推进剂配方设计，优化物料级配，引入工艺助剂，降低混合料浆粘度。

在扭矩较大的时段，混合工艺应采用较低的转速，并适当延长混合时间。

在扭矩较大的时段，工艺设计中应尽可能避免设置真空混合过程，或者采用低转速分段分级抽真空的混合方式。

第五，针对混合设备形变问题，可采取以下措施：
确定合理的混合量，混合过程流动性差的配方体系混合量应适当减少。

定期检测设备状态，确保设备各运转部件间隙适宜，设备不带病运行。

采取适宜的工艺参数，料浆流动性较差的时段，适当降低转速。

第六，针对高固体物含量、较细的固体物粒度配方料浆感度提升采取以下措施：
测量不同加料顺序下，工艺过程料浆感度数据，优选最安全的加料顺序。

加强工艺过程控制，尤其是手工加工过程中，尽可能减小对料浆的挤压、摩擦和撞击。

4 结论
复合推进剂制造过程中，混合工序属于重点危险防控岗位，随着推进剂能量提升和燃速提高，推进剂配方中固体物含量不断增加，粒度逐步降低，这些均导致混合过程安全风险增
大。

采用合理的工艺设计，应用先进可靠的工艺新技术，能有效解决混合过程中出现的问题，降低安全风险，实现安全高效生产。

参考文献
[1]杨威宋明纲陈秀丽，XX发动机用丁羟高燃速推进剂混合过程事故分析及验证，中国固体推进剂生产安全协会第八届会员代表大会论文集，2013
[2]XX装药工艺研究项目中期汇报，内部资料
[3]XX工艺验证方案，内部资料。