火炸药计量技术发展状况及趋势

火炸药计量技术发展状况及趋势

杨杰苗高昂李超毛泽政张学飞

北方自动控制技术研究所 山西太原 030006

摘要：计量是实现单位统一、量值传递的活动。计量在中国古代称为“度量衡”。计量具有准确性、一致性、溯源性和法制性的特点，时时刻刻在人类的活动中发挥作用。在军用火炸药领域，由于火炸药具有易燃易爆性和与国防事业的密切相关性，因此，准确可靠的计量具有尤其重要的意义。本文就火炸药计量技术发展状况进行了论述，并就火炸药计量技术发展趋势进行了分析。

关键词：火炸药；计量；在线

前言：火药是中国古代四大发明之一，曾对世界格局和发展进程产生重要影响，然而明末清初之后火药火器在中国却日益衰落。火药随战争移步西方，变身黑火药，促进了近代化学科学的诞生和发展。

1.火炸药制造概述

火炸药作为一类高能量密度材料,在能源开采、建筑行业、航天事业和军事领域得到了广泛应用。在军事领域中,火炸药及其相关产品是战斗部进行毁伤的能源,也是各种武器驱动、爆炸装置的动力源,能为火炮、火箭、导弹等提供能量,从而完成发射、推进和毁伤功能。现今,火炸药的发展已然成为一个国家国防实力的体现。然而火炸药具有易燃、易爆的化学特性,同时,在生产过程中高温高压设备较多,加工工艺复杂,且容易产生有毒、腐蚀性气体,一旦操作不当就可能发生火灾、爆炸等事故,导致人员伤亡和巨大经济损失。火炸药制造过程是一个涉及多工序、多因素、多工艺设备和多环境状态精准控制的复杂生产过程。目前,尚有部分复杂工序无法实现完全自动化,依旧需要工人进行传统手工作业,危险度高,本质安全性低,且由于不同工人熟练度不一样,容易导致质量波动,产品质量一致性差。此外,火炸药的生产面临资源利用率低、能耗高、污染物排放量大及环境污染严重等诸多问题。一方面是因为无法对制造原料的成分、设备的工作状态、制造的工艺参数以及成品质量进行实时监控和全面感知;另一方面是制造过程会受到原料、设备参数和工作环境等动态因素的影响,因此,需要根据这些影响因素实时对制造参数等运行指标进行修正。如果运行参数人工调整不当或不及时,将难以确保整个生产流程处于良好的运行状态。为促进火炸药制造向健康绿色方向发展,其生产过程必须要由过去的单纯追求大型化、高速化、连续化,转向注重提高产品质量、降低生产成本、减少资源消耗与环境污染和可持续发展的轨道上来。因此,如何提高火炸药制造工厂的自动化、智能化、本质安全性并减少对环境的污染成为亟待解决的问题。随着工业4.0和中国制造2025的提出,我国逐渐从“三高”(高成本、高能耗、高排放)的传统制造业生产模式向“自动化、数字化、智能化”新模式转型,由此“黑灯工厂”逐渐走入了人们的视野,这也为火炸药的全流程自动化智能制造带来了契机。所谓的“黑灯工厂”是智能化时代的一种新形势,即使用自动化、智能化设备代替工人作业,解放大量人力物力,提升产品生产效率和保证产品质量的一致性。从工厂原材料到成品的交付,整个生产过程完全由自动控制的机器设备来完成。

2.火炸药的特点

在当前，火炸药已经被应用到各个领域中，火炸药不仅在工业发展中得到了应用，也在航天器材上得到应用，火炸药化学具备以下明显的特征：安全性。火炸药在储备阶段是相对稳定的，难以对各种爆炸形成可观察变化。感性度。火炸药受到的外界影响不同，爆发后各种反应的剧烈程度也是不尽相同的。速度。在发生化学反应时，火炸药的速度是比较快的，爆炸速度可达到2-9千米每秒。蔓延速度。在火炸药发生爆炸以后各种物质燃烧的速度会很快，会随着药品的分布迅速地燃烧，然后以药品法线为路径向外传播，在这个过程中会传递大量的能量，这个过程的快慢也被叫做火炸药的燃烧速度。在爆炸以后，火炸药的燃烧都是可以被控制的，这个速度可以被控制在每秒几厘米到几十米之间。

3.火炸药生产工艺标准

火炸药从最初诞生到现在普及到各个行业、各个国家，已经经历了一定的发展，在这个过程中火炸药化学技术不断完善并改良，随着火炸药化学技术的不断发展，当前，火炸药生产技术已经发展到了相当高的水平，在生产过程中火炸药生产人员已经积累了不少科学的生产工艺并对生产工艺相关标准做出了规定，对火炸药技术的不断完善产生了巨大作用。截止到目前，火炸药生产工艺相关的文件有火药、弹药，有生产工艺，有存放工艺等。相关的文件对火炸药的科学生产、安全摆放以及正确使用都具有较为明显的影响，也对火炸药的布置规范进行了界定，对摆放过程中存在的问题以及详细的要求做出了规定。  4.连续计量技术的应用

大连安泰化工有限公司设计了在线测量硝酸铵溶液浓度的装置。在使用硝酸铵水溶液配制炸药水相原料过程中，需要实时、快速在线测量硝酸铵溶液的浓度。利用质量流量计能同时测量液体密度、温度的功能，参照硝酸铵溶液的物性数据，由控制器依据密度–温度关联法，对硝酸铵溶液浓度进行在线测量，实现了快速、准确配制水相原料的目的。以硝酸铵溶液的温度、密度、w(NH4NO3)的相关物性换算图为基础。经计算机对折线数据进行线性化拟合后发现，在温度一定的情况下，硝酸铵溶液的浓度与其密度值高度相关，线性化数据与基础数据的绝对拟合误差在–0.16%~0.13%，具有很高的精确度。

5.关于火炸药数字化制造

5.1火炸药制造的特殊性

火炸药作为一类化学工业制品，制造工艺过程与通常的化学品基本相同。但是与其他化学工业品显著的不同是易燃易爆，出于安全考虑由此决定在工艺过程中，能量控制范围较小。

5.2火炸药数字化制造的技术体系内容

火炸药数字化制造技术体系可以从以下几个模块进行构建：火炸药特性基础数据库；火炸药制造过程分类与物理数学模型表达；自动化装备与控制方法；在线物理化学参数获取与自动控制方法；火炸药能量刺激反应与安全阈值确定；意外燃烧爆轰防护方法等。

5.3火炸药数字化制造的发展建议

我国火炸药制造工艺源于从前苏联的引进，很长时间内处于消化吸收阶段，工艺过程、工艺参数、质量控制等基本没有变化。近年内，国家对制造工艺进行较大力度的投入，部分工艺基本能达到自动化层次，但大多数仍然处于机械化层次。制造必然从自动化向数字化再向智能化方向发展与进步。对于火炸药目前所处的水平层次、行业的发展需求，对火炸药的数字化制造提出以下建议：第一，充分理解数字化制造的基本内涵，包括基本概念、定义、特征性表达等，其中对自动化与数字的区分与关联性尤为重要；第二，对目前自动化制造工艺进行全面总结与梳理，构建系统与全面的适合于属于一类特殊化学化工产品的火炸药制造工艺和自动控制技术体系；第三，针对火炸药制造工艺的典型操作单元，对其进行物理数学模型描述与表达，对其中的动力学、热力学问题进行物理数学表达、数值解析、实验验证，积累有关的基础数据；第四，广泛进行学术交流与合作，引进先进的思想、理念、技术，选择较为成熟的工艺过程进行试点，不要盲目、_窝蜂式地全面铺开。

6.结束语：

综上所述，对于很多计量目标参数，原有的很多计量方法虽然可能很精确，但由于取样、送检程序往往很复杂，效率非常低，常常影响生产进度。采用高效的在线计量技术可以在不影响生产的前提下实时计量生产线上产品的某些参数，无疑大大提高了生产效率。

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