工业炸药作为工程爆破中不可或缺的动力源泉，其重要性不言而喻，被誉为“能源基石”^[1–3]。膨化硝铵炸药是一种性能优异且经济实用的工业炸药，具有敏化作用强、威力高、成本低、易实现连续生产等优点。然而，这类炸药在生产过程中往往伴随着高温条件下硝酸铵（ammonium nitrate，AN）的快速结晶，存在安全隐患。为了提高工业炸药的生产安全性，降低硝酸铵的溶解温度是一种有效途径^[4]。因此，有必要探索改性硝酸铵性能，降低其溶解温度。

目前，学者们对硝酸铵的改性进行了相关研究。例如，孙占辉等^[5]通过研究无机酸对硝酸铵热分解的作用机理，发现硝酸铵在酸性物质的介入下会增大热分解速率。王志荣等^[6]利用差热分析法揭示了无机盐对硝酸铵热分解行为的调控作用，特别是KCl的加入显著促进了硝酸铵的热分解过程，展现了无机盐作为改性剂的潜力。白燕^[7]则通过加速度量热法揭示了氯离子对硝酸铵热分解的抑制作用，为硝酸铵的改性提供了新的视角。曹会琦^[8]系统研究了不同卤化钠类及农用化肥类物质对硝酸铵热分解特性的影响。目前的研究主要集中于无机盐对硝酸铵的改性，而无机盐对膨化硝铵炸药性能的影响研究较少。

本研究采用无机盐（NaCl、KCl、NaNO₃和KNO₃）部分替代硝酸铵，探究无机盐添加后硝酸铵溶解温度的变化规律，并评估改性膨化硝铵炸药的爆炸性能，为膨化硝铵炸药的生产实践提供参考。

1.   实　验

1.1   材料及仪器设备

实验材料：硝酸铵、无机盐（NaCl、KCl、NaNO₃和KNO₃）、复合油相、木粉、国标铅柱。

实验设备：BSW-3A 型智能五段爆速仪（湖南湘西州奇搏矿山仪器厂）、YE5853 型电荷放大器（江苏联能电子技术有限公司）、CY-YD-202 压电式压力传感器（江苏联能电子技术有限公司）、HDO4104A型示波器（美国力科公司）。

1.2   改性膨化硝铵炸药的制备

改性膨化硝铵炸药中硝酸铵的质量分数为86%、88%和90%，无机盐（NaCl、KCl、NaNO₃和KNO₃）的质量分数（ω）为2%、4%和6%，复合油相的质量分数为4%，木粉的质量分数为4%。制备流程如图1所示。

图  1  改性膨化硝铵炸药的制备流程

Figure  1.  Preparation process of modified expanded ammonium nitrate explosive

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改性膨化硝酸铵炸药的制备步骤：

(1) 120 ℃加热条件下，将一定比例的固体硝酸铵和无机盐同时加入占炸药质量分数9.2%的水中，搅拌至完全溶解；

(2) 待固态硝酸铵和无机盐完全溶解，加入质量分数为4%的复合油相，搅拌至完全溶解后，得到改性膨化硝铵水溶液；

(3) 在真空度为0.09 MPa的条件下，使改性膨化硝铵水溶液膨化；

(4) 取出粉状炸药进行冷却，研磨后过20目筛；

(5) 加入质量分数为4%的木粉充分混合，制成改性膨化硝铵炸药，测试其爆炸性能。

1.3   改性膨化硝铵炸药性能测试

1.3.1   溶解温度测试

将温度计插入改性膨化硝铵水溶液中，记录固态硝酸颗粒全部溶解时的温度。

1.3.2   爆速测试

依照GB/T 13228—2015：《工业炸药爆速测定方法》^[9]，使用爆速测试仪进行改性膨化硝铵炸药的爆速测试。具体操作：用外径32 mm、长度400 mm的牛皮纸管装药，将3根探针插入药卷，探针间距为50 mm，测量2段爆速，取平均值。各组实验均重复3次，取平均值。

1.3.3   猛度测试

依照GB/T 12440—1990：《炸药猛度实验 铅柱压缩法》^[10]，进行炸药猛度测试。称取50 g改性膨化硝铵炸药，放置于纸筒中并压实，密度为(1.00±0.03) g/cm³。将$\varnothing$40 mm×60 mm的铅柱、钢片和药卷按顺序固定，将雷管插入药品中，插入深度为15 mm。在铅柱一端面处，经过圆心用铅笔轻轻画十字线，并注明四线序号。在十字线距交点10 mm处，再标注交叉短线，用游标卡尺沿十字线依次测量铅柱高度，测量时游标卡尺应伸到交叉短线处。取4次测量的算术平均值作为实验前铅柱高度的平均值。通过比较起爆前后铅柱的高度差获得炸药的猛度。每个试样重复3次实验，取平均值。

1.3.4   超压测试

测试样品为40 g球形装药，装填密度为0.60 g/cm³。测试传感器位于距球形药包中心70 cm处。对示波器测得的数据进行处理，得到爆炸冲击波的压力-时程曲线，对压力-时程曲线进行积分，计算获得冲击波超压和最大冲量。每个试样重复3次平行实验，取平均值。

2.   结果与讨论

2.1   炸药参数的理论计算

2.1.1   氧平衡

氧平衡（oxygen balance，OB）是指当炸药爆炸生成碳、氢氧化物时氧的剩余量。传统膨化硝铵炸药的氧化剂为自敏化的膨化硝酸铵，可燃剂由木粉和复合油相构成，三者按照质量比92∶4∶4构成微负氧（OB为−0.0084 g/g）炸药^[11–12]。根据氧平衡理论进行计算，得到不同质量分数、不同无机盐改性膨化硝铵炸药的氧平衡情况，见表1。

表  1  不同质量分数、不同无机盐改性膨化硝铵炸药的氧平衡

Table  1.  Oxygen balance of expanded ammonium nitrate explosive modified by inorganic salt composition with different mass fractions

Composition	OB/(g·g−1)
	ω=2%	ω=4%	ω=6%
NaNO3	−0.0030	0.0024	−0.0030
KNO3	−0.0045	−0.0006	−0.0045
KCl	−0.0124	−0.0164	−0.0124
NaCl	−0.0124	−0.0164	−0.0124

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由表1中的计算结果可知：对于加入NaCl和KCl后的改性膨化硝铵炸药，氧平衡随着无机盐含量的增加而降低，呈现负氧平衡；对于加入NaNO₃和KNO₃后的改性膨化硝铵炸药，氧平衡随着无机盐含量的增加而增加，从负氧平衡逐渐转变为正氧平衡。

2.1.2   爆 热

同样，通过爆热理论计算公式计算得到不同质量分数、不同无机盐改性膨化硝铵炸药的爆热，结果见表2。

表  2  不同质量分数、不同无机盐改性膨化硝铵炸药的爆热

Table  2.  Detonation heat of inorganic salt-modified expanded ammonium nitrate explosives with different mass fractions and components

Composition	Detonation heat/（kJ·mol−1）
	ω=2%	ω=4%	ω=6%
NaNO3	3696.86	3564.76	3375.36
KNO3	3728.61	3562.03	3371.26
KCl	3688.90	3586.73	3484.56
NaCl	3688.90	3586.73	3484.56

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通过表2可知：加入2%、4%和6% NaNO₃的改性膨化硝铵炸药的爆热比传统配比硝铵炸药的爆热（3791.07 kJ/mol）分别降低了2.5%、6.0%和11.0%；加入2%、4%和6% KNO₃的膨化硝铵炸药爆热比传统配比爆热分别降低了1.7%、6.0%和11.1%；NaNO₃和KNO₃ 2种无机盐改性膨化硝铵炸药的爆热差别不大。加入2%、4%、6% KCl（或NaCl）改性膨化硝铵炸药的爆热分别比传统配比爆热降低了2.7%、5.5%和8.1%。采用Brinkley-Wilson方法计算爆热时，因为KCl和NaCl作为惰性物质不参与爆炸反应，所以相同质量分数KCl和NaCl改性膨化硝铵炸药的爆热变化相同。

2.2   改性硝酸铵溶解温度

记录不同质量分数无机盐改性硝酸铵溶液完全溶解时的温度，结果见表3，可以看出：无机盐的质量分数为2%时，较传统配方炸药的硝酸铵溶解温度（120～140 ℃）降低了8～12 ℃，无机盐质量分数每提高2%，膨化硝铵炸药的硝酸铵溶解温度降低7～10 ℃，其中通过KNO₃降低改性硝酸铵溶解温度的效果最好。

表  3  不同质量分数、不同无机盐改性膨化硝铵炸药完全溶解时的温度

Table  3.  Temperature when inorganic salt modified expanded ammonium nitrate explosives with different mass fractions and components are completely dissolved

Composition	Temperature/℃
	ω=2%	ω=4%	ω=6%
NaNO3	112	105	95
KNO3	110	100	90
KCl	110	102	92
NaCl	108	101	95

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在硝酸铵中添加KNO₃和NaNO₃时溶液中含有K⁺、Na⁺和${\mathrm{NO}}_3^-$离子，K⁺和Na⁺离子通过离子间的相互作用（如离子对的形成、溶剂化壳层的改变）影响NH₄⁺和NO₃⁻在溶液中的行为，改变了硝酸铵的溶解度^[13]和结晶动力学^[14]，进而降低了硝酸铵的溶解温度；炸药中加入NaCl和KCl后电离产生Na⁺、K⁺和Cl⁻离子，改变了溶液的离子强度和离子平衡，其中Cl⁻离子^[15–16]还会通过电荷分布影响硝酸铵的结晶行为，从而达到降低硝酸铵溶解温度的效果。

2.3   爆炸性能

2.3.1   爆　速

实验测得不同配比改性膨化硝铵炸药的爆速，结果见表4。由表4可知，NaCl、KCl、NaNO₃和KNO₃改性膨化硝铵炸药的爆速随着无机盐质量分数的增加而降低。

表  4  不同配比改性膨化硝铵炸药的爆速

Table  4.  Detonation velocity for each ratio of explosives

Composition	Detonation velocity/(m·s−1)				Error of detonation velocity/(m·s−1)
	ω=2%	ω=4%	ω=6%		ω=2%	ω=4%	ω=6%
NaNO3	2983.29	2666.67	2364.18		45.36	56.38	49.65
KNO3	2981.52	2665.44	2393.90		60.49	62.68	52.89
KCl	2708.51	2468.60	2156.15		43.59	75.81	38.54
NaCl	1999.20	1786.99	1667.33		61.56	52.56	54.87

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与传统配方膨化硝铵炸药的爆速（2850 m/s）相比，在添加无机盐的质量分数为2%的情况下，添加NaNO₃、KNO₃的膨化硝铵炸药爆速提高了5%左右，而添加KCl和NaCl的膨化硝铵炸药的爆速分别降低了5%和30%。这说明添加2%的NaNO₃和KNO₃有助于爆轰传播，而添加2%的KCl和NaCl则抑制爆轰反应的发生，其中添加2%的NaCl的抑制效果最强。添加质量分数为4%的无机盐的情况下，与添加2%无机盐的各配方爆速相比，添加NaCl、KCl、NaNO₃和KNO₃的膨化硝铵炸药爆速均降低了250 m/s左右。添加质量分数为6%的无机盐的情况下，与添加4%无机盐的各配方爆速相比，添加NaCl、KCl、NaNO₃和KNO₃的膨化硝铵炸药爆速降低了200 m/s左右。上述结果说明，提高NaCl、KCl、NaNO₃和KNO₃添加剂的质量分数可抑制膨化硝铵炸药的爆轰反应。

2.3.2   猛　度

炸药的猛度反映了炸药爆炸时爆炸产物对周围介质的破坏作用，通常用铅柱的压缩量表示。通过猛度测试，得到各配比炸药爆炸后的典型铅柱压缩情况，如图2所示。

图  2  各配比炸药爆炸后铅柱的压缩情况

Figure  2.  Compression of lead columns after explosion of each ratio of explosives

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如图3所示，实验测得不同配方改性膨化硝铵炸药的铅柱压缩量，可以发现，改性膨化炸药的猛度随着添加NaCl、KCl、NaNO₃和KNO₃无机盐质量分数的增加而减小。

图  3  各配方炸药作用下铅柱的压缩量

Figure  3.  Compression of lead columns of each formula

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从图3可以看出，与传统配方的铅柱压缩量10.98 mm相比，在无机盐添加量为2%的情况下，添加NaNO₃和KNO₃的膨化硝铵炸药的铅柱压缩量增大了0.7 mm左右，添加KCl和NaCl时铅柱压缩量分别下降了0.08和2.55 mm。其中，添加NaCl对膨化硝铵炸药猛度的影响较大，说明与KCl相比，NaCl通过吸附和破坏自由基的方式对燃烧爆轰链式反应^[13–16]的抑制作用更强。随着NaNO₃、KNO₃、KCl和NaCl质量分数的增大，其铅柱压缩量呈下降趋势，说明继续添加NaNO₃、KNO₃、KCl和NaCl可降低膨化硝铵炸药爆炸时爆炸产物对周围介质的破坏作用。

2.3.3   冲击波超压

空中爆炸实验可以测试冲击波超压和计算冲量等参数，用于研究冲击波超压随时间变化的关系。由示波器储存的电压-时间曲线得到爆炸冲击波典型的压力-时程曲线，如图4所示。

图  4  添加不同质量分数无机盐炸药的超压对比

Figure  4.  Comparison of overpressure of inorganic salt explosives with different mass fractions

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每种试样做3次平行实验，取平均值，并记录冲击波超压峰值和最大冲量，见表5和表6。由图4、表5和表6可知，除添加NaNO₃和KCl的膨化硝铵炸药外，其余配比膨化硝铵炸药的超压峰值和最大冲量均低于传统配方膨化硝铵的超压峰值（70.17 kPa）和最大冲量（13.02 Pa·s），且随着无机盐质量分数的增加而逐渐降低，即炸药的做功能力随着无机盐含量的增加而逐渐降低。

表  5  各配比膨化硝铵炸药的超压峰值

Table  5.  Overpressure peak of each ratio of expanded ammonium nitrate explosives

Composition	Overpressure peak/kPa				Error of overpressure peak/kPa
	ω=2%	ω=4%	ω=6%		ω=2%	ω=4%	ω=6%
NaNO3	70.19	65.44	51.91		0.76	0.85	0.72
KNO3	66.15	62.13	57.17		1.02	0.68	0.81
KCl	70.95	57.22	55.11		0.83	1.16	0.89
NaCl	51.70	49.43	37.67		0.68	0.77	0.68

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表  6  各配比膨化硝铵炸药的最大冲量

Table  6.  Maximum impulse of each ratio of expanded ammonium nitrate explosives

Composition	Maximum impulse/(Pa·s)				Error of maximum impulse/(Pa·s)
	ω=2%	ω=4%	ω=6%		ω=2%	ω=4%	ω=6%
NaNO3	13.08	12.19	11.35		0.33	0.13	0.12
KNO3	12.95	11.29	10.86		0.08	0.29	0.09
KCl	11.88	11.26	10.86		0.19	0.16	0.14
NaCl	10.70	9.86	8.85		0.09	0.09	0.18

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当无机盐质量分数为2%时，添加NaNO₃和KCl的膨化硝铵炸药的超压峰值较传统配方分别提高了0.02和0.78 kPa，添加KNO₃和NaCl的膨化硝铵炸药的超压峰值分别降低了5.02和19.57 kPa。其中，NaCl对超压峰值的影响最大，说明NaCl对炸药爆炸做功能力的影响最大。NaCl、KCl、KNO₃和NaNO₃的质量分数每提高2%，超压峰值下降1.77～13.50 kPa，说明随着无机盐质量分数的增加，硝铵炸药的做功能力呈下降趋势。

对比不同质量分数NaCl、KCl和KNO₃对膨化硝铵炸药爆炸性能和硝酸铵溶解温度的影响，发现当添加NaNO₃的质量分数为2%时，炸药的溶解温度较传统配方降低了8 ℃，爆速提高了120 m/s，铅柱压缩量增大了0.62 mm，超压峰值提高了0.78 kPa，其中爆炸性能的提高和硝酸铵溶解温度的降低最为明显。因此，在实际操作中，可以在膨化硝铵炸药中添加少量NaNO₃，既有利于降低硝酸铵溶解温度，还能提高炸药的爆炸性能。

3.   结　论

(1) 当添加NaNO₃和KNO₃的质量分数为2%时，膨化硝铵炸药的爆速较传统配方提高了4.2%～5.2%，铅柱的压缩量增大了6.37%。随着NaCl、KCl、KNO₃和NaNO₃添加量逐渐增加，爆速和铅柱的压缩量呈下降趋势。其中，NaCl对炸药爆速和猛度的影响较大，对炸药的爆轰反应有明显抑制效果，说明随着无机盐添加量的增加，其做功能力呈下降趋势。仅当添加KCl的质量分数为2%时，膨化硝铵炸药的超压峰值增大了1.2%。随着NaCl、KCl、KNO₃和NaNO₃添加量的逐渐增加，其超压峰值呈逐渐下降趋势。

(2) 用NaCl、KCl、NaNO₃和KNO₃ 4种无机盐取代部分硝酸铵，可以降低膨化硝铵炸药的溶解温度。添加无机盐的质量分数每增加2%，膨化硝铵炸药的溶解温度降低7～10 ℃。其中，KNO₃作为添加剂时，降低溶解温度的效果最好；当添加无机盐的质量分数为6%时，与原配方膨化硝铵炸药相比，溶解温度降低了30 ℃。

(3) 膨化硝铵炸药中添加少量NaNO₃，既有利于降低硝酸铵的溶解温度，还能提高炸药的爆炸性能。