硝酸铵水溶液析晶点在线无人化测量方法的研究.pdf

火工品2023年0 8 月INITIATORS&PYROTECHNICS文章编号：10 0 3-148 0（2 0 2 3）0 4-0 0 7 1-0 52023年第4期硝酸铵水溶液析晶点在线无人化测量方法的研究王枚1，迟平2，吴攀宇1，吴继昌（1.安徽江南化工股份有限公司，安徽合肥，2 30 0 8 8；2.安徽江南化工股份有限公司宁国分公司，安徽宁国，2 42 30 0）摘要：为实现硝酸铵水溶液析晶点的在线远程测定，设计制作了一种在线无人化测量硝酸铵水溶液析晶点的装置。通过对接视频监控系统观察水溶液析晶过程，并对比分析使用该装置测量析晶点与传统人工手摇测量析晶点的测试结果。结果表明：相较于传统人工手摇方法，该装置测量硝酸铵水溶液析晶点的取样量更大、析晶过程的识别更准确、温度数据获取更直接；该装置测量所得硝酸铵水溶液析晶点平均温度极差能够控制在0.5以内，随着测试样品温度的升高，测量结果波动性小、方差保持稳定、置信度更高。该装置初步实现了“人机隔离、机器换人、黑灯工厂”的安全生产模式，在确保测量精度与准确性的同时控制了成本，能够满足实际工业生产需求，具备一定的应用价值与推广可行性。关键词：硝酸铵水溶液；析晶点；在线检测；黑灯工厂中图分类号：TJ450.6；T Q 56 0.7 2Study on Online Unmanned Measurement Method of Crystallization Point of Ammonium(1.Anhui Jiangnan Chemical Industry Co.,Ltd.,Hefei,230088;Ningguo Branch of Anhui Jiangnan Chemical Industry Co.Ltd.,Abstract:To realize the online and remote measurement of crystallization point of ammonium nitrate aqueous solution,anonline and unmanned device for measuring the crystallization point of ammonium nitrate aqueous solution was designed andmanufactured.The crystallization process of aqueous solution was observed through the docking video monitoring system and themeasured results of the crystallization point by the designed device were compared to those by the traditional manual method.Theresults show that:compared with the traditional manual method,the device measures the crystallization point of ammoniumnitrate aqueous solution with a larger sampling amount,more accurate identification of the crystallization process,and more directacquisition of temperature data;The average temperature range of the crystallization point of ammonium nitrate aqueous solutionmeasured by the device can be controlled within 0.5C,with the increase of the temperature of test samples,the measurementresults have less volatility,stable variance and higher confidence.The device initially realize the safe production mode of unmanned factory,and can control the cost while ensuring the accuracy of the measurement,as well as meets the actualindustrial production needs.The study indicates the designed measurement device has certain application value and promotionfeasibility.Key words:Ammonium nitrate aqueous solution;Crystallization point;Online detection;Unmanned factory文献标识码：AD01:10.3969/j.issn.1003-1480.2023.04.014Nitrate Aqueous SolutionWANG Mei,CHI Ping,WU Pan-yu,WU Ji-chang?Ningguo,242300)乳化炸药作为一种油包水型抗水混合工业炸药，属于高内相比混合体系，其内相硝酸铵水溶液占比达到7 0%以上!。在乳化炸药的生产中一般需要控制硝收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 2作者简介：王枚（198 0-），女，高级工程师，从事工业炸药生产制造、工艺技术及过程安全管理与研究。通讯作者：吴继昌（198 5-），男，工程师，从事工业炸药生产设备、工艺技术与产品性能研究。酸铵水溶液浓度达到90%以上2 ,当溶液浓度确定时，硝酸铵晶体从溶液中析出的最高温度（析晶点）是一个定值。硝酸铵水溶液析晶点不仅是其质量标准的重72要参数，也是影响乳化炸药稳定性的重要指标之一，对于炸药的储存稳定性、运输稳定性与爆炸性能等具有举足轻重的影响1,3-。因此，硝酸铵水溶液析晶点测量是生产企业衡量硝酸铵水溶液质量达标的重要手段2 。张茂煜5 采用胶体化学中Tyndall 法准确测定了硝酸铵水溶液的析晶点；张东杰2 通过采用浓度测试仪、温度传感器和pH计构建了硝酸铵溶液技术指标在线检测系统，测试了超声波在不同浓度与温度下硝酸铵水溶液中的传播速度，分析了超声波声速与硝酸铵溶液浓度的关系；刘万义等6 通过研究硝酸铵水溶液降温过程中的析晶升温特性，提出了采用高精度温度传感器实时记录溶液温度变化的析晶点测量方式；崔雪峰等7 基于Arduino通过温度传感器、浊度传感器与配套采集程序研发了硝酸铵水溶液析晶点温度测量系统。以上研究为析晶点的准确测定提供了参考。但是，生产企业析晶点测量过程中存在试样取样体积、操作工艺难度、设备精度与成本控制等因素影响，上述研究难以获得应用并推广。目前，国内生产企业对于水相析晶点的测量仍然停留在原始的人工取样、手动搅拌、现场观察的操作方式，该作业过程中存在较高的硝酸铵腐蚀与高温烫伤的安全风险，且测量精度受操作方法、取样体积及测试人员观察方式等因素影响8-10 ，对作业人员生命健康及产品质量造成一定影响。为了解决上述问题，并落实工信部“十四五”民用爆炸物品行业安全发展规划中明确指出的“持续推进危险岗位机器人替代、推动在线实时监测和少（无）人化技术装备研发应用 等要求、降低硝酸铵水溶液析晶点测量过程中的安全风险及测量误差、提高生产企业社会经济效益，有必要研发一种析晶点在线无人化测量装置，在保证测量精度的前提下实现生产线无人化与装置简便化。本研究通过采用耐高温玻璃容器为样品池，配合高精度防爆摄像头与高精度温度传感器等设备，研发了一种可在线远程测量硝酸铵水溶液析晶点的装置，以期为民用爆炸物品生产企业与硝酸铵水溶液生产企业实现析晶点安全准确在线测定提供参考。王枚等：硝酸铵水溶液析晶点在线无人化测量方法的研究测量装置设计析晶点测量装置主要由耐高温玻璃样品池、活塞气缸、磁力搅拌装置、高精度防爆摄像头、高精度温度传感器、电磁蝶阀、蒸汽电磁阀以及补光光源构成。样品池与阀体、罐体通过耐腐蚀金属管道进行连接，主要结构如图1所示，测量装置主要部件选型见表1。耐高温玻璃样品池磁力搅拌装置(a)(b)图1测量装置结构Fig.1 Structure ofmeasuringdevice表1析晶点测量装置主要部件选型Tab.1Selection of main components of crystallization point序号主要部件名称1活塞气缸高精度温度2苏州合泉仪表科技有限公司传感器高精度防爆杭州海康威视数字技术3摄像头磁力搅拌4装置5蒸汽电磁阀上海梁工泵阀集团有限公司6电磁蝶阀2测量过程将待测液体储存于容量为2 5m的蒸汽加热储罐中，通过电磁蝶阀控制样品池与储罐的连接。开始测试硝酸铵水溶液析晶点时，活塞气缸向上运动，在耐2023年第4期1活塞气缸排气孔与高精度温度传感器储罐更电磁蝶阀蒸汽电磁阀measuringdevice厂家SMC（中国）有限公司股份有限公司上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司上海梁工泵阀集团有限公司型号MDBF50-150Z-M9BLMT-801DS-2XE6222F-ISMYP16-4US/2L-20FD943H/W-16P2023年0 8 月高温玻璃样品池中形成负压，同时电磁蝶阀打开，将硝酸铵水溶液由储罐中吸入样品池，样品池注满后电磁蝶阀关闭，测试进入降温测量阶段。样品池内的硝酸铵水溶液随着磁力搅拌装置的搅拌逐渐冷却，澄清透明的液体中逐渐出现结晶直至彻底浑浊，在补光灯的倾斜照射下，高精度防爆摄像头实时记录液体结晶过程，通过接人现有视频监控系统实现远程观测；高精度温度传感器实时记录液体温度变化，通过接入现有控制系统实现远程测量，当作业人员观察到视频监控系统中待测试样内出现硝酸铵结晶时，记录当前温度即硝酸铵水溶液的析晶点，测试进入吹扫清洗阶段。电磁蝶阀打开，同时活塞气缸向下运动，将样品池中的结晶溶液注人储罐；蒸汽电磁阀打开，对管道残余结晶进行加热与吹扫，吹扫结束后蒸汽电磁阀关闭，装置回到测试前状态等待。通过对比分析不同硝酸铵水溶液品种、不同操作人员人工手摇测定析晶点温度与在线装置测量所得析晶点温度，评估该析晶点在线测量装置的准确性与稳定性。3测量结果与分析高精度防爆摄像头拍摄测量装置中硝酸铵水溶液结晶过程的视频监控系统画面如图2 所示。由图2 可知，随着硝酸铵水溶液温度的降低，液体中由于逐渐出现硝酸铵晶体而逐渐浑浊，装置补光穿透能力逐渐减弱。图2（a）中测量装置水溶液实时温度为7 2.5，此时溶液澄澈透明，除少量杂质外无硝酸铵晶体出现，在补光条件下具有较好的能见度；图2（b）中水溶液实时温度为7 0.1，此时溶液中出现雾装硝酸铵结晶，但存在时间短暂，雾状结晶随搅拌流动瞬间溶解，不能判定该温度为硝酸铵析晶点；图2（c）中水溶液实时温度为6 9.3，此时能够清晰观察到水溶液中出现条柱状硝酸铵结晶，且不随搅拌流动溶解，能够长时间稳定存在，判定此时达到硝酸铵水溶液的析晶点；图2（d）与图2（e）中水溶液火工品实时温度分别为6 8.2 与6 7.1，随着体系温度的进一步下降，此时溶液中条柱状硝酸铵结晶由上至下（样品池上部金属活塞处导热效率更高、温度下降速率更快）成长为结晶云，容器壁面上同步开始产生结晶，溶液浑浊，透光性明显变差，判定此时温度已经低于水溶液析晶点。572023154809725C(a）溶液澄清状态-120231508109.3C(c）稳定柱状析晶状态(e）完全析晶状态图2 监控系统远程观测Fig.2Remote observation by monitoring system将样品池中的溶液放出并使用蒸汽将容器吹扫后，再次加热硝酸铵水溶液并采用人工手摇测定该样品硝酸铵水溶液析晶点，测试结果温度为6 9.2，与使用该装置进行远程在线测定结果误差仅为0.1。为了进一步验证上述装置在不同析晶点硝酸铵水溶液中测试结果的准确性与稳定性，重复测试操作，对3种同一批次的硝酸铵水溶液析晶点分别进行10 次在线无人化装置测量与人工手摇测量，测量结果见表2与图3。由表2 可知，采用该装置对硝酸铵水溶液析晶点进行测量的结果与人工手摇锥形瓶操作测量结果误差较小，最大极差温度为1.1，平均极差温度为0.43，在一定范围内符合工业生产中对硝酸铵水溶液析晶点测量标准的要求，能够达到实际生产对原材料质量检测及产品质量控制的目的。736-12023.15:49:48701C(b）不稳定析晶状态6-1-2023158518278.2C(d）大面积析晶状态6-1-202315：52 156 7 1C74由图3得知，相较于传统人工手摇锥形瓶测定结果，采用该设备进行在线无人检测的温度结果存在偏高趋势。分析认为出现该现象是由于人工取样的试样体积较小（50 10 0 mL），溶液在锥形瓶内的震荡降温速率更快，溶液从出现结晶到完全析晶的时间较短，操作人员视线从锥形瓶转移至温度计读数期间，溶液体系温度进一步下降所导致。此外，不同作业人员操作熟练度、读数习惯有所不同，导致温度差值随机波动。表2 3种硝酸铵水溶液析晶点测量结果Tab.2 Measurement results of crystallization point of three kindsof ammonium nitrate aqueous solutions硝酸铵水析晶点质在线无人装置人工手摇测定极差溶液品种量标准露天混装乳化炸药用硝(703)酸铵水溶液胶装乳化炸药用硝酸铵(902)水溶液粉状乳化炸药用硝酸铵（12 0 2)水溶液122120F11&9088706866123445.678910测量次数/次图33种硝酸铵水溶液析晶点测量结果Fig.3 Measurement results of crystallization point of three kindsof ammonium nitrate aqueous solutions王枚等：硝酸铵水溶液析晶点在线无人化测量方法的研究测定结果/结果/69.369.269.569.069.368.970.670.569.469.670.270.069.669.269.369.569.569.670.269.591.591.291.391.090.990.591.290.589.789.091.091.090.590.190.890.391.091.191.190.5121.6121.0120.4119.8120.8120.5120.8121.0121.3121.0120.5120.2120.8121.5120.1119.3121.1120.0120.6120.0粉状乳化炸药用硝酸铵水溶液胶装乳化炸药用硝酸铵水溶液露天混装乳化炸药用硝酸铵水溶液一在线无人装置测定一人工手摇测定2023 年第 4 期设计的在线检测装置单次取样量为1 2 L，更大的试样体积降低了系统降温速率，同时，远程视频监控系统界面集成了高精度温度传感器回传的温度数据，因此检测人员只需在生产线自控室监控系统中观察结晶监控画面，识别到无法溶解的条柱状晶体云时，按下测定按键或对监控画面截屏即可准确读取析晶温度，该温度更加接近于硝酸铵水溶液的实际析晶温度，因此，该在线检测装置测量的温度相较于传统人工手摇操作测定结果略高，准确度也更高。为了直观分析析晶点装置测量与人工测量的稳定程度，采用平均离差平方和来描述二者单次测量的/偏移程度，公式如下：0.10.50.40.10.20.20.40.20.10.70.30.30.40.70.700.40.50.10.60.60.60.30.80.30.30.70.81.10.6a*-Z(X-)N式（1）中：为总体方差；X为变量；为总体均值；N为总体例数。对于本次试验，应用样本统计量来代替总体参数，校正后的样本方差计算公式为：Z(X-X)n-1式（2）中：S为样本方差；X为变量；x为样本均值；n为样本例数。运用式（2）计算30 次在线无人化装置测量与人工手摇测量析晶点温度结果，得到本次试验的统计数据，见表3。表3测量结果方差分析Tab.3Analysis of variance of measurement results硝酸铵水溶液品种露天混装乳化炸药用硝酸铵水溶液胶装乳化炸药用硝酸铵水溶液粉状乳化炸药用硝酸铵水溶液由表3可知，采用该装置对硝酸铵水溶液析晶点进行多次测量结果的样本均值与人工手摇锥形瓶测量的样本均值偏差较小，平均值极差温度分别为0.19，0.46，0.32，说明在一定温度范围内二者测量结果误差较小；装置自动在线测量析晶点温度的样本方差小于人工手摇锥形瓶测量的样本方差，说明采用装置测量3种硝酸铵水溶液析晶点的离散程度更小，测量结果波动性更小、稳定性更高。由表3可知，随着硝酸铵水溶液品种要求温度由(1)(2)测量方式XS2装置测量69.69人工测量69.50装置测量90.90人工测量90.44装置测量120.981.96人工测量120.664.361.742.062.243.862023年0 8 月（7 0 3）提升至（12 0 2），人工手摇测定析晶点温度的方差由2.0 6 升高至4.36，测量结果离散程度增大、波动性增大，分析认为，温度更高的硝酸铵水溶液在室温环境中的降温速率更快，导致硝酸铵水溶液样品由开始稳定析晶到完全析晶的时间缩短，受操作人员测试手法、读数习惯与温度计高温误差等多重因素影响，析晶点测试结果的离散程度提高，误差增大，置信度降低。相较人工测量，采用设计的测量装置进行在线无人测量所得试验数据方差稳定，析晶点测试结果的离散程度不随样品温度变化而存在较大变化，准确度更高，置信度更高。综上所述，使用该测量装置对水相溶液进行在线无人化析晶点检测是准确的，具备一定的应用价值与推广可行性。4结论与展望本研究通过设计制作一种在线无人化测量硝酸铵水溶液析晶点的装置，实现了硝酸铵水溶液析晶点的在线远程测定。通过对接视频监控系统观察水溶液析晶过程，并对比分析使用该装置测量析晶点与传统人工手摇测量析晶点的测试结果，得出以下结论：（1）相较于传统人工手摇方法，该装置测量硝酸铵水溶液析晶点的取样量更大、析晶过程的识别更准确、温度数据获取更直接，该装置测量所得硝酸铵水溶液析晶点平均温度极差能够控制在0.5以内，随着测试样品温度的升高，测量结果波动性小、方差保持稳定、置信度更高；（2）该装置能够有效减少从业者高温烫伤与腐蚀的安全隐患，初步实现了“人机隔离、机器换人、黑灯工厂”的安全生产模式；（3）该装置在确保测量精度与准确性的同时控制成本，能够满足实际工业生产需求，具备一定的应火工品用价值与推广可行性。本文设计制作的硝酸铵水溶液在线无人化检测装置系统，还存在集成度与智能化技术不够成熟的问题，未来可通过改变补光色温、颜色与亮度等因素，提高摄像头准确捕捉溶液析晶能力，关注并研发能够实现高效自动捕捉与智能识别溶液析晶的算法系统，自动获取析晶点温度，在达到“人机隔离、机器换人、黑灯工厂”的基础要求上进一步提高工业炸药生产线自动化与智能化水平，加速民用爆炸物品生产企业由高速发展向高质量发展的重大转变。参考文献：1 汪旭光.乳化炸药M.北京：冶金工业出版社,2 0 0 8.2 张东杰。乳化炸药用液体硝酸铵技术指标在线检测系统.火工品,2 0 18 (4):45-48.3 往徐尊，吴红波，缪志军，等.析晶点对乳化炸药稳定性的影响研究 广东化工,2 0 15,42(8):6 6,6 0.4黄黄文忠，陈江涛。水相析晶点对乳化炸药稳定性的影响.江西煤炭科技,2 0 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