KR101158890B1 - 암모늄 나이트레이트 결정, 암모늄 나이트레이트 발파제 및그 제조방법 - Google Patents

Abstract

암모늄 나이트레이트 성분 및 유기 탄소질 연료 성분을 포함하는 발파제가 제공된다. 상기 암모늄 나이트레이트 성분은 약 1 내지 약 500 미크론의 입자 크기를 갖는 암모늄 나이트레이트 결정을 포함하고, 또한 하나 이상의 결정 습성 조절제를 더 포함한다.

Description

암모늄 나이트레이트 결정, 암모늄 나이트레이트 발파제 및 그 제조방법{Ammonium nitrate crystals, ammonium nitrate blasting agent and method of production}

본 발명은 일반적으로 폭발물 및 발파제에 관한 것으로서, 특히 암모늄 나이트레이트 결정, 암모늄 나이트레이트 발파제 및 그 제조방법에 관한 것이다.

폭발물 또는 발파제, 특히 암모늄 나이트레이트 폭발물은 다양한 산업적 용도에 사용되어서, 그 범위가 채광으로부터 광물 탐사, 토목 공학적 용도에까지 이른다. 현재, 암모늄 나이트레이트에 기초하는 산업용 폭발물은 3가지의 주요 유형으로 나뉜다. 이러한 3가지 유형은 ANFO (폭발물 등급 암모늄 나이트레이트 프릴 및 연료유 (explosives grade ammonium nitrate prills and fuel oil)), 워터겔 (watergel) (슬러리 폭발물) 및 암모늄 나이트레이트계 에멀젼이다. 폭발물의 각 유형은 각각 특유의 장단점을 갖는다.

ANFO는 폭발의 속도가 느리고, 낮은 내수성 (water resistance)을 갖는 저렴한 폭발물이다. 또한 ANFO는 약 0.85g/cc의 상대적으로 낮은 밀도를 갖기 때문에, 상대적으로 낮은 벌크 강도 (bulk strength)를 갖는다. 폭발물 등급 암모늄 나이트레이트 프릴의 제조는 통상적으로 대략 -8 내지 +30의 Tyler 스크린 크기의 입자 를 형성하는 거대한 프릴링 타워 (prilling towers)에서 수행된다. 프릴은 케이크를 형성하거나 (caking), 프릴 간에 서로 부착하는 속성을 갖기 때문에, 프릴은 형성된 후 통상적으로 건조되고 케이킹-방지제로 코팅되어서 자유 유동 (free flowing) 제품이 제조되도록 한다.

워터겔은 다양한 폭발물 예감제 (sensitizer)를 포함하거나 포함하지 않는 수성 암모늄 나이트레이트 용액으로부터 제조된다. 워터겔은 다양한 밀도를 갖도록 제조될 수 있고, 넓은 범위의 벌크 강도를 가질 수 있다. 상대적으로 우수한 내수성을 나타내는 고속 및 저속 (high and low velocity) 제품 모두 제조될 수 있다. 워터겔은 그 제조 비용이 높아서, 상대적으로 ANFO보다 더 고가인 단점이 있다.

암모늄 나이트레이트계 폭발물의 세 번째 주요 부류인 에멀젼도, 역시 글래스 버블 (glass bubble) 또는 미소구체 (microsphere)로 예감되고, 또한 ANFO 또는 암모늄 나이트레이트 프릴을 함유하는 암모늄 나이트레이트 수용액으로부터 제조된다. 에멀젼은 다양한 밀도와 다양한 범위의 벌크 강도를 갖도록 제조될 수 있다. 에멀젼은 높거나 낮은 폭발 속도 (detonation velocity)를 가질 수 있고, 뛰어난 내수성을 갖는다. 워터겔의 경우에서와 같이, 에멀젼도 제조 비용이 높아서, ANFO 제품보다 상당히 고가이다.

따라서, ANFO와 관련된 결함을 전혀 또는 대체로 갖지 않으면서도, 동시에 워터겔 및 에멀젼과 관련된 일부 잇점을 갖는 저렴한 암모늄 나이트레이트계 폭발물 또는 발파제가 여전히 요구된다. 또한, 그러한 발파제를 제조하기 위해 용이하 게 수송되어 사용될 수 있는 암모늄 나이트레이트 결정 제품이 요구된다.

따라서 본 발명은 다양한 개개의 구체적인 용도 또는 요구에 부응할 수 있는 밀도를 갖도록 제조될 수 있는 안정화된 암모늄 나이트레이트 결정 및 ANFO 발파제를 제공한다. 본 발명의 발파제는 일반적으로 통상적인 ANFO의 폭발 속도 이상을 나타내고, 다양한 기폭성 (sensitivity)을 갖도록 제조될 수 있다. 본 발명의 제품은 또한 표준 ANFO에 비하여 상대적으로 우수한 내수성을 가진다는 것을 보여주었다. 안전하면서도 또한 요구되는 발파제 제조 비용이 절감되는 방법에 의하여 제조가 이루어졌다.

따라서, 본 발명의 일 태양에서, 본 발명은 암모늄 나이트레이트 성분 및 유기 탄소질 연료 성분을 포함하는 발파제를 제공하는데, 상기 암모늄 나이트레이트 성분은 약 1 내지 약 500 미크론 입자 크기를 갖는 암모늄 나이트레이트 결정을 포함하고, 또한 하나 이상의 결정 습성 조절제 (crystal habit modifier)를 더 포함한다.

본 발명의 다른 태양에서, 본 발명은 75 내지 98 중량%의 암모늄 나이트레이트 성분 및 2 내지 8 중량%의 유기 탄소질 연료 성분을 포함하는 발파제를 제공하고, 상기 암모늄 나이트레이트 성분은 약 1 내지 약 500 미크론 입자 크기를 갖는 암모늄 나이트레이트 결정을 포함하고, 또한 상기 발파제의 0.001 내지 2 중량% 농도로서 하나 이상의 결정 습성 조절제를 포함한다.

본 발명의 또 다른 태양에서, 본 발명은 암모늄 나이트레이트 수용액을 발파제의 0.001 내지 2.0 중량%의 농도를 갖는 하나 이상의 결정 습성 조절제와 함께 혼합하여 암모늄 나이트레이트 성분을 형성하는 단계; 상기 암모늄 나이트레이트 성분으로써 약 1 내지 약 500 미크론의 입자 크기를 갖는 암모늄 나이트레이트 결정을 형성하는 단계; 및 상기 발파제의 약 2 내지 8 중량% 농도를 갖는 유기 탄소질 연료 성분을 상기 암모늄 나이트레이트 결정과 혼합하는 단계를 포함하는 암모늄 나이트레이트 발파제의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 태양에서, 본 발명은 하나 이상의 결정 습성 조절제를 암모늄 나이트레이트 수용액과 함께 혼합하는 단계; 하나 이상의 결정 습성 조절제 및 암모늄 나이트레이트 용액의 상기 혼합물로써 하나 이상의 결정 습성 조절제 및 암모늄 나이트레이트 용액의 상기 혼합물을 미립자화 (atomization)하여, 약 1 내지 약 500 미크론 입자 크기를 갖는 암모늄 나이트레이트 결정을 형성하는 단계를 포함하는 암모늄 나이트레이트 결정의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 태양에서, 본 발명은 전술한 방법에 의하여 형성된 암모늄 나이트레이트 결정 및 상기 암모늄 나이트레이트 결정과 유기 탄소질 연료를 혼합하여 형성되는 발파제를 제공한다.

본 발명은 또 다른 태양 및 잇점들은 첨부되는 도면과 함께 이하 설명으로 명백하게 될 것이다.

본 발명을 더욱 잘 이해하고, 어떻게 실시될 수 있는지 명확하게 보여주기 위해서, 그 예시로서 본 발명의 바람직한 구현예를 나타내는 첨부된 도면이 참조될 것이다:

도 1은 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 암모늄 나이트레이트 발파제 제조 방법의 개략적인 공정 흐름도이다;

도 2는 본 발명의 바람직한 일 구현예에서 사용되는 공기 미립자화 노즐의 확대된 개요도이다;

도 3은 본 발명의 바람직한 일 구현예에서 사용되는 라발-타입 (laval-type) 노즐의 확대된 개요도이다;

도 4는 본 발명의 바람직한 일 구현예에서 사용되는 암모늄 나이트레이트 발파제용 장약 직경 (charge diameter)에 대한 폭발 속도를 1.25 g/cc의 밀도에서 표준 ANFO에 비교하여 도시한 그래프이다;

도 5는 본 발명에 따라서 설계될 수 있는 다양한 발파제 조성물의 예를 나타내는 표이다.

본 발명은 수많은 상이한 태양으로 구현될 수 있다. 그러나, 이하 명세서 및 도면은 본 발명의 특정 태양만을 설명하고 개시하며, 이하 청구의 범위에서 정의된 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것은 아니다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 암모늄 나이트레이트 발파제의 일반적인 제조 방법은 도 1에서 개략적으로 도시된다. 상기 방법은 기본적으로 3단계로 이루어져 있는바, 즉, 암모늄 나이트레이트 수용액 및 하나 이상의 결정 습성 조절제를 혼합하는 단계, 세립 (fine-grained) 암모늄 나이트레이트 결정의 형성 단계 및 암모늄 나이트레이트 결정을 다양한 기타 첨가제를 첨가하거나 첨가하지 않고 유기 탄소질 연료와 혼합하여 암모늄 나이트레이트 발파제를 형성하는 단계이다. 이하, 이러한 각각의 기본적 단계를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1을 참고하면, 암모늄 나이트레이트 수용액은 산업용 등급 (화학적으로 순수한) 암모늄 나이트레이트 및 물을 탱크 또는 용기 (1)에 넣음으로써 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 구현예에서, 암모늄 나이트레이트 및 물이 예비 혼합된 용액을 구입하거나 또는 기타 경로로 얻어서, 이를 탱크 (1)에 넣을 수 있다. 본 명세서에서 암모늄 나이트레이트 또는 산업용 등급 암모늄 나이트레이트가 언급되는 경우, 상기 제품은 상대적으로 순수하고, 다른 형태의 암모늄 나이트레이트에 존재할 수 있는 (진흙 및 철을 포함하는) 불순물이 대체로 없는 것을 의도한다는 것이 주목되어야 한다. 통상적으로, 탱크 (1)은 임펠러 (impeller) 또는 혼합 수단 (2)을 포함하여 탱크 내용물의 충분한 혼합이 이루어질 수 있게 한다. 도 1의 경우, 모터 또는 구동 메카니즘 (3)에 의해서, 탱크 부피뿐만 아니라 탱크 내부 및 외부로의 흐름도 함께 고려된 원하는 속력으로 임펠러 (2)를 회전한다. 물론, 다양한 다른 혼합 또는 교반 수단이 임펠러 (2) 대신 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

바람직하게는, 암모늄 나이트레이트 용액을 형성하고, 약 85 내지 약 100℃의 온도에서 유지한다 (또는 구입하거나 입수하고, 이후 가열 및/또는 유지한다). 그러한 온도를 얻기 위해, 본 발명의 일 구현예에서는, 탱크에 첨가된 물을 예열하고 및/또는 증기를 탱크로 주입한다. 일단, 물 및 산업용 등급 암모늄 나이트레이트 (또는 예비-혼합된 용액)이 탱크에 첨가되면, 통상적으로 스팀 재킷 (steam jacket)을 사용하여 대략 85 내지 100℃의 온도에서 탱크를 유지할 수 있다. 원하는 온도에서 탱크의 내용물의 온도를 유지하기 위해서, 대안으로, 통상적으로 사용되는 다양한 다른 방법 및 가열 장치 (직접 또는 간접 가열 메카니즘) 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 또한, (가열되거나 고온일 수 있는) 압축 공기를 탱크로 주입하여 암모늄 나이트레이트 용액이 결정화 단계로 이동하게 하는 원동력을 제공할 수 있는데, 이하 더욱 상세하게 설명된다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 결정 습성 조절제(들)를 탱크 (1)에 첨가하여 하나 이상의 결정 습성 조절제를 암모늄 나이트레이트 용액와 혼합하고, 임펠러 또는 혼합 수단 (2)로 결정 습성 조절제가 용액에 잘 분산되도록 한다. 본 발명의 일 구현예에서, 바람직한 결정 습성 조절제(들)는 상업적으로 입수 가능한 도데실아민 (C₁₂H₂₅NH₂) 또는 옥타데실아민 (C₁₈H₃₇NH₂)과 같은 1차 아민, 또는 이와 같이 상업적으로 입수 가능하거나 혹은 다른 일반적으로 유사한 제품을 포함하는 혼합물이다. 이와 관련하여 사용될 수 있는 상업적으로 입수 가능한 제품의 예에는 Akzo Nobel™에서 제조한 Armeen 12D™ 및 Armeen 18D™를 포함한다. 그러나, 당업자라면, 본 발명의 균등 범위 내에서 2차 및 3차 아민을 포함한 다른 아민이 동등하게 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 아민이 사용되는 경우, 바람직하게는 약 C₁₀ 내지 C₂₂ 범위의 지방산 아민이다.

또한, 당업자라면 암모늄 나이트레이트 용액 내의 암모늄 나이트레이트 및 결정 습성 조절제의 상대적인 함량이 비교적 넓은 범위 내에서 변할 수 있다는 것 을 이해할 것이다. 사용된 특정 결정 습성 조절제, 발파제를 제조하기 위해 나중에 첨가되는 탄소질 연료의 함량, 암모늄 나이트레이트 용액 및 이어서 제조되는 발파제 내에 존재하는 물의 함량, 암모늄 나이트레이트 용액 및/또는 이어서 제조되는 발파제 내의 첨가제 존재 여부 및 원하는 산소 평형 (oxygen balance)과 같은 요소들이 결정 습성 조절제에 대한 암모늄 나이트레이트의 비율에 영향을 줄 것이다. 그러나, 본 발명자들은, 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면 암모늄 나이트레이트 용액은 약 70 내지 90 중량%의 암모늄 나이트레이트를, 이어서 제조되는 발파제의 약 0.001 내지 약 2 중량%가 되도록 하는 농도로서 상기 용액에 첨가된 결정 습성 조절제와 함께 포함할 수 있다는 것을 알아내었다.

암모늄 나이트레이트 용액 및 결정 습성 조절제 (통칭하여, 암모늄 나이트레이트 액체 (ammonium nitrate liquor))를 탱크 (1)에서 함께 완전히 혼합한 후에 상기 혼합물이 결정화 단계로 이동되는데, 상기 결정화 단계에서 노즐 (17)을 통해 상기 혼합물을 주입하여 암모늄 나이트레이트 결정이 형성된다. 도 2 및 3은 결정화 단계에서 사용될 수 있는 두 가지 형태의 노즐의 예를 나타낸다.

도 2에서, 가열된 암모늄 나이트레이트 용액 또는 액체 (결정 습성 조절제를 포함함)는 미립자화 노즐 (atomization nozzle) (5) 내의 중심 포트 (centralized port) (4)를 통해 주입된다. 동시에, 압축 공기를 측면으로 인접한 포트 (6 및 7)을 통해서 주입하여, 암모늄 나이트레이트 액체의 용액을 2차 공기 흐름 (secondary air flow)과 함께 난류 혼합 (turbulent mixing)이 이루어지도록 한다. 상기 용액이 냉각됨에 따라, 결정성 암모늄 나이트레이트의 매우 미세한 알갱이가 형성된다. 탱크 (1)의 경우에서와 마찬가지로, 상기 노즐은 바람직하게는 약 85 내지 100℃의 온도에서 유지된다. 상기 노즐을 원하는 온도 범위에서 유지하기 위해서 직접 및 간접 가열 수단을 포함하는 다양한 형태의 가열 장치 및 방법이 사용될 수 있다. 도 2에서 도시된 예에서, 노즐 (5)는 요구되는 열을 전달하는 환상형 스팀 재킷(circumferential steam jacket) (8)을 구비하고 있다. 결정화된 암모늄 나이트레이트 제품의 순도를 보장하기 위해서, 노즐을 통하여 주입되는 압축 공기는 바람직하게는 환경적으로 통제되어서, 먼지 및 기타 입자 물질이 여과 제거된다. 2차 공기 또한 약 20 내지 약 50℃의 원하는 온도 범위 내로 유지되고, 2차 공기 흐름의 수분 함량은 바람직하게는 소정의 범위 내로 유지된다.

결정화 단계에서 사용될 수 있는 노즐의 대안적인 형태는 도 3에서 도시된다. 여기에서, 가열된 암모늄 나이트레이트 액체 (역시 결정 습성 조절제 포함)가 가압 공기 (pressurized air)인 환경적으로 조절된 공급원 존재 하에서, 압축 고속 수렴-발산 라발-형 노즐 (high velocity convergent-divergent laval-type nozzle) (9)을 통해 주입된다. 도 2에서 도시된 노즐의 경우에서와 같이, 가압 공기는 바람직하게는 입자 물질이 과량으로 존재하지 않고, 약 20 내지 약 50℃의 온도 범위 내 및 소정의 습도 범위 내로 유지된다. 도 3에서 나타나듯이, 압축 공기는 노즐 (9)를 통과하여, 감소된 단면적을 갖으며 여러 방면에서 초크 (choke)와 같이 작용하는 수렴 영역 (convergent zone) (10)으로 들어간다. 압축 공기는 수렴 영역 (10)을 통과한 후에, 즉시 발산 영역 (divergent zone) (11)으로 들어가는데, 여기에서 암모늄 나이트레이트 액체는 공기 흐름에 대하여 대략 90도 각도로 주입된다. 압축 공기가 고속으로 발산 영역을 통과하는 동안, 노즐로 주입되는 암모늄 나이트레이트 액체는 고속 공기와 함께 난류 혼합을 겪게 된다는 것이 이해될 것이다. 작동 중, 상기 형태의 노즐은 그 혼합 영역 내에서 종종 초음속 공기 속도를 형성하여, 이로써 매우 고도의 난류 혼합을 제공하고, 큰 부피 처리량 (throughput)이 가능하다. 다시 한번, 도 2에서 도시된 미립자화 노즐의 경우에서와 마찬가지로, 노즐 (9)를 약 85 내지 약 100℃의 원하는 온도 범위에서 유지하기 위해, 노즐을 직접적으로 또는 간접적으로 가열하는 것이 필요할 수 있다. 도 3에서 도시된 구현예에서, 노즐은 스팀 재킷 (steam jacket) (12)를 사용하여 가열한다.

도 2에 도시된 노즐, 도 3에 도시된 노즐 또는 다른 어떠한 기계적 동등 구조물이 사용되는지에 관계없이, 암모늄 나이트레이트 액체를 압축 공기 스트림과 난류 혼합하는 것은 매우 미세한 암모늄 나이트레이트 결정화를 유발하여, 약 1 내지 약 500 미크론 입자 크기 분포를 갖는 결정이 형성된다. 이는 1400 내지 1800 미크론 범위의 입자 크기를 갖는 통상의 폭발물 등급 프릴과는 대조가 될 수 있다. 사용될 특정 노즐의 선택은 생산 속도에 크게 의존하는데, 낮은 생산 속도에서는 공기 미립자화 노즐 (도 2)이 사용된다.

결정화 단계 동안 세립 (fine grained) 암모늄 나이트레이트 결정 및 2차 공기가 노즐로부터 외부를 향하여 이동하면서, 이들은 통상적으로 싸이클론 (13)으로 보내지고, 여기에서 암모늄 나이트레이트 결정이 수집되고, 2차 공기 스트림은 통상적인 웨트 스크러버 (wet scrubber) (14)에 보내져서 배출되기 전에 싸이클론으로부터 이동된 암모늄 나이트레이트 분말을 제거한다

전술한 방법에 따라서 형성된 세립 암모늄 나이트레이트 결정은 폭발물 제조에 사용하기에 특히 적당한 품질을 갖는다는 것을 알아내었다. 그러나, 이러한 결정은 또한 농업 및 세탁 산업의 용도를 포함하는 비-폭발성 용도에 또한 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

결정화된 암모늄 나이트레이트를 발파제로 전환시키기 위해, 암모늄 나이트레이트 결정을 유기 탄소질 연료와 혼합한다. 암모늄 나이트레이트 결정에 첨가된 유기 탄소질 연료는 바람직하게는 No. 2 디젤 연료와 같은 연료유이지만, 다른 탄소질 연료 또한 사용될 수 있다. 그러한 다른 연료는 연료유, 히팅 오일 (벙커 C), 제트 연료, 등유, 광물유, (옥수수유, 해바라기유 또는 대두유와 같은) 식물성 오일, (라우르산 및 스테아르산과 같은) 포화 지방산, 또는 (세틸 (cetyl) 알콜 및 글리콜과 같은) 알콜을 포함한다. 반고체 (semi-solid) 연료가 또한 사용될 수 있는데, 이는 (파라핀 왁스, 석랍 (petroleum wax) 또는 마이크로크리스탈린 왁스 (microcrystalline wax)와 같은) 왁스를 포함한다. 또한, 반고체 연료는 액체 연료와 혼합하여 사용될 수 있고, Paratac™ 및 폴리이소부틸렌과 같은 점착부여제 (tackifier)를 포함할 수 있다. 또한, 일부 경우에 있어서는, 발파제 내의 원하는 산소 평형을 얻기 위하여 결정 습성 조절제가 충분한 함량으로 존재할 경우 탄소질 연료 자체의 사용에 대한 필요성이 없어지게 될 수 있다는 것을 당업자라면 이해할 것이다.

암모늄 나이트레이트 결정에 유기 탄소질 연료를 첨가하는 경우, 본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 연료는 바람직하게는 전체 폭발물 조성물의 약 2 내 지 약 8 중량%의 함량으로 (암모늄 나이트레이트는 발파제의 약 75 내지 약 98%의 함량임), 더욱 바람직하게는 발파제의 약 4 내지 약 6 중량%로 첨가되며, 이때, 무기 산화제염 (암모늄 나이트레이트) 대 유기 탄소질 연료의 바람직한 비율은 일반적으로 약 94:6이다. 이러한 일반적인 범위 내의 비율은 폭발물 조성물 또는 발파제가 산소 평형을 얻을 수 있도록 충분한 유기 탄소질 연료를 포함하도록 보장하는 것을 돕는다. 산소 평형은, 바람직하게는 -10% 이상이고, 더욱 바람직하게는 약 -5 내지 +5%의 범위이다. 암모늄 나이트레이트 및 연료의 다른 비율들이 본 발명의 균등 범위 내에서 동등하게 사용될 수 있다는 것은 당연히 이해될 것이다. 또한, 결정 습성 조절제의 함량을 변화시키는 것과 물 및/또는 다른 첨가제를 첨가하는 것은, 많은 경우에 있어서, 산소 평형 및 폭발 속도를 원하는 범위 내에서 유지하면서 사용될 수 있는 암모늄 나이트레이트 및 연료의 함량에 영향을 줄 것이라는 것을 주목해야 한다.

다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에서, 연료는 기계적 혼합 공정 수단에 의해 암모늄 나이트레이트로 첨가된다. 기계적 혼합의 특정한 형태는 다양할 수 있지만, 대부분의 경우에 있어서, 혼합은 모터 (16)에 의해 구동되는 리본 또는 드럼 블렌더 (15)를 사용하여 이루어질 것이다. 또한, 도 1에서 나타난 바와 같이, 하나 이상의 첨가제가 기계적 혼합 단계 동안에 발파제와 혼합될 수 있다. 그러한 첨가제는 물, 겔화제 (gelling agent), 가교제 및/또는 (전술한 바와 같이) 유기 탄소질 연료를 포함할 수 있다. 첨가되는 첨가제가 겔화제인 경우, 바람직하게는 암모늄 나이트레이트 결정을 기준으로 하여 약 0.1 내지 10 중량%의 농도로 첨가된다. 겔화제는 통상적으로 물의 존재 하에서 팽창하거나 수화시키는, 구아 검 (guar gum)과 같은 친수성 콜로이드이다. 히드록시에틸 또는 히드록시프로필 구아 또는 자가-착화 (selfcomplexing) 구아 검 (이는 예비-혼합된 가교제를 포함한다)과 같은 구아 검의 유도체가 또한 사용될 수 있다. 폴리아크릴아미드, 카르복시 메틸 셀룰로스, 카르복시 에틸 셀룰로스 및 생체고분자 (예를 들어 잔탄 검 (Xanthan gum))과 같은 증점제 (thickener) 또는 겔화제의 다른 형태가 또한 사용될 수 있다.

겔화제 뿐만 아니라, 기계적 혼합 단계에서 암모늄 나이트레이트 결정과 혼합되는 첨가제는 바람직하게는 발파제의 약 0.001 내지 1.0 중량% 농도의 가교제를 포함할 수 있다. 본 발명에 있어서, 바람직한 가교제는 포타슘 파이로안티모네이트 (potassium pyroantimonate)이다. 포타슘 파이로안티모네이트는 고체 형태일 수 있고, 암모늄 나이트레이트 결정에 직접 첨가될 수 있지만, 에틸렌글리콜과 같은 친수성 매체 내에 분산되어 15부의 포타슘 파이로안티모네이트, 45부의 에틸렌글리콜 및 40부의 물로 이루어진 용액 형태인 것이 바람직하다. 이 용액은 물 또는 에틸렌글리콜로써 더욱 희석되어 특정 공정 조건에 맞추어질 수 있다. 겔화제의 폴리머 사슬 가교는 조절된 pH 조건 하에서 안티모니, 보론, 크롬 또는 철과 같은 2가 또는 다가 금속 이온에 의해 이루어질 수 있다. 붕산 (boric acid), 염화 제2철 (ferric chloride), 타르타르산 칼륨 안티몬 (potassium antimony tartrate), 중크롬산나트륨 (sodium dichrorate) 또는 테트라붕산나트륨 (sodium tetraborate)와 같은 가교제의 다른 형태가 사용될 수 있다는 것이 또한 이해되어 야 한다.

기계적 혼합 단계 동안, 암모늄 나이트레이트 결정과 물을 또한 혼합할 수 있다. 물이 첨가되면 발파제의 물 함량은, 바람직하게는 전체 폭발물 조성물의 약 1 중량% 내지 15 중량% 범위이다.

기계적 혼합 단계 이후, 발파제는 곧바로 저장 탱크로 이동되거나, 트럭에 적하되거나, 곧바로 시추공으로, 또는 채광 또는 다른 발파 작업에서의 용도로 수송될 수 있거나, 매우 다양한 기타 저장고 또는 공정 시설 중 하나로 보내질 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에서, 결정화 단계 동안에 암모늄 나이트레이트 성분에 연료가 더 첨가될 수 있다. 예를 들면, 도 3에서 한 쌍의 화살 (18)은 연료가 노즐로 주입되어 암모늄 나이트레이트 결정의 형성 및 그 직후 이들과 연료가 혼합되는 장소를 가리킨다. 노즐을 통한 유속에 따라서, 다수의 연료 주입 포트 (fuel injection port)가 노즐의 원주 주변에 간격을 두고 배치될 수 있다. 노즐 내부에서의 고도의 난류는 암모늄 나이트레이트 결정 전체에 걸쳐서 연료가 균일하게 분산되도록 보장하는 것을 돕고, 폭발물의 발파 특성을 향상시킨다. 그러나, 본 발명의 또 다른 구현예에서, 연료가 노즐을 통하여 주입되고, 또한 리본 블렌더, 드럼 블렌더 또는 유사한 장치로써 기계적으로 혼합하여 암모늄 나이트레이트 결정에 첨가될 수 있다.

예를 들면, 도 5는 본 발명에 따라서 제조될 수 있는 발파제의 특정 조성물의 일부 예를 나타낸다.

상기 방법에 따라서, 표준 ANFO에 비하여 향상된 특성을 갖는 암모늄 나이트레이트 발파제가 제조된다. 예를 들면, 본 발명의 발파제는 10mm 이하로부터 500mm까지 범위의 제한된 장약 직경 (confined charge diameter)에서 3,000 내지 7,000m/s의 폭발 속도를 갖는다는 것을 알 수 있었다. 발파제 폭발 속도를 다양한 제한된 장약 직경 및 1.25 g/cc의 밀도에 대하여 도 4에 도시하였다. 도 4에서는 또한 표준 ANFO에 대한 상관 곡선 (related curve)을 도시하여, 본 발명에 의하여 제조된 경우의 폭발 속도 증가를 증명하였다.

본 발명의 암모늄 나이트레이트 발파제는 또한 다양한 최종 밀도로 형성될 수 있어서 서로 다른 다양한 최종 용도에 맞추어 제조될 수 있다. 또한, 결정 습성 조절제의 농도를 조절하여, 상이한 입자 크기를 갖는 암모늄 나이트레이트 결정을 형성할 수 있어서, 발파제가 뇌관기폭성 (cap sensitive)이거나 부스터 기폭성 (booster sensitive)일 수 있다. 상이한 유기 연료를 사용하여, 발파제는 분말로부터 왁스와 같은 입자 (waxy particulate)까지, 또는 에멀젼에서의 통상적인 굳기 (consistency) 유형까지 변하는 굳기 (consistency)로서 제조될 수 있다. 본 발명의 발파제는 최종 조성물의 약 15 중량%까지의 물과 함께 폭발할 수 있고, 따라서, 표준 ANFO에 대하여 향상된 내수성을 나타낸다는 것을 또한 알 수 있었다.

본 발명을 충분히 이해하면, 본 명세서에 설명된 발파제는 현재 입수 가능한 에멀젼에 유사한 발파 특성 및 뛰어난 내수성을 가진다는 것을 또한 알게 될 것이다. 설명된 제조 방법에 의해 제조된 암모늄 나이트레이트 결정 구조는 크기가 작고, 비면적 (specific area)이 커서, 폭발물 조성물은 향상된 기폭성 (sensitivity) 및 우수한 발파 특성을 갖게 된다. 상기에서 나타낸 바와 같이, 발파제에서 암모늄 나이트레이트 결정 크기는 결정을 제조하는 제조 방법에 의해서 약 1 내지 약 500 미크론의 범위로 변할 수 있다. 그러한 미세한 결정 크기는 발파제가 통상적인 표준 ANFO에 대하여 증가된 밀도를 갖는 발파제 형성을 가능하게 한다. 이러한 독특한 결정 구조는 결정 습성 조절제를 사용하고, 또한 암모늄 나이트레이트 결정 형성이 고도의 난류 환경에서 이루어지게 하는 제조 공정을 도입하여 얻을 수 있다. 결정 습성 조절제는 또한 유기 연료가 암모늄 나이트레이트 결정에 결합하는 것을 도와서, 발파 또는 폭발 특성을 더욱 향상시킨다. 본 발명의 발파제를 형성하는데 사용되는 노즐은 프릴링 타워 (prilling tower)에서 현재 사용되는 스프레이형 (spray-type) 노즐에 비하여 뚜렷하게 차이가 있다. 그러한 노즐은 프릴로부터 1,400 내지 1,800 미크론 범위의 크기를 갖는 프릴을 형성하는 커다란 암모늄 나이트레이트 방울을 형성한다.

본 발명의 방법은 안전성, 저 단가 및 새로이 요구되는 발파제를 제조할 수 있다는 점에 그 잇점이 있다. 현재, ANFO를 형성하는데 요구되는 폭발물 등급 암모늄 나이트레이트 프릴을 생산하는데에 거대하고 고가의 프릴링 타워가 사용되고 있다. 자본 비용 때문에, 프릴링 타워 및 프릴링 제조 설비는 집중화되는 경향이 있고, 그 결과 최종 소비자에게 프릴을 운반하는 것에 관련한 배송 비용이 상당하다. 본 발명에 의한 제조 방법은, 심지어 발파제가 즉각적으로 사용될 수 있는 현장에서 제조될 수 있을 정도로 국지화될 수 있다. 이러한 방법은 집중화된 제조 설비로 인한 고 비용 및 프릴 운송에 관한 제반 비용에 대한 요구를 제거할 뿐 아 니라, 또한 "폭발물" 제품 운송에 관한 재판관할적 문제, 보안 관련 문제 및 다른 어려운 문제들을 제거한다.

전술하여 설명된 것들은 본 발명의 바람직한 구현예들이며, 본 발명의 균등 범위 내에서 상기 구현예들에 변형을 가할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 이러한 변형의 일부는 설명되었고, 그 나머지는 당업자에게 자명하다.

Claims (22)

1. 암모늄 나이트레이트 성분 및 유기 탄소질 연료 성분을 포함하는 발파제로서, 상기 암모늄 나이트레이트 성분은 결정 크기가 1 내지 500 ㎛인 비다공성(non-porous) 암모늄 나이트레이트 결정을 포함하고, 하나 이상의 결정 습성 조절제(crystal habit modifier)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발파제.
2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 결정 습성 조절제가 아민류인 것을 특징으로 하는 발파제.
3. 75 내지 98 중량%의 암모늄 나이트레이트 성분 및 2 내지 8 중량%의 유기 탄소질 연료 성분을 포함하는 발파제로서, 상기 암모늄 나이트레이트 성분은 결정 크기가 1 내지 500 ㎛인 비다공성 암모늄 나이트레이트 결정을 포함하고, 또한 상기 발파제의 0.001 내지 2 중량% 농도로 하나 이상의 결정 습성 조절제를 포함하는 것을 특징으로 하는 발파제.
4. 제3항에 있어서, 상기 발파제의 1 중량% 이하 내지 15 중량%의 농도로 물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발파제.
5. 제3항에 있어서, 상기 하나 이상의 결정 습성 조절제가 아민류인 것을 특징 으로 하는 발파제.
6. 제3항에 있어서, 상기 하나 이상의 결정 습성 조절제가 도데실아민 또는 옥타데실아민인 것을 특징으로 하는 발파제.
7. 암모늄 나이트레이트 발파제의 제조 방법으로서,

   (i) 암모늄 나이트레이트 수용액을 상기 발파제의 0.001 내지 2.0 중량%의 농도를 갖는 하나 이상의 결정 습성 조절제와 함께 혼합하는 단계;

   (ii) 압축 공기의 기류를 이용하여 (i) 단계에서 얻은 혼합물을 난류 혼합함으로써 1 내지 500 ㎛의 입자 크기를 갖는 암모늄 나이트레이트 결정을 형성하는 단계; 및

   (iii) 상기 발파제의 2 내지 8 중량%의 농도를 갖는 유기 탄소질 연료 성분을 상기 암모늄 나이트레이트 결정과 혼합하는 단계를 포함하는 제조 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 암모늄 나이트레이트 결정을 형성하는 단계가 2차 공기 흐름(secondary air flow)의 존재하에서 노즐을 통하여 상기 (i) 단계에서 얻은 혼합물을 주입하여 상기 암모늄 나이트레이트 결정을 형성하는 것에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 2차 공기 흐름의 온도가 20℃ 내지 50℃인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 혼합 단계 동안에 하나 이상의 첨가제를 상기 암모늄 나이트레이트 결정 및 상기 유기 탄소질 연료에 혼합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제7항에 있어서, 상기 암모늄 나이트레이트 수용액을 상기 하나 이상의 결정 습성 조절제와 혼합하기 전에 상기 암모늄 나이트레이트 수용액을 85 내지 100℃의 온도로 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제7항에 있어서, 상기 발파제의 1 중량% 이하 내지 15 중량% 농도로 물이 더 가해지는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제8항에 있어서, 상기 유기 탄소질 연료 성분을 상기 암모늄 나이트레이트 결정과 혼합하는 단계가 상기 유기 탄소질 연료를 상기 (i) 단계에서 얻은 혼합물과 함께 상기 노즐을 통해서 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. (i) 하나 이상의 결정 습성 조절제를 암모늄 나이트레이트 수용액과 함께 혼합하는 단계;

    (ii) 상기 (i) 단계에서 얻은 혼합물을 2차 공기 흐름의 존재 하에서 미립자화 노즐(atomization nozzle)을 통하여 주입함으로써 입자 크기가 1 내지 500 ㎛인 암모늄 나이트레이트 결정을 형성하는 단계를 포함하는 암모늄 나이트레이트 결정의 제조 방법.
15. 삭제
16. 제14항에 있어서, 상기 2차 공기 흐름의 온도가 20℃ 내지 50℃인 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제14항에 있어서, 상기 암모늄 나이트레이트 결정은 하나 이상의 결정 습성 조절제 및 암모늄 나이트레이트 용액의 상기 혼합물을 2차 공기 흐름의 존재하에서 고속 수렴-발산 노즐을 통하여 주입하는 것에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 2차 공기 흐름의 온도가 20℃ 내지 50℃인 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제14항에 있어서, 상기 암모늄 나이트레이트 용액이 70 내지 90 중량%의 암모늄 나이트레이트를 포함하고, 상기 하나 이상의 결정 습성 조절제를 첨가하기 전에 85 내지 100℃의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제14항에 있어서, 상기 하나 이상의 결정 습성 조절제가 아민류인 것을 특징으로 하는 방법.
21. 삭제
22. 삭제

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