книги из ГПНТБ / Лурье А.И. Электрическое взрывание зарядов

И с к р о в ы е Э В имеют воспламенительный состав весьма большого сопротивления (более мегома). Напряжение, необходимое для воспламенения искровых ЭВ, зависит от расстояния между электродами, от формы их концов и от рода воспламенительного состава, запрессованного между электродами. Их обычно подбирают такими, чтобы воспламеняющее напряжение составляло 2000— 3000 В.

Вискровых ЭВ те же недостатки, что и в ЭВ с токопроводящим составом, выражены резче. Кроме того, для воспламенения искровых ЭВ требуются источники тока высокого напряжения.

Внастоящее время для взрывных работ, как правило, применяют ЭД, имеющие ЭВ с мостиками. Поэтому ниже рассматриваются только такие ЭД.

§ 2. ОСНОВЫ Т Е О Р И И Э Л Е К Т Р О В О С П Л А М Е Н И Т Е Л Е Й С МОСТИКАМИ Н А К А Л И В А Н И Я

Воспламенение электровоспламенителей

При прохождении электрического тока через мостик в нем вы­ деляется тепло, расходуемое на нагревание самого мостика и при­ легающего к нему воспламенительного состава. Кроме того, часть тепла уходит вдоль мостика в выводные провода. Как только частицы воспламенительного состава, прилегающие к наиболее накаленной части мостика, нагреются до температуры вспышки и получат не­ обходимое количество тепла, в нпх начнется реакция, которая сопровождается выделением тепла. Последнее способствует дальней­ шему развитою реакции, и она может протекать без поступления тепла извне. Момент, когда в воспламенительном составе возникает саморазвивающаяся реакция (может идти и при отсутствии тока в мостике), считают моментом воспламенения ЭВ.

Через некоторое время после воспламенения ЭВ его воспламе­

с ВВ капсюля-детонатора практически мгновенно вызывает взрыв (срабатывание) последнего. В ЭД с замедлением форс огня от ЭВ зажигает замедляющий состав, после сгорания которого происходит взрыв ЭД.

Время от включения тока в мостик до воспламенения называют

Температура вспышки и необходимое для воспламенения ко­ личество тепла зависят главным образом от рецептуры и физической структуры воспламенительного состава ЭВ. Они зависят также от скорости поступления тепла в головку. Температура вспышки

10

и необходимое количество тепла будет тем меньше, чем чувствитель­ нее воспламенительный состав к тепловому импульсу. В свою оче­ редь, температура мостика и количество выделяемого им тепла зависят от величины и длительности тока, проходящего через мостик.

может наступить тепловое равновесие, т. е. количество выделяемого тепла будет равно количеству отводимого. Установившаяся при этом температура мостика будет тем выше, чем больше проходящий через него ток. Однако при достаточно большом токе мостик до состояния теплового равновесия не разогреется, так как до этого мостик раз­

При пропускании через мостик тока, достаточного для разогрева его до температуры вспышки состава (0,2—1 А), последний через некоторое время получает от мостика в процессе его разогрева

недостаточны для расплавления мостика, его разрушение может быть вызвано только газами, возникающими при сгорании состава. Исследования показали, что разрушение мостика происходит в конце воспламенения, т. е. почти одновременно с выбросом форса огня из воспламенительной головки.

воспламенительный состав получит количество тепла, необходимое для возникновения в нем саморазвивающейся реакции. Это

* Приведенные ниже значения тока относятся к современным ЭД общего применения нормальной чувствительности.

11

объясняется тем, что мостик разогревается значительно быстрее воспламенительного состава. Разогрев мостика происходит за счет тепла, выделяемого током во всем его объеме, тогда как воспламенительный состав получает тепло послойно в процессе теплопередачи, которая протекает во времени и зависит от физических свойств состава (количества, размеров и расположения пор) и от разности температур.

Однако расплавление мостика до воспламенения состава не означает, что при этом ЭВ даст отказ, после перегорания мостика его несгоревшие части и расплавленный металл мостика, окружен­ ные воспламенительный составом, начнут охлаждаться, отдавая тепло составу. Воспламенится ли в данном случае ЭВ или даст отказ, зависит от того, какое количество тепла получил мостик к моменту расплавления и сколько тепла в этот момент недоставало составу для его воспламенения. Если в процессе охлаждения сохранившиеся части и расплавленный металл мостика передадут воспламенительному составу недостающее количество тепла и температура при этом не упадет ниже температуры вспышки, ЭВ сработает. В противном случае будет отказ.

Количество тепла, затраченное на расплавление мостика, зависит главным образом от его материала и диаметра. Если мостик имеет достаточно большой диаметр и сделан из тугоплавкого металла, а воспламенительный состав достаточно чувствителен к тепловому импульсу (у отечественных и у большинства зарубежных ЭД), перегорание мостика до воспламенения головки не вызовет отказа ЭВ. Если же мостик будет изготовлен из легкоплавкого металла или будет иметь малый диаметр, а воспламенительный состав мало­ чувствителен, отказ возможен.

При пропускании очень большого тока О 5 А) от источника с большим напряжением мостик быстро сгорает и возникает электри­ ческая дуга. При этом воспламенительный состав разбрасывается и быстро сгорает. Вследствие этого в рассматриваемом случае взрыв ЭД происходит через очень малый промежуток времени после вклю­ чения тока. Это время может составлять десятые и даже сотые доли миллисекунды.

Время, в течение которого воспламенительный состав нагре­ вается до температуры вспышки и получает количество тепла, не­ обходимое для возникновения в нем саморазвивающейся реакции (время воспламенения tB), зависит от величины тока в мостике резко уменьшаясь с его ростом.

Время, в течение которого в воспламенительном составе идет саморазвивающаяся реакция (время передачи), при токах менее 5 А принимается независимым от величины тока и длительности его протекания. Однако исследования последних лет показали, что у современных ЭВ, имеющих слабофлегматизированный воспламе­

из времени реакции tp и времени горения tr. В течение tp компоненты

12

воспламенительного состава, содержащие кислород (например, бертолетовая соль), разлагаются, давая кислород и создавая тепло, а в течение tr выделившийся кислород соединяется с горючими компонентами состава, т. е.

состав горит.

Время реакции зави­ сит от прохождения тока через мостик во время реакции. Если ток прохо­ дит, то оно зависит от длительности и величины тока, уменьшаясь по ме­ ре их роста. Величина тока сказывается на вре­ мени реакции не так сильно, как на времени воспламенения, поскольку во время реакции кроме

тепла, создаваемого током, выделяется тепло и в воспламенительной головке.

Время горения в отличие от времени реакции практически не зависит от наличия и величины тока в мостике во время горения воспламенительного состава, и для данного ЭВ tr можно считать постоянным.

Связь между tB, tp, tT и временем срабатывания г может быть представлена графиком, приведенным на рис. 3.

Распределение температуры вдоль мостнка

Основные энергетические зависимости в электровоспламенителях

Из-за отвода тепла от мостика в воспламенительный состав и в выводные провода температура вдоль мостика ЭВ имеет различ­ ные значения. При этом характер распределения температуры вдоль мостика изменяется и по мере разогрева мостика. Так как реакция в воспламенительном составе начинается там, где он со­ прикасается с участками мостика, нагретыми до температуры вспыш­ ки, характер распределения температуры вдоль мостика имеет важное значение.

Исследование распределения температуры вдоль мостика с мате­ матической точки зрения представляет сложную задачу, поскольку при этом требуется решать дифференциальное уравнение тепло­ передачи для нестационарного процесса в трехмерном пространстве с источником тепла внутри системы.

Приближенное решение этой задачи дал Дрекопф [1]. Из полу­ ченных Дрекопфом графиков, показывающих изменение температуры вдоль мостика ЭВ при токе 0,2 А и разных моментах времени,

13

Количество тепла в малых калориях, выделяемое током в мостике, согласно закону Джоуля—Ленца равно

где / — ток в мостике, А; гм — сопротивление мостика, Ом; t — длительность прохождения тока, с.

Сопротивление мостика определяется из выражения

мостика, мм.

Подставив выражение (1.2) в (1.1), получим выражение для

Количество тепла, расходуемое на разогрев мостика, опреде­ ляется из выражения

где с — удельная теплоемкость материала мостика, кал/г-"С; V — объем мостика, см3 ; у — плотность материала мостика, г/см3 ; Т — температура, до которой нагрет мостик, °С; Т0 — начальная темпе­ ратура мостика, °С.

Так как

то выражению (1.4) можно придать следующий вид:

Приравняв выражения (1.3) и (1.5) на основании сделанного допущения об отсутствии отвода тепла от мостика, получим:

15

Так как мостик обычно нагревается до нескольких сот градусов, начальной температурой можно пренебречь. При этом

количество электрической энергии, отнесенной к единице сопро­ тивления ЭВ, расходуемой для разогрева мостика до температуры Т.

Из выражения (1.9) следует, что при данном значении импульса тока температура мостика Т будет тем выше, чем больше удельное сопротивление материала мостика р и чем меньше его удельная теплоемкость с, плотность у и диаметр D. Особенно сильно на темпе­ ратуру влияет диаметр мостика.

Чтобы заданная температура Т была получена при наименьшем импульсе тока (1.10), диаметр мостика и отношение су/р, характе­ ризующее материал мостика, должны иметь минимальное значение. Это заставляет при конструировании ЭВ нормальной чувствитель­ ности брать мостик малого диаметра (25—50 мкм) и притом из металла или сплава, для которого отношение су/р имеет возможно малое значение.

Втабл. 1 приведены значения р, с, у и су/р, а также температура плавления некоторых металлов и сплавов.

Всвязи с тем, что отношение су/р минимальное для нихрома, мостики, как правило, изготовляют из нихрома. Однако в некоторых случаях (например, когда требуется большой срок хранения ЭД) применяются и платино-иридиевые мостики.

Независимость импульса тока от длины мостика объясняется тем, что импульс тока является мерой расхода энергии, отнесенной к единице сопротивления мостика и, следовательно, к единице его длины, а также тем, что выражение (1.10) составлено для случая, когда разогрев мостика идет очень быстро, и отводом тепла, зави­ сящим от длины мостика, можно пренебречь.

При использовании на практике сравнительно небольших зна­ чений воспламеняющего тока пренебречь отводом тепла от мостика

16

Т а б л и ц а 1

нельзя. Вследствие этого температура середины мостика и тем более температура на участках, лежащих ближе к выводным проводам, будет меньше той, которая получается по формуле (1.9). При этом отклонение фактической температуры от расчетной будет тем зна­ чительнее, чем больше будет доля тепла, отводимого от мостика в воспламенительный состав и в выводные провода. Поэтому по формуле (1.10) нельзя определить импульс тока, который требуется для воспламенения ЭВ, даже в том случае, если будут известны все входящие в нее величины. Вследствие этого импульс тока, необхо­ димый для воспламенения ЭВ, приходится определять эксперимен­ тально. Минимальный импульс тока, требующийся для воспламе­

и является его основной энергетической характеристикой. В отличие

Как указывалось, при достаточно большом токе мостик по исте­ чении некоторого промежутка времени может расплавиться. Импульс

Параметры электровоспламенителей и электродетонаторов

Параметрами ЭВ и ЭД называют величины, характеризующие их основные свойства: сопротивление, безопасный ток, воспламе­ няющие токи (длительный, стомиллисекундный, четырехмиллисекундный), импульс воспламенения, импульс плавления мостика, время передачи, время срабатывания.

1

и при любой длительности тока. Поэтому под безопасным понимают ток, который в течение 5 мин не вызывает воспламенения ЭВ.

возможность установить ток, который допустимо применять при измерении сопротивления ЭД.

Величина безопасного тока зависит от материала, диаметра и длины мостика, а также от рецептуры и физической структуры воспламенительного состава. Уменьшение диаметра мостика, а также увеличение его удельного сопротивления и длины приводят к сни­ жению безопасного тока, в то время как понижение чувствительности воспламенительного состава к тепловому импульсу повышает безо­ пасный ток. Величина безопасного тока больше всего зависит от диаметра мостика. Поэтому ЭД, устойчивые против сторонних токов, имеют более толстые мостики.

В о с п л а м е н я ю щ и й д л и т е л ь н ы й т о к — мини­ мальное значение (нижний предел) постоянного тока, который, протекая без ограничения времени через ЭВ (практически 5 мин), воспламеняет его. Таким образом, при токе, равном пли большем, чем длительный воспламеняющий, ЭВ через некоторое время воспла­ менится, тогда как при меньшем токе ЭВ откажет при любой дли­ тельности протекания тока.

Величина воспламеняющего длительного тока позволяет полу­ чить ориентировочное представление о чувствительности ЭВ, по­ скольку этот параметр в известной мере характеризует импульс воспламенения ЭВ. Весьма ценным является то, что для определения длительного тока не требуется специальной аппаратуры.

Воспламеняющий длительный ток зависит от тех же факторов, что и безопасный ток.

В о с п л а м е н я ю щ и й с т о м и л л и с е к у н д н ы й т о к (7 1 о 0 ) — минимальное значение (нижний предел) постоянного тока, который, протекая через ЭВ в течение 100 мс, вызывает его воспламенение. Этот параметр дает наименьшее значение тока, практически обеспечивающего надежное взрывание одиночных ЭВ. Стомиллисекундный ток зависит от тех же факторов, что и длительный воспламеняющий ток.

В о с п л а м е н я ю щ и й ч е т ы р е х м и л л и с е к у и д - н ы й т о к (74) — минимальное значение (нижний предел) постоян­ ного тока, который, протекая через ЭВ в течение четырех милли­ секунд, вызывает его воспламенение. Ток такой длительности дают взрывные приборы, которые должны обеспечивать опережающее отключение взрывной сети, т. е. отключение ее до того, как сеть может быть повреждена взорванной породой, и др.

чение импульса тока (созданного постоянным током), при котором происходит воспламенение ЭВ.