Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Смесевые энергонасыщенные материалы. Учебное пособие
.pdf
честве добавок – сенсибилизаторов, улучшающих детонационные качества
взрывчатых смесей. Широкое практическое применение в качестве таких добавок нашли гексоген, тринитрат глицерина, смеси жидких нитроэфиров. Оптимальное количество сенсибилизатора в смесевой композиции 8–15 %. При повышенном его содержании может иметь место удлинение, а в пределе – раздвоение зоны химического превращения: в головной части зоны будет реагировать высокоактивная добавка, а позади остальные компоненты. Подобная ситуация имеется у смесей, состоящих из аммиачной селитры, гексогена и алюминия, в которых наблюдаются большие химические потери энергии и пониженная, по сравнению с расчетной, мощность. Одним из путей уменьшения
длины реакционной зоны и снижения химических потерь является такой подбор качественного состава СПВВ, при котором скорость превращения наиболее
мощного компонента не отличается слишком сильно от скорости превращения
хотя бы одного из остальных компонентов в смеси. Реализуется это введением
в состав смеси буферных добавок. Такой добавкой для вышеупомянутой композиции может служить, например, тротил, который по скорости превращения
занимает среднее положение между гексогеном и селитрой. Добавка тротила
образует связующий мостик между зонами химического превращения в детонационной волне, объединяя их в одну и одновременно укорачивая ее.
4.3.2. Дисперсность и степень смешения компонентов
При двухстадийном механизме взрывчатого превращения (газификация –
окисление), свойственном СПВВ наиболее медленной стадией процесса является газификация. Именно она определяет в подавляющем большинстве случаев
общую скорость процесса.
Способность веществ газифицироваться зависит от их природы и окружающих условий (давления, температуры). Продолжительность перехода твердого или жидкого компонента в газообразные продукты распада определяется
помимо этих факторов величиной его поверхности, так как именно на поверхности проходят химические процессы, приводящие к деструкции вещества на
газообразные фрагменты. В детонационной волне, где температура и давление
примерно постоянны, продолжительность газификации каждого компонента
определяется только его поверхностью. Величину поверхности частиц принято
характеризовать их удельной поверхностью или линейными размерами частиц,
которые обратно пропорциональны последней. Увеличение поверхности компонентов, что достигается их измельчением, всегда приводит к увеличению детонационной способности.
Положение о зависимости детонационных свойств СПВВ от величины
частиц их компонентов имеет важное практическое значение, так как указывает
путь повышения детонационной способности, бризантности, скорости детона-
31
ции ВВ чисто технологическим приемом – измельчением компонентов. Однако
следует учитывать, что наилучшие результаты могут быть получены только
в том случае, когда частицы разных компонентов имеют разные, но соответствующие одной продолжительности полной газификации, размеры. Так, скорость газификации аммиачной селитры почти в пять раз, а древесины и торфа
в двадцать раз ниже, чем у тротила. Следовательно, для получения в зоне детонации сбалансированной по кислороду смеси газообразных продуктов необходимо примерно такое же соотношение удельных поверхностей частиц этих
компонентов. В противном случае газовая фаза будет обогащена либо кислородом, либо горючими элементами, что приведет к удлинению зоны химических
превращений и повышенным химическим потерям.
Соразмерное измельчение различных составляющих смесевой взрывчатой
композиции является только одним из условий полного и быстрого прохождения всех химических превращений по массе ВВ. Другим столь же важным
и обязательным условием является однородность распределения всех исходных
компонентов смеси по ее объему. Объясняется это тем, что общее время и полнота завершения всех реакций зависят не только от скорости термораспада отдельных частиц, но существенное и иногда определяющее влияние оказывает
скорость вторичных реакций окисления. Она, в свою очередь определяется условиями смешения продуктов первичного распада. Равномерность распределения частиц компонентов по объему исходной смеси обеспечивает быстроту
смешения продуктов газификации и постоянство КБ газовой фазы.
4.3.3. Плотность заряда и прочность его оболочки
Влияние плотности заряда ВВ на способность его к детонации весьма существенно, но характер этого влияния для разных по природе ВВ неодинаков.
Подавляющее число индивидуальных ВВ с увеличением плотности становятся
более детонационноспособными. Значительно сложнее зависимость d
кр
от плотности у СПВВ с окислителем. Для некоторых СПВВ при увеличении
плотности до некоторого значения dкр не уменьшается, а возрастает. Дальнейшее уплотнение изменяет характер зависимости на противоположный (например, смесь тротила с аммиачной селитрой 50/50). Для других же критический
диаметр прямо пропорционален плотности (например, аммонит ПЖВ-20).
Различно для индивидуальных и СПВВ влияние плотности на скорость детонации и бризантность. С увеличением плотности, с одной стороны, возрастает
скорость детонации на основании общих закономерностей распространения детонационных волн, вытекающих из гидродинамической теории. Кроме того, в соответствии с механизмом взрывного горения высокопористых веществ в детонационной волне увеличивается скорость сгорания частиц с повышением плотности
ВВ, так как возрастает давление, а вместе с ним и скорость горения. С другой сто-
32
роны, с увеличением плотности уменьшается свободная поверхность частиц, что
затрудняет поджигание и распространение горения на поверхности частиц. Затрудняются также процессы диффузионного смешивания продуктов первичного
распада. Двоякое и противоположно направленное влияние плотности закономерно приводит к различию в детонационной способности индивидуальных и СПВВ.
Для многих СПВВ спад скорости детонации и показателей взрыва с увеличением плотности могут быть весьма резкими, а, начиная с некоторой плотности, детонация в заряде определенного диаметра станет вообще невозможной.
Наибольшая плотность, при которой еще возможна устойчивая детонация смеси с предельной для данного диаметра скоростью, называется критической. Для
большинства порошкообразных СПВВ с аммиачной селитрой значения критической плотности лежат в пределах 1,0–1,4 г/см3. Поэтому во избежание перехода детонации в горение подобные СПВВ при снаряжении в патроны
не уплотняются выше 1,15–1,25 г/см3.
Критическая плотность и d
не являются константами рецептуры СПВВ,
кр
определяемой его химическим составом. Они зависят также от ряда физических
характеристик, таких как размеры частиц компонентов, равномерность их смешения, влажность. Но особенно следует выделить диаметр заряда и окружение
его оболочкой. С увеличением диаметра заряда и упрочнением оболочки величина критической плотности сдвигается в сторону более высоких значений и
экстремальный характер зависимости параметров детонации от плотности меняется на монотонный, т.е. становится таким же как у индивидуальных ВВ.
Влияние перечисленных факторов связано с величиной потерь энергии в детонационной волне за счет боковых волн разрежения и определяет кинетику реакции в волне или скорость радиального расширения продуктов детонации.
Как и для индивидуальных ВВ, dкр уменьшается при помещении зарядов
в прочные оболочки, роль которых могут выполнять и стенки зарядных скважин и шпуров, выбуренных в твердых породах. В стальных трубах с толщиной
стенок 4–5 мм, моделирующих скальную горную породу, dкр уменьшается в несколько раз против зарядов в бумажной оболочке. Так, аммиачная селитра,
имеющая dкр свободного заряда 200–250 мм, может в прочной стальной трубе
детонировать при диаметре заряда всего 7–9 мм.
33
5. ХАРАКТЕРИСТИКИ СМЕСЕВЫХ
v
ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
Область применения и способы использования СПВВ определяются совокупностью их взрывчатых и физико-химических характеристик. Эти же характеристики во многом определяют структуру технологического процесса их изготовления, условия транспортирования, продолжительность гарантийных сроков хранения.
5.1. ВЗРЫВЧАТЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Характеристики взрывчатого превращения СПВВ, предназначенных для использования в народном хозяйстве, целесообразно подразделить на три группы:
– показатели энергии;
– характеристики детонации и детонационной способности;
– показатели действия взрыва.
К первой группе относятся потенциальная энергия и теплота взрывчатого
превращения, тротиловый эквивалент по теплоте взрыва, объем газообразных
продуктов взрыва, температура взрыва, полная идеальная работа взрыва. Ко
второй – скорость детонации, величина критического диаметра детонации, расстояние передачи детонации, восприимчивость к детонационному импульсу.
Из показателей третьей группы для промышленных СПВВ наиболее важна работоспособность и бризантность. Такое подразделение характеристик несколько условно, так как показатели первой группы во многом определяют показатели двух других. Но, если первые зависят только от состава СПВВ, то вторые и
третьи в значительной мере зависят и от технологии приготовления взрывчатой
смеси, условий взрывания, состояния СПВВ (увлажненности, плотности, наличия оболочки и ее прочности и т.д.).
5.1.1. Показатели энергии
Потенциальная энергия и теплота взрыва
Для практических нужд удобным является выражение потенциальной
энергии () через теплоту взрыва (QV), величину которую можно определить
экспериментально сравнительно простыми способами. Именно теплота взрыва
близка потенциальной энергии ВВ. Для большинства веществ она составляет
0,95–0,97. что позволяет в технических расчетах принимать E
. Это об-
QV
стоятельство сделало величину теплоты взрыва основной энергетической характеристикой взрывчатых материалов.
Экспериментальные определения теплоты взрыва проводятся подрывом
вещества в калориметрических бомбах различных конструкций с непосредст-
34
венным определением выделяющегося при этом тепла. Получаемые результаты
достаточно точны. Общая ошибка определения оценивается в 1–2 %.
Помимо экспериментального определения теплота взрыва может находиться
по различным методикам расчетным путем, который является единственно приемлемым для прогнозирования энергетических свойств СПВВ в период их разработки. Расчетные значения теплоты взрыва, полученные по разным методикам,
почти всегда не совпадают друг с другом и экспериментальными измерениями.
Наименьшие расхождения имеют место для веществ с нулевым или малым положительным КБ, наибольшие – для ВВ с отрицательным КБ.
Тротиловый эквивалент по теплоте взрыва
Сравнительную оценку энергетических возможностей различных ВВ удобно
проводить не по абсолютным, а по относительным показателям. Одним из них является тротиловый эквивалент по теплоте взрыва. Он показывает, во сколько раз
теплота взрывчатого превращения данного вещества отличается от теплоты взрыва тротила. За эталон принимается тротил с плотностью 1,5 г/см3 с теплотой взрыва 4186 кДж/кг. Например, тротиловый эквивалент по теплоте взрыва гексогена
составляет 1,2, аммонита 6 ЖВ – 1,03, гранулита АС-8 – 1,26.
В другой, адекватной по физическому смыслу трактовке тротиловый эквивалент определяется как отношение массы тротила к массе данного ВВ, обладающих одинаковой работоспособностью.
Объем газов
Данные об объеме газообразных продуктов взрыва позволяют в первом приближении судить о работоспособности ВВ, так как выделяющаяся при взрыве тепловая энергия превращается в механическую работу посредством расширяющихся газообразных продуктов превращения. Кроме того они необходимы для
расчета максимальной температуры взрыва. Объем газов при известном уравнении взрывчатого превращения вычисляется по закону Авогадро. Расчет объема
газов при взрыве обычно ведется на один моль или килограмм ВВ.
Температура взрыва
Знание температуры взрыва необходимо для расчета работы, которую могут
произвести сжатые и нагретые продукты взрыва, для расчета скорости детонации
ВВ, для уточнения возможности применения данных ВВ в условиях, опасных
по газу и пыли. В основе способа расчета температуры взрыва лежит ее зависи-
мость от теплоты взрыва и средней теплоемкости продуктов взрыва: T = Qv/cv.
Экспериментальное определение температуры взрыва распространения
не нашло. В принципе оно возможно, но сильно затруднено чрезвычайной
кратковременностью максимальной температуры и ее большими абсолютными
значениями. Поэтому основным способом определения температуры взрыва
является расчетный.
35
5.1.2. Показатели детонации и детонационной способности
– одна из важнейших характеристик ВВ. Помимо
скорости распространения химических превращений по веществу, она характеризует величину потенциальной энергии ВВ, форму и эффективность воздействия взрыва. Изменение скорости детонации в зависимости от условий взрывания дает сведения о механизме прохождения химических превращений вещества. Для каждого ВВ в определенных условиях взрывания скорость детонации
является величиной постоянной, однако, в зависимости от совокупного влияния
различных факторов (плотность, степень дисперсности, диаметр заряда, характер оболочки и др.) может изменяться в широких пределах. Величина ее определяется, главным образом, теплотой и природой продуктов взрыва, плотностью ВВ. С учетом этих параметров скорость детонации может находиться
с высокой точностью расчетным путем. Для имеющихся в наличии ВВ предпочтительно прямое экспериментальное определение. Оно достаточно просто
в оформлении, стандартизовано и дает надежные результаты.
величина, характеризующая способ-
ность ВВ проводить детонацию в конкретных условиях. Величина его определяется экспериментально в стандартизованных условиях.
характеризует восприимчивость
(чувствительность) СПВВ к детонации. Измеряется он минимальной массой
штатного индивидуального или смесевого ВВ, взрыв которого обеспечивает
стабильную детонацию характеризуемой взрывчатой композиции. Иногда
в справочной литературе приводятся сведения о возможности возбуждения детонации стандартным КД. Другой характеристикой чувствительности СПВВ
к детонационному импульсу является величина передачи детонации, то есть
максимальное расстояние между двумя патронами СПВВ, расположенных
строго по оси, при котором детонация активного патрона вызывает полную детонацию пассивного. Следует отметить, что расстояние передачи в определенной мере характеризует и детонационную способность ВВ.
5.1.3. Показатели действия взрыва. Фугасность и бризантность
Величина полной идеальной работы взрыва характеризует лишь величину
тепловой энергии, которая может трансформироваться в механическую работу.
Эта энергия реализуется в различных формах полезной и бесполезной работ.
К полезным, например, относятся работы по разрушению и дроблению горных
пород, их перемещению. К бесполезным – образование сейсмических и воздушных волн, пластическая дефорация породы, ее нагрев. Строгий учет потерь энергии на бесполезные формы работы почти невозможен, но общая их величина может составлять более половины всей энергии взрыва. Единственным путем их
снижения является оптимизация условий ведения взрывных работ, включая соответствие показателей применяемых ВВ решаемым взрывом задачам.
36
Полезные формы работы взрыва подразделяют на фугасную и бризантную.
Каждая из них объединяет несколько разных форм работы, имеющих общий
характер.
Группа фугасного, метательного или общего действия включает такие
формы работы, как метательную, отбрасывающую, разламывающую. Все они
обусловлены ударной волной и продуктами взрыва.
Группа бризантного, местного или дробящего действия объединяет работы
по дроблению, пробиванию и т.п. Эти формы работы проявляются только
в непосредственной близости к заряду и обусловлены высоким давлением и
плотностью продуктов взрыва.
Резкой границы между фугасным и бризантным действием нет. Тем не менее,
это исторически сложившееся разделение имеет физический смысл, заключающийся в том, что величина каждой из этих форм зависит от разных показателей
ВВ. Величина фугасной формы пропорциональна работе адиабатического расширения продуктов взрыва или энергии взрыва и не зависит от скорости взрывчатого
превращения ВВ. Бризантное же действие определяется, в основном, именно скоростью детонации и мало зависит от величины энергии взрыва, превращающейся
в работу. Затраты энергии на совершение фугасных и бризантных форм работы
неодинаковы. В бризантную работу превращается лишь небольшая часть общей
энергии ВВ. В фугасные формы трансформируется наибольшая часть энергии.
В связи с этим за общий критерий работоспособности ВВ принимается величина
работы взрыва в форме фугасного действия, как наиболее объективного показателя полного количества энергии взрыва, способной совершить работу. Немаловажной причиной такого выбора послужили техническая простота и строгость экспериментального определения этой величины.
5.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Физико-химические характеристики промышленных СПВВ определяют
эффективность и безопасность их использования, степень стабильности при
хранении, условия и способы применения, построение технологии производства и параметры проведения отдельных стадий. Некоторые из характеристик
нормированы стандартами. Обеспечение этих показателей в требуемых пределах является задачей разработчиков составов и технологии их приготовления.
отношение массы ВВ к занимаемому им объему. Плотность
сыпучих веществ при их свободной насыпи называется гравиметрической или
насыпной. Плотность сплошных СПВВ, а также уплотненных порошков, называется просто плотностью. При проведении взрывных работ используется также понятие плотности заряжания, т.е. отношение массы заряда СПВВ ко всему
объему зарядной каморы. Плотность СПВВ определяет его взрывчатые харак-
37
теристики и сама является функцией состава СПВВ и построения технологического процесса его получения.
содержание влаги в СПВВ, внесенной с компонентами или
приобретенной в процессе изготовления и хранения.
способность поглощать влагу из окружающей атмо-
сферы. Характеристикой гигроскопичности служит гигроскопическая точка,
которая обозначает относительную влажность воздуха, когда не происходит ни
увлажнения, ни подсыхания вещества. Величина гигроскопической точки тем
выше, чем менее гигроскопично вещество. В связи с тем, что величина гигроскопической точки зависит от температуры, при характеристике гигроскопичности обычно приводится кривая такой зависимости. По положению этих кривых для разных веществ можно легко судить об их сравнительной гигроскопичности: чем выше располагается кривая, тем менее гигроскопично вещество.
В ряде случаев сравнительную гигроскопичность оценивают по скорости
увлажнения веществ в одинаковых условиях: чем больше скорость, тем выше
гигроскопичность.
Увлажнение СПВВ из-за гигроскопичности приводит к изменению плотности, восприимчивости к детонации, водоустойчивости.
Гигроскопичность индивидуальных веществ зависит от их природы, смесевых композиций – как от свойств компонентов, так и технологии изготовления композиции.
свойство порошкообразных материалов превращаться
в массу полностью или частично лишенную сыпучести. Слежавшиеся СПВВ
неудобны в обращении: невозможно раздавливание патронов в шпурах, повышается опасность и затрудняется введение детонатора в патрон-боевик, перед
заряжанием скважин россыпью приходится дробить слежавшиеся составы, затрудняется механизация заряжания. Кроме того, слежавшиеся СПВВ характеризуются пониженной детонационной способностью. Причиной слеживания
является выкристаллизовывание солей из пленочного раствора, покрывающего
поверхность частиц водорастворимых веществ. При этом между отдельными
частицами возникают мостики из микрокристаллов, которые скрепляют эти
частицы. Слеживанию подвержены все СПВВ, содержащие гигроскопичные
водорастворимые компоненты. Основными мерами борьбы со слеживанием является составление СПВВ из сухих компонентов, понижение их гигроскопичности путем введения гидрофобных добавок, охлаждение массы перед патронированием и хранение в условиях, исключающих резкие колебания температуры. Определенные успехи дает также укупорка в герметичную тару и увеличение размеров частиц компонентов.
Характеризуют слеживание величиной усилия, которое приводит к раздавливанию слежавшегося образца по стандартизированной методике.
38
способность СПВВ противостоять проникновению
воды внутрь заряда и тем сохранять первоначальные взрывчатые характеристики. Для гранулированных и льющихся СПВВ под водоустойчивостью понимается сопротивляемость диффузии их водорастворимых компонентов в окружающую заряд воду.
Характеристикой водоустойчивости порошкообразных СПВВ служит величина гидростатического давления столба воды, необходимого для проникновения ее внутрь заряда за определенное время. В лабораторных и полигонных
условиях водоустойчивость СПВВ можно оценивать по расстоянию передачи
детонации после выдержки патронов в воде в определенных условиях.
Для гранулированных СПВВ мерой водоустойчивости служит время,
за которое погруженные в воду заряды еще не теряют способности детонировать и не снижают своего взрывного эффекта.
способность смесевого состава нарушать однородность
при хранении, транспортировке, пересыпке и других подобных воздействиях
из-за разницы плотностей компонентов и размеров их частиц. Особенно расслаивание проявляется у СПВВ, содержащих твердую и жидкую фазы. Расслаивание приводит к обогащению отдельных зон заряда одним из компонентов и ухудшению взрывчатых свойств смеси.
способность веществ перемещаться под действием собствен-
ного веса, транспортироваться по шлангам и трубопроводам, свободно без зависаний, высыпаться из бункеров, хорошо заполнять при заряжании полость
скважин. Сыпучесть зависит от величины и формы частиц вещества, его влажности. Мелкодисперсные СПВВ, даже в неслежавшемся состоянии, сыпятся
весьма плохо. Характеризуется сыпучесть либо углом естественного откоса при
свободном высыпании на горизонтальную поверхность, либо временем, за которое определенная навеска вещества просыпается через воронку с калиброванным отверстием.
свойство, аналогичное сыпучести. Используется для характе-
ристики подвижности льющихся и пластичных СПВВ. Текучесть в лабораторных условиях определяют измерением скорости их истечения из стеклянных
калиброванных пробирок, наклоненных под определенным углом к горизонту,
при фиксированной температуре.
способность СПВВ образовывать пылевое облако из своих час-
тиц в процессе приготовления и при пересыпке. Это свойство является одним
из факторов, определяющих возможность применения пневмоустройств для
механизации заряжания скважин и камер. Пыление СПВВ зависит от их состава, дисперсности компонентов, степени увлажнения или ожиривания поверхности частиц.
свойство высоковязких СПВВ деформироваться при не-
больших нагрузках. Это свойство характерно только для пластичных, текучих
39
и льющихся СПВВ. Пластичность оценивают скоростью погружения иглы определенной формы и массы в слой СПВВ. Зависит она в основном от состава
композиции.
Старение – необратимое изменение
взрывчатых и физико-механических свойств СПВВ при хранении. Причинами
старения являются физические и химические изменения веществ, происходящие
за счет взаимодействия компонентов друг с другом или внешней средой. Примером физических изменений является слеживание, химических – окисление алюминия или разложение нитроэфиров в содержащих их составах. Скорость старения зависит от состава СПВВ, технологии его приготовления, способа и качества
упаковки, условий хранения. Старению подвержены все СПВВ.
В связи со старением СПВВ устанавливается гарантийный срок их хранения, в течение которого завод-изготовитель гарантирует сохранение основных
показателей СПВВ в пределах, регламентированных техническими условиями.
Для большинства аммиачно-селитряных СПВВ гарантийные сроки хранения не
превышают одного года.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]