CC BY
55
Вестник технологического университета. 2016. Т. 19, №19 УДК 662.23, 662.2.036
Н. А. Покалюхин, С. А. Кабиров, В. Н. Савагин А. А. Ибрагимов, Р. А. Ибрагимов
ЭЛАСТИЧНОЕ ЛИСТОВОЕ ВЗРЫВЧАТОЕ ВЕЩЕСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ВЗРЫВОМ
Ключевые слова: сварка взрывом, эластичный взрывчатый состав, рецептура, нитроцеллюлоза, порофор, пластификатор,
детонация, критическая толщина.
Статья посвящена разработке рецептуры и технологии эластичного листового взрывчатого состава для обработки металлов, основу которого составили нитрат целлюлозы и пластификаторы. Регулирование взрывчатых характеристик осуществлялось изменением рецептуры и пористости образцов путём введения поро-фора. Гомогенная структура полимерной композиции обеспечивает высокую физическую стабильность зарядов. Исследована зависимость плотности, пористости, критических диаметра, толщины и скорости детонации от рецептурных и технологических факторов. Отработана технология получения листовых зарядов детонирующих со скоростью 1,29-7,81 км/с.
Key words: explosion welding, flexible sheet explosive material, formulation, nitrocellulose, blowing agent, plasticizer, detonation, cutoff thickness.
The article is devoted to the development of formulations and technology of flexible sheet explosive composition for metal processing, foundation of which made cellulose nitrate and plasticizers. Regulation of explosives carried out the change in characteristics of the formulation, and the porosity of the samples by introducing a blowing agent. The homogeneous structure of the polymer composition ensures high physical stability of the charge. The dependence of the density, porosity, critical diameter, thickness and velocity of detonation of prescription and technological factors. Developed a technology of producing sheet detonating charges at a rate of 1,29-7,81 km/s.
Многообразие форм обработки металлов взрывом предъявляет различные требования к взрывчатым веществам (ВВ). Например, для сварки оптимальные значения скорости детонации ограничены интервалом 1,5-5,0 км/с.
В России для этой цели применяют сварочные аммониты со скоростью детонации 1,5-3,8 км/с, содержащие в качестве активного наполнителя аммиачную селитру (АС), а также разбавляемые инертными наполнителями [1-4]. Из недорогих ВВ предложено использовать динамоны [3, 4], игданит [5]. Известен также низкоскоростной состав НИЛ-1 (взрывчатый поролон). Известен способ получения вспененной взрывчатой композиции (2,0-7,0 км/с), включающий смешение полимера с порофором и БВВ, нагревание смеси до температуры разложения порофора с последующим холодным отверждением [6]. В [7] представлен низкоскоростной вспенивающийся взрывчатый состав на основе АС, пенообразователя и стабилизирующей добавки. Из-за ряда недостатков (сложная технология формирования зарядов, низкая физическая стабильность) не все эти ВВ получили широкого применения.
В связи с этим задача разработки низкоскоростного эластичного ВВ (ЭВВ), облада-ющего высокой физической стабильностью, способного перерабатываться на существующем оборудовании химпро-изводства, актуальна.
Целью работы явилась разработка нового листового взрывчатого состава для обработки металлов взрывом, преимущественно для сварки.
В качестве компонентов использовались много лет хранящиеся на складах предприятий коллоксилин из «ловушек» (НЦ), динитротолуол (ДНТ) технический, динитратдиэтанолнитрамина (ДИНА), централит. В качестве структурно-механической полимерной основы была изготовлена баллиститная масса (БМ) из НЦ, нитроглицерина (НГЦ) и центра-
лита в соотношении соответственно 58:40:2 масс. %. В качестве газообразователя принят порофор ЧХЗ-57 [8] с нижней границей температуры разложения выше технологической температуры переработки состава. Пластичность композиции изменялась введением дополнительных пластификаторов ДИНА и ДНТ.
Опытным образцам ЭВВ присвоен шифр БМД с цифрами, обозначающими содержание дополнительного пластификатора и порофора (сверх 100 %). Например, состав БМД-18-01П содержит 18 % ДИНА и 0,1 % порофора. Остаток от 100 % составляет 82 % массы БМ.
При изготовлении образцов ЭВВ в ходе водной «варки» при 55-60 °С и модуле 1:8 в смеситель поочерёдно вводили навеску БМ, ДИНА и водно-ацетоновую взвесь порофора. После охлаждения массу отжимали. Для удаления остаточной влаги, усреднения состава и пластификации массу обрабатывали на гладких вальцах при 60-65 0С. Полотно прессовали через горячую профильную втулку с шириной щели 30 мм и разрезали на отрезки. Образцы помещались в специальные контейнеры и термостатировались. Измерялись размеры, плотность и пористость образцов до и после вспенивания.
Экспериментальные значения плотности р образцов при содержании дополнительного пластификатора ДИНА 18 % до термостатирования ниже расчетных и тем более чем выше содержание порофора /чхз (рис.1). Очевидно, на операциях вальцевания и прессования некоторая часть порофора разлагается, снижая плотность образцов.
После термостатирования при температуре 90100 °С снижение плотности более значительно, при этом экспериментальная кривая р/чхз) располагается значительно выше расчетной. Последнее обстоятельство связано в основном с высоким значением вязкости композиций, обусловливающим низкий коэффициент полезного действия порофора. Значения
потерь газообразного азота, рассчитанные путем сравнения экспериментальных данных по пористости образцов с расчетными с учетом газового числа для порофора ЧХЗ-57 (130ч150 см3/г), составляют 30-55 %. Таким образом, наиболее эффективно введение порофора в количестве до ~1 %.
Рис. 1 - Зависимость плотности р образцов состава БМД-18-(0ч5)П от содержания порофора /чхз (сверх 100 %)
Изучено влияние общего содержания пластификаторов Упл за счёт изменения содержания дополнительного пластификатора ДИНА в интервале 0ч35% на плотности р образцов расчетные, экспериментальные, до и после термостатирования, в свободном и ограниченном объемах при содержании порофора 0,5 % (рис.2). Расчетные значения плотности и пористости до и после вспенивания практически не зависят от содержания пластификатора.
Рис. 2 - Зависимость плотности р образцов состава БМД-(0ч35)-05П от общего содержания пластификатора Упл (НГЦ+ДИНА)
Незначительный рост плотности с увеличением Упл происходит лишь за счет большего удельного веса ДИНА (1,67 г/см3) по сравнению с БМ (1,62 г/см3). Вид экспериментальной кривой р(Гпл) для не вспененных образцов указывает на то, что в процессе термомеханической обработки, сопровождаемой частичным разложением порофора, вязкость состава при содержании пластификаторов ~55 % достигает своего критического значения, при котором начинается процесс порообразования. Об этом свидетельствует характерный излом на рассматриваемой кривой при значении Упл -55 %, после которого плотность образцов с ростом Упл интенсивно снижается. По-видимому, в интервале содержания пластификаторов до ~55 % вследствие высоких значений вязкости образцов основная часть газообразного азота
улетучивается. Экспериментальные значения плотности вспененных образцов снижаются как с ростом 7пл, так и с переходом от вспенивания в ограниченном объеме к свободному.
Исследования зависимости скорости деформации от напряжения сдвига при различном содержании пластификаторов (рис. 3) позволяют отметить, что исследуемые композиции являются аномально вязкими жидкостями, предел текучести которых с ростом содержания пластификаторов снижается на два порядка. Аналогичная зависимость наблюдается и при исследовании вязкостных свойств образцов. Наибольшая ньютоновская вязкость снижается с 9,8106 до 0,1105 Пас при увеличении содержания дополнительного пластификатора ДИНА от 0 до 35%. Газообразующая способность порофора реализуется наиболее полно при вязкости образцов 2,410 ч 0,1105 Па с, то есть при содержании ДИНА 25ч35 %.
ю
6 4
2 0
^ :
/
7
Я
№ —1
-
- аЩ-25 -ЕМД-15 -ЕЫД-5 -иед-л
0^3 0,3
0,15
1
т-Ш'1
1Д5 Па
Рис. 3 - Зависимость скорости деформации у от напряжения сдвига т для композиций БМД с различным содержанием пластификатора ДИНА
Исследование структуры вспененных образцов показало, что при содержании пластификатора более 50 % распределение пор диаметром 0,1-1,0 мм по объему равномерное.
Изучением влияния природы дополнительного пластификатора (Упл=15 %) на эффективность порофора (/Чхз=0,5 %) выявлено, что наибольшую пористость образцов при вспенивании в свободном и ограниченном объемах, соответственно в %, обеспечивает ДИНА (38,7/31,4), а наименьшую - ДНТ (27,8/19,1) и дибутилфталат (22,9/15,9).
При исследовании взрывчатых характеристик заряды укладывались на подложки. Инициирование осуществлялось от шашки из ВВ массой 1,5 г. Плотность образцов изменялась от 0,8 до 1,57 г/см3. Результаты исследования образцов состава БМД-18 представлены в таблице 1. В тех опытах, в которых не указан материал подложки, использовались стальные пластины.
Наименьшая скорость детонации составила 1,29 км/с, а максимальная 7,81 км/с. При плотности 1,044 г/см3 зарегистрированы два сильно отлича-ющихся значения скорости детонации. При одинаковой толщине 11,7 мм в пластине шириной 33,5 мм детонация распространяется со скоростью 2,11 км/с, а в пластине с меньшей шириной 27 мм - со скоростью 4,38 км/с. Аналогичное обнаруживается и при сравнении опытов 20 и 22. Наблюдаемое явление, очевидно, связано с протеканием в составе двух различных по скорости режимов детонации, что является характерной особенностью превращения практически всех типов баллиститных порохов [9].
Таблица 1 - Детонационная способность состава БМД-18-(0,1ч3,0)П
№ ./чхз, % Размеры заряда, мм: толщинаЧширинаЧдлина рз, г/см3 В, км/с Материал подложки; критические диаметр, ширина, толщина, скорость детонации
1 2 3,0 3,0 12,3Ч19Ч80 12,6Ч33,5Ч170 0,81 0,92 1,29 2,57 ВВ-резина - сталь
3 1,0 11Ч15Ч90 1,039 отказ
4 1,0 16Ч16Ч90 1,039 отказ 22 > dкp >16 мм
5 1,0 22Ч22Ч90 1,039 детон
6 0,5 11,7Ч33,5Ч95 1,044 2,11 ВВ-ДВП-сталь
7 0,5 11,7Ч27Ч95 1,044 4,38 - и -
8 1,0 16,5Ч16,5Ч90 1,052 отказ 18 > dкp>16,5 мм
9 1,0 18Ч18Ч90 - и - 1,92 Dкp = 1,92 км/с
10 0,5 11,7Ч33,4Ч100 1,076 2,43 ВВ-ДВП-сталь
11 0,5 11,7Ч25Ч100 - и - 2,50 - " - 25 > акр>11,4 мм
12 0,5 11,4Ч11,4Ч145 1,079 отказ дерево Dкp = 2,50 км/с
13 0,5 - и - - и - - и - сталь
14 1,0 10,8Ч33,3Ч175 1,08 1,94 ВВ-резина-медь- зазор-сталь
15 16 0,5 1,0 8Ч33,5Ч90 11Ч12,5Ч90 1,088 отказ отказ 10,8 > ^ф>8 мм Dкp = 1,94 км/с 29,5 > акр>24,5 мм Dкp = 2,29 км/с
17 18 1,0 0,5 11Ч24,5Ч90 11Ч29,5Ч90 - и - отказ 2,29
19 1,0 11Ч37Ч90 - и - 2,63
20 0,5 11,3Ч34,0Ч91 1,095 1,94
21 0,5 11,2Ч34,5Ч95 1,1 отказ
22 1,5 11,0Ч37,0Ч90 1,102 3,31
23 1,5 12,3Ч35,4Ч110 1,105 3,61
24 1,5 11,0Ч73,5Ч90 1,11 3,40
25 1,5 22,0Ч36,5Ч91 1,12 4,15
26 1,5 11,0Ч36,5Ч95 1,13 3,57
27 0,5 11,2Ч33,5Ч95 1,14 отказ ВВ-ДВП-сталь
28 0,3 11,6Ч32,1Ч185 - и - затух. - и -
29 0,5 11,3Ч34Ч95 - и - 1,68 сталь
30 0,3 11,6Ч32,3Ч95 1,205 1,90 ВВ-Св-сталь
31 0,5 8ч12Ч33Ч75 1,21 3,21 ВВ-Св-сталь
32 0,5 8ч11Ч33,4Ч95 1,24 2,75 ВВ-Св-сталь
33 0,5 11Ч33,5Ч95 1,21 1,44
34 0,3 22,4Ч32Ч185 1,31 отказ ВВ-ДВП-сталь
35 0,1 8Ч31,0Ч100 1,53 отказ 14 > ^р>8 мм DкP = 7,73 км/с
36 37 0,1 0,1 14Ч31,3Ч100 18Ч31,3Ч100 - и - 7,73 7,81
38 0,0 15Ч15Ч100 1,57 отказ
Таблица 2 - Влияние содержания ДИНА на плотность и детонационную способность состава БМД
№ /чхз, % Размеры заряда, мм толщинаЧширинаЧдлина рз, г/см3 В, км/с Материал подложки, критическая толщина детонации
1 13 0,5 11,4Ч31,5Ч100 1,130 отказ ВВ-ДВП-сталь
2 11,2Ч31,6Ч95 1,195 отказ ВВ-ДВП-сталь
3 4 15 0,5 10,1Ч33,3Ч120 21Ч33,5Ч85 1,203 1,205 отказ 2,87 21 > > 10,1 при а=33,3-33,5 мм
5 11,9Ч27,5Ч110 0,91 2,23
6 25 0,5 12Ч18Ч60 0,91 1,72
7 11,8Ч35,3Ч120 1,01 2,94
8 23 0,1 11,3Ч33,5Ч100 1,19 отказ
9 10 11 23 0,5 13,4Ч35Ч100 25Ч34Ч100 11,9Ч20Ч100 1,00 0,952 0,952 2,4 2,7 отказ 13,4р=10 > hк > 11,3р=1,19 при а=33,5ч35 мм
12 13,4Ч26,6Ч100 1,00 2,61
13 12Ч23,5Ч75 0,95 2,83
14 30 0,5 11,3Ч17,5Ч100 0,95 1,85
15 11,8Ч32,6Ч90 1,07 3,45
16 35 0,5 10,5Ч31,7Ч110 1,051 1,75
Зависимость скорости детонации от ширины и толщины заряда представлена на рисунке 4.
Б, км/с
/
—о—Y-25%; f=0,5% Hp—Y-30%; 1=0,5%
15 20 25 30 35 40 D. км/с
-O-- --О
5 10 15 20 . 25
h, мм
Рис. 4 - Зависимость скорости детонации Б от ширины заряда а (верхняя кривая р=0,99 г/см3, к=11,3 мм; нижняя кривая р =0,94 г/см3, к=12 мм); толщины заряда к для состава БМД-25-0,4П (а=35 мм, р=1,13 г/см3)
Влияние природы пластификатора таково, что образцы на основе ДБФ при толщине 22-23 мм не детонируют, а в образцах на ДНТ толщиной 10,5 мм детонация распространяется на всю длину заряда.
Для лабораторных испытаний выбран состав БМД-18, детонирующий при толщине 12,3 и 18,0 мм со скоростями 1,29 и 7,81 км/с соответственно. Состав плотностью 0,8 г/см3 испытан на сварку пар медь-сталь 3 и медь-алюминий. Качество сварных соединений удовлетворительное. При испытании на отрыв медная плакировка отрывается от пластины медь-алюминий со слоем алюминия.
Высокоскоростные образцы состава могут быть использованы для упрочнения металлов взрывом или дробления негабарита.
Заключение
1. Предложен состав и разработаны элементы технологии нового листового ВВ на основе коллоксилина, пластификаторов и порофора ЧХЗ-57, дето-
нирующего в плоских зарядах со скоростью 1,297,81 км/с.
2. Исследованы плотность и пористость образцов эластичного ВВ в зависимости от природы и содержания дополнительного пластификатора, условий вспенивания.
3. Изучены реологические свойства, физико-механические характеристики образцов при различном содержании компонентов.
4. Исследовано влияние содержания компонентов на критические толщину и ширину детонации листовых зарядов, показано, что составы на основе дополнительных пластификаторов ДИНА и динит-ротолуола обладают высокой детонационной способностью.
5. В зарядах эластичного ВВ зарегистрированы два различных по скорости режима распространения детонации.
6. Лабораторные испытания зарядов эластичного ВВ на сварку взрывом пар металлов медь-сталь 3 и медь-алюминий показали удовлетворительную эффективность.
Литература
1. Л. В. Дубнов, Н. С. Бахаревич, А. И. Романов, Промышленные взрывчатые вещества. Недра, Москва, 1988. 357 с.
2. В.М. Кудинов, А.Я. Коротеев, Сварка взрывом в металлургии. Металлургия, Москва, 1978. 167 с.
3. В.Е. Кожевников, Ю.П. Бесшапошников, Н.К. Глобин, В.В. Геймур, В.В. Раскатов, В.И. Чернухин, Физика горения и взрыва, 26, 3, 115-118 (1990).
4. А.Д. Бабков, Ю.П. Бесшапошников, В.Е. Кожевников, В.И. Лысак. В сб. Сварка взрывом и свойства сварных соединений. ВолгПИ, Волгоград, 1991. С. 91-99.
5. Е.Г. Веретенов, Е.Б. Цыбочкин, В.П. Бартенев. В сб. 9-я Международная конференция по высокоэнергетическому воздействию на материалы. Новосибирск, 1986. С. 330-334.
6. Изобретение по заявке №1655099 5С06В 25/00 от 11.10.1988.
7. Изобретение по заявке №1600303 5С06В 31/28 от 09.03.1988.
8. В.А. Кабанов, Энциклопедия полимеров. Т.3. Советская энциклопедия, Москва, 1977. 1032 с.
9. Л. А. Смирнов, В.С. Силин, Конверсия. Ч. 5. ЦНИИ-ТИКПК, Москва, 1993. 195 с.
© Н. А. Покалюхин - канд. хим. наук, доцент каф. ТТХВ КНИТУ; С. А. Кабиров - канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник КНИТУ, bimetal@rambler.ru; В. Н. Савагин - канд. хим. наук, доцент КНИТУ; А. А. Ибрагимов - генеральный директор ФКП «Авангард»; Р. А. Ибрагимов - канд. техн. наук, зам. ген. директора ФКП «Авангард», ibragimovra@gmail.com.
© N. A. Pokalyuhin - candidate of chemical sciences, professor of department of TSCC in KNRTU; S-А. Kabirov - candidate of technical sciences, a researcher in KNRTU, bimetal@rambler.ru; V. N. Savagin - candidate of chemical sciences, professor of department of KNRTU А. А. Ibragimov - general director of FSOE 'Avangard"; R. А. Ibragimov - candidate of technical sciences, deputy general director of FSOE "Avangard", ibragimovra@gmail.com.
