Оценка детонационных параметров эмульсионных взрывчатых веществ сенсибилизированных пластиковыми полимикросферами Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 662.217

С.А. Горинов, И.Ю. Маслов

ОЦЕНКА ДЕТОНАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭМУЛЬСИОННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ СЕНСИБИЛИЗИРОВАННЫХ ПЛАСТИКОВЫМИ ПОЛИМИКРОСФЕРАМИ*

Представлена методика расчета основных детонационных параметров эмульсионных взрывчатых веществ сенсибилизированных пластиковыми полимикросферами. Наблюдается согласие расчетных и экспериментальных данных.

Ключевые слова: детонационные параметры, пластиковые поли-микроферы, эмульсионные взрывчатые вещества.

The design procedure of the basic detonation parameters of emulsive explosive materials of sensibilization sphere is presented. The good consent received settlement and experimental data is shown.

1. Введение

В настоящее время при осуществлении щадящего взрывания начинают применяться эмульсионные ВВ сенсибилизированные пластиковыми полимикросферами [1]. Однако методики расчета детонационных параметров данного вида ВВ не существует, что осложняет их применение и распространение. Данная работа посвящена оценке детонационных параметров эмульсионных взрывчатых веществ сенсибилизированных пластиковыми полимикросферами.

2. Методика расчета детонационных параметров

В основу методики положены закономерности, следующие из законов сохранения энергии и импульса [2-5].

Допустим, что при детонации рассматриваемых ЭВВ происходит химическая реакция согласно уравнению (состояние в т. Чемпена-Жуге):

I *,Л, = I biX.+ZfjY,. (1)

*Работа выполнена под методическим руководством проф. Б.Н. Кутузова

где Ат - начальные вещества; Х1 - газообразные продукты взрыва; У. - твердотельные продукты взрыва; ат, Ъ, / - мольные коэффициенты.

Удельная теплота взрыва О, на основании (1) в соответствии общепринятой методикой [6], равна:

X ; О - масса вещества вступившего в реакцию; ЛЪ -количество молей газообразных продуктов взрыва.

В соответствии с предположением О.Е. Власова среднее значение коволюма взрывных газов определяется по формуле [7]:

где аи.) - коволюм / (у) - вещества.

Предварительные расчеты показали, что выполняется следующее условие:

где Vн - удельный объем взрывных газов в т. Чепмена-Жуге

Соотношение (4) согласуется с данными [6, 8]. Данное обстоятельство позволяет описывать взрывные газы законом Ван-дер-Ваальса. При этом, учитывая (4), в соответствии с предположением О.Е. Власова [7] будем считать, что величина а определяется согласно уравнению (3), т.е. определяться больше упаковкой, чем деформацией молекул. Тогда:

О,- = О[Ъ[ + 2а,0Ат + 2,48Лъ], (2)

где Ор), кДж/моль - стандартная теплота образования вещества

(3)

(4)

где Рн - давление взрывных газов в т. Чемпена-Жуге; Тн - температура взрывных газов в т. Чемпена-Жуге; ц - средняя молярная масса взрывных газов.

Аппроксимируем кривую Гюгонио для взрывных газов Р = Р (V) в соответствии с предложением Л.Д. Ландау, К.П. Станюковича [6] двухполитропным приближением:

при ¥н < V < V*,

при V > V*,

(6)

где V* — удельный объем продуктов взрыва в точке сопряжения

политропы; к - показатель политропы взрывных газов; у — коэффициент адиабаты.

Пренебрегая потерями тепла в процессе непосредственного детонационного разложения ВВ, на основании уравнения теплового баланса имеем следующее равенство:

£'(Тв) + 3£] = 00,

т

-і- о

'V ’

(7)

где ТВ - температура взрыва (температура, которую имеют продукты взрыва при мгновенном выравнивании давления в них);

- количество атомов в твердотельном / веществе; с’,Х‘) (ТВ ) -

мольная теплоемкость Х1 - газа при температуре ТВ, определяемая на основании соотношений Эйнштейна-Дебая [6].

На основании уравнений (5) и (7) получаем:

О = с Б2 2(к +1)

к +1

(1—кр ар? )(1—),

где в - удельная масса /-твердого продукта взрыва, ро‘ чальная плотность газообразных продуктов взрыва. Величину у находим из уравнений (5) - (7):

(8)

на-

где с^Х'^ (Т) - относительная мольная теплоемкость Х1 — газа

при температуре Т*; Т* — температура взрывных газов в точке сопряжения.

В рамках двухполитропной аппроксимации в соответствии с законом сохранения энергии, при условии несжимаемости твердых продуктов реакции, получаем:

где К+ — параметр, характеризующий объем газообразных продуктов взрыва в точке сопряжения при двухполитропном описании Р = Р(У) газообразных продуктов взрыва (на основании эмпирических данных К+ « 4,4 [6]); и - приращение скорости движения продуктов взрыва во фронте детонационной волны; р00 -

(11)

V*—1) Ел

(

1 1

(

1 1

Л

Л

X

Р00 } Р1 ) )

\

\

\

начальная плотность ВВ; р0 - плотность ВВ в момент начала разложения. При этом начальная плотность газообразных продуктов взрыва:

рГ =Ро(1 -р,)

1 -Ро

, рі У

(12)

Величина и/В определяется на основании закона сохранения импульса и в данном случае равна:

и

Б

((

1

1 \ У

\

V роо р

о У

к -Х-Р

, рі У

Г

к

—+Е-

Ро , Р, у

(13)

На основании соотношений (6)-(8) можно показать, что скорость детонации равна:

2(* + Х^у

Б2 =

— к +1

С (1 -——)(1 -Ев,)

(14)

а давление газообразных продуктов взрыва в точке Чепмена-Жуге:

Р* =—- Б 2. к +1

(15)

Таким образом, для определения детонационных характеристик ВВ необходимо знание величины ро .

Согласно [2-5] для ЭВВ и гранэмитов величина ро определяется из уравнения:

Ро = — + (1 - *) —*. (16)

где р00 - начальная плотность ВВ; р0 - плотность ВВ беспоровая; г - отношение пористости ВВ в момент начала взрывного разложения к начальной пористости.

В [2, 3] величина р0 определялась на основании теории симметричного схлопывания пузырьков в вязкой однородной несжи-

маемой жидкости. В [4, 5] при определении величины р0 учитывалась ассиметричность схлопывания газовых пузырьков и стеклянных микросфер при втекании в них эмульсии.

В случае сенсибилизации ЭВВ пластиковыми микросферами необходимо учитывать, что начало развития детонационного процесса может быть обусловлено при схлопывании поверхностных микропор. Данное явление возможно, если радиус микропор, из которых состоит пористая гранула, будет превосходить величину критического радиуса поры, при которой возможно ее ускоренное схлопывание. Величина данного радиуса может быть найдена по формуле [10]:

Р = 8,4^эм (17)

^крит - I р • (17)

>/Рэм Р/

Для характерных значений параметров, входящих в (17) Ркрит ~ 5 мкм. При использовании в качестве полимикросфер

гранул пенополистирола при насыпной плотности от 50 кг/м3 до 150 кг/м3, радиус поры составляет 40-80 мкм. Данное обстоятельство, как будет показано ниже, обуславливает, что начало детонационного процесса при сенсибилизации ЭВВ гранулами пено-полистирола инициируется схлопыванием поверхностных пор гранулы. Относительное изменение объема поверхностных пор может быть найдено из соотношений, предложенных в работах [4-5] для определения величины г .

Следовательно, в данном случае г для поверхностных мик-ропор определяется из уравнения:

Хэо А +

1 —

2Р- V-I -Г

3р* V гэ у

гэ =

у

пАТ 2ЛсСс

6

X

(18)

где Яо - радиус микропоры, А - размер частиц эмульсии; Р^ -величина фронтального давления детонационной волны; рс, Лс, Сс - плотность, коэффициент теплопроводности и удельная теплоемкость аммиачной селитры соответственно; /и - внутренний коэффициент трения аммиачной селитры; рэ - плотность матрицы ЭВВ; %°э- пористость эмульсионной составляющей ВВ, обусловленная полимикросферами; АТ - подъем температуры ЭВВ вследствие трения, необходимый для начала реакции взрывного горения.

Величина АТ определяется, исходя из уравнения:

где Т* = 523 К (температура начала автокаталитической реакции разложения аммиачной селитры [1]); п,1 и ^2 - удельные площади пленок воды и аммиачной селитры на поверхностях трещин сдвига соответственно; Ь1 и Ь2 - удельные теплоты парообразования воды и разложение аммиачной селитры соответственно; кЕ - коэффициент термоактивности:

с - .

V сэ у V 1о У

(19)

(20)

(Л1, с1, р1 - коэффициент теплопроводности, теплоемкость и

плотность газов в пузырьке (в ударной волне); Лэ, сэ, рэ - коэффициент теплопроводности, теплоемкость и плотность эмульсии);

где Я - универсальная газовая постоянная; Ж - массовая скорость вещества ВВ за фронтом ударной волны, и - приращения массовой скорости [2] (у1, и коэффициент адиабаты, средний молекулярный вес газов пузырька соответственно);

(рО - начальная плотность газов в пузырьке).

Эффективное значение 2эфф для ЭВВ сенсибилизированного

полимикросферами определяется из геометрических соображений и равно:

Ягран - радиус полимикросферы.

Дополнительно при определении величины ро необходимо

учитывать, что в процессе смешения эмульсии с полимикросферами неизбежен захват воздуха, который в процессе перемешивания диспергируются. Размер получаемых воздушных пузырьков определяется величиной «межжернового» расстояния - толщиной масляной пленки между глобулами и межгранульным расстоянием. Характерная толщина пленки согласно [1] порядка 1 мкм, а минимальная величина межгранульного расстояния примерно 0,2-Ягран. При Ягран ~ 1,5 мм радиус больших воздушных

включений будет составлять величину 250-350 мкм. Т.к. радиус

(21)

величина р1 равна: р1 = р°

Гі +1

(22)

Ух -1

(23)

мелких воздушных включений меньше Якрит, а больших воздушных включений значительно превосходит радиус микропоры, то данные воздушные включения не играют роль, возбуждающих детонационный процесс «горячих точек». Первые - из-за проявления вязкостных свойств среды [10], а вторые - из-за того, что детонационный процесс инициируется при схлопывании поверхностных пор полимикрогранул раньше, чем он может быть инициирован схлопыванием больших воздушных пузырьков.

Следовательно, воздушные включения, образовавшиеся в ЭВВ в процессе смешения, не могут быть очагами эффективного разогрева. Однако они существенно увеличивают сжимаемость ЭВВ и должны быть учтены при определении ро .

Обозначим через Хвозд - пористость ЭВВ, обусловленную воздухом, подхваченным при смешении полимикросфер с эмульсией. Тогда величина ро определится из уравнения:

Система уравнений (1)-(24) полностью решает поставленную задачу по определению основных детонационных параметров ЭВВ сенсибилизированных пластиковыми полимикросферами.

3. Сравнение расчетных и экспериментальных данных

Для проверки предложенной методики были проведены опытные взрывы. Готовили смеси эмульсии на базе аммиачной селитры (состав - КН4К03 - 79,8 %, Н20 - 15 %, эмульгатор - 1,5 %, индустриальное масло - 3,7 %) с гранулами пенополистирола (эмульпоры «НП»):

• «НП-40» (4 об.ч.эмульсии + 3 об.ч.пенополистирол), плотность = 0,841г/см3;

• «НП-50» (1 эм + 1 ппс), плотность = 0,731 г/см3;

• «НП-60» (3 эм + 4 ппс), плотность = 0,718 г/см3.

Плотность исходной эмульсии Порэмита-1А = 1,328 г/см3.

Насыпная плотность пенополистирола = 0,120 г/см3. Размер гранулы пенополистирола - 3 мм.

Каждая марка изготовленного эмульпора «НП» заряжалась в картонные гильзы диаметрами 120, 140 и 160 мм, длиной 85 см. Всего изготовлено 9 удлиненных зарядов.

Во всех случаях, в качестве промежуточного детонатора применялась шашка-детонатор РУВ^50, обмотанная 1 м. ДШЭ. Инициирование электродетонатором ЭДКЗПМ. Было взорвано 9 гильз.

При взрывании каждого заряда определялись скорость детонации (прибор «VOD Mate Instantel»).

В табл. 1 представлено сравнение экспериментальных и расчетных данных. При расчетах принималось, что А = 10 мкм,

R^aH = 1,5 м^ Rпop = 60 мк^ ^возд = 0,139 при РэВВ = 0,71S;

^возд = 0,19S при РэВВ = 0,73І; ^возд = 0,135 при РэВВ = 0,S31, плотность паров пентана, заполняющих внутренность микропор = 3,23 кг/м3.

Таблица І

Сравнение экспериментальных и расчетных значений скорости детонации

Диа- метр заряда, мм Скорость детонации, м/с

Плотность ВВ, 0,71S г/см3 Плотность ВВ, 0,731 г/см3 Плотность ВВ, 0,S41 г/см3

расчет экспер. расчет экспер. расчет экс- пер.

160 3516 3453 3530 - 3514 3571

140 3236 3233 3249 3050 3235 315S

120 2939 2924 2951 3021 293S 292S

Из табл. 1 следует, что наблюдается хорошее согласие между расчетными и экспериментальными данными. Следовательно, предложенная методика расчета детонационных параметров ЭВВ сенсибилизированных пластиковыми полимикросферами представляет интерес при производстве и применении указанного вида ЭВВ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Колганов Е.В., Соснин В.А. Эмульсионные промышленные взрывчатые вещества. 1-я книга (Составы и свойства). Дзержинск Нижегородской области, издательство ГосНИИ «Кристалл», 2009. 592 с.

2. Горинов С.А., Куприн В.П., Коваленко И.Л. Оценка детонационной способности эмульсионных взрывчатых веществ// В кн.: Высокоэнергетическая обработка материалов. - Днепропетровск: Арт-пресс,

2009. - с. 18-26.

3. Влияние химической природы окислителя на детонационные характеристики ЭВВ. Горинов С. А., Куприн В.П., Коваленко И.Л., Со-бина Е.П.// В кн.: Развитие ресурсосберегающих технологий во взрывном деле. III Уральский горно-промышленный форум. - Екатеринбург,

2010. - С. 191-201.

4. Горинов С.А. Теоретическая оценка детонационных параметров гранэмитов. // ГИАБ, 2010, № 8, С. 121-130.

5. Кутузов Б.Н., Горинов С.А. Физико-технические основы создания эмульсионных и гранулированных ВВ и средств их инициирования. // ГИАБ, 2011 (в печати).

6. Баум В.А. Станюкович К.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва. М.: Физматгиз, 1959. 800 с.

7. Власов О.Е. основы теории действия взрыва. М.: Изд-во ВИА, 1957. 408 с.

8. КукМ.А. Наука о промышленных ВВ. М.: Недра, 1980. 453 с.

9. Чедвик П., Кокс А., Гопкинсон Г. Механика глубинных подземных взрывов. М.: Мир, 1966.

10. Забабахин Е.И. Заполнение пузырьков в вязкой жидкости. // Прикладная математика и механика. Т. XXIV, вып. 6. С. 1129-1131.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Горинов Сергей Александрович - кандидат технических наук, старший научных сотрудник Института горного дела УрО РАН, Екатеринбург, [email protected]

Маслов Илья Юрьевич — директор ООО «Спецхимпром», Москва, [email protected]