CC BY
18
УДК 661.525
Т. Л. Диденко, Д. Р. Тахавиева
ТЕРМОСТАТИРОВАНИЕ АММИАЧНО-СЕЛИТРЕННЫХ ШАШЕК
Ключевые слова: аммиачная селитра, нитрат цезия, шашки, прессование, термостатирование, полиморфные превращения.
Исследовано поведениеаммиачно-селитренных шашек при термостатировании.Полиморфные превращения аммиачной селитры сопровождаются изменением объёма, который приводят к разрыхлению изделий, разрушению оболочки. Для стабилизации в состав вводили до 10% нитратов цезия.Запрессованные шашки подвергались термостатированию при температуре 50°C в течение 10 циклов. В результате анализа данных по термостатированию составов и кривых дифференциальной сканирующей калориметрии оптимизировано содержание стабилизирующей добавки.
Keywords: ammonium nitrate, cesium nitrate, checkers, pressure, thermostating, polymorphic transformations.
The behavior of ammonium nitrate checker sisinvestigated at thermostating. Polymorphic transformations of ammonium nitrate is followed by change of volume, which is led to a loosening of products, destruction of a cover. To stabilize the composition was administered to a 10% cesium nitrate. Pressed checkers were exposed to a thermostating at a temperature of 50 °Cfor 10 cycles. The analysis of the compositions and thermostating curvesofdifferential scanning calorimetrythe optimized content of stabilizing additives.
Аммиачная селитра (АС) является одним из основных компонентов промышленных взрывчатых веществ (ПВВ), выступая в этой многокомпонентной системе в качестве окислителя [1]. В чистом виде она содержит 35% азота, 5% водорода и 60% кислорода, 20% которого выделяется в свободном состоянии при полном ее разложении. Из имеющегося многообразия кислородоносителей аммиачная селитра используется как окислитель самостоятельно, либо в сочетании с другими окислителями практически во всех известных и широко используемых во взрывном деле ПВВ.АС является сравнительно недорогим доступным сырьем.
Аммиачная селитра обладает полиморфными превращениями, для нее характерны некоторые формы (табл. 1) [2]. Полиморфные превращения
Таблица 1 - Полиморфные модификации аммиачной
сопровождаются скачкообразным изменением объёма, что может привести к изменению структуры шашек и разрушению оболочки.
Цельюданной работы определить влияние нитрата цезия на стабилизацию поведенияаммиачной се-литрыпри хранении.
Были изготовлены составы на основе смеси высушенной аммиачной селитры с добавкой нитрата цезия 1%, 3%, 5%, 10%. Дозировали и засыпали в пресс-инструмент. Массу рассчитывали по формуле [3]:
те-с!^
т = р--4— •Кб,
где р - плотность вещества, г/см3; фб-диаметр сборки, см; Ьсб - высота сборки, см.
Сборка представлена на рисунке 1.
Сингония Диапазон из- Вид симметрии Параметр кри- Объём кристал- Теплота Плотность, г/см3
менения тем- сталлическои ре- лическои ячеики перехода,
пературы, °С шетки, А; 10" 10 м 10-10 м кДж/кг
a b c
I 169,6 - 125,2 Кубическая 4,40 4,40 4,40 85,2 68,03 1,55
II 125,2 - 84,2 Тетрагональная 5,75 5,75 4,95 163,7 52,83 1,6
III 84,2 - 32,3 Ромбическая моноклинная 7,06 7,66 5,80 313,7 16,75 1,68
IV 32,3 - (-17) Ромбическая би-пирамидальная 5,75 5,45 4,96 155,4 19,89 1,70
V (-17) - (-50) Тетрагональная 8,03 8,03 9,83 633,8 6,7 1,72
Прессовали при давлении 147 МПа с ограничителем, который препятствует дальнейшему продвижению пуансона в матрицу и обеспечивает получение постоянства заданной высоты шашки. Удельное давление (Руд) рассчитывали по формуле:
где Рман - манометрическое давление, атм.; Бпл -диаметр плунжера, см.
После прессования измеряли геометрические параметры (И, ф для определения объёма шашки. Результаты представлены в таблице 2.
Готовые шашки помешали в колбу и выдерживали в сушильном шкафу при температуре 50°С в течение часа. Рассчитывали объем шашек. Шашки подвергались термостатированию в течение 10 циклов. После каждого цикла измеряли геометрические размеры и рассчитывали объём шашек по формуле:
п^2 _
V = h--, смл
4
Расчетные данные занесены в таблицу 3.
Рис. 1 - Сборка пресс-инструмента для термоста-тирования шашек: 1 - пуансон, 2 - ограничитель, 3 - матрица, 4 - поддон, 5 - состав
Для достоверности были проведены два параллельных опыта термостатирования шашек одинакового состава и аммиачной селитры. По усредненным данным построены графические зависимости изменение объёма шашек при термостатировании (рис.2).
Рис. 2
Количество циклов
Изменение объёма аммиачно-
селитренных шашек с различным содержанием нитрата цезия при термостатировании: 1 - без добавки, 2 - 1%СвМ03, 3 - 3%СвМ03, 4-5%СвМ03, 5 - 10%СвМ03
Таблица 2 - Экспериментальные данные термостатирования шашек
№ о п ы т а Наименование Исходные 1 цикл 3 цикла 5 циклов 7 циклов 10 циклов
т, г Ь0, мм ¿0,мм Ьь мм ¿1, мм Ь2, мм ¿2, мм Ь3, мм ¿3, мм Ь4, мм ¿4, мм Ьз, мм ¿5, мм
1 АС 3,69 13,82 15,20 14,30 15,75 14,98 16,46 15,64 17,21 16,26 17,82 17,15 18,97
2 3,69 13,86 15,23 14,28 15,68 15,01 16,40 15,74 17,16 16,47 17,85 17,39 18,88
1 АС + 1% ОБЫОЗ 3,69 13,86 15,20 14,23 15,55 14,88 16,23 15,58 17,03 16,21 17,74 17,26 18,36
2 3,68 13,86 15,21 14,23 15,56 14,86 16,25 15,57 17,43 16,17 17,61 17,19 18,27
1 АС + 3% ОБЫОЗ 3,73 13,86 15,22 14,03 15,35 14,18 15,53 14,29 15,68 14,41 15,75 14,54 15,93
2 3,69 13,86 15,20 14,04 15,35 14,21 15,51 14,34 15,70 14,47 15,79 14,63 16,00
1 АС + 5% ОБЫОЗ 3,67 13,86 15,19 13,87 15,19 13,89 15,20 13,90 15,20 13,91 15,22 13,94 15,22
2 3,64 13,83 15,19 13,80 15,19 13,82 15,20 13,88 15,20 13,85 15,21 13,87 15,21
1 АС + 10 о/ООБЫОз 3,68 13,86 15,21 14,07 15,43 14,10 15,42 14,16 15,48 14,23 15,57 14,28 15,62
2 3,71 13,86 15,21 14,09 15,41 14,13 15,48 14,19 15,57 14,28 15,65 14,34 15,71
Таблица 3 - Расчетные данные шашек
№ опыта Наименование Объём шашек, см3 VIII/V VV/V
Исходный, V 1 цикл, V1 3 цикла, V11 5 цикла, 7 цикл, ^ 10 цикл, VV
1 АС 2,51 2,78 3,19 3,64 4,05 4,84 1,45 1,93
2 2,52 2,76 3,17 3,64 4,12 4,87 1,44 1,93
ср 2,52 2,77 3,18 3,64 4,09 4,86 1,45 1,93
1 АС + 1% ОБЫОЗ 2,51 2,70 3,08 3,55 4,00 4,57 1,41 1,82
2 2,52 2,70 3,08 3,71 3,94 4,50 1,47 1,79
ср 2,52 2,70 3,08 3,63 3,97 4,54 1,44 1,81
1 АС + 3% ОБЫОЗ 2,52 2,60 2,68 2,76 2,81 2,90 1,10 1,15
2 2,51 2,60 2,69 2,77 2,83 2,94 1,10 1,17
ср 5,52 2,60 2,69 2,77 2,82 2,92 1,10 1,16
1 АС + 5% ОБЫОЗ 2,51 2,51 2,52 2,52 2,53 2,53 1,00 1,01
2 2,50 2,50 2,51 2,52 2,52 2,52 1,01 1,01
ср 2,51 2,51 2,52 2,52 2,53 2,53 1,01 1,01
1 АС + 10%ОБМОз 2,52 2,63 2,63 2,66 2,71 2,74 1,06 1,09
2 2,52 2,63 2,66 2,70 2,75 2,78 1,07 1,10
ср 2,52 2,63 2,65 2,68 2,73 2,76 1,07 1,10
На графической зависимости видно, что изменение объёма высушенной АС в течение 10 циклов имеет форму гиперболы, объём увеличивается практически в 2 раза, что приводит к разрушению шашек. Визуально наблюдали, что в течение 10 циклов структура шашек становилась более пористой, а после 10 цикла шашки разрушились.
Графическая зависимость изменения объёма состава с содержанием 1% нитрата цезия также имеет форму гиперболы. Объём увеличивается в 1,81 раза, шашка также подвергается к разрушению.
При добавке нитрата цезия 3% и 10% в составы объём изменяется очень плавно, отношение объёма после 10 цикла к исходному (У¥/У) шашек (АС + 3% нитрат цезия) составляет 1,16, а для состава АС + 10% нитрат цезия У¥/У изменяется в 1,10 раз, и шашки практически не разрушаются.
В течение 10 циклов термостатирования шашки, состоящие из 95% АС и 5% нитрата цезия, не изменяются в объёме.
Методом дифференциальной сканирующей калориметрией (ДСК) исследованы составы аммиачной селитры с различными процентными содержаниями СэЫОз. На всех кривых ДСК, которые пред-ставленына рисунке 3, при нагревании составов содержащих стабилизирующую добавку присутствует только 3 пика характеризующие полиморфные переходы, а у АС - 4 пика. Первый пик в области 46°С характеризующий переход III—IV у исходной АС смещается в область более высоких температур в составах, содержащих 1%СэМО3 на 6°С, 3%СэМО3 - на 2°С, а при содержании 10% СэМО3 в область более низких температур на 2°С. При содержа-нии5% нитрата цезия данный переход характеризуется полосой сложного контура, который состоит из двух пиков в области от 34,75°С до 38,63°С. На кривой ДСК аммиачной селитры пик в области 88°С соответствует стабильному переходу II—III. На кривых составах, содержащих стабилизирующую добавку, пик в данной области отсутствует, следовательно, добавка нитрата цезия преобразует стабильный переход III—IV в метастабильный II—IV. Анализируя, пик в области ~ 127°С соответствует переходу I—II, а также пик в области ~ 170°С характеризующий процесс плавления мы видим, что температурный интервал процесса, а также выделяемой энергии различаются незначительно. Ранее в статье [4] подробно исследованы полиморфные превращения, протекающие в составах на основе АС.
В результате анализа данных по термостатиро-ванию составов и кривых дифференциальной сканирующей калориметрией выявлено, что нитрат цезия действительно является стабилизирующей добавкой для АС, ликвидирует нежелательный переход
III—IV, трансформируя его в метастабильный переход II—IV, протекающий при температуре примерно 50°С, и оптимальным содержанием нитрата цезия является 3%.
Рис. 3 - Кривые дифференциальной сканирующей калориметрии: 1 - АС, 2 - АС + 1%СвМО3, 3 - АС + 3%СвМО3, 4- АС + 5%СвМО3, 5-АС + 10%СвМО3
Литература
1.Дубнов Л.В. Промышленные взрывчатые вещества / Л.В.Дубнов, Н.С.Бахаревич, А.И. Романов. - М.: Недра, 1988.
2.Физико-химические методы исследования полиморфных превращений и морфологических особенностей различных марок промышленной аммиачной селитры: метод. указания / сост. В. А. Ахмедшина, Т. Л. Диденко. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2007. - 40 с.
3.Сизов Е.Г., Беховых Ю.В. Механика и молекулярная физика: лабораторный практикум. Барнаул: Изд-во АГАУ, 2011. 108 с.
4.Т.Л. Диденко, Д.Р. Тахавиева, Вестник технол. ун-та, Т.18, №23, 19-22 (2015).
© Т. Л. Диденко - к.х.н., доцент каф. ТТХВ КНИТУ, [email protected]; Д. Р. Тахавиева - магистрант гр.115-М9 каф. ТТХВ КНИТУ, [email protected].
© T. L. Didenko - Ph.D., Department of technology of solid chemical substances KNRTU, [email protected]; D. R. Takhavieva - graduate student 115-M9 gr. Department of technology of solid chemical substances KNRTU, [email protected].
