Влияние химического состава окислительной фазы эмульсии ЭВВ на взрывчатые характеристики при их сенсибилизации пластиковыми полимикросферами Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

© С.А. Горинов, И.Ю. Маслов, 2011

УДК 662.217

С.А. Горинов, И.Ю. Маслов

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ ФАЗЫ ЭМУЛЬСИИ ЭВВ НА ВЗРЫВЧАТЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИ ИХ СЕНСИБИЛИЗАЦИИ ПЛАСТИКОВЫМИ ПОЛИМИКРОСФЕРАМИ

Рассмотрено влияние химического состава окислительной фазы эмульсии ЭВВ на взрывчатые характеристики при их сенсибилизации пластиковыми полимикросферами.

Ключевые слова: эмульсионные матрицы, взрывчатые вещества, пластиковые микросферы, скорость детонации.

ЖЭ настоящее время горнодобывающие предприятия применяют эмульсионные -Я.З взрывчатые вещества, имеющие окислительную фазу различной химической природы (на базе только МИ^ИОз, а также МИ^Оз + ЫаЫОз и МИ^Оз + Са(МОз)2). Известно [1, 2] что химический состав окислительной фазы ЭВВ оказывает существенное влияние на детонационные характеристики ЭВВ, сенсибилизированные газовыми пузырьками или стеклянными микросферами. Оценка влияния химического состава окислительной фазы на взрывчатые характеристики ЭВВ сенсибилизированные пластиковыми полимикросферами ранее не рассматривалась. Однако разрешение данного вопроса является необходимым для обоснования выбора химического состава окислительной фазы для матричной эмульсии при создании рассматриваемого вида ВВ.

Данная работа посвящена оценке влияния химического состава окислительной фазы эмульсионной матрицы на взрывчатые характеристики эмульсионных взрывчатых веществ сенсибилизированных пластиковыми полимикросферами.

В основу методики положены закономерности, следующие из законов сохранения энергии и импульса [2-6].

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

где Ат - начальные вещества; X - газообразные продукты взрыва; У}- - твердотельные продукты взрыва; ат, Ь, f ■ - мольные коэффициенты.

Удельная теплота взрыва QV на основании (1) в соответствии общепринятой методикой [7], равна

(1)

(2)

где Q('PZ), кДж/моль - стандартная теплота образования вещества Z ; G - масса вещества вступившего в реакцию; АЬ -количество молей газообразных продуктов взрыва.

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

a=G [i ba+i fjaj ], (3)

где ai( j) - коволюм i( j) - вещества.

Согласно [2-5] скорость детонации D и давление в т. Чепмена-Жуге P* определяется выражением:

D2 =__________2(k + 1)QV________ (4)

c(1 - ^apT)(1 -IBj)

k т j

газ

P* = Pl d 2 (5)

k + 1

Г в Y1

где P0- = Po(1 -I B. ) 1 - Po I B (6)

i I i Pi J

аг( j) - коволюм i( j) - вещества; Qv - теплота взрыва; - массовая доля i -твердого вещества в продуктах взрыва; p - плотность i -твердого вещества в продуктах взрыва; с - отношение средней мольной теплоемкости продуктов детонации при температуре взрыва к универсальной газовой постоянной.

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

В случае сенсибилизации ЭВВ пластиковыми микросферами начало развития детонационного процесса обусловлено схлопыванием поверхностных микропор [6]. Величина po при этом определяется из уравнения [6]

р0 = zэфф [p00 + РэмХвозд \ + рэм (1 - zэфф ) , (7)

где р00 - начальная плотность ВВ, рэм - плотность эмульсии; Хвозд - пористость ЭВВ, обусловленную воздухом, подхваченным при смешении полимикросфер с эмульсией;

эффективная пористость ЭВВ zэфф = 1--------— (1 - z) , RvaH - радиус полимикросфе-

Rгран

ры. Ro - радиус микропоры, z - относительное уменьшение объема поверхностной поры.

Величина z для поверхностных микропор определяется из уравнения [5]

х:&+

і—

2р

Зр,

-1

V

7тАГ 21С„

Я

М2рс

х^. +

2Р,

Зр,

-1

V 2э

(8)

где - радиус микропоры, А - размер частиц эмульсии; р - величина фронтального давления детонационной волны; рс, Лс, Сс - плотность, коэффициент теплопроводности и удельная теплоемкость аммиачной селитры соответственно; Ц

- внутренний коэффициент трения аммиачной селитры; рэ - плотность матрицы ЭВВ; х°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:

аг =

г +

2 2

(1 + К)-Г

Г

(9)

О /

где Т* = 523 К (температура начала автокаталитической реакции разложения аммиачной селитры [1]); '№1 и '№2 - удельные площади пленок воды и аммиачной селитры на поверхностях трещин сдвига соответственно; L1 и L2 - удельные теплоты парообразования воды и разложение аммиачной селитры соответственно; ks - коэффициент термоактивности

А

\сірі

(10)

КСэРэ ’

(К, с^ р1 - коэффициент теплопроводности, теплоемкость и плотность газов в пузырьке (в ударной волне); Хэ, сэ, рэ - коэффициент теплопроводности, теплоемкость и плотность эмульсии);

8(у -1)

(ж - и)2

(11)

(у1 +1) Я

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

У +1

величина р1 равна: р1 = р1

У-1

(рО - начальная плотность газов в пузырьке).

1

6

О

=

6

1

с

э

Рис. 1. Зависимость скорости детонации от плотности ЭВВ при различных химических составах окислительной фазы эмульсии

Система уравнений (1)-(12) позволяет учесть влияние химического состава окислительной фазы эмульсии ЭВВ на взрывчатые характеристики эмульсионных взрывчатых веществ сенсибилизированных пластиковыми полимикросферами.

Рассматривались ЭВВ, имеющие следующие составы эмульсионных матриц:

- состав №1 (N^N0^79,8 %, Н20 - 15 %, топл. фаза -5,2 %).

- состав №2 (N^N0^45 %, Са(Шз)2 - 32 %, Н2О - 15 %, топл. фаза - 8,0 %).

- состав №3 (N^N03-62,8 %, NaN0з - 16,4 %, Н2О -14,4 %, топл. фаза -6,4 %).

Сенсибилизация осуществляется гранулами пено-полистирола. Радиус гранулы 1,5 мм, радиус единичной поры в грануле 60 мкм, насыпная плотность пенополисти-рола 0,05 г/см3. При расчетах Рис. 2. Зависимость давления в т. Чепмена-Жуге от полагали, что объем «подхва-

плотности ЭВВ при различных химических составах ченного» воздуха при смеше-

окислительной фазы эмульсии нии матричной эмульсии с

полимикросферами пропорционален объему вводимых полимикросфер.

Величина Хадй изменяется для составов №1 и №3 от 0,18 до 0,05 при увеличении плотности ЭВВ от 0,5 г/см3 до 1,0 г/см3, а для состава № 2 от 0,20 до 0,07 при увеличении плотности ЭВВ от 0,5 г/см3 до 1,0 г/см3.

Размер глобул эмульсии состава №1: 5 мкм.

Размер глобул эмульсии состава №2: 3,8 мкм.

Размер глобул эмульсии состава №3: 5 мкм.

На рис. 1-3 приведены расчетные зависимости скорости детонации, давления во взрывных газах в т. Чепмена-Жуге, коэффициента политропы продуктов взрыва от плотности ЭВВ при различных химических составах окислительной фазы ЭВВ. Штриховой линией на рис. 1 обозначена область неустойчивой детонации.

Анализ полученных зависимостей показывает:

Рис. 3. Зависимость коэффициента политропы продуктов взрыва от плотности ЭВВ при различных химических составах окислительной фазы эмульсии

- величина коэффициента политропы газообразных продуктов взрыва для составов №1 и №3 при равных плотностях ВВ практически совпадает и выше чем указанный показатель для состава №2;

- наивысшая скорость детонации наблюдается для состава №1. Состав №2 достигает скорости детонации состава №1 при существенно более высоких плотностях ВВ. Скорость детонации состава № 3 наименьшая;

- давление во взрывных газах в т.Чепмена-Жуге удовлетворяет ряду Р(состав № 1)> Р(состав № 2)> Р(состав № 3).

Аномальное поведение скоростей детонации (слабая зависимость от плотности) для составов №1 и №2 объясняется принятой в расчете закономерностью аэрации ВВ при их изготовлении. Однако, как показывают дополнительные расчеты, зависимость давления во взрывных газах от плотности остается практически неизменной при рассмотрении других закономерностей аэрации.

Приведенные расчеты показывают, что наилучшие взрывчатые характеристики при сенсибилизации ВВ пластиковыми полимикросферами будут иметь ЭВВ с окислительной фазой на базе только аммиачной селитры (так называемый «монораствор»).

Полученные выводы представляются важными при проектировании и применении рассматриваемого вида ВВ (ЭВВ, сенсибилизированного пластиковыми полимикросферами).

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

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. Влияние химической природы окислителя на детонационные характеристики ЭВВ. Горинов С.А., Куприн В.П., Коваленко И.Л., Собина Е.П.// В кн.: Развитие ресурсосберегающих технологий во взрывном деле. III Уральский горно-промышленный форум.- Екатеринбург, 2010 С. 191201.

3. 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.

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. Горинов С.А., Маслов И.Ю. Оценка детонационных параметров эмульсионных взрывчатых веществ сенсибилизированных пластиковыми полимикросферами. // ГИАБ, 2011 (в печати).

7. Баум Ф.А., СтанюковичК.П., ШехтерБ.И. Физика взрыва.- М.: Физматгиз, 1959. 800 с.

8. Власов О.Е. Основы теории действия взрыва. М.: Изд-во ВИА, 1957. 408 с. шгд=1

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ ------------------------------------------

Горинов С.А. - кандидат технических наук, [email protected]

Маслов И.Ю. - генеральный директор, «Спецхимпром», г. Москва, ilmaslov @таі1.ги