Характеристика взрывчатых превращений некоторых ВВ

Классификация взрывов

По своей природе взрывы делятся на несколько видов.

ФИЗИЧЕСКИЕ, при которых происходят только физические преобразования без изменения химического состава веществ (беспламенное взрывание с помощью жидкой углекислоты и сжатого воздуха, взрывы паровых котлов, баллонов со сжиженным газом, электрические разряды и т.д.).

ХИМИЧЕСКИЕ, при которых происходят чрезвычайно быстрые окислительные химические реакции с образованием новых соединений, выделением тепла 3400—6000 кДж/кг и газов 700—1000 л/кг ВВ (взрывы ВВ, метана, паров горючих, угольной или другой органической пыли).

ЯДЕРНЫЕ, при которых происходят цепные реакции деления ядер с образованием новых элементов. В настоящее время реализуются два способа выделения атомной энергии при взрыве: превращение тяжелых ядер в более легкие (радиоактивный распад и деление атомных ядер урана и плутония) и образование из легких ядер более тяжелых (синтез атомных ядер). Например, при термоядерном взрыве из тяжелого водорода образуется гелий. При ядерном и термоядерном взрыве выделяется в миллионы раз больше тепла на единицу взрываемого материала, чем при химическом (6,8×10¹⁰ кДж/кг при ядерном и 4,19×10¹¹ кДж/кг при термоядерном взрыве). Эти взрывы являются наиболее мощными из применяемых и известных человечеству в настоящее время.

При взрывных работах в промышленности применяются химические взрывы ВВ. Рассматриваются возможности применения ядерных взрывов для вскрытия крупных месторождений, расположенных в отдаленных районах на значительной глубине (120 м и более), для глубинного дробления огромных объемов пород с целью последующего выщелачивания из них ценных компонентов, для образования крупных каналов, бухт-ковшей, для тушения горящих нефтяных и газовых скважин и т.д.

4.2. Характеристика взрыва
зарядов промышленных ВВ

ВЗРЫВЧАТЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ называют химические соединения или механические смеси, которые под воздействием внешнего импульса (нагревание, трение, удар и т.д.) взрываются (детонируют). При этом в них происходит чрезвычайно быстрая реакция с выделением тепла и газов, способных производить разрушение и перемещение окружающей среды.

Взрывная реакция (детонация) распространяется с постоянной, характерной для данного ВВ и диаметра заряда скоростью, т.е. имеет место самораспространяющийся процесс, не требующий дополнительного подвода энергии.

Энергия при взрыве ВВ выделяется за счет химической реакции окисления водорода в воду и углерода в оксид (СО) и диоксид (СО₂) углерода кислородом, входящим в состав молекул компонентов ВВ.

Это обеспечивает высокую концентрацию энергии в единице объема ВВ, в то время как при горении веществ окисление горючих элементов происходит за счет кислорода воздуха. Так, при сжигании 1 л стехиометрической (количество горючего соответствует количеству окислителя) смеси спирт—кислород выделяется всего 14,6 кДж, водород—кислород 7,5 кДж, а при взрыве 1 л мощного жидкого ВВ нитроглицерина выделяется 9800 кДж тепла. Низкая объемная концентрация энергии 1 л смеси обычных горючих объясняется тем, что на сжигание 1 л спирта требуется около 2000 л кислорода и при теплотворной способности 26190 кДж/кг теплоты на 1 л смеси приходится 14,6 кДж.

В то же время тепловая энергия, приходящаяся на 1 кг ВВ (теплота взрыва 1 кг ВВ), составляет в среднем 4190 кДж/кг, т.е. значительно меньше теплотворной способности обычных горючих: керосина 47000 кДж/кг, каменного угля 29300 кДж/кг и т.д. У промышленных ВВ скорость распространения реакции достигает 4—8 км/с. Это обеспечивает получение чрезвычайно большой мощности при взрыве, характеризуемой количеством энергии, выделяемой в единицу времени.

Так, при взрыве патрона аммонита 6ЖВ массой 200 г при энергии взрыва 4190 кДж/кг выделяется 838 кДж энергии. При скорости детонации 3,5 км/с время взрыва составляет 0,2 : 3500 =
= 5,7×10^-5 с, а выделяемая в момент взрыва мощность:

Дж/с, или 14,6 млн кВт.

В момент взрыва образуется значительное количество газов (700—1000 л), которые выделяемым теплом нагреваются до температуры 1900—4500 °С.

Такие высокие температуры газов взрыва имеют место благодаря высокой скорости детонации, малому времени выделения энергии и весьма малому теплообмену продуктов взрыва с окружающей средой.

В связи с чрезвычайно большой скоростью детонации в зоне заряда развивается в начальный момент весьма высокое давление (1000 МПа и более), которое обеспечивает большое разрушительное (бризантное) действие взрыва вблизи заряда.

Взрыв сопровождается определенным звуковым эффектом, так как ударная волна, распространяющаяся от взрыва со сверхзвуковой скоростью на некотором расстоянии от центра взрыва в воздухе, переходит в звуковую.

Таким образом, отличительными признаками взрыва ВВ являются: большая сверхзвуковая скорость распространения химической реакции по заряду ВВ, экзотермичность реакции, большая мощность, высокое давление в зоне взрыва, образование газообразных продуктов, генерирующих в окружающей среде мощные ударные и упругие волны.

4.3. Общая характеристика

промышленных ВВ

В химии известно большое количество химических соединений и смесей, которые способны под действием внешнего импульса взрываться. Но к промышленным ВВ (ВВ, пригодным для промышленных взрывов) относятся соединения и смеси, достаточно безопасные в изготовлении и обращении, эффективные в применении, технически и экономически доступные в изготовлении, не меняющие своих физических и химических свойств при их длительном хранении и применении.

По своему физическому состоянию ВВ могут быть:

¨ твердыми соединениями или смесями (гексоген, тротил, аммиачная селитра + тротил и т.д.);

¨ смесями жидких и твердых веществ (аммиачная селитра + + жидкое горючее, жидкие нитроэфиры + аммиачная селитра, жидкий кислород + твердое горючее и т.д.);

¨ смесями растворов или эмульсией аммиачной и натриевой селитр с горючей добавкой (жидкой и твердой), а также добавками бризантных ВВ (тротила);

¨ газовыми смесями (метан + воздух, ацетилен + кислород и т.д.);

¨ смесями твердых или жидких веществ с газами (угольная, древесная или другая органическая пыль, брызги (пары) керосина, бензина с воздухом и т.д.);

¨ жидкими веществами (нитроглицерин, нитрогликоль);

¨ смесями жидких веществ (тетранитрометан + бензол, четырехоксид азота + керосин и т.д.).

Практическое применение в качестве промышленных ВВ имеют первые три группы, наибольшее распространение получили взрывчатые смеси из твердых веществ, смеси растворов с твердым и эмульсий и их смесями с аммиачной селитрой, пропитанной маслом (АСДТ).

Известны три основные формы химического превращения ВВ: медленное химическое превращение протекает при относительно низких температурах по всему объему вещества. Этот процесс может протекать при неблагоприятных условиях хранения ВВ и недостаточной его химической стойкости. При горении и детонации химическая реакция протекает в довольно узкой зоне ¾ фронте химической реакции, в котором температура достигает некоторого критического значения и который перемещается по ВВ. Скорость его перемещения определяется величиной выделяющейся энергии и способом передачи ее к соседним слоям вещества. При горении энергия передается путем теплопередачи. Это сравнительно медленный процесс, поэтому и скорость горения может быть от долей сантиметра до десятков метров в секунду. При детонации жидких и порошкообразных ВВ энергия соседним слоям заряда передается детонационной волной, которая распространяется по ВВ со сверхзвуковой скоростью от 3 до 6 км/с. При взрыве грубодисперсных, гранулированных и водосодержащих ВВ взрыв по заряду распространяется в виде взрывного горения частиц за счет струй раскаленных газов, проникающих в прилегающие к зоне реакции слои ВВ.

ВВ делятся на две группы: бризантные (дробящие) и метательные (пороха).

Среди бризантных в особую группу выделяют инициирующие ВВ, обладающие высокой чувствительностью, которые применяют для изготовления средств инициирования (капсю-лей-детонаторов, электродетонаторов, детонирующих шнуров).

Для их изготовления в горной промышленности используют следующие инициирующие ВВ: гремучую ртуть , азид свинца , тринитрорезорцинат свинца , тетрил , , гексоген .

Промышленные (бризантные) ВВ предназначаются для дробления, разрушения и перемещения окружающей среды. Это наиболее многочисленный класс ВВ. Промышленные ВВ выпускаются в виде химических соединений (однокомпонентные ВВ) или чаще механических смесей (многокомпонентные ВВ).

К ВВ типа химических соединений относятся следующие основные вещества: тротил , тринитрофенол (пикриновая кислота) , глициринтринитрат (нитроглицерин) , нитродигликоль (нитрогликоль) , гексоген. Эти ВВ используются также в качестве компонентов смесевых промышленных ВВ. В качестве ВВ используют также омасленные бездымные пороха (гранипоры).

Метательные ВВ (дымные пороха) применяются для отбойки штучного камня, когда надо отколоть блок от массива с минимальным дробящим эффектом.

По физическому состоянию различают следующие разновидности промышленных ВВ: порошкообразные, прессованные, литые, гранулированные (чешуйчатые), водосодержащие суспензионные, льющиеся, горячельющиеся (твердеющие), эмульсионные.

Компоненты гранулированных ВВ имеют размер гранул
1—3 мм или чешуек того же размера. Водосодержащие ВВ имеют за счет добавки воды с загустителем слаботекущую медообразную суспензионную консистенцию, льющиеся ВВ имеют легкоподвижную консистенцию, допускающую их транспортировку по шлангам. Горячельющиеся ВВ в горячем состоянии имеют легкоподвижную консистенцию и твердеют при нормальной температуре. Эмульсионные ВВ имеют сметанообразную морозоустойчивую консистенцию.

4.4. Принципы создания

промышленных ВВ

В горном деле применяются индивидуальные (одноком-понентные) и смесевые ВВ.

Индивидуальные ВВ ¾ химические соединения (нитрогли-церин, тротил, ТЭН, гексоген и т.п.) содержат в своем составе все элементы, необходимые для нормального протекания химической реакции взрыва.

Смесевые ВВ состоят из двух или нескольких компонентов, каждый из которых выполняет определенные задачи. В состав смесевых ВВ вводятся следующие компоненты:

окислители ¾ вещества, содержащие избыточный кислород, идущий при взрыве на окисление горючих элементов. В качестве окислителя применяют аммиачную, калиевую и натриевую селитры, перхлораты калия и аммония и т.д.;

горючие добавки ¾ твердые или жидкие вещества, богатые углеродом и водородом, ¾ это древесная мука, соляровое или минеральные масла или пудры (порошки) легкоокисляющихся и выделяющих при этом большое количество тепла металлов (алюминий, магний, ферросилиций и др.). Горючие добавки вводятся в состав ВВ для увеличения количества тепла, выделяемого при взрыве. Роль горючих добавок выполняют также взрывчатые компоненты (тротил, гексоген и т.д.), содержащие в своем составе недостаточное количество кислорода для полного окисления содержащихся в них горючих элементов. При этом часть углерода, выделяемого при взрыве таких ВВ в виде оксида, в свободном состоянии или в виде горючих соединений, реагирует с избыточным кислородом окислителя, повышая теплоту и общую энергию взрыва;

сенсибилизаторы ¾ вещества, вводимые в состав ВВ для повышения его чувствительности к начальному импульсу и передаче детонации.Это, как правило, мощные ВВ (тротил, гексоген, нитроглицерин), которые в смеси с малочувствительными ВВ (аммиачная селитра и т.п.) и с невзрывчатыми веществами (соляровое или минеральные масла, древесная или хлопковая мука) обеспечивают нормальную чувствительность такого смесевого ВВ к инициированию ее капсюлем-дето-натором, электродетонатором или детонирующим шнуром и одновременно повышают энергетические характеристики этого смесевого ВВ.

Роль сенсибилизатора в бестротиловых ВВ (динамоны, игданиты, гранулиты) могут выполнять (при определенном процентном содержании) и невзрывчатые горючие добавки: соляровое масло, древесная мука, алюминиевая пудра;

стабилизаторы ¾ вводятся в состав ВВ для повышения их химической и физической стойкости. В качестве стабилизатора используют мел и соду для поглощения остатков кислот в динамитах, древесную жмыховую и хлопковую муку для предотвращения слеживаемости в динамонах. Последние стабилизаторы также выполняют роль горючих добавок, повышают стабильность свойств ВВ.

В водосодержащих и эмульсионных ВВ роль стабилизаторов выполняют хромовые квасцы для загущения акватолов, различные эмульгаторы для создания устойчивых обратных эмульсий в ЭВВ (порэмиты, сибириты, эмульсолиты).

Роль стабилизатора в водоустойчивых граммонитах выполняет тротил, напыленный на гранулы аммиачной селитры, а в водоустойчивых алюмосодержащих гранулитах ¾ термоплавкий восковой состав, наносимый на поверхность гранул селитры и закрепляющий на гранулах частицы алюминия;

флегматизаторы ¾ легкоплавкие вещества, масла, имеющие высокую теплоемкость и высокую температуру вспышки, обволакивающие частицы чувствительного ВВ и не вступающие с ним в реакцию. Введение флегматизаторов снижает чувствительность ВВ и обеспечивает более безопасные условия его применения.

В качестве флегматизатора используют вазелин, парафин, различные масла, тальк и т.д. Так, перед изготовлением промышленных ВВ с добавками гексогена его флегматизируют добавлением 5 % расплавленного парафина.

Пламегасители вводятся в состав только предохранительных ВВ для снижения температуры взрыва, чем уменьшается вероятность воспламенения метана и угольной пыли в шахтах. В качестве пламегасителей применяют хлористый натрий, хлористый калий, хлористый аммоний и т.д.

Пламегасители, не участвуя в реакции при взрыве, поглощают часть тепла на свое нагревание и испарение, за счет чего снижается температура газов взрыва. Кроме того, они играют роль отрицательных катализаторов (ингибиторов), которые задерживают реакцию воспламенения метана горячими газами взрыва.

4.5. Кислородный баланс,

ядовитые газы взрыва

и реакции превращения

взрывчатых веществ

Состав газов, выделяющихся при взрыве, зависит от химического состава ВВ, его кислородного баланса и условий взрывания.

Кислородный баланс характеризуют выраженным в процентах отношением избытка или недостатка кислорода в составе ВВ по сравнению с количеством, необходимым для полного окисления всех горючих элементов этого ВВ, к массе ВВ.

Различают нулевой, положительный и отрицательный кислородный баланс.

Кислородный баланс считается нулевым, если в составе ВВ содержится количество кислорода, необходимое для полного окисления горючих элементов. Такое соотношение компонентов называют стехиометрическим. Если в составе ВВ не хватает кислорода для полного окисления горючих элементов, то такое ВВ имеет отрицательный, а при избытке кислорода ¾ положительный кислородный баланс.

При взрыве ВВ с нулевым кислородным балансом образуются в основном пары воды, углекислоты, свободный азот, оксид алюминия и минимальное количество ядовитых газов. В этом случае выделяется максимальное количество энергии. При взрыве ВВ с недостатком кислорода образуется ядовитый оксид углерода СО. Образование этого соединения идет с меньшим выделением тепла (112 кДж/г×моль), чем при образовании диоксида углерода (396 кДж/г×моль). При взрыве ВВ с избытком кислорода последний образует с азотом весьма ядовитые оксиды , , . Реакции образо-
вания оксидов азота идут с поглощением тепла (эндотер-мичны). Таким образом, ВВ с отрицательным и положительным кислородным балансом обладают меньшей теплотой взрыва, чем ВВ с нулевым балансом.

Состав газообразных продуктов взрыва зависит не только от химического состава ВВ, но и от оболочки патронов ВВ, условий взрывания заряда (степени ограничения пространства, в котором расположен заряд, влажности ВВ) и свойств породы, влияющих на протекание вторичных химических реакций взрыва. Плохая забойка зарядов, наличие воздушных промежутков между патронами увеличивают выделение ядовитых газов. При взрывании угля СО₂, может переходить в СО, взрывы серосодержащих руд приводят к образованию сернистых газов и сероводородов. Калийные руды и апатитонефелиновые связывают оксиды азота, молибденовые и медные связывают оксид углерода. Чем выше коэффициент крепости взрываемых пород, тем больше образуется оксида углерода и меньше оксидов азота.

Бумажная парафиновая оболочка патронов участвует в реакции взрыва, понижая кислородный баланс. Поэтому установлено, что масса бумажной оболочки должна быть не более 2 г, а парафина не более 3 г на 100 г ВВ.

Для подземных работ применяют ВВ только с кислородным балансом, близким к нулевому (± 3 %). Для взрывания на земной поверхности могут применяться ВВ как с положительным, так и с отрицательным кислородным балансом.

Отравляющее действие оксида углерода СО (угарный газ) основано на его способности образовывать прочные соединения при вдыхании с красными кровяными тельцами, являющимися переносчиками кислорода из легких к тканям, из-за чего человеческий организм начинает испытывать кислородное голодание. При больших концентрациях СО (>1 %) быстро наступает смерть. Предельно допустимая концентрация СО в атмосфере шахт 0,0016 % по объему.

Оксиды азота , , при вдыхании в легких образуют, вступая в реакцию с водой, азотную и азотистую кислоты, действие которых приводит к отеку легких и смерти. Особенную опасность оксиды азота представляют из-за того, что они способны накапливаться в организме в течение 4—6 ч. Поэтому по токсическому действию они считаются в 6,5 раза более ядовитыми, чем оксид углерода, и предельно допустимая концентрация в атмосфере шахт составляет 0,0002 % по объему.

Кроме этих газов при взрыве могут образовываться сероводород , сернистый ангидрид , хлор, при вдыхании которых происходит острое раздражение дыхательных путей и отек легких. По токсичности эти газы считаются в 2,5 раза более ядовитыми, чем оксид углерода. Кроме того, при взрыве детонаторов в атмосфере появляются особо ядовитые пары и аэрозоли ртути или свинца, входящие в состав инициирующих ВВ, а свинец, кроме того, входит в состав электровоспламенителей и замедляющих составов ЭД.

Кислородный баланс наиболее просто определяется выраженным в процентах отношением грамм-атомной массы избытка или недостатка кислорода к грамм-молекулярной массе ВВ.

Расчет кислородного баланса смесевого ВВ производится суммированием произведений доли каждого компонента на его кислородный баланс.

Кислородный баланс некоторых компонентов и ВВ приведен в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Физико-химические характеристики некоторых компонентов
промышленных ВВ и продуктов реакций взрыва

Вещество	Химическая формула	Атомная или молекулярная масса	Кислородный баланс, %	Теплота образования при постоянном объеме,
Алюминий	Al	27	–89,0	–
Аммиачная селитра	NH₄NO₃	80	+20,0	355
Бумага (оболочка патронов)	–	—	–130,0	—
Гексоген	С₃Н₆N₆O₆	222	–21,6	–88
Гремучая ртуть	Hg(CNO)₂	284	–11,3	–275
Динитрогликоль	С₂Н₆(ОNO₂)₂	152	0	233
Динитронафталин	С₁₀Н₆(NO₂)₂	218	–139,4	–395
Калиевая селитра	KNO₃	101	+39,6	490
Калия хлорат	KClO₃	122,5	+39,6	390

Окончание табл. 4.1

Вещество	Химическая формула	Атомная или молекулярная масса	Кислородный баланс, %	Теплота образования при постоянном объеме,
Калия перхлорат	KClO₄	138,5	+46,2	440
Керосин	–	—	–343,0	—
Клетчатка	С₆Н₁₀O₅	162	–118,5	965
Магний	Mg	24,3	–65,8	—
Мука злаков	С₁₅Н₂₂O₁₁	381	–132,0	—
Мука древесная	С₁₅Н₂₂O₁₀	362	–137,0	19600
Натриевая селитра	NaNO₃	85	+47,0	493
Натрия хлорат	NaCl	106,5	+45,0	350
Натрия перхлорат	NaClO₄	122,5	+52,2	390
Нитроглицерин	С₅Н₅(NO₂)₃	122	+3,5	350
Нитроклетчатка (коллодионная)	C₂C₄Н₃₁N₉O₃₈	1105,3	–38,7	2760
Нитроклетчатка (пироксилин)	C₂₄Н₂С₉N₁₁O₄₂	1143	–28,6	2400
Октоген	C₄Н₈N₈O₈	296	–21,6	—
Парафин (твердый)	C₂₄Н₅₀	338,5	–346,0	46500
Пикриновая кислота	С₆Н₂(NO₂)₃ОН	229	–45,4	288
Тетранитрометан	C(NO₂)₄	196	+49,0	–35
Тетрил	С₆Н₂(NO₂)₄NCН₃	287	–47,4	–41,5
Тротил	С₆Н₂(NO₂)₃CН₃	227	–74,0	73,5
ТЭН	С₅Н₈(NO₂)₄	316	–10,1	540
Углерод (аморфный)	C	12	–266	34000
Вода (газ)	—	18	—	240
(жидкость)	Н₂О	18	—	283
Оксид алюминия	Al₂O₃	102	—	1660
Оксид кальция	СаО	56	—	630
Оксид азота	NO	30	—	91
Оксид углерода (газ)	СО	28	—	116
Углекислота (газ)	СО₂	44	—	395
Целлюлоза	С₁₀Н₆О₆	162	—	950

Истинные реакции взрывчатого превращения ВВ составить практически невозможно из-за многообразия факторов, влияющих на их протекание. Поэтому принят упрощенный прием составления реакций взрыва, согласно которому все ВВ делятся на три группы:

¨ ВВ с количеством кислорода, достаточным (избыточным) для полного окисления всех горючих элементов. В этом случае весь водород превращается в воду, углерод в диоксид углерода (например, реакция разложения динитрогликоля ¾ табл. 4.2);

¨ ВВ с количеством кислорода, достаточным для полного газообразования. При этом принимается, что кислород сначала окисляет весь водород и воду, углерод в оксид углерода, а затем оставшийся кислород образует с частью оксида углерода диоксид углерода (например, реакция разложения ТЭНа ¾ табл. 4.2).

При взрыве алюмосодержащих ВВ с нулевым кислородным балансом образуется твердый оксид алюминия Аl₂О₃, а при отрицательном ¾ он образуется в результате вторичных реакций алюминия с водой и диоксидом углерода:

2Al + 3H₂O = Al₂O₃ + 3H₂

2Al + 3CO₂ = Al₂O₃ + 3CO

¨ ВВ с количеством кислорода, недостаточным для полного газообразования. В этом случае водород полностью окисляется в воду, оставшимся кислородом окисляется часть углерода в оксид углерода и выделяется свободный углерод (например, реакция разложения тротила — табл. 4.2).

Таким образом, зная элементарный состав ВВ с нулевым или положительным кислородным балансом, можно легко составить реакцию его взрывчатого разложения в виде

Таблица 4.2

Характеристика взрывчатых превращений некоторых ВВ

ВВ	Молеку-лярная масса	Реакция взрывчатых веществ	Кисло-родный баланс, %	Объем газов взрыва, л/кг	Темпе-ратура взрыва, °С	Тепло-та вз-рыва,
Нитрогли-церин	227	4С₃Н₅(ONO₂)₃ = = 10H₂O + 12CO₂ + + 6N₂ +O₂	+3,5	715	4100	6500
Нитрогли-коль	152	С₂Н₄(ONO₂)₂ = = 2H₂O + 2CO₂ +N₂	0	738	4200	7100
Тротил	227	2С₆Н₂(NO₂)₃СН₃= = 5H₂O + 7CO +7С + 3N₂	–74,0	750	2950	3450
Аммиач-ная селитра	80	2NН₄NO₃ = 4H₂O + + 2H₂ + O₂	+20,0	980	1950	1420
Динитро-нафталин	218	С₁₀Н₆(NO₂)₂ = = 3H₂O + CO +2N₂ + 9С	–129,4	750	2500	2500
Колло-дионный хлопок	1053	С_22,5Н_28,8O₃_6,1N_8,7 = = 14,4H₂O + 21,7CO + + 0,8C + 4,35N₂	–33,6	936	250	3400
Гексоген	222	С₃Н₆N₆O₆ = 4H₂O + + 3CO +3N₂	–21,6	890	3800	5700
ТЭН	316	С₅Н₈(ОNO₂)₄ = 4H₂O + + 3CO₂ +2СО + 2N₂	–10,2	790	4000	5910
Тетрил	287	2С₆Н₆(NO₂)₄СН₃N = = 9H₂O + 6CO +8С + 5N₂	–47,4	740	3900	4900

а кислородный баланс такого ВВ молекулярной массой М вычисляется по формуле

Аналогично составляют приближенные уравнения реакций взрыва для двух других случаев.

4.6. Физическая сущность
детонации промышленных ВВ

Для оценки особенностей процесса детонации ВВ сравним это явление с процессами горения различных химических соединений. Так, смесь водорода или метана с кислородом способна сгорать со скоростью 10—20 м/с. При воспламенении слабой искрой в стеклянной трубке смеси этих газов горение распространяется с такой небольшой скоростью. Сильная искра или взрыв небольшого заряда вызовет совсем другое явление: пламя в трубке распространяется по газу со сверхзвуковой скоростью (около 2,0 км/с). В этом случае происходит детонация (взрыв) газовой смеси.

Известно, что обычное пламя передается от одного участка газа к соседнему за счет процесса теплопроводности и диффузии. Скорость горения (распространения пламени) всегда значительно меньше скорости звука.

Скорость детонации, наоборот, всегда больше скорости звука и в сто и более раз превышает скорость горения. Детонация ¾ это сложное газодинамическое явление, детали которого в настоящее время недостаточно хорошо изучены, но в целом оно объясняется распространением ударных волн по массе ВВ. Ударная волна в массе ВВ возбуждается однократным начальным импульсом от внешнего источника, которым чаще всего является взрыв КД и ЭД.

В настоящее время общепризнанной для порошкообразных ВВ является теория детонации, разработанная в основном французскими и советскими учеными.

Согласно этой теории распространение взрыва по ВВ обусловлено распространением по нему ударной волны, создающей в очень узком слое скачкообразное изменение всех термодинамических параметров ВВ: давления, плотности, температуры. При этом за фронтом волны происходит мгновенное разогревание частиц ВВ и пузырьков газа между ними, за счет чего возникает интенсивная экзотермическая химическая реакция, энергия которой поддерживает распространение ударной волны по ВВ и его детонацию.

Процессы формирования и распространения ударных волн по ВВ принято в теории описывать законами распространения волн в газах. Это обусловлено тем, что на фронте ударной волны в заряде ВВ возникают давления, на порядки и более превышающие прочность вещества ВВ, что позволяет пренебречь силами сцепления между частицами и описать его состояние уравнениями газодинамики.

Совокупность ударной волны и прилегающей к ней зоны взрывчатого химического превращения ВВ называетсядетонационной волной.

Продукты взрыва детонаторов производят резкий удар по прилегающему к нему слою ВВ и формируют ударную волну, распространяющуюся в виде однократного скачка уплотнения по массе заряда ВВ, имеющую следующие особенности:

¨ скорость ее распространения всегда выше скорости звука в данной среде (заряде ВВ);

¨ на фронте волны происходит скачкообразное изменение давления, плотности и температуры (рис. 4.1);

¨ частицы среды (продукт взрыва) движутся вслед за фронтом ударной волны;

¨ скорость ударной волны зависит от величины давления (амплитуды) на фронте волны.

р₁r₁т₁v₁

р₀r₀т₀v₀

Рис. 4.1. Изменение параметров среды при прохождении ударной волны

4.7. Элементы теории ударных волн

Для лучшего понимания процесса детонации рассмотрим основные положения теории ударных волн, разработанной
А.И. Седовым, Я.Б. Зельдовичем, А.С. Компанейцем, а также зарубежными учеными Гюгонио, Чепменом и Жуге.

Формирование и характер распространения ударных волн определяются фундаментальными законами физики о сохранении массы вещества, об изменении количества движения и энергии частицы.

Применим эти законы для рассмотрения наиболее простого случая ¾ распространения плоской ударной волны в трубе, заполненной газом.

Допустим, что по трубе сечением S, заполненной газом, движется поршень с постоянной скоростью v_w (рис. 4.2). Движущийся поршень создает в газе возмущение. Поскольку возмущение передается в среде с конечной скоростью, то перед поршнем образуется область сжатого газа, заключенная между поверхностью поршня и некоторой плоскостью АА₁. Сжатый поршнем газ движется со скоростью v_у, а фронт области сжатия, поскольку он захватывает все новые порции газа, движется с некоторой скоростью относительно невозмущенного газа. Будем считать, что движение поршня происходит так быстро, что сжатый газ не успевает отдавать тепло невозмущенному газу и стенкам трубы, а саму трубу ¾ абсолютно жесткой. Обозначим через и Т₀ соответственно давление, плотность и температуру газа в исходном невозмущенном состоянии, а через и T₁ ¾ давление, плотность и температуру сжатого газа. Предположим, что поршень движется время t, в течение которого он пройдет путь .

Рис. 4.2. Расчетная схема вывода основных уравнений плоских ударных волн

Фронт АА₁ пройдет путь , длина сжатого участка газа будет равна , его объем ¾ , а масса ¾ . Этот же газ в исходном состоянии занимал объем а масса его перед сжатием составляла . Поскольку в процессе сжатия масса вещества не изменилась, то закон сохранения массы для данного случая может быть записан в виде

или

Сжатая масса газа движется со скоростью и количество движения для этой массы будет равно . По второму закону Ньютона произведение массы на изменение скорости равно импульсу силы, т.е. произведению силы на время ее действия.

На сжимаемый газ действует сила а импульс силы будет равен

Закон сохранения количества движения в рассматриваемом случае можно записать в виде:

или

Отсюда следует, что при , т.е. при сжатии газа поршнем и одного знака. Поэтому принятая схема движения газа под действием поршня справедлива, а > .

Подставив последнее значение в уравнение получим

или

отсюда

Вводя вместо плотности удельный объем и т.е. объем единицы массы, получим

Используем теперь теорему об изменении энергии частиц сплошной среды для определения изменения внутренней энергии частиц вещества при прохождении по ним ударной волны. Пусть и ¾ удельная внутренняя энергия, т.е. внутренняя энергия единицы массы газа соответственно в невозмущенном и в сжатом состоянии. При этом под удельной внутренней энергией единицы массы понимается ее тепловая энергия и энергия сжатия.

Кинетическая энергия единицы массы сжатого газа равна масса сжатого газа , и тогда величина полного изменения энергии возмущенной части газа при сжатии составит

Величина этого изменения энергии должна быть равна работе силы приложенной со стороны поршня к возмущенному газу, на пути .

Отсюда уравнение энергии будет иметь вид

или

Введя удельные объемы, получим известное уравнение Гюгонио

В общем случае внутренняя энергия для однородной сплошной среды является функцией давления р, удельного объема v и некоторых других параметров. Для совершенного газа удельную внутреннюю энергию определим по формуле

где и — удельные теплоемкости; Е_* ¾ некоторая постоянная для данного газа величина.

Подставив последнее уравнение в предыдущее, получим

где Здесь , — постоянные параметры;
, ¾ переменные величины.

Последнее соотношение определяет связь между и или между и за скачком за фронтом ударной волны и называется адиабатой Гюгонио. Это уравнение есть непрерывная, плавная кривая, но реальным процессам ¾ ударным волнам ¾ на ней соответствуют только две точки: , ¾ начальные значения этих параметров газа (до ударной волны) и , ¾ конечные значения этих параметров (за ударной волной). В этом первое главное отличие адиабаты Гюгонио от обычных адиабат Пуассона, которые для совершенного газа имеют вид , где . Всякому реальному процессу на адиабате Пуассона соответствуют две точки, расположенные между и , т.е. при переходе из состояния в газ последовательно проходит все промежуточные состояния, а при прохождении по газу ударной волны он до ударной волны находится в состоянии , а за ней в состоянии . Во всех промежуточных состояниях газ не находится.

Таким образом получаем, что приведенные соотношения позволяют полностью рассчитать термодинамические параметры газа за ударной волной, если известно его начальное состояние и скачок какого-нибудь параметра после прохождения фронта ударной волны.

4.8. Основы теории детонации ВВ

Фронт детонационной волны 1 (рис. 4.3) представляет собой сильную ударную волну, которая разрушает молекулы ВВ. Освободившись от первоначальных связей, нагретые до высокой температуры атомы горючих элементов и кислорода вступают в зоне за фронтом волны в быструю (мгновенную) химическую реакцию с выделением тепла и превращением ВВ в газообразное состояние. Фронт детонационной волны движется со скоростью нескольких километров в секунду. За фронтом ударной волны 2 движется фронт расширения продуктов взрыва 3, а к центру (оси) заряда ¾ фронт волны разряжения 4. Условия стабильности процесса детонации обеспечиваются наличием зоны нерасширившихся газов 5. Толщина фронта ударной детонационной волны не превышает длины одного свободного пробега молекулы ( см), однако зона реакции значительно шире фронта волны. Так, для аммонита 6ЖВ она равна 0,4 см, а для граммонита 79/21 ¾ 3—4 см.

ВВ r₀, Т₀, р₀

Рис. 4.3. Схема протекания детонации заряда ВВ

Детонационная волна скачкообразно переводит начальное состояние вещества с давлением и удельным объемом v₀ (см. рис. 4.1) в состояние (точка А адиабаты Гюгонио). В сжатом веществе начинается химическая реакция. На адиабате Гюгонио состояние в точке соответствует фронту стационарной детонационной волны, которая перемещается со скоростью . Поскольку детонация стабильна, то и все зоны за фронтом также перемещаются со скоростью фронта. Следовательно, вещество в зонах проходит состояния, которые лежат на прямой Михельсона:

Если в зоне за фронтом выделилось некоторое количество тепла и изменилось состояние вещества, то она уже будет описываться адиабатой, лежащей выше исходной, например адиабатой 2 (рис. 4.4).

Адиабата Гюгонио для конечных продуктов реакции должна лежать выше всех промежуточных адиабат, поскольку к этому моменту выделилась вся энергия реакции взрыва.

Рис. 4.4. Изменение состояния выделения энергии при взрыве и продуктов детонации

Такой адиабатой может являться только кривая 3. Она не может проходить выше прямой ОА для детонации со скоростью , так как точка, отвечающая конечному состоянию продуктов детонации, должна лежать на этой прямой. Поэтому возможны только два варианта: либо прямая Михельсона касается адиабаты конечных продуктов (прямая ОА), либо она должна быть одной из секущих, пересекающих адиабату 3 в точках Е и F. Для устойчивой детонации возможен лишь первый случай. Точка касания (точка М) прямой Михельсона ОА с адиабатой конечных продуктов называется точкой Жугэ. В точке Жугэ все вещество прореагировало, вся энергия выделилась, продукты максимально расширились и давление достигло минимального значения . Вещество, проходя состояние, приближающееся к точке М, описывается другими адиабатами с меньшим тепловым эффектом.

Условие касания адиабаты 3 прямой Михельсона:

Совпадение касательных к адиабатам Гюгонио и Пуассона означает, что

поэтому

С учетом изложенного

Учитывая равенство , можно записать:

где ¾ скорость движения вещества в точке М.

Исключая , получим скорость движения фронта детонационной волны относительно продуктов, у которых скорость движения :

м/с,

где ¾ «местная» скорость звука в продуктах реакции.

Таким образом,

Предположим, что переход к адиабате конечных продуктов осуществляется по прямой BF. В точке Е «местная» скорость звука Так как вслед за детонационной волной идет волна разряжения с местной скоростью звука, то она догонит детонационную волну, снизит амплитуду давления и скорость ее распространения. Детонационная волна в этом случае не будет иметь постоянных параметров и, следовательно, такое предположение не может иметь места.

Секущая OВ пересекается с адиабатой еще в точке F, опускаясь по прямой из точки В через состояние точки Е. Но в точке Е выделилась вся энергия реакции, а для смещения вправо от адиабаты 3 нужен дополнительный подвод энергии. Таким образом, остается единственное допущение, что прямая Михельсона касается адиабаты конечных продуктов. В этом случае волна разряжения распространяется с той же скоростью, что и фронт детонационной волны относительно продуктов, а скорость детонации минимальна.

Рис. 4.5. Структурная схема детонационной волны

Процесс детонации характеризуется следующим образом. Сильная ударная волна сжимает узкий слой ВВ от начального состояния в соответствии с ударной адиабатой Гюгонио до состояния (где ). В веществе начинается бурная мгновенная реакция: выделяется тепло, снижается давление, увеличивается удельный объем. Через время t реакция заканчивается, и вещество переходит в состояние, соответствующее точке Жугэ на адиабате конечных продуктов. В этой точке ;

Головная часть детонационной волны называется химическим пиком (участок AM на рис. 4.5). При этом энергия, выделяющаяся при реакции, догоняет фронт ударной волны и подпитывает его, не давая затухнуть. Время химической реакции за фронтом детонационной волны весьма мало: для порошкообразных тротила ¾ 1 мкс, гексогена ¾ 0,1 мкс, аммиачной селитры ¾ 30 мкс.

4.9. Особенности детонации
промышленных ВВ

Плотность продуктов детонации промышленных ВВ достигает 2 г/см³, уравнение их состояния неизвестно, а скорость детонации достигает 6 км/с, что в несколько раз превышает скорость детонации газов. Давление газов взрыва р определяют с помощью уравнения Ван-дер-Ваальса для «реальных» газов, которое учитывает собственный объем молекул (коволюм):

Это уравнение применяется во внутренней баллистике и дает удовлетворительные результаты, когда плотность ВВ не превышает 0,5 г/см³. Л.Д. Ландау и К.П. Станюкович рассматривали продукты детонации в виде кристаллической решетки твердого тела, атомы и молекулы в которой обладают двумя видами энергии: упругой, вследствие сил взаимодействия между ними и колебательной, вследствие тепловой энергии колебания около положения равновесия (которой в расчетах можно пренебречь).

Тогда, приняв, что скорость детонации зависит лишь от плотности ВВ и не зависит от температуры, можно из приведенного уравнения, пренебрегая величиной , получить

или

Установлено, что зависимость скорости детонации от плотности ВВ имеет вид

Приняв, что плотность продуктов детонации пропорциональна начальной плотности ВВ , последнее уравнение запишем в виде

где

Давление можно выразить через в виде

Константа h определяется из условия минимальной скорости детонации ВВ (прямая Михельсона касается адиабаты конечных продуктов в точке Жугэ).

Из приведенных уравнений получим

Продифференцируем это выражение, приравняв его к нулю:

получим

или

откуда

Тогда

Приведенные формулы позволяют рассчитать основные параметры идеальных детонационных волн и состояние продуктов взрыва некоторых ВВ.

Скорость детонации может быть определена в зависимости от энергетической характеристики ВВ:

где ¾ теплота взрыва ВВ при постоянном объеме, кДж/кг.

Значение k для кДж/кг в зависимости от начальной плотности:

г/см³ . . . . . . . . . . .	0,2	0,25	0,50	0,75	1,0	1,25	1,70
k . . . . . . . . . . . . . . . . .	1,30	1,60	2,22	2,80	3,05	3,21	3,40

Из приведенных формул видно, что детонация является всегда сверхзвуковым процессом и ее величина непосредственно зависит от энергетических характеристик ВВ.

В теоретических исследованиях принято, что плоский фронт детонационной волны, распространяясь по заряду, сжимает впереди лежащие слои ВВ, вызывая их химические превращения. Такой механизм детонации называется гомогенным, может иметь место для однородных мощных ВВ (гексоген, ТЭН) при скоростях детонации 6,0—7,0 км/с.

Промышленные ВВ являются физически и химически неоднородными системами, чем объясняются особенности их детонации по сравнению с классической теорией.

В промышленных ВВ могут содержаться высокоактивные индивидуальные ВВ, реагирующие в детонационной волне с большой скоростью (нитроглицерин, гексоген и менее активные, но с хорошо выраженными взрывчатыми свойствами (тротил); вещества со слабо выраженными взрывчатыми свойствами (аммиачная селитра, динитронафталин), разлагающимися при детонации со скоростью в 2—3 раза меньшей, чем мощные ВВ, горючие материалы, не обладающие взрывчатыми свойствами (алюминий, древесная мука, парафин и др.), и, наконец, совершенно инертные, не принимающие участие в реакциях и претерпевающие лишь переходы из твердого или жидкого состояния в газообразное (пламегасители, вода в водосодержащих ВВ). Поэтому химические реакции промышленных смесевых ВВ происходят в несколько стадий.

Типичной для промышленных ВВ схемой взрывчатого превращения является первоначальное разложение или газификация в детонационной волне исходных компонентов (первичные реакции) и последующее взаимодействие продуктов разложения между собой или с веществами, не претерпевшими на первой стадии химических или фазовых превращений (вторичные реакции).

На детонационную способность промышленных ВВ существенно влияет равномерность размещения компонентов в заряде, так как общее время и полнота завершения реакций зависят не только от скорости сгорания отдельных частиц (первичные реакции), но и от скорости вторичных реакций, проходящих в газовой фазе и определяемых условиями смешивания продуктов первичного распада.

Чем меньше частицы разнородных компонентов и равномернее их распределение в объеме, тем быстрее завершается их сгорание, а также смешивание и взаимодействие продуктов сгорания.

Выполненные исследования позволяют предполагать, что химическая реакция в детонационной волне начинается и развивается в отдельных гранулах (частицах) ВВ и завершается подобием вспышки. Если ВВ представляет собой смесь нескольких компонентов, то на второй стадии продукты разложения гранул разнородных веществ взаимодействуют между собой. В производственных условиях при взрывании скальных пород скважинными зарядами d = 150—200 мм применяемые гранулированные и водосодержащие ВВ детонируют со скоростью, приближающейся к максимальной. При шпуровом взрывании этими ВВ скорость не достигает максимума, т.е. детонация протекает не в оптимальном режиме.

Из приведенного механизма детонации грубодисперсных ВВ ясно, что степень ограничения заряда (плотность заряжания, наличие качественной забойки) будет играть основную роль в развитии нормального режима детонации.

Приведенный механизм детонации грубодисперсных ВВ аналогичен ранее описанному А.Я. Апиным механизму взрывного горения для порошкообразных ВВ, согласно которому при детонации имеет место горение отдельных зерен, а их воспламенение происходит за счет адиабатического сжатия газовых включений в ВВ или за счет струй газов взрыва, проникающих между частицами ВВ (пробойно-струйчатый механизм детонации). Разработка теории детонации грубодисперсных смесевых ВВ продолжается.

4.10. Факторы, влияющие
на скорость и устойчивость
детонации зарядов ВВ

Установлено, что скорость детонации заряда ВВ зависит от характеристик самого ВВ (тип ВВ, его дисперсность, плотность ВВ в заряде), диаметра заряда и условий взрывания (наружный или внутренний заряд в шпуре или скважине, наличие забойки). Во всех случаях задача сводится к оценке устойчивости и скорости детонации, по сравнению с максимально достижимой или оценке величины критического диаметра заряда.

Диаметр и оболочка заряда. Для каждого ВВ можно найти два характерных диаметра заряда:

критический диаметр, при дальнейшем уменьшении которого детонация заряда ВВ становится неустойчивой, т.е. может происходить ее затухание. С увеличением диаметра заряда больше критического скорость детонации увеличивается до определенного значения диаметра, называемого предельным, при дальнейшем увеличении которого скорость детонации заряда ВВ не увеличивается (рис. 4.6). Влияние диаметра на скорость детонации заряда было впервые теоретически объяснено
Ю.Б. Харитоном и развито в трудах Ф.А. Баума.

Высокое давление на фронте волны детонации вызывает интенсивное расширение продуктов детонации в стороны (см. рис. 4.3). Возникающие при этом волны разряжения будут распространяться в зону химической реакции и снижать давление и температуру продуктов взрыва, а следовательно, снижать скорость детонации за счет снижения величины энергии подпитки фронта волны детонации.

Характер протекания этого процесса зависит от соотношения ширины химической реакции l_p и диаметра заряда d.

Время химической реакции : а время прохождения волной разряжения расстояния до центра заряда Здесь ¾ скорость волны разряжения, м/с. При детонация затухает, так как начинается расширение продуктов взрыва до завершения химической реакции. При критическом диаметре должно соблюдаться условие , откуда

а поскольку то т.е. критический диаметр приблизительно равен ширине зоны химической реакции в заряде.

Рис. 4.6. Зависимость скорости детонации зарядов ВВ от их диаметра

Отсюда следует, что любое химическое соединение или смесь способны детонировать, если реакция их разложения экзотермична, а выделение энергии реакции во фронт детонационной волны достаточно для обеспечения распространения по веществу детонационной волны с постоянными параметрами.

Таким образом, у грубодисперсных ВВ с широкой зоной химической реакции критический диаметр будет больше, чем у порошкообразных.

Если заряд окружен оболочкой, затрудняющей разлет продуктов взрыва, критический диаметр заряда уменьшается. Например, аммиачная селитра порошкообразная г/см³) при взрыве в стеклянной трубке имеет мм, а в стальной трубке с толщиной стенок в 20 мм мм.

Оболочка не оказывает заметного влияния на скорость детонации зарядов из однокомпонентных (индивидуальных) ВВ большой плотности и, наоборот, сильно сказывается на скорости детонации зарядов средней плотности, а также смесевых ВВ. На скорость детонации влияют главным образом инертные свойства оболочки и ее сжимаемость. При малых плотностях заряжания оказывает влияние на устойчивость детонации и прочность оболочки. Оболочка позволяет снизить величину критического диаметра, т.е. достигнуть устойчивой детонации при меньших диаметрах. При больших диаметрах (близких к предельным) скорости детонации открытых зарядов и зарядов в оболочках становятся примерно одинаковыми (см. рис. 4.6).

Рис. 4.7. Изменение скорости детонации открытого заряда при увеличении диаметра:

1, 2, 3 — d₁ > d₂ > d₃

Поэтому при применении ВВ в зарядах небольшого диаметра необходимо обеспечивать тщательное заполнение шпура ВВ, чтобы последний выполнял роль оболочки, а также делать качественную забойку заряда. При взрывах зарядов большого диаметра эти факторы меньше влияют на устойчивость детонации (рис. 4.7). Ниже (табл. 4.3) приведены величины критических диаметров открытых зарядов некоторых индивидуальных и смесевых ВВ.

Таблица 4.3

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 1418; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!