exploders.info - Портал по взрывчатым веществам и пиротехнике

Взрывчатые вещества

Это индивидуальные вещества или смеси, способные под влиянием какого - либо внешнего воздействия (нагревание, трение, удар и т.п.) к быстрой, самораспространяющейся хим. реакции с выделением большого кол-ва энергии и образованием газов. Расстояние, на которое перемещается фронт реакции в единицу времени называется скоростью взрывчатого превращения.

Взрывчатые вещества обычно состоят из углерода, водорода, азота и кислорода. Когда ВВ распадаются, происходит процесс окисления горючих элементов ВВ (углерода и водорода), окислительными элементом ВВ - кислородом. В исходном веществе окислительные и горючие элементы ВВ обычно связаны через буферный элемент - азот, это обеспечивает устойчивость молекулы в нормальном состоянии. Таким образом любое ВВ содержит как горючие компоненты, так и окислительные, что позволяет им распадаться в самоподдерживающемся режиме с выделением энергии в отсутствии кислорода воздуха. Отношение количества атомов кислорода, содержащегося в ВВ, к количеству атомов кислорода, необходимого для полного окисления горючих элементов ВВ до CO2, H2O, называется кислородным коэффициентом (КК), при этом полагают, что азот выделяется в молекулярном виде N2. Например взрывное разложение этиленгликольдинитрата выглядит следующим образом:

C2H4(ONO2)2 => 2CO2+2H2O+N2

Безусловно, КК=1 соответствует максимально возможному энерговыделению ВВ, и, соответственно, максимальной мощности. При КК<1 в продуктах взрыва появляются продукт неполного окисления - CO, а при КК резко меньшем единицы даже свободный водород, углерод и метан. При КК>1 в продуктах взрыва начинают появляться свободный кислород и окислы азота. При этом следует помнить, что свойства продуктов при параметрах, характерных для детонации конденсированных ВВ, до сих пор малоизученны, поэтому расчет состава продуктов детонации обычно носит гипотетический характер. Кроме того, состав существенно зависит от условий взрыва, что еще больше усложняет задачу. В большинстве применяющихся на практике индивидуальных ВВ КК реализован меньше 1. Этому есть объективная причина, связанная с тем, что при стремлении КК к 1 в общем случае растет чувствительность ВВ к механическим воздействиям и следовательно опасность в обращении. Лишь в смесевых ВВ, благодаря гетерогенности можно достигнуть КК=1 при умеренной чувствительности к случайным факторам.

Для ВВ характерны два режима взрывчатого превращения: детонация и горение. При детонации реакция распространяется очень быстро (В газовых смесях 1.0 - 3.5 км/с, в твердых и жидких до 10 км/с), в зависимости от природы ВВ, свойств и размеров заряда. При этом развиваются давления, достигающие для твердых и жидких ВВ неск. сотен тысяч атм. (Десятки ГПа) с температурой до 4000°С. При расширении сжатых продуктов детонации происходит взрыв.

Протекание устойчивой детонации определяется гл. обр. эффективностью процессов активации в тот момент, когда выделяющаяся энергия передается прилегающим к фронту детонационной волны слоям еще не разложившегося ВВ, если эта эффективность слишком мала, то фронт детонации будет двигаться вперед с уменьшающейся скоростью, и в конце концов перейдет в звуковую волну.

У однородных мощных ВВ скорость детонации возрастает с повышением их плотности обычно вплоть до максимальной (см рис. 1). У смесевых аммиачно-селитренных ВВ или слабых индивидуальных (динитротолуол и др.) характер изменения скорости детонации с увеличением плотности иной: Увеличение плотности от насыпной до некоторого предела приводит к увеличению скорости детонации, но при дальнейшем повышении плотности скорость детонации начинает падать и процесс может совсем прекратиться (см рис. 2).

Увеличением диаметра заряда при испытании на скорость детонации можно сместить точку перегиба кривых скоростей детонации в зависимости от плотности в сторону большей плотности.


Рис 1. Зависимость скорости детонации от плотности мощных индивидуальных ВВ (ТЭН)

 


Рис 2. Скорость детонации аммонала 80/20 (80% аммиачная селитра, 20% алюминия) в зарядах диаметром 110мм в зависимости от плотности.

Такое различие объясняется разными механизмами развития процесса детонации. В мощных индивидуальных ВВ фронт детонационной волны считается гомогенным; сильная ударная волна распространяясь по заряду, сжимает впереди лежащие слои ВВ, вызывая их разогрев и химические превращения. Такой механизм возбуждения детонации называется гомогенным. Достаточный для возбуждения реакции разогрев слоя ВВ в этом случае согласно расчетам может произойти при скоростях детонации 6000-8000 м/с. Гомогенный процесс соответственно характерен для ВВ обладающих высокой степенью сплошности.

При меньших скоростях детонации повышение температуры за счет сжатия плотного однородного слоя ВВ незначительно и не может само по себе явиться причиной возникновения химических превращений. Возбуждение устойчивого процесса при меньших скоростях детонации более вероятно не по механизму гомогенного разогрева, а путем разогрева отдельных очагов в сечении заряда ВВ, в которых концентрируется энергия ударной волны. Такими локальными очагами могут явиться пузырьки газа, нагревающиеся при сжатии до очень высокой температуры, а также различного рода включения, вызывающие неравномерность движения массы, внутреннее трение и вследствие этого сильный местный разогрев. Этот механизм также присутствует в менее выраженном виде и в случае гомогенного процесса.

Также следует отметить, что поскольку ВВ превращается в продукты взрыва не мгновенно, то в сжатых продуктах взрывчатого превращения в детонационной волне всегда имеются частички еще не прореагировавшего ВВ или компонентов, которые, догорая, на протяжении какого-то времени питают своей энергией ударную волну. Однако горение частичек, попадающих в волну разрежения, замедляется, и их энергия для ударной волны становится бесполезной, возникают т.н. химические потери.

При инициировании детонации в цилиндрических зарядах посредством стандартного импульса, оказывается, что для каждого ВВ, в зависимости от условий упаковки, существует т.н. предельный диаметр заряда. С уменьшением диаметра заряда ниже предельного, увеличиваются потери в окр. среду и скорость детонации уменьшается, так что при величине диаметра, меньшего некоторого т.н. критического не удается получить процесса устойчивой детонации (см рис 3).


Рис 3. Зависимость скорости детонации от диаметра
заряда для композиции "B"; (60/40, Гексоген/тротил)

Инициирующие ВВ, характеризующиеся высокой скоростью реакции, детонируют в зарядах диаметром более 0.01 – 0.1 мм. Для некоторых грубодисперсных промышленных ВВ (например аммиачная селитра или игданит) критический диаметр может составить несколько десятков см. Критический диаметр является характеристикой непосредственно определяющей детонационную способность ВВ и почти всегда Рис 3. Зависимость скорости детонации от пропорционален толщине зоны реакции для диаметра заряда для композиции “B” каждого конкретного ВВ. (60/40, Гексоген/тротил) br />

Величина критического диаметра для каждого ВВ может варьироваться в довольно широких пределах и зависит гл. обр. от:

  1. Бокового отвода газов, т.е. от вида оболочки, в которую заключен заряд - массивная оболочка уменьшает потери в окружающую среду и тем самым способствует поддержанию детонационной волны. Например критический диаметр игданита в бумажной оболочке составляет 120-150мм, тогда как в стальной- 25-30мм.
  2. Плотности и сплошности ВВ - Для порошкообразных индивидуальных ВВ (тротил, гексоген) критический диаметр детонации тем меньше, чем больше плотность ВВ. Критический диаметр- маловосприимчивых и маломощных ВВ (аммиачная селитра, динитротолуол и др.) с ростом плотности в противоположность мощным индивидуальным ВВ не уменьшается, а растет (см рис 4). При детонации аммиачноселитренных ВВ со значительным содержанием индивидуального бризантного ВВ (напр. амматол 50/50) наблюдается "переходная" зависимость критического диаметра детонации, от плотности. В области малых плотностей характерная для маломощных ВВ, а при больших плотностях (для данного амматола > 1.2 г/см3) характерная для обычных индивидуальных ВВ (см рис 5). Это свидетельствует о том, что энергии превращения второго компонента - тротила или какого-либо другого мощного ВВ при большом содержании его в составе смеси достаточно чтобы без поддержки энергией вторичных реакций обеспечивать детонацию по мере дальнейшего уплотнения ВВ. В сплошных ВВ (пластичные ВВ, литьевые смеси и пр.), относительное увеличение скорости детонации от критического до макс. значения при изменения диаметра невелико по сравнению с порошкообразными или пористыми ВВ.


Рис 4. Зависимость критического диаметра
от плотности для перхлората аммония (ПХА)


Рис 5. Зависимость критического диаметра от плотности
для смеси аммиачная селитра/тротил (Аммотол 50/50)

  1. Среднего размера зерен ВВ - с увеличением размера частиц ВВ величина критического диаметра детонации возрастает. Так, для тротила при величине частиц 0.06мм критический диаметр детонации равен 9мм, а при величине частиц 0.5мм он составляет уже 28мм. См рис 6.


Рис 6. Зависимость критического диаметра от плотности
для смеси аммиачная селитра/торф (Динамон Т)
1 - грубодисперсная селитра, 2 - селитра средней дисперсности,
3 - мелкодисперсная селитра,

  1. Содержания инертных и медленно реагирующих наполнителей за счет увеличения зоны реакции и рассеяние энергии инертными частицами. При смешивании ВВ с различными наполнителями можно также существенно понизить скорость детонации, однако ее зависимость от радиуса заряда изменится незначительно. Меньшая скорость детонации также объясняется затратой энергии на процесс разогревания и деформации (измельчения) инертных частиц.
  2. Температуры ВВ. С увеличением температуры критический диаметр уменьшается.

 

Табл. 1 Критический диаметр детонации мм. при плотности 1.0 г/см3. Размер частиц порядка 0.18мм.

ВВ В стеклянной трубке В бумажной оболочке

Азид свинца

0.01-0.02

-

ТЭН

1.0-1.5

-

Гексоген

1.0-1.5

4

Тетрил

-

7

Тротил

8-10

11

Аммонит №6

10-12

12

Табл. 2 Критический диаметр детонации мм при различных плотностях.

ВВ

плотн. г/см3 D мм

Тротил прессованный

1.56

3.5

Тротил литой

1.56

30

Тетрил

1.70

3.5

ТЭН

1.61

0.3

ТЭН флегматизированный

1.60

1.5

Гексоген флегматизир.

1.63

4.0

Октоген флегматизир.

1.74

4.0

ТГ-40 литой

1.69

7.0

Детонация жидких ВВ происходит несколько иначе чем твердых: при искровом инициировании возникает медленное горение, которое через некоторое время (сотые доли секунды) переходит в нормальную скорость процесса. Для нитроглицерина и его аналогов существуют две стационарные скорости детонации. Высокое значение (до 8000 м/с) соответствует теоретической гидродинамической скорости, тогда как низкая скорость детонации, равная примерно 2000 м/с ненамного превышает скорость звука в этих веществах. Слабые первичные инициирования всегда возбуждают детонацию низшего порядка, которая в благоприятных условиях переходит в высокоскоростную, обратный же переход не наблюдается. К тому же мощность взрыва жидких ВВ типа нитроглицерина всегда в большей степени зависят от силы инициатора и вида оболочки, чем для обычных твердых ВВ. Некоторые твердые ВВ также могут иметь 2 скорости детонации, например нитрат гидразина, но для них это менее характерно.

ВВ могут представлять собой индивидуальные хим. соединения (напр. тротил, тринитробензол и др.), но чаще всего применяются смеси различных веществ. Это позволяет достигнуть требуемых эксплуатационных характеристик; технологичность, безопасность изготовления и хранения, экономическая целесообразность и т.д. Например во время второй мировой войны наиболее часто используемым ВВ для снаряжения боеприпасов был не чистый тротил, а его смеси с аммиачной селитрой (амматолы).

В качестве компонентов смесевых ВВ, могут использоваться как взрывчатые, так и не взрывчатые соединения.

Большое распространение получили смесевые ВВ типа окислитель - горючее; в качестве окислителя обычно содержат неорганические соли, способные при разложении выделять кислород (нитраты, реже - перхлораты), в качестве горючего - высокоэнергетические органические соединения (продукты переработки нефти, отходы целлюлозной и зерновой промышленности, мелкодисперсные порошки металлов и т.д.) или индивидуальные ВВ, выделяющие при разложении горючие газы CO, CH4, H2 и сажу (тротил, динитронафталин). Введение неорганических окислителей позволяет в несколько раз уменьшить стоимость ВВ и, в большинстве случаев, повысить фугасное действие (бризантность при этом уменьшается т.к. понижается скорость детонации). Состав таких смесей обычно подбирается таким образом, чтобы получить кислородный баланс близкий к нулю, особенно это касается ВВ промышленного назначения. Однако подобные смеси (аммиачно-селитренные ВВ типа динамонов и аммонитов) обычно имеют некоторые недостатки; при отсутствии в смеси (или малого содержания) индивидуального ВВ, такие ВВ теряют способность детонировать при сильном уплотнении (на практике выше 1.4 г/см3). Это происходит в том числе из-за того, что в смесевых ВВ, например в аммонитах, превращение компонентов протекает не с одинаковой скоростью. Более активные компоненты могут превращаться в газообразные продукты быстрее других; на скорость химического превращения отдельных компонентов по разному влияет давление, поэтому при изменении плотности ВВ химическое превращение компонентов и взаимодействие продуктов их превращения могут сместиться по времени и обусловить этим рост химических потерь и снижение параметров детонационной волны. При значительном уплотнении аммиачная селитра в составе АСВВ может вести себя в детонационной волне как инертное вещество и, поглощая энергию, сделать смесь неспособной к детонации.

Промышленные ВВ с большой долей аммиачной селитры в определенных условиях при штатном инициировании могут «выгорать» или дефлагрировать. Дефлаграция является промежуточным процессом между устойчивым горением и детонацией. Ее можно охарактеризовать как «неустойчивое горение» со скоростями от нескольких сотен м/с до 1км/с. Она обычно наблюдается при инициировании маловосприимчивых ВВ в шпурах и, как правило, сопровождается выбросом непрореагировавшего ВВ. В отличие от детонации дефлаграция не распространяется посредством ударной волны и, поэтому, неспособно передаваться через тонкую металлическую преграду.

Кроме того многие порошкообразные АСВВ обладают высокой гигроскопичностью, склонны к слеживанию и следовательно, к увеличению плотности и сплошности. В результате при увлажнении даже на 1% в несколько раз понижается способность к детонации. Для улучшения детонационной способности в эти смеси вводят сенсибилизаторы - бризантные ВВ: ТЭН, гексоген и т.д. Или применяют различные методы по уменьшению плотности ВВ (добавка разрыхлителей), более тонкому измельчению компонентов и обеспечению лучшего контакта между горючим и окислителем (например добавками поверхностно-активных веществ или эмульгированием).

Если горючим служат металлические порошки (напр. алюминий), то окислителем могут быть не только соединения с активным кислородом, но и соединения со связанным кислородом, в этих условиях способные вступать в экзотермическую реакцию с металлом. При этом алюминий окисляется до Al2O3, водород воды почти полностью восстанавливается, а CO2 переходит в CO. Поэтому на практике иногда применяют смеси индивидуальных ВВ с металлами, в которых ВВ - окислитель по отношению к металлу например алюмотол (тритонал). В отличие от индивидуальных ВВ, взрывное разложение СВВ, содержащих невзрывчатые компоненты протекает в 2 стадии: сначала детонирует основное ВВ, затем с продуктами взрыва реагирует металлический наполнитель, увеличивая энергию взрыва и следовательно повышая фугасное действие. Однако это в полной мере справедливо только для плотных ВВ с крупным или пассивированным связкой алюминием. В некоторых промышленных смесевых ВВ алюминий наоборот реагирует на детонационном фронте и благодаря выделяющейся энергии поддерживает фронт детонационной волны.

Из смесевых ВВ в боеприпасах нашли применение гл. обр. удобные в изготовлении и использовании литьевые смеси и сплавы на основе тротила (содержание более 20%) с разл. веществами (аммиачная селитра, гексоген, ТЭН, динитронафталин и т.д.) Из таких СВВ делают отливки нужной формы, напр. шашки - детонаторы. При взрыве смесей из индивидуальных ВВ, при первом приближении считается, что каждый из компонентов разлагается независимо с выделением соотв. кол - ва тепла, суммарный тепловой эффект складывается. Некоторые довольно чувствительные мощные бризантные ВВ часто используются с 4 - 20% добавкой флегматизатора. Флегматизаторы ВВ - разл. в-ва вводимые для снижения чувствительности ВВ, увеличения водостойкости, улучшения прессуемости и пластичности; для этих целей применяют парафин, церезин, вазелин, воск и различные полимеры. (подробнее см. в разделе "Смесевые ВВ").

Для проведения взрывных работ раньше применяли смесевые ВВ на основе жидкого кислорода (оксиликвиты), жидких и загущенных нитроэфиров и нитропарафинов (динамиты, сольвениты и т.п.), солей гидразина (астралиты) и т.д.

Особая группа промышленных ВВ - предохранительные (антигризунтные) ВВ, предназначенные для проведения взрывных работ в шахтах, опасных по газу и пыли. Подобные ВВ, по составу сходные с аммонитами, содержат в своем составе пламегасители - хлориды натрия и калия в кол-ве 12-70% (обычно 20 - 25%). Пламегаситель разбавляет взрывчатую смесь, поглощает часть тепла и препятствует воспламенению метановоздушной смеси или угольной пыли. Пламегаситель либо вводят в смесь заранее в виде порошка, либо он образуется при взрыве в активном мелкодисперсном состоянии по реакции например между нитратом калия и хлоридом аммония. Теплота взрыва предохранительных ВВ 2.1 - 3.8 МДж/кг, скорость детонации до 4.5 м/с и более.

 

Автор: ()

© Добрейшей души человеки, 2003-2017

При использовании материалов ресурса ссылка обязательна.