Вибухові речовини

Це індивідуальні речовини або суміші, здатні під впливом будь - якого зовнішнього впливу (нагрівання, тертя, удар і т.п.) до швидкої, самораспространяющемуся хім. реакції з виділенням великої кількості енергії і утворенням газів. Відстань, на яке переміщається фронт реакції в одиницю часу називається швидкістю вибухового перетворення.

Вибухові речовини зазвичай складаються з вуглецю, водню, азоту і кисню. Коли ВВ розпадаються, відбувається процес окислення горючих елементів ВВ (вуглецю і водню), окислювальними елементом ВВ - киснем. У вихідному речовині окислювальні і горючі елементи ВВ зазвичай пов'язані через буферний елемент - азот, це забезпечує стійкість молекули в нормальному стані. Таким чином будь-який ВВ містить як горючі компоненти, так і окисні, що дозволяє їм розпадатися в самопідтримується режимі з виділенням енергії у відсутності кисню повітря. Відношення кількості атомів кисню, що міститься в ВВ, до кількості атомів кисню, необхідного для повного окислення горючих елементів ВВ до CO2. H2O, називається кисневим коефіцієнтом (КК), при цьому вважають, що азот виділяється в молекулярному вигляді N2. Наприклад вибуховий розкладання етіленглікольдінітрата виглядає наступним чином:

Безумовно, КК = 1 відповідає максимально можливому енерговиділення ВВ, і, відповідно, максимальної потужності. При КК 1 в продуктах вибуху починають з'являтися вільний кисень і оксиди азоту. При цьому слід пам'ятати, що властивості продуктів при параметрах, характерних для детонації конденсованих ВВ, до сих пір маловивчені, тому розрахунок складу продуктів детонації зазвичай носить гіпотетичний характер. Крім того, склад істотно залежить від умов вибуху, що ще більше ускладнює завдання. У більшості застосовуються на практиці індивідуальних ВВ КК реалізований менше 1. Цьому є об'єктивна причина, пов'язана з тим, що при прагненні КК до 1 в загальному випадку зростає чутливість ВВ до механічних впливів і отже небезпека в зверненні. Лише в сумішевих ВР, завдяки гетерогенності можна досягти КК = 1 при помірній чутливості до випадкових факторів.

Для ВВ характерні два режими вибухового перетворення: детонація і горіння. При детонації реакція поширюється дуже швидко (В газових сумішах 1.0 - 3.5 км / с, в твердих і рідких до 10 км / с), в залежності від природи ВВ, властивостей і розмірів заряду. При цьому розвиваються тиску, що досягають для твердих і рідких ВВ дек. сотень тисяч атм. (Десятки ГПа) з температурою до 4000 ° С. При розширенні стислих продуктів детонації відбувається вибух.

Перебіг стійкої детонації визначається гл. обр. ефективністю процесів активації в той момент, коли виділяється енергія передається прилеглим до фронту детонаційної хвилі верствам ще не розклалася ВВ, якщо ця ефективність занадто мала, то фронт детонації буде рухатися вперед з зменшується швидкістю, і в кінці кінців перейде в звукову хвилю.

У однорідних потужних ВВ швидкість детонації зростає з підвищенням їх щільності зазвичай аж до максимальної (див рис. 1). У сумішевих аміачно-селітрених ВР або слабких індивідуальних (динітротолуол і ін.) Характер зміни швидкості детонації зі збільшенням щільності інший: Збільшення щільності від насипний до певної межі призводить до збільшення швидкості детонації, але при подальшому підвищенні щільності швидкість детонації починає падати і процес може зовсім припинитися (див рис. 2).

Збільшенням діаметра заряду при випробуванні на швидкість детонації можна змістити точку перегину кривих швидкостей детонації в залежності від щільності в бік більшої щільності.

Рис 1. Залежність швидкості детонації від щільності потужних індивідуальних ВВ (ТЕН)

Рис 2. Швидкість детонації амоналу 80/20 (80% аміачна селітра, 20% алюмінію) в зарядах діаметром 110мм в залежності від щільності.

Така відмінність пояснюється різними механізмами розвитку процесу детонації. У потужних індивідуальних ВВ фронт детонаційної хвилі вважається гомогенним; сильна ударна хвиля поширюючись по заряду, стискає попереду лежачі шари ВВ, викликаючи їх розігрів і хімічні перетворення. Такий механізм збудження детонації називається гомогенним. Достатній для збудження реакції розігрів шару ВВ в цьому випадку згідно з розрахунками може статися при швидкостях детонації 6000-8000 м / с. Гомогенний процес відповідно характерний для ВВ володіють високим ступенем сплошности.

При менших швидкостях детонації підвищення температури за рахунок стиснення щільного однорідного шару ВВ незначно і не може сама по собі бути причиною виникнення хімічних перетворень. Порушення стійкого процесу при менших швидкостях детонації більш ймовірно не по механізму гомогенного розігріву, а шляхом розігріву окремих вогнищ в перерізі заряду вибухової речовини, в яких концентрується енергія ударної хвилі. Такими локальними вогнищами можуть з'явитися пухирці газу, що нагріваються при стисненні до дуже високої температури, а також різного роду включення, що викликають нерівномірність руху маси, внутрішнє тертя і внаслідок цього сильний місцевий розігрів. Цей механізм також присутній в менш вираженому вигляді і в разі гомогенного процесу.

Також слід зазначити, що оскільки ВВ перетворюється в продукти вибуху не миттєво, то в стислих продуктах вибухового перетворення в детонаційної хвилі завжди є частинки ще не прореагував ВВ або компонентів, які, догоряючи, протягом якогось часу живлять своєю енергією ударну хвилю. Однак горіння частинок, що потрапляють в хвилю розрідження, сповільнюється, і їх енергія для ударної хвилі стає марною, виникають т.зв. хімічні втрати.

При ініціюванні детонації в циліндричних зарядах за допомогою стандартного імпульсу, виявляється, що для кожного ВВ, в залежності від умов упаковки, існує т.зв. граничний діаметр заряду. Зі зменшенням діаметра заряду нижче граничного, збільшуються втрати в окр. середу і швидкість детонації зменшується, так що при величині діаметра, меншого деякого т.зв. критичного не вдається отримати процесу стійкої детонації (див рис 3).

Рис 3. Залежність швидкості детонації від діаметра
заряду для композиції "B"; (60/40, Гексоген / тротил)

Ініціюють ВВ, що характеризуються високою швидкістю реакції, детонують в зарядах діаметром більше 0.01 - 0.1 мм. Для деяких грубодисперсних промислових ВР (наприклад аміачна селітра або ігданіт) критичний діаметр може скласти кілька десятків см. Критичний діаметр є характеристикою безпосередньо визначає детонационную здатність ВВ і майже завжди Рис 3. Залежність швидкості детонації від пропорційний товщині зони реакції для діаметра заряду для композиції "B "кожного конкретного ВВ. (60/40, Гексоген / тротил) br >

Величина критичного діаметра для кожного ВВ може варіюватися в досить широких межах і залежить гл. обр. від:

Рис 4. Залежність критичного діаметра
від щільності для перхлората амонію (Пха)

Рис 5. Залежність критичного діаметра від щільності
для суміші аміачна селітра / тротил (Аммотол 50/50)

Середнього розміру зерен ВВ - зі збільшенням розміру часток вибухових величина критичного діаметра детонації зростає. Так, для тротилу при величині частинок 0.06мм критичний діаметр детонації дорівнює 9мм, а при величині частинок 0.5мм він становить уже 28мм. Див рис 6.

Рис 6. Залежність критичного діаметра від щільності
для суміші аміачна селітра / торф (дінамони Т)
1 - грубодисперсна селітра, 2 - селітра середньої дисперсності,
3 - мелкодисперсная селітра,

Змісту інертних і повільно реагують наповнювачів за рахунок збільшення зони реакції і розсіювання енергії інертними частинками. При змішуванні ВВ з різними наповнювачами можна також істотно знизити швидкість детонації, проте її залежність від радіуса заряду зміниться незначно. Менша швидкість детонації також пояснюється витратою енергії на процес розігрівання і деформації (подрібнення) інертних частинок.
Температури ВВ. Зі збільшенням температури критичний діаметр зменшується.

Табл. 1 Критичний діаметр детонації мм. при щільності 1.0 г / см3. Розмір частинок порядку 0.18мм.

У скляній трубці

ВВ можуть являти собою індивідуальні хім. з'єднання (напр. тротил, ТРИНІТРОБЕНЗОЛ і ін.), але найчастіше застосовуються суміші різних речовин. Це дозволяє досягти необхідних експлуатаційних характеристик; технологічність, безпека виготовлення і зберігання, економічна доцільність і т.д. Наприклад під час другої світової війни найбільш часто використовуваних ВВ для спорядження боєприпасів був не чистий тротил, а його суміші з аміачною селітрою (амматоли).

В якості компонентів сумішевих ВР, можуть використовуватися як вибухові, так і не вибухові сполуки.

Великого поширення набули сумішеві ВВ типу окислювач - пальне; як окислювач зазвичай містять неорганічні солі, здатні при розкладанні виділяти кисень (нітрати, рідше - перхлорати), в якості пального - високоенергетичні органічні сполуки (продукти переробки нафти, відходи целюлозної і зернової промисловості, дрібнодисперсні порошки металів і т.д.) або індивідуальні ВВ, що виділяють при розкладанні горючі гази CO, CH4, H2 і сажу (тротил, дінітронафталін). Введення неорганічних окислювачів дозволяє в кілька разів зменшити вартість ВВ і, в більшості випадків, підвищити фугасна дія (бризантность при цьому зменшується тому знижується швидкість детонації). Склад таких сумішей зазвичай підбирається таким чином, щоб отримати кисневий баланс близький до нуля, особливо це стосується ВВ промислового призначення. Однак подібні суміші (аміачно-селітрену ВР типу дінамони і амонітів) зазвичай мають деякі недоліки; при відсутності в суміші (або малого змісту) індивідуального ВВ, такі ВВ втрачають здатність детонувати при сильному ущільненні (на практиці вище 1.4 г / см3). Це відбувається в тому числі з-за того, що в сумішевих ВР, наприклад в амонітах, перетворення компонентів протікає не з однаковою швидкістю. Більш активні компоненти можуть перетворюватися в газоподібні продукти швидше за інших; на швидкість хімічного перетворення окремих компонентів по різному впливає тиск, тому при зміні щільності ВВ хімічне перетворення компонентів і взаємодія продуктів їх перетворення можуть зміститися за часом і обумовити цим зростання хімічних втрат і зниження параметрів детонаційної хвилі. При значному ущільненні аміачна селітра в складі АСВВ може вести себе в детонаційної хвилі як інертна речовина і, поглинаючи енергію, зробити суміш нездатною до детонації.

Промислові ВВ з великою часткою аміачної селітри в певних умовах при штатному ініціювання можуть «вигоряти» або дефлагріровать. Дефлаграція є проміжним процесом між стійким горінням і детонацією. Її можна охарактеризувати як «нестійке горіння» зі швидкостями від декількох сотень м / с до 1км / с. Вона зазвичай спостерігається при ініціюванні малосприйнятливими ВВ в шпурах і, як правило, супроводжується викидом непрореагировавшего ВВ. На відміну від детонації дефлаграція не поширюється за допомогою ударної хвилі і, тому, не здатне передаватися через тонку металеву перешкоду.

Крім того багато порошкоподібні АСВВ володіють високою гігроскопічністю, схильні до злежування і отже, до збільшення щільності та суцільності. В результаті при зволоженні навіть на 1% в кілька разів знижується здатність до детонації. Для поліпшення детонаційної здатності в ці суміші вводять сенсибілізатори - брізантние ВВ: ТЕН, гексоген і т.д. Або застосовують різні методи по зменшенню щільності ВВ (добавка розпушувачів), більш тонкому подрібненню компонентів і забезпечення кращого контакту між пальним та окислювачем (наприклад добавками поверхнево-активних речовин або емульгуванням).

Якщо пальним служать металеві порошки (напр. Алюміній), то окислювачем можуть бути не тільки з'єднання з активним киснем, а й з'єднання зі зв'язаним киснем, в цих умовах здатні вступати в екзотермічну реакцію з металом. При цьому алюміній окислюється до Al2O3. водень води майже повністю відновлюється, а CO2 переходить в CO. Тому на практиці іноді застосовують суміші індивідуальних ВВ з металами, в яких ВВ - окислювач по відношенню до металу наприклад алюмотол (трітонал). На відміну від індивідуальних ВВ, вибуховий розкладання СВВ, що містять невибухові компоненти протікає в 2 стадії: спочатку детонує основне ВВ, потім з продуктами вибуху реагує металевий наповнювач, збільшуючи енергію вибуху і отже підвищуючи фугасну дію. Однак це в повній мірі справедливо тільки для щільних ВВ з великим або пасивувати зв'язкою алюмінієм. У деяких промислових сумішевих ВР алюміній навпаки реагує на детонаційному фронті і завдяки енергії, що виділяється підтримує фронт детонаційної хвилі.

Для проведення вибухових робіт раніше застосовували сумішеві ВВ на основі рідкого кисню (оксиліквіти), рідких і загущених нітроефірів і нітропарафінов (динаміти, сольвеніти і т.п.), солей гідразину (астраліти) і т.д.

Особлива група промислових ВР - запобіжні (антігрізунтние) ВВ, призначені для проведення вибухових робіт в шахтах, небезпечних за газом та пилом. Подібні ВВ, за складом схожі з амонітами, містять в своєму складі пламегасители - хлориди натрію і калію в кол-ве 12-70% (зазвичай 20 - 25%). Пламегаситель розбавляє вибухову суміш, поглинає частину тепла і перешкоджає запаленню метано-повітряної суміші або вугільного пилу. Пламегаситель або вводять в суміш заздалегідь у вигляді порошку, або він утворюється під час вибуху в активному дрібнодисперсному стані по реакції наприклад між нітратом калію та хлоридом амонію. Теплота вибуху запобіжних ВВ 2.1 - 3.8 МДж / кг, швидкість детонації до 4.5 м / с і більше.