О влиянии дисперсности хлористого натрия на свойства аммонитов и гранулитов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 622.235 П.И. Кушнеров

Кемеровский филиал ЗАО ИТЦ «Взрывиспытания» В.Я. Панчишин

ОАО НЦ ВостНИИ

О влиянии дисперсности хлористого натрия на свойства аммонитов и гранулитов

Приведены сведения литературных источников и экспериментальные данные о влиянии дисперсности хлористого натрия на свойства аммонитов. Изучены свойства различных составов гранулитов УП-1, содержащих поваренную соль

Известно, что обеспечить высокую степень предохранительности ВВ можно путем введения в состав большого числа инертных добавок (пламегасителей). Это так называемый классический вариант предохранительных ВВ. Однако ВВ, созданные таким образом, содержат большое количество мелкодисперсных инертных добавок и их работоспособность поэтому весьма низка.

Влияние степени измельчения инертной добавки, в частности хлористого натрия, на свойства аммонитов в общем виде хорошо известно [1,2].

Так, например, П.А.Парамонов отмечает, что «предохранительные аммониты совершенно не способны взрываться, если инертная соль в их составе тонко измельчена, и безотказно детонируют, если соль введена в виде крупных кристаллов» [1 ].

Размер частиц инертной соли имеет двоякое влияние. Чем мельче частицы, тем более предохранительными свойствами обладает ВВ. Однако сильное измельчение соли приводит к резкой флегматизации ВВ и падению восприимчивости к детонации.

В механизме воспламенения метановоздушной смеси, согласно новейшим представлениям, инертная добавка играет тройную роль. Во-первых, она снижает температуру взрыва; во-вторых, тормозит развитие реакции окисления метана, приводящее к его воспламенению; в-третьих, способствуя более полному разложению ВВ, снижает содержание в продуктах взрыва ак-

тивных промежуточных веществ, способствующих воспламенению метановоздушной смеси.

Имея в виду вышесказанное, влияние добавки на те или иные свойства предохранительных аммонитов должно проявляться не только в зависимости от степени ее измельчения, но также и от ее удельного содержания в составе ВВ. Другими словами, допустимая дисперсность инертной добавки должна зависеть от ее количества в составе ВВ и наоборот.

Были проведены опыты по оценке комплексного влияния дисперсности и удельного содержания инертной добавки в составе ВВ на его важнейшие свойства.

Порошок аммонита № 6 ЖВ стандартного состава смешивался с крупной или мелкой поваренной солью. В качестве крупной соли применялась фракция, прошедшая через сито 2,8 (размер стороны ячейки в свету, мм) и оставшаяся на сите 0,8. Мелкая соль проходила через сито 0,2 и осталась на сите 0,075.

При определении работоспособности применялись отлитые из мягкого свинца стандартные бомбы Трауцля, дававшие чистое расширение от 10 г перекристаллизованного из спирта тротила 294±2см3. Все измерения проводились с учетом влияния температуры, но без учета влияния детонатора.

Были проведены три серии опытов. В первой из них брались навески чистого аммонита № 6 ЖВ от 1 до 10 г. Во второй и третьей - применялись одинаковые навески ВВ (10 г), содержащие от 10 до 90% крупной (вторая серия опытов) поваренной соли. Средние результаты из двух опытов приведены на графике (рисунок 1).

/

1 г/ 3

0123456789 10

Содержание аммонита 6ЖВ в навеске (г)

1 - чистый аммонит № 6 ЖВ; 2 - он же в смеси с крупнодисперсным ЫаО!;

3 - он же в смеси с мелкодисперсным ЫаО! Рисунок 1 - Зависимость расширения бомбы Трауцля при взрыве аммонита

Как видно из рисунка 1 (кривая 1), между расширением бомбы и величиной навески ВВ нет прямой пропорциональности, что хорошо известно. Однако на определенном участке кривой (от 5 до 10 г аммонита № 6 ЖВ) наблюдается практически прямолинейная зависимость. Отсюда можно сделать важный предварительный вывод о том, что при равных навесках ВВ величина начального объема снаряда (в рассматриваемых границах) практически не оказывает влияния на работоспособность (расширение бомбы). Это позволяет сравнивать кривые между собой в точках, отвечающих равным количествам аммонита № 6 ЖВ независимо от разницы в объемах зарядов. Такое сравнение показывает, что при содержании крупной поваренной соли в составе ВВ до 10% его работоспособность практически равна работоспособности активной доли заряда. Из этого следует, что крупная поваренная соль в количестве до 10% в механизме воспламенения метановоздушной смеси, видимо, не может играть первой роли из вышеуказанных трех (снижение температуры взрыва). При содержании крупной поваренной соли до 20% (точка, соответствующая 8 г аммонита № 6 ЖВ) работоспособность ВВ не намного отличается от работоспособности его активной части. При дальнейшем увеличении содержания крупной поваренной соли в составе ВВ работоспособность заряда все больше отличается от работоспособности его активной части (начинает сказываться понижение температуры продуктов взрыва за счет поглощения тепла частицами инертной добавки).

Увеличение содержания мелкой поваренной соли в составе дает более резкое снижение работоспособности (кривая 3), что свидетельствует о более быстром падении температуры взрыва за счет увеличения теплообмена между продуктами взрыва и частицами инертной добавки.

Приведенные данные указывают на то, что теоретический расчет температуры взрыва предохранительных ВВ, основанный на допущении равновесного теплообмена между продуктами взрыва и частицами инертной добавки, дает явно заниженные результаты, и тем больше, чем крупнее эти частицы и чем меньше их содержание в составе ВВ.

Из графика (см.рисунок 1) можно определить эквивалентные заряды по работоспособности. Например, для получения расширения бомбы в 200 см3 необходимо взять навеску аммонита № 6 ЖВ величиной 5,7 г. Чтобы получить такое же расширение от смеси аммонита № 6 ЖВ с поваренной солью, необходимо взять 5,9 г аммонита и 4,1 г крупной соли (41%) или 6,6 г аммонита и 3,4 г мелкой соли (34%). Для получения одинаковой работоспособности, например в 304 см3, необходимо в составе аммонита № 6 ЖВ иметь 20% крупной соли или 16% мелкой.

Со смесями того же образца аммонита №6 ЖВ и поваренной соли указанных фракций были проведены опыты по определению бризантности на свинцовых столбиках, скорости детонации

и передачи детонации на открытом воздухе. В последних двух испытаниях применялись патроны диаметром 32 мм при плотности ВВ 1 г/см3.

Предохранительные свойства ВВ определялись методом взрывания открытого заряда массой 50 г (при диаметре патрона 32 мм) в камере опытного штрека, заполненной 9,5%-ной смесью метана с воздухом. Критерием оценки служила частота воспламенения смеси.

Результаты опытов показаны на рисунках 2-5, из которых видно, что как удельное содержание поваренной соли в составе ВВ, так и степень ее измельчения оказывают сильное влияние на основные свойства предохранительных ВВ. При этом влияние одного фактора может быть компенсировано влиянием другого. Так, одинаковая бризантность, например 14 мм, достигается при добавлении в состав аммонита № 6 ЖВ 20% крупной или 10% мелкой соли. Одинаковая скорость детонации, например 3500 м/с, получается при введении в состав аммонита №6 ЖВ 17% крупной или 7,5% мелкой соли. Передачей детонации, равной 5 см, обладает аммонит №6 ЖВ, к которому добавлено 20% крупной или около 5% мелкой поваренной соли. Точно также для обеспечения одинаковой частоты воспламенения метановоздушной смеси в выбранном методе испытания и равной, например, 50% необходимо в составе аммонита №6 ЖВ иметь около 30% крупной или около 11% мелкой соли.

В современном производстве предохранительных аммонитов, как правило, применяют крупнодисперсную поваренную соль с величиной кристаллов приблизительно от 1 до 3 мм, вводимую в состав ВВ до 20%. При таком относительно большом содержании соли увеличение ее дисперсности приводит к снижению взрывных показателей ВВ. Для устранения последнего приходится повышать требования к гранулометрическому составу соли и усложнять технологию изготовления ВВ. Как показывают результаты вышеописанных опытов, можно изготовлять ВВ, в которых крупная соль заменяется мелкой. Подбором эквивалентного количества мелкой соли можно сохранить заданный уровень предохранительных свойств и детонационной способности ВВ и в то же время получить выигрыш по работоспособности, так как мелкой соли в составе ВВ потребуется значительно меньше. Такое измельчение соли может быть обеспечено при одновременной загрузке аппаратов основными компонентами смеси в стадии процесса измельчения и смешения ВВ.

ММ

~ ||||||||||| о/

О 10 20 30 40 50

Содержание Л/а С/

1 - крупнодисперсный ЫаО!; 2 - мелкодисперсный ЫаО! Рисунок 2 - Зависимость величины обжатия свинцового столбика от содержания ЫаО! в аммоните

1 - крупнодисперсный ЫаО!; 2 - мелкодисперсный ЫаО! Рисунок 3 - Зависимость скорости детонации от содержания ЫаО! в аммоните

СМ

3 8

|7

¡6

0 _

5

^ л £ 4

? з

1 2

■1

N I 1 I

10 20 Содержание МаС/

30

%

1 - крупнодисперсный ЫаО!; 2 - мелкодисперсный ЫаО! Рисунок 4 - Зависимость передачи детонации от содержания ЫаО! в аммоните

1 - крупнодисперсный ЫаО!; 2 - мелкодисперсный ЫаО! Рисунок 5 - Зависимость частоты воспламенения метановоздушной смеси от содержания ЫаО! в аммоните

Из вышеприведенного материала следует:

1 При увеличении содержания хлористого натрия в аммоните изменение взрывных и предохранительных свойств носит более резкий характер в случае тонкоизмельченной соли.

Мелкодисперсная соль в количестве более 10% снижает работоспособность ВВ пропорционально ее содержанию в составе аммонита. Крупнодисперсная соль в количестве до 20% сни-

жает работоспособность аммонита на величину относительного содержания соли в нем. Это, по-видимому, указывает на то, что температура продуктов взрыва существенно не снижается от введения крупнодисперсной соли в указанных количествах. Предохранительные свойства таких ВВ, по всей вероятности, обеспечиваются главным образом за счет отрицательного каталитического действия хлористого натрия на реакцию окисления металла и положительного каталитического действия - на реакцию разложения ВВ.

2 Основные свойства предохранительного аммонита не ухудшаются, если крупнодисперсный хлористый натрий заменяется мелкодисперсным при соответствующем уменьшении его количества в составе ВВ.

В публикации [2] рассмотрен достаточно обстоятельно вопрос о свойствах крупнодисперсных аммиачно-селитренных ВВ, содержащих хлористый натрий. Здесь отмечается, что в настоящее время гранулированная аммиачная селитра находит широкое применение для изготовления промышленных ВВ типа гранулитов, игданитов и др. Эти взрывчатые вещества не обладают анти-гризутными свойствами и поэтому не могут применяться в шахтах, опасных по газу или пыли. Однако применение гранулированной аммиачной селитры и других веществ в крупнодисперсном состоянии как составной части антигризутных ВВ приобретает особый интерес в связи с разрабатываемыми в настоящее время вопросами механизации взрывных работ. Составные части смесе-вых ВВ в крупнодисперсном состоянии придают последним особую подвижность, сыпучесть, меньшую слеживаемость и увлажненность при хранении. В то же время известно, что увеличение крупности частиц аммиачно-селитренных ВВ приводит к уменьшению их детонационной способности и чувствительности к инициирующему импульсу.

Существует мнение, что чем хуже детонационная способность ВВ, тем ниже его антигри-зутные свойства. Это обычно связывают с увеличением времени химического превращения ВВ и, как следствие, с увеличением времени воздействия горячих продуктов взрыва на взрывоопасные смеси метана или каменноугольной пыли с воздухом. Немаловажную роль в понижении антигри-зутных свойств ВВ отводят также образованию при взрыве дефлагирующих частиц и окислов азота. С этой точки зрения следовало бы ожидать, что крупнодисперсные ВВ, при прочих равных условиях, должны обладать худшими антигризутными свойствами, чем мелкодисперсные.

Были изготовлены три смеси аммиачной селитры, тротила и поваренной соли, тождественные по количественному составу компонентов, но различные по дисперсному составу (таблица 1).

Таблица 1 - Разнодисперсные составы взрывчатых смесей

Гранулометрический состав, % , при размере частиц, мм

Номер смеси Аммиачная селитра Тротил Поваренная соль

0,45 - 2,0 0,07 - 2,0 0,45 - 2,0 0,07 - 2,0 1 - 2,0

1 57,6 6,4 14,4 1,6 20

2 32 32 8 8 20

3 - 64 - 16 20

Аммиачная селитра и тротил с частицами от 2,0 до 0,45 мм были гранулированные, а с

частицами от 0,2 до 0,07 мм - мелкокристаллические. Эти смеси были испытаны в метановоздуш-ной среде (9,5% метана) взрыванием свободно подвешенных зарядов разной массы с чередованием опытов и обработкой результатов по известному методу «вверх и вниз». Соответствующим расчетом были определены массы зарядов испытанных смесей Р50, взрывание которых в 50% случаев воспламеняло метан (рисунок 6).

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Порядковый номер опыта, п

1, 2, 3 - номер смеси Рисунок 6 - Результаты испытания в метановоздушной среде

Смесь №1 затем испытывалась в опытном штреке взрыванием заряда, уложенного в стандартную уголковую мортиру (рисунок 7).

2100

1600 1200 900 а 700

о:

5 230

ОС

3

г™

0)

Ш

132 100

1

7 1 э = 50 114 5 г

к2 -ГШ

\/

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Порядковый номер опыта, п

1 - свободно подвешенный заряд; 2 - заряд в уголковой мортире Рисунок 7 - Результаты испытания в метановоздушной среде

В следующей серии опытов были изготовлены три смеси с одинаковой дисперсностью компонентов, но с различным содержанием поваренной соли (таблица 2).

Таблица 2 - Составы взрывчатых смесей с одинаковой дисперсностью компонентов

Номер смеси Гранулометрический состав, %, при размере частиц, мм

Аммиачная селитра Тротил Поваренная соль

0,45 - 2,0 0,07 - 0,2 0,45 - 2,0 0,07 - 2,0 1,0 - 2,0

2а 28 28 7 7 30

2 32 32 8 8 20

2б 36 36 9 9 10

Результаты взрываний свободно подвешенных зарядов этих смесей в метановоздушной среде показаны на рисунке 8.

302

230

В)

о:

«Й 174 о:

8 (о

К 132 ш

100

76

58

с Е) 1 е * р = [Л =247 Т г И ( ! ( V \

— -А ( V \ Л / V \ Л / V] \ V. \ -А / \

/ * / / ■г / „ \ Д / / 3 с 3 ,2 И Л / / « э > =139 г

£ / /- \ ) \ - \ / \ - X 6 / / > _ V / / г \ \ п ~7 / / Г~ \ > в / / Г V _ V 9 / / Г « < \ _ X а Л

К \ \ / / * . э £ э ( \ \ \ > / / { э а с V 3 с 3 0 \ \

а N и \ Р 50/ =83 г )

5 5 \ к \ / N V

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Порядковый номер опыта, п

1 - смесь №2а; 2 - смесь №2; 3 - смесь №2б Рисунок 8 - Результаты испытания в метановоздушной среде

Проведенные опыты показывают, что при взрывании открытых зарядов в метановоздушной среде относительное увеличение содержания более крупных частиц активных компонентов в ам-монитной смеси (аммиачная селитра и тротил) приводит не к понижению, а к повышению антигри-зутности. Последнее объясняется, видимо, тем, что в этих условиях увеличивается разброс частиц, а следовательно, уменьшается количество выделяемой при взрыве энергии. Напротив, при взрывании открытого заряда крупнодисперсного ВВ, уложенного в уголковую мортиру, наблюдается резкое снижение антигризутности. Как известно, при испытании мелкодисперсных ВВ повышенной антигризутности в аналогичных условиях такого резкого снижения антигризутности не происходит. Это, по-видимому, объясняется тем, что при переходе от взрывания свободно подвешенного заряда к взрыванию в уголковой мортире резко возрастает полнота детонации взрывчатого разложения крупнодисперсного ВВ, а с нею и количество выделяемой энергии и, как следствие, резко повышается температура продуктов взрыва, что не наблюдается у обычных тонкодисперсных ВВ.

Увеличение содержания поваренной соли в составе крупнодисперсного ВВ приводит к возрастанию антигризутности. Здесь наблюдается, по всей вероятности, такая картина, как у обычных

ВВ.

Указанные в таблице 2 смеси, запатронированные в бумажные гильзы диаметром 44 мм, испытывались в опытном штреке по стандартной методике. Масса заряда при испытании по газу составляла 600 г, по пыли испытания проводились без забойки, по газу - с глиняной забойкой толщиной 1 см.

Результаты, приведенные в таблице 3, показывают, что стандартные испытания по газу и пыли выдерживают смеси с содержанием соли 20% и выше.

Смесь с 10% соли испытаний не выдерживает.

Смесь №2 (таблица 3) и штатный аммонит ПЖВ-20 были испытаны по газу при взрывании в канале мортиры без забойки.

Таблица 3 - Результаты сравнительных испытаний ВВ по воспламенению газа и пыли

Номер смеси Частота воспламенения

газа пыли

2а 0/10 0/10

2 0/10 0/10

2б 1/10 2/2

Примечание. В числителе - число воспламенений; в знаменателе - количество опытов.

Результаты (таблица 4) показывают, что при одинаковом процентном содержании активных компонентов крупнодисперсные смеси аммонитов обладают более высокой антигризутностью, чем мелкодисперсные. С этой точки зрения, есть полная возможность создания предохранительных ВВ в крупнодисперсном состоянии.

Таблица 4 - Результаты сравнительных испытаний ВВ по оценке их предохранительности

Номер смеси Диаметр Частота воспламенения при заряде, г

патрона, мм 600 550 300

2 44 1/10 0/10 -

ПЖВ-20 36 10/10 - 3/10

Примечание. В числителе - число воспламенений, в знаменателе - количество опытов.

Здесь приведены данные экспериментальной оценки сыпучести гранулита, представляющего собой механическую смесь гранулита УП-1А с 20% хлористого натрия (поваренная соль). Такая смесь разработана в ВостНИИ под названием гранулит АС-С марки А. Изготовляли опытные образцы гранулита АС-С в ЦЗЛ завода «Знамя» вручную с использованием в качестве жидкого

нефтепродукта в одном случае индустриального масла, в другом - экстракта нефтяного. Дисперсность применяемой соли была различной (до 1 мм, от 1 до 5 мм, свыше 5 мм).

Для сравнения в опытах применен и обычный (без соли в составе) гранулит УП-1А, изготовленный с применением индустриального масла и экстракта нефтяного. Сыпучесть гранулитов определялась сразу после изготовления образцов, после увлажнения при выдержке над водой в течение 4 ч в эксикаторе, а также после сушки в шкафу с температурой 60оС в течение 2 ч. Сыпучесть определялась по методике ВостНИИ [3].

Сущность метода заключается в том, что при поднятии цилиндра, наполненного веществом, последнее высыпается на подставку (мишень), образуя окружность, диаметр которой измеряется в четырех геометрически противоположных точках, и рассчитывается его среднее значение. Размер диаметра, выраженный в миллиметрах, служил мерой сыпучести. В опытах применялся стеклянный цилиндр высотой 100 мм, внутренним диаметром 54 мм. Навеска ВВ (223 г) засыпалась в цилиндр.

Усредненные значения сыпучести для испытуемых образцов гранулитов сведены в таблицу 5.

Таблица 5 - Оценка сыпучести гранулированных ВВ

Гранулит УП (с солью)

Отобранная Наименование Время Сыпучесть (диаметр окруж- Грану-

проба гранулита жидкого процесса, ности), см лит

нефтепродукта ч Помол Помол Помол УП

до 1 мм до 5 мм выше (без

5 мм соли)

До увлажнения С нефтяным - 15 15 15,1 13,4

экстрактом

После увлажнения То же 2 14,7 14,8 15 13,1

После сушки -«- 2 16,5 16,5 16,3 16,5

До увлажнения С нефтяным - 20,3 19,5 19,7 13,6

экстрактом

После увлажнения То же 4 18,1 17,7 17,9 12,6

После сушки -«- 2 18,7 20,5 20,3 18,2

До увлажнения С индустриаль- - 21 17 18 16,9

ным маслом

После увлажнения То же 2 21 17 17 16,8

После сушки -«- 2 21 21 19,4 22,9

До увлажнения С индустриаль- - 18,6 20,2 20,3 18,8

ным маслом

После увлажнения То же 4 17,7 20,2 19,7 18,3

После сушки -«- 2 19 Монолит 19,8 23,9

Из таблицы 5 видно:

- сыпучесть гранулитов, содержащих в составе соль, превосходит сыпучесть гранулита близкого состава, но без соли (гранулита УП-1 А);

- сыпучесть несколько лучше у составов, изготовленных на индустриальном масле, в срав-

нении с образцами, изготовленными на экстракте нефтяном, хотя отличие методики не столь значительно, как предполагалось перед постановкой опытов;

- в общем виде сыпучесть ухудшается при увлажнении продукции и восстанавливается при высушивании. Однако в отдельных случаях (при чрезмерном увлажнении) продукция после сушки превращается в монолит. Примером тому служит образец гранулита, изготовленный на индустриальном масле.

Экспериментальным путем оценивалась и полнота детонации гранулитов, содержащих и не содержащих поваренную соль. Результаты испытаний гранулитов с различным содержанием хлорида натрия приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Взрывчатые характеристики ВВ с различным содержанием хлорида натрия

Содержание компонентов в составах, % Гранулит УП-1 Образцы составов

1 2 3 4 5

Селитра аммиачная 93,0 85,0 84,0 75,0 76,0 70,0

Нефтепродукт 3,5 3,5 3,0 2,5 2,0 2,5

Угольный порошок 3,5 3,5 3,0 2,5 2,0 2,5

Хлорид натрия - 8,0 10,0 20,0 20,0 25,0

Характеристики ВВ, мм День взрыва

1 30 1 30 1 30 1 30 1 30 1 30

Бризантность 18 18 16 14 20 20 18 18 18 18 17 17

Эффективность 36 36 33 32 39 39 36 36 36 36 34 34

Таким образом, на основании результатов экспериментальной проверки сыпучести и полноты детонации гранулитов, содержащих и не содержащих в составе поваренную соль, можно сделать вывод, что введение соли в состав гранулита УП-1 не ухудшает его сыпучести и основной контролируемый показатель качества, не изменяет внешний вид и полноту детонации при длительном хранении.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Парамонов, П.А. К вопросу о влиянии дисперсности хлористого натрия на свойства предохранительных аммонитов // Взрывное дело. -№ 59/9 -М.:НТО, 1963. -С.289.

2 Парамонов, П.А. Исследование детонационных свойств крупнодисперсных предохранительных аммиачно-селитренных ВВ/ П.А. Парамонов, А.С. Попова, А.Б. Михайлов, В.П. Долгопо-лов //Взрывное дело.- № 63/20. -М.: Недра, 1967. -С.281.

3 Технические требования и методы испытания взрывчатых веществ местного приготовления для угольных разрезов. - Кемерово: ВостНИИ, 1995. - 57 с.