112

Министерство образования

Российской Федерации

___________________________

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(Технический университет)”

____________________________________________________

Кафедра химии и технологии органических соединений азота

Ю.Н. Данилов, М.А. Илюшин, И.В. Целинский

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА

Часть1. Инициирующие взрывчатые вещества

Текст лекций

Санкт - Петербург

2004

УДК 541.8.002

Данилов Ю.Н., Илюшин М.А., Целинский И.В.. Промышленные взрывчатые вещества. Часть1. Инициирующие взрывчатые вещества. Текст лекций. СПб. СПбГТИ(ТУ) - 2004-113 с

Второе переработанное и дополненное издание курса лекций содержит сведения по химии и технологии производства штатных инициирующих взрывчатых веществ, произкодимых промышленностью, и важнейших представителях других классов инициирующих взрывчатых веществ. Курс лекций включает в себя информацию, подчерпнутую из литературных источников справочного характера, патентной литературы, студенческих дипломных проектов и работ.

Курс предназначен для студентов 4 и 5 курсов специальности “Химии и технологии органических соединений азота”, соответствует рабочей программе курса «Промышленные взрывчатые вещества» и может быть использован студентами для подготовки к экзаменам по специальностям 25.11.00, при выполнении курсовых и дипломных проектов.

12 ил., 3 табл., 12 библиогр. названий

Рецензенты: 1. Федеральное государственное унитарное предприятие Специальное конструкторско-технологическое бюро «Технолог», д-р.техн.наук С.А.Душенок 2.Д-р.хим..наук, профессор Ласкин Б.М., ФГУП РНЦ «Прикладная химия»,

Утверждено на заседании учебно-методической комиссии факультета тонкого органического и микробиологического синтеза в марте 2004 г

Рекомендовано к изданию РИСо СПбГТИ(ТУ)

Посвящается 75-летию кафедры

Химии и технологии органических

соединений азота.

Введение

Курс лекций принадлежит к числу специальных дисциплин. Он ставит своей целью ознакомление студентов с суммой теоретических знаний и практических приемов в современной химии и технологии производства инициирующих взрывчатых веществ (ИВВ), оценки степени потенциальной опасности ИВВ как энергонасыщенных материалов и технологических процессов их производства. Содержание курса лекций определено учебным планом и программой дисцип­лины с учётом знаний, приобретённых студентами при изучении общенаучных, обще­инженерных и специальных дисциплин. В курсе лекций дано подробное описание свойств тех классов энергоемких соединений, к которым принадлежат производимые про­мышленностью штатные инициирующие взрывчатые вещества. Для лучшего понимания материала даются краткие сведения по свойствам других энергонасыщенных веществ, обладающих инициирующей способностью, и нашедших ограниченное применение в отдельных образцах средств инициирования. В тексте лекций приводятся свойства штатных инициирующих взрывчатых веществ, типовые технологические процессы их изготовления, а также изложены основные мероприятия по обеспечению технологической безопасности, улучшению условий труда и охраны окружающей среды. Ссылки на приводимые в литературе технологические процессы производства перспективных взрывчатых веществ для средств инициирования помогут студентам в будущей самостоятельной деятельности разрабатывать безопасные способы ведения процессов, уметь оценивать технический уровень и степень технологической безопасности производства в целом. Курс лекций содержит сведения, подчерпнутые из литературных источников справочного характера, монографий, патентов, студенческих дипломных проектов и работ. Курс лекций должен позволить студентам использовать полученные знания в курсовом и дипломном проектировании, при проведении учебных и научно-исследовательских работ, а также в последующей профессиональной деятельности по специальности.

Глава 1. Общая характеристика инициирующих взрывчатых веществ.

1.1. Классификация взрывчатых веществ.

К энергоемким веществам относят пороха и ракетные топлива, взрывчатые вещества (ВВ) и пиротехнические составы. ВВ в свою очередь обычно делят на бризантные ВВ (БВВ) и инициирующие ВВ (ИВВ). Бризантные ВВ нашли широкое и разнообразное применение в технике и народном хозяйстве в качестве мощных и компактных источников энергии. Примером бризантных ВВ являются такие известные энергоемкие соединения как тротил, тетрил, гексоген, ТЭН, октоген.

2,4,6-Тринитротолуол, тротил		2,4,6-Тринитрофенил-N-метилнитроамин, тетрил
	CH2ONO2 | O2NOH2C-C-CH2ONO2 | CH2ONO2
1,3,5-Тринитро-1,3,5-триазациклогексан, гексоген	Тетранитрат пентаэритрита, ТЭН		1,3,5,7-Тетранитро-!.3.5,7-тетраазациклооктан, октоген

Давление продуктов взрыва и скорость взрыва бризантных ВВ достигают соответственно 40 ГПа и 9,5 км/с, температура взрыва превышает 3000 ⁰С, энергия взрыва составляет 4-6 МДж/кг. Однако вызвать взрыв (детонацию) бризантных ВВ, просто ударив или воспламенив их, достаточно сложно. Поэтому для возбуждения (инициирования) детонации в зарядах бризантных ВВ обычно используют давление и энергию продуктов взрыва более чувствительных к внешним воздействиям инициирующих ВВ, которые под действием теплового или механического импульса легко детонируют. Это так называемое ударно-волновое инициирование бризантных ВВ. Давление продуктов взрыва, совершающее заданную работу, и скорость детонации ВВ связаны соотношением:

где Р – давление детонации, ₀-плотность ВВ, D-скорость детонации, n-показатель политропы, для большинства ВВ n~3.

Первой стадией энергетического воздействия на ВВ является разогрев некоторого слоя или отдельных очагов в нем (“горячих точек”). Ускорение реакции разложения ВВ возможно, если температура в очаге реакции такова, что теплоприход в результате химической реакции превышает теплоотвод в окружающую среду. Это так называемая “температура вспышки”. Через определенное время (_з) после начала нагревания вещество вспыхивает в очаге разложения

_з = B exp(E/RT_o)

где B - эмпирическая константа, E - энергия активации термораспада, R - универсальная газовая постоянная, T_o - температура вспышки ВВ. Предэкспоненциальная константа B по своей физической сути является минимально возможным периодом задержки воспламенения. Значение B=10^-8-10^-13 с зависит от свойств образца и условий опыта. Кроме того, необходимо, чтобы эта температура сохранялась в веществе на время периода индукции термического распада, отвечающего параметрам состояния сжатого вещества. У инициирующих ВВ после воспламенения горение быстро переходит во взрыв, при этом образуется интенсивная ударная волна, которая вызывает детонацию заряда бризантного ВВ. Следовательно, импульс продуктов взрыва в инициирующей ударной волне должен быть не менее

_

J_кр.  P_кр.  d

⁰

Таким образом, инициирующая способность ударной волны определяется давлением во фронте (P_кр. ) и длительностью фазы сжатия ().

Если задаться постоянством импульса инициирующей ударной волны, выбрав некоторое БВВ с известными и постоянными параметрами чувствительности к ударной волне при неизменных условиях нагружения, то критерием инициирующей способности может стать масса инициирующего заряда, так как она определяет временные характеристики ударной волны и ее суммарный импульс фазы сжатия. Минимальную массу ИВВ, обеспечивающую детонацию в испытываемом БВВ, называют минимальным инициирующим импульсом или предельным инициирующим зарядом (минимальным зарядом) и выражают в граммах. Сравнивая величины предельного (минимального) заряда ИВВ по отношению к какому-нибудь одному БВВ, судят об их относительной инициирующей способности, если испытания проводились в одних и тех же условиях.

Необходимая для инициирования БВВ энергия может быть рассчитана по формуле:

E  1/6 _o·l_u³·D_u³·D_уд.^-1,

где _o - плотность БВВ, D_u и l_u - скорость стационарной детонации и соответствующая ей ширина зоны химической реакции БВВ при плотности _o; D_уд. - скорость инициирующей ударной волны.

Следовательно, чем больше амплитуда инициирующей ударной волны (то есть ее P – давление), тем меньше суммарной энергии заряда ИВВ нужно приложить для возбуждения детонации (увеличение D_уд. приводит к снижению критической энергии инициирования).

Способность БВВ детонировать под действием УВ оценивается чаще всего одним из следующих критериев:

- критическим давлением инициирования (P_кр.);

- критической энергией инициирования E_кр.= P·u·,

где u - массовая скорость продуктов взрыва; - продолжительность воздействия инициирующего давления P;

- близким к E_кр. по форме критерием Pⁿ = const, где показатель n для большинства прессованных БВВ приблизительно равен двум.

Считается, что в БВВ возбуждается детонация при сообщении ему определенного количества энергии на единицу инициируемой поверхности. В средствах инициирования, имеющих ограниченные размеры, E_кр. будет зависеть от диаметра. Было найдено, что критическое давление ударной волны инициирования гексогена в детонаторах уменьшается с увеличением диаметра заряда с 1,6 ГПа до 0,9 ГПа, а минимальная энергия инициирования составляет около 46 Дж/см², что эквивалентно величине P² = 460.

По отношению к БВВ заряд ИВВ выступает с комплексом своих собственных свойств, от которых зависит его инициирующая способность. Основное отличие в значения инициирующей способности зарядов ИВВ вносит длина их участка перехода горения в детонацию.

Считается, что переход горения твердых высокоплотных ВВ в детонацию включает стадии: устойчивое послойное горение, конвективное горение, низкоскоростной режим детонации, стационарная детонация; каждая из стадий отличается механизмом передачи тепла и возбуждения реакции. Существование и пространственная протяженность отдельных стадий зависят от структуры заряда, физико-химических свойств ВВ, условий проведения опыта. Переход горения в детонацию ВВ происходит при нарастающем давлении (dP/d  0) и при наличии бегущей волны сжатия (dP/d  const). По мере увеличения скорости процесса возрастает интенсивность волн сжатия, движущихся впереди фронта воспламенения, и при некоторой пороговой скорости волна сжатия становится способной инициировать экзотермическую химическую реакцию распада ВВ. Происходит смена механизма процесса и конвективное горение переходит в волновой низкоскоростной режим детонации, скорость которого близка к продольной скорости звука в ВВ при данной плотности заряда. Низкоскоростной режим детонации переходит в режим высокоскоростной детонации, если выполняется неравенство P  P_кр.. Для пористых систем со значительной газопроницаемостью наблюдали условия, когда локальный взрыв вещества в зоне конвективного горения излучает ударную волну такой интенсивности, что она вызывает детонацию заряда, минуя низкоскоростной режим детонации. Интенсивная ударная волна, возникающая при взрыве инициирующего ВВ, приводит к детонации заряда бризантного ВВ, продукты взрыва которого совершают заданную полезную работу.

а)

б)

Рис 1. Изменение скорости взрывчатого превращения от времени при поджигании зарядов (а): 1 - бризантного ВВ и 2 - инициирующего ВВ и (б) двух инициирующих ВВ: 1 – гремучей ртути; 2 – азида свинца.

Если обозначить через D скорость взрывчатого превращения энергоемких соединений, то изменение последней во времени (t) при поджигании зарядов бризантного ВВ и инициирующего ВВ и двух инициирующих ВВ будет выглядеть следующим образом (см. рис. 1)

Бризантные ВВ при поджигании устойчиво горят. Для осуществления перехода горения в детонацию бризантных ВВ требуются специальные условия (прочные толстостенные стальные трубы) или большие количества ВВ. У инициирующих ВВ переход горения в детонацию происходит быстро, на расстоянии, не превышающем нескольких миллиметров от места поджигания. Эффективность инициирующих ВВ тем выше, чем короче участок перехода горения в детонацию и чем выше скорость детонации. Следовательно, азид свинца (Pb(N₃)₂) (VI) - более эффективное инициирующее ВВ, чем гремучая ртуть (Hg(CNO)₂) (VII).

На практике широкое применение для инициирования зарядов БВВ получили капсюли-детонаторы (КД).

Рис. 2. Схема простейшего капсюля-детонатора.

1 – гильза капсюля-детонатора; 2 – ИВВ; 3 – БВВ.

В капсюле-детонаторе заряд инициирующего ВВ является источником энергетического импульса, который вызывает взрыв прессованного заряда бризантного ВВ (см. рис. 2). Первичный импульс создается механическим ударом, наколом, лучом огня, электрическим током, электрической искрой, лазерным излучением.

ИВВ применяются для:

1. Возбуждения детонации в зарядах БВВ.

2. Для воспламенения пороховых составов или инициирования зарядов ИВВ. В этом случае применяется, например, смесь гремучей ртути, сернистой сурьмы (Sb₂S₃) и хлората калия (бертолетовой соли) (KClO₃), помещенные в оболочку капсюля-воспламенителя.

Рис. 3. Патронный капсюль-воспламенитель.

1-колпачок, 2-ударный состав, 3 – покрытие.

Существует достаточно много смесей, где применяются ИВВ. В этом случае возникает горение, а не детонация. Скорость горения зависит от рецептуры состава.

Таблица 1.

Скорости превращения капсюльных соcтавов.

Рецептура состава				V, м/с
Hg(CNO)2	Sb2S3	KClO3	Ba(NO3)2
50	25	25	-	1250
25	37,5	37,5	-	830
15	45	25	15	540

Тепловой импульс, создаваемый составом, поджигает порох или вызывает детонацию заряда ИВВ.