| 
||
ДонНТУ>
Портал магістрів ДонНТУ
Факультет: Екології та хімічної технології
Спеціальність: Хімічна технологія високомолекулярних сполук
Актуальність теми полягає в тому, що при створенні простих ПВР на основі аміачної селітри та сухого пального виникає проблема рівномірного нанесення пального на поверхню окислювача та тривалість стійкості розподілу цих компонентів. Одним із шляхів вирішення цієї проблеми є створення скліючого розчину, в складі якого повинні бути як окислювач, так і пальне.
Тенденція розвитку вибухових речовин (ВР) розвинутих країн Європи, Америки, Азії направлена на різке зниження (а в деяких країнах - повну заборону) об'ємів споживання тротиломіських і нітрогліцеринових ВР в гірничорудній промисловості.
Перехід держав СНД до ринкових відносин забезпечив притік на їх території різних імпортних товарів, у тому числі, і вибухових речовин. Можливість їх вибору відкриває широкі перспективи подальшого удосконалення вибухових робіт у напрямку збільшення продуктивності праці за рахунок повної механізації підготовки і заряджання ВР, а також збільшення їх безпеки і зниження вартості. Останні два фактори суттєво впливають на асортимент сучасних вибухових речовин. Вимоги безпечного поводження з ВР призвели до корінної зміни у їх рецептурах, в яких все ширше використовуються невибухові компоненти. Вимоги до зниження вартості ВР обумовили відмову від використання заводських ВР і перехід до вибухових речовин місцевого виготовлення.
Вибухові речовини місцевого виготовлення, як правило, нечутливі до механічних, теплових та інших дій, нетоксичні, а емульсійні ВР до того ж є екологічно чистими продуктами, тому що не виділяють у ґрунтові води нітрати і, практично, не містять у продуктах вибуху отрутних газів.
Токсичність і екологічна шкідливість тротиломіських та нітроефіровміщуючих ВР, а також висока вартість і небезпека під час виготовлення і застосування, все більш обмежує їх використання.
Посилення вимог до запобіжних заходів і підвищення безпеки робіт в гірничорудній промисловості визначили пошук альтернативних видів промислових ВР замість тротиломіських і нітроефіровміщуючих. На зміну цим ВР прийшли водовміщуючі, емульсійні та сурогатні ВР, як більш безпечні під час виробництва і застосування.
Аміачна – селітряні ВР – це речовини, що містять як основний компонент й, одночасно, окислювач - аміачну селітру[1]. Введення аміачної селітри до складу ВР дозволяє значно зменшити загальну вартість ВР і звести кисневий баланс до 0, що підвищує працездатність і значно зменшує кількість шкідливих газів, що виділяються при вибуху (важливо при проведенні підземних підривних робіт). В АСВР, що призначені для застосування в шахтах, небезпечних по газу й пилу вводять полум’ягасник - хлориди натрію, калію, амонію. Ці добавки знижують температуру вибуху й запобігають появі залишкового полум'я при вибуху. АСВР із добавкою полум’ягасника називають запобіжними. АСВР випускаються у великій кількості для проведення промислових підривних робіт, деякі придатні для військового застосування. Розрізняють наступні основні типи АСВР:
а) Амоніти - вибухові суміші, що зазвичай складаються з 61-97% нітрату амонію, 3-21% тротилу[2]. Запобіжні сорти містять до 20% полум’ягасителя (NaCI). З метою економії тротилу, зменшення екологічного навантаження й запобігання злежуванню до складу вводять деревне борошно, торф та інші горючі добавки, що розпушують суміш. Для збільшення сприйнятливості до детонації також можуть містити до 15% добавок ТЕНа, гексогена, нітроефіров, у США для цих цілей часто використовують нітрометан. Як речовини, що підвищують водостійкість, використовують стеарати заліза, кальцію, цинку, крейда, крохмаль й інші [2]. Застосовуються для підривних робіт, у воєнний час можуть використовуватись в боєприпасах. Під час зберігання вони схильні до злежуванності, при цьому заряд ущільнюється й детонаційна здатність різко падає.
б) Динамони - патронована суміш мелкодісперсного NH4NO3 і невибухове пальне (переважно в стехиометрических пропорціях): деревне борошно, вугілля, торф, сажа, алюміній або більше дешевий ферросіліций, а також мазут, нафтові масла, парафін - для зниження гігроскопічності [3]. Порошкоподібні пресовані дінамони чутливі до вогню, у сухому виді досить сприйнятливі до первинних засобів ініціювання, але при цьому мають низьку детонаційну здатність (схильні до дефлаграції - підривного горіння), неводостійкі й мають тенденцію до злежуванності. Придатні до механізованого заряджання. Дінамони застосовуються для підривних робіт. У війсковий час можуть застосовуватися для спорядження боєприпасів.
в) Водовміщуючи АСВР -це загущений водяний розчин аміачної селітри або сумішей аміачної й натрієвої (кальцієвої) селітр [4]. Суміші нітратів натрію й амонію утворять більш концентровані водні розчини й забезпечують меншу температуру замерзання ніж розчини цих солей, узяті окремо. Рідше використають перхлорати. Містять сенсибілізатор - бризантне ВВ (тротил, іноді з добавками гексогена або ТЕНа) та порошок алюмінію, що підвищує теплоту вибуху. Щоб уникнути розшарування компонентів додають загущувачи (поліакриламід, Na-сіль карбоксиметілцеллюлози, гуаргам і т.д.). Можуть виготовлятися безпосередньо на місці проведення підривних робіт у спеціальних машинах. Придатні до механічного заряджання.
г) Емульсійні АСВР містять як основні компоненти водну емульсію АС (у суміші з іншими водорозчинними неорганічними нітратами) з рідким пальним (звичайно мазут, дизельне паливо). Для підвищення вибухових характеристик можуть містити добавки бризантних ВВ (гексоген) або солі азотної (хлорної) кислоти й органічних амінів (нітрати метиламіну, этілендіаміна й т.д.). Пальним служать різні синтетичні масла, дизельне паливо, віск, парафін і т.д. Іноді використаються синтетичні полімери й каучуки. Для підвищення теплоти вибуху можуть містити до 15% алюмінію. Зміст води в готовій суміші становить 5-20%. Щільність готової суміші варіюється в межах 0.9-1.35 г/см3. Кисневий баланс, як правило, нульовий або позитивний. По виду емульсії існують 2 типи емульсійних ВВ: "масло у воді" й "вода в маслі". Слід зазначити, що при підвищеній температурі емульсія не може бути стійкої тривалий час. Досить швидке руйнування емульсії відбувається також при зберіганні ЕВР при негативних температурах.
Розглянувши переваги та недоліки више названих класів ПВР, вважаю, що найбільш перспективним ВР є сумішні АСВР, в яких в якості пального виступає не могутній сенсибілізатор (наприклад, тротил), а такі речовини як вугільний пил, полістирол та інше.
Внаслідок недостатньо розвиненої поверхні контакту між паливом та окислювачем ціллю цієї роботи є знаходження шляхів вирішення цієї проблеми. Водонаповнені та емульсійні ВР вирішують цю проблему завдяки великої кількості рідкого компонента, через який ВР має багато недоліків, насамперед це малий термін зберігання та велика залежність від температурного режиму. Ці недоліки зникають, якщо зменшити частку рідкого компоненту до мінімуму, тобто рідина повинна лише виступати нібито тоненькою оболонкою, що допомагає рівномірному розподілу пального по поверхні окислювача (диспергує пальне), і, в одно час, склеювати обидва компонента.
Для досягнення мети даної роботи необхідно, щоб скліючий розчин відповідав наступним вимогам:
- повинен бути не токсичним;
- повинен володіти непоганою водостійкістю;
- бажано, щоб був не інертною добавкою, тобто повинен підвищувати енергетичні показники ВР;
- при затвердінні не повинен давати крихку плівку.
Для підвищення енергетичних характеристик розробляємой ВР, в складі скліючого розчину вода замінюється на розчин селітри, який виконує роль окислювача. Тому, необхідним етапом роботи є визначення видів селітр з максимальним значенням при взаємному розчиненні.
У ході вивчення розчинності аміачної і кальцієвої селітр встановлено, що селітри не впливають на взаємну розчинність, це дозволяє використовувати заздалегідь приготовану суміш.
Врахувавши вартість кальцієвої селітри, яка перевищує вартість аміачної селітри, склад з відсотковим вмістом 70/30 % аміачної та кальцієвої селітр є оптимальним для складання і виготовлення маткового розчину , що має достатньо високу розчинність: 288 г у 100 мл H2O.
З метою вивчення стійкості розчину був зроблений аналіз по визначенню pH розчинів з інтервалом у три місяці, а також наведені дані по визначенню густини відповідних розчинів. [5]
Отримані дані pH розчинів показали невелике зниження pН?0,4% після 3 місяців витримки, що істотно не впливає на хімічну стійкість і є незначним при зберіганні зразків, та не чинить істотного впливу на вибухові показники.
Для того, щоб розчин зміг склеювати окислювач та паливо в матковий розчин необхідно додавати згущувач. Найбільш часто використовуваними згущувачами є поліакриламід та натрієва сіль карбоксілметілцелюлози. Оскільки перший майже не розчиняється у матковому розчині при кімнатній температурі (рис. 1), подальші досліди проводили з Na КМЦ.
 |
| Рисунок 1 – Розчин селітр з поліакриламідом |
В ході проведення дослідів були отримані результати щодо розчинності Na КМЦ у розчині аміачної та кальцієвої сельтр у співвідношення 70/30 (табл. 1). Згідно яких можливо зробити висновок, що найбільш оптимальна концентрація Na КМЦ у матковому розчині є 4.5 %.
| % Na КМЦ | Розчинність | Густина |
| 3.0 | Повна | Невелике загущення порівняно з матковим розчином |
| 4.5 | Повна | Желеподібна маса |
| 6.0 | Часткова | Настільки густий, що майже не тече |
Спочатку визначимо молекулярне співвідношення суміші аміачної та кальцієвої селітр [6]: 80X:164Y=70:30, де X и Y – числа граматомів аміачної та кальцієвої селітр, 80 і 164 – відповідно їх молекулярна вага. Приймемо Y=1. Тоді:
 |
Відповідно, даному відсотковому складу суміші буде відповідати таке співвідношення молекул:
 |
Визначимо молекулярне співвідношення суміші селітр та Na – КМЦ: 548X:269Y=95.5:4.5, де X и Y – числа граматомів селітр та Na – КМЦ, 548 и 269 – відповідно їх молекулярна вага. Приймемо Y=1. Тоді X рівняється:
 |
Відповідно, даному відсотковому складу суміші буде відповідати таке співвідношення молекул:
 |
Написав, таким чином, молекулярне співвідношення суміші, знайдемо кількість атомів кисню в суміші:
 |
Кількість кисню, необхідного для згоряння суміші, найдемо з рівняння:
 |
 |
 |
Звідки зайвого кисню в суміші 228.19-123.24=104.92 атомів, що в процентах:
 |
Даний розрахунок проводимо з використанням ЄОМ за допомогою пакету MathCad [7]. Пакет MathCad створено розробниками як інструмент для роботи розрахунщиків-інженерів. Він створювався як потужний мікрокалькулятор, що дозволяє легко справлятися із різними задачами іеженерної практики, які повсякденно зустрічаються в роботі. Сюди можно віднести розв’єзання алгеброїчних та діференціальних рівнянь с постійними та змінними параметрами, аналіз функцій, пошук їх екстремумів, чисельне й аналітичне діференціювання та інтегрування, вивід таблиць й графіків при аналізі знайдених рішень [8].
Розрахуємо відсоткове співвідношення в залежності від товщини скліючого розчину.
Лістінг програма
 |
Таблиця отриманих даних
 |
Для аналізу отриманих даних побудуємо графіки залежності відсотків АС та палива в суміші від товщини скліючого розчину(рис 2-3).
 |
| Рисунок 2 – Залежність відсотку палива у суміші від товщини шару скліючого розчину (Анімація 11 кадрів, 2 кадра в секунду, 15 повторів) |
 |
| Рисунок 3 – Залежність відсотку АС у суміші від товщини шару скліючого розчину (Анімація 11 кадрів, 2 кадра в секунду, 15 повторів) |
Аналізуючи ці рисунки можливо зробити висновок, що при збільшенні товщини шару скліючого розчину відсоток палива у суміші зростає, а відсоток АС – зменшується. Тому для подальшого дослідження потрібно враховувати ці залежності.
Проаналізував усі існуючи класи ВР були прийнято рішення о розробці простішого промислового АСВР без потужного сенсибілізатора, що дозволяє знизити екологічне навантаження на оточуючи території під час проведення підривних робіт.
ВВ якості окислювача вибрана гранулювана АС шляхом аналізу літературних даних.
З ціллю визначення пального компоненту проведені розрахунки вибухових характеристик деяких речовин, що не є БВР. Враховуючи отримані дані, було вирішено використовувати полістирол, який задовольняє умовам екологічної безпеки (відсутність небезпечних вибухових газів) та високих енергетичних показників.
Розробляємий скліючий розчин включає в себе матковий розчин окислювача аміачної та кальцієвої селітр, що визначено по літературним джерелам, та Na – КМЦ, в якості згущувача та пального.
У результаті проведених дослідів встановлене наступне співвідношення компонентів скліючої маси: 4.5 % Na – КМЦ і 95.5 % маточний розчин, що складається з 70 % АС та 30 % кальцієвої селітри. Даний склад має непогані скліючі властивості та термін зберігання не менше 3 місяців.
За допомогою ЕОМ була виявлена залежність між відсотковим складом розробляємої ПВР та товщиною скліючого розчину.