A study of the behaviour of emulsion explosives

John Allum

Перевод с английского: Евтушенко В.С.

Источник: https://dspace.lib.cranfield.ac.uk/handle/1826/3976

Введение

1.1 Общие сведения о взрыве.

Взрывом называется принудительное расширение газа, которое обычно сопровождается выделением тепла, звуковой и ударной волн. Их можно разделить на три отдельных категории.

• Физические взрывы, которые наиболее распространены в природе. Они представляют собой всплески давления, которые не выделяют тепло, но высвобождают большие количества газа. Общим примером будет разрыв баллона. Физические взрывы могут быть значительно более разрушительными, чем приведенный, примером огромного всплеска давления может служить вулкан.
  
• Ядерные взрывы могут происходить естественно, Солнце является ярким примером ядерного синтеза. Это приводит к высвобождению огромного количества тепла, но не газа. На сегодняшний день ядерный взрыв является типом взрыва с наибольшей энергией.
  
• Химические взрывы являются результатом очень быстро протекающей химической реакции, которая сопровождается выделением значительного количества тепла и газа. Химические взрывчатые вещества рассматриваются ниже, они являются наиболее важной категорией промышленности взрывчатых веществ.

Взрывчатым является вещество, содержащее топливный и окислительный компоненты, способное к исключительно быстрому протеканию реакции без участия внешних реагентов. В целом, у взрывчатых веществ (ВВ) три основные характеристики:

1) Это химические соединения или смеси, которые воспламеняются под воздействием тепла, удара, трения или сочетания этих воздействий.

2) После воспламенения они разлагаются очень быстро (детонация и горение).

3) При детонации происходит быстрое выделение тепла и газа, который быстро расширяется, как правило, с достаточной силой для преодоления сдерживающих сил.

Химическая реакция подразумевает превращение реагентов в продукты. Для того, чтобы это происходило без существенных энергетических затрат, реагенты должны иметь более высокую внутреннюю энергию, чем продукты. Энергия необходима для перевода молекул в возбужденное состояние и разрушения некоторых связей в молекуле в эндотермическом процессе. Как только это произошло, формируются продукты. Формирование продуктов приводит к высвобождению энергии, которая, в итоге, дает экзотермическую реакцию. После инициирования, реакции горения и детонации всегда экзотермические, поэтому всегда выделяется энергия.

1.1.1 Химические взрывчатые вещества.

Химические взрывчатые вещества содержат и топливо, и окислитель. Существует, впрочем, два основных типа химических взрывчатых веществ:

Смесевые взрывчатые вещества - содержат два отдельных компонента, топливо и окислитель, которые реагируют для образования продуктов. Для быстрого протекания реакции топливо и окислитель должны быть тщательно перемешаны. Чем меньше размер частиц, для твердых веществ, тем быстрее может пройти реакция. Примером смесевого ВВ является смесь аммиачной селитрой с дизельным топливом. Она представляет собой твердые гранулы селитры, окруженные маслом, топливом. Чем меньше размеры гранулы, тем быстрее может пройти реакция. Этот эффект обусловлен тем, что чем меньше размер частицы, тем больше общая площадь поверхности. Смесевые ВВ обычно используются в буровзрывной промышленности и лишь некоторые нашли применение в военной, в основном амматол/наполнение ТНТ.

Стоимость и доступность являются основными причинами их широкого использования для проведения буровзрывных работ, а невысокая производительность объясняет ограниченное использование в военных целях. Безопасность является важным показателем для любого взрывчатого вещества, а смесевые ВВ часто могут храниться как отдельные невзрывчатые ингредиенты.

Мономолекулярные ВВ содержат окислитель и топливные элементы в одной молекуле. Это можно рассматривать как однородную смесь на атомном уровне с расстоянием в нанометры между топливом и окислителем. Мономолекулярные ВВ обычно реагируют намного быстрее, чем смесевые, что обеспечивает более высокую скорость детонации. Мономолекулярные ВВ широко используются в боеприпасах, благодаря своим отличным характеристикам.

Мономолекулярные ВВ, в свою очередь, по критерию легкости воспламенения можно разделить на три категории:

Первичные взрывчатые вещества являются наиболее чувствительными и поэтому легко инициируются. Примерами первичных ВВ являются такие, как азид свинца, азид серебра и гремучая ртуть. Первичные ВВ имеют ограниченное применение из-за их высокой чувствительности и низкой работоспособности. Наиболее распространено применение первичных ВВ в детонаторах для инициации. Некоторые первичные взрывчатые вещества способны переходить от горения к детонации на очень малом расстоянии. В зерне азида свинца толщиной 0,2 мм при воспламенении горение переходит в детонацию внутри зерна. Молекулы азида свинца разлагаются в двухстадийной реакции с образованием продуктов с высокой молекулярной массой. Продукты горения образуются на поверхности быстрее, чем могут расшириться в сторону, что приводит к созданию давления на поверхности давления и переходу в детонацию.

Во вторичных ВВ, таких как тринитротолуол (ТНТ) или тринитрометилентринитрамин (гексоген), горение также может переходить в детонацию. Однако, зачастую требуется большее количество ВВ и некая форма его объединения. В небольших количествах они часто горят, например, брусок ТНТ, который будет гореть медленно, без перехода реакции в детонацию. Это происходит потому, что давление продуктов реакции невелико, поэтому реакция не ускоряется и переход в детонацию происходит редко. Когда количество увеличивается или ВВ ограничивается, давление обычно нарастает и переход в детонацию осуществляется.

Третичные ВВ, в том числе аммиачная селитра, крайне трудно инициировать и, как правило, требуется сенсибилизирующий агент. Несмотря на это, они, при определенных условиях, способны осуществлять переход от горения к детонации. некоторые из наибольших самопроизвольных взрывов были связаны с аммиачной селитрой, без каких-либо очевидных сенсибилизаторов.

Большинство вторичных взрывчатых составов содержат азот и кислород. При соединении кислорода с азотом энергии выделяется мало. Однако, когда кислород соединяется с углеродом или водородом, высвобождается относительно большое количество энергии. При детонации связь азот-кислород разрывается и кислород комбинируется с углеродом или водородом с образованием связей. Это приводит к образованию таких соединений как угарный газ, углекислый газ, водяной пар и свободный азот. Продукты образуются в различных пропорциях, которые зависят от соотношения топлива и окислителя. Эти реакции высвобождают значительные количества тепла и газа, с количеством выделяющейся энергии, зависящем от компонентов ВВ. Пример реакции разложения вторичного взрывчатого вещества приведен ниже.

Это исходная схема разложения гексогена, но некоторые продукты остаются реакционноспособными после полного прохождения первоначальной реакции. Эти продукты расширяются и вступают в дальнейшие реакции. При расширении продукты могут смешиваться с кислородом воздуха, образуя оксид углерода, может возникать вторичная вспышка. В этой реакции выделяется 283 КДж/моль, энтальпия образования диоксида углерода (СО2= -393,5 КДж/моль, СО= -110,5 КДж/моль).

В этой реакции гексоген распадается на три основных газообразных продукта. Тот факт, что взрывчатые вещества, в основном, имеют в составе достаточно кислорода, приводит к различию между ВВ и другими горючими веществами. В то время, как сгорание ВВ может происходить в равной степени при наличии или отсутствии воздуха, горючие вещества для сгорания требуют кислород. Взрывчатые вещества имеют свой ресурс кислорода, доступно меньше энергии по сравнению с горючими веществами, например, бензином. Горение взрывчатого вещества на воздухе будет выделять примерно в восемь раз больше тепла, чем детонация. Причина, по которой ВВ так разрушительны в сравнении с горючими материалами - скорость, с которой они реализуют свою энергию.

Взрыв может отличаться от сгорания по скорости и типу реакции. Скорость реакции позволяет ВВ совершать полезную работу, и, в энергетической основе, взрывчатые вещества не имеют высокой внутренней энергии по сравнению с топливом, к примеру, бензином. Так как бензин не содержит окислителя, он горит с кислородом воздуха, что является лимитирующей стадией в его сгорании. Так как ВВ имеет собственный окислитель и горючее, оно не ограничивается этой стадией. Хорошее твердое ВВ, как гексоген, преобразует энергию на фронте детонации в размере приблизительно 1010^-2 м.вод.ст.

Для сравнения, суммарная солнечная энергия, получаемая Землей, около 4x 1016 Вт. Таким образом, 20 квадратных метров детонационной волны дают такую же мощность, что Земля получает от Солнца.

Взрывчатое вещество - материал, способный к интенсивной экзотермической реакции, однако в нормальном состоянии покоя находится в метастабильном химическом равновесии. ВВ стабильно при "нормальных" условиях, так как скорость реакции очень медленная. Локальный возбудитель может инициировать волну реакции, которая распространится по материалу. Эта волна может быть одного из двух типов: горение или детонация. Дефлаграция это феномен поверхностного горения, а детонация характеризуется наличием ударной волны. Они описаны в следующем разделе.