Понимание эмульсионных взрывчатых веществ
Автор:Zukovich, Morhard & Wade, LLC.
Перевод:Е.А. Ильина
Источник: http://www.exploenergy.com
Рисунок 1 – Окислитель, окруженный горючим
Автор:Zukovich, Morhard & Wade, LLC.
Перевод:Е.А. Ильина
Источник: http://www.exploenergy.com
История эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ) началась в 1961 году, когда Ричард Эгли и Альберт Некар из Коммерческой Корпорации растворителей подали заявку на патент в патентное ведомство США на взрывчатое вещество, состоящее из смеси эмульсии «масло в воде»и твердого окислителя – нитрата аммония. Это было предоставлено в 1964 году как патент США №3161551. Но вместо того чтобы искать новый вид взрывчатого вещества в виде эмульсии, они пытались сделать водонепроницаемым ANFO. Последующее развитие событий в 1960–х и начале 1970–х привело к созданию эмульсионных взрывчатых веществ с минимальным критическим диаметром детонации, скоростью, сравнимой с различными сортами динамита. Кроме того, эмульсии были разработаны с характеристиками, которые позволили их безопасного и эффективного использования в системах имассовой загрузки.
Чарльз Вэйд был изобретателем первого чувствительныйдетонатора и первого эмульсионного взрывчатого вещества, допустимого к применению под землей и ряда других эмульсионных и водогелевых взрывчатых веществ. Изобретение эмульсионных взрывчатых веществ привело к значительному улучшению взрывных работ в жестком, нормальном или влажном состоянии в более быстрой и эффективной добычи полезных ископаемых. Это основополагающее изобретение используется во всем мире, и теперь эмульсионные взрывчатые вещества являются наиболее распространенными промышленными ВВ. Чарльзу приписывают ряд изобретений в области эмульсионных взрывчатых составов, среди которых следующие патенты США: №3715247, №3765964, №4110134, №4149916, №4149917 и №4383873. Эти патенты имеют аналоги во многих странах мира.
Майк Сечанский был изобретателем первых коммерчески применяемых PIBSA эмульгаторов. Майк является высококвалифицированным специалистом в разработке эмульсионных взрывчатых веществ, химии взрыва, безопасности ведения взрывных работ, промышленном проектировании и вводе в эксплуатацию заводов по производству эмульсионных взрывчатых, упаковочного оборудования. Майк также имеет множество патентов, связанных с взрывчатыми веществами. PIBSA эмульгаторы являются наиболее эффективными, когда требуется высокое качество и стабильное производство эмульсионных взрывчатых веществ.
Том Зукович имеет большой опыт в производстве эмульсионных взрывчатых веществ, проектировании, строительстве и запуске нового производства взрывчатых веществ. Том разработал и управляет установки и запускает множество заводов по производству эмульсионных взрывчатых веществ. Том является экспертом по разработке эмульсионных ВВ, подъемно–транспортного оборудования, новых технологических процессов для смешивания эмульсии с другими взрывчатыми веществами и ракетным топливом и новых процессов для упаковка ЭВВ.
Боб Морхард имеет большой опыт в производстве эмульсионных взрывчатых веществ, проектировании, строительстве и запуск нового производства взрывчатых веществ. Он также квалифицирован в безопасном проведении взрывных работ.
Эмульсия – однородная смесь двух взаимнонерастворяющихся жидкостей, причем одна жидкая фаза диспергирована в другой. Эмульсионное взрывчатое вещестов являются дисперсией водного раствороа окислителя в среде горючего, т.е эмульсия типа «вода в масле». Именно эта уникальная структура и высокое соотношение окислителя к топливу, которые дают эмульсионным взрывчатым веществам их особые свойства.
Рисунок 1 – Окислитель, окруженный горючим
«Масло» или горючая фаза является непрерывной или внешней, потому что она окружает и покрывает капли окислителя. Горючая фаза, как правило,представляет собой масло или воск или их комбинацию . Дизельное топливо (ДТ) является общим для многих эмульсионных взрывчатых веществ, также некоторые другие виды топлива используются в патронированных ЭВВ. «Вода» или фаза окислителя называется дискретной или внутренней фазой, поскольк умикроскопически мелкие капели находятся отдельно друг от друга и окружены непрерывной фазой горючего. Окислитель всегда содержит нитрат аммония. Другие соли, такие как нитрат натрия, нитрат кальция и аммония могут быть также использованы.
Окислитель диспергируют в топливо для образования стабильной эмульсии под действием поверхностно–активных веществ (эмульгатор). Например, масло и уксус удерживаются вместе яичные желтки для формирования эмульсии, известной, как майонез. Есть много различных эмульгаторов, и выбрать, какой из них использовать, зависит от конкретных требований к продукции. Эмульсии образованные из горючей фазы, фазы окислителя и эмульгатора, перед добавлением наполнителя, алюминия, или твердой аммиачной селитры, называют эмульсионной матрицей, которая является основой для производства последующего продукта.
Рисунок 2 – Эмульсионная матрица
Из–за необходимости иметь близкий к нулевому кислородный баланс, необходимо чтобы объем окислителя был на много больше объема горючей фазы (примерно 9:1). Из–за того, что относительный объем топлива намного меньше, чем окислителя, он должен быть распространен очень тонким слоем, чтобы покрыть все окислителя капель. Размер капель очень мал, и благодаря отношению окислитель/горючее, капли имеют форму многогранников. Обычно они имеют размер 0,2 – 10 мк в диаметре или от 1/40 до 1/2000 размера зерна соли.
Рисунок 3 – Эмульсия «вода в масле» под микроскопом. Между кажой цифрой – 50 мк. Каждое малое деление – 5 мк.
Реологические свойства или вязкость эмульсии контролируется природой горючей фазы и размера капель. Состав (воск, масло, эмульгатор) горючей фазы оказывает наибольшее влияние на конечную вязкость продукта. Низкая вязкость горючей фазы (как у ДТ) может быть использована для производства перекачиваемой эмульсии. Воск и высоко – вязкое масло используются для производства толстых патронированных продуктов. Размер капель зависит от времени перемешивания эмульсии. Чем быстрее и больше времени перемешивают, тем меньше размер капель и распределение по размерам. Чем меньше размер капель, тем толще эмульсии.
Добавление алюминия или АС–ДТ к ЭВВ, может быть использовано для увеличения его энергии (кал/г). Алюминий не существенно увеличит чувствительность ЭВВ, потому может быть использован более грубый, но менее дорогостоящий алюминий, вместо дорогой алюминиевой пудры. Теоретически, добавление 5% алюминия увеличит энергию ЭВВ на 25–35%, а 10% алюминия – на 40–60%. Добавление более 10% алюминия может быть не эффективно.
АС–ДТ, добавленное к ЭВВ, увеличит его энергию на 5–10%. АС–ДТ также имеет дополнительное преимущество в выделении газообразных продуктов взрыва. Увеличение объема газа, как правило, приводит к лучшему выбросу горных пород во время взрывных работ.
Отношение количества выделяемой энергии, к расчетной термохимической энергии является мерой эффективности взрывчатых веществ. Водогелевые ВВ в продуктах взрыва, как правило, содержат жидкую и твердую фазу. Они сделаны при повышенных температурах, когда продукт охлаждается, начинают формироваться кристаллы соли окислителя . Чем холоднее становится продукт и чем дольше он хранится, тем больше тенденция к формированию кристаллов . Продукт становится менее эффективным .Компоненты не тесно связаны друг с другом, потому что относительно большое количество окислителя окружает относительно небольшое количество горючего. А в ЭВВ увеличение близости между горючим и окислителем и очень мелкие капли, приводят к повышению эффективности и улучшению детонационных характеристик этих продуктов. Эмульсии – двухфазные системы. Для того, чтобы иметь соответствующий баланс кислорода, лишь очень небольшое количество топлива, можно распространить на каждой капли окислителя, что приводит к высокой однородности смеси. Есть очень много капель окислителя и они настолько малы, что соли окислителя, независимо от температуры, не будут легко кристаллизоваться и расти. Так как соли окислителя остаются в растворе, детонационные свойства эмульсионных взрывчатых веществ остаются неизменными в течение длительного периода времени и в широком диапазоне температур.
Эмульсии не взрываются во время испытаний, которые являются стандартными для ВВ в течение многих лет. При помещении на металлическую пластину, эмульсии не в состоянии взорвать под воздействием пули. Другие испытания на удар показывают, что эмульсии имеют большую устойчивость к инициации ударом, чем любые водогелевые ВВ или динамиты. Как правило, ЭВВ не взорвется во время горения, но нет никакой гарантии этого, особенно если продукт загрязнен инородными материалами (ржавчина, детонатор, динамита или алюминиевая пудра). При перекачивании эмульсий, необходимо быть осторожным, чтобы трение не подняло температуру эмульсии до точки распада нитрат аммония или других ингредиентов. Если это произойдет, может произойти взрыв. Помните, что это может быть столь же опасным для перекачкиня сенсибилизированной эмульсии. Хотя тесты показали, что эмульсии предлагают большую степень безопасности, они будут взрывться, если будут подвергнуты суровым условиям. Они взрывчатые вещества и независимо от степени их безопасности, не следует злоупотреблять.
Это установленный факт, что чем меньше размер частиц компонентов взрывчатых веществ, тем выше скорость детонации (D). Как только размер капель эмульсии настолько хорошо, D ЭВВ очень высока ( близка к теоретической). D несколько уменьшается с уменьшением диаметра заряда или при добавлении твердых веществ, таких как алюминий, но D в целом остается относительно высокой.
Если эмульсии имеют высокую скорость детонации и хорошую плотность, они также имеют относительно высокое давление детонации.
Поскольку эмульсии имеют частицы очень мелких размеров и представляют собой чрезвычайно однородную смесь горючего и окислителя, добавление веществ, снижающих плотность, может сделать их взрывчатыми. Не стоит использовать взрывчатые вещества или химические сенсибилизаторы. Плотность может быть уменьшена спомощью введение газов, химической аэрацией, путем добавления перлита, вспученного пластика, полых стеклянные или фенольных микросфер, или даже амиачноселитренных комков. Чувствительность эмульсии должна быть такой, чтобы детонировать от КД №8 (или меньше).Эмульсии чувствительны в широком диапазоне температур, и они такж есохраняют чувствительность в широком диапазоне диаметров 22 мм и выше для "взрывчатого вещества бризантнго, типа E1.1D" и 38 мм и выше для "Взрывчатого вещества тип E1.5D" . Различные концентрации сенсибилизаторов используются по разным причинам, но стеклянные микросферы являются наиболее распространенными, хотя химический аэрация становится также популярной. Поскольку некоторые стеклянные микросферы выдерживает высокое давление, они особенно уместны при сенсибилизации эмульсионных продуктов для использования в глубоких скважинах или близко расположенных скважинах, где высокое гидростатическое и ударное давление, которые могут встретиться. Как правило, чем ниже плотность взрывной эмульсии, тем чувствительнее она становится. Кроме того, чем ниже содержание воды в эмульсии, тем чувствительнее она становится.
«Вода–в–масле» – непрерывная, не смешивающаяся с водой масляная фаза и очень водостойкая. Водоустойчивость не зависит от целостности упаковки . Эмульсии являются хорошим выбором, для обводненных скважин, потому что они будут успешно взрываться после контакта с водой в течение нескольких недель или даже месяцев.
Рисунок 4 – Вот о чем шла речь