Основные физико-химические и технологические характеристики промышленных взрывчатых материалов
Время чтения:
Физико-химические характеристики промышленных взрывчатых веществ в совокупности определяют стабильность состава и взрывчатых свойств взрывчатого вещества, надёжность и безопасность его применения.
Плотность взрывчатых веществ
Плотность взрывчатого вещества — отношение массы взрывчатого вещества к его объёму без учета оболочки.
Для сыпучих взрывчатых веществ плотность, полученную при свободной насыпке, называют насыпной или гравиметрической, а для сплошных (жидких, пластичных, плавленных, прессованных или уплотненных в патроне порошков) её называют действительной плотностью или просто плотностью взрывчатого вещества.
Различают плотность взрывчатого вещества, плотность патрона, заряда или шашки и плотность заряжания.
Плотностью патрона, заряда, шашки или другого изделия называют отношение его массы к занимаемому объёму с учётом оболочки. Плотность заряжания представляет собой отношение массы заряда ко всему объёму зарядной камеры, включая все пустоты, не заполненные взрывчатым веществом.
Величина плотности заряжания зависит от собственной плотности взрывчатого вещества и от уплотняющей его способности.
Для каждого взрывчатого вещества существуют свои оптимальные значения плотности, за пределами которых происходит ухудшение взрывчатых характеристик взрывчатого вещества вплоть до полной потери детонационной способности.
Увеличение плотности до оптимальных значений приводит к концентрации энергии в единице объёма заряда, возрастанию давления и скорости детонации, а в целом — к увеличению взрывного эффекта.
Дисперсность взрывчатых веществ
Дисперсность — характеристика размеров частиц сыпучих взрывчатых веществ.
Взрывчатые вещества подразделяются на крупнодисперсные с размерами частиц от 1 до 5 мм и мелкодисперсные с размером частиц от 0,01 до 0,5 мм. К первым относятся гранулированные, а ко вторым — порошкообразные взрывчатые вещества.
Дисперсность гранулированных взрывчатых веществ определяется размером их гранул и гранулометрическим составом. Дисперсность порошкообразных взрывчатых веществ зависит от степени их измельчения при изготовлении.
От дисперсности или гранулометрического состава взрывчатого вещества зависят многие другие его характеристики (детонирующая способность, сыпучесть, пыление, слёживаемость, водоустойчивость, электризуемость).
Для многих взрывчатых веществ дисперсность нормирована техническими условиями и контролируется ситовым анализом.
Сыпучесть взрывчатых веществ
Сыпучесть — способность взрывчатого вещества свободно высыпаться, хорошо заполнять полость при заряжании нисходящих скважин. Сыпучесть можно оценивать по величине угла естественного откоса или скорости прохождения взрывчатого вещества через калиброванное отверстие воронки или бункера.
Хорошую сыпучесть имеют гранулированные взрывчатые вещества, плохую — мелкодисперсные, склонные к зависанию и сводообразованию на стенках бункеров и скважин. Многие мелкодисперсные взрывчатые вещества почти полностью теряют сыпучесть при содержании влаги от 1,5 до 2,0%, а гранулированные — при содержании влаги от 5 до 6%.
Текучесть взрывчатых веществ
Текучесть — способность водосодержащих и других суспензионных взрывчатых веществ жидковязкой консистенции вытекать из ёмкостей под действием силы тяжести.
Суспензионные взрывчатые вещества приобретают текучесть при наличии в них жидковязкой фазы свыше 35%.
Текучесть таких систем зависит от степени загущения жидкой фазы, температуры взрывчатого вещества и продолжительности его хранения.
Для сохранения текучести при отрицательных температурах (от 15 до 20 °С) в состав их жидкой фазы вводят антифризы.
Гигроскопичность взрывчатых веществ
Гигроскопичность — способность взрывчатого вещества смачиваться при естественном поглощении влаги из воздуха. Естественное увлажнение зависит от гигроскопичности взрывчатого вещества или его компонентов. Оно начинается только с определенных значений относительной влажности и температуры окружающего воздуха, характерных для каждого вещества и зависящих от его химического строения.
Гигроскопичность оценивают величиной гигроскопической точки, т. е. отношением упругости паров над насыщенным раствором данного вещества к упругости водяных паров, насыщающих воздух при той же температуре.
Гигроскопическая точка выражается в процентах относительной влажности и характеризует такое состояние вещества, при котором оно не подсыхает и не увлажняется.
Чем выше гигроскопическая точка вещества, тем оно менее гигроскопично.
Величина гигроскопической точки с повышением температуры у большинства гигроскопичных веществ снижается, а скорость поглощения влаги возрастает.
Из солей, применяемых в производстве промышленных взрывчатых веществ, к сильно гигроскопичным относятся кальциевая селитра (при 25 °С гигроскопическая точка ее 44%) и аммиачная селитра (62,7%); к умеренно гигроскопичным — натриевая селитра (74,5%), хлористый натрий (75,5%), хлористый аммоний (78,5%); к малогигроскопичным — калиевая селитра (92%), хлористый калий (83,4%). Они обусловливают гигроскопичность взрывчатого вещества.
Гигроскопическая точка большинства аммиачно-селитренных взрывчатых веществ при температуре от 15 до 20 °С составляет от 60 до 68%. Поэтому в большинстве климатических районов они способны в течение года, при отсутствии влагозащитной упаковки, увлажняться.
Увлажнение нарушает их физическую стабильность (способствует слёживанию, снижает сыпучесть, водоустойчивость) и ухудшает детонационную способность.
Влажность взрывчатых веществ
Влажность — показатель содержания воды в физических телах или средах. Для измерения влажности используются различные единицы, часто внесистемные.
Влажность обычно характеризуется количеством воды в веществе, выраженным в процентах (%) от первоначальной массы влажного вещества (массовая влажность) или её объёма (объёмная влажность).
Влажность можно характеризовать также влагосодержанием, или абсолютной влажностью — количеством воды, отнесённым к единице массы сухой части материала. Такое определение влажности широко используется для оценки качества древесины.
Слёживание взрывчатых веществ
Слёживание — способность взрывчатого вещества терять при хранении сыпучесть и превращаться в прочно связанную массу. Оно приводит к снижению детонационной способности и делает взрывчатое вещество неудобным и даже непригодным для применения.
Слёживаются чаще всего аммиачно-селитренные взрывчатые вещества.
Ввиду повышенной гигроскопичности аммиачной селитры, взрывчатые вещества на её основе всегда содержат какое-то количество влаги в виде раствора, покрывающего плёнкой твёрдые частицы. При подсыхании или понижении температуры таких взрывчатых веществ из плёночного раствора выделяются кристаллы селитры, которые связывают мостиками ранее свободные твердые частицы в прочный конгломерат. Количество мостиков и их прочность, а следовательно, и степень слёживания взрывчатого вещества зависят от величины исходной его влажности и температуры.
Самоуплотнение влажного взрывчатого вещества, перед слёживанием, может происходить и под действием капиллярных сил в плёночном растворе, стягивающих твёрдые частицы между собой.
Слёживанию сильно способствуют внешние сдавливающие нагрузки, возникающие при патронировании взрывчатых веществ с повышенной плотностью или при складировании непатронированных взрывчатых веществ многорядными штабелями.
С увеличением размеров частиц и приданием им сферической формы уменьшается число точек контакта между ними, а следовательно, и возможность сращивания во время перекристаллизации из плёночного раствора.
Мелкодисперсные аммониты могут сильно слёживаться, а гранулированные взрывчатые вещества не слёживаются.
Водоустойчивость порошкообразных взрывчатых веществ
Водоустойчивость порошкообразных взрывчатых веществ — способность противостоять проникновению воды в массу вещества.
Вода, проникая внутрь, растворяет растворимые и смачивает нерастворимые компоненты и тем самым нарушает капиллярно-пористую структуру заряда, вызывает его флегматизацию.
Аммиачная селитра, составляющая основу порошкообразных взрывчатых веществ, легко смачивается и быстро растворяется в воде. Для понижения смачивания иногда в состав аммиачно-селитренных взрывчатых веществ вводят дополнительные гидрофобные добавки.
Порошкообразные взрывчатые вещества изготавливают на водоустойчивой аммиачной селитре марки ЖВ, которая проходит гидрофобизацию при её получении.
Помимо этого, в состав некоторых взрывчатых веществ вводят дополнительные гидрофобизаторы (в
динафталит — добавку парафина, в нитроэфирные взрывчатые вещества — мелкодисперсный стеарат
кальция). Гидрофильные нитроэфиры, смачивая водоустойчивую селитру и другие компоненты смеси,
понижают водоустойчивость взрывчатого вещества. Для устранения этого явления их желатинируют
небольшим количеством нитроцеллюлозы, а всю смесь опудривают с поверхности стеаратом
Водоустойчивость гранулированных взрывчатых веществ
Водоустойчивость гранулированных взрывчатых веществ — способность их гранул не растворяться в воде и детонировать в водонаполненном состоянии.
Алюмотол и гранулотол имеют практически неограниченную водоустойчивость — они нерастворимы в воде и имеют большой размер гранул (от 3 до 5 мм), при котором флегматизирующее действие воды на них не отражается и каждая гранула способна самостоятельно детонировать в окружении водяной оболочки.
Аммиачно-селитренным гранулированным взрывчатым веществам в результате сплошного покрытия гранул селитры водоустойчивой оболочкой придают большую водоустойчивость. При малейших просветах или трещинах в оболочке селитра вымывается водой. Поэтому граммониты 50/50-В, 30/70-В и граммоналы А-45 и А-50 имеют ограниченную водоустойчивость.
Водоустойчивость пластичных и гелеобразных текучих взрывчатых веществ
Водоустойчивость пластичных и гелеобразных текучих взрывчатых веществ обусловлена сплошностью их масс, почти полным отсутствием в ней пор и высокой вязкостью. Имеющиеся в небольшом количестве поры замкнуты; не сообщаются между собой и с поверхностью массы. Разбавлению водой таких взрывчатых веществ препятствует высокая их вязкость.
Намокание происходит в основном в результате диффузионного выщелачивания растворимых компонентов из массы взрывчатого вещества.
Этот процесс совершается, как правило, медленно, поэтому большинство взрывчатых веществ такого типа имеют высокую водоустойчивость. Степень их водоустойчивости оценивают по способности противостоять диффузионному выщелачиванию растворимых компонентов в проточной или в непроточной воде.
Расслаивание взрывчатых веществ
Расслаивание или сегрегация — самопроизвольное или под влиянием внешних причин разделение взрывчатого вещества на составные части или отдельные компоненты.
Расслаивание характерно для смесевых сыпучих взрывчатых веществ, компоненты которых сильно различаются по удельному весу, форме и размерам частиц.
У игданита наблюдается стекание в нижние слои взрывчатого вещества дизельного топлива. У водонаполненных взрывчатых веществ, при большом содержании жидкой фазы (больше 40%) и недостаточном её загущении происходит постепенное оседание и скапливание в нижних слоях твёрдых компонентов.
Промышленные взрывчатые вещества, изготовленные в заводских условиях, при соблюдении нормальных условий транспортирования и применения расслаиваются незначительно.
Пыление взрывчатых веществ
Пыление — способность сыпучих взрывчатых веществ, при обращении с ними, выделять в окружающую атмосферу мелкодисперсные частицы. Пыление находится в прямой зависимости от степени дисперсности взрывчатого вещества, состояния поверхности его частиц и скорости потоков, создаваемых в процессе пневмотранспортирования или заряжания.
Сильно пылят аммониты в сухом состоянии, мало пылят алюмотол, гранулотол, гранулит М, игданит, граммониты 50/50-В, 30/70-В, граммонал А-45 и некоторые другие, поскольку их гранулы почти лишены пылеобразных фракций или сильно ожирены (гранулит, игданит).
У металлизованных гранулитов основным источником пыления является алюминиевая пудра, у граммонита 79/21 — мелкие фракции тротила. Пыление гранулированных взрывчатых веществ в значительной степени зависит от прочности гранул селитры.
Эксудация взрывчатых веществ
Эксудация — способность жидких компонентов мигрировать из состава взрывчатого вещества наружу под действием капиллярных сил. В отличие от расслаивания, когда жидкий компонент стекает в нижние слои взрывчатого вещества под действием силы тяжести, при эксудации он может "выпотевать" на поверхность его массы.
Эксудация нитроэфиров наблюдается при содержании их в составе взрывчатого вещества более 10%. Эксудации способствуют увлажнение и попеременное нагревание или охлаждение взрывчатого вещества. Она повышает опасность обращения с такими взрывчатыми веществами и требует применения соответствующих мер предосторожности.
Для предупреждения эксудации желатинизацию нитроэфиров усиливают нитроцеллюлозой или вводят поглотители.
Старение взрывчатых веществ
Старение наблюдается у пластичных взрывчатых веществ, у которых со временем происходит выкристаллизация растворённых компонентов, изменяется структура, снижается вязкость и пластичность массы, удаляются воздушные пузырьки, которые служат "горячими" точками при детонации, а это приводит к ухудшению детонационной способности.
Разминанием или повторным перемешиванием массы взрывчатого вещества можно в какой-то мере восстановить его утраченные свойства.
Стойкость взрывчатых веществ
Стойкость — способность взрывчатых веществ сохранять химический состав и химические свойства в течение необходимого времени их хранения.
Она зависит от химической природы взрывчатого вещества, наличия или отсутствия в нём нестойких примесей или компонентов, несовместимых друг с другом, а также от условий хранения и применения.
Все выпускаемые промышленные взрывчатые вещества, при хранении и применении их в нормальных условиях, достаточно химически стойки. Их можно годами хранить без изменения состава и свойств.
Наиболее высокую стойкость имеют нитросоединения (тротил, гексоген, динитронафталин) и их смеси с аммиачной селитрой.
Гранулотол и алюмотол пригодны для заряжания обводненных скважин с повышенной кислотностью грунтовых вод. Меньшую стойкость имеют жидкие нитроэфиры, входящие в состав некоторых взрывчатых веществ. Они разлагаются под действием остатков кислот и некоторых других нестойких примесей. Качество отмывки контролируют специальным испытанием на химическую стойкость. Кроме того, в состав нитроэфирных взрывчатых веществ вводят стабилизирующие добавки соды или мела, которые нейтрализуют выделяющиеся при распаде окислы азота и кислоты. Всё это гарантирует стойкость от возможного химического их разложения.
Аммиачно-селитренные взрывчатые вещества становятся нестойкими при попадании в них сульфидов (пирита, колчедана и др.), активно взаимодействующих с нитратом аммония, с выделением больших количеств тепла и окислов азота. Началу процесса сильно способствуют наличие влаги (переводящей селитру в раствор), повышенная температура и примеси серной кислоты, которая катализирует развитие разложения. Взаимодействуя с нитратом, она образует азотную кислоту, которая, в свою очередь, вступает в экзотермическую реакцию с сульфидами. Температура в очаге разложения достигает 1100 °С, что значительно превышает температуру воспламенения взрывчатого вещества. Известны случаи саморазложения с загоранием и переходом в детонацию аммиачно-селитренных взрывчатых веществ во влажных сульфидсодержащих рудах открытых и подземных рудников.
Для предотвращения таких случаев следует предохранять от контактирования заряда аммиачно-селитренных взрывчатых веществ с влажной сульфидной рудой.
Рассмотренный процесс взаимодействия можно ослабить, добавив в заряд вещества (мочевину и др.), нейтрализующие образующуюся азотную кислоту.