Экспериментальное и численное исследование параметров детонации эмульсионных взрывчатых веществ с микробаллонами из стекла

• Автор: Рафейчик, Сергей Игоревич
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 69 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Формулировка задачи

Глава 1. Детонационные параметры эмульсионных взрывчатых

веществ с микробаллонами из стекла

1.1 Характеристики эмульсии и сенсибилизатора

1.2 Детонационные параметры ЭмВВ

1.2.1 Скорость детонации и критический диаметр

1.2.2 Влияние оболочки на пределы детонации

1.3 Определение метательных характеристик ЭмВВ
1.3.1 Метод наклонной проволоки для измерения угла поворота
1.3.2 Показатель политропы продуктов взрыва
1.4 Ударная адиабата эмульсии
1.4.1 Методика манганинового датчика для измерения давления
1.4.2 Ударная адиабата
1.5 Выводы к главе 1
Глава 2. Численный анализ параметров детонации ЭмВВ
2.1 Постановка задачи и численный код ЭГИДА-20
2.2 Уравнение состояния и модель кинетики
2.3 Результаты одномерных расчетов
2.4 Выводы к главе 2
Глава 3. Приложения эмульсионных ВВ для сварки взрывом
3.1 Применение ЭмВВ для плакирования металлов тонкими фольгами
3.2 Восстановление изношенной резьбы методом сварки взрывом
3.2.1 Постановка задачи
3.2.2 Выбор состава эмульсионного ВВ
3.2.3 Отработка режима сварки
3.3 Выводы к главе 3
Заключение
Благодарности
Список литературы
Список работ по теме диссертации

Введение
Эмульсионные взрывчатые вещества (ЭмВВ) - это взрывчатые композиции на основе эмульсионной матрицы (эмульсии) с сенсибилизирующими включениями, относятся к промышленным взрывчатым веществам. Эмульсия является единственным энергетическим компонентом ЭмВВ, а сенсибилизатор делает ее способной к детонации, ускоряя протекание экзотермической реакции за фронтом волны. Современные эмульсионные ВВ впервые описаны Блюмом в патенте 1969 г., и примерно за десятилетие их развитие достигло уровня, позволяющего использовать их в промышленности. Эмульсионные взрывчатые вещества нашли широкое применение в горнодобывающей промышленности, начиная с 80-х гг. XX в., поскольку обладают такими положительными характеристиками, как: высокая безопасность при работе, устойчивость к удару, нагреву, электрическому разряду, водостойкость и относительно низкая стоимость изготовления, наряду с достаточно высокой мощностью и объемом выделяющихся газов. Состав ЭмВВ включает окислитель - перенасыщенный водный раствор аммиачной селитры (или смеси с натриевой / кальциевой селитрами), и горючее - смесь углеводородов с эмульгатором [1, 2]. По составу они близки к другим широко используемым промышленным ВВ, которые появились значительно раньше -смесям АСДТ (Аммиачная Селитра / Дизельное Топливо). Важнейшим достоинством эмульсионных композиций, как и АСДТ, является возможность смешения компонент,

матрицы и сенсибилизатора, непосредственно вблизи места ведения взрывных работ.
Такое сочетание характеристик стало возможным благодаря особому физическому состоянию основного компонента ЭмВВ - эмульсии, которая представляет собой устойчивую смесь микроскопических капелек водного раствора окислителя, окруженных тонкими прослойками горючего вещества. В высококачественных композициях размер капелек окислителя менее 2-3 мкм, толщина прослоек горючего 0,1-0,2 мкм. В АСДТ используется механическая смесь твердых частиц окислителя, гранул аммиачной селитры миллиметрового размера, с горючим, поэтому в случае эмульсионных ВВ реализуется очень большая площадь контакта окислителя и горючего.
Основной объем исследований эмульсионных ВВ (сотни работ и патентов) обусловлен запросами горной промышленности. Большинство работ связаны с разработкой составов, измерением физико-химических характеристик эмульсий и сенсибилизаторов и основных детонационных параметров ЭмВВ, повышением стабильности композиций, поиском оптимальных с экономической точки зрения составов и компонент [1,2]. Подобные исследования, начиная с 70-х годов прошлого века, проводились в США, Канаде, Японии, Великобритании, Швеции, Китае, Франции - например [3-9]. В этих странах доля ЭмВВ в

объеме промышленных ВВ достигает 70 % и более. Предложение использовать эмульсионные ВВ для сварки металлов взрывом впервые сформулировано в патенте 1989 года [10].
В результате этих исследований были получены значимые результаты по определению детонационных параметров и механизма протекания реакции в ЭмВВ. Было установлено, что скорость детонации с увеличением плотности ЭмВВ изменяется немонотонно, характеризуя ВВ 2-го типа [11]. Определено время реакции примерно 0,5-1 мкс [3], которое существенно больше величин 0,01-0,1 мкс, типичных для мощных вторичных ВВ. Это указывает на неидеальность детонации в ЭмВВ. Остались невыясненными некоторые ударно-волновые и детонационные характеристики ЭмВВ, а также не построена до конца теория горячих точек, которая имеет важное значение при детонации подобных неоднородных систем. Вместе с тем, эмульсионные ВВ являются удобной «модельной» системой, в которой легко контролировать степень неоднородности путем введения известного количества искусственных пор заданного размера. В качестве сенсибилизатора используются как химические сенсибилизаторы - газогенерирующие добавки типа нитрита натрия - так и физические - высокопористые микробаллоны из стекла или полимера, перлит, мелкодисперсные порошки бризантных ВВ или конверсионного пороха.
Разработка эмульсионных ВВ в Советском Союзе началась в ГОСНИИ «Кристалл» (г. Дзержинск) в середине 80-х годов 20-го века, к концу десятилетия была создана технология производства ЭмВВ, и началось их внедрение в отечественную промышленность
[2], В настоящее время в России 25-30 % общего объема промышленных ВВ составляют эмульсионные ВВ. Но отечественных публикаций, связанных с исследованием и анализом детонационных параметров ЭмВВ, очень мало [12-16]. В Сибирском отделении РАН исследования, связанные с изучением ЭмВВ, начались в 2003 г., в результате были опубликованы две основные статьи [17, 18]: в первой предложена одномерная аналитическая модель для описания немонотонной зависимости 7?(р0) [17]; во второй - результаты
исследования ЭмВВ с полыми ценосферами [18].
В Институте гидродинамики СО РАН было продолжено изучение параметров детонации ЭмВВ на основе ультрадисперсной матрицы в широком диапазоне плотностей ВВ р0 = 0,5-г 1,33 г/см3, скоростей £> = 2 + 6 км/с и давления детонации ра » 7 + 120 кбар. Дано
правильное объяснение причины немонотонной зависимости £>(р0) в заряде ЭмВВ
конечного диаметра [19]. Экспериментально указано на возможность существования режима «низкоскоростной» детонации для эмульсии с малым содержанием сенсибилизатора [20],

полуэмпирической и представляет собой модификацию кинетики вида Х~(р-рсУ, предложенной для численного анализа скорости детонации ЭмВВ в [8]. Отличие состоит в том, что данная модель учитывает переменное содержание микросфер в составе ЭмВВ. При ее выводе сделаны следующие основные предположения: выбрана зависимость скорости разложения эмульсии как функции давления - такой тип макрокинетики достаточно широко используется в различных моделях детонации ВВ [51], прежде всего, из-за сложностей в получении и анализе экспериментальных данных по температуре в зоне реакции ВВ. Предполагается также, что сильная степень гетерогенности низкоплотных ЭмВВ приводит к тому, что вторичные ударные волны, возникающие при схлопывании микросфер, оказывают существенное влияние на скорость реакции ВВ. Считается, что скорость гетерогенной

реакции падает при распространении по эмульсии как —г—, где х - текущее расстояние от

центра микросферы до фронта реакции по отношению к ее диаметру, а также пропорциональна площади фронта реакции и концентрации микросфер пт. Таким образом, гетерогенная часть скорости реакции зависит от расстояния между центрами микросфер при изменении их концентрации. Здесь подразумевается, что все микросферы можно считать одинаковыми со средним диаметром с/= 58 мкм и равномерно распределенными по объему эмульсии в узлах наиболее плотной ГЦК упаковки шаров в пространстве. Как следует из распределения микросфер по размерам (рис. 2) и сравнения оценки их предельного содержания в эмульсии при ГЦК упаковке ц = 0,46 с экспериментальным предельным значением ц = 0,5, такое предположение достаточно оправдано.
Рис. 15. К выводу уравнения макрокинетики