Соболев В.В., Шиман Л.Н. Высокоэнергетическая обработка материалов. Сборник научных трудов

Подождите немного. Документ загружается.

Высокоэнергетическая обработка материалов

211

ставляет собой классическую обратную эмульсию. Такая эмульсия образует-

ся путем диспергирования окислительной фазы, представляющей собой рас-

твор аммиачной селитры или аммиачной селитры в смеси с кальциевой (или

натриевой селитрой) в горючей фазе. Горючая фаза представляет собой смесь

углеводорода и эмульгатора на основе SMO или PIBSA.

Цель работы – разработка эмульсионных ВВ с содержанием

продук-

тов переработки твердого ракетного топлива для механизированного заряжа-

ния скважин.

Основными критериями выбора рецептур являлись кислородный баланс,

теплота взрыва и состав продуктов разложения. По результатам расчетов вы-

браны оптимальные рецептуры эмульсий для наливных и патронированных

ВВ, табл.1 и 2.

Таблица 1

Эмульсия для наливных ЭВВ

Содержание компонентов (%)

и характеристики основных показателей

Наименование

компонентов и основных

показателей

1 2 3 4 5 6

92 92 92 92 92 92

40 45 45 45 47 47

Окислительная фаза:

в т.ч. - аммиачная селитра

- вода

17 17 14 12 12 10

Горючая фаза: 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0

Кислородный баланс, % -1,69 -3,13 -1,66 -0,69 -1,26 -0,29

Теплота взрыва, кДж/кг 3151 3010 3320 3526 3467 3678

Таблица 2

Эмульсия для патронированных ЭВВ

Содержание компонентов (%)

и характеристики основных показателей

Наименование

компонентов и основных

показателей

1 2 3 4

93 93 93 93

68,0 70,6 71,1 72

Окислительная фаза:

в т.ч. - аммиачная селитра

- вода

11,0 9,0 8,0 7,0

Горючая фаза: 7,0 7,0 7,0 7,0

Кислородный баланс, % -0,8 -0,75 -4,2 -4,8

Теплота взрыва, кДж/кг 3104 3204 3100 3437

Высокоэнергетическая обработка материалов

212

Водно-масляная внутренняя физическая структура эмульсий принци-

пиально отличается от водосодержащих суспензий (водных гелей). В ЭВВ

существенно увеличена поверхность контакта между окислителем и горю-

чим, расположенным в виде пленки на поверхности плотно упакованных

жидких микрочастиц (до 0,001 мм) окислителя. Подобное структурное отли-

чие обеспечивает эмульсии ряд уникальных физических и химических харак-

теристик, таких как особые детонационные свойства (степень завершения

химических реакций достигает 97%) и безопасность.

Наличие водной фазы в эмульсии обеспечивает необходимый флегма-

тизирующий эффект для снижения чувствительности к механическим воз-

действиям (удару, трению) и электростатическим воздействиям (ЭСР) эмуль-

сии и ЭВВ на ее основе. Это свойство и предопределяет возможность ис-

пользования эмульсий

для создания ЭВВ с продуктами утилизации или пере-

работки военных ракетных топлив (ТРТ), порохов, а также взрывчатых мате-

риалов, таких как гексоген, извлекаемых из боеприпасов.

В соответствие с Государственной программой работ по освоению

производства безтротиловых взрывчатых веществ промышленного назначе-

ния Павлоградским химическим заводом разработаны эмульсионные ВВ

(ЭВВ) марки "ЕРА" ("ЕРА

-I", "ЕРА-II", "ЕРА-III") с использованием продук-

тов переработки ТРТ. Такие ЭВВ "ЕРА" предназначены для ведения взрыв-

ных работ на дневной поверхности и в подземных условиях шахт и рудников,

не опасных по газу и пыли [7,8].

ЭВВ с продуктами переработки ТРТ могут использоваться как в патро-

нированном виде, так и при механизированном заряжании

скважин с исполь-

зованием смесительно-зарядных машин [6]. Показатели по безопасности при

их изготовлении и применении являются не хуже аналогичных показателей

для ЭВВ других марок, которые не содержит тротил и гексоген и лучше по

сравнении с традиционными ВВ, содержащими тротил. Очевидно, в эмуль-

сионной среде добавка продуктов переработки ТРТ в количестве до

10% вы-

полняет только энергетическую функцию без ухудшения эксплуатационных

характеристик и без увеличения количества образования токсичных продук-

тов при взрыве.

С использованием эмульсионной основы разработаны ЭВВ с добавкой

измельченных порохов в количестве 8–10%. Такие ВВ по показателям безо-

пасности при изготовлении и применении не отличаются от аналогичных по-

Высокоэнергетическая обработка материалов

213

казателей эмульсионных ВВ, не содержащих порохов. Эмульсионные ВВ

марки "ЕРА-I", "ЕРА-II", "ЕРА-III" по сравнению с традиционными порош-

кообразными тротилсодержащими ВВ имеют низкую чувствительность к ме-

ханическим воздействиям, характеризуются отсутствием накопления зарядов

статического электричества, высокой водоустойчивостью и низкой токсич-

ностью продуктов взрыва, удобством в применении и безопасностью в обра-

щении. По

степени воздействия на организм человека эмульсионные взрывча-

тые вещества марки "ЕРА" относятся к веществам 3-го класса опасности.

Эмульсионные ВВ марки "ЕРА" разработаны для патронированного

заряжания шпуров и скважин ("ЕРА-III"), а также в виде наливных систем

для заряжания скважин из смесительно-зарядных машин (СЗМ) ("ЕРА-I" и

"ЕРА-II"). Структура эмульсионной матрицы "ЕРА"

позволяет формировать

также ее смеси с гранулированными ВВ, типа ANFO и получать "тяжелые"

ANFO. Соотношение эмульсии и гранулированного ВВ может составлять от

90/10 до 25/75.

Физико-химическая особенность структуры ЭВВ позволяет изготавли-

вать для конкретных условий применения различные смеси ВВ плотностью от

800 до 1250 кг/м

в широком интервале энергетических характеристик – от

3300 до 5000 кДж/кг. Кроме того, водосодержащая флегматизирующая струк-

тура ЭВВ позволяет использовать эмульсионную основу для разработки ВВ с

различными энергетическими компонентами. Изготовление эмульсионной

композиции (матрицы) осуществляется с использованием технологического

оборудования СЗМ непосредственно на местах проведения взрывных работ с

образованием ЭВВ непосредственно при заряжании скважин.

При этом произ-

водительность СЗМ обеспечивает заряжание скважин и образование ЭВВ со

скоростью 50÷150 кг/мин. Учет компонентов и эмульсионных взрывчатых ве-

ществ обеспечивается системой автоматической регистрации массы.

Наливные ЭВВ марки "ЕРА-I" и "ЕРА-II" –

I класса применения пред-

назначены для заряжания сухих и обводненных скважин на открытых горных

разработках. Такие ВВ могут изготавливаться как непосредственно из исход-

ных компонентов, которыми могут быть растворы селитры и горючей фазы,

так и с использованием готовых эмульсионных матриц. В табл. 3 приведены

основные характеристики наливных эмульсионных ВВ производства Павло-

градского

химического завода. По своим эксплуатационным и экологическим

характеристикам, а также по характеристикам безопасности ЭВВ марки

Высокоэнергетическая обработка материалов

214

"ЕРА" I класса применения выгодно отличаются от ВВ, содержащих тротил.

Для подземных условий ведения взрывных работ разработаны налив-

ные ЭВВ марки "ЕРА-IР" – ІІ класса применения, заряжание которых в сква-

жины и шпуры осуществляется с использованием смесительно-зарядных ма-

шин типа RP-T, разработки немецкой компании "Westspreng".

Таблица 3

Сравнительные характеристики наливных ЭВВ марки "

ЕРА"

и граммонита 50/50

Значение показателя

Наименование показателя

ЭВВ "ЕРА"

Граммонит

50/50

Плотность ВВ, кг/м

1150 ÷ 1250 900÷1100

Теплота взрыва, кДж/кг, >3500 3700

Скорость детонации, м/с, >4200 360-4000

Критический диаметр детонации открытого

заряда, мм

60 ÷ 70 40 ÷ 50

Чувствительность к удару, тест 3а) ООН, Дж >50 (низкая) 25÷30

Чувствительность к трению, тест 3в) ООН, Н >360 (низкая) 120÷180

Чувствительность к ЭСР, Дж >8 (низкая) <1,0

Водоустойчивость в непроточной воде, сутки >10 (высокая) <7,0

Объем токсичных продуктов взрыва, л/кг <20 320÷362

Класс опасности вещества (по токсичности) 3 2

Патронированные эмульсионные ВВ марки "ЕРА" II класса примене-

ния "ЕРА-III" и "ЕРА-Р" производства Павлоградского химического завода,

предназначены для ведения взрывных работ в шахтах и рудниках не опасных

по газу и пыли. В табл. 4 приведены основные характеристики патрониро-

ванных ЭВВ.

Патронированные ЭВВ марки "ЕРА" выпускаются в виде патронов в

полиэтиленовой ориентированной

оболочке диаметром от 25 до 90 мм дли-

ной от 200 до 1000 мм, массой от 150 до 3000 г. Инициирование патронов

ЭВВ может производиться от электродетонаторов, капсюлей-детонаторов, с

использованием неэлектрической системы инициирования или при помощи

детонирующего шнура. По своим эксплуатационным характеристикам и

безопасности патронированные ЭВВ марки "ЕРА" выгодно отличаются от

аммонита №6 ЖВ.

Высокоэнергетическая обработка материалов

215

В течение 2006–2007 г.г. были проведены комплексные промышленные

испытания эмульсионных взрывчатых веществ марки "ЕРА" и смесительно-

зарядных машин типа SMS К-8/7 (рис.1,а) и типа UMS-11 (рис.1,б) для их из-

готовления и заряжания в скважины.

Таблица 4

Сравнительные характеристики патронированных ЭВВ

марки "ЕРА" и аммонита 6 ЖВ

Значение показателя

Наименование показателя

ЭВВ "ЕРА" Аммонит 6ЖВ

Плотность ВВ, кг/м

1100 – 1125 1000÷1100

Теплота взрыва, кДж/кг, >3500 ~4000

Скорость детонации, м/с, 4500 ÷ 5000 3600÷4200

Критический диаметр детонации

открытого заряда, мм

15 ÷ 22 ~20

Водоустойчивость в непроточной

воде, сутки

>30

<<1

не водоустойчив

Испытания эмульсионных ВВ марки "ЕРА" проводились одновременно

на двенадцати нерудных карьерах Полтавской, Кировоградской, Запорож-

ской, Николаевской, Винницкой, Ровенкой и др. областях. Для проведения

производственных испытаний эмульсионных взрывчатых веществ марки

"ЕРА" была создана технологическая цепочка изготовления полуфабрикатов,

зарядка и подготовка смесительно-зарядных машин, обеспечивающая прове-

дение взрывных работ на расстояниях свыше

500 км.

Весь цикл проведения взрывных работ с использованием смесительно-

зарядных машин включает в себя несколько технологических процессов на

предприятии и на местах ведения взрывных работ. Изготовление и загрузка

смесительно-зарядных машин производилась на участке приготовления не-

взрывчатых полуфабрикатов эмульсионных взрывчатых веществ, таких как

горючая фаза и окислительная фаза, расположенном на

территории Государ-

ственного предприятия "НПО "ПХЗ". Каждый полуфабрикат загружается в

специально предназначенный для него бункер СЗМ и транспортируется к

местам проведения работ.

Заряжание вертикальных скважин любой степени обводненности

эмульсионными ВВ марки "ЕРА" производится со дна скважины. Подача за-

рядного рукава обеспечивается через подвесной блок за счет привода лебед-

Высокоэнергетическая обработка материалов

216

ки шлангоизвлекателя. По мере заполнения скважины эмульсионным ВВ од-

новременно происходит извлечение рукава из скважины и вытеснение воды

из обводненных скважин. Для заряжания горизонтальных скважин преду-

смотрена стыковка зарядного рукава к дополнительному быстроразъемному

соединению, предусмотренному в конструкции СЗМ.

Рис. 1. Смесительно-зарядные машины: а – SMS К-8/7; б – UMS-11

Высокоэнергетическая обработка материалов

217

Образование ЭВВ, а именно – сенсибилизация эмульсионной матрицы

происходит непосредственно в скважине. Время сенсибилизации определяет-

ся выбором соотношения газогенерирующей добавки к эмульсионной матри-

це и составляет не менее 10 минут.

Разработанные Научно-исследовательским институтом высокоэнерге-

тических материалов ГП "НПО "ПХЗ" наливные эмульсионные взрывчатые

вещества марки "ЕРА" соответствуют требованиям нормативно-правовых ак-

тов

по охране труда и обеспечивают безопасное ведение технологического

процесса изготовления взрывчатых веществ с использованием смесительно-

зарядных машин системы SMS К–8/7 и UMS–11.

Универсальность смесительно-зарядных машин системы SMS, UMS

заключается в возможности изготовления непосредственно на местах прове-

дения взрывных работ одновременно нескольких видов взрывчатых веществ.

Это позволяет формировать колонки зарядов различными видами ВВ с отли

чительными взрывчатыми и физико-химическими характеристиками и, тем

самым оптимизировать энергонасыщенность скважин для получения макси-

мальной эффективности при взрывных работах.

Результаты, полученные на этапе проведения промышленных испыта-

ний, показали, что энергия взрыва эмульсионных взрывчатых веществ марки

"ЕРА" позволяет эффективно разрушать породы крепостью более 18 по шка-

ле М.М. Протодъяконова в

условиях высокой обводненности скважин (до

100%). Выход негабарита не превышает 1%; на 20–25% увеличивается кон-

диция взорванной массы. Полученные результаты промышленных испыта-

ний ЭВВ "ЕРА" с положительным эффектом позволили получить соответст-

вующие разрешения на постоянное применение таких ЭВВ.

По предварительно полученным оценкам, себестоимость взрывных ра-

бот, в результате внедрения новых технологий БВР с

применением ЭВВ

"ЕРА" при механизированном заряжании с использованием смесительно-

зарядных машин системы SMS и UMS, снижается на 10÷15% по сравнению с

ручной зарядкой скважин без применения средств механизации.

Таким образом, энергетический потенциал ТРТ и продуктов его пере-

работки, извлеченных из двигателей ракет, успешно использован при разра-

ботке рецептур и производстве промышленных ЭВВ. Показатели

, получен-

ные при испытаниях ЭВВ марки "ЕРА" различных типов на карьерах и руд-

никах Украины, подтверждают высокую их работоспособность и эффектив-

ность при производстве взрывных работ.

Высокоэнергетическая обработка материалов

218

Литература

1. Барон В.Л., Кантор В.Х. Техника и технология взрывных работ в

США. – Мoсква: Недра, 1989. – 376 с.

2. Cook M.A. The science of industrial explosives. – Ireco Chemicals Salt

Lake City, UTAN, 1974. – 440 p.

3. Manual de empleo de explosives. – Madrid: Union Espanola de explo-

sives, 1999. – 233 p.

4. Gustafsson R. Swedish Blasting Technique. – Moskow: Nedra, 1977. – 274 p.

5. Крысин Р.С., Куприн В.П. Технология изготовления газифицирован-

ного украинита // Физика и техника высокоэнергетической обработки мате-

риалов: Сб. научн. тр. / Редколл.: Соболев В.В. (отв. Ред

.) и др. – Д.: АРТ-

ПРЕСС, 2007. – С. 30-39.

6. Подготовка полуфабрикатов эмульсионных ВВ с использованием

продуктов гидромеханического извлечения ТРТ из ракетных двигателей /

Л.И. Подкаменная, Е.Б. Устименко, Л.Н. Шиман и др. // Комплексная утили-

зация обычных видов боеприпасов: Сб. докл., 21-23 сент. 2005, Красноар-

мейск. – М.: "Оружие и технологии", 2005. – С. 258–260.

7. Опыт использования продуктов

переработки ТРТ, извлекаемого гид-

ромеханическим методом из корпусов ракетных двигателей, в составах про-

мышленных водосодержащих ВВ / Е.Б. Устименко, Л.Н. Шиман., Л.И. Под-

каменная, А.Л. Кириченко // Комплексная утилизация обычных видов бое-

припасов: Сб. докл., 19-21 сент. 2007, Красноармейск. – М.: Издат. дом

"Оружие и технологии", 2007. – С. 211–215.

8. Шиман Л.Н. Опыт

применения бестротиловых эмульсионных взрыв-

чатых веществ марки "ЕРА" на взрывных работах при заряжании скважин

механизированным способом с использованием смесительно-зарядных ма-

шин / Л.Н. Шиман, Е.Б. Устименко, Л.И. Подкаменная, А.Л. Кириченко,

Й.Г. Касперский // Вестник КГПУ им. М. Остроградского. – Кременчуг:

КГПУ. – 2007. – Вып. 5 (46), часть 1. – С. 113–117.

Высокоэнергетическая обработка материалов

219

УДК 622.2

КОНВЕРСИОННАЯ ОБРАБОТКА ПРОДУКТОВ

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ ТВЕРДОГО

РАКЕТНОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВНОГО

ВЕЩЕСТВА, ПРИМЕНЯЕМОГО В СРЕДСТВАХ

ИНИЦИИРОВАНИЯ И ВЗРЫВАНИЯ

Л.Н. Шиман, Е.Б. Устименко, М.М. Челтонов

Государственное предприятие "Научно-производственное объединение

Павлоградский химический завод", ул. Заводская, 44, г. Павлоград, 514002

е-mail: dirphz@pkhz.dp.ua

Рассмотрены механохимические способы обработки композиционной крошки, полу-

ченной при гидромеханической технологии извлечения твердого ракетного топлива из ра-

кетных двигателей, для экстракционного извлечения октогена. Определены режимы из-

влечения октогена и его свойства. Даны рекомендации по проведению процессов и ис-

пользованию выделяемых веществ при изготовлении средств инициирования и взрывания.

Chemical & mechanical processing of composite crumb generated from water jet (hydrome-

chanical) process of solid propellant extraction from rocket motor cases in order to extract HMX

was studied. The HMX extraction conditions and properties were determined. On this basis the

recommendations for processes implementation and recovered materials use were developed

when manufacturing initiation and blasting systems

Введение

При выполнении технологических процессов утилизации твердых ра-

кетных топлив (ТРТ) с использованием методов гидромеханического извле-

чения его из ракетных двигателей образуется крошка композиционного ма-

териала различного размера и формы [1]. Преобладающее количество крош-

ки имеет размер от 1 до 10 мм. Вследствие специфики гидромеханических

методов извлечения и переработки ТРТ компонентный состав крошки компо

зиционного материала содержит в основном нерастворимые в воде вещества,

которые входили в рецептуру ТРТ. К таким веществам относятся каучуки,

алюминиевый порошок и октоген или гексоген (для высокоэнергетических

ТРТ). Такая крошка, получаемая в ходе утилизации ТРТ, используется в ка-

честве энергетической добавки (до 10%) в эмульсионных взрывчатых веще-

ствах (ЭВВ) [2]. При этом,

основной вклад в тепловой эффект взрыва ЭВВ

вносится алюминиевым порошком и каучуком, т.к. их теплотворная способ-

ность при сбалансированном кислородном балансе взрывчатой смеси соот-

ветственно в три и в пять раз выше, чем у октогена. Учитывая это, целесооб-

Высокоэнергетическая обработка материалов

220

разным является извлечение октогена из крошки композиционного материала

для использования в качестве индивидуального взрывчатого вещества, когда

требуется высокая калорийность, теплостойкость и устойчивость взрывных

процессов. Такие требования предъявляются, например, к активному вещест-

ву, применяемому при изготовлении волноводов и капсюлей детонаторов не-

электрических систем инициирования, а также в смесях для промежуточных

детонаторов (

бустеров), используемых при взрывных работах на объектах

строительной и горнодобывающей промышленности [3, 4].

Для извлечения октогена, который находится в закапсулированном со-

стоянии в крошке композиционного материала, необходимо использовать так

называемый механохимический метод обработки с последующим экстраги-

рованием селективными растворителями. Такой метод позволяет с одной

стороны разрушить плотную полимерную структуру крошки и обеспечить

доступ

растворителя к частицам октогена, а с другой стороны перевести ок-

тоген в раствор и в таком виде отделить его от твердой фазы крошки.

Целью проводимых исследований является выбор оптимальных ре-

жимов извлечения октогена из крошки композиционного материала и изуче-

ние свойств выделяемых веществ. Известно, что для эффективного извлечения

таких веществ

как октоген и гексоген возможно два направления работ: первое

– химическое разрушение структуры ТРТ с последующим выделением ука-

занных нитраминов [5-8], второе – селективное извлечение и кристаллизация

октогена из измельченных фрагментов ТРТ различными растворителями [9-

11]. Химическое разрушение полимерной матрицы на основе каучуков воз-

можно азотной кислотой с концентрацией 56% и выше или органическими

надкислотами (надуксусной

, надмуравьиной и др.) с последующим экстраги-

рованием нитрамина апротонными растворителями, например, диметиформа-

мидом (ДМФА) или ацетоном. Отрицательными факторами первого направ-

ления работ является высокая экзотермичность процесса и выделение токсич-

ных газов (NOх в случае применения азотной кислоты), а также дополнитель-

ные трудозатраты на утилизацию побочных продуктов. Поэтому для дальней-

ших

лабораторных исследований было выбрано второе направление, заклю-

чающееся в экстракции октогена из предварительно измельченной крошки

композиционного материала с использованием органических растворителей.

Растворимость октогена исследовалась в органических растворителях

при различных температурах, табл. 1 [12]. Как видно из табл. 1, наилучшей