Исследование физико-химических и взрывчатых свойств аммиачной селитры и смесей на ее основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.07, кандидат технических наук Литовка, Ольга Борисовна

Оглавление диссертации кандидат технических наук Литовка, Ольга Борисовна

1. Литературный обзор

2. Исследование физико — химических и взрывчатых свойств составов типа АСДТ на различных марках аммиачной селитры

2.1. Обоснование методов исследования

2.2. Методическая часть 33 2.2.1 Подготовка ВВ и зарядов к испытаниям

2.2.2. Измерение скорости детонации

2.2.3. Методика дифференциальной сканирующей калориметрии

2.2.4. Определение впитывающей способности аммиачной селитры гравиметрическим методом

2.2.5. Определение удерживающей способности аммиачной селитры по отношению к дизельному топливу

2.2.6. Определение адсорбционной способности пористой аммиачной селитры по отношению к дизельному топливу

2.3. Результаты определения физико - химических и взрывчатых свойств составов типа АСДТ

2.3.1. Характеристика образцов аммиачной селитры

2.3.2. Расчетное определение взрывчатых характеристик смеси АСДТ

2.3.3. Физико-химические и взрывчатые характеристики образцов аммиачной селитры и составов на ее основе

2.4. Обсуждение результатов

3. Исследование физико-химических и детонационных свойств литых пористых зарядов на основе смеси аммиачной селитры и карбамида

3.1. Методическая часть

3.1.1. Методика изготовления литых пористых зарядов

3.1.2. Измерение скорости детонации

3.1.3. Определение критического диаметра

3.1.4. Изучение поведения смеси аммиачной селитры, карбамида и алюминиевой пудры при нагревании в воздушном термостате

3.2. Результаты исследования физико - химических и детонационных свойств литых пористых зарядов на основе смеси аммиачной селитры и карбамида

3.3. Обсуждение результатов

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Химия и технология топлив и специальных продуктов», 05.17.07 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование физико-химических и взрывчатых свойств аммиачной селитры и смесей на ее основе»

Практически все взрывчатые вещества (ВВ), используемые в различных отраслях промышленности, как гражданского, так и специального военного назначения, являются смесевыми системами. Основу взрывчатых смесей составляют базовые вещества, которые могут быть взрывчатыми уже в исходном состоянии, как например, в смесях на основе тротила, гексогена, октогена и т.п. или окислителями, как это реализовано в смесях на основе нитрата аммония (НА) или аммиачной селитры (АС). Дополнительные компоненты к основным веществам в смесевых системах выполняют роль базовых или дополнительных горючих (окислителей), сенсибилизаторов, флегматизаторов, технологических добавок и т.д.

Естественно, что все свойства конечного продукта - смесевого ВВ от эксплуатационных до целевых (взрывчатых) характеристик, включая факторы опасности (безопасности) будут определяться свойствами веществ, входящих в состав смеси, их химической и физической совместимостью, равномерностью взаимораспределения и технологичностью процессов изготовления.

На текущий момент времени основными потребителями взрывчатых веществ в стране являются горнодобывающая промышленность и производство строительных материалов. Преимущественную долю в этих отраслях составляют смеси на основе аммиачной селитры - аммиачно-селитренные ВВ.

Российская Федерация является одним из ведущих государств мира по объемам производства взрывных работ (после США и Китая), причем реальный сектор экономики нашей страны напрямую связан с использованием энергии взрыва. В настоящее время наибольшее количество взрывчатых веществ (ВВ) применяется в горной промышленности и строительстве, где взрывной способ разрушения является практически безальтернативным методом подготовки крепких горных пород к выемке.

В последние годы в Российской Федерации наблюдается рост объемов потребления взрывчатых материалов промышленного назначения.

В 2007 году количество использованных взрывчатых веществ впервые превысило их максимальный объем потребления на территории РСФСР до распада СССР (около 1100 тыс. т). Доля АС в составе общей массы применяемых ВВ достигает 80-90 %.

Важным является то, что ведется постоянное изменение (совершенствование) составов и структуры смесей за счет применения новых компонентов, а так же изменения технологических приемов и режимов изготовления, как правило, в сторону их интенсификации и/или «ужесточения». Примерами этому являются активные поиски для смесей на основе аммиачной селитры новых видов веществ, горючих добавок альтернативных применяемым горючим из числа нефтепродуктов, активирующих взаимодействие компонентов смесей - поверхностно активных веществ и интенсивное развитие нанотехнологий.

Придание высокой детонационной способности системе, помимо повышения эффективности ее действия, снижает вероятность отказа детонации, а, следовательно, способствует повышению безопасности взрывных работ. Это определяет необходимость и актуальность изучения смесевых ВВ и их компонентов по таким факторам как детонационные свойства и физическая совместимость.

Анализ объемов потребления взрывчатых веществ (ВВ), их ассортимента и распределения по типам показывает, что на современном этапе в Российской Федерации наблюдается выход на показатели, характерные для зарубежных стран: большая часть ВВ представлена смесевыми системами, которые изготавливаются в непосредственной близости от мест потребления на стационарных пунктах горных предприятий [1-4].

Основную долю ВВ, используемых в горной промышленности, во всем мире составляют две группы смесей и композиции из этих смесей:

- смеси аммиачной селитры (АС) в виде гранул, с недавнего времени преимущественно пористых (ПАС), с горючими добавками различной природы и агрегатного состояния. Наиболее распространенными являются смеси АС с жидкими горючими добавками (ЖГД), из числа которых чаще используются нефтепродукты (НП), например, дизельное топливо (ДТ). Эти смеси известны под обобщенными названиями - Гранулиты или смеси типа АСДТ в русскоязычной литературе и А№Ю - в англоязычной;

- смеси на основе водных растворов АС и других солей - окислителей (нитратов), имеющие обобщенное название - водосодержащие ВВ (ВВВ). В этой группе ВВ существует несколько типов смесей, отличающихся друг от друга по технологии получения и, главное - по физико-химической структуре: гели, эмульсии и/или суспензии "прямого" типа, эмульсии "обратного" типа. На настоящее время наибольшее распространение получили именно эмульсии "обратного" типа, известные под обобщающим названием - эмульсионные ВВ (ЭВВ);

- композиции АСДТ и ЭВВ с "бесконечным" переходом от одного ВВ к другому, что реализуется путем их механического смешивания в заданной пропорции или на месте изготовления, или непосредственно в процессе заряжания взрывных полостей (скважин, шпуров). Такие композиции известны под названиями "Эмуланы", "тяжелые АМЮ", АСДТ +ЭВВ и др.

В Российской Федерации, наряду с названными, выпускаются и продолжают достаточно широко использоваться смесевые ВВ "традиционного" (специфичного) типа:

- порошкообразные смеси АС с тринитротолуолом (ТНТ или Тротил) -аммониты;

- смеси гранулированной АС с ТНТ в виде гранул или чешуек - граммониты;

- смеси гранулированной АС или ПАС с композицией ТНТ и НП (ДТ) -граммотолы; смеси гранулированной АС с минеральными маслами и высокодисперсными металлическими добавками - металлизированные гранулиты, например АС-4, АС-8;

- смеси, содержащие различные ВВ и другие продукты, высвобождаемые при утилизации изделий военного назначения - конверсионные ВВ.

Общий объем применения ВВ промышленного назначения во всем мире оценивается в пределах около 8 млн.т. Крупнейшими потребителями ВВ являются США, Китай (потребление ВВ около 2 млн.т в каждой из стран) и Россия. Объём применения ВВ в РФ в 2007 г. составил около 1,2 млн.т. Доля ЭВВ в общем объёме потребления ВВ в РФ достигает 35-40%. Важно отметить, что около 70% от общего объема ВВ в РФ применяется к Востоку от Урала, а более половины из них - в Кузбассе и регионе Байкала [1,4].

Свойства промышленных ВВ определяются в основном свойствами входящих в них компонентов. Основу современных промышленных ВВ составляет аммиачная селитра, доля которой в некоторых составах ВВ достигает 94 - 95 %, а в среднем находится на уровне 80 - 90% от массы ВВ. Это определяет то, что свойства ВВ в первую очередь определяются свойствами АС как химического вещества (нитрат аммония), так и физической формой этого вещества в конкретном типе (разновидности) ВВ.

Аммиачная селитра или нитрат аммония (НА) уже по своей химической природе является уникальным веществом [1, 5-7]:

- окислитель (20% избытка кислорода),

- обладает высокой растворимостью и гигроскопичностью,

- имеет модификации (5 форм),

- при разложении не образуется твердых веществ. Все продукты разложения газообразны. При любой форме разложения образуется 3,0 - 3,5 моль газа/ моль АС.

В связи с этим физико - химические и детонационные свойства самой аммиачной селитры широко исследуются.

К наиболее важным физико-химическим свойствам, определяющим наряду с взрывчатыми характеристиками эксплуатационные качества ВВ и их стабильность, относятся гигроскопичность, слеживаемость, эксудация (выделение жидкой фазы), химическая стабильность, водоустойчивость, пластичность, сыпучесть.

Физическая стойкость зависит от склонности ВВ к физическим изменениям, вызванным различными причинами. Существенным недостатком аммиачно-селитренных взрывчатых смесей является их повышенная гигроскопичность и склонность к слеживанию. Аммиачная селитра хорошо растворяется в воде с удержанием воды в растворе, а не в кристаллах. Растворимость ее уменьшается при увеличении давления, что является одной из причин слеживаемости. Жидкая фаза в зоне контакта гранул становится пересыщенной, и возникаю новые кристаллы («мостики») связывающие их [1-4, 8-9]. На рис.1 представлен снимок образование кристаллической перемычки между гранулами селитры, сделанная компанией Holland Novochem B.V.

Рис. 1.1. Образование кристаллической перемычки между гранулами АС.

В области практического использования и хранения нитрат аммония претерпевает пять полиморфных переходов, сопровождающихся резкими изменениями объема [1, 5] (рис. 1.2. и табл. 1.1.). Кроме того, возможны переходы между отдельными фазами.

ОМ 0,6 Z 0,50 0,55 0,5Б

-50 0 50 100 150 Z00t°C Рис. 1.2. Зависимость удельного объёма нитрата аммония от температуры. м у/т

Влияние модификационных превращений на изменение удельного объема.

Переход Изменение объема, %

1->Ц 2,1 (уменьшение)

Н->Ш 1,3 (увеличение)

Ш-ЯУ 3,6 (уменьшение)

1У->У 2,9 (увеличение)

Скачкообразное изменение объема при полиморфных переходах приводит к нестабильности структуры (слеживание, разрыхление) и размеров (усадка, рост) зарядов на основе нитрата аммония, в связи, с чем ведутся поиски способов и добавок для расширения температурных границ устойчивости отдельных фаз и уменьшения скачкообразного изменения объема при переходах. Эта проблема особенно остра для стран с жарким климатом, где продукт может находиться при температуре 32 °С много дней и ночей.

В последние годы было предпринято много попыток по стабилизации модификационных переходов АС с помощью добавления различных стабилизаторов КГ, КЖ)3,