Пороховой взрывчатый состав и способ его изготовления

 

Изобретение относится к разработке пороховых взрывчатых составов, используемых в качестве скважинных зарядов в горном деле и строительстве. Изобретение направлено на повышение эффективности порохового взрывчатого состава за счет повышения водостойкости, чувствительности к детонационному импульсу, расширения сырьевой базы, снижения стоимости, расширения сферы применения, ассортимента и объема выпуска ВВ. Пороховой взрывчатый состав включает (в мас. %) пироксилиновый порох с флегматизирующими, или размедняющими, или пламегасящими, или гидрофобными, или противоэрозионными, или стабилизирующими, или порообразующими, или противоразгарными, или цветопламенными, или технологическими, или баллистическими добавками, или их смесью 87,5-96,5; воду 0,5-3,8; неорганический окислитель 1,5-19,0; масло минеральное или каменноугольное или смесь минеральных и каменноугольных масел. Способ изготовления: увлажнение пироксилинового пороха до равновесного насыщения водой, а затем увлажненный порох смешивают при температуре 20 ± 10^oC с неорганическим окислителем и маслом. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к взрывчатым составам (ВС) на основе пироксилиновых порохов для использования в качестве промышленных взрывчатых веществ.

Известны ВС, включающие пироксилиновые пороха (пат. России 2104260, 2026273, 2026276, 2086524, пат. США 3235425), которые по детонационным параметрам не уступают традиционным тротилсодержащим ВВ (граммонитам, гранулотолу). Они находят применение для отбойки сухих и обводненных горных пород любой крепости в интервале температур плюс-минус 50 С.

Известен пороховой взрывчатый состав (пат. России 2103248), включающий, мас.%: Жидкий нефтепродукт - 0,3-4,8 Вода - 2,0-10,0 Бездымный порох - 4,0-29,0 Аммиачная селитра - Остальное (68,7-89,2), принятый в качестве прототипа к заявленному пороховому ВС.

Недостатками состава-прототипа являются неводоустойчивость, а следовательно, ограниченность применения - только в сухих скважинах, низкая чувствительность к детонационному импульсу при использовании ряда пироксилиновых порохов, что не обеспечивает безотказности действия скважинного заряда, использование только измельченных порохов с размером частиц 0,01-2,95 мм, что повышает трудо- и энергозатраты на изготовление ВС.

Сложность проблемы использования пироксилиновых порохов в промышленных ВВ заключается в многообразии их марок, отличающихся компонентным составом, габаритно-массовыми характеристиками пороховых элементов (цилиндрическое и сферическое зерно, пластинка). В промышленных ВВ нашли применение пироксилиновые пороха, содержащие стабилизирующую добавку (пат. России NN 2026272, 2026273, 2026276, 2103248), смесь стабилизирующей, гидрофобной, пламягасящей добавок (пат. США N 3235425). Наличие добавок резко изменяет энергетические характеристики пироксилинового пороха: теплота взрыва изменяется от 550 до 980 ккал/кг, температура взрыва - от 2100 до 3200 К, кислородный баланс - от минус 14 до минус 55%, общее содержание газов - от 540 до 850 л/кг, содержание токсичных газов - от 120 до 320 л/кг; чувствительность к детонационному импульсу по критическому давлению возбуждения - от 5 до 12 ГПа. ВС на основе пироксилиновых порохов с низкой теплотой и температурой взрыва, низкой чувствительностью к детонационному импульсу не обеспечивают дробящего эффекта горной породы и безотказность работы скважинного заряда при штатном инициировании.

Пироксилиновые пороха в зависимости от назначения (ружейные, пистолетные, морские и т.д.) содержат или флегматизирующие (камфара, графит, динитротолуол и др.), или пламягасящие (канифоль, дибутилфталат, сульфат калия, тартрат калия и др.), или гидрофобные (фталаты, тротиловое масло и др.), или противоэрозионные (парафин, церезин и др.), или стабилизирующие (централит, дифениламин и др.), или противоразгарные (вазелин, церезин и др.), или порообразующие (нитрат калия), или размедняющие, или цветопламенные (судан желтый, метиленовый голубой др.), или технологические (этилацетат и др.), или баллистические (оксиды и соли металлов и др.) добавки, или их смеси; содержание добавок может достигать 49% мас. Ввод добавок приводит к снижению чувствительности пироксилинового пороха к детонационной волне, ухудшению воспламеняемости, т.к. они в основном являются инертными веществами, ослаблению межмолекулярных связей пироксилина, снижению прочности пороха за счет мельчайших пор на границе пироксилин - добавка.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности порохового ВС за счет повышения водостойкости, чувствительности к детонационному импульсу, расширения сырьевой базы, снижения стоимости, расширения сферы применения, ассортимента и объема выпуска водостойких гранулированных ВВ.

Поставленная цепь достигается разработкой сыпучего ВС, включающего пироксилиновый порох с пламягасящими, или противоразгарными, или флегматизирующими, или противоэрозионными, или стабилизирующими, или цветопламенными, или размедняющими, или гидрофобными, или технологическими, или порообразуюшими, или баллистическими добавками, или их смесью, воду, масло минеральное, или каменноугольное, или смесь минеральных и каменноугольных масел и неорганический окислитель при следующем соотношении компонентов, мас.%: Пироксилиновый порох с флегматизирующими, или пламягасящими, или гидрофобными, или противоэрозиониыми, или размедняющими, или стабилизирующими, или порообразующими, или противоразгарными, или цвето-пламенными, или технологическими, или баллистическими добавками, или их смесью - 87,5-96,5 Вода - 0,5-3,8 Неорганический окислитель - 1,5-19,0 Масло минеральное, или каменноугольное, или смесь минеральных и каменноугольных масел - 0,5-2,5,
причем пироксилиновый порох берется в виде цилиндрических бесканальных, одно-, многоканальных зерен диаметром 1-30 мм, длиной 0,8-20 мм, или в виде пластинок размером 0,8-1,2 х 1,3-1,9 мм с толщиной горящего свода 0,08-0,45 мм, или в виде сферических зерен, или измельченной трубки, или их смеси, в качестве неорганического окислителя выбираются нитраты аммония, или натрия, или кальция, или магния, или их смесь.

В промышленных ВВ используют пороха, утратившие свою служебную пригодность и часто хранящиеся на базах, расположенных в районах ведения взрывных работ. С целью снижения стоимости, сокращения грузоперевозок производство пороховых ВС осуществляют на предприятиях, ведущих взрывные работы. При этом целесообразно использовать сырье, в частности масла, выпускаемые близлежащими предприятиями. Экспериментально было установлено, что для изготовления заявляемого порохового взрывчатого состава кроме минеральных (нефтяных) масел, таких как приборное, соляровое, индустриальное, топочный мазут, дизельное топливо и др., можно без снижения качества ВВ использовать каменноугольные масла, представляющие собой вязкие жидкости, такие как поглотительное, антраценовое и др., а также смеси минеральных и каменноугольных масел в любом соотношении.

В заявляемом составе неорганический окислитель используется в качестве сенсибилизатора, а сенсибилизирующий эффект обеспечивается заявляемым способом изготовления порохового взрывчатого состава и выбранным соотношением компонентов.

Известно изготовление пороховых ВС путем загрузки в мешатель зерненого пироксилинового пороха, жидкого нефтепродукта, воды и перемешивания компонентов до получения однородного состава (оценивается визуально) - пат. России 2104260.

Предлагаемый способ изготовления порохового ВС заключается в следующем: сначала пироксилиновый порох увлажняется до равновесного насыщения водой, а затем увлажненный порох смешивается при температуре 20±10^oC с неорганическим окислителем и жидким нефтепродуктом (омасливается) или увлажненный порох омасливается при температуре 20±10^oC, а затем полученный однородный продукт смешивается с неорганическим окислителем до равномерного распределения сыпучих компонентов и равномерного смачивания их поверхности жидким нефтепродуктом.

Увлажнение пироксилинового пороха до равновесного насыщения водой осуществляется, например, путем его выдержки в негерметичной таре в течение определенного времени при различных температурно-влажностных условиях окружающей среды. В промышленных взрывчатых веществах, как правило, используется пироксилиновый порох, утративший свою служебную пригодность. При расснаряжении боеприпасов они укупориваются в негерметичную тару (мешки, ящики). При транспортировании и хранении в негерметичной таре в силу своей гигроскопичности они увлажняются до равновесной влажности, зависящей от относительной влажности и температуры воздуха, времени выдержки.

Экспериментально установлено, что в зависимости от температурно-влажностных условий, времени выдержки предельное содержание воды в пироксилиновом порохе при равновесном насыщении составляет от 0,5 до 3,8% мас., при этом отсутствует вода на наружной поверхности зерен. Для достижения содержания воды 0,5% мас. увлажнение пороха проводится при относительной влажности воздуха 60-65%, а для 3,8% мас. - 90%. Количество воды во ВС определяется условиями применения ВВ. При смешении увлажненного таким способом пироксилинового пороха с маслом и неорганическим окислителем вода не является флегматизатором заявляемого ВС. Часть неорганического окислителя, имеющего высокую растворимость в воде, поглощается, равномерно распределяется и удерживается в поровом объеме пироксилинового пороха на молекулярном уровне. Образующаяся масляная пленка жидкого нефтепродукта на поверхности зерен пироксилинового пороха и неорганического окислителя обеспечивает плотный контакт между порохом и окислителем, кроме того, масляная пленка прочно удерживает воду, сорбированную порохом из атмосферы воздуха.

При взрывчатом превращении под действием ударной волны промежуточного детонатора образуются очаги высоких локальных температур на границе сенсибилизатор-горючее, происходит схлопывание пор пороха и окислителя, что ведет к образованию дополнительных горячих точек, которые являются новыми очагами зарождения реакции химического превращения заявляемого ВС. Трение между частицами ВС, уплотнение порового объема пороха и неорганического окислителя, увеличение поверхности взаимодействия за счет разрушения зерен пороха под действием высоких скоростей деформации приводит к развитию локальных областей повышенной температуры, т.е. горячих точек, которые повышают чувствительность заявляемого ВС к ударно-волновому инициированию от промежуточного детонатора, что проявляется в снижении критического диаметра детонации, критического давления возбуждения, тем самым обеспечивается безотказность работы скважинного заряда.

Учитывая высокие трудо- и энергозатраты на измельчение пороха с целью снижения стоимости в предлагаемом пороховом ВС пироксилиновый порох берется в виде бесканального, одно-, многоканального цилиндрического зерна диаметром 1-30 мм, длиной 0,8-20 мм, или в виде пластинок размером 0,8-1,2 х 1,3-1,9 мм, с толщиной горящего свода 0,08-0,45 мм, или в виде сферического зерна, или их смесей, только трубчатый пироксилиновый порох измельчается до размера частиц 30 мм без отсева мелочи.

Безотказность работы скважинного заряда из заявляемого ВС, безопасность его изготовления, транспортирования, хранения и применения обеспечиваются соотношением компонентов и способом изготовления ВС. Заявляемый ВС и способ его изготовления позволяют использовать все марки пироксилиновых порохов с любыми вышеназванными добавками специального назначения без предварительного измельчения зерна и пластинки, с измельчением только трубки пироксилинового пороха до размера частиц 30 мм без отсева мелочи, что значительно снижает стоимость, трудо- и энергозатраты на изготовление, расширяет сырьевую базу производства и ассортимент ВС.

Заявляемый ВС используется для ведения взрывных работ в скважинах любой степени обводненности, т.к. пироксилиновые пороха относятся к числу водостойких продуктов. Содержащийся во ВС неорганический окислитель в обводненных скважинах растворяется, образуя суспензию и повышая плотность заряжания с 0,85-0,95 до 1,25-1,35 г/см³, при этом расход ВВ увеличивается незначительно, т. к. зерненый пироксилиновый порох не склонен к усадке. В связи с повышением плотности заряжания для обводненных скважин не требуется сужать сетку бурения.

Примеры заявляемого ВС и его основные характеристики в сравнении с прототипом приведены в таблице (см. в конце описания).

Как следует из таблицы, заявляемый ВС не уступает прототипу по энергетическим (теплоте взрыва) и детонационным (скорость и критический диаметр детонации) параметрам, а по работоспособности даже несколько превышает прототип. Заявляемый состав сохраняет сыпучесть в интервале температур от минус 50 до плюс 50^oC; в качестве транспортировочной тары используются многослойные бумажные мешки с полиэтиленовым мешком-вкладышем, как и для штатных маслосодержащих ВВ. Заявляемый состав не пылит при изготовлении и заряжании скважин, не слеживается, не смерзается и не увлажняется.

Изготовление ВС осуществлялось с использованием сырья соответствующих ГОСТ, ТУ, ОСТ в существующих смесителях для производства селитросодержащих ВВ. До начала изготовления ВС определялось содержание воды в пироксилиновом порохе в процессе его увлажнения за счет сорбации из атмосферы воздуха. Исходя из марок используемых порохов и содержания воды в них, проводился расчет компонентного состава (мас.% неорганического окислителя масла, пироксилинового пороха) из условий обеспечения сбалансированности химического состава ВВ по содержанию в нем окислителя и горючего (кислородный баланс, близкий к 0) и максимально-возможной теплоты взрыва.

Заряжение скважин производилось без осложнений, зависания ВС и перераспределения компонентов не наблюдалось.

Формула изобретения

1. Пороховой взрывчатый состав, включающий жидкий нефтепродукт, бездымный порох, воду и неорганический окислитель, отличающийся тем, что в качестве бездымного пороха он содержит пироксилиновый порох с флегматизирующими, или пламегасящими, или гидрофобными, или противоэрозионными, или размедняющими, или стабилизирующими, или технологическими, или баллистическими, или порообразующими, или противоразгарными, или цветопламенными добавками, или их смесью, в качестве жидкого нефтепродукта он содержит масло минеральное, или каменноугольное, или смесь минеральных и каменноугольных масел, а входящие компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:
Пироксилиновый порох с флегматизирующими, или пламегасящими, или гидрофобными, или противоэрозионными, или размедняющими, или стабилизирующими, или технологическими, или баллистическими, или порообразующими или противоразгарными, или цветопламенными добавками, или их смесью - 80,0 - 96,5
Вода - 0,5 - 3,8
Неорганический окислитель - 1,5 - 19,0
Масло минеральное, или каменноугольное, или смесь минеральных и каменноугольных масел - 0,5 - 2,5
2. Состав по п.1, отличающийся тем, что он содержит одну или несколько марок пироксилиновых порохов с одинаковыми или различными добавками специального назначения.

3. Состав по п.1, отличающийся тем, что он содержит пироксилиновый порох в виде цилиндрических бесканальных, одно-, многоканальных зерен диаметром 1 - 30 мм, длиной 0,8 - 20 мм, или в виде пластинок размером 0,8 - 1,2 · 1,3 - 1,9 мм с толщиной горящего свода 0,08 - 0,45 мм, или в виде сферических зерен, или измельченной трубки, или их смеси.

4. Состав по п.1, отличающийся тем, что в качестве неорганического окислителя содержит нитраты аммония, или натрия, или кальция, или магния, или их смесь.

5. Способ изготовления порохового взрывчатого состава, включающий смешение пироксилинового пороха с водой, жидким нефтепродуктом и неорганическим окислителем, отличающийся тем, что сначала проводят увлажнение пироксилинового пороха до равновесного насыщения водой, а затем увлажненный порох смешивают при 20 ± 10^oC с неорганическим окислителем и жидким нефтепродуктом.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что увлажненный пироксилиновый порох сначала омасливают при 20 ± 10^oC, а затем смешивают с неорганическим окислителем или сначала при 20 ± 10^oC смешивают с неорганическим окислителем, а затем омасливают.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4