Классификация взрывчатых веществ и их основные свойства

Казанский (Приволжский) Федеральный Университет

Геологический Факультет

Кафедра региональной геологии и полезных ископаемых

Реферат на тему:

 Классификация взрывчатых веществ и их основные свойства

Выполнил: студент 393 группы

Хабибуллина Э.

                                                                                Проверил: Сунгатуллин Р.Х.

Казань 2010 г.

Содержание

1. Классификация взрывчатых веществ

2. Взрыв и основные свойства взрывчатых веществ

3. Историческая справка

Литература

Классификация взрывчатых веществ. Имеется несколько признаков классификации взрывчатых веществ:

-по основным формам превращения,

-назначению

-и химическому составу.

В зависимости от характера превращения в условиях эксплуатации взрывчатые вещества подразделяют на метательные (или пороха) и бризантные. Первые используют в режиме горения, например, в огнестрельном оружии и ракетных двигателях, вторые — в режиме детонации, например, в боеприпасах и на взрывных работах. Бризантные взрывчатые вещества, применяемые в промышленности, называются Промышленными взрывчатыми веществами. Обычно к собственно взрывчатым относят только бризантные взрывчатые вещества. В химическом отношении перечисленные классы могут комплектоваться одними и теми же соединениями и веществами, но по-разному обработанными или взятыми при смешении в разном соотношении.

По восприимчивости к внешним воздействиям бризантные взрывчатые вещества подразделяют на первичные и вторичные. К первичным относят взрывчатые вещества, способные взрываться в небольшой массе при поджигании (быстрый переход горения в детонацию). Они также значительно более чувствительны к механическим воздействиям, чем вторичные. Детонацию вторичных взрывчатых веществ легче всего вызвать (инициировать) ударно-волновым воздействием, причём давление в инициирующей ударной волне должно быть порядка несколько тысяч или десятков тысяч МПа. Практически это осуществляют с помощью небольших масс первичных взрывчатых веществ, помещённых в капсюль-детонатор, детонация в которых возбуждается от луча огня и контактно передаётся вторичному взрывчатому веществу. Поэтому первичные взрывчатые вещества называются также инициирующими. Другие виды внешнего воздействия (поджигание, искра, удар, трение) лишь в особых и труднорегулируемых условиях приводят к детонации вторичных взрывчатых веществ. По этой причине широкое и целенаправленное использование бризантных взрывчатых веществ в режиме детонации в гражданской и военной взрывной технике было начато лишь после изобретения капсюля-детонатора как средства инициирования детонации во вторичных взрывчатых веществах.

По химическому составу взрывчатые вещества подразделяют на индивидуальные соединения и взрывчатые смеси. В первых химические превращения при взрыве происходят в форме реакции мономолекулярного распада. Конечные продукты — устойчивые газообразные соединения, такие, как азот, окись и двуокись углерода, пары воды.

Во взрывчатых смесях процесс превращения состоит из двух стадий: распада или газификации компонентов смеси и взаимодействия продуктов распада (газификации) между собой или с частицами неразлагающихся веществ (например, металлов). Наиболее распространённые вторичные индивидуальные взрывчатые вещества относятся к азотсодержащим ароматическим, алифатическим гетероциклическим органическим соединениям, в том числе нитросоединениям (тротил, тетрил, нитрометан), нитроаминам (гексоген, октоген), нитроэфирам (нитроглицерин, нитрогликоли, нитроклетчатка, тэн). Из неорганических соединений слабыми взрывчатыми свойствами обладает, например, аммиачная селитра.

Многообразие взрывчатых смесей может быть сведено к двум основным типам: состоящие из окислителей и горючих, и смеси, в которой сочетание компонентов определяет эксплуатационные или технологические качества смеси. Смеси окислитель — горючее рассчитаны на то, что значительная часть тепловой энергии выделяется при взрыве в результате вторичных реакций окисления. В качестве компонентов этих смесей могут быть как взрывчатые, так и невзрывчатые соединения. Окислители, как правило, при разложении выделяют свободный кислород, который необходим для окисления (с выделением тепла) горючих веществ или продуктов их разложения (газификации). В некоторых смесях (например, содержащиеся в качестве горючего металлические порошки) в качестве окислителей могут быть также использованы вещества, выделяющие не кислород, а кислородсодержащие соединения (пары воды, углекислый газ). Эти газы реагируют с металлами с выделением тепла. Пример такой смеси — алюмотол.

В качестве горючих применяют различного рода природные и синтетические органические вещества, которые при взрыве выделяют продукты неполного окисления (окись углерода) или горючие газы (водород, метан) и твёрдые вещества (сажу). Наиболее распространённым видом бризантных взрывчатых смесей первого типа являются взрывчатые вещества, содержащие в качестве окислителя нитрат аммония. В зависимости от вида горючего они, в свою очередь, подразделяются на аммониты, аммотолы и аммоналы. Менее распространены хлоратные и перхлоратные взрывчатые вещества, в состав которых в качестве окислителей входят хлорат калия и перхлорат аммония, оксиликвиты — смеси жидкого кислорода с пористым органическим поглотителем, смеси на основе других жидких окислителей. К взрывчатым смесям второго типа относятся смеси индивидуальных взрывчатых веществ, например динамиты; смеси тротила с гексогеном или тэном (пентолит), наиболее пригодные для изготовления шашек-детонаторов.

В смеси обоих типов, кроме указанных компонентов, в зависимости от назначения взрывчатых веществ могут вводиться и другие вещества для придания взрывчатому веществу каких-либо эксплуатационных свойств, например, сенсибилизаторы, повышающие восприимчивость к средствам инициирования, или, напротив, флегматизаторы, снижающие чувствительность к внешним воздействиям; гидрофобные добавки — для придания взрывчатому веществу водостойкости; пластификаторы, соли-пламегасители — для придания предохранительных свойств (см. Предохранительные взрывчатые вещества). Основные эксплуатационные характеристики взрывчатых веществ (детонационные и энергетические характеристики и физико-химические свойства взрывчатых веществ) зависят от рецептурного состава взрывчатых веществ и технологии изготовления.

Детонационная характеристика взрывчатых веществ включает детонационную способность и восприимчивость к детонационному импульсу. От них зависят безотказность и надёжность взрывания. Для каждого взрывчатого вещества при данной плотности имеется такой критический диаметр заряда, при котором детонация устойчиво распространяется по всей длине заряда. Мерой восприимчивости взрывчатых веществ к детонационному импульсу служат критическое давление инициирующей волны и время его действия, т.е. величина минимального инициирующего импульса. Её часто выражают в единицах массы какого-либо инициирующего взрывчатого вещества или вторичного взрывчатого вещества с известными параметрами детонации. Детонация возбуждается не только при контактном подрыве инициирующего заряда. Она может передаваться и через инертные среды. Это имеет большое значение для шпуровых зарядов, состоящих из нескольких патронов, между которыми возникают перемычки из инертных материалов. Поэтому для патронированных взрывчатых веществ проверяется показатель передачи детонации на расстояние через различные среды (обычно через воздух).

Энергетические характеристики взрывчатых веществ. Способность взрывчатых веществ при взрыве производить механическую работу определяется запасом энергии, высвобождаемой в виде тепла при взрывчатом превращении. Численно эта величина равна разности между теплотой образования продуктов взрыва и теплотой образования (энтальпией) самого взрывчатого вещества. Поэтому коэффициент преобразования тепловой энергии в работу у металлсодержащих и предохранительных взрывчатых веществ, образующих при взрыве твёрдые продукты (окислы металлов, соли-пламегасители) с высокой теплоёмкостью, ниже, чем у взрывчатых веществ, образующих только газообразные продукты. О способности взрывчатых веществ к местному дробящему или бризантному действию взрыва см. в ст. Бризантность взрывчатых веществ.

Изменение свойств взрывчатых веществ может происходить в результате физико-химических процессов, влияния температуры, влажности, под воздействием нестойких примесей в составе взрывчатых веществ и др. В зависимости от вида укупорки устанавливают гарантийный срок хранения или использования взрывчатых веществ, в течение которого нормированные показатели взрывчатых веществ либо не должны изменяться, либо их изменение происходит в пределах установленного допуска.

Основной показатель безопасности в обращении с взрывчатыми веществами — их чувствительность к механическим и тепловым воздействиям. Она обычно оценивается экспериментально в лабораторных условиях по специальным методикам. В связи с массовым внедрением механизированных способов перемещения больших масс сыпучих взрывчатых веществ к ним предъявляются требования минимальной электризации и низкой чувствительности к разряду статического электричества.

ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА — химические соединения или смеси веществ, способные в определённых условиях к крайне быстрому (взрывному) самораспространяющемуся химическому превращению с выделением тепла и образованием газообразных продуктов.

Взрывчатыми могут быть вещества или смеси любого агрегатного состояния. Широкое применение в горном деле получили так называемые конденсированные взрывчатые вещества, которые характеризуются высокой объёмной концентрацией тепловой энергии. В отличие от обычных топлив, требующих для своего горения поступления извне газообразного кислорода, такие взрывчатые вещества выделяют тепло в результате внутримолекулярных процессов распада или реакций взаимодействия между составными частями смеси, продуктами их разложения или газификации. Специфический характер выделения тепловой энергии и преобразования её в кинетическую энергию продуктов взрыва и энергию ударной волны определяет основную область применения взрывчатых веществ как средства дробления и разрушения твёрдых сред (главным образом горных пород) и сооружений и перемещения раздробленной массы (см. Взрывная технология).

В зависимости от характера внешнего воздействия химические превращения взрывчатых веществ происходят: при нагреве ниже температуры самовоспламенения (вспышки) — сравнительно медленное термическое разложение; при поджигании — горение с перемещением зоны реакции (пламени) по веществу с постоянной скоростью порядка 0,1-10 см/с; при ударно-волновом воздействии — детонация взрывчатых веществ.

Взрыв – это очень быстрое выделение большого количества энергии и большого объема газов. Химические взрывчатые вещества, способные вызывать взрыв, содержат в скрытой потенциальной форме энергию на молекулярном уровне. При взрыве происходит химическое преобразование взрывчатых веществ в раскаленные газы, имеющие очень высокое давление. При расширении газы интенсивно охлаждаются, их давление резко падает, и энергия передается окружающей среде с очень большим коэффициентом полезного действия. Газы действуют на окружающую среду с такой силой, что эта среда начинает сжиматься и перемещаться.

Взрывы вызываются не только быстрым превращением химических веществ, они могут быть атомными, электрическими,  перегретых паровых котлов, газовых баллонов и т.д.  В каждом случае быстро высвобождается большое количество энергии и совершается работа в окружающей среде.

По характеру и скорости распространения взрывные процессы разделяют на горение, взрыв и детонацию.

Горение – протекает со скоростью от миллиметров до сотен метров в секунду, при этом скорость зависит от внешнего давления (пороха). В замкнутом пространстве при быстром нарастании давления и увеличением скорости горения способны выполнять работу метания (фугасное действие). Горение передается за счет теплопроводности, конвекции и излучения.

Взрывом (взрывным превращением вещества) называют распространяющееся со скоростью в тысячи метров в секунду химическое превращение вещества с выделением большого количества тепловой энергии и сильно сжатых газов. Взрыв распространяется путем сжатия вещества ударной волной. Резкий удар газов вызывает деформации и дробление окружающей среды и предметов вблизи взрыва (бризантное действие).

Детонация – взрыв, распространяющийся с максимально возможной для данного вещества и условий скоростью. Определяющее значение имеет волна детонации, распространяющаяся через заряд.  Реакция взрывного разложения происходит в зоне, непосредственно примыкающей к фронту детонационной волны. Реакция взрыва протекает в небольшом слое ВВ сразу за фронтом волны и при этом температура, и давление резко скачкообразно повышаются.

Скорость детонации определяется энергией и плотностью ВВ и мало зависит от внешнего давления.

Ударная волна – область сжатия среды с резким скачком давления, плотности и температуры на переднем фронте, перемещающейся со сверхзвуковой скоростью.

Детонационная волна – это ударная волна, проходящая по взрывчатому веществу, сопровождаемая быстрой химической реакцией.

Удельная теплота взрыва – количество теплоты, которое выделяется при взрыве 1 кг ВВ, измеряется в МДж/кг.

Температура взрыва – максимальна температура, которой достигают газообразные продукты взрыва (2000 - 40000 С).

Чувствительность ВВ - способность загораться или взрываться под воздействием внешнего начального импульса механического, теплового или взрыва другого ВВ. Чувствительность определяется величиной начального импульса, необходимого для возбуждения взрывного превращения.

Чувствительность ВВ определяется по величине вероятности, с которой происходит взрыв при соответствующем уровне воздействия. Например, по силе удара груза фиксированной массы (10 кг), падающего с определенной высоты (0,25 м). Различают безопасное воздействие – максимальное, при котором взрывы не происходят, и безотказный уровень воздействия – минимальный, при котором происходит 100% взрывов.

Чувствительность ВВ к начальному механическому импульсу может быть понижена введением в состав веществ, называемых флегматизаторами или повышена с добавкой веществ - сенсебилизаторов.

Стойкость ВВ – это способность сохранять свои физические, химические и взрывные свойства в течение длительного времени. Физическая стойкость ВВ связана с процессами испарения компонентов, выделения жидких составляющих (эксудацией), слеживанием, рекристаллизацией, повышением влажности и др. При этом ВВ теряют свои основные качества и становятся опасными при обращении. Химическая стойкость связана с процессами медленного разложения и зависит от химической природы компонентов и  условий хранения.

На свойства ВВ большое влияние оказывает плотность – отношение массы вещества к его объему. Различают действительную (истинную) плотность самого вещества ВВ (изменяется в пределах 1,55 – 1,95 г/см3), гравиметрическую (насыпную) плотность, включая воздушные промежутки (0,5 – 1,0 г/см3), плотность прессования (1,3 – 1,7 г/см3) и плотность заряжания – отношение массы ВВ к объему каморы, занимаемой зарядом.

Взрывчатые вещества, применяемы при ПВР можно  условно разделить на пороха, инициирующие и бризантные.

Пороха применяются для метания пуль перфораторов, бойков грунтоносов, создания давления во взрывных пакерах и в генераторах (аккумуляторах) при термогазохимическом воздействии на продуктивные пласты-коллектора.

Дымный порох (ДРП)– механическая смесь угля, селитры и серы черного цвета. Физически и химически стоек. Чувствителен к трению, удару и огню, легко впитывает влагу и при влажности более 2% трудно воспламеним.

Таблица 1.4

Свойства порохов

Бездымный порох в основе своей содержит нитроклетчатку или нитроглицерин, выпускается  в разных формах: зерна, таблетки, пластины, трубки и др. При ПВР применяют пироксилиновый порох (ПП), баллиститный (НБпл), термостойкий. Химическая стойкость невысокая, при разложении выделяют токсичные газы и становятся опасными в обращении.

Энергетические (баллистические) характеристики порохов

Удельная теплота сгорания – количество тепла, выделяющегося при сгорании 1 кг пороха в постоянном объеме, измеряется в а мегаджоулях на килограмм (МДж/кг).

Температура горения в замкнутом объеме, определяемая теплотой сгорания.

Удельный объем газообразных продуктов горения – объем газов, образующихся при сгорании 1 кг пороха, при температуре 0о и атмосферном давлении. Измеряется в литрах на килограмм (л/кг).

Сила пороха – работа расширения продуктов сгорания 1 кг пороха, нагреваемых при атмосферном давлении от 0 до температуры горения. Измеряется МДж/кг

Инициирующие (первичные) взрывчатые вещества легко взрываются в форме детонации при незначительных механических или тепловых воздействиях и способны вызвать детонацию бризантных ВВ

Гремучая ртуть – чувствительна к лучу  огня и слабым механическим воздействиям (удар, трение, накол), ядовита, при высокой влажности теряет свойства детонировать. Используется в детонаторах.

Азид свинца - менее чувствителен к механическим воздействиям и лучу огня и имеет более низкую инициирующую способность, чем у гремучей ртути. Не снижает свойств, при увлажнении. Используется в детонаторах.

Тринитрорезорцинат свинца (ТНРС) – чувствительный к пламени и при воспламенении дает мощный луч огня. Инициирующая способность и чувствительность к удару ниже, чему азида свинца. Малогигроскопичен. Используют для повышения воспламеняемости инициирующих составов.

Тетразен – по механической чувствительности близок к гремучей ртути, но не обладает достаточной инициирующей способности для детонации вторичных ВВ. Применяется в качестве примеси к азиду свинца и ТНРС для повышения чувствительности к наколу.

Бризантные взрывчатые вещества при высокой мощности взрыва обладают более высокой устойчивостью к внешним воздействиям, их детонацию вызывают с помощью инициирующих ВВ. Бризантные ВВ используют  для изготовления кумулятивных и фугасных зарядов  для перфораторов и торпед, детонирующих шнуров, вторичных зарядов детонаторов и взрывных патронов. К бризантным ВВ относят тротил, тетрил, гексоген, октоген, ТЭН, а также термостойкие ВВ: ГНДС, НТФА, ТНБ и др.

Таблица 1.5

Свойства инициирующих взрывчатых веществ

Тротил (тринитротолуол, тол) – вещество желтого цвета в виде чешуек, гранул или шашек. К механическим воздействиям малочувствителен, на открытом воздухе в малых количествах сгорает без взрыва. Прессованный тротил детонирует от капсуля-детонатора, а для литого тротила требуется более мощный детонатор. Используют для снаряжения торпед.

Тетрил – бледно-желтое мелкокристаллическое вещество. Не гигроскопичен, сильно ядовит. Более чувствителен, чем тротил, к огню и механическому воздействию.

Гексоген – белое кристаллическое, токсичное, химически стойкое вещество, более мощное ВВ, чем тротил. Чувствительность к механическим воздействиям и детонации также выше, чем у тротила. Чистый гексоген используют для снаряжения детонаторов и детонирующих шнуров, а флегматизированный для кумулятивных и фугасных зарядов. Термостойкость гексогена составляет 160 оС при выдержке 2 часа и 130 оС пи выдержке 2 суток.

Октоген – отличается от гексогена более высокими чувствительностью, термостойкостью и температурой плавления. Применяется там же, где и гексоген, но в скважинах с высокой температурой. Термостойкость октогена составляет 190 оС при выдержке 2 часа и 160 оС при выдержке суток.

ТЭН – высокобризантное белое кристаллическое ВВ, химически стойкое, не гигроскопичное, очень чувствительное к механическим воздействиям, имеет низкую термостойкость. Используется в детонирующих шнурах и промежуточных детонаторах.

При перфорации в кумулятивных зарядах в сверхглубоких скважинах используются также менее мощные и более дорогие ГНС с термостойкостью 260 оС при выдержке 2 часа и 230 оС при выдержке 2 суток и пирин, соответственно 290 оС и 260 оС.

Таблица 1.6

Свойства бризантных взрывчатых веществ

Работоспособность (фугасность) ВВ – способность раскаленных газообразных продуктов при расширении производить работу, которая зависит от потенциальной энергии ВВ и возрастает с увеличением теплоты взрыва, удельного объема и теплоемкости газообразных продуктов. Мерой относительной работоспособности ВВ служит увеличение объема полости в свинцовой бомбе в см3 при взрыве в ней 10 г ВВ.

Бризантность ВВ- способность при взрыве дробить, измельчать или пробивать соприкасающуюся с ним среду в результате резкого удара продуктов детонации. Бризантность проявляется в непосредственной близости до 2-2.5 радиусов заряда. Бризантность определяется давлением продуктов детонации, пропорциональна плотности ВВ и квадрату скорости детонации. Мерой относительной бризантности ВВ служит величина обжатия в мм свинцового столбика диаметром 40 и высотой 60 м

Историческая справка. Первым из взрывчатых веществ был изобретенный в Китае (7 в.) чёрный (дымный) порох. В Европе он известен с 13 в. С 14 в. порох применяли в качестве метательного средства в огнестрельном оружии. В 17 в. (впервые на одном из рудников Словакии) порох использовали на взрывных работах в горном деле, а также для снаряжения артиллерийских гранат (разрывных ядер). Взрывчатое превращение чёрного пороха возбуждалось поджиганием в режиме взрывного горения. В 1884 французским инженером П. Вьелем был предложен бездымный порох. В 18-19 вв. был синтезирован ряд химических соединений, обладающих взрывчатыми свойствами, в том числе пикриновая кислота, пироксилин, нитроглицерин, тротил и др., однако их использование в качестве бризантных детонирующих взрывчатых веществ стало возможным только после открытия русским инженером Д. И. Андриевским (1865) и шведским изобретателем А. Нобелем (1867) гремучертутного запала (капсюля-детонатора). До этого в России по предложению Н. Н. Зинина и В. Ф. Петрушевского (1854) нитроглицерин использовался при подрывах взамен чёрного пороха в режиме взрывного горения. Сама гремучая ртуть была получена ещё в конце 17 в. и повторно английским химиком Э. Хоуардом в 1799, но способность её детонировать тогда не была известна. После открытия явления детонации бризантные взрывчатые вещества получили широкое применение в горном и военном деле. Среди промышленных взрывчатых веществ первоначально по патентам А. Нобеля наибольшее распространение получили гурдинамиты, затем пластичные динамиты, порошкообразные нитроглицериновые смесевые взрывчатые вещества. Аммиачно-селитренные взрывчатые вещества были запатентованы ещё в 1867 И. Норбином и И. Ольсеном (Швеция), но их практическое использование в качестве промышленных взрывчатых веществ и для снаряжения боеприпасов началось лишь в годы 1-й мировой войны 1914-18. Более безопасные и экономичные, чем динамиты, они в 30-х годах 20 века начали всё в больших масштабах применяться в промышленности.