Экспериментальное и численное исследование параметров детонации эмульсионных взрывчатых веществ с микробаллонами из стекла тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат наук Рафейчик, Сергей Игоревич

• Рафейчик, Сергей Игоревич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Рафейчик, Сергей Игоревич

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение

Формулировка задачи 5 Глава 1. Детонационные параметры эмульсионных взрывчатых

7

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 29 Глава 2. Численный анализ параметров детонации ЭмВВ

2.1 Постановка задачи и численный код ЭГИДА-2Э

2.2 Уравнение состояния и модель кинетики

2.3 Результаты одномерных расчетов

2.4 Выводы к главе 2 44 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 59 Заключение 60 Благодарности 63 Список литературы 64 Список работ по теме диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное и численное исследование параметров детонации эмульсионных взрывчатых веществ с микробаллонами из стекла»

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 [И]. 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 £>(/?0) [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 = 0,5-5-1,33 г/см3, скоростей Б = 2 + 6 км/с и давления детонации ри « 7-г 120 кбар. Дано

правильное объяснение причины немонотонной зависимости £>(уо0) в заряде ЭмВВ

конечного диаметра [19]. Экспериментально указано на возможность существования режима «низкоскоростной» детонации для эмульсии с малым содержанием сенсибилизатора [20],

когда реализуется частичное разложение эмульсии в продукты взрыва в окрестности пор. Определены профили давления и массовой скорости в зоне химической реакции и время реакции /д«0,5-г4 мкс [21], показатель политропы продуктов взрыва в «ближней зоне»

разлета [22], ударная адиабата чистой эмульсии [23]. Отмечено различие в ходе зависимостей ширины зоны реакции и критического диаметра от плотности для ЭмВВ с высокой пористостью. Измерена температура детонационного фронта для эмульсионного ВВ [24]. Определена скорость детонации эмульсионных ВВ в акустически жестких стальных оболочках и показано существенное уменьшение критического диаметра до значений ¿/сг(р0) >1,7 мм, йсг «ак, где ая - ширина зоны реакции. Разработанные эмульсионные

композиции использованы для решения задач по обработке металлов взрывом: для плакирования металлов тонкими фольгами и пластинками, соединения стержней строительной арматуры, сварки трубок с трубными досками и восстановления изношенной резьбы в отверстиях малого размера.

Автор настоящей работы, начиная с 2007 г., принимал непосредственное участие в большинстве указанных работ. Часть результатов получена самостоятельно, и они составили основу диссертации.

Формулировка задачи

I

Общая особенность отмеченных выше работ - исследование эмульсионных ВВ плотностью р0 =1-5-1,25 г/см3 с относительно высокой скоростью детонации В = 4-г 6 км/с. Это обусловлено применением ЭмВВ в горной промышленности, так как для разрушения горных пород необходимы относительно мощные ВВ. В то же время для сварки металлов взрывом необходимы композиции со скоростью 2-т-З км/с [25]. Подобные низкоскоростные ЭмВВ практически исследованы не были. Известно было только то, что плотность эмульсионного ВВ и скорость детонации можно существенно понизить, увеличивая количество высокопористого сенсибилизатора - микробаллонов из стекла [4]. Но не было ясного ответа на ряд вопросов: до каких пределов возможно уменьшение скорости детонации, каковы предельные детонационные характеристики — скорость детонации и критический диаметр или толщина подобных композиций, достаточна ли их мощность для практических приложений.

Таким образом, задача настоящей работы состояла в разработке и исследовании низкоскоростных эмульсионных ВВ со скоростью детонации менее 4-х км/с, и в демонстрации их возможностей при сварке взрывом в постановках, реализация которых затруднена при использовании насыпных аммиачно-селитренных ВВ. В качестве

физического сенсибилизатора было рекомендовано использовать отечественные полые микросферы из стекла.

В главе 1 диссертации приведены экспериментальные результаты по измерению детонационных характеристик ЭмВВ при изменении плотности композиций в широких пределах от 0,5 до 1,33 г/см3 и давления детонации от 7 до 120 кбар. Реализована детонация ЭмВВ с очень низкими параметрами р0 =0,5 г/см3, £) «2,0 км/с, ра «7 кбар. Установлена зависимость критического диаметра ЭмВВ от плотности и материала оболочки: «легкая» оболочка из пластика и «тяжелая» стальная оболочка. Определен показатель политропы продуктов взрыва для ЭмВВ различной плотности и ударная адиабата чистой эмульсии (без сенсибилизатора) в диапазоне давлений, перекрывающем расчетное давление детонации.

В главе 2 рассматривается феноменологическая модель макрокинетики разложения ЭмВВ, разработанная автором, в которой учитывается переменная доля сенсибилизатора. Приведены результаты численного моделирования детонации ЭмВВ в одномерном случае: скорости детонации £>(р0), показателя политропы продуктов взрыва &(р0), времени реакции /я(р0), профиля давления и степени разложения эмульсии за фронтом детонационной волны при плотности ВВ р0 = 0,5-И,41 г/см3. Расчетные результаты близки к экспериментальным данным.

В главе 3 приведены результаты применения низкоскоростных ЭмВВ для решения двух задач по обработке металлов взрывом: взрывное плакирование металлов тонкими фольгами толщиной до 0,2 мм и восстановление изношенной резьбы в «глухом» отверстии малого размера методом сварки взрывом. При реализации «деликатных» режимов сварки взрывом в обоих случаях использовались заряды ЭмВВ небольшой массы.

В заключении сформулированы основные результаты работы и наиболее важные выводы.

Глава 1. Детонационные параметры эмульсионных ВВ с микробаллонами из стекла

Традиционные ЭмВВ состоят из двух основных компонентов: эмульсионной матрицы и пористого сенсибилизатора [1, 2]. Композиции, в которых в качестве сенсибилизатора используются мелкодисперсные гексоген или октоген в количестве не менее 10 %, не рассматриваются. В данной работе в качестве сенсибилизатора используются полые микросферы из стекла, которые взрывчатым материалом не являются и необходимы для повышения чувствительности эмульсии к ударному инициированию. Наличие поры в матрице приводит к локальному разогреву материала эмульсии при прохождении ударной волны и появлению так называемых «горячих точек». Механизмы формирования «горячей точки» различны, от адиабатического сжатия микропузырька газа до вязкого разогрева материала матрицы при затекании в пору за счет вязкого внутреннего трения или формирования из-за несимметричного подхода ударной волны к поре кумулятивной микроструи, ударяющей по противоположной стенке поры [16]. В результате температура и давление в окрестности микросферы значительно повышаются. При повышении количества локальных точек инициирования выделение энергии за счет экзотермической реакции становится достаточным для поддержания стационарного детонационного процесса в зарядах ЭмВВ ограниченного размера. ' '

Использовалась многокомпонентная высокодисперсная эмульсионная матрица с размером частиц окислителя менее 1-2 мкм (см. ниже). Эмульгатор необходим для снижения коэффициента поверхностного натяжения и свободной энергии на границе масла и воды, и, таким образом, для повышения термодинамической устойчивости эмульсии. За счет интенсивного перемешивания при высокой температуре приготавливается эмульсия типа «вода в масле»: в матрице из масляной фазы заключены мельчайшие капельки водного раствора окислителя. При этом массовая доля горючего составляет всего « 6 %, а остальные 94 % приходятся на водный раствор окислителя.

Теоретически чистая эмульсия (без сенсибилизатора) способна к экзотермическому превращению в виде детонационной волны, но экспериментально возможность детонации эмульсионной матрицы без сенсибилизатора не доказана при диаметре заряда до 400 мм [6]. Скорость детонации чистой эмульсии оценивается в 6,4-7,2 км/с [4]. Оценки температуры ударного разогрева при скорости УВ »6 км/с дают значения порядка 900-И ООО К [7], что указывает на значительную длительность времени реакции. Оценка времени реакции при детонации чистой эмульсии, полученная экстраполяцией экспериментальных данных ЭмВВ с низким содержанием микросфер из [21], приводит к значениям ^ = 6 + 7 мкс.

1.1. Характеристики эмульсии и сенсибилизатора

Состав используемой АС/НС эмульсии следующий (в весовых процентах): Аммиачная Селитра 68,25 %, Натриевая Селитра 10,55 %, вода 15,2 %, твердый парафин 2 %, эмульгатор сорбитан моноолеат 4 % (в смеси 50/50 с индустриальным маслом И-40). Специально выбраны смесевой окислитель и увеличенное количество эмульгатора (по сравнению с композициями, используемыми в промышленности, обычно ~ 1 %) для получения более высокой дисперсности матрицы [1] и уменьшения критического диаметра ЭмВВ [8]. Кислородный баланс (КБ) эмульсии рассчитан по приближенному уравнению для расчета КБ сложных веществ: H = vlh]+v2h2+... + vnhn, где v, - массовая доля i

компоненты в составе вещества, /г, - КБ i компоненты. Кислородный баланс эмульсии, рассчитанный по данным табл. 5.1 из [1, стр. 162], близок к нулю.

Рис. 1. Микрофотография эмульсии, полученная при помощи оптического микроскопа №ор1ю1-2. Между масштабными метками 12 мкм.

Для приготовления эмульсии на водяной бане при температуре « 95 °С при помощи высокооборотной мешалки смешивались окислитель - водный раствор аммиачной и натриевой селитр, и горючее - смесь парафина, эмульгатора и масла. В результате образовывалась эмульсия типа "вода в масле" плотностью ре =1,41 ±0,01 г/см3, в которой микрокапельки окислителя размером около 1-^2 мкм окружены тонкой прослойкой из горючего (рис. 1). Окислитель и горючее находятся в тесном контакте, что определяет высокую детонационную способность (малые значения критического диаметра и давления инициирования) ЭмВВ на основе такой эмульсии. Повышение дисперсности эмульсии приводит к уменьшению (в 2-5 раз) критического диаметра ЭмВВ [8], что важно с учетом возможных приложений.

Рис. 2. Распределение относительного объема микросфер МС-В по размерам (оптический

анализ) и их вид под микроскопом.

В качестве сенсибилизатора использовались отечественные полые стеклянные микросферы марки МС-В (производитель ОАО «НПО Стеклопластик», Московская область). Их насыпная плотность равна ртЬ = 0,14 -г 0,15 г/см . Доля микросфер ß, добавляемых в

эмульсию, изменялась от 5 до 50 весовых процентов (сверх массы эмульсии). Контроль количества добавки по весу является более точным, поскольку контроль по объему трудно воспроизводим из-за неконтролируемой утряски микросфер в объеме. Распределение микросфер по размеру определялось по оптическим фотографиям на выборке около 1000

микросфер. Размер микробаллонов изменялся от 20 до 120 мкм при среднем размере d = 58 мкм (рис. 2).

1.2. Детонационные параметры эмульсионных ВВ

Некоторые параметры детонации ЭмВВ определялись ранее в работах [3-8]. В [4] измерялась скорость детонации Б в постановке клин-теста, а также критическая толщина Дсг ЭмВВ с различным содержанием стеклянных микросфер при начальной плотности

р0 = 0,67 -г1,19 г/см . Там же с помощью численного моделирования получены оценки температуры ЭмВВ в зоне реакции. Было отмечено выполаживание профилей Л(Д) при уменьшении плотности и определена немонотонная зависимость Дсг(р0), сделано предположение о возможном уменьшении ширины зоны реакции а1{ с уменьшением плотности. В [9] с помощью набора тестов с цилиндрическими и плоскими зарядами

определялись значения D(d, А), dcr и Асг. Установлено, что отношение dcr / Асг =2+4, т. е.

близко к значению 2, полученному в теории кривого фронта [26].

В настоящей работе определялись детонационные характеристики ЭмВВ, такие как скорость и давление детонации D(p0, d), PcjiPo), критический диаметр dcr(p0), показатель политропы продуктов взрыва &(р0) в широком диапазоне плотностей ВВ р0 = 0,5-И,33

г/см . Экспериментально проверялось предположение о том, что возможно значительное изменение детонационных характеристик ЭмВВ при изменении его начальной плотности (или доли сенсибилизатора). Проводились эксперименты с зарядами как в акустически менее жестких оболочках из ПВХ, бумаги или полиэтилена, так и в акустически более жестких оболочках из стали, дюралюминия, тефлона. Под акустической жесткостью понимается величина рс1са оболочки, сравниваемая с р0сЕХ ЭмВВ, где са - объемная скорость звука в

оболочке, Сж - скорость звука в исходном ЭмВВ. Заключение ЭмВВ в жесткую оболочку

представляет особый интерес для области низких начальных плотностей ВВ р0 =0,5-7-1

Л

г/см , т. к. в этой области наблюдается аномальное расхождение в поведении зависимостей ¿ЛPo) и aÄ(p0).

Такие данные могут использоваться для тестирования аналитического или численного описания детонации ЭмВВ, а также имеют значение для их применения в приложениях. Например, в задачах сварки металлов взрывом представляют интерес ВВ со скоростью детонации 2+3,5 км/с, различной начальной плотностью и различными метательными характеристиками продуктов взрыва. Пути разработки эмульсионных ВВ с низкой плотностью и скоростью детонации приведены в [27, 28]. Результаты применения низкоскоростных ЭмВВ для решения некоторых задач сварки взрывом рассмотрены в [29, 30].

1.2.1. Скорость детонации и критический диаметр

В данном разделе приводятся результаты определения детонационных характеристик ЭмВВ в тонких оболочках из винипласта, бумаги или полипропилена с низкими значениями рс1сс1. Исследовалось влияние концентрации микросфер на параметры детонации ЭмВВ при повышении их массовой доли ц = 1 + 50% (объемная доля <р = 0,06+ 0,75). Скорость детонации измерялась в зарядах длиной (10+30) -d при помощи 4 контактных датчиков, расположенных в конце заряда, с расстоянием между датчиками 10+30 мм. Это позволяет контролировать стационарность процесса. В качестве инициатора во всех опытах использовалось КД- чувствительные ЭмВВ с 5 %, 8 % или 20 % МС-В, наиболее подходящие

по плотности и критическому диаметру. Данные по скорости приведены на рис. 3. Кривые -аппроксимация формулой Эйринга 1)(р0) = Д(р0)(1-Л(р0)/с7) [31] с двумя параметрами: А(Ро) ~ «идеальная» скорость детонации при бесконечном диаметре заряда, А(р0) -коэффициент, пропорциональный ширине зоны реакции.

Рис. 3. Зависимость скорости детонации от диаметра заряда d для ЭмВВ с различным

содержанием микросфер.

Можно отметить характерные особенности в зависимостях D{d) для ЭмВВ с низким (ц < 5 %) и высоким (ц > 20 %) содержанием микросфер. Для ЭмВВ с ¡а = 1 %, 2 % скорость детонации резко растет с увеличением диаметра. При этом для ц = 1 % на зависимости D(d) присутствует излом при d»50 мм. Предполагается, что это соответствует переходу на режим детонации с неполным энерговыделением и связано с существенным уменьшением числа горячих точек при уменьшении ц (см. рис. 4 и модель кинетики в главе 2). С уменьшением диаметра заряда падает давление детонации и снижается эффективность разогрева эмульсии, окружающей горячую точку, так что при некотором диаметре полного разложения не происходит. По-видимому, такой эффект возможен только для ЭмВВ с небольшим количеством микросфер, т. к. при большем их содержании расстояние между горячими точками достаточно мало и для неполного разложения эмульсии давление детонации должно быть слишком низким - нормальная детонация затухает раньше. Экспериментальные данные для ЭмВВ с 1 % МС-В в стальной оболочке, приведенные в разделе 1.2.2, подтверждают эту особенность. В настоящее время вопрос о границах существования и природе режима низкоскоростной детонации для ЭмВВ остается открытым. Возможность такого режима требует более подробного анализа величины критического

диаметра и механизмов, которые обуславливают его значение. Предположение о неполном разогреве эмульсии вокруг горячих точек соответствует более низкому удельному энерговыделению, поэтому необходимо аккуратное сравнение с данными «нормальной» детонации, а также контроль выполнения критерия стационарности.

Рис. 4. Зависимость относительного расстояния между микросферами (1) и объемной концентрации эмульсии (2) от плотности ЭмВВ.

При увеличении доли микросфер p. 120 % наблюдается существенное выполаживание зависимостей D(d). Например, при р = 50 % отношение D(dcr)/ Ц «0,9 (здесь D(dcr)- скорость детонации при критическом диаметре заряда). Таким образом, реализована стационарная детонация ЭмВВ с очень низкими параметрами плотности р0 = 0,5 г/см и скорости детонации Ц =2,1 км/с, для которого D(d) » const.

Из описания экспериментальных данных формулой Эйринга следует зависимость идеальной скорости детонации ЭмВВ от плотности: Dt =4,91-р0 -0,55 (Di в км/с, р0 в

г/см3). Зависимость Ц(р0) необходима для построения уравнения состояния (УРС) продуктов взрыва эмульсионных ВВ. График этой зависимости с учетом данных из [21] приведен на рис. 5. Следует отметить, что в области плотностей р0 =1,3 8 1,41 г/см3 (р. = 0,5 -г 0 %) не существует измерений параметров детонации ЭмВВ. Можно, однако, предполагать, что малое отклонение плотности от максимальной величины не должно приводить к существенным изменениям в механизме энерговыделения или уравнениях состояния ВВ и ПВ в зарядах достаточно большого диаметра. Расчетные данные главы 2 подтверждают это предположение. Постановка эксперимента по измерению параметров

детонации ЭмВВ с содержанием сенсибилизатора менее 1 % и чистой эмульсии требует более полного представления о свойствах этого вещества.

Рис. 5. Экспериментальная зависимость идеальной скорости детонации ЭмВВ от его

начальной плотности.

Измерения скорости позволяют определить значения критического диаметра с1сг для ЭмВВ с содержанием микросфер // = 1 + 50% как наименьший диаметр заряда при данной плотности, при котором наблюдается незатухающий процесс. Здесь используется критерий «взрыв - отказ» и не анализируется зависимость критического диаметра от длины заряда Ь для определения ¿/с>. в асимптотическом пределе при Ь оо [32]. При этом считается, что

достоверность результатов опытов обеспечивается длиной заряда не менее 10 калибров и прямой зависимостью по 4 точкам на х-Ч диаграмме. Особые свойства исследуемого ВВ -низкая чувствительность эмульсии, высокое содержание сенсибилизатора и большие значения с!сг на краях диапазона плотностей - могут приводить к понижению точности

такого подхода. Методика [32] может быть использована для дополнительной проверки значений критического диаметра в области возможного режима низкоскоростной детонации при ц, < 1 %, а также при максимальном содержании микросфер (или инертного компонента)

ц = 50 %. Результаты определения с/сг для ЭмВВ в тонких оболочках из пластика или бумаги приведены на рис. 6 (значение при р0 = 1,01 г/см3 взято из [27]).

Из рисунка видно, что с/сг(р0) изменяется немонотонно и имеет минимум в районе р0 да 1 г/см3, в этой точке йсг = 5 мм. Немонотонное изменение критической толщины Дсг(р0) наблюдалось ранее в [4]. Качественно такое поведение зависимости понятно: известно, что эмульсия без сенсибилизатора имеет очень низкую чувствительность к

13

детонации [6]. Введение сенсибилизатора ускоряет протекание реакции, но при этом в ЭмВВ уменьшается доля эмульсии и увеличивается доля инерта, поэтому, начиная с некоторого значения плотности, dcr( р0) начинает расти с увеличением доли микросфер.

Количественного понимания данной зависимости в настоящее время нет, при этом наблюдается достаточно интересный эффект, связанный с различным ходом зависимостей ширины зоны реакцииад(р0) и критического диаметра dcr(p0) в области низких плотностей ВВ р0<1 г/см3 (п. 1.2.2). Для объяснения данного эффекта может быть использовано численное моделирование. В главе 2 приводится модель и результаты численных расчетов, позволяющие описать поведение aR{р0), но для количественного объяснения хода dcr(р0) требуется расширение модели на двумерный случай.

40

32

24

16

8

0

0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

Рис. 6. Зависимость критического диаметра от плотности ЭмВВ.

Для уменьшения влияния материала стенок микросфер из стекла в эксперименте представляет интерес определение детонационных характеристик ЭмВВ с полимерными микросферами, близкими по размеру к МС-В. В этом случае происходит повышение пористости при одной и той же плотности ВВ, и следует ожидать, по-видимому, уменьшения критического диаметра в области низких плотностей ВВ и увеличения скорости детонации.

1.2.2. Влияние материала оболочки на пределы детонации

Исследуемые ЭмВВ на основе эмульсионной матрицы с мелкими капельками окислителя имеют высокую детонационную способность. В [21] определены значения ширины зоны реакции яя(р0) при плотности ЭмВВ р0 =0,5 + 1,33 г/см3 для случая тонких

оболочек с низким акустическим импедансом и показано, что зависимости ад(р0) и dcr(p0) в

области низких плотностей р0 <1,04 г/см3 ведут себя качественно по-разному. Одним из основных процессов, определяющих значение йсг без оболочки, является потеря энергии в зоне реакции вследствие боковой разгрузки продуктов взрыва (ПВ). Известное соотношение Харитона с1сг да 2ак выводится с учетом этого эффекта. Данное соотношение не зависит от

типа ВВ или его плотности. Количественное отклонение от этого соотношения ранее наблюдалось в эксперименте [33, 34], но качественное его нарушение, по-видимому, отмечено впервые. Отклонение от него может быть связано с такими отличительными особенностями ЭмВВ, как высокая пористость до ф = 0,75 и связанное с этим короткое время реакции, большая массовая доля инерта, до 0,33 массы всего ВВ, и одновременно небольшая объемная доля до 0,07 при максимальном содержании, очень низкая детонационная чувствительность эмульсионной матрицы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рафейчик, Сергей Игоревич, 2014 год

Список литературы

1. Wang Xuguang. Emulsion Explosives. - Metallurgical Industry Press, Beijing, 1994.

2. E.B. Колганов, B.A. Соснин. Эмульсионные промышленные взрывчатые вещества. — Дзержинск: изд-во ГосНИИ «Кристалл», 2009.

3. Leiper G.A., Kirby I.J., Hackett A. Determination of reaction rates in intermolecular explosives using the electromagnetic particle velocity gauge // Proceedings 8th International Detonation Symposium, 1985, P. 187-195.

4. Yoshida M., Iida M., Tanaka K., Fujiwara S., Kusakabe M., Shiino K. Detonation behavior of emulsion explosives containing glass microballoons // Proceedings 8th International Detonation Symposium, 1985.

5. Tanaka K. Shock compression of solid with voids by gridless Lagrangian SPH // Shock Compression of Condensed Matter, 2005, AIP Conf. Proc., P. 1117-1120.

6. Lee J., Sandstrom F.W. et al. Detonation and shock initiation properties of emulsion explosives // Proc. 9th Symposium Intern, on Detonation, 1989, P. 263-271.

7. Lee J., Person P.-A. Detonation behavior of emulsion explosive // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 1990. V. 15. P. 208-216.

8. Cooper J., Leiper A.G., Neilson W.G. Molecular and microscopic structural effects-in the detonation of fluid explosives // Proc. 12th Intern. Detonation Symposium, California. - 2002.

9. O.E. Petel, D. Mack, A.J. Higgins, R. Turcotte, S.K. Chan. Comparison of the detonation failure mechanism in homogeneous and heterogeneous explosives. // Proc. 13th Intern. Detonation Symposium. 2006. P. 2-12.

10. Matsuzawa Т., Murakado Т., Aimoto H., Kitao S., Yoshida N. Method for explosive cladding // US Patent 4844321,04.07.1989.

11. Price D. Contrasting Patterns in the Behavior of High Explosives // Proc. 11th Symposium Intern, on Combustion, pp. 693-702,1966.

12. Сахипов P.X., Соснин B.A., Филинов А.И., Дорин Н.Б. Исследование детонационных характеристик эмульсионных ПВВ типа «вода в масле» // Материалы IX Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву, 19-24 ноября, Суздаль. ИХФ АН СССР, Черноголовка, 1989. С. 9-11.

13. Одинцов В.В., Пепекин В.И., Кутузов Б.Н. Оценка термодинамической неидеальности детонации эмульсионного ВВ // Химическая физика, 1994, Т. 13, № 11, С. 79-87.

14. Алымова Я.В., Анников В.Э., Власов Н.Ю., Кондриков Б.Н. Детонационные характеристики эмульсионного взрывчатого состава // Физика горения и взрыва, 1994, Т. 30, № 3, С. 86-91.

15. Шведов К.К, Лавров В.В. Параметры детонации эмульсионных ВВ // Проблемы взрывного дела / Сб. статей и докладов. Изд-во МГГУ, 2002, № 1, С. 90-99.

16. Соснин В.А., Колганов Е.В. Исследование процесса детонации в эмульсионных промышленных взрывчатых веществах // Химическая физика, 2003, Т. 22. № 8, С. 100107.

17. Дерибас А.А., Медведев А.Е. и др. Детонация эмульсионных взрывчатых веществ с полыми микросферами // Доклады Академии Наук, 2003, Т. 389, № 6, С. 747-748.

18. Аншиц А.Г., Аншиц Н.Н. и др. Скорость детонации эмульсионных взрывчатых веществ с ценосферами // Физика горения и взрыва, 2005, Т. 41, № 5, С. 119-127.

19. Сильвестров В.В. О зависимости скорости детонации от плотности для ряда взрывчатых веществ // Физика горения и взрыва, 2006, Т. 42, № 4, С. 116-124.

20. Сильвестров В.В., Караханов С.М., Пластинин А.В., Дерибас А.А. Влияние плотности эмульсионного ВВ на ширину зоны реакции // VII Харитоновские тематические научные чтения: тр. междунар. конф. - Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2005, С.132-137.

21. Юношев А.С., Пластинин А.В., Сильвестров В.В. Исследование влияния плотности эмульсионного взрывчатого вещества на ширину зоны реакции // Физика горения и взрыва, 2012, Т. 48, № 3, С. 79-88.

22. В.В. Сильвестров, В.В. Пай, М.А. Гулевич, А.В. Пластинин, С.И. Рафейчик. Параметры 'h детонационной волны низкоскоростных эмульсионных ВВ // Известия Волгоградского » ' , государственного технического университета / Серия: Сварка взрывом и свойства сварных соединений, 2010, выпуск 4, №5 (65), С. 50-55.

23. В.В. Сильвестров, А.С. Юношев, А.В. Пластинин, С.И. Рафейчик. Ударная сжимаемость эмульсионной матрицы при давлении до 37 ГПа. // Физика горения и взрыва, 2014, Т. 50, № 4, С. 110-116.

24. Сильвестров В.В., Бордзиловский С.А., Караханов С.М. Измерение температуры детонации эмульсионного взрывчатого вещества // Доклады Академии Наук, 2014, Т. 458, №2, С. 155-157.

25. Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварки взрывом. — Новосибирск: Наука, 1980.

26. Bdzil J.B. Steady-state two-dimensional detonation // J. Fluid Mechanics. 1981. V. 108. P. 195-226.

27. Сильвестров B.B., Пластинин A.B., Караханов C.M., Зыков В.В. Критические диаметр и толщина эмульсионного взрывчатого вещества // Физика горения и взрыва, 2008, Т. 44, №3, С. 121-127.

28. В.В. Сильвестров, А.В. Пластинин. Исследование низкоскоростных эмульсионных взрывчатых веществ // Физика горения и взрыва, 2009, Т. 45, № 5, С. 124-133.

29. Сильвестров В.В., Пластинии A.B., Рафейчик С.И. Применение эмульсионных ВВ для сварки взрывом // Автоматическая сварка, 2009, Т. 45, № 11, С. 69-73.

30. A.C. Юношев, С.И. Рафейчик, A.B. Пластинин, В.В. Сильвестров. Новые приложения эмульсионных взрывчатых композиций // Физика горения и взрыва, 2013, Т. 49, №2, С. 113-118.

31. Eyring H., Powell R.E., Duffey G.H., Parlin R.B. The stability of detonation // Chem. Review. 1949. V. 45, N. 1. P. 69-181.

32. В.В. Лавров, A.H. Афанасенков, K.K. Шведов, Б.Н. Кукиб. Метод определения критического диаметра и критической скорости детонации промышленных ВВ // Горный журнал, 1998, № 3, С. 38.

33. Дремин А.Н., Савров С.Д., Трофимов B.C., Шведов К.К. Детонационные волны в конденсированных средах. -М: Наука, 1970.

34. Сильвестров В.В., Кравцов В.В. Влияние низкой температуры на параметры детонации литого тротила // Физика горения и взрыва, 1979, Т. 15, № 3, С. 119-124.

35. S.I. Jackson, C.B. Kiyanda, M. Short. Precursor detonation wave development in ANFO due to aluminum confinement // Proc. 14th Intern. Detonation Symposium. 2010. P. 740-749.

36. Пластинин A.B., Бордзиловский C.A., Караханов C.M., Сильвестров В.В. Критический диаметр низкоскоростного эмульсионного ВВ в оболочке // Физика горения и взрыва, 2010, Т. 46, №6, С. 107-110.

37. Андреев С.Г., Бабкин A.B. и др. Физика взрыва / Под редакцией Л.П. Орленко. - М: Физматлит, 2002, Т. 1.

38. Рафейчик С.И. Исследование зависимости критического диаметра эмульсионных взрывчатых веществ от плотности в стальной оболочке // Вестник Новосибирского государственного университета / Серия: Физика, 2013, Т. 8, №3, С. 127-133.

39. Кузьмин Г.Е., Мали В.И., Пай В.В. О метании плоских пластин слоями конденсированных ВВ // ФГВ, 1973, Т. 9, № 4, С. 558-562.

40. Ф.А. Баум, Л.П. Орленко, К.П. Станюкович, В.П. Челышев, Б.И. Шехтер. Физика взрыва. -М.: Наука, 1975.

41. Симонов В.А. Области сварки взрывом. Основные параметры и критерии // СО РАН, препринт Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева, 1995.

42. Кузьмин Г.Е., Пай В.В., Яковлев И.В. Экспериментально-аналитические методы в задачах динамического нагружения материалов. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002, С.311.

43. Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. - М.: Наука, 1966.

44. Wescott B.L., Stewart D.S., Davis W.C. Equation of state and reaction rate for condensedphase explosives // Journal of Applied Physics, 2005, V. 98, P. 053514(1-10); doi: 10.1063/1.2035310.

45. Menikoff R. Complete EOS for PBX 9502 // LANL report LA-UR-09-06529, October 7, 2009.

46. Трунин Р.Ф., Гударенко Л.Ф., Жерноклетов M.B., Симаков Г.В. Экспериментальные данные по ударно-волновому сжатию и адиабатическому расширению конденсированных сред. - Саров: ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2001.

47. Бордзиловский С.А., Караханов С.М. Десенсибилизация флегматизированного гексогена и октогена последовательными ударными волнами // Физика горения и взрыва, 1995, Т. 31, № 2, С. 114-124.

48. R.L. Gustavsen, S.A. Sheffield, R.R. Alcon. Measurements of shock initiation in the tri-amino-tri-nitro-benzene based explosive PBX 9502: Wave forms from embedded gauges and comparison of four different material lots. // Journal of Applied Physics, 2006, V. 99, № 11.

49. Ч. Китель. Введение в физику твердого тела. - М.: Физматгиз, 1963.

50. Л.В. Альтшулер. Применение ударных волн в физике высоких давлений. В книге: «Поведение веществ под воздействием сильных ударных волн». - Саров: ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2007, С. 197-265.

1 <>-t

51. Г.И. Канель, С.В. Разоренов, А.В. Уткин, В.Е. Фортов. Ударно-волновые явления в

конденсированных средах. -М.: Янус-К, 1996.

52. Код ЭГИДА-20 для моделирования двумерных задач. Под ред. Ю.В. Янилкина, в 2-х томах. - Саров: ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2008.

53. Mader C.L. Numerical Modeling of Detonation. Univ. California Press, 1979.

54. T.R. Salyer, M. Short, C.B. Kiyanda, J.S. Morris, T. Zimmerly. Effect of prill structure on detonation performance of ANFO // Proc. 14th Intern. Detonation Symposium. 2010. P.758-768.

55. D.L. Kennedy. The challenge of non-ideal detonation. // Journal de physique, 1995, V. 5, №4, P. 191-207.

56. В.Г. Петушков. Применение взрыва в сварочной технике. - Киев: Наукова Думка, 2005.

57. Чж.-В. Хань, С. Сэнь, Л.-Ф. Се, Ю.-Ч. Хань. Применение эмульсионных взрывчатых веществ для синтеза наночастиц оксида церия. // Физика горения и взрыва, 2014, Т. 50, №4, С.117-123.

58. S.Yu. Illarionov, L.D. Dobrushin. Explosion welding process for repairing worn threaded holes in the spindles of railway wheels // "Explosive production of new materials: Science,

Technology, Business, and Innovation" / Ed. by A.A. Deribas, and Yu. B. Scheck. Moscow: Torus Press, 2010, p. 29.

Список работ по теме диссертации:

В рецензируемых изданиях:

1. Сильвестров В.В., Пластинии А.В., Рафейчик С.И. Применение эмульсионных ВВ для сварки взрывом // Автоматическая сварка, 2009,45 (11), С. 69-73.

2. В.В. Сильвестров, В.В. Пай, М.А. Гулевич, А.В. Пластинин, С.И. Рафейчик. Параметры детонационной волны низкоскоростных эмульсионных ВВ // Известия Волгоградского государственного технического университета / Серия: Сварка взрывом и свойства сварных соединений, 2010, выпуск 4, №5 (65), С. 50-55.

3. А.С. Юношев, С.И. Рафейчик, А.В. Пластинин, В.В. Сильвестров. Новые приложения эмульсионных взрывчатых композиций // Физика горения и взрыва, 2013, Т. 49, №2, С. 113-118.

4. Рафейчик С.И. Исследование зависимости критического диаметра эмульсионных взрывчатых веществ от плотности в стальной оболочке // Вестник Новосибирского государственного университета / Серия: Физика, 2013, Т. 8, №3, С. 127-133.

5. В.В. Сильвестров, А.С. Юношев, А.В. Пластинин, С.И. Рафейчик. Ударная сжимаемость эмульсионной матрицы при давлении до 37 ГПа // Физика горения и - < взрыва, 2014, Т. 50, №4, С. 110-116.

В трудах конференций:

6. Сильвестров В.В., Пластинин А.В., Рафейчик С.И. Детонационные характеристики низкоскоростных эмульсионных ВВ // Международная конференция «XI Харитоновские тематические научные чтения», 16 марта — 20 марта 2009, Саров. Сборник трудов. С. 44-48.

7. Рафейчик С.И., Гулевич М.А. Баллистические характеристики эмульсионных ВВ // Материалы Всероссийской научной конференции «Современная баллистика и смежные вопросы механики», 14-16 ноября 2009, Томск, 2010. С. 96-97.

8. V.V. Silvestrov, A.V. Plastinin, S.I. Rafeichik, M.A. Gulevich, and V.V. Pai. Investigation of low detonation velocity emulsion explosives. Application to explosive welding // Proc. of the 14th Intern. Detonation Symposium, April 11-16,2010, Coeur d'Alene, Idaho.

9. V.V. Silvestrov, A.V. Plastinin, S.I. Rafeichik, and V.V. Pai. Explosive welding with the emulsion explosives // In book "Explosive production of new materials: Science, Technology, Business, and Innovation"/ Ed. by A.A. Deribas and Yu. B. Scheck. Moscow: Torus Press, 2010. p. 70.

10. Сильвестров В.В., Пай В.В., Гулевич М.А., Пластинин A.B., Рафейчик С.И. Параметры детонационной волны и метательная способность низкоплотных эмульсионных ВВ // VII международная конференция «Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике», 23-27 августа 2010, Новосибирск.

11. В.В. Сильвестров, A.C. Юношев, A.B. Пластинин, С.И. Рафейчик. Новые приложения эмульсионных ВВ // Международная конференция «XIII Харитоновские тематические научные чтения», 14 - 18 марта 2011, Саров, Россия. Сборник трудов.

12. Рафейчик С.И. Критический диаметр эмульсионных взрывчатых веществ с микробаллонами из стекла в жесткой оболочке // Сборник тезисов IX Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии», 23-25 апреля 2012, Новосибирск. С. 238-239.

13. Рафейчик С.И. Исследование зависимости критического диаметра эмульсионных взрывчатых веществ от плотности в стальной оболочке // Международная конференция «XV Харитоновские тематические научные чтения», 18-22 марта 2013, Саров, Россия. Сборник трудов. С. 126-130.

14. Сильвестров В.В., Пластинин A.B., Юношев A.C., Рафейчик С.И. Ударная сжимаемость эмульсионной матрицы при давлении до 37 ГПа // Сборник тезисов Всероссийской конф. «Взрыв в физическом эксперименте», 15-20 сентября 2013, Новосибирск. С. 7173.