Явление взрыва и виды взрывчатого превращения

Явление взрыва в таких его проявлениях, как грозовой разряд, извержение вулкана известно человечеству с незапамятных времен. Несколько позднее люди научились изготовлять взрывчатые составы и использовать взрыв в своих целях. Однако для формирования правильного представления о сущности явления, именуемого взрывом, потребовались значительные успехи в развитии естественных наук.

Характерным признаком взрыва является крайне быстрое появление или, точнее, проявление действия давления, как правило, очень большого.

 

По характеру процесса протекания взрывов их принято классифицировать на:

ФИЗИЧЕСКИЕ – при которых только происходит физическое преобразование вещества (беспламенное взрывание помощью жидкой углекислоты и сжатого воздуха, взрывы паровых котлов, баллоны со сжиженным газом, электрические разряды) т.е.при физическом взрыве энергия выделяется в результате физического процесса.

Физический взрыв находит применение в угледобывающей промышленности в виде патронов аэрдокс, в которых для разрушения среды используют энергию сжатого воздуха.

 

ХИМИЧЕСКИЕ – при которых происходит чрезвычайно быстрые изменения химического состава веществ, участвующих в реакции с выделением тепла и газов (взрыв метана, угольной пыли, ВВ).

 

При химическом взрыве энергия выделяется в результате быстрой химической реакции. Этому типу взрыва можно дать следующее определение: взрывом называется быстрое химическое превращение взрывчатого вещества, протекающее с выделением тепла и образованием газов.

Из этого определения вытекают четыре основных условия, которым должна удовлетворять химическая реакция для того, чтобы она могла протекать в форме взрыва: экзотермичность (выделение тепла), образование газов, большая скорость реакции, способность к самораспространению. Если хотя бы одно из этих условий не выполняется — взрыва не произойдет.

Химическое превращение взрывчатых веществ и смесей может протекать в различных формах, основными из которых являются:

· медленное химическое превращение (разложение вещества);

· горение;

· детонация.

При медленном химическом превращении реакция разложения протекает одновременно во всем объеме вещества, находящимся при одинаковой температуре, практически равной температуре окружающей среды. Скорость реакции соответствует этой температуре и во всех точках масса ВВ одинакова. При нагревании ВВ его температура возрастает не только за счет внешнего нагрева, но и за счет тепла, выделяющегося при химической реакции разложения. При определенных условиях эта реакция может стать самоускоряющейся, в результате чего ВВ быстро превратится в сжатые газы почти одновременно по всему объему. Произойдет тепловой взрыв ВВ, который может служить примером гомогенного (однородного) взрыва. Однако практически гомогенный взрыв неосуществим из-за неравномерного теплоотвода из ВВ, так как в веществе всегда имеет место возникновение одного или нескольких очагов горения, из которых горение затем распространяется на остальную массу ВВ.

Основой современной взрывной техники является использование самораспространяющегося взрывчатого превращения. При этой форме взрыва химическое превращение, начавшееся в какой-либо точке заряда, самопроизвольно распространяется до его границ. Способность химической реакции в самораспространению, является, характерной особенностью этой формы взрыва.

Самораспространяющееся взрывчатое превращение возможно при горении и детонации ВВ. В обоих случаях имеется фронт химического превращения — относительно узкая зона, в которой происходит интенсивная химическая реакция, распространяющаяся по веществу с некоторой скоростью. Впереди этой зоны находится исходное ВВ, позади нее — продукты превращения

Температуры впереди фронта, позади него и в самой зоне химической реакции существенно различаются; имеет место также неравенство давлений и плотности.

Скорость реакции, точнее, линейная скорость перемещения фронта процесса зависит в основном не от начальной температуры вещества, а от количества выделяющейся при реакции энергии, условий передачи ее непрореагировавшему веществу и кинетических характеристик возникающего в нем при этой передаче химического превращения. Так как механизм передачи энергии при горении и детонации различен (при горении тепловая энергия передается за счет теплопроводности, при детонации основную роль играет ударная волна), скорость распространения процесса также различается и при горении не превышает для конденсированных ВВ нескольких сантиметров в секунду, а при детонации составляет километры в секунду.

 

В соответствии с различием в скорости распространения процесса разрушающее действие при разных формах превращения ВВ существенно отличается.

Медленное превращение только в замкнутом объеме может привести к повышению давления вплоть до разрыва оболочки. Горение также способно значительно повысить давление лишь в замкнутом или полузамкнутом объеме. Соответственно этот процесс используют в тех случаях, где слишком большое давление нежелательно (ракетные камеры, огнестрельное оружие и т. п.).

Детонация дает максимальное давление, практически не зависящее от наличия оболочки. Этот вид взрывчатого превращения применяется тогда, когда надо получить максимальное разрушающее действие. Именно процесс детонации зарядов ВВ широко используется для разрушения горных пород. Взрывчатые вещества, которые используют при этом, представляют собой либо индивидуальные химические вещества, либо механическую смесь нескольких веществ, которые при определенных условиях способны давать самораспространяющееся с большой скоростью химическое превращение, протекающее с выделением большого количества тепла и образованием газов.

 

ЯДЕРНЫЕ – при которых происходят цепные реакции деления ядер с образованием новых элементов. В настоящее время реализуются два вида выделения атомной энергии при взрыве:

· превращение тяжелых ядер в более легкие (радиоактивный распад и деление атомных ядер урана и плутония);

· образование из легких ядер более тяжелые (синтез атомных ядер).

При взрывных работах в промышленности применяются химические взрывы.

 

ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА

ВВ называют химические соединения или механические смеси, которые под действием внешнего импульсов (нагрева, удара, трения и т.д.) способны взрываться, т.е. чрезвычайно быстро превращаться в другие соединения с выделением тепла и газообразных продуктов, способных производить разрушение и перемещение окружающей среды. При взрыве большинства ВВ горючие элементы – водород и углерод – окисляются кислородом, входящем в состав ВВ, в отличие от процесса горения, при котором окисление происходит за счет кислорода воздуха.

Благодаря этому обеспечивается весьма высокая концентрация энергии в единице объема ВВ. Так, при сжигании 1 литра смеси спирт-кислород выделяется 3,5 ккал тепла.

Смесь водород-кислород – 1,8 ккал, а при взрыве 1 литра нитроглицерина – 2350 ккал тепла. В тоже время тепловая энергии, выделяемая при взрыве 1 кг ВВ (800:1200 ккал/кг), значительно меньше теплоты сгорания обычных горючих:

керосин – 11000 ккал/кг

каменного угля – 7000 ккал/кг

Значительная скорость детонации при взрыве промышленных ВВ (2:8 км/с) обеспечивает применение чрезвычайно большой мощности взрыва.

При взрыве ВВ образуется значительное количество газов (600-1000 л/кг) и выделяемое тепло обеспечивает нагревание их до Т=2500-4500°С. Взрыв сопровождается определенным звуковым эффектом, т.к. ударная волна распространяющаяся от заряда, на некотором расстоянии от центра взрыва переходит в звуковую.

Основные признаки взрыва:

· Высокая объемная концентрация энергии;

· Сверхзвуковая скорость выделения энергии;

· Экзотермичность процесса;

· Образование большого объема газообразных продуктов;

· Звуковой эффект.

 

Основные формы химического превращения:

 

Медленное химическое превращение протекает при низких температурах по всему объему вещества.

При горении тепло передается путем теплопередачи (процесс сравнительно медленный)

При детонации энергия по заряду ВВ передается ударной волной, распространяющейся со скоростью 2÷8 км/с.

Процесс горения и детонации идет во фронте химической реакции, который перемещается по ВВ. Скорость его перемещения определяется величиной выделяющейся энергии и способом передачи ее к соседним слоям вещества.

 

В промышленности применяют индивидуальные ВВ, которые содержат в своем составе все элементы, необходимые для нормального протекания реакции взрыва. Чаще всего применяют вещества в виде механических смесей

 

Для придания определенных свойств и характеристик смесям ВВ в их состав входят следующие компоненты:

ОКИСЛИТЕЛИ – вещества, содержащие избыточный кислород, расходуемый при взрыве на окисление горючих элементов.

В качестве ОКИСЛИТЕЛЯ применяют аммиачную селитру, калиевую и натриевую селитры, хлораты и перхлораты калия и аммония, жидкий кислород и другие вещества.

ГОРЮЧИЕ ДОБАВКИ – твердые или жидкие компоненты богатые углеродом и водородом, как правило, не взрывчатые, например, тонко измельченный уголь, древесная мука, соляровое масло или пудра легкоокисляющихся и выделяющихся при этом большое количество тепло металлов, например аммония, магния.

Горючие вещества входят в состав ВВ для увеличения количества энергии, выделяемой при взрыве.

В качестве горючих веществ используют такие взрывные компоненты (тротил, гексоген) которые имеют в своем составе недостаточное количество кислорода для полного окисления содержащихся в нем горючих элементов.

Часть углерода, выделяемого при взрыве таких ВВ в виде окиси в свободном состоянии или в виде горючих соединений, реагирует с избыточным кислородом окислителя, повышая теплоту и энергию взрыва ВВ.

СЕНСИБИЛИЗАТОРЫ — вещества, вводимые в состав ВВ для повышения его чувствительности к восприятию и передаче детонации. В качестве сенсибилизаторов применяют мощные ВВ — тротил, нитроглицерин, нитрогликоль, гексоген и т. п. Сенсибилизатором могут являться и, невзрывчатые вещества (горючие добавки) — соляровое масло, древесная мука или уголь.

В малых количествах, (до 6%), соляровое масло в смеси с аммиачной селитрой выполняет роль сенсибилизатора, в больших, делает взрывчатую смесь нечувствительной к инициированию.

СТАБИЛИЗАТОРЫ - вещества, вводимые в состав ВВ для повышения их химической и физической стойкости. В качестве стабилизатора в:

динамитах используют мел и соду,

в аммонитах — древесную, жмыховую и торфяную муку, при этом последние выполняют также роль горючих добавок и разрыхлителей, уменьшающих слеживаемость ВВ.

ФЛЕГМАТИЗАТОРЫ — легкоплавкие маслянистые жидкости с высокой теплоемкостью и высокой температурой вспышки, обволакивающие частицы ВВ и не вступающие с ним в реакцию. Введение флегматизаторов снижает чувствительность ВВ к механическим воздействиям и обеспечивает более безопасные условия его применения. В качестве флегматизатора используют вазелин, парафин, различные масла, тальк и другие вещества.

ПЛАМЕГАСИТЕЛИ вводят в состав только предохранительных ВВ для снижения температуры взрыва и уменьшения вероятности воспламенения метано-воздушных и пылевоздушных смесей в шахтах, опасных по газу или пыли.

В качестве пламегасителей применяют хлористый натрий, хлористый калий, хлористый аммоний и другие вещества.

ЛЕКЦИЯ №3