Матричная эмульсия для приготовления эмульсионного взрывчатого состава
MATRIX EMULSION FOR PRODUSING EMULSION EXPLOSIVE

Изобретение относится к промышленным взрывчатым веществам, а именно к матричным эмульсиям и эмульсионным взрывчатым составам на их основе.
Известна взрывчатая композиция многофакторного действия повышенной мощности (патент РФ №2209806, опубл. 10.08.2003, бюл. №22). Согласно изобретению взрывчатая композиция содержит азотнокислый эфир одноатомного спирта с 1-4 атомами углерода, порошкообразный окислитель - нитрат или перхлорат аммония и/или гетероциклический нитроамин, горючее - алюминий, загуститель - бутадиеновый, или бутадиеннитрильный, или бутадиенметакриловый каучук. Дополнительно взрывчатая композиция может содержать в качестве горючего минеральное масло, в качестве структурообразователя ароматические нитрозосоединения или хиноловый эфир, в качестве поверхностно-активных веществ жирные кислоты или их соли.
Недостатком данного состава является недостаточно высокая относительная работоспособность взрывчатого состава и повышенные издержки на буровзрывные работы.
Известен водосодержащий взрывчатый состав (патент РФ №2537485, опубл. 10.01.2015, бюл. №1). Состав содержит сбалансированный водный раствор горючего и окислителей из аммиачной селитры, натриевой селитры и карбамида, загущенный полиакриламидом с применением в качестве структурирующей добавки сульфата алюминия. В качестве сенсибилизатора взрывчатый состав содержит многоканальные пироксилиновые пороха с толщиной горящего свода 0,7-1,5 мм или смесь указанных порохов с чешуированным тротилом при содержании пороха в составе 20-45 мас. % при следующем соотношении компонентов, мас. %: сенсибилизатор 25,0-65,0, натриевая селитра 5,0-8,0, карбамид 4,0-6,0, вода 9,0-12,0, полиакриламид 0,5-1,5, сульфат алюминия 0,02-0,3, аммиачная селитра - остальное.
Недостатком данного состава является недостаточно высокая относительная работоспособность взрывчатого состава и повышенные издержки на буровзрывные работы.
Известен эмульсионный взрывчатый состав (патент РФ №1840467, опубл. 10.03.2007, №7), состав содержит, %: нитрат натрия или нитрат кальция 10-20, воду 10-20, индустриальное масло или мазут 3-6, алюминий 4-10, нитрит натрия 0,05-0,15, нитраты алифатических аминов С17-С25 или их смесь с пентаэритритовыми эфирами талловых или синтетических жирных кислот в соотношении от 66/34 до 50/50, и нитрат аммония - до 100%.
Недостатком данного состава является недостаточно высокая относительная работоспособность взрывчатого состава и повышенные издержки на буровзрывные работы.
Известен взрывчатый состав (патент №1841264, опубл. 27.12.2016, бюл. №36), состоящий из тротила, алюминиевой пудры ПП-2, сополимера ВА-20 и введена армирующая добавка стекловолокно.
Недостатком данного состава является недостаточно высокая относительная работоспособность взрывчатого состава и повышенные издержки на буровзрывные работы, а также высокая опасность использования алюминиевой пудры.
Известно водонаполненное взрывчатое вещество, (а.с. СССР №1841270, опубл. 27.12.2016 г., бюл. №36). Водонаполненное взрывчатое вещество состоит из перхлората аммония, тротила, алюминиевого порошка, нитратов аммония и кальция, натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы и дополнительно содержит загуститель - сульфитно-спиртовая барда.
Недостатком данного состава является недостаточно высокая относительная работоспособность и повышенные издержки на буровзрывные работы.
Известен взрывчатый состав на основе аммиачной селитры, принятый за прототип (патент РФ №2444504, опубл. 10.03.2012, бюл. №7). Взрывчатый состав содержит пористую гранулированную аммиачную селитру, ингибитор и комбинированное горючее, представляющее собой смесь динитротолуола, жидкого горючего и измельченного металлического горючего на основе алюминия, железа, кальция, магния, марганца, титана, хрома, цинка и/или их окислов, при этом жидкое горючее представляет собой масло индустриальное или масло приборное, или дизельное топливо, или мазут, или жир животный технический, или их смесь.
Недостатком данного состава является недостаточно высокая относительная работоспособность взрывчатого состава, повышенные издержки на буровзрывные работы и опасность работ при добавлении измельченного металлического горючего.
Техническим результатом изобретения является повышение относительной работоспособности, снижение издержек на буровзрывные работы, а также снижение уровня опасности работ при добавлении измельченного металлического горючего.
Технический результат достигается тем, что матричная эмульсия для приготовления эмульсионного взрывчатого состава, содержащая матричную эмульсию взрывчатого вещества на основе аммиачной селитры, минерального масла, эмульгатора, нитрита натрия и воды, с добавкой измельченного металлического горючего согласно изобретению измельченное металлическое горючее в жидком, пастообразном или гранулированном виде, включает магний и окалину, соединенные олифой путем перемешивания с последующим загущением перед добавлением в матричную эмульсию при следующем соотношении твердых компонентов в измельченном металлическом горючем, мас. %:
Магний
7-23
Окалина
77-93
при этом матричная эмульсия включает компоненты в следующем соотношении, мас. %:
Матричная эмульсия для приготовления эмульсионного взрывчатого состава
84-91
Измельченное металлическое горючее
9-16.
Технический результат достигается также тем, что в качестве окалины используют окалину железа.
Технический результат достигается также тем, что в качестве окалины используют окалину меди.
Технический результат достигается также тем, что в качестве магния используют пудру ПМ-1.
Технический результат достигается также тем, что в качестве магния используют пудру ПМР-1.
Технический результат достигается также тем, что в качестве окалины используют порошок оксида железа для окрашивания.
Технический результат достигается также тем, что в качестве олифы используют натуральную олифу.
Технический результат достигается также тем, что в качестве олифы используют комбинированную олифу.
Технический результат достигается также тем, что в качестве олифы используют олифу оксоль.
Эмульсионный взрывчатый состав приготавливают следующим способом. Берут компоненты: матричную эмульсию на основе аммиачной селитры, жидкого горючего, эмульгатора, воды, добавляют в нее измельченное металлическое горючее - магний и окалину, соединенные олифой путем перемешивания с последующим загущением перед добавлением в матричную эмульсию. Перед подачей в скважину в матричную эмульсию добавляют нитрит натрия (либо другую сенсибилизирующую добавку - перекись водорода, стеклянные или пенополистирольные микросферы и т.д.).
Пропорции смешивания матричной эмульсии и измельченного металлического горючего определяют из интервала, мас. %: матричная эмульсия для приготовления взрывчатого вещества 86-93%; измельченное металлическое горючее, включающее магний и окалину, соединенные олифой путем перемешивания с последующим загущением перед добавлением в матричную эмульсию 9-16%.
3
4
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
2
2
2
2
- это смесь оксидов, образующихся прямым действием кислорода при накаливании на воздухе металлов. Обычно термин применяется к окислам не всех металлов, а только железа и меди. Железная окалина представляет собой смесь оксидов FeO, FeO и FeO, и состоит из двух слоев, легко отделяемых друг от друга. Внутренний слой пористый, черно-серого цвета, наружный плотный и с красноватым оттенком, оба слоя хрупки и обладают ферромагнитными свойствами. Состав железной окалины непостоянен и зависит от условий получения: при продолжительном накаливании на воздухе она постепенно переходит в FeO, а последняя в белокалильном жару теряет часть кислорода, переходя в FeO. Обычно железная окалина состоит из 64-73% FeO и 36-27% FeO, наружный слой содержит больше FeO - от 32 до 37%, а самый внешний слой - даже до 53%. На поверхности легированных сталей образуются сложные оксиды (NiO⋅FeO, FeO⋅CrO и др.). При толщине до 40 нм слой окалины прозрачный, при толщине от 40 до 500 нм - окрашен в тот или иной цвет побежалости, при толщине свыше 500 нм окалина имеет постоянную окраску, зависящую от химического состава. Медная окалина, представляющая собой хрупкую, черно-серого цвета массу, состоит из окислов меди CuO (около 75%) CuO (около 25%). Так же, как у железной окалины, состав ее непостоянен и может колебаться в зависимости от температуры и избытка кислорода при получении. Во внутренних слоях преобладает CuO, в наружных - CuO. При красном калении и при достаточном количестве кислорода CuO окисляется до CuO, поэтому в этих условиях медная окалина будет состоять главным образом из CuO, а при температурах выше 1100°С, вследствие разложения CuO на CuO и кислород, в медной окалине будет преобладать CuO. Также возможно использование качестве окалины оксида железа для окрашивания, при доступности и невысокой стоимости.
Пропорции между окалиной и металлическим горючим - магнием, соединенными друг с другом олифой принимают аналитическим, экспериментально-аналитическим или экспериментальным путями в соответствии с требуемой энергетикой эмульсионного взрывчатого состава.
Например, при использовании чистой окалины железа и чистого магния при измельчении их до размера 100 микрон необходимо брать 78% окалины железа и 22% магния. При наличии любых других примесей необходимо корректировать данную пропорцию для получения требуемого результата. Базовым критерием пропорций смешивания окалины железа и магния является газовая вредность получаемого эмульсионного или иного взрывчатого состава (таблица 1).
Как видно из таблицы 1 при превышении интервала пропорций смешивания магния и окалины с помощью олифы газовая вредность эмульсионного взрывчатого состава становится неприемлемой.
2
Магний относится к высококалорийным неорганическим горючим, это один из элементов, дающих наибольшее количество теплоты за счет окисления кислородом воздуха или иным окислителем. Экспериментально доказана способность к горению состава HO+Mg, теплота взрыва при этом составляет 7,63 кДж/г, взрыв происходит при достаточно большом начальном импульсе. Магний горит за счет кислорода воздуха даже в компактном виде. Механизм горения чистого магния носит парофазный характер, при этом вокруг горящей частицы магния образуется светящийся ореол. Одна из причин высоких пиротехнических свойств магния (легкость зажигания, высокая скорость горения магниевых сплавов) - невысокий коэффициент Пиллинга-Бедворса (он характеризует защитные свойства поверхностных пленок) α=0,81 (см. табл. 2.4). При α<1 оксидная пленка не обеспечивает достаточной защиты металла от окисления. Наиболее быстрогорящие составы - двойные смеси нитратов щелочных или щелочноземельных металлов с 50-70% магния. Скорость горения увеличивается при содержании магния 60-70%, что связано с повышением теплопроводности состава вследствие увеличения в нем металлической составляющей.
Составы с алюминиевыми порошками аналогичной дисперсности горят значительно медленнее, чем с магниевыми. Составы порошков могут быть следующими: МПФ-1, МПФ-2, МПФ-3, МПФ-4 ГОСТ 6001-79, ПМ-1, ПМ-2, ПМ-3, ПМ-4, ПМ-5, ПМР-1, ПМР-2, ПМР-3 по ТУ 48-0005-6-82, также может применяться высокодисперсный магниевый порошок ВДМ-0, ВДМ-1, ВДМ-20, ВДМ-100.
Олифу используют для соединения магния и окалины, причем количество олифы принимают минимально необходимым для исключения смещения кислородного баланса, а также минимизации длительности последующего загущения измельченного металлического горючего получаемого в жидком, пастообразном или гранулированном виде. Использование измельченного металлического горючего в жидком, пастообразном или гранулированном виде позволит повысить безопасность работ по введению добавки в матричную эмульсию. Консистенция измельченного металлического горючего зависит, в основном, от количества и типа добавленной олифы, а также технологии добавления измельченного металлического горючего в матричную эмульсию (таблица 1). Промышленностью выпускается олифа несколько типов. Натуральная олифа - ее получают методом обработки высыхающих или смеси высыхающих и полувысыхающих масел. Натуральная олифа практически не содержит органических растворителей. Олифа натуральная изготавливается на основе конопляного или льняного масла, путем нагревания в присутствии сиккатива. Комбинированная олифа и олифа Оксоль - продукты, полученные путем окисления высыхающих и полувысыхающих масел; первые содержат 30%, вторые 45% растворителя. Комбинированные олифы главным образом применяются как полуфабрикат для изготовления масляных красок. Для получения олиф с определенным комплексом свойств в зависимости от их применения (для наружных или внутренних работ, для изготовления красок и т.д.) используют комбинации различных природных масел, например льняного и подсолнечного, или комбинации масел, прошедших различную предварительную обработку окисленного до определенной степени масла с прогретым. Олифа Оксоль на основе полувысыхающего подсолнечного масла, а также композиционные олифы, содержащие, подобно олифе «Оксоль», до 45% растворителя. Для получения последних используют низкокачественные растительные масла. Тип олифы определяют, в основном, по экономическим соображениям.
Измельченное металлическое горючее может быть принято на основе магния или других металлов, позволяющих повысить энергетическую составляющую взрывчатого вещества относительно эталонного взрывчатого вещества - Аммонита 6ЖВ. Компоненты измельченного металлического горючего - магний и окалину измельчают до размеров 100-200 микрон или меньше, либо берут готовые, например порошок оксида железа для окрашивания и порошок магния ПМ-1, тщательно перемешивают с друг другом, после чего полученную смесь тщательно перемешивают с олифой и выдерживают на воздухе в открытой емкости для загущения. После загустевания данной смеси производят ее добавление в матричную эмульсию взрывчатого вещества. Количество окалины железа или меди, олифы и магния принимают аналитическим, экспериментально-аналитическим или экспериментальным путями в соответствии с требуемой относительной работоспособностью эмульсионного взрывчатого состава (ЭВС), а также необходимым кислородным балансом ЭВС с учетом газовой вредности.
Состав матричной эмульсии взрывчатого вещества для приготовления в лабораторных или полевых условиях принимали следующим, мас. %:
Аммиачная селитра
75
Минеральное масло
6,5
Эмульгатор
2
Вода
Остальное
Матричную эмульсию эмульсионного взрывчатого вещества изготавливали известным способом: приготовленный при температуре 80-90°С водный раствор окислителя из смеси аммиачной селитры и воды в течение 1 минуты приливали при интенсивном перемешивании к смеси из минерального масла (например, И-20) и эмульгатора, далее продолжали эмульгирование в пределах 3 минут. В полученную матричную эмульсию взрывчатого вещества добавляют измельченное металлическое горючее в пределах, указанных в таблице 2. После тщательного перемешивания в полученную матричную эмульсию добавили 0,5% водного раствора нитрита натрия концентрацией 5÷15% и перемешивают в течение 10÷15 минут. Тип окалины принимают в зависимости от доступности и стоимости в конкретном регионе для снижения затрат на эмульсионный взрывчатый состав. Результаты лабораторных исследований эмульсионного взрывчатого состава приведены в таблице. Основные характеристики эмульсионного взрывчатого состава определяли по известным методикам.
Примеры 1, 2, 3, 4, 5 приготовления эмульсионных взрывчатых составов приведены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2 и примеров 1-5 при увеличении доли измельченного металлического горючего, из магния с окалиной соединенных олифой возрастает относительная работоспособность ЭВС, но также возрастает динамическая вязкость. За пределами, указанными в формуле изобретения либо уменьшается относительная способность ЭВС, либо фактически теряется способность эмульсионного взрывчатого состава к перекачиванию.
Применение данной матричной эмульсии для приготовления эмульсионного взрывчатого состава обеспечивает следующие преимущества:
- повышения относительной работоспособности взрывчатого состава;
- снижение издержек на буровзрывные работы;
- повышение безопасности проведения работ по добавлению измельченного металлического горючего.