Explozivii sunt compuși chimici – substanțe sau amestecuri de substanțe ce formează un sistem labil din punct de vedere termodinamic, care dispun de… [301543]

CAPITOLUL III

PRODUSE UTILIZATE

PENTRU DEROCAREA CU EXPLOZIVI

3.1. EXPLOZIVI INDUSTRIALI

3.1.1. [anonimizat], care dispun de o [anonimizat] a [anonimizat].

Procesul exploziei se fundamentează pe reacții chimice de oxidare a elementelor carburante (C,H,S,Al și N). Caracteristic explozivilor este faptul că în compoziția lor există toate elementele chimice necesare formării sistemului final.

Pentru a [anonimizat]:

Oxidanți- [anonimizat] a clementelor carburante. [anonimizat]: azotatul de amoniu (NH4NO3), azotatul de potasiu (KNO3) și azotatul de sodiu (NaNO3).

Carburanți – [anonimizat], cantități mari de căldură. [anonimizat], [anonimizat], ca de exemplu: trotilul C7H5(NO2)3, nitroceluloza C24H21N9O38 și hexogenul C3H6N6O6, care nu conțin în compoziția lor suficient oxigen pentru oxidarea lor completă.

Sensibilizatori – substanțe care ridică sensibilitatea amestecului exploziv pentru preluarea și transmiterea detonației. În calitate de sensibilizatori se folosesc compuși chimici ca: nitroglicerina C3H5(ONO)3, nitroglicolul C2H4(ONO)2, hexogenul C3H6N6O6 și trotilul C7H5(NO2)3.

Stabilizatori – substanțe care asigură explozivilor stabilitatea chimică și fizică. [anonimizat].

[anonimizat], care reduc din sensibilitatea față de acțiunile mecanice. Astfel de substanțe sunt: vaselina, parafina, talcul, uleiul și creta.

[anonimizat]. În ordinea eficienței lor se menționează: clorura de potasiu (KCl); clorura de sodiu (NaCl); carbonatul de sodiu (Na2CO3), etc.

Materiale inerte și aditive au scopul de a conferi explozivului o anumită proprietate particulară sau de a [anonimizat]: [anonimizat] a explozivului; [anonimizat]; apa asociată cu o [anonimizat] o bună rezistență la umiditate a [anonimizat].

[anonimizat]. Cele care pot fi folosite sunt cunoscute sub numele generic de explozivi tehnici (cu aplicație în tehnică) și trebuie să îndeplinească următoarele condiții;

• Să posede o [anonimizat], sfărâmării, dislocării și detașării mediului supus dislocării.

• Să prezinte o anumită sensibilitate față de acțiunile exterioare, care să asigure, pe de o parte securitate la manipulare, transport și depozitare, iar pe de altă parte o amorsare-inițiere sigură a procesului de transformare explozivă.

• Să aibă suficientă stabilitate fizică și chimică, asigurându-se astfel, menținerea îndelungată a proprietăților fizice, chimice, termo-chimice și explozive.

• În urma reacțiilor de descompunere să rezulte un volum minim de gaze toxice și să prezinte securitate la folosirea lor în lucrările de împușcare în subteran.

• Să poată fi fabricați ușor și să nu prezinte pericol în procesul de fabricație.

• Să existe o bază de materii prime care să dea posibilitatea fabricării lor pe scară industrială și la costuri cât mai reduse.

Descompunerea substanțelor explozive reprezintă o reacție chimică în urma căreia explozivii ca substanțe constituite din molecule cu structură complexă se transformă în substanțe cu structură mai simplă.

În funcție de viteza cu care se produce transformarea chimică se deosebesc cinci tipuri de reacții, și anume: explozia, detonația, deflagrația, arderea și transformarea chimică lentă.

Experimental s-a demonstrat că procesul de descompunere a substanțelor explozive, o dată început, poate trece de la un tip de reacție la altul.

Fenomenul chimic de descompunere rapidă a unui mediu exploziv, instabil din punct de vedere termo-chimic, la acțiuni exterioare, în cursul căruia energia interioară (potențială) de care dispune este transferată spre exterior prin efectuarea unui lucru mecanic de dislocare a mediului înconjurător, se numește explozie.

Explozia este un fenomen special de transformare chimică care poate lua forma detonației sau deflagrației. Încadrarea în unul sau altul din cele două fenomene se face în funcție de viteza cu care se desfășoară reacția chimică.

Detonația, este un proces de transformare chimică ce se propagă cu o viteză de ordinul miilor de metri pe secundă și care se caracterizează prin: viteză constantă, stabilă și maximă, acțiune puternică de sfărâmare-rupere în bucăți a mediului înconjurător și efect seismic foarte intens.

Viteza de propagare a procesului de transformare este superioară vitezei sunetului, în mediu exploziv.

Deflagrația, este transformarea chimică a substanțelor explozive, cu participarea numai a elementelor din structură și cu viteze de ordinul câtorva centimetri până la câțiva zeci de metri pe secundă.

Arderea este o reacție chimică desfășurată în prezența oxigenului din atmosferă, în cadrul căreia transformarea chimică se propagă pe seama transmiterii de căldură prin masa explozivului și are loc atunci când se produce încălzirea locală la temperaturi mai ridicate decât temperatura de aprindere a explozivului. Reacția de ardere se produce la viteze reduse de la fracțiuni de milimetru până la câțiva milimetri pe secundă, valorile fiind funcție de proprietățile explozivului și de factorii exteriori.

Transformarea chimică lentă reprezintă un proces care decurge la temperaturi mai joase față de temperatura de aprindere a explozivului. Transformarea chimică lentă poate determina fenomenul de autoexplozie când temperatura internă generată în faza de transformare ajunge la anumite limite.

Reacția de descompunere chimică a substanțelor explozive trebuie să se declanșeze numai în momentul dorit și sub influența unei anumite acțiuni exterioare denumite impuls inițial, care trebuie să aibă forma și intensitatea stabilite anterior.

Sub influența acestor acțiuni exterioare substanțele sunt supuse unor transformări explozive caracterizate de următorii factori fundamentali:

– Reacția chimică trebuie să fie extrem de rapidă

Remarcăm faptul că ceea ce determină puterea explozivilor nu este în realitate cantitatea mare de căldură degajată, ci rapiditatea cu care se desfășoară reacția de descompunere.

Caracteristic pentru un exploziv este transformarea extrem de rapidă sau eliberarea extrem de rapidă a energiei interne.

Pentru exemplificare luăm 1 kg de cărbune și 1 kg de trinitrotoluen (TNT) și comparăm cele două substanțe, luând în considerare câțiva parametri, pentru a evidenția marea putere a explozibilului ca urmare a modului de eliberare a energiei interne:

Energia internă disponibilă: 1 kg TNT – 4 MJ și 1 kg cărbune – 24 MJ;

Timpul de eliberare a energiei: 1 kg TNT – 10 μs și 1 kg cărbune – 2000 s;

Puterea: 1 kg TNT – 400.000 kW și 1 kg cărbune – 12 kW.

Din analiza datelor prezentate se observă că deși cărbunele conține o energie internă mai mare (24>4) pentru aceeași cantitate de substanță (1 kg) puterea sa este mult mai mică (12 << 400.000) decât a trotilului, lucru explicabil fizic prin timpul necesar eliberării acelei energii (2000 s în cazul cărbunelui și numai 10 microsecunde pentru trotil)

– Reacția chimică trebuie să degajeze o cantitate maximă de produși gazoși

Formarea de produși gazoși este unul din factorii care, imprimă procesului de transformare cu caracter exploziv. Ei sunt agenții fizici direcți, care transform energia termică în lucru mecanic.

– Reacția de descompunere trebuie să fie exotermă

Pentru explozivii utilizați în prezent în industria minieră, și în industrie în general, căldura exploziei este cuprinsă între 2900-7500 kJ (692÷1382 kcal/kg). Datorită căldurii degajate în timpul exploziei, gazele se încălzesc până la temperaturi de 1900-4500oC asigurându-se în acest mod și obținerea de presiuni foarte ridicate la valori de20.000-80.000 daN/.

– Capacitatea reacției de a se autopropagă

Autopropagarea reacției este proprietatea acesteia de a se extinde rapid, în întreaga masă a mediului exploziv. Această condiție este o consecință a rapidității reacției și al caracterului exoterm al acesteia.

Exploziile sunt însoțite de un efect sonic foarte puternic, întrucât unda detonantă care se propagă prin masa explozivului se transmite mediului înconjurător sub formă de undă sonoră.

3.1.2. Caracteristicile explozivilor

Experiența de până în prezent a arătat că este foarte dificil de a caracteriza într- un mod simplu eficacitatea unui exploziv.

Pentru a realiza acest lucru este necesară cunoașterea caracteristicilor termo- chimice, balistice, fizico-chimice și de siguranță. In grupele acestor caracteristici sunt incluse: bilanțul de oxigen; căldura, temperatura și volumul gazelor de explozie; presiunea și energia specifică; viteza de detonație; capacitatea de lucru sau potențialul explozivilor; brizanța; higroscopicitatea; rezistența la apă; încărcarea electrostatică; plasticitatea; stabilitatea fizică și chimică; sensibilitatea la detonație, etc.

Majoritatea acestor caracteristici pot fi determinate pe cale experimentală în laborator sau prin metode teoretice, pe baza cunoașterii relațiilor și reacțiilor chimice.

Având în vedere scopul acestui tratat și anume acela de a servi în primul rând practicienilor, ne vom limita în cele ce urmează să prezentăm caracteristicile nominalizate mai sus, doar informativ.

3.1.2.1. Caracterisitici termo-chimice

În grupa caracteristicilor termo-chimice sunt incluse: bilanțul de oxigen, căldura, temperatura și volumul gazelor de explozie, presiunea și energia specifică.

Aceste caracteristici pot fi determinate pe cale experimentală în laborator sau prin metode teoretice, pe baza cunoașterii reacțiilor chimice.

Bilanțul de oxigen

Substanțele explozive sunt compuși chimici organici, constituiți din carbon, hidrogen, oxigen și azot. Carbonul și hidrogenul îndeplinesc rolul de carburanți, oxigenul de oxidant, iar azotul are rolul de legare a oxigenului. Ca urmare a acestui lucru, toți explozivii industriali trebuie să fie constituiți din minim doi componenți dintre care unul va fi carburant, iar al doilea oxidant cu oxigen în exces, astfel încât după explozie să rezulte dioxid de carbon, vapori de apă și gaze care au un grad redus de toxicitate asupra personalului operativ și a celui existent în zona în care se folosesc explozivii.

Pentru cunoașterea conținutului real de oxigen în compoziția explozivilor și analiza gradului de toxicitate a gazelor formate în timpul exploziei se apelează la bilanțul de oxigen.

Reacția de transformare chimică are la bază combinarea rapidă a oxigenului cu elementele combustibile din compoziția explozivului. Diferența dintre cantitatea de oxigen existentă și cea necesară oxidării complete a tuturor elementelor combustibile din compoziția chimică a explozivului, reprezintă bilanțul de oxigen.

Ca urmare, bilanțul de oxigen poate fi egal cu zero, pozitiv sau negativ.

Bilanțul de oxigen se consideră nul, atunci când numărul atomilor de oxigen din compoziția substanței explozive este suficient pentru oxidarea tuturor carburanților. În acest caz carbonul se oxidează până la formarea CO2, iar hidrogenul până la formarea H2O.

În cazul bilanțului pozitiv (surplus de oxigen în compoziția explozivului), energia potențială a substanțelor explozive este folosită incomplet, deoarece la presiunile și temperaturile ce caracterizează fenomenele explozive, se formează oxizi de azot ale căror reacții au un caracter endoterm (absorbție de căldură), diminuând astfel energia de explozie.

În cazul bilanțului negativ, oxidarea este incompletă, ceea ce duce la o degajare mai mică a căldurii, respectiv la micșorarea energiei de derocare și la formarea oxidului de carbon. Atât oxizii de azot, cât și oxidul de carbon, formați în procesul de explozie, sunt gaze foarte toxice, cu efecte deosebit de nocive asupra organismului uman.

Pentru încadrarea unui exploziv în una din cele trei grupe, se pornește de la formula generală a unei molecule de substanță explozivă care poate fi scrisă sub forma: CxH yOzNu

în care: x reprezintă numărul atomilor de carbon;

y reprezintă numărul atomilor de hidrogen;

z reprezintă numărul atomilor de oxigen;

u reprezintă numărul atomilor de azot.

În baza raportului dintre coeficienții formulei generale, vom avea:

Explozivi cu bilanț de oxigen nul

Explozivi cu bilanțul de oxigen pozitiv

Explozivi cu bilanțul de oxigen negativ

în urma reacției apar numai produși gazoși

și în urma reacției rezultă și produse solide.

De regulă, raportul dintre cantitatea de oxigen și elementele combustibile dintr-o substanță explozivă, se exprimă prin coeficientul de oxigen A, sau prin bilanțul de oxigen, Bo.

Coeficientul de oxigen (A) este raportul dintre numărul de atomi de oxigen dintr-o moleculă de substanță explozivă și numărul de atomi necesar pentru oxidarea carbonului la dioxid de carbon și hidrogenul la apă. Valoarea lui este dată de relația:

Corespunzător celor trei grupe de substanțe explozive, coeficientul de oxigen poate avea următoarele trei valori:

A > 1 pentru substanțe explozive supraoxidate;

A = 1 pentru substanțe explozive echioxidate;

A < 1 pentru substanțe explozive suboxidate.

Bilanțul de oxigen (Bo) scoate în evidență surplusul sau deficitul de oxigen, existent în molecula substanței explozive, în raport cu necesitățile de oxidare completă a elementelor combustibile.

Bilanțul de oxigen se calculează cu ajutorul formulei:

în care:

Mo este masa atomică a oxigenului, în g;

Mex masa moleculară a substanței explozive, în g.

În calitate de oxidant folosit frecvent în rețetele explozivilor industriali, este indicat azotatul de amoniu, care pentru o masă moleculară de valoare redusă, conține oxigen în exces și îl cedează ușor în timpul reacției explozive.

Mult mai rar este folosit azotatul de sodiu sau de potasiu, care de asemenea conține oxigen în exces, dar care în timpul exploziei formează reziduuri solide și care reduc din efectul exploziei.

În multe țări se folosesc în calitate de oxidanți cloratul de potasiu sau de sodiu și percloratul de potasiu. Acești oxidanți au însă o aplicabilitate limitată datorită sensibilității lor ridicate față de acțiunile mecanice.

Caracteristicile unor substanțe chimice care conțin oxigen în exces sunt prezentate în tabelul 3.1.

Valoarea bilanțului de oxigen pentru o serie de substanțe explozive și componenți ai amestecurilor explozive este dată în tabelul 3.2.

Masele moleculare ale substanțelor care intră în compoziția explozivilor, precum și a explozivilor propriu-ziși se determină ținând seama de masele atomice ale elementelor care intră în compoziție, tabelul 3.3.

Tabelul 3.1. Substanțe chimice cu oxigen in exces

Tabelul 3.2. Bilanțul de oxigen pentru unele substanțe folosite

în compozițiile explozive și pirotehnice

Tabelul 3.3. Masele atomice ale principalelor elemente chimice

Bilanțul de oxigen în cazul amestecurilor explozive [150]

În funcție de destinație și condițiile concrete de utilizare, explozivii folosiți în scopuri industriale sunt obținuți pe baza amestecării a două sau a mai multor substanțe explozive.

Pentru explozivii pe bază de amestecuri, constituiți dintr-un compus chimic exploziv și un oxidant de tipul azotatului de amoniu, cantitatea de oxidant necesară unei reacții complete se determină cu relația:

CxHyOzNu + v(NH4NO3)

Ecuația anterioară arată că deficitul de oxigen din prima substanță este

compensat de excesul de oxigen din molecula azotatului de amoniu. Cantitatea necesară de oxidant rezultă din ecuația:

v=2x+y/2-z

În cazul amestecului a două substanțe explozive A și B, pentru calculul bilanțului de oxigen se fac următoarele notații și considerații:

– numărul de părți din substanța explozivă A, al cărei bilanț de oxigen este pozitiv și egal cu +%;

– numărul de părți din substanța explozivă B, al cărei bilanț de oxigen este negativ și egal cu -%.

Pentru calculul bilanțului de oxigen al amestecului de exploziv menționat mai sus folosim următoarea relație:

Măsurile de protecția muncii, din industrie, impun realizarea de amestecuri explozive optime a căror reacție de transformare să nu conducă la formarea de produși de explozie cu acțiune nocivă, așa cum sunt oxidul de carbon, oxizii de azot, precum și hidrogenul sulfurat.

Practic, pentru satisfacerea acestei cerințe, se recurge la formarea unor amestecuri de substanțe explozive, unele cu exces și respectiv altele cu deficit de oxigen. Explozivii obținuți trebuie să aibă, în mod obligatoriu, bilanțul de oxigen nul sau apropiat de această valoare.

Pentru a face calculul unui amestec de exploziv se fac următoarele considerații:

-Substanța explozivă A, al cărei bilanț de oxigen este pozitiv și egal cu + %, urmează să fie amestecată cu o altă substanță B, al cărei bilanț de oxigen este negativ si egal cu – %.

-Este necesar să se pregătească 1000 g amestec exploziv al cărui bilanț de oxigen să fie nul. În acest scop luăm părți din substanța explozivă A și părți din substanța explozivă B.

Pentru ca bilanțul de oxigen al amestecului exploziv rezultat să fie nul, trebuie îndeplinite următoarele condiții:

PA+=1000

– = 0

Din prima ecuație rezultă =1000- și prin înlocuire în ecuația a doua obținem:

(1000-)-

Făcând calculele și înlocuirile necesare se obțin următoarele expresii:

;

Pentru formarea amestecului exploziv propus trebuie luate

părți din substanța A și părți din substanța B.

În procente, pentru formarea amestecului se vor lua parți substanță A și părți substanță B.

Raportul între greutățile părților componente, cu bilanțul de oxigen negativ – și pozitiv +, pentru obținerea unui amestec cu bilanț de oxigen nul, este dat de relația:

în care:

– cantitatea de părți de greutate ale substanței cu bilanțul de oxigen pozitiv,

necesar pentru oxidarea completă a unei părți de substanță având un bilanț de

oxigen negativ.

Conținutul procentual al substanței cu bilanțul de oxigen pozitiv se determină cu ajutorul relației:

=100-%

Ținând seama de raportul greutății , putem determina valoarea lui :

În majoritatea cazurilor se impune, funcție de necesități, valoarea bilanțului de oxigen – pozitivă sau negativă. Pentru calculul părților de substanțe ce formează amestecul, sunt folosite relațiile:

în care:

– valoarea bilanțului de oxigen, în procente, impusă de necesități.

Explozivii minieri trebuie să fie caracterizați printr-un bilanț de oxigen ușor pozitiv pentru a compensa deficitul de oxigen al învelișului de hârtie parafinată în care sunt ambalate cartușele.

Volumul gazelor toxice de explozie

Gazele care se produc atunci când detonează un exploziv sunt: bioxid de carbon, azot și vapori de apă, nici unul dintre aceștia nefiind toxic. În practică această situație ideală nu se întâlnește aproape niciodată, la fiecare împușcare

producându-se și monoxid de carbon, precum și bioxid de azot, care sunt toxice. Ca urmare, trebuie acordată o mare importanță conceperii explozivilor pentru lucrările de împușcare în subteran, unde aceștia trebuie să se comporte satisfăcător în condiții diferite de încărcare, ținând seama de mediul închis în care se execută lucrările și condițiile care se schimbă de la un loc de muncă la altul.

Cu cât reacția de descompunere explozivă este mai completă, cu atât ne apropiem mai mult de modelul ideal de exploziv și procentajul de gaze toxice este menținut la un nivel minim.

Trebuie totuși să se țină seama de faptul că până și emanațiile ideale post- detonație care nu sunt toxice, au un deficit de oxigen și trebuie diluate cu aer proaspăt înainte de a fi respirabile. Astfel, aerajul este singura modalitate de asigurare a unei atmosefere normale de lucru.

Anumite tipuri și clase de explozivi produc mai puține gaze toxice decât altele. În aceleași condiții de mediu (secțiunea transversală a galeriei, aeraj, temperatură, umiditate etc.) gazele produse de explozivi diferiți prezintă atmosfere miniere diferite la locurile de împușcare. Astfel, timpul de dispersie și intervalul de așteptare obligatoriu înainte de revenirea la locul de muncă unde s-a efectuat împușcarea variază în funcție de explozivul utilizat.

Revenind asupra problemei, se poate arăta că în urma exploziei se degajă în atmosfera minei gaze – oxid și bioxid de carbon, oxizi de azot, hidrogen sulfurat, bioxid de sulf, vapori de apă și mercur etc., care au diferite grade de toxicitate.

În calculele care se fac se include suma gazelor toxice, ținând seama de gradul lor de toxicitate, motiv pentru care se apelează la conversia în oxid de carbon, care reprezintă de fapt recalcularea toxicității gazelor în raport cu toxicitatea oxidului de carbon luat ca etalon de comparație.

Determinarea gazelor nocive rezultate prin explozie se efectuează în camera blindate speciale, fig 3.1., cu un volum bine determinat, prevăzute cu:

omogenizator pentru uniformizarea atmosferei gazoase după explozie;

trapă de închidere etanșă;

robinete pentru colectarea gazelor toxice rezultate după explozie.

Tehnica de lucru pentru determinarea volumului de gaze toxice pentru un exploziv este următoarea:

o cantitate de 200 g exploziv amorsată cu o capsă electrică, se introduce în canalul mortierului sau în țevi de oțel cu diametrul interior cât mai apropiat de diametrul încărcăturii explozive, care se burează la ambele capete;

se leagă reoforii capsei electrice la bornele din interiorul camerei blindate;

Fig. 3.1. Camera blindată; 1-blindaj metalic; 2-beton; 3-trapă de închidere etanșă; 4-mortier cu canal central;

5-omogenizator; 6-robinet pentru colectarea gazelor toxice.

se închide trapa de acces în camera blindată;

se inițiază din exterior încărcătura explozivă din camera blindată;

se omogenizează, după detonație, atmosfera gazoasă din cameră;

se colectează prin robinete – în fiole de sticlă – probe de gaze toxice, pentru analize sau analizele se fac pe loc cu aparatură performantă;

se determină în laborator conținutul de gaze toxice în procente-volum.

Notând cu:

V – volumul camerei blindate (l)

m – masa probei de exploziv testat (kg)

x – conținutul de CO (%)

y – conținutul de NOx (%)

algoritmul determinării volumui de gaze toxice în CO convențional va fi următorul:

1. Se determină volumul de gaze toxice corespunzător volumului camerei

blindate:

2. Se determină volumul de gaze toxice corespunzător pentru 1 kg de exploziv:

3. Se determină coeficientul de transformare a oxizilor de azot în monoxid de carbon funcție de CMA (conținutul maxim admis) corespunzător:

4. Se determină volumul de gaze toxice în CO convențional:

În literatura de specialitate se menționează că sunt acceptate pentru lucrările din subteran explozivi cu exploziv la minele de minereuri; exploziv la minele de cărbuni; exploziv la minele de sare.

Așa după cum s-a arătat mai înainte expozivii suboxigenați conduc la un exces de monoxid de carbon, iar explozivii supraoxigenați conduc la un exces de oxizi de azot.

Ecuațiile transformării explozive

Reacția de transformare explozivă a oricărei substanțe este influențată de:

Temperature și presiunea la care are loc transformarea explozivă;

Procedeul de declanșare a reacției;

Densitatea substanței explozive;

Cantitatea de oxigen conținută în molecula de exploziv;

Cantitatea de carbon și hidrogen ce se poate oxida cu oxigenul conținut.

Majoritatea substanțelor explosive sau amestecurilor de substanțe sunt formate din C, H, O și N. În urma reacțiilor de transformare explozivă se formează de regulă, produși stabili ca și C în diferite proporții, precum și cantități mici de alți produși de explozie care se neglijează.

Studiul reacțiilor chimice implică stabilirea ecuației tranformării explozive, adică determinarea cantitativă a compoziției produșilor de explozie.

Cunoscând ecuația de transformare explozivă se pot calcula cele mai importante caracteristici termochimice și explozive, așa cum sunt: căldura de explozie, volumul produșilor gazoși și temperatura de explozie. De exactitatea sau aproximația cu care este stabilită ecuația reacției chimice, depinde și precizia calculului caracteristicilor substanței explozive.

Pentru calculul ecuației de transformare explozivă, considerăm o substanță explozivă care are formula generală . Compoziția produșilor de explozie depinde de relația care există între mărimile x, y, z și u. Funcție de acest considerent, precum și de raportul care există între atomii de oxigen și atomii combustibili, ecuațiile de transformare explozivă pot avea patru forme:

1) Dacă molecula de substanță explozivă conține mai mult oxigen decât este necesar oxidării complete a atomilor combustibili, adică:

atunci ecuația de transformare explozivă va avea următoarea formulă generală:

Egalând numărul de atomi ai produșilor de explozie cu cei din molecula de substanță explozivă obținem:

Făcând înlocuirile necesare obținem:

Cunoscând valoarea numărului de atomi ai produșilor de explozie, putem stabili ecuația transformării explozive:

Pe baza calculului de mai sus se poate stabili ecuația de transformare explozivă a oricărei substanțe care îndeplinește condițiile menționate.

2) Dacă molecula de substanță explozivă conține cantitatea de oxigen egală cu cea necesară oxidării complete a atomilor combustibili, adică:

atunci ecuația de transformare explozivă va avea următoarea formulă generală:

unde:

Făcând înlocuirile necesare obținem:

Atunci reacția chimică are loc după următoarea ecuație de transformare explozivă:

3) Dacă molecula de substanță explozivă nu conține cantitatea de oxigen necesară oxidării complete a elementelor carburante, dar este suficientă pentru transformarea acestora în produși gazoși, adică:

Atunci ecuația de transformare explozivă va avea următoarea formă:

unde:

Făcând înlocuirile necesare obținem:

atunci reacția chimică are loc după următoarea ecuație de transformare explozivă:

4) Molecula de substanță explozivă nu conține cantitatea de oxigen necesară transformării în gaz a elementelor carburante, adică:

În acest caz se poate forma carbon solid sub formă de fum, dacă , iar ecuația va avea următoarea formă:

atunci:

Făcând înlocuirile necesare obținem:

atunci reacția chimică are loc după următoarea ecuație de transformare explozivă:

Calculul ecuațiilor menționate mai sus este aproximativ. Calculele precise se pot face prin metode special care țin seama de echilibrul de disociere a apei, oxidului de carbon și a gazului de apă, precum și de presiunea și temperatura de reacție.

Căldura de explozie

Căldura de explozie sau căldura de transformare explozivă reprezintă cantitatea de energie pe care o degajă 1 kg sau 1 moleculă de substanță explozivă, la volum constant, exprimată în kcal/kg sau kcal/mol. Energia exploziei este un parametru care se poate deduce indirect și teoretic din compoziția explozivului sau poate fi măsurată direct din punct de vedere calorimetric. Când se efectuează o explozie la presiune constantă și singurele fenomene care au loc sunt fie expansiunea, fie comprimarea, prima lege a termodinamicii stabilește că:

Qexpl = – (UexpI+P·V)

în care:

Qexpl – căldura degajată de explozie;

Uexpl – energia internă a explozivului;

P – presiunea;

V – volumul.

Întrucât Uexpl+P·V se referă la conținutul de căldură sau ENTALPIA “Hp”, atunci se poate scrie:

Qexpl=-·Hp

Astfel, căldura exploziei la presiune constantă este echivalentă cu transformarea în entalpie și se poate determina prin stabilirea echilibrului termic al reacției, înmulțind căldurile de formare a produșilor finali cu numărul de molecule ale acestora, din suma cărora se scade căldura de formare a explozivului.

Deci:

Căldura degajată la presiune constant nu prezintă interes tehnic deoarece procesul de detonare are loc la volum constant.

Astfel, pentru a calcula căldura de explozie la volum constant, se adaugă la căldura degajată la presiune constant valoarea

Deci:

în care:

– numărul de moli de produși gazoși rezultați din explozie; 0,58 lucrul mecanic de destindere a gazelor la 1 atm., exprimat în kcal/mol. Dacă se dorește ca în locul căldurii degajate de un mol de substanță să se afle căldura degajata de 1 kg de substanță explozivă, atunci se va folosi relația:

în care Mex este greutatea moleculară a explozivului.

Dacă printre produsele exploziei sunt și produse solide cum ar fi de exemplu SiO2, Al2O3, cloruri, carbonați etc, căldura rezultată în urma reacției se folosește și la topirea acestor produse în prima fază a exploziei. Din acest motiv, căldura totală calculată trebuie micșorată cu căldura necesară topirii produselor solide.

Față de cele de mai sus, mai mult sugestiv pare a fi calculul căldurii de explozie pe baza legii lui Hess, potrivit căreia efectul termic al unei reacții depinde numai de starea inițială și finală a sistemului, fiind deci independent de calea urmată în reacție.

Prin urmare, pentru o reacție chimică căldura degajată este aceeași, fie că reacția decurge direct, fie că aceasta trece prin etape intermediare.

Legea lui Hess rezultă din prima lege a termodinamicii, iar aplicarea ei la specificul reacțiilor chimice explozive are în vedere faptul că însuși elementele componente ale explozivului reprezintă starea inițială a sistemului, iar cea finală sunt produsele de explozie.

În tabelele nr. 3.4. și 3.5. sunt prezentate căldura de formare a unor substanțe explozive și compușii rezultați în urma exploziei și căldura de explozie a unor substanțe explozive.

Tabelul 3.4 Greutatea moleculară, bilanțul de oxigen și căldura de formare a unor substanțe explozive și a unor compuși rezultați în urma exploziei

Tabelul 3.5. Căldura de explozie a unor substanțe explozive

Deci potrivit legii lui Hess:

Qexpl=QPE-QFE (Kcal/g.mol)

În consecință, căldura exploziei (Qexpl) este egală cu diferența dintre căldura de formare a produselor de explozie (QPE) și căldura de formare a explozivului(QFE).

Căldurile luate în considerație în ecuația de mai sus sunt exprimate în kcal/g.mol.

Așadar, alcătuind ecuația chimică de transformare explozivă, căldura de explozie a explozivului (Qexpl) va fi egală cu suma căldurilor de formare a produselor rezultate din reacție (QPE) minus suma căldurilor de formare a substanțelor care intră în reacție (QFE).

Valoarea căldurilor de formare a produșilor de explozie QPE se calculează astfel:

• Dacă formula generală a unui exploziv este CxHyOzNu care se descompune la temperatura de explozie conform ecuației:

CxHyO2Nu→ n1CO2+n2CO+n3H2+n4H2O+n5N2

atunci:

unde:

n1, n2, n3, n4 – numărul moleculelor pentru fiecare component al produselor de

explozie;

q – căldura de formare corespunzătoare compușilor de explozie rezultați, kcal/mol sau kJ/mol, tabelul 3.6.

Tabelul 3.6 Căldurile de formare (QPE=qp) ale produșilor de explozie,

în stare standard, p=constant, t=25°C

Căldura de explozie reprezintă parametrul cel mai important al explozivului și cel mai indicat pentru aprecierea eficacității lui. Cu cât căldura de explozie este mai mare, cu atât produsele de explozie vor fi mai puternic încălzite, fiind capabile să efectueze un lucru mecanic superior.

Cunoașterea valorii căldurii de explozie (Qexpl) a substanțelor explozive are o mare importanță atât teoretică, cât și practică. Ea constituie elementul de bază pentru calculul temperaturii de explozie, al lucrului mecanic realizat în urma procesului de transformare explozivă, a brizanței substanțelor explozive, precum și al altor caracteristici.

Cantitatea de căldură de formare a unor compuși chimici frecvent folosiți în fabricarea explozivilor este dată în tabelul 3.7.

Pentru corelarea căldurii de explozie (Qexpl) cu eficiența împușcării se uzează

de noțiunea de concentrarea volumetrică a energiei (Qo):

Qo = Qexpl (kJ/dm3)

unde:

– densitatea de încărcare, kg/dm3.

Concentrarea volumetrică a energiei poate fi sporită prin:

– utilizarea de explozivi cu căldură de explozie și densitate mare;

– creșterea densității de încărcare în găuri.

Temperatura de explozie

Temperatura de transformare explozivă sau temperatura de explozie este temperatura maximă la care se încălzesc produșii de transformare explozivă pe seama căldurii de explozie.

Cunoașterea temperaturii de explozie este esențială în cazul explozivilor folosiți în minele cu pericol de gaze și praf de cărbune.

Deoarece determinarea experimentală a temperaturii este foarte dificilă de regulă, temperatura de explozie se determină prin calcul.

Calculul temperaturii maxime, la care se încălzesc produșii de transformare explozivă, se bazează pe următoarele ipoteze:

• procesul de transformare explozivă are loc la volum constant, căldura de explozie consumându-se în întregime pentru încălzirea produșilor de explozie;

• la sfârșitul transformării explozive, produșii rezultați au o temperatură relativ uniformă, ei aflându-se în stare de repaus, iar energia lor cinetică fiind nulă.

La calculul temperaturii de explozie se admite așadar că explozia este un proces adiabatic la volum constant, cantitatea de căldură degajată consumându-se numai pentru încălzirea produselor de explozie. Conform celor de mai sus, temperatura de explozie se calculează cu relația:

Q exp l = C V t (kcal/kg)

în care:

t – temperatura de explozie, oC;

– căldura specifică medie a produselor de explozie, KJ/kgoC; (cal/kgoC).

Tabelul 3.7 Compoziția atomică, căldura specifică de explozie și căldura de formare a câtorva substanțe

Căldura specifică medie a produselor de explozie depinde de temperatură, această dependență exprimându-se printr-o serie de puteri de forma:

În calculele practice se utilizează numai primii termeni, cunoscându-se că dependența căldurii specifice de temperatură este liniară, adică:

C = a+bt (cal/mol.grad)

unde:

a și b – coeficienți empirici ale căror valori depind de natura produselor de explozie (tabelul 3.8).

Tabelul 3.8. Valorile coeficienților empirici "a" și "b" ai câtorva produși

rezultați din descompunerea unor substanțe explozive

Introducându-se valoarea lui CV în ecuația lui Q se obține:

Qexpl = (a+bt)

de unde: b t 2+ at – Q expl = 0

T = t + 273 (°K) (grade Kelvin)

Ținând seama că produsele de explozie sunt constituite dintr-o mulțime de molecule, în mod exact expresia lui "t" va fi:

în care:

reprezintă valoarea sumei coeficienților.

Pentru calculul temperaturii de explozie, folosind această formulă, este necesar să se cunoască ecuația de transformare explozivă, compoziția produselor de explozie și căldura de explozie Qexpl.

În situația când căldura de explozie este cuprinsă între 500 și 1300 kcal/kg, calculul temperaturii de explozie se poate face și după formula lui Tavernier.

Te = 423+2,76 Qexpl (°K)

în care:

Qexpl – căldura de explozie în kcal/kg.

O altă cale de urmat în stabilirea temperaturii de explozie este expusă în cele ce urmează.

În cazul unei arderi, temperatura absolută este dată de următoarea relație:

unde:

Qexpl – căldura degajată la volum constant;

mr – greutatea în kilograme a fiecărui produs din reacție;

ce – căldura specifică la temperatura Te.

Deoarece ce= f(Te), Kast și Beyling au determinat și publicat câteva funcții ale lui ce=a-b/Te, pentru produsele exploziei, stabilind și următoarele relații:

de unde:

deci:

Funcțiile pentru produsele exploziei sunt:

vapori de apă…..…………………………… (0,943-1153/T) kcal/kg

azot…..………………………………………… (0,234-49/T) kcal/kg

oxigen…..…………………………………….. (0,212-34,4/T) kcal/kg

monoxid de carbon …..……………………… (0,246-67,7/T) kcal/kg

dioxid de carbon…..……………………….. (0,290-87,8/T) kcal/kg

Pentru produsele solide, influența temperaturii este mai mică și se poate neglija, luând totuși în calcul următoarele valori:

CINa…..…………………………….. 0,219 kcal/kg

SiO2…..……………………….. …….. 0,190 kcal/kg

A12O3 …..………………………….. 0,200 kcal/kg

CO3Na2 …..………………………… 0,362 kcal/kg

CO3Ca …..………………………….. 0,320 kcal/kg

MnO …..……………………………. 0,201 kcal/kg

CO3K2 …..………………………….. 0,278 kcal/kg

ClK …..……………………….. ……… 0,172 kcal/kg

CaO …..……………………….. ……… 0,228 kcal/kg

Fe2O3 …..…………………………… 0,145 kcal/kg

Stabilirea pe cale experimentală a temperaturii produselor de explozie se poate face cu ajutorul analizelor spectrale.

Volumul gazelor de explozie

Cantitatea de gaze formate în urma reacțiilor chimice explozive constituie o caracteristică foarte importantă pentru aprecierea capacității de lucru a explozivilor.

Gazele de explozie sunt agenți fizici prin intermediul cărora energia termică degajată de explozivi se transformă în lucru mecanic.

Volumul produșilor de explozie poate fi calculat prin mai multe metode.

În continuare se prezintă două metode de calcul:

Calculul volumului Vo cunoscând ecuația de transformare explozivă;

Calculul volumului Vo cunoscând bilanțul de oxigen precum și masa atomică a elementelor care intră în compoziția substanței explozive.

Prin ambele metode se determină volumul produșilor gazoși rezultați ca urmare a transformării explozive a 1 kg de exploziv în condiții normale – 760 mmHg și 0oC – fapt ce permite aplicarea legii lui Avogadro.

Potrivit legii lui Avogadro, gazele reduse în condiții normale de temperatură și presiune (0oC și 760 mmHg) dispun de același volum molecular – 22,4 l/mol sau m3/kmol.

În aceste condiții produșii solizi nu sunt luați în considerare – volumul lor fiind neglijabil – iar apa se consideră gaz.

Calculul volumului Vo cunoscând ecuația de transformare explozivă

Volumul de gaze care rezultă în urma exploziei unui kg de substanță explozivă, denumit volum specific (Vo) se calculează cu relația:

(l/kg)

∑n – suma numărului de moli ai produselor de explozie

Mx – masa moleculară a substanței explozive.

Dacă considerăm un amestec format din mai multe substanțe explozive, putem scrie ecuația de transformare explozivă sub forma:

atunci volumul specific (Vo) este dat de relația:

(l/kg)

unde:

m1, m2, …, mk – numărul de moli ai substanțelor ce intră în compoziția amestecului exploziv;

n1, n2, …, nk – numărul de moli ai produșilor de explozie;

M1, M2, …, Mk – masele moleculare ale substanțelor ce formează amestecul exploziv;

N1, N2, …, Nk – masele moleculare ale produșilor de explozie.

Dacă se consideră volumul gazelor la temperatura la care se desfășoară transformarea explozivă, atunci se obține așa-numitul volum real al gazelor de explozie (VE), care se calculează ținând cont de fenomenul de dilatare a gazelor:

(l/kg)

unde:

α – 1/273 – coeficientul de dilatare;

TE – temperatura de explozie, oK.

Acest volum este mult mai mare decât cel inițial (specific), ceea ce face posibilă realizarea unui lucru mecanic prin destinderea gazelor până la presiunea atmosferică.

Calculul volumului Vo cunoscând bilanțul de oxigen precum și masa atomică a elementelor ce intră în compoziția substanței explozive.

Calculul volumului Vo pentru explozivii supraoxigenați

Calculul volumului Vo pentru o substanță explozivă cu bilanțul pozitiv de oxigen, adică z >2x+y/2. În acest caz produșii de explozie sunt formați, de regulă din CO2, H2O, O2 și N2.

Ecuația de transformare a unei substanțe ce aparține grupei de explozivi supraoxigenați, de formă generală CxHyOzNu, are următoarea formulă:

iar volumul specific de gaze este dat de relația:

(l/kg)

Valorile lui y, z și u, corespunzătoare substanței explozive în cauză sunt date în tabelul 3.7.

Calculul volumului (Vo) pentru explozivi din grupa suboxigenați se face astfel:

Substanțele explozive cu bilanțul negativ de oxigen, adică cele care satisfac condiția:

x+y/2<z<2x+y/2

formează următorii produși de explozie: CO2, CO, H2O, H2 și N2.

Ecuația de transformare a unei substanțe explozive, de formă generală CxHyOzNu, ce aparține acestei grupe, are următoarea formulă:

iar volumul specific de gaze este dat de relația:

(l/kg)

Valorile lui x, y, și u, corespunzătoare substanței explozive în cauză, sunt date în tabelul 3.7.

Cunoscând relațiile de calcul putem să calculăm volumul și covolumul produșilor de explozie.

Volumul gazelor degajate în urma exploziei permite estimarea părții din energia explozivului care va fi transmisă mediului înconjurător prin acțiunea gazelor. Volumul gazelor variază de la aproxinativ 600 l/kg pentru anumite emulsii până la aproape 1000 l/kg pentru azotat de amoniu și motorină.

În anumite cazuri este folosit un coeficient sintetic de echivalență care asociază energia totală eliberată de exploziv și volumul de gaze cu ajutorul formulei:

în care:

E0=4850 kJ/kg și V0=850 l/kg – parametrii unei explozii de referință.

Coeficientul de echivalență are valoarea de 0,8 – 0,9 pentru azotat de amoniu cu motorină, de 0,95 pentru dinamită și 1,0 – 1,2 pentru emulsii.

Presiunea gazelor de explozie

La studiul acestei caracteristici interesează în primul rând presiunea specifică, prin care se înțelege presiunea care se atinge când 1.000 kg de exploziv este detonat într-un spațiu de 1.000 l, presupunându-se că gazele rezultate se supun legii gazelor perfecte.

Valoarea presiunii specifice se exprimă în MPa și este un factor important în stabilirea efectelor presiunii gazelor de explozie.

Presiunea produșilor de explozie este una din principalele caracteristici energetice ale explozivilor. Ea poate fi determinată prin calcul sau experimental.

În baza celor două forme principale de transformare explozivă se disting două noțiuni esențiale deosebite: presiunea de deflagrație și presiunea de detonație.

Presiunea de deflagrație este caracteristică proceselor de transformare explozivă a pulberilor explozive. Această presiune este creată de produșii gazoși într-un spațiu închis, complet sau parțial. De regulă această formă de presiune acționează uniform în toate direcțiile și are valori de ordinul miilor de atmosfere.

Presiunea de detonație este caracteristică proceselor de transformare, sub formă de detonație, a explozivilor de amorsare secundară și industriali. Ea prezintă o creștere rapidă de ordinul sutelor de mii de atmosfere și se manifestă sub fora unei unde de șoc.

Pentru calculul presiunii produșilor de explozie se poate pleca de la legile gazelor ideale deduse din teoria cinetică pe baza celor două premize importante:

volumul molecular este neglijabil în comparație cu volumul total al gazelor;

moleculele nu exercită atracție între ele.

Orice gaz care manifestă abatere de la aplicarea ecuației de stare a gazelor perfecte: pV = nRT, este un gaz real.

Pentru gazele reale, Van der Waals a stabilit o relație care reprezintă o modificare a ecuației de stare a gazelor ideale, în ceea ce privește presiunea și volumul:

Ecuația Van der Waals redă mai bine legea Boyle-Mariotte – relația presiune-volum la presiuni mari și temperaturi joase. Valorile pentru V la presiuni mari, calculate după această lege, diferă totuși mult, față decele determinate experimental. Ca urmare, ecuația lui Van der Waals nu este aplicabilă în inginerie.

Experimental s-a stabilit că formulele de calcul, determinate plecând de la considerentul că produșii de explozie se supun legilor gazelor ideale, sunt valabile pentru presiuni care nu depășesc câteva mii de atmosfere. Pentru presiuni mai mari, acestea nu mai sunt valabile.

Pentru a rezolva acest deziderat au fost propuse numeroase alte ecuații de stare care redau aproape exact relația presiune-volum, în condiții neideale.

În domeniul nostru de activitate presiunea de explozie este presiunea pe care gazele rezultate din descompunerea unei substanțe explozive o exercită asupra pereților golului în care are loc explozia. Ea se poate determina cunoscând volumul gazelor de explozie, temperatura absolută a gazelor de explozie și densitatea de încărcare a explozivului, după relația:

(kg/cm2) sau (daN/cm2)

în care:

Po – presiunea corespunzătoare stării normale, fizice: Po = 1,033 kgf/cm2 pentru presiunea de 760 mmHg și temperatura de 0oC sau 273 oK;

Vo – volumul gazelor de explozie la temperatura de 0oC și presiunea de 760 mmHG;

T – temperatura absolută a gazelor de explozie (grade Kelvin), T = t + 273 oK;

Δ – densitatea de încărcare a unei găuri de mină, g/cm3. Δ = G/V (g/cm3), unde G este greutatea explozivului și V volumul găurii de mină.

În situațiile utilizării explozivilor sub formă de șlamuri sau amestecuri simple granulate de tipul Nitramoniului, când coeficienții de umplere a găurilor de mină este egal cu unu, iar densitatea de încărcare Δ = ρ = 1/Vo în care ρ este densitatea explozivului iar Vo este volumul specific al explozivului, se recomandă ca presiunea medie PM să fie calculată cu relația:

(daN/cm2)

în care:

Qexpl – căldura de explozie, kcal/kg;

k – indicele adiabatei produselor de explozie.

– raportul căldurilor specifice a gazelor de explozie la presiune constantă (Cp) și respectiv la volum constant (Cv);

α = 0,001 Vo – covolumul gazelor de explozie, dm3 în care Vo este volumul gazelor care rezultă prin detonarea unui kg de exploziv, dm3;

– volumul specific al explozivului rezultat din expresia , în care Δ este densitatea explozivului întrebuințat.

Presiunea de explozie P, mai poate fi calculată și cu ajutorul relației:

(barr)

în care:

ρ – densitatea substanței explozive, g/cm3;

D – viteza de detonație, cm/s.

Valorile teoretice ale presiunii de detonație merg de la 5 GPa pentru azotat de amoniu cu motorină până la 20 GPa pentru dinamită.

Presiunea gazelor de explozie asociată cu viteza reacției chimice caracterizează efectul de sfărâmare-dislocare a explozivilor. Presiunea gazelor de explozie depinde hotărâtor de temperatura gazelor de explozie, de volumul și compoziția acestora, și în deosebi de densitatea de încartușare a explozivului. Creșterea densității cartușului cu aproximativ 40 % determină o creștere a presiunii gazelor de explozie de aproape 3 ori.

Forța explozivului

Forța explozivului se definește ca lucrul mecanic pe care l-ar putea efectua gazele rezultate din transformarea explozivă a unie unități de masă de exploziv, dacă acestea ar fi lăsate să se destindă la presiunea atmosferică și temperatura T. Ea se exprimă prin relația:

(J/kg) sau (kg.m/kg)

unde:

n – suma moleculelor produselor de explozie;

R = 8,31 J/mol.oK – constanta gazelor.

Din cele de mai sus rezultă că denumirea de forță este convențională și nu se exprimă în unități de forță ci în unități de lucru mecanic sau energie mecanică.

De altfel, definirea forței explozivului se poate face plecând și de la expresia presiunii în cazul comportării ideale a produselor de explozie.

În această relație produsul reprezintă forța explozivului (f) și ca urmare:

(J/kg)

Din relația de mai sus rezultă că forța explozivului reprezintă lucrul mecanic pe care îl poate dezvolta presiunea gazelor de explozie când densitatea de încărcare este egală cu unitatea. Acesta este motivul pentru care deseori forța explozivului este cunoscută și sub denumirea de energie (presiune) specifică.

Pentru definirea forței explozivilor se poate pleca de la volumul specific Vo al produșilor gazoși de explozie și de la temperatura de explozie T folosind următoarea relație:

(kg.dm/kg)

în care:

Po – 103,32 daN/cm2 – presiunea atmosferică;

Vo – volumul specific de gaze, dm3/kg;

T – temperatura de explozie, oK;

n – suma moleculelor produselor de explozie;

R = 8,31 J/mol.oK – constanta gazelor.

Făcând înlocuirile și calculele necesare obținem:

(kg.dm/kg)

Energia minimă disponibilă a explozivului

Energia minimă disponibilă a unui exploziv (parametru sintetic) este cantitatea de lucru mecanic care poate fi realizat de produsele de explozie atunci când presiunea exterioară (de rezistență) rămâne constantă la valoarea de 1 atm.

De exemplu, când detonează nitroglicerina, volumul molecular crește de peste 700%, în timp ce presiunea de rezistență rămâne constantă.

Ecuația diferențială care definește lucrul mecanic efectuat prin presiunea gazelor este:

unde:

Fe – mărimea forței;

dl – pârghia forței.

Întrucât forța este egală cu presiunea pe unitatea de suprafață, atunci:

dar, deoarece As reprezintă cuantificarea volumului produselor gazoase iar P rămâne constant, se poate scrie:

sau

în care:

We – lucrul mecanic efectuat prin compresiunea produselor gazoase;

P – presiunea (rămâne 1 atm.);

V1 – volumul explozivului;

V2 – volumul produselor gazoase ale exploziei.

Deoarece volumul explozivului V1 este neglijabil față de volumul gazelor produse, cantitatea de lucru mecanic disponibil va fi dată de relația:

(litri-atm sau kgm)

În cazul unui gram-mol de nitroglicerină, substituirea în ecuația de mai sus va conduce la:

Această cantitate de lucru mecanic se consideră a fi energia minimă disponibilă.

3.1.2.2. Caracteristicile balistice ale explozivilor

Principalele caracteristici balistice ale explozivilor sunt: viteza de detonație; acțiunea detonației la distanță; energia potențială sau capacitatea de lucru; puterea în echivalent trotil și brizanță.

Viteza de detonație

Explozivii industriali sunt formați dintr-un amestec de compuși, unii combustibili, alții oxidanți, care atunci când inițierea este corectă, produce o reacție exotermă aproape instantanee care generează o serie de produse gazoase cu temperatură ridicată și care sunt stabili din punct de vedere chimic.

Reacțiile chimice de descompunere a unui exploziv se pot propaga prin masa acestuia cu viteze diferite. În funcție de valoarea vitezei de descompunere a explozivului, pot exista: reacții de transformare chimică lentă, deflagrare și detonație.

Transformarea chimică lentă poate fi definită ca o reacție chimică capabilă se degaje căldură, percepută sau nu de simțurile noastre. Ea decurge la o temperatură mai joasă față de temperatura de aprindere a explozivului.

Deflagrația este un proces exotermic în care transmiterea reacției de descompunere se bazează în principal pe conductibilitatea termică. Frontul deflagrației avansează prin exploziv în straturi paralele cu viteză mică, ce nu depășește de regulă 1000 m/s.

Pentru scopurile producției, de cea mai mare importanță este detonația, întrucât numai sub această formă de propagare a reacției chimice se poate asigura degajarea energiei maxime a explozivului și deci efectuarea lucrului mecanic maxim.

Detonația este un proces fizico-chimic caracterizat de o viteză mare de reacție și de formarea unor cantități mari de produse gazoase la temperaturi ridicate, lucru care duce la formarea unei forțe mari de rupere și dislocare a rocii.

În fig. 3.2. este arătată corelația între felul reacției produse în masa explozivului, timp și viteza fenomenului.

Deci detonația este o reacție chimică exotermă care se propagă prin masa explozivului extrem de rapid, cuplată cu o undă de șoc.

În frontul undei de șoc se dezvoltă presiuni de valori foarte ridicate, care cresc instantaneu sub formă de salturi, concomitent cu modificarea stării inițiale a explozivului și creșterea extrem de rapidă a temperaturii.

Datorită transformărilor termochimice în spatele undei dinamice (0), fig. 3.2 se formează zona reacțiilor chimice (Z2) și zona produselor de explozie, la o temperatură cuprinsă între 1000 și 4000 oC și o presiune de 1000-2500 MPa.

Viteza de detonație este cuprinsă între 1000 și 8000 m/s, cel mai adesea între 2000 și 7000 m/s pentru cei mai frecvenți explozivi folosiți în domeniul mineritului.

Pentru interpretarea fenomenului fizic al detonației s-au formulat diferite terorii din care teoria hidrodinamică a fost acceptată în unanimitate, având în vedere similitudinea dintre modul ei de propagare prin substanța explozivă cu propagarea unui fluid sub presiune.

Primele investigații care au atribuit undelor dinamice un rol determinant în declanșarea și desfășurarea exploziei au fost începute în anul 1883 de Berthelot.

În baza cercetărilor efectuate s-a ajuns la concluzia că mecanismul detonației cuprinde trei etape:

comprimarea mecanică a fiecărei molecule din substanța explozivă realizată de un impuls dinamic;

descompunerea termică a fiecărui strat din structura explozivului, până la temperaturi foarte ridicate, când datorită rapidității reacției chimice, procesul de comprimare dinamică se desfășoară fără schimb de căldură în mediul înconjurător (comprimarea adiabatică);

descompunerea substanței explozive este exotermă datorită acțiunii temperaturilor foarte ridicate.

Teoria hidrodinamică admite ipoteza potrivit căreia unda de șoc acționează în masa explozivului datorită impulsului pe care-l dezvoltă un impuls exterior, cum ar fi explozia unei capse detonante. Energia acestei unde activează primele strate ale explozivului pe care le încălzește la temperaturi ridicate provocând începerea reacției explozive, cu descompunerea moleculelor explozivului în atomi și radicali – fenomen însoțit de degajarea unei mari cantități de energie și formare de gaze. Energia produselor dată de reacția chimică explozivă din primele strate de exploziv, provoacă la rândul lor asupra următoarelor particule de exploziv, o acțiune analogă capsei detonante, determinând în acest mod propagarea reacțiilor chimice și a undei dinamice de șoc. Atât produsele de explozie cât și unda dinamică dispun de o presiune ridicată și sunt transmise particulelor alăturate sub formă de șocuri sau impulsuri dinamice, capabile să modifice starea inițială a explozivului cu o presiune Po și volumul specific Vo într-o stare finală P1V1.

Caracteristic procesului de detonație este faptul că în orice fracțiune de timp, în reacție participă un strat foarte subțire din masa explozivului sub acțiunea presiunii undei de șoc. Temperatura foarte ridicată ca și întreaga cantitate de energie degajată pe seama reacțiilor chimice, întrețin viteze de propagare și amplitudinea undei dinamice de șoc. Frontul reacțiilor chimice explozive împreună cu frontul undei de șoc formează zona cunoscută sub denumirea de undă detonantă sau zonă dinamică (fig. 3.3.).

Produsele de explozie, denumite și gaze de explozie, care se formează în zona reacțiilor chimice nu rămân pe loc, ci se deplasează concomitent cu deplasarea undei dinamice dar cu o viteză mai redusă. În spatele undei detonante, densitatea produselor de explozie scade foarte repede datorită dispersiei lor.

În momentul când unda detonantă străbate întreaga încărcătură explozivă și iese din spațiul înconjurător se transformă în undă dinamică. Întrucât energia undei dinamice nu mai este întreținută de energia reacțiilor explozive, atât forța cât și amplitudinea ei scad foarte mult, aceasta devenind undă sonoră.

(zona dinamică)

În fig. 3.4. este prezentată schematic modificarea stării substanței explozive în frontul undei detonante cuprinsă în sistemul de coordonate presiune-volum, în care curba AB reprezintă adiabata dinamică de compresiune a explozivului, curba EF adiabata produselor de explozie, denumită și adiabata lui Hugoniot, dreapta AB care reunește parametrii stării inițiale a explozivului cu parametrii presiunii maxime, denumită dreapta lui Michelson și segmentul BC- zona reacțiilor chimice.

Formarea celor două adiabate decurge în următoarea succesiunea: explozivul cu volumul inițial Vo (punctul A) este comprimat în frontul undei dinamice până în starea B cu parametrii Pm și Vm (fig. 3.4.). Aici începe reacția chimică și se obține presiunea maximă Pm. Reacțiile chimice care modifică starea explozivului se dezvoltă pe dreapta BCA. Reacțiile chimice se finalizează în punctul C. În acest context, produsele de explozie se destind, presiunea scade treptat, în timp ce volumul gazelor crește. Faptul că reacția chimică explozivă este însoțită de degajarea unei anumite cantități de căldură (ΔQ), atunci noua stare a sistemului nu va putea fi descrisă de adiabata care corespunde stării inițiale, ci de adiabata lui Hugoniot situată mai sus și notată cu EF (fig.3.4.). Trecerea de la adiabata inițială la adiabata lui Hugoniot trebuie realizată pe linia dreaptă care reunește punctul B cu punctul A după sensul indicat de săgeată în fig. 3.4.

Dreapta lui Michelson trasată între punctele BA este tangentă la adiabata produselor de explozie în punctul C. Punctul C la care dreapta BA devine tangentă la adiabata produselor de explozie indică starea finală a exploziei după încheierea reacției chimice și degajarea întregii cantități de căldură. Acest punct poartă denumirea de punctul CHAPMAN-JOUGUET. În punctul CHAPMAN-JOUGUET presiune P2 este de două ori mai mică decât presiunea în zona reacțiilor chimice.

Zona dinamică este extrem de îngustă, de aproximativ 1 micrometru. Adâncimea acestei zone crește de la 0,5 micrometri pentru azotura de plumb, până la 10 mm pentru trotil, cu tendința de lărgire la amestecurile simple explozive. Cu cât este mai mare adâncimea zonei reacțiilor, cu atât se reduce sensibilitatea explozivului față de impulsul exterior de inițiere și cu atât crește diametrul critic al încărcăturii explozive (diametrul minim pentru care detonația este stabilă). Durata reacțiilor explozive (δ) are valoare egală cu 3·10-3 – 6·10-3 microsecunde pentru azotura de plumb și 0,2-2 microsecunde pentru trotil. Presiunea în frontul undei dinamice de șoc Pm se apreciază că este de două ori mai mare față de presiunea Pj din zona reacțiilor chimice.

În concluzie, se poate arăta că detonația are loc în zona reacțiilor chimice intense fiind provocată de acțiunea undei de șoc, care se propagă prin masa explozivului cu o viteză de ordinul miilor de metri pe secundă. Unda dinamică de șoc pătrunde în masa explozivului sub impulsul de inițiere pe care îl dezvoltă explozia capsei detonante, încălzește primele strate de exploziv la temperaturi foarte ridicate și provoacă la rândul său începerea sau inițierea unei noi reacții explozive. În felul acesta, energia produsă de reacția chimică explozivă a primelor strate de exploziv provoacă în continuare o acțiune analogă celei produse de capsa detonantă, determinând în acest mod propagarea reacțiilor chimice și a undei dinamice de șoc.

Parametrii undei detonante sunt: viteza de detonație, presiunea în frontul undei detonante, densitatea produselor de explozie și temperatura. Dintre acestea, viteza de detonație este cea mai importantă, iar valoarea ei este funcție directă de caracteristicile energetice ale explozivului.

Viteza de detonație este un parametru care are o incidență majoră asupra presiunii de detonație și asupra energiei de șoc a explozivului.

Viteza de detonație depinde de compoziția explozivului, de densitatea acestuia și de diametrul și modul de ambalare a încărcăturii ca și de felul ambalajului – impulsul de inițiere și mediul în care se dezvoltă explozia.

Viteza de detonație reprezintă viteza cu care se propagă reacția de descompunere în masa explozivului.

Viteza de detonație crește odată cu creșterea diametrului încărcăturii de exploziv până la o anumită valoare numită viteză ideală care nu este atinsă la încărcăturile cu diametru uzuale folosite în industrie.

Cantitatea de energie eliberată sub forma undei de șoc în masa rocii este cu atât mai mare cu cât viteza de detonație este mai mare.

Riguros vorbind, nu este vorba de un parametru intrinsec al explozivului, deoarece viteza și respectiv stabilitatea detonației sunt influențate, în principal, de următorii factori:

compoziția chimică: valoarea vitezei de detonație crește cu cantitatea de substanță sensibilizatoare existentă în amestecul de exploziv;

finețea de măcinare și omogenitatea explozivului: cu cât finețea de măcinare a particulelor ce alcătuiesc explozivul este mai avansată și cu cât amestecul este mai perfect omogenizat, cu atât viteza de detonație este mai mare;

umiditatea explozivului: umiditatea mărită a explozivului reduce viteza de detonație, iar la valori ridicate conduce la deflagrare sau rateuri;

densitatea explozivului: cercetările experimentale au arătat că, în general, creșterea densității explozivilor este însoțită de creșterea vitezei de detonație. Această interdependență este confirmată de faptul că pentru fiecare creștere a densității cu 0,1 g/cm3, viteza de detonație crește cu 320-400 m/sec.

Se subliniază însă faptul că această corelație nu este respectată la toți explozivii. Pentru explozivii sub formă de compuși chimici (trotil, hexogen, etc.), viteza de detonație crește la valori maxime odată cu creșterea densității. Explozivii constituiți din amestecul câtorva compuși chimici realizează viteze maxime de detonație pentru o anumită valoare a densității care este de 1,4-1,6 g/cm3 – denumită densitate critică.

Experimentările de laborator și activitatea de producție au arătat că dacă densitatea explozivului este mai mare sau mai mică decât o anumită valoare optimă (densitate critică) corespunzătoare compoziției respective, se reduce viteza de detonație, fig. 3.5. și fig. 3.6.

Diametrul încărcăturii: la diametre mai mici decât o anumită valoare critică, pierderile de energie în unda de destindere radială sunt așa de mari, încât propagarea undei detonante devine practic imposibilă; în această situație se produc rateuri (încărcături neexplodate); explozivii minieri utilizați curent în industrie sunt livrați în cartușe cu diametrul de 25-30 mm – valoare de 2-3 ori mai mare decât diametrul critic.

Diametrul critic prin definiție reprezintă cel mai mic diametru de la care încărcătura de exploziv este posibil să detoneze în aer liber, în spațiu neconfinat.

Ca urmare este recomandabil ca diametrul găurii în care se va folosi un anumit tip de exploziv să fie superior diametrului critic de detonație măsurat în aer liber.

Diametrul critic de detonație condiționează tipul de șantier în care explozivul poate fi utilizat:

explozivii destinați utilizării în lucrări subterane trebuie să aibe un diametru critic de detonație relativ mic, ținând seama de valorile uzuale ale diametrelor de perforare în aceste lucrări (mai mici de 50 mm);

în cariere unde diametrele de forare sunt mult mai mari se pot folosi explozivi cu diametrul critic de detonare mai mare.

În fig. 3.7. se poate vedea corelația dintre diametrul cartușului de exploziv și viteza de detonație, iar în tabelul 3.9. sunt prezentate diametrele critice pentru diferite sorturi de explozivi.

Puterea impulsului de inițiere: dacă impulsul de inițiere are o putere mai mică decât cea necesară pentru dezvoltarea unei presiuni corespunzătoare, nu mai poate avea loc propagarea undei detonante și ca urmare se produc rateuri sau deflagrări.

Tabelul 3.9. Diametrele critice de detonare pentru diferite tipuri de explozivi

Unda de șoc a impulsului de inițiere care acționează în masa explozivului trebuie să dispună de o intensitate maximă pentru a dezvolta o presiune corespunzătoare asupra particulelor de exploziv și a provoca astfel începerea reacției chimice explozive. Presiunea maximă în frontul undei de șoc capabilă să declanșeze detonarea unui exploziv este denumită presiune critică (Pc) și depinde de starea fizică și calitățile detonante ale acestuia. Fiecare exploziv dispune de o presiune critică de inițiere (Pc). Astfel, pentru trotilul turnat, presiunea de inițiere este mai ridicată față de trotilul presat; pentru explozivii lichizi este mai redusă față de explozivii solizi; pentru explozivii pe bază de azotat de amoniu pulverulent și cu o dispersie fină – mai redusă fașă de explozivii granulați și cu o dispersie grobă și față de explozivii sub formă de emulsii sau geluri explozive.

Prin urmare, PC depinde de natura chimică a explozivului și de structura sa. Pentru diferite sorturi de explozivi, forța undei detonante provoacă diferite regimuri de detonație; de exemplu dinamitele, astralitele, nitramonul și alte tipuri de explozivi după inițiere pot realiza detonații stabile cu o viteză de 6150-48000 și 5700-2000 m/s.

Valoarea lui PC depinde de asemenea și de timpul de acțiune a undei dinamice de șoc, de unde și noțiunea de impuls critic de inițiere a detonației.

Deoarece unda de șoc se formează prin explozia unei încărcături de o valoare oarecare, rezultă că impulsul de inițiere va fi proporțional atât cu presiunea undei de șoc a explozivului de inițiere cât și cu greutatea acestuia. În consecință, aprecierea sensibilității explozivilor minieri față de impulsul de inițiere se recomandă să fie exprimată prin greutatea minimă a unui exploziv de inițiere, denumit impuls minim de inițiere. Valoarea impulsului minim de inițiere (în grame de fulminat de mercur) pentru câteva sorturi de explozivi cu densitate medie 1,0-1,2 g/cm3 este redată în tabelul 3.10.