Explozivi pentru aplicații civile - Spectrul științei
Explozivi pentru aplicații civile
Explozivii sunt energie concentrată sub formă materială. Cu o abordare adecvată, acesta poate fi lansat într-o manieră direcționată pentru a face lucrări care altfel ar fi extrem de laborioase și complet neeconomice. În timp ce împăratul roman Nero (37-68 d.Hr.) nu a reușit să construiască Canalul Corint nici măcar cu mii de sclavi, dinamita și gelatina explozivă au făcut posibilă realizarea proiectului în termen de doi ani - din 1891 până în 1893. Instalarea Canalului Panama în anii 1879-1890 și 1903-1914 a necesitat 30.000 de tone de dinamită. Și fără acest exploziv, tunelurile St. Gotthard și Tauern cu greu ar fi putut fi finalizate în câțiva ani cu tehnologia de atunci (din 1872 până în 1882 și, respectiv, din 1901 până în 1907).
Cu excepția unor astfel de proiecte de construcție, explozivii sunt folosiți pentru extragerea materiilor prime, deoarece extracția pur mecanică a minereurilor, mineralelor sau cărbunelui ar fi mult mai scumpă (Fig. 1). O aplicație importantă este demolarea clădirilor și a sistemelor tehnice; Chiar și rizomii pot fi curățați și solul slăbit de explozii.
Orice amestec de substanțe combustibile și care furnizează oxigen poate, atunci când este stimulat în mod adecvat, să elibereze energie; chimistul vorbește despre o reacție de reducere-oxidare sau redox pe scurt. Dacă conversia este mai rapidă decât viteza sunetului din substanța în cauză, se numește detonare. Printre altele, dimensiunea interfeței reactive dintre componente este decisivă pentru acest lucru: un buștean de lemn în șemineu arde încet și crește confortul, în timp ce aceeași cantitate de lemn, măcinată până la praf fin și plasată în flacără, ar cauza explozia șemineului.
Când sunt detonați, explozivii se descompun în substanțe gazoase - în mod ideal dioxid de carbon, apă și azot elementar ca produse de ardere a substanțelor organice, dar și oxizi de azot, monoxid de carbon și alte produse incomplet oxidate. În plus, sunt create particule foarte reactive, cum ar fi radicalii, ionii și electronii, care sunt accelerați în material nereacționat și stimulează conversia ulterioară. După o anumită distanță de alergare, se formează o undă de șoc cu valori extrem de mari de presiune și temperatură; În funcție de exploziv și de condițiile de izolare, această distanță are o fracțiune de milimetru până la mulți centimetri lungime.
Procesul rămâne stabil atât timp cât există suficientă energie în zona de detonare. Dacă energia este distribuită prea departe, reacția se oprește din nou. Ceea ce este important este raportul dintre volumul care produce energia și suprafața radiantă a energiei; Deoarece devine nefavorabil pentru diametre mici, există un diametru critic pentru fiecare exploziv, peste care explodează doar.
Aplicațiile militare necesită viteze de detonare de până la 9000 de metri pe secundă; în scopuri civile, astfel de valori ridicate sunt inutile sau chiar nedorite. Pentru ca unda de șoc să se propage cât mai neschimbată posibil în materialul care urmează să fie sablat, rezistențele de undă ale explozivului și ale materialului - adică produsele de densitate și unde de șoc sau viteza sunetului - trebuie să fie bine coordonate. Vitezele de detonare în jur de 2000-4000 de metri pe secundă sunt, prin urmare, cele mai potrivite pentru majoritatea aplicațiilor. Este deosebit de important ca un volum mare de gaz să se dezvolte astfel încât masele dizolvate să fie împinse.
Dinamită explozivă de rocă
Nitroglicerina, o descoperire a chimistului italian Ascanio Sobrero (1812-1888) în 1847 are o mare putere explozivă, dar este sensibil imprevizibil la vibrații și impact, astfel încât inventatorul însuși a renunțat la încercările sale de a o folosi ca exploziv. A fost deosebit de enervant faptul că nitroglicerina, spre deosebire de pulberea neagră, care a fost utilizată în Europa încă din secolul al XIII-lea - conform înțelegerii de astăzi, este un amestec de azotat de potasiu, pulbere de cărbune și sulf într-un raport de masă de aproximativ 75:15:10 - ușor printr-o flacără deschisă detonat.
Ani mai târziu, familia Nobel a început să experimenteze nitroglicerina. Dezvoltarea unui detonator de praf de pușcă de către Alfred Nobel (1833-1896) a promovat răspândirea noului exploziv, dar substanța periculoasă a susținut în mod repetat decese în timpul fabricării, transportului sau utilizării. În 1866, Alfred Nobel a găsit soluția la problema lucrărilor de la Krümmel de lângă Hamburg: pământul de diatomee (kieselguhr), care nu reacționează cu nitroglicerina lichidă uleioasă, s-a dovedit a fi adsorbantul ideal. Cu 75 de părți de explozivi și 25 de părți de kieselguhr, a rezultat un material solid care, prelucrat în corpuri cilindrice și înfășurat în mâneci de hârtie, a trebuit să fie dozat în găurile de foraj, în timp ce nitroglicerina a fost pur și simplu turnată în ele. În ciuda conținutului ridicat de substanță inertă, puterea explozivă a noului material s-a dovedit a fi de cinci ori mai puternică decât pulberea neagră și semnificativ mai sigură de manipulat decât nitroglicerina singură. Gurdynamita (din grecesc dynamis pentru putere) a devenit un enorm succes economic.
Cu toate acestea, materialul dizolvat în apă și puterea sa explozivă a fost cu un sfert mai mic decât cel al nitroglicerinei pure. În 1875, Alfred Nobel a dizolvat uleiul exploziv în bumbacul de armă (nitroceluloză), o substanță foarte inflamabilă, asemănătoare bumbacului, pe care profesorul de chimie de la Basel Christian Friedrich Schönbein (1799-1868) a produs-o pentru prima dată în 1846 prin tratarea bumbacului cu acid azotic și sulfuric. El a primit o substanță gelatinoasă care era impermeabilă, mai puțin sensibilă la stresul mecanic și, datorită conținutului mai ridicat de nitroglicerină, era semnificativ mai energică decât gurdynamita: gelatina de sablare.
Cu toate acestea, o densitate energetică atât de mare nu era nici măcar necesară în practică. Poate fi redus oarecum prin adăugarea de azotat de chile la gelatină și materiale organice combustibile, cum ar fi rumegușul sau praful de cărbune. În același timp, acest lucru a stabilizat întregul amestec împotriva șocurilor și vibrațiilor. La scurt timp, azotatul din Chile a fost înlocuit cu azotatul de amoniu, care se descompune complet în produse gazoase și crește efectul exploziv datorită presiunii suplimentare a gazului. Explozibilii de azotat de amoniu gelatinați civili sunt încă fabricați conform acestui principiu și sunt adaptați doar cerințelor tehnologiei moderne de sablare folosind aditivi.
Explozivi de rocă fără nitroglicerină
Deoarece producția sigură de nitroglicerină este foarte complexă, s-au căutat în curând alternative. În special, se știe încă din anii optzeci ai secolului trecut că agentul oxidant azotat de amoniu este capabil să detoneze singur la energii de excitație ridicate. Amestecul cu substanțe combustibile precum motorina (azotat de amoniu plus păcură, ANFO) este mai ușor de reacționat. În timp ce componentele au fost inițial amestecate într-un raport de greutate de 1: 1 - acest lucru a corespuns unui sac de azotat de amoniu și o cutie de combustibil diesel - iar explozivii au putut detona doar în foraje mari de 200 și mai mulți milimetri în diametru cu încărcări de creștere a explozivilor mai sensibili, de-a lungul anilor Aprinderea s-a îmbunătățit semnificativ cu o sensibilitate mecanică redusă neschimbată.
Un granulat de azotat de amoniu cu o porozitate care poate fi controlată prin procesul de fabricație - sub forma așa-numitelor pastile - adsorbe mai bine uleiul mineral și are o interfață mai mare între reactanți. Amenzile produse prin abraziune în timpul fabricației îmbunătățesc, de asemenea, aprinderea până la o anumită cantitate. Cu toate acestea, în cele din urmă împiedică fluxul explozivului, care este transportat în găuri cu șuruburi sau pneumatic. Deși ANFO nu atinge puterea explozivă a produselor care conțin nitroglicerină, este cel mai ieftin exploziv în masă din istorie și, prin urmare, reprezintă aproximativ 80% din piața explozivilor din întreaga lume.
Cu toate acestea, pastilele se dizolvă rapid în găuri care conțin apă. Dacă nivelul apei nu este prea ridicat, totuși, se creează o soluție sau o pastă de sare numai pe fund, în timp ce explozibilii din zona superioară pot fi folosiți în continuare. În acest caz, stația de încărcare poate fi aprinsă cu o încărcare suficient de puternică.
Principiul a fost rafinat în mod sistematic. Explozibili moleculari, cum ar fi trinitrotoluen (TNT) sau hexogen, sunt adăugați la pastă (adică substanțe sensibile, explozive, fără alte componente). Zaharul, uleiul mineral, praful de cărbune și - cel mai important - pulberea de aluminiu sunt adăugate ca componente oxidabile. Căldura sa mare de ardere încălzește gazele produse în timpul detonării și astfel asigură o presiune ridicată a gazului. Pentru ca componentele să nu se separe, se utilizează agenți de umflare precum agar-agar, amidon, făină de guar sau poliacrilamidă, ale căror macromolecule încorporează componentele lichide și pot fi reticulate cu săruri de antimoniu (V) sau crom (VI).
În funcție de compoziție, se creează explozivi curgători de tip nămol - așa-numitele nămoluri - sau geluri de apă solide care pot fi umplute în cartușe. Aprinderea materialului poate fi, de asemenea, variată în limite largi. Apa este inertă pentru combustibil și agenți oxidanți și, prin urmare, stabilizează nămolurile împotriva impactului și fricțiunii. Cu toate acestea, la începutul dezvoltării, a trebuit să aflăm că aluminiul care nu a fost pretratat împotriva coroziunii este atacat de soluția de sare și că descompunerea acestuia poate chiar ajunge la o detonare.
Emulsii explozivi
Suprafața reactivă a azotatului de amoniu poate fi mărită drastic prin dizolvarea sării în apă. Apa acționează din nou ca agent inert. Pentru a-și menține proporția cât mai scăzută, se folosește faptul că puterea sa de dizolvare crește brusc odată cu temperatura: la aproximativ 80 de grade Celsius poate absorbi de multe ori mai multă sare decât temperatura camerei. Soluția concentrată este apoi - încă la căldură - emulsionată în ulei mineral; rezultă o interfață mare. Această stare instabilă termodinamic poate fi stabilizată cu emulgatori adecvați. Dimensiunea picăturilor acestei emulsii apă-în-ulei poate fi mai mică de zece micrometri (miimi de milimetru). Dacă aveți nevoie de explozivi solizi, adăugați ceruri adecvate pentru a seta vâscozitatea cât de mare doriți. Conținutul tipic de apă în explozivul finit este de aproximativ 10-20%.
Emulsia nu este capabilă de detonare în sine, ci devine detonabilă numai cu adăugarea de sensibilizatori. Cu toate acestea, acestea nu trebuie să fie explozive sau altele asemenea; ingredientele care nu reacționează servesc și scopului. De exemplu, o emulsie cu o cantitate mare de bule de gaz este foarte capabilă de detonare. Unda de șoc comprimă bulele atât de repede încât nu poate avea loc un schimb de căldură și astfel le încălzește extrem de mult (vezi Spektrum der Wissenschaft, aprilie 1995, pagina 50). Reacția azotatului de amoniu cu combustibilul se poate reaprinde întotdeauna în aceste puncte fierbinți. Acest mecanism îmbunătățește, de asemenea, detonarea explozivilor care conțin nitroglicerină. Bulele de gaz pot fi generate chimic - în special prin transformarea azotitului de sodiu cu uree sau tiourea pentru a forma azot. Pentru a nu se difuza prea repede prin exploziv, cerurile îi conferă o consistență foarte fermă.
Se pot utiliza, de asemenea, microsfere goale din sticlă sau plastic, deoarece sunt adesea folosite pentru a reduce greutatea pieselor turnate. Margelele din plastic ard, de asemenea, iar vitezele de detonare sunt semnificativ mai mari decât cele din sticlă. Cu toate acestea, explozivii de emulsie cu microsfere goale stochează mai puțină energie decât explozivii gelatinați de azotat de amoniu, care pot fi problematici în condiții dificile, cum ar fi în roci solide și cu tensiune ridicată.
Compoziția explozivilor de emulsie poate fi variată în limite largi. Spectrul variază de la substanțe fluide pentru diametre mari de foraj (Fig. 3), care trebuie aprinse cu o încărcare de rapel, la substanțe solide pentru cartușe mici. De asemenea, a fost posibil ca materialele lipicioase să fie atât de uscate prin adăugarea de uleiuri siliconice încât să poată fi umplute în manșoane de hârtie cu aparatele de cartușe dezvoltate pentru explozivi gelatinoși.
Explozivi pentru mineritul subteran
„Vremea bătută”, exploziile de amestecuri metan-aer, care stârnesc praful de cărbune omniprezent în exploatarea cărbunelui și apoi îl detonează, au costat deja viața multor mineri. Principalul motiv pentru care sunt atât de periculoși este că undele lor de șoc nu se răspândesc în toate direcțiile și mor, ci se pot răspândi pe kilometri prin sistemul de tuneluri. În plus, carbonul nu arde complet și se produce monoxid de carbon foarte toxic - mai mulți mineri sunt adesea victimele accidentelor miniere decât valul de presiune.
Amestecurile metan-aer pot fi aprinse cu cantități mici de energie în limite largi de concentrație - începând cu proporții de aproximativ 5 până la 15% metan. Desigur, o detonare este întotdeauna suficientă. Este cu atât mai uimitor faptul că a fost posibil să se dezvolte explozivi speciali care pot fi utilizați în ciuda pericolului de foc.
Se folosește faptul că timpul dintre aprindere și explozia amestecurilor metan-aer, în care radicalii reactivi și ionii continuă reacția, crește odată cu scăderea temperaturii. Prin urmare, o cantitate relativ mare de sare, de exemplu sare de masă, este adăugată în formă fină la amestecul de nitroglicerină, azotat de amoniu și combustibil. Căldura sa relativ ridicată specifică extrage energia din panoul fierbinte, astfel încât temperatura finală a gazelor de explozie scade și nu mai este suficientă pentru a aprinde amestecul metan-aer. Și mai important este efectul acestor particule fine de sare solide ca anticatalizatori, care interceptă particulele reactive de pe suprafața lor, astfel încât arderea să nu fie continuată și explozia să nu se acumuleze. Conținutul de sare scade, de asemenea, energia totală a explozivului și, astfel, presiunea maximă în unda de șoc.
Explozibilii meteo cu perechi inverse de sare sunt deosebit de siguri: în loc de azotat de amoniu exploziv și, de exemplu, clorură de sodiu, acestea conțin sărurile inofensive clorură de amoniu și azotat de sodiu. Dacă nitroglicerina, care este prezentă doar în proporții mici, este detonată, energia ei rămâne concentrată în foraj și acolo poate iniția dezintegrarea ambelor substanțe, nitratul de amoniu și clorura de sodiu fiind formate din nou pentru o perioadă scurtă de timp, care apoi continuă să reacționeze într-un mod cunoscut. Dacă o stație de încărcare nu detonează în foraj, ci în contact deschis cu amestecul metan-aer, de exemplu, deoarece o sarcină vecină a rupt deja roca, amestecul inert al perechii de sare inversă este aruncat doar, iar energia nitroglicerinei este consumată în mare măsură și s-a evitat astfel o explozie de foc de foc. Pe baza acestui principiu, cei mai siguri explozivi meteo din lume sunt produși în Germania.
Tehnologia modernă de sablare ar fi de neconceput fără detonatoare sigure și fiabile (Fig. 2). În toate metodele de sablare, încărcăturile nu se aprind în același timp, ci cu o ușoară întârziere, astfel încât, de exemplu, un perete de rupere să fie deschis ca un fermoar (Fig. 1). Datorită energiei reduse eliberate la fiecare pas, vibrațiile explozive pot fi, de asemenea, reduse la minimum. Compania noastră a completat recent detonatoarele de timp cu seturi de întârziere pirotehnice cu cele cu unitate de întârziere electronică. De asemenea, sunt disponibile sisteme non-electrice. Precizia ridicată a detonatoarelor electronice și posibilitatea alegerii întârzierii între nivelurile individuale de timp într-o gamă largă permit adaptarea sistemului de sablare la materialul care trebuie sablat.