Аморфный кремнезем маслоудерживающая добавка к сухим взрывчатым веществам

В.И. Захаров, д.т.н., зав. лабораторией; В.А. Матвеев, д.т.н., ведущий научный сотрудник;

А.Р. Алишкин, к.т.н., ведущий научный сотрудник; Д.В. Майоров, к.т.н., ведущий научный сотрудник; ФГБУН Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра Российской академии наук (ИХТРЭМС КНЦ РАН)

Наиболее дешёвые простейшие промышленные взрывчатые вещества (ВВ) представляют собой смесь гранулированной аммиачной селитры с дизельным топливом (АС-ДТ). Исследования, выполненные специалистами различных организаций, показали, что теплота взрыва и скорость детонации АС-ДТ достигает максимальных значений при строго определённых соотношениях содержания горючего и аммиачной селитры [1], обеспечивающих уровень кислородного баланса КБ ≈ 0.

Однако гранулированная аммиачная селитра обладает низкой маслоудерживающей способностью (2–3%). Поэтому ВВ типа АС-ДТ имеют низкую физическую стабильность, обусловленную стеканием дизельного топлива из верхней части заряда в нижнюю. Это приводит к нарушению стехиометрического соотношения между окислителем и горючим по высоте заряда и снижению взрывчатых характеристик ВВ. В том и другом случае наблюдается увеличение выброса ядовитых газообразных продуктов взрыва.

Основной приём, направленный на предотвращение стекания жидкого горючего, заключается в применении специально изготавливаемой для этих целей пористой аммиачной селитры, которая за счет большой поверхности обеспечивает удержание именно такого количества горючего, которое необходимо для получения оптимальных энергетических характеристик АС-ДТ. Взрывчатая смесь на основе пористой селитры относится к наиболее простой в изготовлении, но имеет существенный недостаток – низкую насыпную плотность – 0,7 г/см3, что снижает энергетические и детонационные характеристики ВВ, зависящие от плотности. Кроме того, пористая селитра – более дорогой продукт – компонент ВВ, чем обычная гранулированная, из-за применения при ее производстве более разбавленного раствора нитрата аммония и вследствие этого повышения энергетических расходов, а также необходимости увеличения размеров грануляционной башни [2].

Для предотвращения стекания жидкого горючего в нижнюю часть заряда предпринимались многочисленные попытки увеличить физическую стабильность смеси АС-ДТ, изготовленной на основе обычной гранулированной аммиачной селитры, путем введения различных высоковязких горючих веществ – полимеров, мазута, животных жиров [3–7], а также аэросил (белой сажи) [8]. Смеси со стабилизирующими маслоудерживающими добавками готовятся на обычной гранулированной аммиачной селитре, что позволяет увеличить плотность заряжания до 900 кг/м3. Наиболее эффективна добавка аэросила, т.к. он имеют очень высокую маслоудерживающую способность, благодаря высокой дисперсности и развитой удельной поверхности – до 300 м2/г. Добавка 1–2% (по массе) этого вещества полностью предотвращает стекание горючего. Однако из-за высокой стоимости аэросила, а также плохой его смачиваемости и пыления этот прием не нашел промышленного применения.114 1

На основании проведенных ранее исследований нами предложено в качестве маслоудерживающей добавки использование аморфного кремнезёма, получаемого при кислотной переработке нефелина. Как известно, отличительная его особенность состоит в том, что при кислотной обработке этого минерала в раствор переходят не только кислоторастворимые элементы, но и кремнезём, который полимеризуется с образованием студнеобразных масс, отделить которые от раствора методами фильтрации невозможно. Это явление стало одним из основных препятствий для освоения кислотных технологий нефелина.

Впервые эта проблема была решена в результате исследований, проведенных в Институте химии КНЦ РАН [9]. В процессе этих исследований были установлены режимы кислотного разложения нефелина (концентрация кислот, температура, режимы смешения реагентов и т.д.), при которых кремнезём осаждается в виде фильтруемых осадков и может быть выделен в виде отдельного продукта. Как фильтруемость осадков, так и их физико-химические свойства определяются режимами кислотного вскрытия нефелина. Оптимальными выбраны следующие режимы процесса: концентрация кислоты – 35–40%, температура – 90–105°С, постепенная загрузка нефелина в кислоту в течение 3,5–4 часов с последующим дополнительным перемешиванием в течение 30 минут. Выделенный в этих условиях аморфный кремнезём легко отделяется гидросепарацией от нерастворимых минеральных примесей.

Свойства выделенного кремнезёмного продукта в значительной мере определяются продолжительностью процесса. В частности, удельная поверхность и маслоёмкость его уменьшается с увеличением продолжительности дозирования и имеет минимальные значения при продолжительности дозирования ~6 часов (рис. 1).114 3

Зависимость изменения удельной поверхности (Sуд) и маслоемкости (М) в указанном диапазоне продолжительности дозирования адекватно описываются эмпирическими уравнениями:

Sуд = 427,4 – 160,7τ + 23,3τ2 – 1,09τ3, м2/г;

М = 4,17 – 0,87τ + 0,07τ2, кг/кг;

где τ – продолжительность дозирования, час.

Некоторое увеличение поверхности и маслоемкости с увеличением продолжительности дозирования сверх шести часов, возможно, объясняется механическим переизмельчением кремнезёма.114 4

Высокая дисперсность и маслоемкость этого продукта позволили предположить, что он будет эффективной маслоудерживающей добавкой для ВВ типа АС-ДТ. Проведены испытания, заключавшиеся в том, что готовились смеси в известных оптимальных долях обычной гранулированной аммиачной селитры и дизельного топлива или моторного масла, к которым добавлялось определенное количество аморфного кремнезёма с удельной поверхностью 110–120 м2/г. После тщательного перемешивания эти смеси загружались в вертикально установленные полиэтиленовые трубы диаметром 100 мм и высотой 2 м. Днище труб было перфорировано и снабжено стоком для жидкого горючего, которое отбиралось в мерные цилиндры через каждые 24 часа в течение 8 суток. Результаты исследований с использованием минерального масла И-20 (рис. 2, 3) показали, что добавка 1% аморфного кремнезёма (АК) гарантированно предотвращает стекание жидкого горючего. В случае применения в качестве жидкого горючего дизельного топлива характер кривых и значения равновесной концентрации не меняются, но отмечалось более быстрое, в 1,5–2 раза, ее достижение.114 5

На основе этих исследований были проведены полигонные, а затем промышленные испытания новой взрывчатой смеси [2, 3], получившей название «Гранулит АК», физико-химические свойства которого представлены в таблице, в названии «АК» означает аморфный кремнезём, который нарабатывался на опытно-промышленной установке «Глинозём». Промышленные приёмочные испытания нового ВВ проведены на рудниках ОАО «Олкон» и ОАО «Апатит».114 2

Всего за время испытаний было взорвано более 130 т «Гранулита АК». Взрываемые блоки делились на два равных участка, один из которых заряжался новым ВВ «Гранулит АК», другой – стандартным – «Граммонит 79/21». Результаты этих испытаний показали, что более безопасный и дешевый «Гранулит АК» не уступает штатному тротилсодержащему ВВ «Граммониту 79/21», что послужило основой для разработки ТУ и другой технической документации, необходимой для использования нового ВВ в промышленном масштабе.

Постановлением Госгортехнадзора России ВВ «Гранулит АК» был допущен к постоянному применению на горнодобывающих предприятиях страны.

Использованные источники:

1. Барон В.Л., Кантор В.Х.. Техника и технология взрывчатых веществ в США. -М.: Недра, 1989. -376 с.

2. Патент 3966853 США, Н.кл. 149/7,46,47. Процесс производства гранулированного пористого аммоний нитрата. 25.09.1973.

3. Патент 4736683 США, Н.кл. 149/2,19.9,46,60. Сухие аммиачно-селитрянные ВВ. Bachman Harold E., Totman Ralph S. 12.04.1988.

4. Патент 8295588A2 Япония, МКИ С06В 31/28. Гранулированное ВВ. Nippon. 12.11.1996.

5. Патент 5397405 США, Н.кл. 149/046. Взрывчатый состав, включающий отработанное масло, нитрат аммония и лигнин. Peace Recovery Systems Ltd. 14.03.1995.

6. Патент 11079878A2 Япония. МКИ С06В 31/28. С06В 45/08. Взрывчатый состав. Nippon Kayaku Co Ltd. 23.03.1999.

7. Патент 9800374A1 Мировой. МКИ С06В 31/28. Взрывчатое вещество. Dynamit Nobel Gmbh Explosivstoff- Und Systemtechnik. 8.01.1998.

8. Стабилизация состава игданита с помощью добавок аэросила /В.И.Плужник,А.С.Макаров, В.А.Сушко и др.// Взрывное дело, №81/38. - М.: Недра, 1979. - с.154–158.

9. Патент №1762528 РФ. МКИ С06В Способ получения кремнезёма для взрывчатых веществ / Алишкин А.Р., Захаров В.И., Матвеев В.А. и др.; Кольск. научн. центра РАН. Бюл. №34. 1992.

10. Подозерский Д.С., Захаров В.И, Едигарев С.А., Алишкин А.Р. Исследование стабилизации простейших смесевых взрывчатых веществ // Вопросы разрушения горных пород взрывом – Апатиты. 1993.-с. 20-24.

11. Захаров В.И., Алишкин А.Р., Матвеев В.И., Майоров Д.В., Вяткин Н.Л., Почекутов В.И., Красовский Д.Р. Стабилизирующая добавка для взрывчатых веществ./ Химия и химическая технология в освоении природных ресурсов Кольского полуострова.//Тезисы докл. научн. конф. 2224.09.98 г. – Апатиты.: Изд. КНЦ РАН, с. 148.

Журнал "Горная Промышленность" №1 2013, с 114