KR100922597B1 - 순폭도가 향상된 둔감성 파쇄 조성물, 저에너지 발화용 발화 기구 및 이들을 포함하는 파암 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 테르밋 (thermit) 반응을 기반으로 하는 플라즈마 파암 계열의 둔감성 파쇄 조성물, 발화 기구 및 이들을 함유하는 파암 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 순폭도가 향상된 둔감성 파쇄 조성물, 수 암페아 (A)의 낮은 전류를 사용하여 얻은 수십 내지 수백 미리주울 (mJ)의 저 에너지로 반응되는 저에너지 발화용 발화 기구 및 이들을 포함하여 상기 발화 기구가 상기 둔감성 파쇄 조성물을 저에너지로 착화시켜 취성 물체 (암반, 콘크리트 등)를 파쇄하는 파암 장치에 관한 것이다.
테르밋, 저에너지, 순폭도

Description

순폭도가 향상된 둔감성 파쇄 조성물, 저에너지 발화용 발화 기구 및 이들을 포함하는 파암 장치{LOW SENSITIVE FRACTURING COMPOSITION WITH IMPROVED COEFFICIENT OF DEFLAGRATION TRANSMISSION, IGNITING DEVICE FOR IGNITING AT LOW ENERGY AND BLASTING APPARATUS THEREWITH}
본 발명은 테르밋 (thermit) 반응을 기반으로 하는 플라즈마 파암 계열의 둔감성 파쇄 조성물, 발화 기구 및 이들을 함유하는 파암 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 순폭도가 향상된 둔감성 파쇄 조성물, 수 암페아 (A)의 낮은 전류를 사용하여 얻은 수십 내지 수백 미리주울 (mJ)의 저 에너지로 반응되는 저에너지 발화용 발화 기구 및 이들을 포함하여 상기 발화 기구가 상기 둔감성 파쇄 조성물을 저에너지로 착화시켜 취성 물체 (암반, 콘크리트 등)를 파쇄하는 파암 장치에 관한 것이다.
기존 테르밋 반응을 근간으로 하는 파쇄 장치로서는 골드슈미트 파암 장치 (특허 10-0184541), 플라즈마 파암용 전력 충격 쎌 (특허 10-0308081), 급팽창 혼합물의 반응 촉발 장치 (특허 10-0442551), 플라즈마 블라스팅 방법 및 장치 (특허 10-0323215) 등에 개시된 것들이 있다.
이들은 다음과 같은 문제점을 가진다.
첫째, 이들은 주로 고융점, 고열량의 알루미늄 또는 마그네슘을 발열제로 사용하기 때문에 착화하기 어렵거나, 착화된다 하더라도 미반응물이 발생되는 등의 문제점을 가지고 있다. 또한, 이들은 둔감성 파쇄 조성물로서 수천볼트에서 수만볼트의 고전압 대전력을 사용하여 수십 내지 수백 킬로주울 (KJ) 이상의 고에너지를 공급하여 전기적 아크를 발생시켜 파쇄 조성물을 발화시키기 때문에 높은 고전압으로 인한 안전상의 위험도 증가와 대용량 콘덴서의 충방전을 통한 써지 전압에 의한 접점 불량으로 인한 장비 고장 및 불발, 그리고 파암 장비류의 초대형화 설비로 인한 장비 운용의 취급 불편, 파암 에너지 공급에 있어서 전기적 한계로 인하여 몇공까지만 파암할 수밖에 없는 비경제적이고 비효율적인 파암의 문제점을 가지고 있다.
둘째, 이들 둔감성 파쇄 조성물은 원료의 비중 차이로 인한 균등한 혼합 조성물을 이루지 못하여 반응시 부분적인 산소 부족이 발생하여 반응이 중단되거나 불발이 발생되고, 폭발시 비산되는 알루미늄의 미립자가 수분과 접촉시 수소 가스가 발생되어 불발 잔류된 열원 에너지에 의해 가연성 수소 가스가 폭발 농도에 도달하면 2차 연소되는 문제점을 가지고 있다.
셋째, 테르밋 (thermit) 반응을 주로 한 둔감성 파쇄 조성물은 알루미늄 또는 마그네슘이 발열제로 사용되기 때문에 높은 발열량으로 위력이 높지만, 발화점 및 융점이 매우 높아 착화 반응이 매우 어렵고, 연소 반응 과정에서 높은 산소 공급량을 필요로 하기 때문에 감응되어 순폭되는 순폭도가 “0”으로써 하나의 약포 (cartridge, 이하 “A 약포”라 함)와 이에 인접하는 약포 (이하 “B 약포”라 함)를 반드시 붙여 놓고 전폭시켜야만 전폭이 지속되거나, 산소의 공급이 부족시에는 미반응물이 발생되어 불발 잔류되는 문제점을 가지고 있다. 이와 같이 알루미늄 또는 마그네슘을 주로 한 분상, 분립상 및 입상의 둔감성 파쇄 조성물은 그 감도가 둔감하여 순폭도는 모두 “0”으로써 전폭성이 떨어진다.
상기에서 “순폭”이란 A 약포를 반응시켜 인접한 B 약포로 감응되어 발화하거나, 폭연 내지는 폭발되는 것으로 감도를 판단할 수 있는 척도로써, 그 값은 “순폭도”로 나타낸다. 순폭도는 순폭 시험에서 A 약포가 B 약포의 발화, 폭연 또는 폭발로 순폭되는 최대 거리를 약포 직경으로 나눈 값으로써, 순폭도가 클수록 반응 감도가 좋아 불발 잔류가 감소하며, 순폭도가 낮을수록 둔감하여 불발 잔류가 증가한다. 또한, 둔감할수록 높은 전기적 발화 에너지가 요구되어 대용량 콘덴서 및 고전압 장치가 요구된다.
본 발명은 테르밋 (thermit) 반응을 기반으로 하는 플라즈마 파암 계열의 둔감성 파쇄 조성물로서, 그 구성 성분들이 균일하게 혼합되도록 하고 또한 순폭도를 향상시킨 파쇄 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 수십 내지 수백 킬로주울 (KJ)의 고전압 대전력의 에너지를 사용하지 않고 1개당 수십 내지 수백 미리주울 (mJ)의 낮은 에너지의 공급으로 반응이 일어나는 저에너지 발화용 발화 기구로서, 특히 위험 물질의 사용량을 줄여 사용 취급 안정성을 높인 발화 기구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 둔감성 파쇄 조성물 및 발화 기구를 모두 포함하는 파암 장치로서, 상기 둔감성 파쇄 조성물이 상기 발화 기구에 의하여 완전 반응되어 잔류약이 남지 않고 또한 A 약포에서 B 약포로의 감응 순폭도를 높이며 위험 물질의 사용량을 줄여 사용 취급 안정성을 높인 파암 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 둔감성 파쇄 조성물로서, 상기 조성물의 총 중량을 기준으로
(a) 금속 산화물인 산화제 35 내지 45 중량%,
(b) 금속 분말인 환원제 8 내지 12 중량% 및
(c) 과탄산나트륨(2Na2CO3·3H2O2), 아지화나트륨(NaN3), 오붕산암모늄 사수화 물(NH4B5O8·4H2O), 황산마그네슘 칠수화물(MgSO4·7H2O), 황산제일철 칠수화물(FeSO4·7H2O), 옥살산암모늄 일수화물[(NH4)2C2O4·H2O] 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 해리압제 42 내지 55 중량%를 함유하고,
추가로
(d) 황, 경유, 중유, 등유 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 조연제 0.5 내지 5 중량% 또는
(e) 메틸셀룰로오스 (MC), 히드록시프로필메틸셀룰로오스 (HPMC), 카르복시메틸셀룰로오스 (CMC) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 점결제 0.1 내지 1.8 중량% 또는
(d)와 (e) 모두
를 함유하는 둔감성 파쇄 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 발화 기구로서, 내부의 상단부터 발화제 중심속의 발열선 및 고온고열발생제를 순차적으로 포함하고, 상기 발화제는 발화 물질 및 산소 공급제를 함유하며, 상기 고온고열발생제는 환원제, 산화제 및 조연제를 함유하는 것인 발화 기구를 제공한다. 이러한 본 발명의 발화 기구는 발화제에 산소 공급제를 함유하고, 고온고열발생제에 조연제를 함유함으로써, 발화제와 고온고열발생제 사이에 착화제를 포함하지 않고 발화제에서 고온고열발생제를 직접 발화시킬 수 있는 발화 체인 (Ignition Chain) 구조이다.
또한, 본 발명은 파암 장치로서,
(a) 카트리지,
(b) 상기 카트리지 내부에 충진되는 본 발명의 둔감성 파쇄 조성물 및
(c) 상기 카트리지 일 측면에 장착되는 본 발명의 발화 기구
를 포함하는 것인 파암 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 종래 기술에 있어 천공내 카트리지 약포 장전시 작업 여건상 천공 내에서 일정 거리 분리되어 이격되는 경우가 발생할 경우, 순폭이 안되어 불발 잔류가 종종 발생하는데, 본 발명의 둔감성 파쇄 조성물에서는 그 구성 성분들이 균일하게 혼합되고 그 성분 비율이 일정하게 유지되며 또한 순폭도가 증가되어 불발을 방지할 수 있고 따라서 안전도 향상을 기대할 수 있다.
둘째, 본 발명의 발화 기구 및 이를 포함하는 파암 장치는 수십 내지 수백 킬로주울 (KJ)의 고전압 대전력을 사용하지 않고 1개당 수십 내지 수백 미리주울 (mJ)의 낮은 에너지를 사용하여 착화시키므로 장비 자체가 간단하여 휴대하기 편리하며, 적은 용량으로도 제발 가능하여 1회 제발 파암 공수가 수십 내지 수백공까지 증가하므로 작업 효율이 높아 예산 절감 효과가 있다.
셋째, 본 발명의 발화 기구에서는 발화제와 고온고열발생제 사이에 착화제를 사용하지 않고도 발화제에서 고온고열발생제를 직접 발화시킬 수 있는 발화 체인 (Ignition Chain) 구조로 인하여 위험 물질 사용량을 줄일 수 있어 사용 취급 안전을 도모할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 둔감성 파쇄 조성물 및 본 발명의 발화 기구에 관하여 각각 설명한 후 상기 둔감성 파쇄 조성물과 발화 기구를 모두 포함하여 이루어지는 본 발명의 파암 장치에 관하여 설명한다.
본 발명의 둔감성 파쇄 조성물은 콘크리트, 암반 등의 취성 물체를 파쇄하는 역할을 하게 되고, 동적인 파쇄 작용인 충격 압력과 정적인 가스압의 추진적 작용을 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 둔감성 파쇄 조성물은 이하에서 설명할 파암 장치의 카트리지에서 발화 기구 주변을 둘러 감싸면서 위치하도록 내포되고, 상기 발화 기구의 속 제일 바닥에 충진되어 있는 고온고열발생제의 충격압과 고온고열에 의하여 착화되어 그 분해 반응이 이루어진다.
이러한 본 발명의 둔감성 파쇄 조성물은 산화제, 환원제, 해리압제 및 조연제를 함유할 수 있다. 또한 본 발명의 둔감성 파쇄 조성물은 산화제, 환원제, 해리압제 및 점결제를 함유할 수 있다. 또한 본 발명의 둔감성 파쇄 조성물은 산화제, 환원제, 해리압제, 조연제 및 점결제를 함유할 수 있다.
본 발명의 둔감성 파쇄 조성물 중 산화제로는 금속 산화물이 사용되고, 그 구체적인 예로는 산화제이구리, 이산화망간, 산화제이철, 사산화삼철 또는 이들의 혼합물 등이 있다. 바람직하게는 산화제로서 산화제이구리를 사용하는 것이 좋다. 이러한 산화제는 둔감성 파쇄 조성물의 총 중량을 기준으로 35 내지 45 중량% 범위의 양으로 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 둔감성 파쇄 조성물 중 환원제로는 금속 분말이 사용되고, 그 구체적인 예로는 알루미늄 분말, 마그네슘 분말 또는 이들의 혼합물 등이 있다. 바람직하게는 환원제로서 산소의 공급을 받아 높은 열에너지로서의 연료 역할을 하는 알루미늄 분말을 사용하는 것이 좋다. 이러한 환원제는 둔감성 파쇄 조성물의 총 중량을 기준으로 8 내지 12 중량% 범위의 양으로 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 둔감성 파쇄 조성물 중 해리압제는 산화제와 환원제의 고온 발열과 충격으로 인하여 열분해된 가스압을 급속도로 빠르게 방출하는 정적인 추진적 작용의 기능을 갖게 되고, 동적 충격압 작용에 의하여 취성 물체의 균열 틈으로 열분해되어 해리된 다량의 가스압이 확산되어 암석을 이동시키면서 재차 파쇄하는 작용을 하게 된다. 이러한 해리압제의 열 해리압은 산화제와 환원제의 열원에 의하여 발생한 온도가 높을수록 높다. 따라서, 가스 발생량이 클수록 파암 효과가 커지므로 단위 중량당 열분해 가스 발생량이 큰 것이 바람직하다.
이러한 해리압제로는 과탄산나트륨(2Na2CO3·3H2O2), 아지화나트륨(NaN3), 오붕산암모늄 사수화물(NH4B5O8·4H2O), 황산마그네슘 칠수화물(MgSO4·7H2O), 황산제일철 칠수화물(FeSO4·7H2O), 옥살산암모늄 일수화물[(NH4)2C2O4·H2O] 또는 이들의 혼합물 등이 있다. 바람직하게는 해리압제로서 황산마그네슘 칠수화물 (에프솜염)을 사용하는 것이 좋다. 이러한 해리압제는 상기 둔감성 파쇄 조성물의 총 중량을 기준으로 42 내지 55 중량%의 양으로 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 둔감성 파쇄 조성물 중 조연제는 둔감성 파쇄 조성물의 발화점을 낮추어 착화와 연소를 용이하게 하고, 순폭도를 높이는 역할을 하는 것으로서, 황, 경유, 중유, 등유 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 조연제는 상기 둔감성 파쇄 조성물의 총 중량을 기준으로 0.5 내지 5 중량%의 양으로 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 둔감성 파쇄 조성물 중 점결제는 산화제, 환원제 및 조연제의 혼합물을 비활성 물질인 해리압제 입자 주위로 결합시키고 이들의 일정한 성분 비율을 유지시킴으로써 균등한 산소 공급을 통하여 산소 평형을 유지함과 동시에 연소를 용이하게 해주고, 연속적인 분해 반응을 통하여 미반응물 없는 완전 연소와 순폭도 향상을 달성하는 역할을 한다.
이러한 점결제로는 메틸셀룰로오스 (MC), 히드록시프로필메틸셀룰로오스 (HPMC), 카르복시메틸셀룰로오스 (CMC) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 점결제는 상기 둔감성 파쇄 조성물의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 1.8 중량%의 양으로 사용하는 것이 바람직하고, 사용시 점결제를 아세톤, 물, 에틸알코올 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 용매에 용해시켜 액체 상태로 사용한다.
본 발명의 둔감성 파쇄 조성물은 산화제, 환원제, 해리압제 및 조연제를 혼합기에 투입하여 혼합한 후 배출된 혼합물을 진동체를 통하여 사분하여 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 둔감성 파쇄 조성물은 산화제, 환원제 및 해리압제를 혼합기에 넣고, 점결제를 용매에 용해시켜 점결제액을 준비하여 이를 상기 혼합기에 넣고 혼합한 후, 배출된 혼합물을 진동체를 통하여 사분한 후 건조시켜 제조한다.
또한, 본 발명의 둔감성 파쇄 조성물은 산화제, 환원제, 해리압제 및 조연제를 혼합기에 넣고, 점결제를 용매에 용해시켜 점결제액을 준비하여 이를 상기 혼합기에 넣고 혼합한 후, 배출된 혼합물을 진동체를 통하여 사분한 후 건조시켜 제조한다.
이하에서는 본 발명의 발화 기구에 관하여 설명한다.
도 1에서 보이는 바와 같이 본 발명의 발화 기구 (10)는 상기한 둔감성 파쇄 조성물을 저에너지로 착화 반응시키는 역할을 하는 것으로서, 발화 기구 내부의 상단부터 발화제(13) 중심속의 발열선 (12) 및 고온고열발생제 (14)를 순차적으로 포함하여 이루어진다. 특히 본 발명의 발화 기구 (10)는 발화제 (13)와 고온고열발생제 (14) 사이에 착화제가 별도로 포함되지 않는 구조로서 이러한 착화제 없이 발화제 (13)에서 고온고열발생제 (14)를 직접 발화시킬 수 있는 발화 체인 (Ignition Chain) 구조를 가진다.
이러한 본 발명의 발화 기구 (10)는 고온고열 발생으로 인한 착화에 그 목적이 있으므로 발화 기구는 알루미늄 또는 구리와 같은 금속 재질 이외에 플라스틱으로 이루어져도 무방하다.
본 발명의 발화 기구 (10) 중 발열선 (12)은 구리 도선 (11)의 말단에 스폿웰딩 (spot welding) 등의 방법으로 용접시켜 얻은 것으로서, 발화제 (13)의 중심에 위치한다. 이러한 발열선 (12)은 구리 도선 (11)을 통한 저에너지 공급에 의하여 발열되고, 발열된 열에너지는 발화제 (13)의 발화점 이상의 발열 온도를 순식간에 발생시켜 발화제 (13)를 발화시키게 되며, 발화된 발화제 (13)는 일정 거리 이격된 고온고열발생제 (14)를 감응시켜 약 2500 ℃ 이상의 고온고열과 충격압을 동시에 발생시킨다. 여기서 발생된 충격압은 발화 기구를 파열시키고, 동시에 발생된 고온고열과 충격압은 둔감성 파쇄 조성물을 반응시키는 역할을 한다.
상기의 발열선 (12), 발화제 (13) 및 고온고열발생제 (14)는 알루미늄, 구리, 플라스틱 등의 발화 기구 속에 보호받으며, 이들을 포함하는 본 발명의 발화 기구 (10)는 하기에서 설명할 본 발명의 파암 장치 (1)에 있어 파암 장치 (1)의 일측면을 통하여 둔감성 파쇄 조성물 (20) 속의 정중앙으로 탈부착이 가능한 구조이다 (도 2 참조). 이러한 발화 기구 (10)에 의하여 발생되는 고온고열과 충격압에 의하여 둔감성 파쇄 조성물 (20)은 용이하게 착화되어 열분해 반응이 지속되고, 둔감성 파쇄 조성물의 약포와 약포를 연속 감응 순폭시킨다.
본 발명의 발화 기구 중의 발화제 (13)를 발화시키는 발열선 (12)은 공급 전류, 발열선 경, 발열선 길이가 동일할 때는 비저항이 클수록 발열량은 커지나 단위길이당 저항값 역시 커지므로 일정한 값의 범위 내의 비저항값을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 발화 기구 중의 발화제 (13)를 발열시키기 위하여 바람직한 발열 선 (12)의 비저항은 18.4 μohm·cm 내지 134 μohm·cm 가 바람직하다 (실시예 1 참조). 비저항이 18.4 μohm·cm 내지 134 μohm·cm 인 발열선 (13)으로는 니켈/크롬(90/10)의 합금, 백금/이리듐(90/10)의 합금, 백금/로디움(90/10)의 합금, 니켈/크롬/알루미늄/구리(75/20/2.5/2.5)의 합금 등이 있다.
본 발명에서 사용하는 발화제 (13)에 함유되는 발화 물질로는 상기 발열선 (12)의 발열에 의해 용이하게 발화할 수 있는, 즉 발화점이 낮은 레졸신염이 바람직하며, 이러한 발화 물질로는 니트로기가 1개인 모노니트로레졸신납, 니트로기가 2개인 디니트로레졸신납 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 레졸신염은 모두 발화점이 300 ℃ 이하로서, 발열선의 발열량에 의해 발화제가 발화됨과 동시에 고온고열발생제를 감응시켜 착화시키는 여폭 (donor)의 기능을 가진다.
또한, 상기한 발화 물질의 발화 연소시 충분한 산소 공급을 통하여 연소 반응이 원활하게 이루어지도록 하고 또한 여폭 기능을 더욱 크게 하도록 산소 공급제를 발화 물질과 혼합하여 사용한다.
상기 발화 물질과 혼합 사용하는 산소 공급제는 다량의 산소를 발생시켜 연소를 촉진시키는 동시에, 발화시 발생하는 불꽃을 크게 하여 고온고열발생제의 감응(Aceptor) 능력을 높여주는 역할을 한다. 이와 같이 발화 물질과 혼합 사용되는 산소 공급제로는 과망간산칼륨, 이산화망간 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 이러한 산소 공급제를 발화 물질 중량을 기준으로 5 내지 70 중량%의 양으로 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 발화 물질 및 산소 공급제를 함유하는 발화제는 발화에 의해 발생한 화염 크기 및 화염 지속 시간이 고온고열발생제의 착화에 영향을 미치게 되므로 이를 10 mg 내지 35 mg의 양으로 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용하는 고온고열발생제 (14)는 발화제 (13)에 의해 감응 폭발 (acceptor)됨과 동시에 둔감성 파쇄 조성물 (20)을 착화시켜주는 역할을 하는데, 발화제 (13)와 일정 거리 이격되어 발화제 (13) 바로 아래로 위치한다.
이러한 고온고열발생제 (14)는 산화제와 환원제의 총 중량을 기준으로 산화제 75 내지 85 중량% 및 환원제 15 내지 25 중량%를 함유하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 고온고열발생제는 착화가 용이하도록 조연제를 더 함유한다. 조연제의 사용량은 상기한 산화제 및 환원제의 총 중량을 기준으로 0.5 내지 15 중량%의 양으로 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 산화제, 환원제 및 조연제를 함유하는 고온고열발생제 (14)는 0.7 내지 2 g의 양으로 사용하는 것이 바람직하다.
상기 산화제로는 금속산화물이 사용되고, 그 구체적인 예로는 산화제이구리, 이산화망간, 산화제이철, 사산화삼철 또는 이들의 혼합물 등이 있다. 바람직하게는 산화제로서 산화제이구리를 사용하는 것이 좋다.
상기 환원제로는 금속 분말이 사용되고, 그 구체적인 예로는 알루미늄 분말, 마그네슘 분말 또는 이들의 혼합물 등이 있다. 바람직하게는 환원제로서 알루미늄 분말을 사용하는 것이 좋다.
상기 조연제로는 질소량 12% 미만의 면약 (nitrocellulose), 황 (S) 또는 이 들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 것을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 고온고열발생제 (14)는 산화제, 환원제, 조연제 등을 일정량 계량 혼합하여 준비하고 그 혼합물을 알루미늄관 및 구리관 등의 금속관 또는 플라스틱관 등의 본 발명의 발화 기구 (10) 속의 바닥에 충진한다.
이러한 고온고열발생제를 본 발명의 발화 기구에 충진함에 있어서, 본 발명의 둔감성 파쇄 조성물의 착화 능력을 높여주고, 위력을 증대하기 위해 30 kg/cm² 내지 150 kg/cm²의 압력으로 가압 충진하여 밀도를 높임으로써 단위 체적당 중량을 크게 하고, 반응 속도와 발생 압력을 높여 둔감성 파쇄조성물의 여폭 능력을 높일 수 있다.
이하에서는 상기 둔감성 파쇄 조성물 및 발화 기구를 포함하는 본 발명의 파암 장치에 관하여 설명한다.
도 2에 있어서, 본 발명의 파암 장치 (1)는
카트리지 (2),
상기 카트리지 (2) 내부에 충진되는 본 발명의 둔감성 파쇄 조성물 (20) 및
상기 카트리지 (2) 일 측면에 장착되는 본 발명의 발화 기구 (10)
를 포함하여 이루어진다.
상기한 바와 같이 본 발명의 발화 기구 (10)는 본 발명의 파암 장치 (1)의 일측면을 통하여 둔감성 파쇄 조성물 (20) 속의 정중앙으로 탈부착이 가능한 구조이다.
실시예 1
직경 0.5 mm, 길이 2.5 m인 구리 도선 말단에 하기 표 1의 발열선을 각각 스폿웰딩 (spot welding)하여 발열선을 준비하고, 모노니트로레졸신납과 과망간산칼륨을 7:3의 중량 비율이 되도록 혼합한 발화제를 30 mg 사용하고 공급 전류를 동일하게 하여 발열선의 종류에 따른 발화제의 완폭 여부를 확인하고 그 전기적 특성을 측정하였다. 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다.
발열선 종류별 발화 특성
구분 시료1 시료2 시료3 시료4 시료5 시료6
니켈/크롬 (90/10) 백금/이리듐 (90/10) 알루미늄/마그네슘/실리콘 (98/1/1) 백금/로디움 (90/10) 니켈/크롬/알루미늄/구리(75/20/2.5/2.5) 티타늄/알루미늄/바나듐 (90/6/4)
비저항 (μohm·cm) 70.6 25 3.6 18.4 134 168
공급전류 (A) 2A 2A 2A 2A 2A 2A
발열선직경 (mm) 0.05 0.03 0.025 0.025 0.05 0.1
발열선선길이 (mm) 1.7 1.7 1.7 1.7 1.7 1.7
발열선저항 (Ω) 0.61 0.60 0.12 0.64 1.16 0.36
총저항(Ω) 1.06 1.05 0.57 1.09 1.61 0.81
발화시간(ms) 12.7 7.9 불발화 2.6 246 불발화
단위시간당 에너지(Joule/sec) 4.24 4.2 2.28 4.36 6.44 3.24
발화역적(Ignition Impulse) (mW·sec/Ω) 50.8 31.6 - 10.4 984 -
발화 에너지(mj) 53.8 33.2 - 11.3 1584.2 -
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 발화 역적 (mW·sec/Ω)은 시료 4가 가장 작고, 시료 2, 시료 1 및 시료 5의 순으로 점점 그 수치가 커졌다. 발화 역적이 작을수록 낮은 에너지로도 발화가 가능하다. 시료 3은 발열선의 비저항이 일정 값 이하일 경우에는 발화되기 이전에 열팽창에 의하여 발열선이 끊어져 불발이 생긴 것으로 보여지고, 시료 6은 더 높은 전류 내지는 빠른 열전도가 요구되는 것으로 보여진다. 따라서, 발열선의 비저항은 18.4 μohm·cm 내지 134 μohm·cm인 것이 바람직하다.
실시예 2
발화제가 둔감한 고온고열발생제를 충분히 착화시켜 감응 분해되도록 하는 최소 발화 약량을 구하기 위하여, 직경 0.5 mm, 길이 2.5 m인 구리 도선 말단에 발열선을 스폿웰딩하여 발열선을 준비하고, 디니트로레졸신납과 이산화망간을 6:4의 중량 비율이 되도록 혼합한 발화제를 하기 표 2에서와 같이 약량별로 변화시키고 공급 전류는 2.0 A로 하여 완폭 여부를 확인하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.
발화 기구의 저에너지 공급에 따른 최소 발화제량
구분 발화제량(mg)
5 mg 10 mg 15 mg 20 mg 25 mg 30 mg 35 mg
고온고열발생제 자연상태충진 발화수 /시료수 7/10 10/10 10/10 10/10 10/10 10/10 10/10
결과 일부 불폭 완폭 완폭 완폭 완폭 완폭 완폭
가압하여 충진 발화수 /시료수 10/10 10/10 10/10 10/10 10/10 10/10 10/10
결과 완폭 완폭 완폭 완폭 완폭 완폭 완폭
주1) 발열선 종류: 백금(90):이리듐(10)
주2) 고온고열발생제는 0.8g으로 동일 약량
(알루미늄:산화제이구리:황=17:78:5)
주3) 고온고열발생제의 가압은 100kg/cm²로 발화 기구 속에 충진.
자연 상태로 충진한 경우에는 10 mg 이상의 발화제량에서 완폭이 이루어졌으나, 가압하여 충진한 경우에는 5 mg 이상의 발화제량에서 완폭이 이루어졌다. 따라서, 자연 상태로 충진하는 것보다 가압하여 충진하는 것이 발화제량을 약간 감소시킬 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 발화제에 의해 반응된 고온고열발생제가 둔감성 파쇄 조성물을 반응시키기 위해서는 고온고열발생제를 발화 기구에 가압하여 충진하는 것이 밀도를 증가시키고 결과적으로 반응 속도 등을 증가시키므로 바람직하다. 발화제의 량은 10 mg 이상이면 충분히 고온고열발생제를 감응시켜 완폭시킬수 있는 여폭 능력이 보이는 것으로 확인되었다. 또한 발화제와 고온고열발생제 사이에 착화제를 사용하지 않고도 발화제에서 고온고열발생제를 직접 발화시킬 수 있음을 확인하였다. 안전율 3배 이상을 고려하여 발화제의 량은 30 mg 정도가 바람직하다.
실시예 3
알루미늄 분말(11.2 중량%), 산화제이구리(23.5 중량%), 산화제이철(15.0 중량%), 아지화나트륨(50.3 중량%)의 혼합물을 준비한다. 이러한 혼합물의 총 중량을 기준으로 하여 에틸 알코올 11.5 중량%에 히드록시프로필메틸셀룰로오스 0.2 중량%를 넣고 충분히 용해시킨 후 잘 저어서 점결제액을 준비한다.
상기 혼합물을 혼합기에 투입하고 충분히 혼합한 후 별도 준비한 상기 점결제액을 혼합기에 투입하고 혼합한다. 혼합기에서 배출된 혼합물을 진동체를 통하여 사분한 후 야외 건조하여 냄새를 제거하고 60℃의 온도를 유지하는 건조실에 24 시간 건조한다. 이러한 방법으로 얻은 건조물을 직경 34 mm, 길이 400 mm의 플라스틱 카트리지 통 속에 채워 넣은 후 발화 기구에 저에너지 공급을 실시하여 발화 기구의 완전한 반응으로 인하여 둔감한 파쇄 조성물의 완폭 여부를 확인하였다. 그 결과를 표 3에 기재하였다.
저에너지 공급에 따른 발화 특징수와 둔감성 파쇄 조성물 완폭 여부
구분 임계발화전류
0.25 A 0.4 A 0.6 A 0.8 A 1.0 A 2.0 A
발화시간(ms) 발화제 불발화 발화제 불발화 101.3 53.2 32.6 7.81
총저항(Ω) 1.01 0.98 1.05 1.03 1.04 1.02
단위시간당 공급에너지(Joule/sec) 0.06 0.16 0.38 0.66 1.04 4.08
발화역적(Ignition Impulse) (mW·sec/Ω) - - 36.5 34.0 32.6 31.2
임계발화 에너지(mj) - - 38.3 35.1 33.9 31.9
파쇄조성물 완폭여부(완폭수/시료수) 0/10 0/10 2/10 6/10 9/10 10/10
상태 불폭 불폭 반폭 반폭 반폭 완폭
주1) 발화제량 30 mg
주2) 고온고열발생제 0.8 g
주3) 완폭수/시료수
전류 크기가 0.6 A 이상이면 발화제가 발화되나 둔감성 파쇄 조성물을 완폭시키지는 못하는 것으로 나타났으며, 전류 크기가 2.0 A 이상이 되어야 둔감성 파쇄 조성물이 완폭됨을 확인할 수 있으나, 제발시에는 제조상 발화제의 감도, 제발 수량, 전류 누설, 접촉저항, 발열선 저항의 편차 등을 고려하여 충분한 발화 전류가 공급될 수 있도록 안전율 5배를 취하여 1개당 공급받는 발화 전류는 10 A 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 공급 전류가 커질수록 발화 역적(Ignition Impulse, mW·sec/Ω), 임계 발화 에너지(mj)는 값이 감소하고 단위 시간당 공급 에너지는 커지는 경향을 보인다.
실시예 4
마그날륨(11 중량%, Mg:Al=3:7), 산화제이구리(41.0 중량%), 과탄산나트륨(47.0 중량%), 황(1.0 중량%)의 혼합물을 준비한다.
이러한 혼합물을 하기의 표 4에서와 같이 발화 기구에 10 A의 저에너지를 공급하여 발화제의 발화를 통하여 고온고열발생제가 발화하는지를 판단하였고, 자연 상태 충진과 가압 충진으로 구분하여 고온고열발생제의 약량에 따라 둔감성 파쇄 조성물으로의 여폭 능력 (donor)을 확인하였다.
고온고열발생제의 둔감성 파쇄 조성물으로의 여폭 능력
구분 발화기구 고온고열발생제 최소약량(g)
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
자연상태 충진 완폭수 /시료수 0/10 1/10 4/10 8/10 10/10 10/10 10/10
상태 불폭 일부 불폭 일부 불폭 일부 불폭 완폭 완폭 완폭
가압충진 완폭수 /시료수 0/10 7/10 10/10 10/10 10/10 10/10 10/10
상태 불폭 일부 불폭 완폭 완폭 완폭 완폭 완폭
고온고열발생제를 가압하여 발화 기구 속에 충진한 것이 발화 기구 속에 자연 상태 그대로 충진한 것보다 밀도가 높아 둔감성 파쇄 조성물으로의 여폭 능력이 더 높은 것을 확인할 수 있었다. 고온고열발생제의 량은 0.7 g 이상이면 충분히 둔감성 파쇄 조성물을 완폭시킬수 있는 여폭 능력이 보이는 것으로 확인되었다.
실시예 5
하기의 표 5의 각 시료를 각각의 조성에 따라 혼합하여 준비한다.
본 발명 1의 시료를 준비하기 위하여 알루미늄 분말(11.2 중량%), 산화제이구리(23.5 중량%), 산화제이철(15 중량%) 및 아지화나트륨(50.3 중량%)을 혼합한다. 이러한 혼합물의 총 중량을 기준으로 하여 에틸 알코올 11.5 중량%에 히드록시프로필메틸셀룰로오스 0.2 중량%를 넣고 충분히 용해시킨 후, 잘 저어서 점결제액을 준비한다. 상기 혼합물을 혼합기에 투입하고 충분히 혼합한 후 별도 준비한 상기 점결제액을 혼합기에 투입하고 혼합한다. 혼합기에서 배출된 혼합물을 진동체를 통하여 사분한 후 야외 건조하여 냄새를 제거하고 60℃의 온도를 유지하는 건조실에 24 시간 건조하여 본 발명 1의 시료를 준비한다.
또한, 본 발명 3의 시료를 준비하기 위하여, 알루미늄 분말(10.5 중량%), 산화제이구리(41.0 중량%), 황산마그네슘 칠수화물(47.3 중량%) 및 황(1.2 중량%)를 혼합한다. 이러한 혼합물의 총 중량을 기준으로 하여 60 ℃의 따뜻한 물 3 중량%에 메틸셀룰로오스 0.3 중량%를 넣고 충분히 용해시킨 후, 에틸 알코올 10 중량%를 넣어 잘 저어서 점결제액을 준비한다. 상기 혼합물을 혼합기에 투입하고 충분히 혼합한 후 별도 준비한 상기 점결제액을 혼합기에 투입하고 혼합한다. 혼합기에서 배출된 혼합물을 진동체를 통하여 사분한 후 야외 건조하여 냄새를 제거하고 60℃의 온도를 유지하는 건조실에 24 시간 건조하여 본 발명 3의 시료를 준비한다.
이러한 방법으로 얻은 각각의 시료 (둔감성 파쇄 조성물)를 직경 34 mm, 길이 400 mm의 플라스틱 카트리지 통 속에 채워 넣은 후, 발화 기구의 완전한 반응으로 둔감성 파쇄 조성물이 완전히 반응하는 지를 확인하기 위하여 카트리지(약포)를 5 mm 간격으로 이격시키면서 개방 상태와 밀폐 상태에서 순폭 거리와 완폭 여부를 확인하였다. 발화 기구의 10 A의 전류 공급에 따른 둔감성 파쇄 조성물의 순폭도는 하기의 표 5와 같다.
발화 기구의 저에너지 공급에 따른 둔감성 파쇄 조성물의 순폭도
시료 조성비 개방 순폭도 밀폐 순폭도
최대순폭거리 (mm) 순폭도 (최대순폭거리/약경) 최대순폭거리 (mm) 순폭도 (최대순폭거리/약경)
비교1 Al+CuO 18.5/81.5 0 0 0 0
비교2 Al+MnO2+MgSO4·7H2O 20.5/49.5/30 0 0 0 0
비교3 Al+CuO +DPT+Geolite+Mcx 8.3/26.6/33.3/31.8/ (외)0.6 0 0 0 0
비교4 Al+CuO +MgSO4·7H2O 12/38/50 0 0 5 0.15
본발명1 Al+CuO+Fe2O3 +NaN3+HPMC 11.2/23.5/15/50.3/ (외)0.2 5 0.15 15 0.44
본발명2 Mg+Al+CuO +2Na2CO3·3H2O2+S 3.3/7.7/41/47/1.0 10 0.29 30 0.88
본발명3 Al+CuO +MgSO4·7H2O+S+MC 10.5/41/47.3/1.2/ (외)0.3 15 0.44 45 1.33
주1) 카트리지 약경 : 34 mm
주2) 개방순폭도는 모래위에 일직선상으로 홈을 파 카트리지 놓은 후 측정
주3) 밀폐순폭도는 한쪽을 막은 강관속에 카트리지를 넣고 측정
산화제, 환원제 및 해리압제만을 포함하는 둔감성 파쇄 조성물의 순폭도에 비하여, 점결제를 더 첨가한 둔감성 파쇄조성물의 순폭도가 밀폐순폭도 기준으로 3배 높음을 확인할 수 있으며, 산화제, 환원제 및 해리압제만을 포함하는 둔감성 파쇄 조성물의 순폭도에 비하여, 발화점이 낮은 황을 더 첨가한 둔감성 파쇄 조성물의 순폭도가 밀폐순폭도 기준으로 6배 이상 정도 높음을 확인할 수 있다. 또한 조연제 이외에 점결제를 더한 둔감성 파쇄 조성물의 순폭도는 산화제, 환원제 및 해리압제 만을 포함하는 둔감성 파쇄 조성물의 순폭도에 비하여 밀폐순폭도 기준으로 9배 이상 높은 것을 확인할 수 있다.
한편, 밀폐 상태의 순폭도가 개방 상태의 순폭도보다 약 3배 높은 것을 확인할 수 있다. 따라서, 순폭도가 높아짐에 따라 작업 여건상 약포가 이탈될 경우라도 천공 내에서의 불발 잔류가 크게 감소 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 발화 기구의 단면을 개략적으로 보이는 단면이다.
도 2는 본 발명의 파암 장치의 단면을 개략적으로 보이는 도면이다.
(도면의 부호에 관한 간단한 설명)
1: 파암 장치 2: 카트리지
10: 발화 기구 11: 구리 도선
12: 발열선 13: 발화제
14: 고온고열발생제 20: 둔감성 파쇄 조성물

Claims (10)

  1. 둔감성 파쇄 조성물로서, 상기 조성물의 총 중량을 기준으로
    (a) 금속 산화물인 산화제 35 내지 45 중량%,
    (b) 금속 분말인 환원제 8 내지 12 중량%,
    (c) 과탄산나트륨(2Na2CO3·3H2O2), 아지화나트륨(NaN3), 오붕산암모늄 사수화물(NH4B5O8·4H2O), 황산마그네슘 칠수화물(MgSO4·7H2O), 황산제일철 칠수화물(FeSO4·7H2O), 옥살산암모늄 일수화물[(NH4)2C2O4·H2O] 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 해리압제 42 내지 55 중량%,
    (d) 황 (S)인 조연제 0.5 내지 5 중량% 및
    (e) 메틸셀룰로오스 (MC), 히드록시프로필메틸셀룰로오스 (HPMC), 카르복시메틸셀룰로오스 (CMC) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 점결제 0.1 내지 1.8 중량%를 함유하는 것인 둔감성 파쇄 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산화제는 산화제이구리, 이산화망간, 산화제이철, 사 산화삼철 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 것인 둔감성 파쇄 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 환원제는 알루미늄 분말, 마그네슘 분말 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 것인 둔감성 파쇄 조성물.
  4. 발화 기구로서, 내부의 상단부터 발화제 중심속의 발열선 및 고온고열발생제를 순차적으로 포함하고, 상기 발화제는 발화 물질 및 산소 공급제를 함유하며, 상기 고온고열발생제는 환원제, 산화제 및 조연제를 함유하는 것인 발화 기구.
  5. 제4항에 있어서, 상기 발열선의 비저항은 18.4 μohm·cm 내지 134 μohm·cm 인 것인 발화 기구.
  6. 제4항에 있어서, 상기 발화 물질은 모노니트로레졸신납, 디니트로레졸신납 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 것인 발화 기구.
  7. 제4항에 있어서, 상기 산소 공급제는 과망간산칼륨, 이산화망간 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 것으로, 상기 발화 물질의 중량을 기준으로 5 내지 70 중량%의 양으로 상기 발화제에 함유되는 것인 발화 기구.
  8. 제4항에 있어서, 상기 고온고열발생제는 상기 환원제와 산화제의 총 중량을 기준으로, 금속 분말인 환원제 15 내지 25 중량%, 금속 산화물인 산화제 75 내지 85 중량% 및 질소량 12% 미만의 면약 (nitrocellulose), 황 (S) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 조연제 0.5 내지 15 중량%를 함유하는 것인 발화 기구.
  9. 제4항에 있어서, 상기 환원제는 알루미늄 분말, 마그네슘 분말 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 것이고, 상기 산화제는 산화제이구리, 이산화망간, 산화제이철, 사산화삼철 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 것인 발화 기구.
  10. 파암 장치로서,
    (a) 카트리지,
    (b) 상기 카트리지 내부에 충진되는 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 따른 둔감성 파쇄 조성물 및
    (c) 상기 카트리지 일 측면에 장착되는 제4항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 따른 발화 기구
    를 포함하는 것인 파암 장치.
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