PL164248B1 - Element inicjujacy z wtórnym materialem wybuchowym PL PL PL - Google Patents

Abstract

1. Element inicjujacy z wtórnym materialem wybuchowym posiadajacy obudowe zawierajaca wtórny material wybuchowy przystosowany na jednym koncu do zaplonu wtórnego materialu wybuchowego srodkiem zaplonowym, opcjonalnie poprzez pirotechni- czne mieszanki opózniajace i przewodzace zaplon, na drugim koncu do przekazania impulsu detonacyjnego, a w czesci srodkowej do zajscia przemiany deflagracji wtórnego materialu wybuchowego w detonacji, znamienny tym, ze co najmniej czesc wtórnego materialu wybuchowego jest zmodyfikowana do postaci czastek granulowanych krysztalów materialu wybuchowego i/lub z dodatkiem katalizatora reakcji. PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest element inicjujący z wtórnym materiałem wybuchowym.

Detonator stanowią urządzenia wybuchowe stosowane zwykle do inicjowania wybuchu innych materiałów. Posiadają zakończenie wejściowe przyjmujące inicjujący sygnał wyjściowy, zwykle napięcie elektryczne lub ciepło i wstrząs pochodzący z zapalnika oraz wyjściowe, zawierające podstawowy ładunek wtórnego materiału wybuchowego. Pomiędzy obydwoma zakończeniami znajdują się środki pozwalające na przemianę sygnału wejściowego w detonację podstawowego ładunku. W cywilnych detonatorach osiąga się to zwykle dzięki obecności niewielkiej ilości pierwotnego materiału wybuchowego stykającego się z ładunkiem podstawowym, który gwałtownie detonuje przy podgrzaniu lub wstrząsie. Z drugiej strony wysoka wrażliwość pierwotnych materiałów wybuchowych wymaga ostrych środków ostrożności w czasie ich wytwarzania i stosowania. Pierwotnych środków wybuchowych nie można transportować masowo, lecz muszą być wytwarzane lokalnie w każdej wytwórni detonatorów. Poza wysokimi względnymi kosztami wytwarzania w małych instalacjach produkcja pierwotnych materiałów wybuchowych wymaga stosowania trujących lub niebezpiecznych substancji. W zakładzie materiał musi być przetwarzany i transportowany w małych porcjach, a porcjowanie i prasowanie musi być prowadzone zdalnie i za osłonami przeciwpodmuchowymi W detonatorze obecność pierwotnego materiału wybuchowego jest potencjalnym źródłem przypadkowych detonacji podczas transportu i stosowania. Jakiekolwiek uszkodzenie, naciek, ogrzanie lub tarcie w pobliżu pierwotnego materiału wybuchowego może uruchomić detonator. Pierwotny materiał wybuchowy może też przejąć wstrząs pobliskiej detonacji lub spowodować masową detonację złożonych w pobliżu 150adunków. Z tych powodów transport detonatorów podlega ścisłym przepisom państwowym. Podobnym ograniczeniom podlega manipulowanie nimi w miejscu wytwarzania.

Podjęto wysiłki w celu zastąpienia pierwotnych materiałów wybuchowych znacznie mniej niebezpiecznymi wtórnymi materiałami wybuchowymi stosowanymi na przykład w ładunkach podstawowych. Detonator nie zawierający materiałów pierwotnych uprościłby wytwarzanie, pozwolił na łatwy transport, w tym i lotniczy, a także złagodziłby ograniczenia w zastosowaniach pozwalając na przykład na równoczesne wiercenie i wysadzanie.

Urządzenia zapłonowe, takie jak drut lub folia wybuchowa, znane na przykład z francuskiego opisu patentowego nr 2 242 899, są w stanie wytworzyć wstrząs dostateczny do tego, aby bezpośrednio zaindukować detonację materiału wybuchowego,jeśli potraktuje sięje uderzeniem prądu elektrycznego. Nie są one zwykle odpowiednie w praktyce cywilnej ze względu na konieczność stosowania drogich i skomplikowanych zapalarek i niedostosowanie do zwykłych pirotechnicznych urządzeń zwłocznych.

Inny typ detonatorów wtórnych materiałów wybuchowych, znany z opisów patentowych Stanów Zjednoczonych Ameryki Płn. nr3978 7914 144 814 i4 239 004, wykorzystuje zapalny, deflagrujący wtórny materiał wybuchowy przyspieszający tarczę uderzającą w przyjmujący wtórny materiał wybuchowy z taką prędkością, aby go zdetonować. Powstrzymanie działających tu sił wymaga wielkich, mechanicznie skomplikowanych i nie całkiem bezpiecznych konstrukcji. Inny typ detonatorów materiałów wybuchowych, znany z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki Płn. nr 3 212 439, wykorzystuje zdolność zapalnego, deflagrującego wtórnego materiału wybuchowego do spontanicznego przejścia z deflagracji do detonacji w odpowiednich warunkach. Warunki te zwykle obejmują ciężkie obudowy zawierające znaczne ilości materiału wybuchowego, co zwiększa rozmiary i koszty w porównaniu z konwencjonalnymi detonatorami zawierającymi pierwotne materiały wybuchowe.

Szerokie zastosowanie handlowe tych znanych typów detonatorów zawierających wtórne materiały wybuchowe ograniczają co najmniej dwa czynniki. Pierwszym z nich jest złożona lub ciężka konstrukcja, zwiększająca koszty materiału i wytwarzania przy niemożności stosowania zwykłej aparatury produkcyjnej. Przekroczenie standardowych rozmiarów oznacza dodatkowe koszty także dla użytkownika. Po drugie, choć możliwe jest pewne wykorzystanie różnych typów detonatorów z wtórnymi materiałami wybuchowymi, trudne jest osiągnięcie wysokiej pewności zapłonu charakteryzującej detonatory z pierwotnymi materiałami wybuchowymi. Klienci wymagają takiej pewności w celu uniknięcia kłopotów z niewypałami ładunków minerskich.

Ulepszenia w tej dziedzinie napotykają na częściowo sprzeczne wymagania. Zmniejszone rozmiary mogąjednocześnie zmniejszyć pewność działania i ograniczyć tolerancję działania, co zwiększa liczbę braków przy wytwarzaniu i podwyższa koszty kontroli. Mała i prosta konstrukcja detonatora, w którym zachodzi przejście od deflagracji do detonacji, może wymagać złożonego urządzenia zapłonowego gwarantującego szybką i powtarzalną deflagrację.

Z kolei w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki Płn. nr 4 727 808 jest opisany nowy rodzaj detonatora z wtórnym materiałem wybuchowym oparty na przejściu z deflagracji do detonacji wtórnego materiału wybuchowego. Opisany detonator uruchamia większość konwencjonalnych środków zapłonowych. Może on być ponadto wytwarzany w zwykłych urządzeniach do produkcji detonatorów oraz może być umieszczony w typowych łuskach i detonowany w pewny sposób, z niwielkim ograniczeniem ładunku wtórnego materiału wybuchowego. Pewność zapłonu możnajeszcze zwiększyć, szczególnie w ekstremalnych warunkach.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki Płn. nr 3 109 372 przedstawiono rozwiązanie, w którym w celu wykonania mocno ściśniętej i przewodzącej elektrycznie grudki wtórnego materiału wybuchowego dodano sadzę, proszek metaliczny, grafit lub podobny materiał. Uzyskano w ten sposób bezpośrednią detonację grudki silnym strumieniem w wyniku wstrząsu, jak to występuje dla drutów wybuchowych. Natomiast w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki Płn. nr 2 617 326 jest przedstawiony detonator, którego górna część zapewnia uzyskanie wyższej, a dolna część niższej wartości ciśnienia.

W elemencie inicjującym z wtórnym materiałem wybuchowym według wynalazku posiadającym obudowę zawierającą wtórny materiał wybuchowy przystosowany na jednym końcu do zapłonu wtórnego materiału wybuchowego środkiem zapłonowym, opcjonalnie poprzez pirotechniczne mieszanki opóźniające i przwodzące zapłon, na drugim końcu do przekazania impulsu detonacyjnego, a w części środkowej do zajścia przemiany deflagracji wtórnego materiału wybuchowego w detonacji, co najmnej część wtórnego materiału wybuchowego jest zmodyfikowana do postaci cząstek granulowanych kryształów materiału wybuchowego i/lub z dodatkiem katalizatora reakcji.

Korzystne jest, gdy zgodnie z wynalazkiem katalizator reakcji stanowi od 0,1 do 10% wagowych mieszaniny katalizatora reakcji i materiału wybuchowego, ma postać drobnego proszku i dołączony jest do granulowanego wtórnego materiału wybuchowego lub zawiera węgiel, kriolity lub związki metali takich jak glin, mangan, żelazo, kobalt, nikiel, rtęć, srebro, cynk lub w szczególności ołów, chrom i miedź. Korzystne jest także, gdy zgodnie z wynalazkiem granulowane kryształy wtórnego materiału wybuchowego mają rozmiary od 0,1 do 100 μm, granulowany wtórny materiał wybuchowy zawiera środek wiążący jego kryształy w ilości od 0,1 do 10% wagowych oraz gdy cząstki granulowanego wtórnego materiału wybuchowego mają średnie rozmiary od 10 do 2000 μm.

Kolejne korzyści z wynalazku uzyskuje się, gdy zmodyfikowany wtórny materiał wybuchowy umieszczony jest w obszarze przylegającym do pierwszego końca elementu zaś ładunek wtórnego materiału wybuchowego zmodyfikowanego lub niezmodyfikowanego umieszczony jest w obszarze pomiędzy obydwoma końcami elementu oraz gdy obszar ze zmodyfikowanym wtórnym materiałem wybuchowym zawiera pokruszony materiał granulowany, lub gdy obszar

164 248 ze zmodyfikowanym lub niezmodyfikowanym wtórnym materiałem wybuchowym zawiera materiał krystaliczny.

Inne korzyści z wynalazku uzyskuje się, gdy zmodyfikowany wtórny materiał wybuchowy sąsiadujący z pierwszym końcem i materiał krystaliczny sąsiadujący poprzez ładunek pośredni z drugim końcem stanowią ładunek inicjujący, przy czym ładunek inicjujący i ładunek pośredni są rozdzielone skokową zmianą gęstości prasowania, a stosunek wagowy zmodyfikowanego wtórnego materiału wybuchowego do materiału krystalicznego wynosi 1:5 do 5:1. W ładunku inicjującym według wynalazku gradient gęstości prasowania rośnie w kierunku od pierwszego końca do drugiego końca zaś jego średnia gęstość prasowania wynosi od 50 do 90% gęstości kryształów użytego materiału wybuchowego. W ładunku pośrednim według wynalazku zawierającym materiał krystaliczny, gradient gęstości prasowania rośnie w kierunku od pierwszego końca do drugiego końca, zaś jego średnia gęstość prasowania wynosi od 30 do 80% gęstości kryształów użytego materiału wybuchowego.

W elemencie inicjującym według wynalazku pomiędzy ładunkiem inicjującym i ładunkiem pośrednim znajduje się ścianka, która stanowi oddzieloną miseczkę lub tarczę nie połączoną z obudową ale do niej przylegającą.

Zmodyfikowany wtórny materiał wybuchowy według wynalazku stanowi tetraazotan pentaerytrytelu (PENT), cyklotrimetylenotrinitroamina (RDX) lub oba te materiały.

Zaletą elementu inicjującego według wynalazku jestjego duża pewność przechodzenia ze stanu deflagracji do detonacji, działanie w ekstremalnych warunkach, uzyskanie szybkiej i pewnej deflagracji wtórnego materiału wybuchowego elementu przy zastosowaniu prostych, głównie cieplnych konwencjonalnych środków zapłonowych oraz możliwość wywołania deflagracji i detonacji we względnie niewielkiej ilości wtórnego materiału wybuchowego. Element inicjujący według wynalazku ma niewielkie wymiary i nieskomplikowaną konstrukcję. Ponadto wytwarzanie elementu i zawierającego go detonatora jest możliwe przy niewielkich kosztach i przy korzystaniu ze zwykłych urządzeń do wytwarzania detonatorów z pierwotnym materiałem wybuchowym.

Wykorzystanie w elemencie inicjującym wtórnego materiału wybuchowego zmodyfikowanego katalizatorem spalania pozwala na selektywne zwiększenie szybkości reakcji w ważnych punktach procesu. Katalizatory spalania mają największy wpływ na szybkość reakcji przy niskich ciśnieniach, gdy ' o całkowitej szybkości reakcji decyduje szybkość transportu fazy gazowej. Właściwość tę wykorzystuje się w niniejszym wynalazku w celu ograniczenia pierwszego, krytycznego okresu reakcji, przyspieszania do prędkości deflagracji lub bliskich detonacji. Jeśli okres ten jest zbyt długi, powstające ciśnienie może zniszczyć strukturę detonatora przed wystąpieniem właściwej reakcji i zatrzymać proces. Skrócenie tego okresu pozwala na zmniejszenie rozmiarów obudowy, zmniejszenie długości lub grubości kolumny wtórnego materiału wybuchowego, zwiększenie otworów w obudowie, na przykład, dla ułatwienia zapłonu, oraz zwiększenie pewności działania. Dodatek katalizatora spalania osłabia także zależność reakcji od temperatury, co zwiększa temperaturowy zakres operacyjny detonatora. Dodatek obniża minimalne ciśnienie pod którym można utrzymać warunki stabilnego liniowego spalania wtórnego materiału wybuchowego, a które może w przeciwnym wypadku nie osiągnąć poziomu ciśnienia atmosferycznego. Zmniejsza to zapotrzebowanie na wytwarzanie ciśnienia w elemencie zapłonowym i urządzeniach zwłocznych, dzięki czemu można korzystać ze zwykłych składników wytwarzających ciepło. Można oczekiwać pełnej funkcjonalności nawet w sytuacjach, gdy uszkodzenie detonatora i wypływ gazu jest spowodowany samym urządzeniem zapłonowym. Co więcej katalizator zwiększa stabilność w czasie przechowywania i przewodnictwo w ładunku wtórnego materiału wybuchowego.

Stosując w elemencie inicjującym wtórny materiał wybuchowy zmodyfikowany do postaci cząstek granulowanych kryształów materiału wybuchowego można osiągnąć znaczne polepszenie właściwości zapłonowych . Granulowane cząstki wystawiają na działanie środka zapłonowego wielościankową mikrostrukturę ze znaczną powierzchnią właściwą, co pozwala na szybki zapłon bez potrzeby dłuższego wytwarzania ciepła przez element zapłonowy. Porowatość granulowanego materiału ułatwia poprzeczną ekspansję początkowego punktowego zapłonu w stabilny płaski front konwekcyjny. Właściwości te eliminują przedłużone i różnorodne etapy zapłonu, co z kolei może wpłynąć na dokładność czasową detonatora i jego spójność. W czasie wytwarzania materiału swobodna charakterystyka przepływu granulowego materiału ułatwia dozowanie i prasowanie, a właściwości te pozwalają na tworzenie odpowiednich gęstości, rosnących w kierunku od zakończenia inicjacyjnego. Zgodnie z wynalazkiem pierwsza część wtórnego materiału wybuchowego jest optymalizowana z punktu widzenia zapłonu, a druga część ze względu na duże szybkości reakcji i składa się z drobnokrystalicznego materiału , co pozwala na większe gęstości, wyższe gradienty i lepszą spójność ładunku. Taka granulowana mieszanka zwiększa pewność działania i może być stosowana w tej postaci lub połączona z katalizatorem spalania.

Dalsze zalety i korzyści wynikające z wynalazku staną się oczywiste z poniższego szczegółowego opisu wynalazku.

Przedstawione rozwiązania mogą być wykorzystane wszędzie tam, gdzie chce się zmienić przebieg reakcji wtórnych materiałów wybuchowych w zadany sposób. Zalecane jest jednak stosowanie tych rozwiązań w połączeniu ze specyficznym typem detonatorów zawierających niepierwotne materiały wybuchowe i opartych na mechanizmie przejścia od deflagracji do detonacji (DDT) polegającym na zdolności deflagrującego wtórnego materiału wybuchowego do spontanicznego przejścia do stanu detonacji w odpowiednich warunkach. Wynalazek zostanie opisany w oparciu o element inicjujący wykorzystujący ten mechanizm.

Znana jest i wykorzystywana różnica pomiędzy pierwotnymi i wtórnymi materiałami wybuchowymi. W celach praktycznych pierwotny materiał wybuchowy można zdefiniowaćjako substancję wybuchową przechodzącą w stan pełnej detonacji w wyniku działania płomienia lub ogrzewania, w objętości kilku milimetrów sześciennych, nawet bezjakiejkolwiek obudowy. Nie można w podobnych warunkach doprowadzić do detonacji wtórnego materiału wybuchowego. Wtórny materiał wybuchowy można zdetonować płomieniem i przez ogrzewanie tylko w większych ilościach lub wewnątrz mocnej obudowy, na przykład metalowego zbiornika o grubych ściankach lub też w wyniku ścięcia pomiędzy dwoma twardymi powierzchniami metalowymi Przykładami pierwotnych materiałów wybuchowych są: piorunian rtęci, trójnitroresorcynian ołowiu, azydek ołowiu, diazodinitrofenol i mieszaniny dwu lub więcej tych i/lub innych podobnych substancji. Reprezentatywnymi przykładami wtórnych materiałów wybuchowych są tetrazotan pentaerytrytolu (PETN), cyklotrimetylenotrinitroamina (RDX), cyklotetrametylenotetranitroamina (HMX), trinitrofenylometylonitroamina (Tetryl), trinitrotoluen (TNT) i mieszaniny dwu lub więcej tych i/lub innych podobnych substancji.

Zgodnie z wynalazkiem można zastosować jakikolwiek z wymienionych powyżej wtórnych materiałów wybuchowych, choć zalecane jest zastosowanie materiałów łatwiejszych w zapłonie i detonacji, w szczególności RDX i PETN oraz ich mieszanin. Różne części elementu inicjującego mogą zawierać różne wtórne matriały wybuchowe. Jeśli element inicjujący podzielić zgrubnie na część deflagracyjną i cześć detonacyjną, z tym że ścisłe położenie punktu przejścia może się zmieniać i podział ten nie musi mieć odpowiednika fizycznego, to lepiej jest stosować łatwiej zapalne i detonujące materiały co najmniej w części deflagracyjnej, podczas gdy swoboda wyboru dla części detonacyjnej jest większa. W celu zmodyfikowania wrażliwości oraz innych właściwości reakcji, poza dodatkami specyficznymi, zgodnymi z niniejszym wynalazkiem, można dołączyć typowe dodatki, takie jak nadchloran potasu lub sproszkowane metale, takie jak glin, mangan lub cyrkon.

W elemencie inicjującym jest umieszczony wtórny materiał wybuchowy zmodyfikowany katalizatorem spalania, którego dodatek wpływa na szybość reakcji pod niskim ciśnieniem, na przykład do około 20 MPA, korzystnie do około 50 MPa lub nawet 100 MPa. W tym zakresie ciśnień szybkość reakcji przybliża równanie Wieille’a, r = ApN gdzie r jest szybkością spalania prostopadle do powierzchni spalania, p jest ciśnieniem, N jest wykładnikiem ciśnienia i A jest stałą szybkością.

Pożądanym wpływem w podanym zakresie ciśnień jest ogólny wzrost szybkości reakcji wyrażanej jako wzrost stałej szybkości (A), na przykład co najmniej 10%, korzystnie co najmniej 50%, a najkorzystniej co najmniej 100%, co ułatwia szybkie tworzenie stabilnego liniowego frontu spalania. Innym pożądanym wpływem jest silna zależność od ciśnienia, co daje lawinowe przyspieszenie reakcji ze wzrostem ciśnienia w obudowie. W tym celu wykładnik ciśnienia (N), mierzony jako liniowe przybliżenie w rozważanym zakresie ciśnień, powinien przekraczać wartość zerową, a nawet 1, korzystnie 1,5. Wyrażając to inaczej, dodatek katalizatora nie obniża wykładnika ciśnienia wtórnego materiału wybuchowego bez dodatku, a powinien zwiększyć go z co najmniej 10%, korzystnie o co najmniej 50%, a najkorzystniej o co najmniej 100%. Innym pożądanym wpływem jest zwiększona szybkość reakcji w niskiej temepraturze, a najlepiej ogólnie obniżona zależność szybkości reakcji od temperatury, w celu osiągnięcia pewnego i powtarzalnego działania w różnych temperaturach. Zależność od temperatury, wyrażana jako dA/dT, gdzie A jest stałą szybkością, a T temperaturą, powinna się po dodaniu katalizatora obniżyć o co najmniej 10%, korzystnie o co najmniej 50%, a najkorzystniej o co najmniej 100%.

Dla osiągnięcia powyższych celów można stosować wiele związków chemicznych, przy czym wynalazek nie ogranicza się do żadnego szczególnego związku ani kombinacji związków. Ogólnym sposobem oceny odpowiedniości katalizatora jest określenie stałych A i N równania Vieille’a dla wtórnego materiału wybuchowego z dodatkiem i bez dodatku katalizatora i obserwowanie wpływu. Standardową techniką pomiarową jest spalanie badanej mieszanki w zamkniętym zbiorniku ciśnieniowym o dostatecznie dużej objętości, aby ciśnienie w czasie reakcji było stałe. Pomiar czasu reakcji pozwala na obliczenie szybkości reakcji pod danym ciśnieniem. Wykres logarytmiczny zależności kilku takich szybkości reakcji od odpowiadających im ciśnień dla wartość stałej A pod standardowym ciśnieniem i wartość stałej N z nachylenia krzywej aproksymowanej linią prostą. Zależność od temperatury można określić powtarzając pomiary dla kilku różnych początkowych temperatur mieszanek. W ten sposób można ocenić każdy katalizator z punktu widzenia podanych wyżej cech.

Przykładami katalizatorów są węgiel, kriolity, związki metali takich jak: żelazo, kobalt, nikiel, rtęć, srebro, cynk lub w szczególności ołów, chrom i miedź. Preferowane są organiczne związki tych metali. Związki te wpływają na różne parametry reakcji, ale można zasugerować, że węgiel zwiększa wartość stałej A, kriolity zmniejszają zależność od temperatury, a związki metali wpływają na stałe A lub N. Połączone wyniki otrzymuje się stosując mieszanki katalityczne.

Pożądaną mieszankę katalizatora i materiału wybuchowego otrzymuje się działając na kryształy materiału wybuchowego roztworem lub zawiesiną katalizatora, ale najlepiej robić to przez zmniejszenie suchych składników, obu drobno zmielonych. Ilość katalizatora jest zwykle niewielka, od 0,1 do 10% wagowych mieszanki, korzystnie od 0,5 do 5%.

Wtórny materiał wybuchowy wykorzystany w elemencie inicjującymjest zmodyfikowany do postaci granulowanej. Granulki powstają z licznych cząstek pierwotnych, utrzymujących się w zlepkach siłami kohezji. Pierwotne cząstki wtórnego materiału wybuchowego powinny mieć małe rozmiary cząstek w celu wystawiania dużej powierzchni właściwej na działanie fazy gazowej w czasie zapłonu i wstępnej deflagracji. Średni rozmiar cząstek nie powinien przekraczać 100 gm, korzystnie 50 gm, a najkorzystniej nawet 20 gm. Bardzo małe cząstki tworzą zbyt zbite granulki, a więc zaleca się stosowanie cząstek o rozmiarach średnich przekraczających 0,1 gm, korzystnie 1gm w celu uniknięcia trudności produkcyjnych. Cząstki pierwotne mogą mieć dowolne kształty, jednak najlepiej stosować kryształy lub zlepki kilku kryształów. Odpowiedni produkt pierwotny uzyskuje się przez mielenie większych cząstek lub, lepiej, przez wytrącenie znanymi sposobami z roztworu w celu otrzymania produktu o wąskim rozkładzie rozmiarów.

Z kolei w celu łączenia pierwotnych cząstek w zlepki lub granulki o żądanych rozmiarach można stosować różne metody. Pierwotne cząstki mogą łączyć się bez środka sklejającego dzięki utworzeniu i wysuszeniu warstwy z zawiesiny w cieczy nie rozpuszczającej cząstek. Dodatek środka wiążącego polepsza sklejanie cząstek. Odpowiednimi środkami wiążącymi są polimery rozpuszczalne lub tworzące zawiesiny w cieczach, takie jak polioctan winylu, polimetakrylan lub poliaalkohol winylowy. Wpływ flegmatyzujący środka wiążącego zmniejsza się, jeśli zastosuje się wybuchowy lub reagujący związek, taki jak poliazotan winylu lub nitroceluloza. Środek ten dodaje się w postaci rozpuszczonej w cieczy nie rozpuszczającej wtórnego materiału wybuchowego, takiej jak octan etylu. Ilość środka wiążącego powinna być niewielka w celu zachowania możliwości kruszenia i zbijania granulek w następnych etapach wytwarzania.

164 248

Odpowiednią ilością jest ilość od 0,1 do 10% wagowych względem granulowanego produktu, a korzystnie od 1 do 5%. Na kształt i rozmiar granulek można wpływać przez ostrożne mielenie osuszonego produktu lub przeciskanie go przez sito, co pozwala na otrzymanie wydłużonych granulek. Natomiast jednoczesne suszenie i mieszanie wytworzy granulki kuliste o kontrolowanych rozmiarach. Odpowiednie są granulki o rozmiarach od 10 do 2000 gm, korzystnie od 100 do 500 gm. Niepowtarzalne warunki pracy elementu powodowane są zbyt wielkimi cząstkami, a zbyt małe granulki powodują niedostateczną porowatość ładunku. W przypadku, gdy w ładunku niezbędne są rozdrobnione dodatki, konwencjonalne lub takie jak opisane katalizatory, powinny być one dla lepszego zmieszania dołączone do granulatu jako część pierwotnej masy cząstek, chociaż możliwe jest odrębne dodawanie dodatków do ładunku lub ich włączanie w skład pierwotnych cząstek.

Opisany materiał wybuchowy powinien być umieszczony w elemencie inicjującym, z zamkniętą przestrzenią dla wtórnego materiału wybuchowego, o jednym zakończeniu przystosowanym do zapłonu wtórnego materiału wybuchowego, poprzez pirotechniczne mieszanki zwłoczne lub przewodzące zapłon, i drugim zakończeniu zdolnym do przyjęcia impulsu detonującego oraz części pośredniej, w której zachodzi przejście wtórnego materiału wybuchowego ze stanu deflagracji do detonacji.

Element inicjujący zawiera ładunek inicjujący, w którym szybkość reakcji rośnie do szybkości detonacji lub bliskiej detonacji. Ładunek ten powinien zawierać zmodyfikowany wtórny materiał wybuchowy. Zaleca się, aby wstępna porcja ładunku umieszczona przy pierwszym zakończeniu elementu, lub porcja poddawana zapłonowi, gdzie panują niskie ciśnienia rzędu około 50 MPa, zawierała materiał wybuchowy według wynalazku. Wskazane jest także, aby pozostała porcja inicjującego ładunku, lub porcja znajdująca się w pobliżu drugiego końca elementu, zawierającego mniej zmodyfikowany lub niemodyfikowany wtórny materiał wybuchowy, a najlepiej zawierała lub składała się z substancji krystalicznej. Substancje krystaliczne mogą mieć takie same rozmiary, jak materiał granulowany. Wskazane jest także, aby porcja ta zawierała niewiele lub nie zawierała katalizatorów spalania. Stosunek wagowy ilości materiału w obu porcjach powinien być w zakresie od 1:5 do 5:1, a korzystnie od 1:2 do 2:1.

Całkowita gęstość sprasowania inicjującego ładunku powinna wynosić od 50 do 90% gęstości kryształów użytego materiału wybuchowego, a korzystnie od 60 do 80% tej gęstości. Korzystnym jest, aby inicjujący ładunek miał gradient gęstości rosnący w głąb od końca inicjującego, a zwłaszcza, aby gradient nie był liniowy i wzrastał z długością ładunku. Gęstość na końcu o niższej gęstości może wynosić od 10 do 50%, korzystnie od 20 do 40% gęstości krystalicznej, a na końcu o wyższej gęstości od 60 do 100%, korzystnie od 70 do 95%. Wymagany profil gęstości uzyskuje się przez stopniowe prasowanie ładunku. Jednak najlepiej uzyskać cały ładunek inicjujący wjednoetapowym procesie prasowania, który wytworzy rosnący gradient gęstości, jeśli się będzie przykładać siłę w kierunku odwrotnym. Niezależnie od powyższego, dzięki granulacji materiału wybuchowego, uzyska się niską gęstość na końcu o wysokiej porowatości i wyższe gęstości w miarę zgniatania i kruszenia granulek. W końcu o wysokiej gęstości najlepsze właściwości i najwyższe gradienty osiąga się przez dołączenie do ładunku substancji krystalicznej.

Ładunek inicjujący mający dostateczną długość i właściwy kształt zapewnia wtórnemu materiałowi wybuchowemu pełne przejście od stanu deflagracji do detonacji i przekazanie impulsu detonującego. Koniec o wysokiej gęstości powinien stanowić drugi koniec elementu. Można otrzymać mniejszy element o zwiększonej pewności działania, jeśli pomiędzy ładunkiem inicjującym, a drugim końcem, lub też za ładunkiem inicjującym, umieści się ładunek pośredni. Na granicy pomiędzy ładunkiem pośrednim, a inicjującym powinien występować spadek gęstości, a ładunek pośredni powinien mieć mniejszą gęstość całkowitą w porównaniu ze średnią gęstością ładunku inicjującego. Średnia gęstość ładunku pośredniego powinna mieścić się w zakresie od 30 do 80% gęstości krystalicznej materiału wybuchowego, korzystnie od 40 do 75% tej gęstości. Jak w ładunku inicjującym, w ładunku pośrednim powinien występować gradient gęstości rosnącej w kierunku wyjścia. Można regulować gęstość przez stopniowe prasowanie, ale proces jednoetapowy ułatwia wytwarzanie i zapewnia stałość gradientu gęstości na całej długości elementu inicjującego. Najlepszym sposobem jest wtłaczanie elementu o otwartym

164 248 końcu, z umieszczonym już ładunkiem inicjującym, w złoże wtórnego materiału wybuchowego ładunku pośredniego. Materiał ten powinien składać się w całości lub w części z materiału krystalicznego w celu uzyskania rozkładu gęstości i ze względu na to, że szybkości reakcji są tu zbyt duże, aby odnosić korzyść z obecności katalizatora lub granulacji materiału.

Między ładunkiem inicjującym i pośrednim znajduje się cienka ścianka, utrzymująca ładunki i wspomagająca przejście w stan detonacji. Ścianka jest wykonana z metalu o grubości mniejszej niż 1 mm, korzystnie 0,5 mm, i może zawierać otwór, lub wgłębienie na otwór, w celu ułatwienia penetracji. Ścianka może stanowić całość z obudową elementu, ale najlepiej powinna być oddzielną miseczką lub tarczą, nie połączoną z obudową ale do niej przylegającą, nieco większą od wnętrza obudowy elementu w celu unieruchomieniajej w każdych warunkach. Jest ona wprowadzana do środka w czasie operacji prasowania ładunku inicjującego.

Podstawowe ścianki elementu powinny zamykać co najmniej ładunek inicjujący, ale najlepiej także ładunek pośredni,jeśli taki występuje. Ścianki są powierzchniami bocznymi rurki cylindrycznej o grubości ścianek poniżej 2 mm, a nawet poniżej 1 mm. Średnica może być mniejsza niż 15 mm, lub nawet mniejsza niż 10 mm, i może być dostosowana do rozmiarów łuski detonatora.

Chociaż drugi koniec obudowy może obejmować dodatkową obudowę osiową, to jednak zwykle pomija się ją jako zbędną. Pierwszy koniec powinien jednak, poza obudową promieniową, zawierać także obudowę osiową, która ułatwia gwałtowne zwiększenie ciśnienia w pierwszych, krytycznych etapach reakcji. Odpowiednia jest każda struktura ograniczająca straty gazów. Nadaje się do tego nieprzepuszczalna kolumna żużlowa z mieszanek pirotechnicznych, a w szczególności mieszanki opóźniające. Jeśli stosuje się opóźniające komponenty mieszaniny to powinny one występować w kolumnie nieco wyższej niż kolumna wtórnego materiału wybuchowego ładunku inicjującego.

Wewnątrz lub poza fizycznymi granicami obudowy elementu można umieścić opcjonalne mieszanki opóźniające, przewodzące zapłon lub inne. Alternatywnie, osiowa obudowa może obejmować ściankę, która może być oddzielna lub najlepiej stanowić całość z obudową główną. Pierwszy koniec może być całkowicie zamknięty. W tym przypadku należy w zamknięciu umieścić urządzenie zapłonowe w celu przekazania zapłonu przez ściankę przez ciepło lub uderzenie, lub poprzez zawór przekazujący pobudzenie i umożliwiający przepływ gazu. Wskazane jest umieścić otwór w pierwszym końcu obudowy w celu ułatwienia zapłonu zwykłymi środkami zapłonowymi. Otwór może być umieszczony bezpośrednio w pierwszym końcu elementu, w pobliżu ładunku inicjującego lub też w jakimkolwiek urządzeniu pirotechnicznym umieszczonym pomiędzy pierwszym końcem elementu i urządzeniem zapłonowym.

Chociaż opisany tu element ma budowę cylindryczną, oczywiste jest, że także inne kształty o odpowiedniej wytrzymałości mieszczą się w zakresie wynalazku.

Środek zapłonowy umieszczony przed pierwszym końcem elementu może być zaprojektowany i wykonany w sposób dowolny. Można użyć dowolnego zapalnika, takiegojak zapalnik elektryczny, zapalnik prosty, lont, eksplodujące folie, impulsy laserowe przekazywane włóknami optycznymi, urzadzenia elektroniczne i inne. Eksplozja również może być wywołana w sposób termiczny.

Przedstawiony tu element inicjujący można stosować jako niezależne urządzenie wybuchowe do różnych celów lub można je dołączyć do zapalników, detonatorów, spłonek itp. Jego główne zastosowanie to cywilne detonatory, będące zwykle wydrążoną rurką z umieszczonym na jednym końcu ładunkiem materiału wybuchowego, z otwartym drugim końcem zaopatrzonym w urządzenie zapalające lub miejsce na to urządzenie, i częścią środkową zawierającą urządzenie zapłonowe i ewentualnie składniki opóźniające lub przewodzące zapłon. W takich detonatorach element inicjujący stanowi urządzenie zapłonowe, przekształcający początkowy sygnał o małej szybkości na detonacje ładunku podstawowego. Dotychczasowe urządzenie zapłonowe z pierwotnym materiałem wybuchowym można po prostu zastąpić tym elementem, którego drugi koniec styka się z ładunkiem podstawowym, ewentualnie z ładunkiem pośrednim, stykającym się końcem ze środkiem zapłonowym, ewentualnie z urządzeniami pośrednimi. Obudowa elementu może stanowić całość z rurą łuski detonatora, ale najlepiej powinna być

164 248 odrębną strukturą wprowadzaną do rury, przy czym zewnętrzna powierzchnia elementu powinna odpowiadać wewnętrznej powierzchni rury.

Detonator tego rodzaju wytwarza się sprasowując oddzielnie ładunek podstawowy na dnie łuski detonatora, a następnie umieszczając element w bliskości ładunku podstawowego, choć możliwe jest prasowanie ładunku podstawowego przy pomocy elementu. Powyżej elementu wprowadza się, w razie potrzeby, element opOźniający, korzystnie z zapalnikową lub przewodzącą zapłon pirotechniczną kompozycją pomiędzy elementem opóźniającym i inicjującym. Urządzenie zapłonowe wprowadza się w otwarty koniec rury łuski, zaślepionej następnie zaślepką z urządzeniem przekazującym sygnał, takim jak spłonka lub przewody elektryczne, wystającym na zewnątrz.

Detonator z elementem inicjującym według wynalazku można stosować w różnych dziedzinach, tak samo jak konwencjonalne detonatory, chociaż zwiększona niezawodność i bezpieczeństwo działania umożliwi ich szersze wykorzystanie.

Wynalazek jest bliżej objaśniony w przykładach wykonania wynalazku, które nie ograniczają zakresu jego ochrony patentowej.

Przykład I. Otrzymano granulowany PETN przez mielenie na mokro 200 g grubokrystalicznego PETN przez 8 godzin w laboratoryjnym młynie, kulowym. Kryształy oddzielono od wody i suszono przez noc w temperaturze 70°C. Rozmiary kryształów wynosiły od 2 do 20 xm. Około 3 g polioctanu winylu rozpuszczono w około 100 g octanu etylu i dodano roztwór do kryształów. Otrzymaną pastę przetłoczono przez sito o średnicy otworów 0,5 mm, a otrzymane wydłużone granulki suszono przez noc w temperaturze 70°C Odsiano granulki o zbyt dużych i małych rozmiarach. Otrzymane granulki miały rozmiary około 2 mm x 0,5 mm.

Wykonano ze stali niskowęglowej obudowę elementu inicjującego o długości 23 mm, zewnętrznej średnicy 6,4 mm i grubości ścianek 0,6 mm. Jeden z końców został przewężony, pozostawiając otwór 2,5 mm. Na zamkniętym dnie elementu sprasowano z siłą około 2500 N około 300 mg pirotechnicznej mieszanki opóźniającej zawierającej tlenek ołowiu, krzem i środek wiążący. Następnie około 280 mg wyżej opisanego granulowanego materiału umieszczono w elemencie ponad ładunkiem opóźniającym i sprasowano z siłą około 1400 N, przy czym wciśnięto jednocześnie w element umieszczoną pomiędzy ładunkiem a kołkiem prasy miseczkę aluminiową o grubości ścianki około 0,3 mm i wgłębieniu na środku o grubości ścianki około 0,1 mm. Średnia gęstość inicjującego ładunku wybuchowego wynosiła około 1,25 g/cm³.

Łuskę detonatora o długości 74 mm i średnicy zewnętrznej 7,5 napełniono z zamkniętego końca 700 mg ładunku podstawowego RDX/wosk w stosunku 95/5 i prasowano z siłą 3000 N do końcowej gęstości około 1,5 g/cm3. Około 200 mg granulowanego materiału umieszczono swobodnie w łusce ponad ładunkiem podstawowym i sprasowano wciskając element inincjujący stroną otwartą wyposażoną w miseczkę w ładunek podstawowy z siłą około 800 N, uzyskując końcową średnią gęstość pośredniego ładunku, pomiędzy ładunkiem inicjującym i podstawowym, około 1,0 dcm3.

W otwartym końcu łuski detonatora umieszczono i uszczelniono standardową elektryczną głowice zapalającą. Z liczby 1000 takich detonatorów eksplodowało prawidłowo 995 detonatorów.

Przykład II. Obudowę elementu inicjującego opisanego w przykładzie I napełniono w opisany sposób kompozycją opóźniającą. Następnie umieszczono tam 140 mg granulowanego materiału z przykładu I i 140 mg, krystalicznego PETM o rozmiarach cząstek około -200 μ i sprasowano całość miseczką aluminiową do tej samej średnicy gęstości. Jako ładunek pośredni pomiędzy ładunkami podstawowym i inicjującym umieszczono 200 mg powyżej opisanej substancji krystalicznej. Detonatory wykończono jak w przykładzie I i zdetonowano 1000 detonatorów bez niewypałów.

Przykład UL Obudowę elementu inicjującego stanowi rurka wykonana ze zwykłej stali konstrukcyjnej, otwarta na obu końcach, o długości 17 mm i średnicy 6,4 mm. W elemencie umieszczono 140 mg granulowanego materiału i 140 mg materiału krystalicznego zgodnie z opisem, po czym sprasowano z miseczką do otrzymania tej samej gęstości jak w przykładzie Π. Element wciśnięto do łuski detonatora z ładunkiem podstawowym i luźno usypanym materiałem tworzącym opisany ładunek pośredni. Po umieszczeniu elementu umieszczono nad nim około

100 mg mieszanki przewodzącej zapłon, a następnie wciśnięto w element inicjujący z siłą około 2000 N element opóźniający o długości 9 mm i wewnętrznej średnicy 3 mm. W otwartym końcu łuski detonatora umieszczono i uszczelniono niskoenergetyczną rurkę zapalnika typu Nonel. Zdetonowano 4000 takich detonatorów bez niewypałów.

Przykład IV. Otrzymano granulowany produkt jak w przykładzie I, z tą różnicą, że do 200 g grubego PETN dodano przed zmieleniem około 2 g stearynianu ołowiu, 1 g tritlenku dichromu, 1 g kriolitu potasowego i 0,2 g sadzy. Mieszaninę zmielono i granulowano jak w przykładzie I.

Gotowe detonatory wykonano tak, jak w przykładzie II, z zapalnikiem typu Nonel jako środkiem zapłonowym. W temperaturze - 30°C zdetonowano 18 detonatorów. Nie stwierdzono żadnych niewypałów.

Przykład V. Przygotowano detonatory jak w przykładzie IV, ale z granulowanym produktem z przykładu I, zamiast z przykładu IV. Detonatory zdetonowano w temperaturze -30°C. Spośród 18 dwa nie zdetonowały.

Przykład VI. Granulowane materiały z przykładu I i IV usypano w dwie oddzielne ścieżki o wysokości około 2 mm na płaskiej powierzchni. Obie ścieżku podpalono płomieniem. Materiał z przykładu I nie mógł palić się bez podtrzymywania płomienia, podczas gdy materiał z przykładu IV palił się trwale do końca ścieżki.

164 248

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz Cena 10 000 zł

Claims (22)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Element inicjujący z wtórnym materiałem wybuchowym posiadający obudowę zawierającą wtórny materiał wybuchowy przystosowany na jednym końcu do zapłonu wtórnego materiału wybuchowego środkiem zapłonowym, opcjonalnie poprzez pirotechniczne mieszanki opóźniające i przewodzące zapłon, na drugim końcu do przekazania impulsu detonacyjnego, a w części środkowej do zajścia przemiany deflagracji wtórnego materiału wybuchowego w detonacji, znamienny tym, że co najmniej część wtórnego materiału wybuchowego jest zmodyfikowana do postaci cząstek granulowanych kryształów materiału wybuchowego i/lub z dodatkiem katalizatora reakcji.
2. 2. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że katalizator reakcji stanowi od 0,1 do 10% wagowych mieszaniny katalizatora reakcji i materiału wybuchowego.
3. 3. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że katalizator reakcji ma postać drobnego proszku.
4. 4. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że katalizator reakcji jest dołączony do granulowanego wtórnego materiału wybuchowego.
5. 5. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że katalizator reakcji zawiera węgiel, kriolity lub związki metali takich jak glin, mangan, żelazo, kobalt, nikiel, rtęć, srebro, cynk lub w szczególności ołów, chrom i miedź.
6. 6. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że granulowane kryształy wtórnego materiału wybuchowego mają rozmiary od 0,1 do 100 gm.
7. 7. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że granulowany wtórny materiał wybuchowy zawiera środek wiążący jego kryształy w ilości od 0,1 do 10% wagowych.
8. 8. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że cząstki granulowanego wtórnego materiału wybuchowego mają średnie rozmiary od 10 do 2000 gm.
9. 9. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że zmodyfikowany wtórny materiał wybuchowy umieszczony jest w obszarze przylegającym do pierwszego końca elementu zaś ładunek wtórnego materiału wybuchowego zmodyfikowanego lub niezmodyfikowanego umieszczony jest w obszarze pomiędzy obydwoma końcami elementu.
10. 10. Element według zastrz. 9, znamienny tym, że obszar ze zmodyfikowanym lub niezmodyfikowanym wtórnym materiałem wybuchowym zawiera pokruszony materiał granulowany.
11. 11. Element według zastrz. 9, znamienny tym, że obszar ze zmodyfikowanym lub niezmodyfikowanym wtórnym materiałem wybuchowym zawiera materiał krystaliczny.
12. 12. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że zmodyfikowany wtórny element wybuchowy sąsiadujący z pierwszym końcem i materiał krystaliczny sąsiadujący poprzez ładunek pośredni z drugim końcem stanowią ładunek inicjujący.
13. 13. Element element zastrz. 12 znamienny tym, że ładunek inicjujący i ładunek pośredni są rozdzielone skokową zmianą gęstości prasowania.
14. 14. Element według zastrz. 12, znamienny tym, że stosunek wagowy zmodyfikowanego wtórnego materiału wybuchowego do materiału krystalicznego wynosi od 1:5 do 5:1.
15. 15. Element według zastrz. 12, znamienny tym, że w ładunku inicjującym gradient gęstości prasowania rośnie w kierunku od pierwszego końca do drugiego końca.
16. 16. Element według zastrz. 12, znamienny tym, że średnia gęstość prasowania ładunku inicjującego wynosi od 50 do 90% gęstości kryształów użytego materiału wybuchowego.
17. 17. Element według zastrz. 12, znamienny tym, że ładunek pośredni zawiera materiał krystaliczny.
18. 18. Element według zastrz. 12, znamienny tym, że w ładunku pośrednim gradient gęstości prasowania rośnie w kierunku od pierwszego końca do drugiego końca.

    164 248
19. 19. Element według zastrz. 12, znamienny tym, że średnia gęstość prasowania ładunku pośredniego wynosi od 30 do 80% gęstości kryształów użytego materiału wybuchowego.
20. 20. Element według zastrz. 12, znamienny tym, że pomiędzy ładunkiem inicjującym i ładunkiem pośrednim znajduje się ścianka.
21. 21. Element według zastrz. 20, znamienny tym, że ścianka stanowi oddzielną miseczkę lub tarczę nie połączoną z obudową ale do niej przylegającą.
22. 22. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że zmodyfikowany wtórny materiał wybuchowy stanowi tetraazotan pentaerytrytelu (PENT), cyklotrimetylenotrinitroamina (RDX) lub oba te materiały.