PL185595B1

PL185595B1 - Detonator

Info

Publication number: PL185595B1
Application number: PL96327545A
Authority: PL
Inventors: Viktor Dumenko
Original assignee: Nitro Nobel Ab
Priority date: 1995-12-20
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 2003-06-30
Also published as: DE69612300D1; CA2240892A1; AU1216597A; SE505912C2; PL327545A1; JP4098829B2; CZ191998A3; SE9504571D0; NO982871D0; SK86098A3; ZA9610539B; EP0869935B1; MX9804973A; UA44925C2; TW419580B; DE69612300T2; KR100468638B1; CA2240892C; JP2000502036A; KR20000064510A

Abstract

1. Detonator zawierajacy luske z ladunkiem podstawowym stanowiacym lub zawie- rajacym wtórny srodek wybuchowy na jednym jej koncu, urzadzeniem zaplonowym umieszczonym na jej przeciwnym koncu i posrednia sciezke pirotechniczna przeksztalca- jaca impuls zaplonowy z urzadzenia zaplonowego dla ladunku podstawowego do jego zdetonowania, znamienny tym, ze sciezka pirotechniczna zawiera ladunek zaplonowy zawierajacy paliwo metaliczne wybrane z grup 2, 4 i 13 ukladu okresowego i utleniacz w postaci tlenku metalu wybranego z okresów 4 i 6 ukladu okresowego, przy czym paliwo metaliczne jest obecne w nadmiarze wzgledem ilosci stechiometrycznie koniecznej dla zmniejszenia ilosci tlenku metalu stanowiacego utleniacz. Urzad Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest detonator typu zawierającego łuskę z ładunkiem podstawowym obejmującym wtórny środek wybuchowy umieszczony na jednym końcu łuski, urządzenie zapłonowe umieszczone na jej przeciwnym końcu i część pośrednią ze ścieżką pirotechniczną zdolną do przeniesienia impulsu zapłonowego z urządzenia zapłonowego dla zdetonowania ładunku podstawowego.

Detonatory stosuje się do różnych celów, militarnych i cywilnych, ale tu zostaną one opisane głównie w odniesieniu do zastosowań przemysłowego rozsadzania skał, gdzie zazwyczaj szereg detonatorów z zestawu o różnych opóźnieniach wewnętrznych łączy się w sieć elektrycznymi lub nieelektrycznymi przewodami przenoszącymi sygnał.

W takich detonatorach ładunki pirotechniczne można stosować do różnych celów w ścieżce pirotechnicznej przekształcającej impuls zapłonowy z urządzenia zapłonowego lub sygnalizacyjnego do detonowanego ładunku podstawowego, np. jako ładunek szybkiego przenoszenia lub wzmacniający, wolniejszy ładunek opóźniający, nieprzepuszczalny dla gazu ładunek uszczelniający lub ładunek zapłonowy do detonowania ładunku podstawowego.

Przykład pirotechnicznego ładunku w ścieżce pirotechnicznej podano wUS-A-2185371, gdzie ujawniono ładunek opóźniający ze stopem antymonu jako konkretnym paliwem. Inne przykłady podano w GB-A-2146014 i DEA-2913093, które ujawniają odpowiednio pirotechniczną kompozycję paliwową do odcinania przewodów i mieszaninę środka wybuchowego. Przykład sposobu wytwarzania ładunków pirotechnicznych podano wEP 0310580, gdzie ujawniono wytwarzanie ładunków opóźniających i zapłonowych.

Wspólne dla dotychczasowego stanu techniki jest jednak to, że nie ujawniono, ani nawet nie sugerowano zastosowania nowego konkretnego ładunku zapłonowego do ilościowego i niezawodnego detonowania ładunków wtórnych środków wybuchowych.

Istnieje rosnące zapotrzebowanie na wszystkie części ścieżki pirotechnicznej. Głównym wymaganiem jest to, aby ładunki spalały się z dobrze zdefiniowaną i ustaloną szybkością reakcji z ograniczonym rozrzutem czasowym. Szybkość spalania nie może znacząco zależeć od warunków otoczenia lub starzenia. Ładunki powinny mieć powtarzalne właściwości zapłonowe, lecz powinny być niewrażliwe na wstrząsy, drgania, tarcie i wyładowania elektryczne. Nominalna szybkość spalania powinna być możliwa do regulowania niewielkimi modyfikacjami ładunku. Mieszanina ładunku musi być wytwarzana, dozowana i prasowana łatwo i bezpiecznie i nie być zbyt wrażliwa na warunki wytwarzania. Poza tym istnieje rosnący nacisk na to, aby ładunki nie zawierały substancji toksycznych i by ich wytwarzanie można było prowadzić z pominięciem warunków szkodliwych dla zdrowia, takich jak stosowanie rozpuszczalników.

Chociaż ładunki pirotechniczne można ogólnie uważać za mieszaniny paliwa i utleniacza, a zatem dostępnych może być potencjalnie wiele kompozycji, łączne spełnienie wyżej opisanych wymagań znacząco ogranicza wybór odpowiednich kompozycji poszczególnych ładunków. Istnieje jednak zapotrzebowanie na dalsze ulepszenia pod względem charakterystyki użytkowej, a także ze względu na to, że dotychczas stosowane w tym celu związki, takie jak związki ołowiu lub chromiany, stają się mniej dostępne i akceptowalne.

Istnieje zatem potrzeba opracowania detonatora i ładunków pirotechnicznych użytecznych w tym detonatorze, o polepszonym działaniu i właściwościach pod wyżej opisanymi względami, a w szczególności detonatora ze ścieżką pirotechniczną o zdolności powodowania zapłonu wtórnego środka wybuchowego w sposób jakościowy i niezawodny. Potrzebny jest detonator o stabilnych właściwościach pod względem szybkości spalania, starzenia i wpływu na środowisko przy wytwarzaniu, przechowywaniu i stosowaniu, o niezawodnych właściwościach, lecz zabezpieczony przed przypadkowym zapłonem. Detonator powinien zawierać

185 595 mniej szkodliwe dla zdrowia składniki, co umożliwiłoby jego stosowanie przy bezpiecznych i nieszkodliwych dla środowiska warunkach. Celowe byłoby zastosowanie pirotechnicznego ładunku do zapłonu wtórnych środków wybuchowych ogólnie, nawet bez obecności jakiegokolwiek pierwotnego środka wybuchowego.

Nieoczekiwanie stwierdzono, że detonator według wynalazku spełnia te wszystkie wymagania, dzięki nowej kompozycji ładunku pirotechnicznego stosowanego jako ładunek zapłonowy.

Tak więc detonator według wynalazku zawiera łuskę z ładunkiem podstawowym stanowiącym lub zawierającym wtórny środek wybuchowy na jednym jej końcu, urządzeniem zapłonowym umieszczonym na jej przeciwnym końcu i pośrednią ścieżkę pirotechniczną przekształcającą impuls zapłonowy z urządzenia zapłonowego dla ładunku podstawowego do jego zdetonowania, a cechą tego detonatora jest to, że ścieżka pirotechniczna zawiera ładunek zapłonowy zawierający paliwo metaliczne wybrane z grup 2, 4 i 13 układu okresowego i utleniacz w postaci tlenku metalu wybranego z okresów 4 i 6 układu okresowego, przy czym paliwo metaliczne jest obecne w nadmiarze względem ilości stechiometrycznie koniecznej dla zmniejszenia ilości tlenku metalu stanowiącego utleniacz.

Detonator korzystnie zawiera paliwo metaliczne, które jest co najmniej o 0,5 V, korzystnie co najmniej o 0,75 V, a zwłaszcza co najmniej o 1 V bardziej elektroujemne niż metal tlenku metalu stanowiącego utleniacz.

Detonator zawiera korzystnie paliwo metaliczne wybrane z okresów 3 i 4 układu okresowego, a zwłaszcza paliwo metaliczne wybrane spośród Al i Ti.

Detonator zawiera korzystnie tlenek metalu stanowiący utleniacz zawierający metal wybrany spośród Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Ba, W i Bi, a zwłaszcza tlenek metalu zawierający metal wybrany spośród Mn, Fe, Cu i Bi.

W szczególności detonator zawiera tlenek metalu wybrany spośród MnO2, Fe2O3, FeO4, CU2O, CuO i Bi2O3, względnie zawiera kombinację paliwo metaliczne-tlenek metalu stanowiący utleniacz obejmującą Al w połączeniu z tlenkiem Fe, Bi lub Cu, szczególnie kombinację Al-Fe2O3, Al- Bi2O3 lub A1-Cu2O, korzystnie Al-Fe2CO.

Detonator w szczególności zawiera kombinację paliwo metaliczne-tlenek metalu stanowiący utleniacz obejmującą Ti w połączeniu z tlenkiem Bi, korzystnie Ti- Bi2O3.

Detonator zawiera paliwo metaliczne w ilości jednokrotnie większej i dwunastokrotnie mniejszej, korzystnie sześciokrotnie mniejszej, a zwłaszcza czterokrotnie mniejszej niż ilość stechiometryczna konieczna dla zmniejszenia ilości tlenku metalu stanowiącego utleniacz.

Korzystnie detonator zawiera paliwo metaliczne w ilości odpowiadającej 1,1-6-krotnej, a zwłaszcza 1,5-4-krotnej ilości koniecznej stechiometrycznie.

Detonator zawiera paliwo metaliczne w ilości 10-50% wagowych, korzystnie 15-35% wagowych, a zwłaszcza 15-25% wagowych, oraz tlenek metalu stanowiący utleniacz w ilości 90-50% wagowych, korzystnie 85-65% wagowych, a zwłaszcza 75-65% wagowych, przy czym zawartość składników podano w przeliczeniu na masę kompozycji ładunku zapłonowego.

Korzystnie detonator jako paliwo metaliczne zawiera Al, a jako tlenek metalu stanowiący utleniacz zawiera CU2O lub Bi2O3, przy czym zawartość paliwa wynosi 15-35% wagowych, a zawartość utleniacza wynosi 65-85% wagowych.

Korzystnie detonator jako paliwo metaliczne zawiera Ti, a jako tlenek metalu stanowiący utleniacz zawiera Bi2O3, przy czym zawartość paliwa wynosi 15-25% wagowych, korzystnie około 20% wagowych, a zawartość utleniacza wynosi 75-85% wagowych, korzystnie około 80% wagowych.

Korzystny jest detonator, który zawiera ładunek zapłonowy o szybkości spalania 0,001 50 m/s, a korzystnie 0,005 -10 m/s.

Korzystny jest detonator, który zawiera ładunek zapłonowy o idealnej temperaturze spalania przewyższającej 2000 stopni Kelvina, a zwłaszcza ładunek zapłonowy o rzeczywistej temperaturze spalania przewyższającej 70% idealnej temperatury spalania.

ό

185 595

Korzystnie detonator zawiera ładunek zapłonowy zawierający stały dodatek w postaci metalu i/lub tlenku, przy czym ten dodatek jest zawarty w ilości 2 - 30% wagowych, korzystnie

- 20% wagowych, korzystniej 5 - 15%o wagowych, a zwłaszcza 6 - 10% wagowych, w przeliczeniu na masę ładunku zapłonowego.

Detonator ewentualnie jako dodatek zawiera związek także stanowiący produkt reakcji paliwa metalicznego z tlenkiem metalu stanowiącym utleniacz, względnie jako dodatek zawiera rozdrobniony metal, korzystnie metal, który jest stały w temperaturze reakcji ładunku zapłonowego.

Korzystnie detonator zawiera tlenek wybrany spośród tlenków Al, Si, Zn, Fe, Ti i ich mieszanin, a zwłaszcza zawiera tlenek glinu, tlenek krzemu lub ich mieszaninę.

Korzystnie detonator jako tlenek zawiera tlenek żelaza, a zwłaszcza Fe₂O₂.

Korzystnie detonator zawiera metal wybrany spośród W, Ti, Ni oraz ich mieszanin i stopów, a zwłaszcza jako metal zawiera W albo mieszaninę lub stop W z Fe.

Korzystny jest detonator, w którym ładunek zapłonowy jest sprasowany i styka się z wtórnym środkiem wybuchowym.

Szczególnie korzystny jest detonator, w którym ładunek styka się z wtórnym środkiem wybuchowym w sekcji przejścia umieszczonej na ścieżce pirotechnicznej przed ładunkiem podstawowym, przy czym wtórny środek wybuchowy jest otoczony zaniknięciem oraz ewentualnie ładunek jest także umieszczony w zamknięciu.

Gęstość wtórnego środka wybuchowego najbliżej ładunku wynosi 60 - 100%, korzystnie 70 - 99%, szczególnie korzystnie 40 - 90%, a zwłaszcza 50 - 80% gęstości krystalicznej wtórnego środka wybuchowego.

Korzystny jest detonator, który w sekcji przejścia zawiera wtórny środek wybuchowy stanowiący ładunek donorowy, względnie w ładunku przejścia zawiera wtórny środek wybuchowy stanowiący ładunek donorowy.

Korzystny jest też detonator, który w ładunku przejścia zawiera wtórny środek wybuchowy stanowiący pierwszą część łańcucha przejścia od deflagracji do detonacji, przy czym łańcuch ten korzystnie obejmuje dodatkowo drugą część zawierającą inny wtórny środek wybuchowy o niższej gęstości niż w pierwszej części.

Detonator korzystnie zawiera ładunek podstawowy stanowiący tylko wtórny środek wybuchowy.

' Detonator korzystnie zawiera wtórny środek wybuchowy wybrany spośród tetraazotanu pentaerytrytu, trinitrofenylometylonitroaminy i trinitrotoluenu, a korzystnie jest nim tetraazotan pentaerytrytu.

Zgodnie z wynalazkiem nieoczekiwanie stwierdzono, że szczególne połączenie paliwa metalicznego i tlenku metalu stanowiącego utleniacz ma zdolność ilościowego i niezawodnego zapalania wtórnych środków wybuchowych, szczególnie w detonatorach wyżej określonego typu, nawet pod nieobecność pierwotnego środka wybuchowego.

W tym kontekście jakościowy lub podobny zapłon oznacza zapłon wtórnego środka wybuchowego bez jakiegokolwiek spalania laminamego, w przypadku którego czoło spalania jest płaskie, lecz z etapem spalania konwekcyjnego, w którym spalanie jest ekstremalnie niejednorodne.

Bardzo ważnym odkryciem jest to, że pomimo takiego mechanizmu spalania uzyskuje się bardzo niezawodny zapłon wtórnego środka wybuchowego, nie wpływający niekorzystnie na pozostałe funkcje ścieżki pirotechnicznej.

Ponadto wywołany jakościowy zapłon pozwala na znaczne skrócenie rozwoju wybuchu (czasu od deflagracji do detonacji) detonatora, co z kolei pozwala na znaczące obniżenie długości ścieżki pirotechnicznej lub elementu inicjującego, i/lub obniżenie wytrzymałości lub grubości łuski, bez szkodliwego wpływu na funkcję detonatora.

Bez wiązania się z żadną teorią co do mechanizmów reakcji, wydaje się, iż wynalazek opiera się na generowaniu w nowym ładunku zapłonowym wyjątkowo gorących gazów z wielką pojemnością cieplną i pod wysokim ciśnieniem. Prawdopodobnie zapalające się gazy składają się w całości z par metali obecnych w ładunku zapłonowym. Tylko te właściwości wydają się zapewniać jakościowy zapłon wtórnego środka wybuchowego.

185 595

W przypadku detonatora według wynalazku ładunek zapłonowy generuje gorący gaz pod ciśnieniem zdolny do wywołania zapłonu wtórnego środka wybuchowego ładunku podstawowego z nadaniem mu konwekcyjnego stanu deflagracyjnego dla niezawodnego zdetonowania ładunku.

Tak więc z użyciem takiego ładunku zapłonowego, który zwykle reaguje przez „inwersję” układu metal/tlenek z wytwarzaniem ciepła i który może być uważany za ładunek termitowy, można osiągnąć wymienione cele. Metal jest obecny przed, podczas i po reakcji, zapewniając wysokie przewodnictwo elektryczne i cieplne. Przewodnictwo elektryczne oznacza zmniejszone ryzyko nieumyślnego zapłonu przez elektryczność statyczną lub inne zaburzenia elektryczne. Wysokie przewodnictwo cieplne oznacza niskie ryzyko nieumyślnego zapłonu wskutek lokalnego przegrzania przy tarciu, uderzeniu itp., podczas gdy dobre właściwości zapłonowe reagującego ładunku są zapewniane przez silne i trwałe przenoszenie ciepła. Obecność stopionego metalu w produktach reakcji wzmacnia te właściwości.

Tlenki metali są ogólnie trwałymi produktami także w obecności wody i takie są także metale, często dzięki pasywacji powierzchniowej, co daje dobre właściwości starzenia i pozwala na przygotowywanie ładunku w wodnych zawiesinach, a być może także wyjaśnia obserwowaną niezmienność szybkości reakcji w obecności wilgoci. Reagenty ładunku termitowego są ogólnie nietoksyczne i nieszkodliwe dla środowiska. Dalszą cenną cechą stosowanego ładunku termitowego jest to, że, jak wspomniano powyżej, reaguje ze znacznym wydzielaniem ciepła, co nadaje nie tylko dobre właściwości zapłonowe, lecz, co ważniejsze, ograniczony rozrzut czasowy reakcji, po części dzięki niezależności reakcji od początkowych warunków temperatury.

W przypadku detonatorów jest szczególnie korzystne, aby ładunki mogły być stosowane do różnych celów i spełniały kilka zapotrzebowań jednocześnie. Ładunki użyte jako ładunki zapłonowe w detonatorach według wynalazku mogą być stosowane jako szybko spalane ładunki przenoszące, wykorzystujące właściwość reakcji tworzenia gazowych związków pośrednich, dających silny zapłon i szybkość reakcji w porowatych ładunkach. Ładunki mogą być stosowane jako pirotechniczne opóźniacze, dzięki stabilności ładunku w różnych warunkach, trwałe szybkości spalania i zmienność szybkości spalania po dodaniu obojętnych dodatków. Ładunki mogą być stosowane jako ładunki uszczelniające do kontrolowania penetracji gazu, dzięki doskonałym właściwościom żużlotwórczym stopionego metalicznego produktu reakcji, które można łatwo polepszyć dodatkiem materiałów wzmacniających lub wypełniających. Wreszcie zgodnie z wynalazkiem ładunki można także stosować jako ładunki zapłonowe dla wtórnych środków wybuchowych, głównie w detonatorach typu z niepierwotnymi środkami wybuchowymi, wykorzystując pełen zakres zdolności inicjujących kompozycji, w tym wysoką temperaturę i wsteczne uszczelnianie, dla ustalenia bardzo szybkiego i niezawodnego czoła zapłonu koniecznego w tym mechanizmie detonacji.

Dalsze cele i korzyści płynące z wynalazku staną się oczywiste po zapoznaniu się z poniższym szczegółowym opisem.

Wiele środków pirotechnicznych zawiera parę redoks, w której reduktor i utleniacz mogą reagować z wytworzeniem ciepła. Charakterystyczne dla niniejszego wynalazku jest jednakże to, że reduktor, lub paliwo, jest metalem, że utleniacz jest tlenkiem metalu i że para redoks oznacza parę termitową, która może reagować z utlenianiem zastosowanego na początku paliwa metalicznego i redukcją do metalu zastosowanego na początku tlenku metalu stanowiącego utleniacz.

Ciepło wytwarzane podczas reakcji powinno być dostateczne do pozostawienia co najmniej części, a korzystnie całości metalicznego produktu końcowego w postaci stopionej. Ciepło nie musi być dostateczne do stopienia wszelkich innych składników dodanych do układu, takich jak obojętne wypełniacze, nadmiar reagentów lub składniki innych reaktywnych układów pirotechnicznych. W istocie w reakcji oryginalne paliwo metaliczne zastępuje metal tlenku, co można opisać jako „inwersję” układu metal/tlenek. Aby się tak stało, paliwo metaliczne musi mieć wyższe powinowactwo do tlenu niż metal tlenku.

185 595

Trudno podać dokładne warunki, ale jako ogólne wskazanie, w seriach elektrochemicznych, rozważając reakcje odpowiadające rzeczywistej zmianie wartościowości pierwiastkowego metalu, paliwo metaliczne powinno być co najmniej o 0,5, korzystnie co najmniej o 0,75, a korzystniej co najmniej o 1 V bardziej elektroujemne niż metal tlenku metalu.

Zgodnie z wynalazkiem paliwo metaliczne wybiera się więc z grup 2, 4 i 13 układu okresowego. W związku z tym trzeba wziąć pod uwagę, że grupy i okresy (patrz poniżej) z układu okresowego są grupami i okresami zdefiniowanymi w układzie okresowym przedstawionym poniżej.

Zastosowany układ okresowy

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

0

1

H

He

2

Li

Be

B

6

N

0

F

Ne

3

Na

Mg

Al

Si

P

s

6l

Ar

4

K

6a

Sc

Ti

V

6r

Mn

Fe

6o

Ni

6u

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

5

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

6P

In

Sn L

Sb

Te

I

Xe

6

6s

Bs

La

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

1 !Rn J

Fr Ra Ac

- ,-------, niemetale i ! półmetale metale

- i_______i

Innymi słowy grupa 2, z której wybiera się paliwo metaliczne, zawiera między innymi metale Be, Mg, Ca, Sr i Ba, podczas gdy grupa 4 zawiera metale Ti, Zr i Hf, a grupa 13 zawiera Al, Ga, In i Tl.

Korzystnie jedgrkże paliwometalicznr wybieaa się z okreszw 3 i 4 tych grup 2 , 4i 13, co tznacza Mg, Al, Ca, Ti a ^szyg^ ej pabwo mie spośród metali Al i Τϊ.

Metal Leniu metalu stanowiącego utleniacz wybiera się, jak powiedziano powyżej, z okresów z i6 οΗΟρ4, on3żsowegz, gizśe nkrwy b zawierz K, ea, w c, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni , Cn a Za, a otrę, ózawiera Cs, Bay Ln, Hf, W, Re, era, Ir, Bp Au, Hg, Tl, Pb , Bi i Po.

Moray stne metale eluesu n tw j en, Mn, wy, Ni, Cu , HSi, a szwrepoimo koe4ystnje ząMn, ów i Cu.

Korzysine rnetata owresu 6to Ba, W iB i,a szcteeólnie koPtystny jag, Ti.

W rym koytekśnie szcτ3eóinie nerżettnymi ficekami tu F^₄C)3, Fe3O_ó, Cu₂O_r VuO, Ε^ϊ₃Ο₄ϊ MnO₂.

Sak wskaetmo, łndunni 36piocewej w yetoasaorach wrOrzy wyjetazku są ładunkami teπnitzwymi, kOdne mcgą wcrwon/ye baodzo 42Ζ0&ι n^re^^tasury spalanie. Jako miarę tera, Cernury snnlania można stosować teoretycznie obliczoną temperaturę końcową reakcji do końcow, równzwogi spmicdzy GOncnej seageoiami sc mw^ł^aukzwie; i ieamicnnie ί/ο^νί^ nym tOja2zie ptór wznjnksch wo^zści i r^tzOemy ro.cczy wińcie wystnneją4ych ar eozważ3nym iadetUiu. sp mnasa żot mistOsOwa od neyb2sa4i spć^l^ina ładnemu, pszepu2zczainouci SCc gapo 2 izoSecji i s^ńO^a pytóżej jak z „idgalna” iemyenshara ^z^rieiei^ ładunke. Iol^c^hea iemperatspz spazaniw mnże Ξ^^γά^^ζο przyniiżrmc rzsrzywist2n tżmącrathi4 spalania 2Z łePunkuwe muże, enybności epniaoia, przepusnreainoścć d ta onżu_i dużynO svymiajaaU fizoeznech bib o motych stnatachdo tjeczenia. Dln ładeykżw, które nie megą w nrzyblipeniu

185 595 spełniać tychże warunków „rzeczywista” temperatura spalania powinna być określana przez pomiary. Można tego dokonać np. wstawiając termoparę w ładunek, rejestrując widma emisyjne ładunku w reakcji w przezroczystym materiale, z użyciem włókna optycznego umieszczonego w ładunku lub w dowolny inny sposób. Gdy temperatura spalania ładunku jest czynnikiem, jak przedyskutowano poniżej, idealna temperatura spalania powinna przewyższać 2000 stopni Kelvina, korzystnie 2300 stopni, a najkorzystniej 2600 stopni Kelvina. Kompozycja i geometria ładunku powinna korzystnie pozwalać na uzyskanie rzeczywistej temperatury spalania przewyższającej 60%, korzystnie 70%, a najkorzystniej 80% idealnej temperatury spalania wyrażonej w stopniach Kelvina.

Ładunki pirotechniczne dla detonatorów są zasadniczo zamknięte w nich i ogólnym wymaganiem jest to, aby całe środowisko reakcji było zasadniczo pozbawione gazu mogącego zniszczyć struktury detonatora. Niniejsze kompozycje złożone z metalu i tlenku metalu jako reagentów i produktów, doskonale spełniają, warunek bezgazowości ogólnej reakcji.

Jednak, jak wspomniano powyżej, sądzi się, że dobra charakterystyka spalania i właściwości zapłonowe kompozycji są zasadniczo spowodowane tworzeniem gazowych związków pośrednich nie występujących w innych podobnych kompozycjach. Co najmniej częściowo na skutek wysokiej temperatury reakcji w połączeniu z dość niską temperaturą wrzenia paliw metalicznych spełnienie powyższych warunków może powodować tymczasowe powstanie pośrednich par związków paliwa metalicznego.

Efekt ten można wzmocnić dodatkiem innego łatwo parującego składnika, chociaż korzystnym sposobem osiągnięcia tego celu jest stosowanie nadmiaru paliwa metalicznego, przy czym taką kompozycję będzie się też nazywać kompozycją „wzbogaconą w gaz”. Zbyt duże ilości będą chłodziły kompozycję i zapobiegną tworzeniu gazu. Zatem w takich kompozycjach ilość paliwa metalicznego jest ponad jedno- i mniej niż dwunastokrotnie większa od ilości stechiometrycznie koniecznej do zredukowania ilości utleniającego tlenku metalu, przy czym górna granica wynosi korzystnie sześć razy, a korzystniej cztery razy więcej niż ilość stechiometryczna. Zgodnie z inną korzystną odmianą wynalazku ilość paliwa metalicznego wynosi od 1,1 do 6 razy więcej niż ilość konieczna, a korzystniej ilość paliwa metalicznego wynosi od 1,5 do 4 razy więcej niż ta ilość.

W ilościach procentowych, względem łącznej masy kompozycji ładunku zapłonowego, paliwo metaliczne jest obecne w ilości 10-50% wagowych, korzystnie 15-35% wagowych, a jeszcze korzystniej 15-25% wagowych. Tak więc odpowiednie procentowe ilości utleniającego tlenku metalu wynoszą 90-50% wagowych, korzystnie 85-65% wagowych, a jeszcze korzystniej 75-65% wagowych.

Zgodnie z jedną z korzystnych postaci wynalazku paliwem jest A1, a tlenkiem metalu stanowiącym utleniacz jest Cu₂O lub Bi₂O₃, przy czym udział procentowy tego paliwa wynosi 15-35% wagowych, a udział procentowy utleniacza wynosi 65-85% wagowych.

Zgodnie z inną korzystną postacią wynalazku paliwem jest Ti, a tlenkiem metalu stanowiącym utleniacz jest Bi₂O₃, przy czym udział procentowy tego paliwa wynosi 15-25% wagowych, korzystnie około 20% wagowych, a udział procentowy utleniacza wynosi 75-85% wagowych, korzystnie około 80% wagowych.

Z kilku powodów może być pożądane włączenie do kompozycji bardziej lub mniej obojętnego, lub nawet aktywnego, składnika stałego, np. wpływającego na szybkość spalania kompozycji, w celu zmniejszenia wrażliwości kompozycji na iskry elektrostatyczne lub wpływania na właściwości żużlotwórcze. Zastosowanie obojętnego stałego składnika, który jest także produktem reakcji, jest korzystne, bowiem nie zmienia właściwości układu i nie osłabia tworzenia pośrednich par. Korzystne jest jednak dodawanie tlenku metalu, np. w celu obniżenia szybkości reakcji bez znacznego chłodzenia. Taki tlenek metalu może być produktem końcowym tego układu, ale jest też możliwe dodawanie innego tlenku metalu, np. produktu końcowego z innego układu inwersyjnego, jak zdefiniowano powyżej. Szczególnie korzystnymi tlenkami w tym zastosowaniu są tlenki Al, Si, Fe, Zn, Ti lub ich mieszaniny. Stały obojętny składnik może być także rozdrobnionym metalem, co między innymi daje mocne żużle. Takie kompozycje będą dalej określane jako „wzmocnione metalem”. Jako taki dodatek do kompozycji wzmocnionej metalem można zastosować metal będący produktem końcowym.

185 595

Będący produktem końcowym metal wytwarzany w reakcji ma normalnie postać stopioną i taki dodatek może np. dać mieszaninę stopionego i niestopionego metalu, odpowiednią do tworzenia mocnych i nieprzepuszczalnych żużli.

Lepszą kontrolę w porównaniu z tym częściowym stapianiem osiąga się, gdy metal jest stały w temperaturze reakcji ładunku, np. przez dodanie stałego metalu innego niż produkt końcowy i o wyższej temperaturze topnienia. Chociaż można stosować dowolny taki metal, szczególnie przydatne metale obejmują Ti, Ni, Mn i W albo ich mieszaniny lub stopy, a w szczególności W albo mieszaninę lub stop W z Fe.

Metale i/lub tlenki metali wymienione powyżej są ogólnie stosowane w ilości 2-30% wagowych, korzystnie 4-20% wagowych, a jeszcze korzystniej 5-15% wagowych, np. 6-10% wagowych, przy czym udziały procentowe podano w przeliczeniu na masę ładunku(-ów) pirotechnicznego(-ych), w szczególności ładunku zapłonowego.

Zgodnie ze zwykłą praktyką można także dodawać do mieszanin dodatki inne niż pirotechniczne, np. w celu polepszenia sypkości lub prasowalności, lub dodatki wiążące polepszające kohezję lub umożliwiające granulację, np. glinki lub karboksymetylocelulozę. Dodatki używane dla uzyskania tych właściwości stosuje się zwykle w małych ilościach, szczególnie jeśli dodatek wytwarza trwałe gazy, np. poniżej 4% wagowych, korzystnie poniżej 2% wagowych, a często poniżej 1% wagowych, w przeliczeniu na masę ładunku(-ów) pirotechnicznego(-ych), w szczególności ładunku zapłonowego.

Korzystnie ładunkom zapłonowym i dowolnym innym ładunkom pirotechnicznym nadaje się w zwykły sposób postać proszkowych mieszanin. Rozmiary cząstek mogą wpływać na szybkość spalania i ogólnie mogą wynosić od 0,01 do 100 pm, a szczególnie od 0,1 do 10 pm. Korzystnie proszki mogą być granulowane dla ułatwienia dawkowania i prasowania, np. do rozmiarów od 0,1 do 2 mm, a korzystnie od 0,2 do 0,8 mm. Korzystnie granulki wytwarza się z mieszaniny, co najmniej składników pary redoks.

Chociaż kompozycje w stanie suchym są względnie nieczułe na niepożądaną inicjację, korzystnie jest mieszać je i wytwarzać w fazie ciekłej, korzystnie w roztworze wodnym lub w zasadniczo czystej wodzie. Mieszaninę można granulować z fazy ciekłej z użyciem znanych środków.

Szybkość spalania ładunku zapłonowego może się zmieniać w szerokich granicach, ale na ogół zmienia się w zakresie 0,001-50 m/s, szczególnie 0,005-10 m/s. Szybkość spalania powyżej 50 m/s, a zwłaszcza powyżej 100 m/s zwykle oznacza, że właściwości ładunku nieodpowiednie lub nietypowe dla zastosowań detonatorowych. Jak wskazano powyżej, szybkość spalania może być kontrolowana na kilka sposobów, np. przez dobór układu redoks, równowagi stechiometrycznej pomiędzy reagentami, obojętnych dodatków, rozmiarów cząstek ładunku i gęstości prasowania.

Nie ma ogólnych ograniczeń co do gęstości prasowania, jako że można stosować ładunki od całkowicie nie sprasowanych do silnie sprasowanych. Aby ładunki nadawały się do stosowania w omawianym tu celu należy jednak zastosować właściwe ilości kompozycji pozwalające na prasowanie, to jest we wszystkich trzech wymiarach ładunku rozmiar powinien być kilkakrotnie, a korzystnie wielokrotnie większy od rozmiarów cząstek materiału granulowanego w porównaniu co najmniej z pierwotnymi cząstkami granulek.

Jak wspomniano na wstępie, wyżej opisane ładunki zapłonowe mogą być ogólnie stosowane do celów pirotechnicznych dla wywoływania zapłonu wtórnych środków wybuchowych, ale są szczególnie wartościowe w detonatorach, głównie w zastosowaniach przemysłowych związanych z wysadzaniem. Jak wspomniano powyżej, taki detonator składa się z łuski z ładunkiem podstawowym stanowiącym lub zawierającym wtórny środek wybuchowy umieszczony na jednym końcu łuski, urządzenia zapłonowego umieszczonego na jej przeciwnym końcu i części pośredniej ze ścieżką pirotechniczną zdolną do przekształcania impulsu zapłonowego z urządzenia zapłonowego dla zdetonowania ładunku podstawowego.

Urządzenie zapłonowe może być dowolnego znanego rodzaju, takiego jak elektrycznie zapalana spłonka, zapalnik bezpieczeństwa, średni lont, niskoenergetyczna rurka uderzeniowa (np. NONEL®) wybuchowy drut lub folia, impulsy laserowe dostarczane np. przez włókna optyczne, urządzenia elektroniczne, itp. Dla zapalania niniejszych ładunków korzystne są środki zapalające wytwarzające ciepło.

185 595

Ścieżka pirotechniczna może zawierać ładunek opóźniający, zwykle w postaci kolumny umieszczonej w zasadniczo cylindrycznym elemencie. Ścieżka może także zawierać ładunki przenoszące w celu wzmacniania palenia lub ułatwiania zapłonu opóźnionych ładunków, a ponadto może zawierać ładunki uszczelniające do kontrolowania przepuszczalności dla gazu. Końcowa część ścieżki jest etapem przekształcającym spalanie wytwarzające głównie ciepło w pirotechnicznych ładunkach w udar i detonację ładunku podstawowego.

W znany sposób osiąga się to wprowadzając niewielką ilość pierwotnego środka wybuchowego obok detonowanego wtórnego środka wybuchowego. Pierwotne środki wybuchowe detonują gwałtownie i niezawodnie, gdy podda się je działaniu ciepła lub słabemu uderzeniu. Jednakże ostatnie rozwiązania umożliwiły zaprojektowanie przemysłowego detonatora bez pierwotnych środków wybuchowych (zwanego dalej „NPED”), w którym pierwotny środek wybuchowy jest zastępowany pewnego rodzaju mechanizmem, omówionym poniżej, dla bezpośredniego wywoływania detonacji we wtórnym środku wybuchowym.

Kompozycje opisane powyżej można także stosować jako ładunki szybkiego przenoszenia do przechwytywania i wzmacniania słabych impulsów spalania lub do wspomagania zapłonu powolnych kompozycji. Kompozycje są przydatne do tego celu dzięki dużym szybkościom spalania i małemu rozrzutowi czasowemu, małej zależności od ciśnienia, łatwości inicjacji, niewrażliwości na niechcianą inicjację i wyższą zdolność do zapłonu w porównaniu z innymi ładunkami. Korzystnie kompozycja jest wzbogacona w gaz zgodnie z definicją. Korzystnie w ścieżce pirotechnicznej ładunek stanowi ładunek przenoszący umieszczony przy urządzeniu zapłonowym do przenoszenia impulsu zapłonowego z urządzenia zapłonowego do dalszych części ścieżki pirotechnicznej lub jest częścią tego ładunku przenoszącego.

Dla utrzymania szybkości reakcji i wrażliwości na zapłon porowatość ładunku powinna być wysoka, a gęstość prasowania niska. Korzystnie gęstość ładunku odpowiada sile prasującej poniżej 100 MPa, a korzystniej poniżej 10 MPa, a można stosować całkowicie nie sprasowane ładunki. Korzystnie ładunek zawiera materiał granulowany i jest sprasowany z silą wystarczającą dla nadania ładunkowi maksymalnej porowatości.

W tym kontekście szybkość spalania ładunku może wynosić powyżej 0,1, a korzystnie powyżej 1 m/s. Tylko niewielkie ładunki są potrzebne do tego celu, a korzystnie ilość ładunku jest dostatecznie mała, aby dawać czas opóźnienia w tym ładunku przenoszącym mniejszy niż 1 ms, a korzystnie mniejszy niż 0,5 ms.

Zazwyczaj i korzystnie nie ma następnego ładunku przy urządzeniu zapłonowym, ale ładunek przenoszący, lub jego obojętna osłona, bezpośrednio dotyka urządzenia zapłonowego. Może występować przerwa powietrzna pomiędzy ładunkiem i zdolnym do przekroczenia tej przerwy urządzeniem zapłonowym, takim jak zapalnik lub rurka uderzeniowa, co ułatwia wytwarzanie. Urządzenie zapłonowe może także być wbudowane w ładunek, ułatwiając przechwytywanie impulsu zapłonowego. W tym ostatnim przypadku można osiągnąć specjalną korzyść przy elektrycznym urządzeniu zapłonowym, ponieważ cecha przewodzenia elektryczności niniejszych kompozycji umożliwia zapłon od iskry elektrycznej, zapalnika mostkowego lub przewodzenie przez sam ładunek, zapewniając wystąpienie zapłonu lub pozwalając na zastosowanie prostych urządzeń zapłonowych, takich jak przerwa elektryczna, bez zapalnika.

Drugi koniec ładunku przenoszącego może dotykać dowolnego innego ładunku na ścieżce pirotechnicznej, najczęściej ładunku opóźniającego, ewentualnie poprzez inny ładunek.

Ładunek zawierający opisane powyżej kompozycje może także stanowić całość lub część ładunku opóźniającego, wykorzystując między innymi niezawodne i powtarzalne szybkości spalania, niewielką zależność od warunków zewnętrznych, zmienne wartości prędkości oraz łatwość wytwarzania.

Ładunki opóźniające prasuje się normalnie do gęstości wyższej niż gęstość nasypowa proszku, a korzystnie gęstość ładunku odpowiada sile prasującej ponad 10 MPa, a ponad 100 MPa. Ładunek może mieć gęstość ponad 1 g/cm³, a korzystnie powyżej

Dla potrzeb opóźniania kompozycja nie powinna wykazywać zbyt dużej szybkości reakcji, korzystniej 1,5 g/cm3

185 595 a korzystnie szybkość spalania ładunku jest niższa niż 1, a korzystniej niż 0,3 m/s. Ogólnie szybkość jest wyższa niż 0,001, a korzystnie wyższa niż 0,005 m/s.

Odpowiednia ilość ładunku jest dostatecznie duża, aby uzyskać czas opóźnienia w ładunku opóźniającym większy niż 1 ms, a korzystnie większy niż 5 ms.

Na szybkość spalania można wpływać dowolną z ogólnie zdefiniowanych metod, chociaż korzystnym sposobem zwiększenia szybkości jest zastosowanie kompozycji wzbogaconych w gaz, zdefiniowanych powyżej, a korzystnym sposobem obniżenia szybkości jest dodanie wypełniacza, korzystnie produktu końcowego reakcji, a korzystnie tlenku metalu. Tlenki glinu i krzemu okazały się przydatnymi wypełniaczami, niezależnie od rzeczywistego użytego układu inwersyjnego. Ilość wypełniacza może wahać się od 10,0% wagowych do 1000% wagowych, ale korzystnie mieści się w zakresie od 20 do 100% wagowych w przeliczeniu na masę składników reagujących.

Innym sposobem obniżenia szybkości ładunku opóźniającego jest dobór jako ładunku półmetalu, a szczególnie krzemu.

Ładunek opóźniający można prasować bezpośrednio w łusce detonatora przed umieszczeniem w ładunku ścieżki pirotechnicznej, co jest korzystne dla małych ładunków i niewielkich opóźnień. Dla większych ładunków ładunek opóźniający może być zamknięty w elemencie umieszczanym w łusce zgodnie ze zwyczajową praktyką. Kolumnę kompozycji opóźniającej można sprasować w jednej operacji, ale często prasuje się ją w porcjach w przypadku dłuższych kolumn. Typowe długości ładunku wynoszą od 1 do 100 mm, a w szczególności od 2 do 50 mm.

W przypadku konstrukcji typu NPED początkowy wtórny ładunek wybuchowy jest zwykle zamknięty w oddzielnej łusce lub elemencie i tutaj trzecią możliwością jest ułożenie części pełnego ładunku opóźniającego w tym samym zamknięciu.

Tylny kraniec ładunku opóźniającego może być wyposażony w urządzenie ograniczające wsteczny przepływ gazów i cząstek ładunku dla dalszego polepszenia stabilności szybkości spalania, korzystnie w ładunek tworzący żużel, a najkorzystniej w ładunek uszczelniający, np. o opisanym tu składzie.

Drugi kraniec ładunku opóźniającego może kontaktować się z dowolnym kolejnym ładunkiem łańcucha pirotechnicznego, lecz może także stykać się z pierwotnym lub wtórnym ładunkiem, ewentualnie poprzez niewielką ilość innego ładunku. Pierwotne środki wybuchowe mógą być łatwo detonowane przez ładunek opóźniający i wtórne ładunki przezeń zapalane, w tym przypadku korzystnie przez ładunek uszczelniający lub zapłonowy, jak to tu opisano.

Kompozycje opisane powyżej można także stosować w ładunku, który stanowi całość lub część ładunku opóźniającego lub uniemożliwiającego przejście gazów po reakcji ładunku. Ładunek uszczelniający powinien być także odporny mechanicznie. Przebieg reakcji w ładunkach pirotechnicznych silnie zależy od ciśnienia gazu, a powtarzalne spalanie zależy od kontrolowanego wzrostu i utrzymania ciśnienia. Nawet bezgazowe kompozycje wykazują wzrost ciśnienia i ewentualny wsteczny przepływ gazów wskutek działania gazowych produktów pośrednich lub ogrzewania gazów obecnych w porach ładunku. Spójność sprasowanych proszkowych ładunków jest także ograniczona i ciśnienie może spowodować przerwy.

Takie uszczelniające ładunki wykazują dobre właściwości żużlotwórcze, które można polepszyć dalej dodatkami wzmacniającymi. W tym celu korzystnie jest stosować dość duże gęstości ładunku. Korzystnie gęstość ładunku odpowiada sile prasującej ponad 10 MPa, a korzystnie powyżej 100 MPa. W wartościach bezwzględnych sprasowany ładunek uszczelniający może mieć gęstość powyżej 1,5 g/cm³, a korzystnie powyżej 2 g/cm³. Ładunki mają skłonność do pośrednich szybkości spalania, korzystnie powyżej 0,01, a korzystniej powyżej 0,1 m/s, ale szybkość często wynosi poniżej 1 m/s.

W zastosowaniu tylko do uszczelniania ładunek jest zwykle mały i często dostatecznie mały, aby spowodować czas opóźnienia w ładunku uszczelniającym mniejszy niż 1 s, a częściej mniejszy niż 100 ms.

W przypadku stosowania jako ładunek uszczelniający kompozycja zazwyczaj zawiera obojętne wypełniacze, między innymi dla zmniejszenia przepuszczalności, np. jako wzmacniane metalem kompozycje, jak zdefiniowano, z tymi samymi preferencjami jak podano powyżej,

185 595 ponieważ powstałe żużle są. mechanicznie wytrzymałe i nie przepuszczają gazu. Tutaj stechiometryczna równowaga pomiędzy metalem i tlenkiem metalu jest mniej krytyczna, ponieważ wypełniacz niweluje różnice, toteż stosownie do potrzeb można stosować kompozycje zrównoważone i niezrównoważone, np. dla uzyskania określonej szybkości spalania. Jednakże ogólnie korzystna jest stechiometryczna równowaga właściwa wzbogaconym w gaz kompozycjom. Ilość wypełniacza może być zmieniana w szerokich granicach, ale zaleca się, by ta ilość wypełniacza wynosiła 20 - 80% objętościowych, a korzystnie 30 - 70% objętościowych.

W detonatorze ładunek uszczelniający może być stosowany tam, gdzie konieczne jest działanie uszczelniające lub wzmacniające. Ważnym zastosowaniem jest uszczelnianie ładunków opóźniających przeciw wstecznemu przepływowi, co stabilizuje ich właściwości spalania. W tym celu ładunek uszczelniający powinien być umieszczony na ścieżce pirotechnicznej przed ładunkiem opóźniającym. Inne ładunki pirotechniczne mogą się znajdować pomiędzy ładunkiem uszczelniającym i opóźniającym, ale dzięki jego dobrym właściwościom zapalającym ładunek uszczelniający może być umieszczony w bezpośrednim kontakcie z ładunkiem opóźniającym. Można stosować dowolny ładunek opóźniający, chociaż opisane tutaj ładunki opóźniające są szczególnie wartościowe. Jeśli ładunek opóźniający mieści się w specjalnym elemencie lub łusce, dogodnie, choć niekoniecznie, wciska się ładunek uszczelniający w tę samą strukturę.

Ważną postacią wynalazku jest detonator typu NPED, to jest taki, w którym nie ma ładunku pierwotnego, a tylko wtórny. Ten nowy ładunek pracuje także jako ładunek uszczelniający, zabezpieczający przed ciśnieniem i wstecznym przepływem gazów. W takim detonatorze wtórny środek wybuchowy zapala się z natychmiastową detonacją. Istotne znaczenie mają tu szybki zapłon, małe straty gazu i zachowanie strukturalnej integralności obszaru. W tym celu ładunek zapłonowy (i uszczelniający) powinien być umieszczony tuż przed lub w sąsiedztwie wtórnego środka wybuchowego. Taki ładunek ma na tyle dobre właściwości zapłonowe, by można go było zastosować jako wtórny środek wybuchowy, chociaż inne ładunki, korzystnie ładunki tu opisane, mogą być rozmieszczone razem z nim. Normalnie wtórny środek wybuchowy, którego zapłon ma zostać wywołany, jest umieszczony w zamknięciu. Ładunek zapłonowy może być następnie umieszczony poza zamknięciem, lecz co najmniej pewna ilość, a korzystnie całość ładunku umieszcza się w przestrzeni zamkniętej.

Dla lepszego wykorzystania w detonatorach i uproszenia wytwarzania ładunek można sprasować w odrębny element, dogodnie o średnicy dopasowanej do wnętrza łuski detonatora.

Tak więc nowy ładunek stosowany według wynalazku stanowi lub jest częścią ładunku zapłonowego, mając zdolność zapalania wtórnego środka wybuchowego do .stanu palenia lub deflagracji. Głównym zastosowaniem takiego zapłonu wtórnego środka wybuchowego są detonatory typu NPED, w których brak pierwotnego środka wybuchowego wymaga dodania mechanizmu bezpośredniego przechodzenia wtórnego środka wybuchowego do stanu detonacji.

Detonatory typu NPED opracowano dla uniknięcia problemów bezpieczeństwa związanych trwale z manipulacjami pierwotnymi środkami wybuchowymi przy wytwarzaniu i stosowaniu detonatorów wykorzystujących takie środki wybuchowe. Powstają trudności przy próbach zastosowania zasad NPED w przemysłowych detonatorach do wysadzania skał, gdzie niezbędne są specjalne ułożenia i mechanizmy przenoszenia.

Środki zapłonowe typu wybuchowego drutu lub wybuchowej folii, np. według opisu patentowego nr FR 2242899, mogą powodować wstrząs o amplitudzie dostatecznej do bezpośredniego wywołania detonacji we wtórnych środkach wybuchowych, jeśli urządzenia zapłonowe są zasilane silnym impulsem prądu elektrycznego. Nie nadają się one do zastosowań przemysłowych ze względu na konieczność stosowania skomplikowanych zapalarek i niezgodność ze zwykłymi opóźniaczami pirotechnicznymi.

W odpowiednich warunkach wtórne środki wybuchowe mogą ulegać przejściu od deflagracji do detonacji (DDT). Warunki zwykle wymagają cięższego zamknięcia i większych ilości środka wybuchowego niż można zaakceptować w przemysłowych detonatorach. Ich przykład ujawnia US 3212439.

185 595

Inny detonator typu NPED, którego przykłady podano wUS 3978791, 4144814 i 4239004, wykorzystuje deflagrujący donorowy wtórny środek wybuchowy do przyspieszania tarczy uderzającej we wtórny akceptorowy środek wybuchowy z szybkością dostateczną dla spowodowania detonacji ładunku przyjmującego. Dla wytrzymania występujących sił konstrukcje są duże, mechanicznie niekorzystne i nie całkiem pewne. Podobną konstrukcję omawia publikacja Wo 90/07689.

W US 4727808 i 5385098 opisano inne detonatory typu NPED oparte na mechanizmie DDT. Konstrukcja umożliwia uzyskanie zapłonu przy użyciu większości znanych urządzeń zapłonowych, można ją wytwarzać zużyciem znanych spłonek, można ją umieszczać w normalnych łuskach detonacyjnych i niezawodnie detonować przy nieznacznym zamknięciu wtórnego ładunku wybuchowego. Pewność inicjacji zależy jednak od pewnego rozplanowania lub podzielenia środka wybuchowego tam, gdzie planuje się przejście.

Ogólne problemy ze znanymi rozwiązaniami NPED to trudność z uzyskaniem dostatecznie szybkiego przejścia w detonację dającą, niezawodny zapłon i zadowalającą dokładność czasową oraz z uzyskaniem ich w odniesieniu do zwykłych ładunków pirotechnicznych. W detonatorach typu NPED szybkość jest niezwykle ważna dla sekwencji wtórnego środka wybuchowego. Detonacja musi ustalić się szybko, aby uniknąć wczesnego zniszczenia struktur detonatora siłami ekspansji reagującego środka wybuchowego. Powolny zapłon oznacza także rozszerzony rozrzut czasowy, który gra ważną rolę w przypadku detonatorów natychmiastowych i zwłocznych. Uważa się także, że szybki zapłon wytwarza także gładsze czoło spalania, optymalizując narastanie ciśnienia. Te czynniki są bardzo ważne we wszystkich wspomnianych wyżej typach NPED. W mechanizmie DDT strefa przejścia musi być tak krótka, jak to możliwe, a w mechanizmie przemieszczanej płytki szybkie spalanie wtórnego donorowego środka wybuchowego, ścinanie płytki i przyspieszanie muszą zajść przed rozerwaniem komory ładunku donorowego.

Kompozycje tu ujawnione okazały się doskonałymi kompozycjami zapłonowymi dla wtórnych środków wybuchowych we wspomnianych zastosowaniach, wykorzystując między innymi gorące i długotrwałe impulsy zapłonowe z ładunków zawierających wymieniony termitowy układ redoks dla otrzymania szybkiej i niezawodnej inicjacji wtórnych środków wybuchowych.

Chociaż kompozycje są ogólnie odpowiednie dla tego celu, pewne kombinacje wykazują specjalną przydatność. Wcześniej opisane wzbogacone w gaz kompozycje są korzystne, szczególnie gdy zapalany wtórny środek wybuchowy wykazuje pewną porowatość w części zapalanej. W tych przypadkach korzystnie gęstość wtórnego środka wybuchowego najbliższego ładunkowi wynosi 40-90%, a korzystnie 50-80% gęstości wtórnego krystalicznego środka wybuchowego. Odpowiednie siły prasujące mogą wynosić 0,1-50 MPa, a korzystnie 1-10 MPa. Silnie sprasowany wtórny środek wybuchowy jest trudny do zapalenia, lecz po zapłonie dalsza reakcja zachodzi bardzo szybko. Dla takich ładunków mogą być stosowane bogate w gaz ładunki zapłonowe, ale kompozycje można dobierać dużo łatwiej. Szczególnie korzystne jest stosowanie w tym celu kompozycji zawierających wypełniacz, a w szczególności kompozycji wzmacnianych metalem. Chociaż te kompozycje mogą być stosowane do zapalania wtórnych środków wybuchowych -o zmiennej gęstości, korzystnie jest stosować je, gdy gęstość wtórnego środka wybuchowego w pobliżu ładunku wynosi 60-100%, a korzystnie 7099% gęstości krystalicznej wtórnego środka wybuchowego. Odpowiednie siły prasujące wynoszą powyżej 10, a korzystnie powyżej 50 MPa, w zasadzie bez żadnej górnej granicy.

Korzystnie gęstość ładunku zapłonowego jest częściowo przystosowana do gęstości zapalanego wtórnego środka wybuchowego, a korzystnie ładunek zapłonowy ma gęstość, wyrażoną jako procent bezwzględnej, nieporowatej gęstości ładunku, w tych samych zakresach, jakie podano powyżej odpowiednio dla niskiej i wysokiej gęstości ładunku. Wyżej podane zakresy są tylko proponowane i powinny być przetestowane dla rzeczywistej konstrukcji i użytego wtórnego środka wybuchowego.

Znane i powszechnie przyjęte jest rozróżnienie między pierwotnymi i wtórnymi środkami wybuchowymi. Dla celów praktycznych pierwotny środek wybuchowy można zdefiniować jako środek wybuchowy zdolny do dojścia do stanu pełnej detonacji przy stymulacji

185 595 płomieniem lub ogrzewaniem przez przewodzenie w objętości kilku milimetrów sześciennych substancji, nawet bez jego zamykania. Wtórny środek wybuchowy nie może być zdetonowany w podobnych warunkach. Ogólnie wtórny środek wybuchowy można zdetonować, gdy zapala się go płomieniem lub ogrzewaniem przez przewodzenie tylko wtedy, gdy jest on obecny w znacznie większych ilościach lub w wytrzymałym zamknięciu, takim jak metalowy pojemnik o grubych ściankach, lub po wystawieniu na uderzenie mechaniczne pomiędzy dwoma twardymi metalowymi powierzchniami.

Przykładami pierwotnych środków wybuchowych są piorunian rtęci, styfninian ołowiu, azydek ołowiu i diazodinitrofenol lub mieszaniny dwu lub więcej tych i/lub innych podobnych substancji.

Reprezentatywnymi przykładami wtórnych środków wybuchowych są tetraazotan pentaerytrytu (PETN), cyklotrimetylenotrinitroamina (RDX), cyklotetrametylenotetranitroamina (ΗΜΧ), trinitrofenylometylonitroamina (Tetryl) i trinitrotoluen (TNT) lub mieszaniny dwu lub więcej tych i/lub innych podobnych substancji. Alternatywna praktyczna definicja wtórnego środka wybuchowego to dowolny środek wybuchowy wrażliwy równie jak lub mniej niż PETN.

Dla niniejszych celów można stosować dowolny wyżej wspomniany wtórny środek wybuchowy, chociaż korzystne jest wybranie łatwiej zapalanych i detonowalnych wtórnych środków wybuchowych, w szczególności RDX i PETN lub ich mieszanin.

Różne części elementu inicjującego mogą zawierać różne wtórne środki wybuchowe. Jeśli element jest ogólnie podzielony na część deflagrującą i detonującą, z zastrzeżeniem, że dokładne położenie punktu przejścia może się zmieniać i że podział na sekcje nie musi odpowiadać żadnej fizycznej strukturze elementu, korzystnie stosuje się łatwiej zapalane i detonowalne środki wybuchowe, co najmniej w sekcji deflagracji, podczas gdy środek wybuchowy w sekcji detonacji można dobierać swobodniej.

Wtórny środek wybuchowy może być stosowany w czystej postaci krystalicznej, może być granulowany i może zawierać dodatki. Krystaliczny środek wybuchowy jest korzystny przy wyższych gęstościach prasowania, podczas gdy granulowany materiał jest korzystny przy niższych gęstościach i porowatych ładunkach. Niniejsze kompozycje mogą, zapalać wtórne środki wybuchowe bez żadnych dodatków, chociaż można stosować dodatki w razie potrzeby, np. zgodnie z US 5385098.

Wtórny środek wybuchowy jest ogólnie sprasowywany do gęstości wyższej niż nasypowa, np. przyrostowo dla uzyskania najbardziej jednorodnej gęstości w większych ładunkach lub w jednostopniowej operacji dla mniejszych ładunków lub w celu wytworzenia gradientu gęstości, korzystnie w każdym ładunku ze wzrastającą gęstością w kierunku reakcji dogodnie otrzymaną przez prasowanie w kierunku odwrotnym.

Niniejszy mechanizm zapłonowy nie wymaga żadnego fizycznego dzielenia wtórnego środka wybuchowego w sekcji przejściowej i sekcji detonacji, lecz ładunek może bezpośrednio inicjować znany ładunek podstawowy bez żadnego zamknięcia lub w dowolnym zamknięciu innym niż znana łuska detonatora. Korzystnie jednak co najmniej sekcja przejściowa jest nieco ograniczona, np. promieniowym ograniczeniem odpowiadającym cylindrycznej stalowej łusce o grubości 0,5-2 mm, korzystnie 0,75 i 1,5 mm.

Odpowiedni układ obejmuje ładunek pirotechniczny i środek wybuchowy w sekcji przejściowej we wspólnym elemencie, który wstawia się w detonator z sekcją przejściową dotykaj ącą ładunku podstawowego. Element może być ogólnie cylindryczny.

Lepsze zamknięcie uzyska się, jeśli bliższy koniec zawiera zwężenie, korzystnie z otworem pozwalającym na łatwy zapłon. Alternatywnie lub ponadto koniec może zawierać ładunek uszczelniający, korzystnie opisanego tu rodzaju, który to ładunek uszczelniający może być umieszczony przed zamknięciem, lecz korzystnie umieszcza się go w zamknięciu. Z podanych rozważań wynika oczywiście, że niniejsze kompozycje mogą działać jako ładunki uszczelniające i ładunki zapłonowe i w tym przypadku potrzebny jest tylko jeden ładunek. W przeciwnym razie ładunek zapłonowy mieści się pomiędzy ładunkiem uszczelniającym i środkiem wybuchowym.

185 595

Budowa dalszego końca w znacznym stopniu zależy od wybranych mechanizmów detonacji, które mogą być dowolnego z wcześniej opisanych typów i które są znane i nie muszą być opisywane tutaj szczegółowo.

Korzystnym typem NPED jest opisany w US 4727808 i US 5385098.

Tak więc w jednej z odmian zapalany wtórny środek wybuchowy jest ładunkiem donorowym do rozpędzania tarczy uderzającej przez kanał w kierunku wtórnego środka wybuchowego detonowanego w ten sposób.

W innej odmianie zapalany wtórny środek wybuchowy jest pierwszą częścią łańcucha przejścia od deflagracji do detonacji, przy czym łańcuch korzystnie obejmuje następnie drugą część zawierającą wtórny środek wybuchowy o niższej gęstości niż w części pierwszej. Wspólne dla wszystkich tych mechanizmów detonacji jest to, że we wczesnym etapie wtórny środek wybuchowy zapala się do etapu spalania lub deflagracji z zastosowaniem głównie środków generujących ciepło, do czego niniejsze kompozycje nadają się doskonale. Ładunek umieszcza się na zapalanym środku wybuchowym, tak że wpływa na niego ciepło z ładunku, a korzystnie występuje bezpośredni kontakt pomiędzy ładunkiem i środkiem wybuchowym. Powyżej podane warunki dla niniejszych ładunków odnoszą się do części, którą stosuje się w ten sposób do zapłonu środka wybuchowego.

Ładunek można wytwarzać korzystnie sposobami zwykle stosowanymi w tej dziedzinie. Korzystny sposób obejmuje mieszanie składników ładunku, mielenie mieszaniny do żądanego rozmiaru cząstek w młynie bardziej kruszącym niż ucierającym, sprasowanie wytworzonej mieszaniny pod wysokim ciśnieniem w bloki, kruszenie bloków dla uzyskania mniejszych cząstek i na koniec operacji przesiewania z wytworzeniem żądanej frakcji rozmiarów.

Detonator można wytworzyć przez oddzielne sprasowanie ładunku podstawowego w zamkniętym końcu łuski detonatora z następnym sprasowaniem ładunków pirotechnicznych lub wprowadzeniem opisanych elementów lub zamknięcia ładunku podstawowego. Ładunek opóźniający, jeśli jest konieczny, można wprowadzić wraz z ładunkiem przejściowym umieszczanym najwyżej. Urządzenie zapłonowe umieszcza się w otwartym końcu łuski, którą zamyka się zatyczką z urządzeniem sygnalizacyjnym, takim jak rurka uderzeniowa lub przewody elektryczne, przechodzące przez zatyczkę.

Przykład 1

Ładunek zapłonowy Al-Fe2O3 z podwójną ilością Al względem stechiometrycznej proporcji sprasowano w stalowej rurce o zewnętrznej średnicy 6,3 mm i grubości ścianek 0,8 mm. Jeden koniec rurki był otwarty, a drugi zawierał przeponę z otworem o średnicy 1 mm. Ładunek zapłonowy wprasowano w tę przeponę. Następnie 4 mm kolumnę PETN wprasowano w tym samym miejscu i na koniec wprasowano aluminiową pokrywkę. Takie elementy wytworzono w liczbie 100. Elementy sprasowano następnie w standardowe aluminiowe łuski zawierające drugie części wtórnych środków wybuchowych układu NPED.

Testowe odpalania wykazały, że wszystkie detonatory funkcjonowały doskonale i czas operacji obejmujący deflagrację rurki z Nonelu (3,6 m) nie przewyższał 4 ms.

Następnie wytworzono 100 detonatorów tej samej konstrukcji, lecz ze stechiometryczną pirotechniczną kompozycją. Przy testowym odpalaniu pojawiły się dwa niewypały, gdyż PETN nie uległ zapłonowi. Czas operacji detonatora wzrósł do 8-10 ms.

Przykład 2

Użyto stalowych rurek o zewnętrznej średnicy 6,3 mm, grubości ścianek 0,5 mm i długości 10 mm. koniec nurek był otwarty, a drugi zawiera! przeponę z otworem o średnicy 1 mm.

Ładunki pirotechniczne do stosowania jako ładunki zapłonowe wprasowano w tę przeponę, a następnie wprasowano środki wybuchowe PETN.

Zastosowano trzy typy bezżużlowych kompozycji inwersyjnych, a więc 40% Al + 60% Fe2O3, 20% Al + 80% Bi2O3, oraz 30% Al + 70% Cu2O, przy czym wszystkie udziały procentowe podano wagowo. Doświadczenia wykazały, że wszystkie ładunki wykazały prawie identyczna zdolność zapalania wtórnych środków wybuchowych PETN. Ogólnie można powiedzieć, że najlepszy zapłon otrzymuje się przy gęstości PETN 1,3 g/m3 i że granicą, za którą zapłon pogarsza się, jest gęstość około 1,5 g/m .

185 595

Przykład 3

Do 20 inicjujących elementów w postaci rurek aluminiowych, każda o długości 20 mm i wewnętrznej średnicy 3 mm oraz zewnętrznej średnicy 6 mm, wprasowano ładunek zapłonowy złożony z 20% wagowych Ti + 80% wagowych Bi2O3, do wysokości kolumny 5 mm.

W sąsiedztwie wprasowano kolumnę PETN z gęstością 1,3 g/cm³.

W ten sam sposób wytworzono 20 inicjujących elementów różniących się tym, że ładunek zapłonowy (to jest 20% Ti + 80% Bi2O3) zawierał także 8% wagowych Fe2O3 jako dodatku.

To doświadczenie wykazało, że wszystkie 40 detonatorów zawierających takie inicjujące elementy pracowały doskonale dając doskonałą detonację ładunku podstawowego.

Przykład 4

Wpływ dodatku Fe2O3 na zapłon ładunku złożonego z 20% wagowych Ti + 80% wagowych Bi2O3, wraz z wrażliwością na iskry elektrostatyczne zbadano zgodnie ze standardowymi metodami testowania.

Wrażliwość zwykłego ładunku 20% Ti + 80% Bi2O3 wynosiła -0,5 mJ.

Dodanie 2-10% wagowych Fe2O3 do tego ładunku zmniejszyło wrażliwość ładunku w znaczącym stopniu (-2-5 mJ) i miało nieznaczący wpływ na funkcjonowanie ładunku zapłonowego.

185 595

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Detonator zawierający łuskę z ładunkiem podstawowym stanowiącym lub zawierającym wtórny środek wybuchowy na jednym jej końcu, urządzeniem zapłonowym umieszczonym na jej przeciwnym końcu i pośrednią ścieżkę pirotechniczną przekształcającą impuls zapłonowy z urządzenia zapłonowego dla ładunku podstawowego do jego zdetonowania, znamienny tym, że ścieżka pirotechniczna zawiera ładunek zapłonowy zawierający paliwo metaliczne wybrane z grup 2, 4 i 13 układu okresowego i utleniacz w postaci tlenku metalu wybranego z okresów 4 i 6 układu okresowego, przy czym paliwo metaliczne jest obecne w nadmiarze względem ilości stechiometrycznie koniecznej dla zmniejszenia ilości tlenku metalu stanowiącego utleniacz.
2. Detonator według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera paliwo metaliczne, które jest co najmniej o 0,5 V, korzystnie co najmniej o 0,75 V, a zwłaszcza co najmniej o 1 V bardziej elektroujemne niż metal tlenku metalu stanowiącego utleniacz.
3. Detonator według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że zawiera paliwo metaliczne wybrane z okresów 3 i 4 układu okresowego.
4. Detonator według zastrz. 3, znamienny tym, że zawiera paliwo metaliczne wybrane spośród Al i Ti.
5. Detonator według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera tlenek metalu stanowiący utleniacz zawierający metal wybrany spośród Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Ba, W i Bi.
6. Detonator według zastrz. 5, znamienny tym, że zawiera tlenek metalu zawierający metal wybrany spośród Mn, Fe, Cu i Bi.
7. Detonator według zastrz. 6, znamienny tym, że zawiera tlenek metalu wybrany spośród MnO2, Fe2O3, Fe3O4, CU2O, CuO i Bi2O3.
8. Detonator według zastrz. 6, znamienny tym, że zawiera kombinację paliwo metaliczne-tlenek metalu stanowiący utleniacz obejmującą Al w połączeniu z tlenkiem Fe, Bi lub Cu.
9. Detonator według zastrz. 8, znamienny tym, że zawiera kombinację Al-Fe2O3, Al· B22O3 lub AI-CU2O, korzyshiie A--Fe2O3.
10. Detonator według zastrz. 6, znamienny tym, że zawiera kombinację paliwo metaliczne-tlenek metalu stanowiący utleniacz obejmującą Ti w połączeniu z tlenkiem Bi, korzystnie Ti- Bi2O3.
11. Detonator według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera paliwo metaliczne w ilości jednokrotnie większej i dwunastokrotnie mniejszej, korzystnie sześciokrotnie mniejszej, a zwłaszcza czterokrotnie mniejszej niż ilość stechiometryczna konieczna dla zmniejszenia ilości tlenku metalu stanowiącego utleniacz.
12. Detonator według zastrz. 11, znamienny tym, że zawiera paliwo metaliczne w ilości odpowiadającej 1,1 - 6-krotnej ilości koniecznej stechiometrycznie.
13. Detonator według zastrz. 12, znamienny tym, że zawiera paliwo metaliczne w ilości odpowiadającej 1,5 - 4-krotnej ilości koniecznej stechiometrycznie.
14. Detonator według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera paliwo metaliczne w ilości 10 - 50% wagowych, korzystnie 15-35% wagowych, a zwłaszcza 15-25% wagowych, oraz tlenek metalu stanowiący utleniacz w ilości 90 - 50% wagowych, korzystnie 85 - 65% wagowych, a zwłaszcza 75 - 65% wagowych, przy czym zawartość składników podano w przeliczeniu na masę kompozycji ładunku zapłonowego.
15. Detonator według zastrz. 14, znamienny tym, że jako paliwo metaliczne zawiera Al, a jako tlenek metalu stanowiący utleniacz zawiera Cu2O lub Bi2O3, przy czym zawartość paliwa wynosi 15 - 35% wagowych, a zawartość utleniacza wynosi 65 -85% wagowych.
16. Detonator według zastrz. 14, znamienny tym, że jako paliwo metaliczne zawiera Ti, a jako tlenek metalu stanowiący utleniacz zawiera Bi2O3, przy czym zawartość paliwa wynosi

185 595

15 - 25% wagowych, korzystnie około 20% wagowych, a zawartość utleniacza wynosi 75 - 85% wagowych, korzystnie około 80% wagowych.
17. Detonator według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera ładunek zapłonowy o szybkości spalania 0,001 - 50 m/s, a korzystnie 0,005 - 10 m/s.
18. Detonator według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera ładunek zapłonowy o idealnej temperaturze spalania przewyższającej 2000 stopni Kelvina.
19. Detonator według zastrz. 18, znamienny tym, że zawiera ładunek zapłonowy o rzeczywistej temperaturze spalania przewyższającej 70% idealnej temperatury spalania.
20. Detonator według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera ładunek zapłonowy zawierający stały dodatek w postaci metalu i/lub tlenku.
21. Detonator według zastrz. 20, znamienny tym, że zawiera dodatek w ilości 2 - 30% wagowych, korzystnie 4 - 20% wagowych, korzystniej 5 - 15% wagowych, a zwłaszcza 6 -10% wagowych, w przeliczeniu na masę ładunku zapłonowego.
22. Detonator według zastrz. 20 albo 21, znamienny tym, że jako dodatek zawiera związek także stanowiący produkt reakcji paliwa metalicznego z tlenkiem metalu stanowiącym utleniacz.
23. Detonator według zastrz. 20 albo 21, znamienny tym, że jako dodatek zawiera rozdrobniony metal.
24. Detonator według zastrz. 23, znamienny tym, że zawiera metal, który jest stały w temperaturze reakcji ładunku zapłonowego.
25. Detonator według zastrz. 20 albo 21, znamienny tym, że zawiera tlenek wybrany spośród tlenków A1, Si, Zn, Fe, Ti i ich mieszanin.
26. Detonator według zastrz. 25, znamienny tym, że jako tlenek zawiera tlenek glinu, tlenek krzemu lub ich mieszaninę.
27. Detonator według zastrz. 25, znamienny tym, że jako tlenek zawiera tlenek żelaza, a zwłaszcza Fe2O3.
28. Detonator według zastrz. 20 albo 21, znamienny tym, że zawiera metal wybrany spośród W, Ti, Ni oraz ich mieszanin i stopów.
29. Detonator według zastrz. 28, znamienny tym, że jako metal zawiera W albo mieszaninę lub stop W z Fe.
30. Detonator według zastrz. 1, znamienny tym, że ładunek zapłonowy jest sprasowany i styka się z wtórnym środkiem wybuchowym.
31. Detonator według zastrz. 30, znamienny tym, że ładunek styka się z wtórnym środkiem wybuchowym w sekcji przejścia umieszczonej na ścieżce pirotechnicznej przed ładunkiem podstawowym, przy czym wtórny środek wybuchowy jest otoczony zamknięciem.
32. Detonator według zastrz. 31, znamienny tym, że ładunek jest także umieszczany w zamknięciu. '
33. Detonator według zastrz. 30 albo 31, albo 32, znamienny tym, że gęstość wtórnego środka wybuchowego najbliżej ładunku wynosi 60 - 100%, a korzystnie 70 - 99% gęstości krystalicznej wtórnego środka wybuchowego.
34. Detonator według zastrz. 33, znamienny tym, że gęstość wtórnego środka wybuchowego najbliżej ładunku wynosi 40 - 90%, a korzystnie 50 - 80% gęstości krystalicznej wtórnego środka wybuchowego.
35. Detonator według zastrz. 31 albo 32, znamienny tym, że w sekcji przejścia zawiera wtórny środek wybuchowy stanowiący ładunek donorowy.
36. Detonator według zastrz. 31 albo 32, znamienny tym, że w ładunku przejścia zawiera wtórny środek wybuchowy stanowiący ładunek donorowy.
37. Detonator według zastrz. 31 albo 32, znamienny tym, że w ładunku przejścia zawiera wtórny środek wybuchowy stanowiący pierwszą część łańcucha przejścia od deflagracji do detonacji, przy czym łańcuch ten korzystnie obejmuje dodatkowo drugą część zawierającą inny wtórny środek wybuchowy o niższej gęstości niż w pierwszej części.
38. Detonator według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera ładunek podstawowy stanowiący tylko wtórny środek wybuchowy.

185 595
39. Detonator według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera wtórny środek wybuchowy wybrany spośród tetraazotanu pentaerytrytu, trinitrofenylometylonitroaminy i trinitrotoluenu, a korzystnie jest nim tetraazotan pentaerytrytu.