FI71923B - Spraengaemne - Google Patents

Description

Räjähdysaine 719 2 3 Tämä keksintö kohdistuu ammoniumnitraattia sisältävän räjähdysaineen ominaisuuksien parantamiseen käyttämällä ammoniumnitraattia hajottavaa yhdistettä. Samalla voidaan kalleimpien osa-aineiden määrää vähentää. Räjähdysaine on ensisijassa tarkoitettu käytettäväksi louhintaräjähdysaineena.

US-patenttijulkaisusta 3 823 044 on tunnettua käyttää rautaoksidia (Fe2C>3 ) ammoniumnitraatti-polttoöl jy-rä jähdysaineessa nostamaan räjähdyspainetta esim. keinotekoisten timanttien valmistuksessa. Patentin mukaan on Fe2°3~määrä 8-30 % räjähdysmassan kokonaispainosta .

US-patentti julkaisusta 3 376 1 76 tunnetaan vesipitoisia l.ietemäisiä räjähdysaineseoksia, jotka epäorgaanisten nitraattien ohella sisältävät typpihappoa. Tämän julkaisun palstan 3 riveillä 60-75 on sopivina katalyytteinä mainittu kolmiarvoiset rautasuolat ja alumiinisuolat ja erityisesti ferrisulfaatti, ferrikloridi ja ferrinitraatti. Nämä katalyytit käytetään geelin muodostamiseen.

DE-kuulutusjulkaisusta 1 646 327 tunnetaan ammoniumnitraattipoh-jaisia räjähdysaineseoksia, jotka sisältävät metalleja, edullisesti suolan muodossa, sekä klorideja tehostamaan metallien vaikutusta.

CH-patenttijulkaisusta 411 664 tunnetaan menetelmä ammoniumnitraattia sisältävien räjähdysaineiden räjähdysvoiman kohottamiseksi suorittamalla ammoniumnitraatille kuumennuskäsittely. Tämän patenttijulkaisun esimerkkien 1-5 mukaan koostumukset sisältävät 0,1 % rautaoksidia. Kuten oheisesta kuviosta 2 ilmenee, rautaoksidimää-rällä 0,1 % ei ole mitään olennaista vaikutusta räjähdysnopeuteen. Kuvion 2 graafisista käyristä ilmenee jopa, että räjähdysnopeus alenee Fe203-määrällä 0,1 %.

US-patenttijulkaisusta 3 819 429 tunnetaan räjähdysaine, jota käytetään kuumissa porausrei'issä. Tämä räjähdysaine ei hajoa korotetuissa lämpötiloissa 325-350°F (163-177°C). Käyttötarkoi- 71923 tuksesta johtuen räjähdysaine sisältää painoa lisäävää ainetta. Eräänä esimerkkinä on mainittu rautaoksidi. Painoa lisäävän aineen määräksi on esitetty 1-20 paino-% (ks. palsta 3 rivi 56). Esimerkkien mukaan käytetään painoa lisäävänä aineena 13 paino-% rauta-fosforia, joka ilmeisestikin on edullisin painoa lisäävä aine. Rautaoksidin käyttöä ei ole konkreettisesti kuvattu ko. patenttijulkaisussa .

US-patenttijulkaisusta 3 715 247 tunnetaan räjähdysaineseos, joka on vesiöljy-emulsion muodossa. Ko. räjähdysaine sisältää ammonium-nitraatin ja muiden epäorgaanisten nitraattien ohella mm. vettä (10-25 %), öljyä tai vastaava aineosaa (1-10 %), emulgointiainetta (0,5-2 %) ja herkistintä (0,1-15 %), jonka on sanottu olevan vesiliukoinen (ks. palsta 7, rivi 20). Ko. patenttijulkaisun taulukossa III on eräänä aineosana esitetty Fe^O^ ja sen määräksi on esitetty 3 %. Kuten oheisesta kuviosta 2 ilmenee on näin suuri rautaoksidimäärä sopimaton käytettäväksi esillä olevan keksinnön mukaisessa räjähdysaineseoksessa.

Julkaisussa Chemical Abstracts, voi. 84 (1976), 46806 käsitellään ammoniumnitraattia sisältävien seosten syttyvyyttä. Nämä seokset sisältävät myöskin dieselöljyä tai vastaavaa. Sytytysaineena (priming compound) käytetään (NH4)2, Cr20? tai Fe^O-jin ja Al203:n seosta. Julkaisussa on lisäksi mainittu, ettei palamiskatalyyttien lisääminen paranna seosten syttyvyyttä.

Tunnetaan useita nimenomaan ammoniumnitraatin hajottamiseen soveltuvia yhdisteitä. Tyypillisiä ovat raskasmetallien yhdisteet, joissa metalli voi esiintyä useassa eri hapetusasteessa. Rajoittavina tekijöinä näiden yhdisteiden käytölle ovat: käsittelyvarmuus säilyvyys fysiologiset haittavaikutukset hinta

Esim. kupariyhdisteet voivat muodostaa ammoniumnitraatin kanssa erikoisesti kosteissa olosuhteissa herkkyydeltään aloiteaineiden luokkaan laskettavia kupariamiinikomplekseja. Säilyvyyden kannalta on katalyytin oltava reaktioiltaan mahdollisimman neutraali niissä li 3 71923 oloissa, jotka saattavat syntyä seoksessa kosteuden takia tai ammoniumnitraatin ym. komponenttien epäpuhtauksien takia koko säilytys- ja käyttölämpötila-alueella. Joillakin katalyyteiksi muuten sopivilla yhdisteillä on kuitenkin terveydellisiä haittatekijöitä. Tällaisia ovat kromi ja sen yhdisteet, nikkeli ja sen yhdisteet ja lyijy ja sen yhdisteet.

Nyt yllättäen on havaittu, että rautaoksidi sopii ammoniumnit-raattia sisältävän räjähdysaineen katalyytiksi.

Keksinnön mukainen räjähdysaine on edullisesti polttoöljyä sisältämätön räjähdysaine. Sensijaan se voi muina komponentteina sisältää esim. dinitrotolueenia, trinitrotolueenia ja alumiinia sekä käsittelyä parantavia lisäaineita, kuten vedenesto- ja 1iukastusaineita. Käyttämällä katalyyttinä rautaoksidia voidaan parantaa nalliherkkyyttä, välityskykyä ja detonaationopeutta. Lisäksi on yllättäen todettu, että käyttämällä katalyyttinä rautaoksidia, voidaan käytetyissä räjähdysaineseoksissa vähentää mahdollisesti käytettyä trinitrotolueenia ja alumiinia ilman että räjähdysaineominaisuudet huononevat. Täten saadaan kustannukset edullisemmiksi.

Katalyytin määrä on 1,0-2,0 % räjähdysaineseoksen kokonaispainosta. Keksinnön mukainen katalyytti on edullisesti rauta (III)oksidi. Rauta(III)oksidi on kemiallisilta ominaisuuksiltaan neutraali ja fysiologisesti vaikuttamaton ja se on lisäksi halpa.

Käytetty rauta (III) oksidi , , voi esiintyä kolmena eri kide- muotona ja sitä saadaan esim. kuumentamalla eri rauta(II)- tai rauta (III)-yhdisteitä, esim. rauta(Ill)oksalaattia.

Keksinnön mukainen räjähdysaineseos voidaan valmistaa yksinkertaisesti sekoittamalla keskenään eri komponentit.

Ammoniumnitraattia, katalyyttiä ja trinitrotolueenia sisältävä räjähdysaineseos voidaan valmistaa sekoittamalla ammoniumnitraattia ja katalyyttiä keskenään ja päällystämällä sitten trinitro-tolueenilla. Vaihtoehtoisesti voidaan ammoniumnitraatti ensin päällystää trinitrotolueenilla ja vasta sen jälkeen sekoittaa katalyytin kanssa.

71923 4

Seuraavat esimerkit valaisevat keksintöä.

Seuraavassa on trinitrotolueenista käytetty lyhennystä TNT ja dinitrotolueenista lyhennystä DNT.

Oheisessa kuviossa 1 on graafisesti esitetty sellaisen vertailu-kokeen tulokset, jossa verrattiin keskenään Fe2C>2:n ja Fe2<SO^)2:n vaikutus räjähdysaineseoksen räjähdysnopeuteen.

Oheisessa kuviossa 2 on graafisesti esitetty eri TNT-määriä sisältävien koeseosten räjähdysnopeudet funktiona 28 ^um patruunoissa määriteltynä. Koeseokset sisälsivät 1 paino-% DNT:tä, 2 paino-% käsittelyä parantavia lisäaineita, ilmoitetut määrät TNT:tä ja Γβ2θ2:a sekä loput NH^NO^ja.

Il 5 71 923

Esimerkit

Seuraavin esimerkein pyrittiin selvittämään keksinnön mukaisen katalyytin vaikutusta koeseosten ominaisuuksiin. Koeseokset valmistettiin laboratorion sekoittimella. Koeseoksissa sekoitettiin

Fe O :a ja NH NO :a keskenään ennen TNT-päällystystä.

23 43

Tehtiin kaksi koesarjaa, joista toisessa oli TNT-määrä 7 paino-% ja toisessa 9 paino-%. Kummassakin sarjassa vaihdettiin Fe O -J J 2 3 määrää (taulukot 1 ja 2).

Taulukko 1

Sarjan 0,5-3/7 koeseosten koostumukset painoprosentteina

Fe O /TNT

Lähtöaineet 0,5/7 1/7 2/7 3/7 NH NO , kit. jauh. 89,5 89,0 88,0 87,0 4 3 TNT 7,0 7,0 7,0 7,0 DNT 1,0 1,0 1,0 1,0

FeO 0,5 1,0 2,0 3,0 2 3 Käsittelyä parantavat lisäaineet 2,0 2,0 2,0 2,0

Taulukko 2

Sarjan 1-4/9 koeseosten koostumukset painoprosentteina.

Fe O /TNT 2 3 Lähtöaineet 1/9 2/9 3/9 4/9 NH NO , kit. jauh. 87,0 86,0 85,0 84,0 4 3 TNT 9,0 9,0 9,0 9,0 DNT 1,0 1,0 1,0 1,0

Fe 0 1,0 2,0 3,0 4,0 2 3 Käsittelyä parantavat lisäaineet 2,0 2,0 2,0 2,0 ______ . z 01— 6 719 2 3

Testikokeet ja niiden tulokset on esitetty seuraavassa. Testimenetelmät, joita kokeissa on käytetty, ovat räjähdysaineteollisuu-dessa standardoituja.

Koetuloksia verrataan Aniitin koetuloksiin. Aniitti on vanhastaan tunnettu ammoniumnitraattia sisältävä räjähdysaine, joka tyypillisesti sisältää kiteistä NH NO :a, TNT:ia, DNTria, AL:ia 4 3 sekä käsittelyä parantavia lisäaineita.

1. Testikokeet 1.1. Välitys

Kokeessa määritetään määrätyissä olosuhteissa etäisyys, jossa räjähdyksen välittyminen tapahtuu. Kokeessa käytetään kahta halkaisijaltaan 28 mm:n paperipatruunaa. Patruunat sovitetaan päällekkäin metallilevyn päälle asetettuun pystysuoraan paperiputkeen ja kiinnitetään siihen nuppineuloilla siten, että alempi patruuna on levyä vasten ja ylempi patruuna on etäisyyden a päässä alemmasta patruunasta. Ylempään patruunaan painetaan nalli ja räjäytetään. Jos välittymistä ei tapahdu, jää alempi patruuna metallilevylle tai sen läheisyyteen. Ammunta aloitetaan niin, että etäisyys a = 4 cm. Suoritetaan kolme rinnakkaiskoetta tältä korkeudelta. Jos välittyminen tapahtuu jokaisessa kolmessa kokeessa suurennetaan a:ta 6 cm, 8 cm jne. kunnes löydetään a:n arvo, jossa kaikki kolme patruunaa eivät välitä.

Tulokset:

Sarja: 0,5-3/7 0,5/7: 6/3; cm/kerta 1,0/7: 6/3; 2,0/7: 4/2; 3,0/7: 4/2; 71923 7

Sarja: 1-4/9 1,0/9: 6/3; cm/kerta 2,0/9: 4/3; 3,0/9: 4/2; 4,0/9: 4/2; Välityksen osalta voidaan todeta, että kummassakin sarjassa välitys alkaa heiketä Fe O -määrän ollessa 2-3 %:n paikkeilla.

2 3 Päästään Aniitin välitysarvoihin Fe^O^-määrän ollessa 0,5-2,0 %:n paikkeilla.

1.2. Detonaationopeus Räjähdysnopeus on määritetty mittaamalla vapaassa tilassa olevasta, halkaisijaltaan 28 mm:n patruunasta detonaationopeus 200 mm:n matkalta. Kyseisen menetelmän mukaan asetetaan kaksi ohuesta, lak-kapäällysteisestä kuparilangasta punottua johdinparia patruunan läpi 200 mm:n päähän toisistaan siten, että lähin johdinpari on 150 mm:n päässä patruunan sytytyspäästä. Patruuna sytytetään standardin SFS 3500 mukaisella sähkönallilla, joka on upotettu patruunan sytytvspäähän 20 mm:n syvyyteen. Detonaatio aiheuttaa johdin- pareissa oikosulun. Oikosulkujen välinen aika mitataan vähintäin -6 10 s:n tarkkuuden omaavalla aikavälilaskimella. Detonaationopeus lasketaan mitatun ajan ja matkan perusteella. Tulos ilmoitetaan vähintään kolmen mittauksen keskiarvona.

Tulokset:

Sarja: 0,5-3/7 0,5/7: 2817 m/s 1,0/7: 2860 " 2,0/7: 3150 " 3,0/7: 2647 " 8 71 923

Sarja: 1-4/9 1,0/9: 3210 m/s 2,0/9: 3305 " 3,0/9: 2887 " 4,0/9: 2873 "

Tulokset osoittavat, että detonaationopeuden maksimi tulee molemmissa sarjoissa olemaan Fe O -määrän suhteen 1-2 %:n välissä.

2 3

Sarjan 1-4/9 kautta linjan hivenen korkeammat detonaationopeuden arvot verrattuna sarjan 0,5-3/7 vastaaviin, osoittavat detonaationopeuden olevan riippuvainen TNT-määrästä siten, että nousevan TNT-määrän myötä se hivenen kasvaa.

Kummallakin sarjalla päästään nopeuden maksimiarvoilla Aniitin räjähdysnopeusalueelle, joka on keskimäärin 3 200 - 3 600 m/s läpimitaltaan 28 mm paperipatruunana vapaassa tilassa mitattuna.

1.3. Iskuherkkyys

Kokeessa määritetään koestettavan räjähdysaineen iskuherkkyys kahden läpimitaltaan 8 mm rullalaakerin välissä. Korkeus, joka tarvitaan näytteen sytyttämiseen 2 kg:n pudotusvarasalla, on räjähdysaineen iskuherkkyyden mitta. Kokeessa laitetaan näyte (n.

25 mg) rullalaakereiden väliin ohjaushylsyssä ja pudotus aloitetaan 100 cm tasolta. Pudotuskorkeutta (tasoa) muutetaan 5 cm kerrallaan. Kultakin tasolta tehdään kuusi pudotuskoetta. Näin etsitään alin taso, jossa yksikään kuudesta kokeesta ei johda räjähdykseen .

9 71 923

Tulokset:

Sarja 0,5-3/7: o

Normaalilämpötila: 85-90 C lämpötila: 0,5/7 : >100 cm 50-60 cm 1,0/7 : 85-90 " 2,0/7 : 85-90 " 3,0/7 : 95-100 "

Sarja 1-4/9: o

Normaali lämpötila: 85-90 C lämpötila: 1/9 : >100 cm 2/9 : 95-100 " 65-70 cm 3/9 : 90-95 " 4/9 : 95-100 "

Aniittiin verrattuna ovat koeseosten iskuherkkyydet jonkin verran alempia. Normaalisti on Aniitin iskuherkkyys >100 cm normaaliläm-mössä, joskin 10-15 cm alempia arvoja on esiintynyt.

1.4. Hankausherkkyys

Koestettavien räjähdysaineiden hankausherkkyydet määritetään BAM:n mukaisesti hankausherkkyyslaitteella Julius Peters, joka käsittää edestakaisin liikkuvan posliinilevyn ja kiinteän poslii-nitapin. Tappi on kohtisuorassa levyä vastaan. Koestettava aine laitetaan levyn ja tapin väliin. Aineeseen kohdistuvaa rasitusta voidaan muunnella alueella 0,5-36 kg. Hankausherkkyyden suhteellisena mittana ilmoitetaan alhaisin rasitus, jolla yhdelläkin kuudesta kokeesta havaitaan jokin seuraavista ilmiöistä: syttyminen, rätinä tai räjähdys.

„ , ν , 71923 10

Molempien sarjojen kaikki seokset osoittivat kitkaherkkyysarvoa > 36 kg ja vastasivat Aniitin kitkaherkkyyttä normaalilämmössä.

o

Seosten 0,5/7 ja 2/9 hankausherkkyydet 85-90 C lämpötilassa olivat >36 kg.

o

Seosten hankausherkkyydet 85-90 C lämpötilassa eivät näytä olevan kriittiset.

1.5. Vedenkesto

Kaikki koeseokset kestivät normaalin vedenkestotestin.

1.6. Shooting-testi

Koe suoritetaan Nordtest; Slurry and Watergel Explosives: Sensitivity-Projectile Impact Test, Nordtest Method NT SAFE 003:n mukaisesti. Menetelmällä saadaan selville räjähdysaineiden isku-herkkyys. Menetelmässä räjähdysaineeseen isketään tasapäisellä messinkiprojektiilillä. Herkkyys ilmoitetaan pienimpänä projektiilin nopeutena, joka aiheuttaa näytteessä reaktion, räjähdyksen tai detonaation. Menetelmän indikointikriteereinä käytetään mm. ballistisen heilurin heilahduskulmaa ja/tai valoilmiötä.

Jotta koko mahdollinen koeseosten koostumusten variaatiokenttä olisi "haarukassa", tehtiin kaksi koeseosta, joista toisessa oli vähän TNT:ia ja vähän Fe O :a ja toisessa vuorostaan paljon 2 3 molempia.

Fe 0 /TNT-prosenttisuhteella ilmaistuna edellinen seos oli 2 3 0,5/7 ja jälkimmäinen 3/10,9.

1 1 71 923

Testiarvot olivat seuraavat: 0,5/7 : 389 m/s 3/10,9 : 450 m/s

Molemmilla seoksilla esiintyi sekä heiluri- että valoindikaatio. Aniitin vastaavat nopeusarvot ovat: 2 puristettuna tiheyteen 1,35-1,45 g/cm : 412 m/s löysänä, 2 tiheys 1,0 g/cm : 418 m/s.

Yhteenvetona voidaan todeta, että välitys on Aniitin luokkaa kun Fe O -määrä on 2 3 0,5 - 2,0 %, päästään Aniitin detonaationopeusalueelle, kun Fe^O^-määrä on 1-2 %, o hankausherkkyys on Aniitin luokkaa, eikä se 85-90 C lämpötilassa ole kriittinen ominaisuus, vedenkesto on Aniitin luokkaa ja lähtöainekustannussäästöt Aniittiin verrattuna ovat n. 10 %:n luokkaa.

12 71 923 1.7. Vertailukoe

Vertailukokeen tarkoituksena oli verrata keskenään rauta(III)oksidin ja rauta(III)sulfaatin vaikutus ammoniumnitraattia, trinitroltolu-eenia (TNT) ja vedenkestoa parantavia aineita sisältävien räjähdysaineiden räjähdysnopeuteen.

Laboratoriossa tehtiin sarja seoksia, joissa vedenkestoa parantavien aineiden ja TNT:n määrät pidettiin vakiona. Fe^O^jn määrä oli 1,5 paino-% (optimimäärä) ja Fe2(S04)3:n määrää vaihdeltiin välillä 0-2,5 paino-% ammoniumnitraattimäärän kustannuksella.

Näin valmistetut seokset patrunoitiin halkaisijaltaan 28 mm:n patruunoiksi. Patruunat käytettiin seosvaihtoehtojen räjähdys-nopeuden mittaukseen. Kokeet suoritettiin sivulla 5 esitetyllä tavalla.

Käytetty rauta (III)sulfaatti oli hienojakoista, J.T. Baker Chemicalsin laatua no 0123.

Käytetty rauta (III)oksidi oli Bayer AG:n Bayferrox-180.

TNT-määrä oli kaikissa seoksissa 15,7 paino-%.

Vedenkestoa parantavien aineiden osuus oli 2,0 paino-% kaikissa seoksissa.

Taulukossa 3 ovat käytettyjen seosten koostumukset ilmaistuna paino-%:eina.

Seoksissa 1-6 käytetään katalyyttinä Fe0(SO^)3.nH20:ta. Seoksessa 7 käytetään katalyyttinä Fe2C>3:a.

Taulukko 3. Koeseosten koostumus -- .. Seos | l i Lähtö- i aineet ^ 0 1 i 2 3 4 5 i 6 7 NH4N03 82,3 81,8 81,55 81,3 81,05 80,8 ! 79,8 8C,7 TNT 15,7 15,7 .15,7 |15,7 15,7 15,7 ! 15,7 15,7

Katalyytti 0 ’ 0,5 0,75! 1,0 1,25· 1,5 2,5 1,5 :Vedenestoaineet 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 13 71923

Taulukossa 4 on esitetty ko. koeseosten räjähdysnopeudet.

Taulukko 4. Koeseosten räjähdysnopeudet seos ~j 0 1 2 3 4 5 6 7 det'v. m/s m/s m/s m/s J m/s m/s m/s m/s 2766 2618 2740 2751 2528 2418 2350 2962 2751 2574 2724 2673 2642 2364 2299 2962 2801 2618 2594 2677 2710 2320 2347 2964

Keskiarvo: 2773 2603 2686 2700 2627 2367 2332 2963

Oheisessa kuviossa 1 on tulokset esitetty graafisesti.

Tulosten tarkastelut

Mikäli ammoniumnitraattia, trinitrotolueenia ja vedenestoaineita sisältävissä seoksissa käytetään katalyyttinä Fe^(SO^)2·nl^O:ta, on räjähdysarvon maksimi seoksella, jossa Fe2 (SO^ ) ^ * ni^O määrä on n. 1 paino-%.

Ko. maksimin arvo on kuitenkin alhaisempi kuin Fe2(SO^)^·nf^O:ta sisältämättömällä seoksella.

Näin ollen on rauta(III)sulfaatin käyttö täysin epämielekästä mahdollisimman korkean räjähdysnopeuden saavuttamiseksi.

Käytettäessä Fe2C>2:a saadaan rauta(III)oksidin optimiarvolla 1,5 paino-% korkeampi räjähdysnopeus kuin sitä sisältämättömällä seoksella ja näin ollen Fe20^:n käyttö em. seostvypin seoksissa on mielekästä räjähdysnopeuden nostamiseksi.

Claims (5)

71 923 1 4

1. Räjähdysaineseos, joka sisältää ammoniumnitraattia ja mahdollisesti muita vaikuttaja-aineita sekä mahdollisesti tavanomaisia lisäaineita, tunnettu siitä, että se sisältää katalyyttinä 1-2 % rautaoksidia seoksen kokonaispainosta laskettuna.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen seos, tunnettu siitä, että se vaikuttaja-aineena ammoniumnitraatin ohella sisältää trinitrotolueenia ja/tai dinitrotolueenia.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen seos, tunnettu siitä, että se lisäaineena sisältää vedenesto- ja liukastus-aineita.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen seos, tunnettu siitä, että katalyytti on ammoniumnitraatin pinnassa.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen seos, tunnettu siitä, että se ei sisällä polttoöljyä.