Капсюль-детонатор на основе бризантного взрывчатого вещества

 

Изобретение относится к средствам инициирования и может быть использовано при изготовлении безопасных капсюлей-детонаторов, электродетонаторов и других взрывных устройств, необходимых для проведения взрывных работ. Сущность изобретения заключается в том, что в капсюле-детонаторе, содержащем полый корпус с закрытым дном, в котором последовательно размещены: воспламенительный элемент, инициирующий и основной заряд, инициирующий заряд выполнен в виде отдельного унифицированного элемента (инициирующего, замедлительно-инициирующего). Инициирующий элемент содержит в своем составе первичный инициирующий заряд, который состоит из заряда крупнокристаллического бризантного взрывчатого вещества (БВВ) высокой плотности и заряда крупнокристаллического БВВ с плотностью не более 1,5 г/см³, и заряд вторичного инициатора, состоящий из БВВ с плотностью не более 1,3 г/см³. Заряд вторичного инициатора находится в дополнительной оболочке с отверстием со стороны первичного инициирующего заряда, входящий в промежуточную оболочку, в которой находится первичный инициирующий заряд. В качестве первичного инициирующего заряда взят крупнокристаллический гексоген или октоген с размером частиц более 200 мкм. Инициирующий элемент со стороны боевого заряда закрыт тонкостенной чашечкой и отделен от боевого заряда в гильзе капсюле-детонатора чашечкой с отверстием. Изобретение позволяет повысить безопасность работ при изготовлении изделий, надежность и безопасность при их эксплуатации. 10 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области создания средств инициирования и может быть использовано при изготовлении безопасных капсюлей-детонаторов (КД), электродетонаторов (ЭД) и других взрывных устройств, необходимых для проведения взрывных работ в горнорудной, угледобывающей, нефтедобывающей и других отраслях промышленности.

В настоящее время выпускаемые отечественной промышленностью КД ГОСТ 6254-85 и ЭД ДИШВ. 773951.300 ТУ содержат в своем составе инициирующие взрывчатые вещества (ИВВ), что делает их производство и использование небезопасным из-за высокой чувствительности ИВВ к механическим воздействиям.

Известен КД (патент РФ N 2104466, кл. F 42 B 3/10, F 42 C 19/08 от 12.01.96), где ИВВ заменено на ВВ переходного типа "ЦИРКОН" (комплексное соединение соли кадмия - трискарбодигидразидперхлорат Cd (II)). Однако этот детонатор также обладает, хотя и меньшей чувствительностью к механическим воздействиям, чем КД на основе ИВВ, но гораздо большей, чем КД, снаряженные одним бризантным ВВ (БВВ), не содержащие в своем составе ИВВ. К недостаткам такого КД следует также отнести сложность технологии получения исходных компонентов для производства "ЦИРКОНА" и, соответственно, более высокую стоимость его по сравнению со штатными БВВ. Кроме того, использование в качестве инициатора в КД "ЦИРКОНА" приводит к образованию в продуктах взрыва высокотоксичных соединений кадмия.

Известен ЭД (патент США N 3978791, кл. F 42 B 3/12, 1976) на основе бризантного ВВ, содержащий полый корпус, в котором последовательно расположены воспламенительный элемент (электровоспламенитель), инициирующий заряд из БВВ, жестко закрепленная в корпусе перегородка (мембрана), перекрывающая направляющий канал, и инициируемый заряд БВВ высокой плотности, расположенный в конце канала. Принцип работы КД основан на том, что после срабатывания воспламенителя зажигание инициирующего заряда БВВ приводит к росту давления в камере, достаточному для вырубания и метания части перегородки (мембраны), ее разгону в направляющем канале корпуса и удару о заряд высокоплотного БВВ, что обеспечивает инициирование детонации и заряде БВВ. Недостатками этой конструкции является низкая надежность возникновения детонации после метания из-за непредсказуемого характера соударения перегородки с инициируемым зарядом БВВ. Недостатком также является сложность снаряжения и конструкции изделия.

Известно детонирующее устройство на основе БВВ (пат. Россия N 2089828, кл. F 42 В 3/20, 30.01.95), которое содержит корпус с размещенными в нем воспламенительным элементом и промежуточной оболочкой, в которой размещены инициирующий и инициируемый заряды.

Сущность изобретения состоит и том, что инициирующий заряд БВВ помещен в дополнительную оболочку, размещенную частично или полностью в промежуточной оболочке и выполненную с отверстием со стороны воспламенительного элемента.

Недостатком данного изобретения является использование толстостенной дополнительной оболочки толщиной 2.5 мм сложной формы. Кроме того, в качестве инициирующего заряда использовано дорогостоящее БВВ бис-тринитроэтилэтилендинитрамин (вещество "H") в смеси с алюминиевым порошком или смесь ТЭНа с алюминиевым порошком. Данные смеси обладают повышенной чувствительностью к механическим воздействиям по сравнению со штатными БВВ, введение алюминиевого порошка в состав ВВ усложняет технологию изготовления.

Известны детонаторы (согласно патентам РФ N 2095734, F 42 B 3/10 от 24.04.96 и N 2113685, F 42 B 3/10 от 13.03.97), где отсутствуют ИВВ. Существенным отличием этих КД является то, что инициирующий заряд (первичный инициирующий заряд) из пентаэритриттетранитрата (ТЭН) выполнен с осевым каналом, который заполнен воспламенительным составом, причем в качестве воспламенительного состава использован состав с детонирующими свойствами, а в качестве промежуточного и основного заряда использован ТЖ.

Следует отметить, что снаряжение такого детонатора достаточно трудоемкий и трудно контролируемый процесс, что значительно осложняет технологию снаряжения. Кроме того, в качестве воспламенительного состава используются смеси ТЭНа с воспламенительными составами (смесь ТЭНа с тонкодисперсным цирконием и перхлоратом калия), которые обладают высокой чувствительностью к механическим воздействиям, трудоемкой и опасной технологией приготовления таких смесей, или смеси на основе тонкодисперсного карбонильного гексогена, которые являются дорогостоящими (требуют специальной технологии получения).

Наиболее близким к заявляемому детонатору является детонатор без первичного ВВ (патент СССР N 1521291, кл. F 42 B 3/10, 1989). Капсюль-детонатор содержит корпус с закрытым дном, в котором последовательно размещены воспламенительный элемент, промежуточная оболочка, содержащая инициирующий заряд из бризантного ВВ и перегородку в виде чашечки, и инициируемый заряд БВВ, состоящий из двух частей: промежуточный, плотность которого меньше плотности инициирующего наряда ВВ, и основной высокоплотной части заряда. При срабатывании воспламенительного элемента (ЭВ, ударно-волновой трубки) загорается инициирующий заряд, давление газов в промежуточной оболочке повышается с образованием слабой ударной волны, которая, наталкиваясь на перегородку, становится достаточной для обеспечения ускоренного перехода горения в низкоплотном промежуточном заряде в детонацию, которая вызывает детонацию основного наряда.

Недостатками данной конструкции является сложность технологии изготовления детонатора, обусловленная необходимостью изготовления высокодисперсного сыпучего бризантного ВВ (ТЭHa, гексогена) с удельной поверхностью 5000- 7000 см²/г, обеспечение очень жестких требований по плотности при снаряжении промежуточного наряда (0,8-1,1 г/см³), изготовления и установки в промежуточную оболочку перегородки сложной формы, изготовления сложного элемента для снаряжения замедляющего состава.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности, технологичности и безопасности КД. Техническим регулятором изобретения является упрощение технологии изготовления КД путем исключения высокодисперсных БВВ из конструкции, использование штатных (не дефицитных продуктов) и элементов конструкции, пригодных для серийного производства на действующих технологических линиях производств России, создание унифицированных инициирующих и замедлительных узлов, повышение надежности и безопасности работы изделия.

Настоящая цель достигается тем, что в предлагаемом изобретении: капсюль-детонатор на основе бризантного взрывчатого вещества содержит полый корпус с закрытым дном, в котором размещены основной заряд из бризантного взрывчатого вещества, промежуточная оболочка с инициирующим и инициируемым зарядом из вторичного взрывчатого вещества, воспламенительный элемент, в торце промежуточной оболочки со стороны воспламенительного элемента выполнено отверстие. Отличается от известного тем, что инициирующий заряд выполнен в виде отдельного унифицированного элемента, который содержит в своем составе первичный инициирующий заряд, который состоит из заряда крупнокристаллического бризантного взрывчатого вещества высокой плотности и заряда крупнокристаллического бризантного взрывчатого вещества меньшей плотности, и заряд вторичного инициатора, состоящий из бризантного взрывчатого вещества с плотностью не более 1,3 г/см³, находящийся в дополнительной оболочке с отверстием со стороны первичного инициирующего заряда, входящий в промежуточную оболочку.

В качестве первичного инициирующего заряда может быть взят крупнокристаллический гексоген или октоген с размером частиц более 200 мкм.

Унифицированный элемент со стороны основного заряда закрыт тонкостенной чашечкой.

Унифицированный элемент отделен от основного заряда чашечкой с отверстием, причем отношение диаметра отверстия к диаметру основного заряда равно 0,39-0,63.

В качестве вещества меньшей плотности первичного инициирующего заряда используется крупнокристаллический гексоген или октоген с плотностью не более 1,5 г/см³, а отношение высоты заряда к его диаметру должно быть не менее 0,9.

В качестве заряда вторичного инициатора используется ТЭН или октоген, или гексоген, или их смеси.

Отношение площади поперечного сечения отверстия в дополнительной оболочке к площади поперечного сечения заряда вторичного инициатора, снаряженного в дополнительную оболочку, составляет 0,35-0,65.

В унифицированном элементе над первичным инициирующим зарядом помещен воспламенительный состав и (или) замедлительный состав.

В унифицированном элементе после замедлительного состава или частично в качестве его помещен зажигательный шлакообразующий состав следующей рецептуры: Кремний - 45 ± 5% Свинцовый сурик - 55 ± 5% Унифицированный элемент выполнен в виде двух отдельных элементов: замедлительного и инициирующего и над унифицированным элементом помещена втулка или чашечка, по которой произведен обжим гильзы капсюля-детонатора.

В отличие от прототипа, где используется высокодисперсный ТЭН или гексоген с высокой удельной поверхностью, в данной конструкции применен крупнокристаллический октоген, гексоген (предпочтительно) или ТЭН.

Как известно из литературы (Беляев А.Ф., Боболев В.К., Коротков А.И., Сулинов А.А., Чуйко С.В. "Переход горения конденсированных систем во взрыв". - М. : Наука, 1973, С. 138) в области малых давлений до 100-300 кгс/см² у бризантных ВВ (ТЭН, гексоген, октоген и др.) в начале наблюдается устойчивое послойное горение, скорость которого почти не зависит от плотности и линейно растет с давлением. При достижении критического давления (критическое давление срыва) происходит резкое увеличение скорости горения и возникает конвективный режим, характерной особенностью которого является сильная зависимость скорости горения от давления. По мере увеличения скорости процесса возрастает интенсивность волн сжатия, движущихся впереди фронта воспламенения. Использование крупнокристаллических продуктов (БВВ) на начальной стадии развития процесса взрывчатого превращения является более эффективным, поскольку увеличение размера частиц при постоянной плотности приводит к существенному снижению критического давления срыва и переходу к конвективному или взрывному горению с образованием волн сжатия. Критическое давление срыва зависит от относительной плотности бризантного ВВ, возрастает с ее увеличением, а также от размера частиц. Чем меньше при данной относительной плотности частицы, тем выше критическое давление. Время нормального горения (время перехода к конвективному горению) гексогена и октогена в несколько раз меньше, чем ТЭНа при одинаковом размере частиц и плотности. Это различие обусловлено меньшей скоростью горения ТЭНа, а также значительно меньшим давлением, обусловленным большими теплопотерями (Теория взрывчатых веществ / Сб. под ред. К.К.Андреева. Выпуск 53. - М.: Высш. шк., 1973, С. 138). Использование высокодисперсного высокоплотного ТЭНа на начальных стадиях развития процесса горения является менее эффективным, поскольку приводит к увеличению участка горения до срыва во взрывное горение. Более эффективным является использование высокодисперсного ТЭНа, гексогена на второй стадии развития процесса, поскольку они обладают пониженным критическим давлением инициирования детонации и меньшим критическим диаметром детонации по сравнению со штатными продуктами, однако, они более дорогостоящие продукты. Анализ экспериментальных данных показывает, что надежное инициирование детонации заряда вторичного инициатора, помещенного в дополнительную оболочку, возможно только при плотности крупнокристаллического гексогена или октогена не более 1,5 г/см³ и при отношении высоты заряда к его диаметру не менее 0,9. Высота заряда вторичного инициатора, помещенного в дополнительную оболочку, зависит от БВВ (ТЭН, октоген, гексоген) и размера частиц. Для ТЭНа и октогена с размером частиц от 60 до 200 мкм необходимая длина заряда должна быть не менее 15 и 20 мм соответственно и плотность не более 1,3 г/см³.

На фиг. 1 изображено сечение предлагаемого детонатора. Капсюль-детонатор состоит из гильзы 1, унифицированного элемента 2, основного, заряда 3 и электровоспламенителя 5. Унифицированный элемент 2 состоит из заряда высокоплотного гексогена (октогена) 6 (ρ ≈1,6 г/см³), заряда крупнокристаллического гексогена (плотностью 1,0-1,45 г/см³) - 7, заряда вторичного инициатора (ТЭН плотностью 1,0-1,25 г/см³) - 8, запрессованного в дополнительной оболочке 10 с отверстием и промежуточной оболочки 9 с отверстием.

Для повышения технологичности изготовления и надежности работы капсюля-детонатора унифицированный элемент 2 со стороны заряда вторичного инициатора закрыт тонкостенной чашечкой 11 (фиг. 4), а основной заряд 3 отделен от унифицированного элемента 2 чашечкой 4 с отверстием. КД в разрезе показан на фиг. 2, его составные элементы на фиг. 3, 4.

Чашечка 4 выполняет две функции: во-первых, при снаряжении КД (при досылке унифицированного элемента 2 в гильзу 1 с основным зарядом 3) она предотвращает возможную перепрессовку заряда вторичного инициатора 8; во-вторых, усиливает инициирующую ударную волну, что облегчает условия возбуждения детонации в основном заряде. Тонкостенная чашечка 11 в унифицированном элементе 2, закрывающая заряд вторичного инициатора 8, выполняет не только технологическую функцию, но также в сочетании с чашечкой 4 за счет отраженной ударной волны обеспечивает надежность перехода горения в детонацию в заряде 8.

В унифицированном элементе 2 поверх заряда гексогена или октогена можно запрессовывать как воспламенительный, так и замедлительный и зажигательный составы. На фиг.5 показан разрез унифицированного элемента 2 (замедлительного и инициирующего), входящего в состав капсюля-детонатора, показанного на фиг. 6. КД состоит из гильзы 1, унифицированного элемента 2, основного заряда 3, чашечки 4 и воспламенительного элемента (ударно-волновой трубки) 5. Унифицированный элемент 2 (фиг.5) состоит из воспламенительного состава 12, замедлительного состава 13, заряда крупнокристаллического гексогена или октогена высокой плотности 6, заряда гексогена крупнокристаллического 7 с плотностью до 1,45-1,5 г/см (подсыпка), снаряженных в промежуточную оболочку 9, и заряда вторичного инициатора 8, снаряженного в дополнительную оболочку 10, которая находится в промежуточной оболочке 9 и тонкостенной чашечке 11.

На фиг. 7 изображен разрез КД сборной конструкции, который в отличие от вышеприведенных конструкций имеет дополнительно отдельный замедлительный элемент 15, и обжимную втулку 16. Замедлительный элемент 15 состоит из воспламенительного состава 12, замедлительного состава 13, запрессованных в колпачок 14 (фиг. 8).

Для предотвращения возможного движения замедлительного элемента 15 в гильзе 1 капсюля-детонатора при горении замедлительного состава, что может влиять как на точность времени замедления работы КД, так и на надежность перехода горения в детонацию в инициирующем элементе, сверху над замедлительным элементом 15 помещается втулка или чашечка 16 высотой не более 5 мм, по которой производится обжим гильзы 17, что предотвращает возможное движение замедлительного элемента.

В тех случаях, когда замедлительный состав не обеспечивает на поверхности первичного инициатора (гексогена, октогена) достаточно высоких температур и давления с длительностью, необходимой для начала интенсивного горения инициирующего заряда, между замедлительным составом и первичным инициатором помещается зажигательный состав, например кремний - свинцовый сурик - 15/85 или 45/55 в зависимости от физико-химических характеристик замедлительного состава. Также он может частично входить в состав замедлительного элемента и (или) инициирующего элемента.

Вариант конкретного выполнения КД, показанный на фиг. 2. КД состоит из биметаллической гильзы с внутренним диаметром 6,4 мм длиной 70 мм с толщиной стенки 0,3 мм, куда запрессован основной заряд из гексогена массой 1 г под давлением 1000 кгс/см², прессование проводится в два приема, второе прессование вместе со стальной чашечкой 4. В качестве воспламенительного элемента использован стандартный электровоспламенитель с жестким креплением мостика. Промежуточная оболочка 9 инициирующего элемента представляла из себя стальной колпачок с наружным диаметром 6,4 мм, длиной 24 мм с толщиной стенки 0,6 мм, выполненная с отверстием со стороны воспламенительного элемента, где расположен заряд первичного инициатора. Дополнительная оболочка, входящая в промежуточную оболочку, изготовлена из стали с наружным диаметром 5,25_-0,05 мм, длиной 17 мм с отверстием со стороны первичного инициатора и снаряжена ТЭНом (ρ = 1,2 г/см³). Чашечка 11, закрывающая заряд вторичного инициатора, выполнена из алюминия с толщиной донышка 0,1 мм. Первичный инициирующий заряд состоял из 0,05 г крупнокристаллического гексогена (ρ ≈ 1,6 г/см³) 6 и 0,150-0,160 г крупнокристаллического гексогена 7 (подсыпки), запрессованного вместе с дополнительной оболочкой до плотности 1,4-1,45 г/см³. Заряд вторичного инициатора, запрессованный в дополнительную оболочку 10, до плотности 1,2-1,25 г/см³ состоял из штатного ТЭНа.

КД работоспособен в широком интервале отношения площади поперечного сечения отверстия в дополнительной оболочке (S₁) к площади поперечного сечения вторичного инициатора (S₂). Примеры конкретного выполнения вторичного инициатора, снаряженного ТЭНом в дополнительную оболочку с разным внутренним диаметром и диаметром отверстия в дополнительной оболочке, приведены в таблице.

Вариант 2 конкретного выполнения КД отличался от варианта 1 тем, что вместо крупнокристаллического гексогена использовался крупнокристаллический октоген, как в первичном инициирующем заряде, так и во вторичном инициаторе инициирующего элемента. В качестве вторичного инициатора, снаряженного в дополнительную оболочку, использован октоген с размерами частиц 60-200 мкм, при этом длина дополнительной оболочки составляла 24 мм.

Вариант 3 конкретного выполнения КД (см. фиг. 6) с замедлением. В качестве воспламенительного состава использован состав кремний - двуокись свинца 0,2 г, а замедлительного ферросиликохром - свинцовый сурик 0,6 г. В качестве воспламенительного элемента использована ударно-волновая трубка.

Использование различных замедлительных составов в сочетании с зажигательным составом согласно конструкции фиг. 6 позволяет получать времена замедления от 5 мс до 10000 мс.

КД, представленный на фиг. 1, 2, работает следующим образом. При срабатывании воспламенительного элемента 5 газообразные продукты через отверстие в промежуточной оболочке 9 воспламеняют первичный инициирующий заряд 6, который в свою очередь воспламеняет заряд 7, горение которого при нарастающем давлении переходит в конвективное горение, особенностью которого для пористых конденсированных систем является передача тепла из зоны горения к конденсированному веществу в результате опережающей фронт химической реакции фильтрации продуктов горения в поры образца, что приводит к объемному горению. Проходя через отверстие в дополнительной оболочке 10, продукты сгорания приобретают ускорение, в результате чего создается ударная волна, которая инициирует заряд вторичного инициатора 8, детонация возникает на расстоянии до 10-15 мм во вторичном заряде ТЭНа. Чашечка 4 повышает надежность возникновения детонации за счет отраженной слабой ударной волны, идущей впереди фронта горения (низкоскоростного режима детонации), которая, складываясь при отражении, создает необходимое условие возникновения детонации (повышает давление во фронте ударной волны до критического давления инициирования).

КД, представленный на фиг. 6, 7, работает аналогичным образом, за исключением того, что воспламенение первичного инициирующего заряда 6 (фиг. 5) идет от замедлительного состава.

Следует также отметить, что заявляемая конструкция КД является более безопасной (менее чувствительной к механическим воздействиям) к удару, чем прототип, так как первичный инициирующий заряд состоит из гексогена или октогена, которые являются менее чувствительными к удару, чем ТЭН. В случае удара по вторичному инициатору, находящемуся в дополнительной оболочке, возникновение детонации становится маловероятным из-за нарушения конструкции (идет выгорание).

Формула изобретения

1. Капсюль-детонатор на основе бризантного взрывчатого вещества, содержащий полый корпус с закрытым дном, в котором размещены основной заряд из бризантного взрывчатого вещества, промежуточная оболочка с инициирующим и инициируемым зарядом из вторичного взрывчатого вещества, воспламенительный элемент, в торце промежуточной оболочки со стороны воспламенительного элемента выполнено отверстие, отличающийся тем, что инициирующий заряд выполнен в виде отдельного унифицированного элемента, который содержит в своем составе первичный инициирующий заряд, который состоит из заряда крупнокристаллического бризантного взрывчатого вещества высокой плотности и заряда крупнокристаллического бризантного взрывчатого вещества меньшей плотности, и заряд вторичного инициатора, состоящий из бризантного взрывчатого вещества с плотностью не более 1,3 г/см³, находящийся в дополнительной оболочке с отверстием со стороны первичного инициирующего заряда, входящий в промежуточную оболочку.

2. Капсюль-детонатор по п.1, отличающийся тем, что в количестве первичного инициирующего заряда взят крупнокристаллический гексоген или октоген с размером частиц более 200 мкм.

3. Капсюль-детонатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что унифицированный элемент со стороны основного заряда закрыт тонкостенной чашечкой.

4. Капсюль-детонатор по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что унифицированный элемент отделен от основного заряда чашечкой с отверстием, причем отношение диаметра отверстия к диаметру основного заряда равно 0,39 - 0,63.

5. Капсюль-детонатор по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что в качестве вещества меньшей плотности первичного инициирующего заряда используется крупнокристаллический гексоген или октоген с плотностью не более 1,5 г/см³, а отношение высоты заряда к его диаметру должно быть не менее 0,9.

6. Капсюль-детонатор по любому из пп.1, 2, 5, отличающийся тем, что в качестве заряда вторичного инициатора используется ТЭН, или октоген, или гексоген, или их смеси.

7. Капсюль-детонатор по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что отношение площади поперечного сечения отверстия в дополнительной оболочке к площади поперечного сечения заряда вторичного инициатора, снаряженного в дополнительную оболочку, составляет 0,35 - 0,65.

8. Капсюль-детонатор по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что в унифицированном элементе над первичным инициирующим зарядом помещен воспламенительный и(или) замедлительный состав.

9. Капсюль-детонатор по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что в унифицированном элементе после замедлительного состава или частично в качестве его помещен зажигательный шлакообразующий состав следующей рецептуры: кремний - 45 ± 5%, свинцовый сурик - 55 ± 5%.

10. Капсюль-детонатор по п.8 или 9, отличающийся тем, что унифицированный элемент выполнен в виде двух отдельных элементов: замедлительного и инициирующего.

11. Капсюль-детонатор по п.10, отличающийся тем, что над унифицированным элементом помещена втулка или чашечка, по которой произведен обжим гильзы капсюля-детонатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9