A ROBBANÓANYAGOK KEZELÉSBIZTOSSÁGÁRÓL Dr. BOHUS Géza*, BŐHM Szilvia* * Miskolci Egyetem, Bányászati és Geotechnikai Tanszék ABSTRACT By emitted blasting materials, treatment-safeness is required. These obviously simply assumptions are depended on a lot of conditions. We would like to call the attention to some important blasting-physical coherence regarding to treatment-safeness in this short -but not full- paper. 1. BEVEZETÉS Egy robbantástechnikai feladat elvégzéséhez szükséges robbanóanyagok kiválasztása rendkívül gondos körültekintést igénylő feladat. A legfontosabb követelmények a robbanóanyagokkal szemben: Elegendő energiájuk és teljesítményük legyen a szükséges hatás biztosítására. Érzékenységük külső hatásokkal szemben jól definiált határok között legyen, egyrészt a kezelés biztossága, másrészt a könnyű iniciálhatóság céljából. Meghatározott ideig tartó tárolásuk alatt kémiai, fizikai és robbantástechnikai tulajdonságaik ne változzanak. Előállításuk nyersanyagai hozzáférhetők, gyártásuk biztonságos és gazdaságos legyen, alkalmazásuk során megfelelő teljesítményűek legyenek. Megfelelő fizikai tulajdonságúak legyenek. A robbanóanyagok legfontosabb jellemzői: érzékenység; detonációátadó képesség; detonációsebesség; stabilitás; oxigénegyenleg; robbanáshő; robbanási hőmérséklet; robbanási nyomás; brizancia; munkavégző képesség; a robbanási termékek mérgezőgáz-tartalma. 2. ÉRZÉKENYSÉG Kezelésbiztosság: A robbanóanyagok és a robbantószerek tűrőképessége a szállítás, tárolás és felhasználás során fellépő igénybevételekkel szemben. A kezelésbiztos robbanóanyag a szállítás, tárolás és felhasználás során a durva hatásokat elkerülve, a forgalmazó utasításait betartva, biztonságosan kezelhető robbanóanyag. - 1 -
Ütésérzékenység: A robbanó anyagok mechanikai hatások iránti érzékenységének kifejezője. Az adott robbanóanyag hatályos műszaki követelményében meghatározott tömegű és kialakítású ütőkalapács használata esetén a megengedett tűréssel megadott átlagmagasság m- ben, amelynél a le-fel módszer szerint végzett vizsgálattal a berobbanás valószínűsége közelít az 50%-hoz. A le-fel módszer szerinti vizsgálat az a vizsgálat, amellyel legalább 26 ejtésből meghatározható az adott robbanóanyag 50%-os berobbanási valószínűségéhez közelítő ejtési magasság, valamint a legkisebb ejtési magasság. A robbanóanyag felrobbanásának az előírt vizsgálati körülmények közötti bekövetkezését, a szabadon eső test tömegével és az esés magasságával jellemezhető mérőszám mutatja. Az ütésérzékenységet ún. ejtőkészülékkel határozzák meg, ami függőleges helyzetben rögzített két párhuzamos irányítósínből áll. A vezetősínek között szabadon csúszik az 1, 2, 5 vagy 10 kg-os acélsúly, aminek fejrészét rugós kapcsoló rögzít. A vizsgálandó robbanóanyagot a készülék talpazatán megfelelő hengeres furatba helyezik el, majd a furatra megfelelő acélból készült üllő kerül, amelyre megfelelő magasságból esik rá az ejtőkalapács. A legkisebb magasság öt egymás utáni ejtés során biztos robbanást idéz elő és megállapítják azt a legnagyobb magasságot is, amelyről öt egymást követő ejtés robbanást még nem idéz elő. Az ütés, illetve az ejtési érzékenység a két érték számtani középarányosa. Az ütésérzékenység vizsgálat alapján a robbanóanyagok kezelésbiztosság szempontjából az alábbi osztályokba sorolhatók: 1. osztály: ütésre érzéketlen robbanóanyagok; ütési energiájuk: >30 J 2. osztály: ütésre mérsékelten érzékeny robbanóanyagok; ütési energiájuk: 20-30 J 3. osztály: ütésre érzékeny robbanóanyagok; ütési energiájuk: 5-20 J 4. osztály: ütésre fokozottan érzékeny robbanóanyagok; ütési energiájuk: <5 J 3. A ROBBANÓANYAGOK ÉGÉSÉNEK ÉS ROBBANÁSÁNAK GERJESZTÉSE 3.1. Az indító impulzus és a robbanóanyagok érzékenysége A robbanóanyagra olyan hatást kell gyakorolni, amely képes robbanást előidézni. Az ilyen hatást nevezzük indító impulzusnak. Különböző robbanóanyagoknak más és más az érzékenysége a külső behatásokkal szemben. Az érzékenység a robbanóanyagok reagáló képessége a külső hatásokra égés vagy robbanás keletkezésével. A robbanóanyag érzékenységét az indító impulzus minimális nagyságával jellemzik, amely ahhoz szükséges, hogy a robbanóanyagban a robbanási folyamat meginduljon. Az előállítás, a szállítás és a felhasználás folyamatában elkerülhetetlen, hogy a robbanóanyagot lökés, vagy ütés ne érje. Az iparban és a haditechnikában azokat az anyagokat használják, melyek viszonylag alacsony érzékenységűek a hő- és az ütés iránt, és rendszerint meggyújtva sem robbannak. Egyes esetekben szükség szokott lenni az érzékenység csökkentésére, azaz flegmatizálására, vagy az érzékenység növelésére, ez a robbanóanyag szenzibilizálása. 3.2. A robbanás gerjesztésének indító impulzusa és mechanizmusa A robbanás gerjesztésére különböző hatásokat lehet felhasználni: hő, mechanikus, elektromos, kémiai, robbanó, sugárzó. A robbanóanyagok különbözőképpen érzékenyek a behatás egyes - 2 -
formái iránt. Az energia befogadási képesség a különféle robbanóanyagoknál különböző, a fizikai tulajdonságaiktól és azoktól a feltételektől függ, melyek között a hatás történik. Az iniciáló robbanóanyagok könnyen gerjeszthetők a legkülönfélébb impulzusokkal. Hőimpulzussal nehezen hozható létre kis méretek esetén a szekunder robbanóanyagok detonációja. A nem illó és nem olvadó robbanóanyagok felmelegítésekor az egész bevitt hőenergia elfogy a hőmérséklet emelésére. Ha hőt vezetünk az illó robbanóanyaghoz, akkor a forráspont elérésénél a további hőmérsékletemelkedés megáll addig, míg az egész anyag át nem alakul párává. Ha ugyanezt az illó robbanóanyagot magas nyomás alatt hevítjük, akkor a forráspont emelkedik, a robbanóanyag átmenetele gőzhalmazállapotba megnehezül és a belevitt energia nagyobb fokban használódhat fel a molekulák aktiválására. A sugárzó energia hatásának eredménye függeni fog a robbanóanyag elnyelési együtthatójától a spektrum adott területén és azon kívül, az adott hosszúságú hullám fénykvantumának nagysága és a robbanóanyag átalakulási reakciójának aktiválási energiája közötti viszonytól. Ütés esetében az a mechanikus energiarész, amelyet az anyag elnyelt, nagyon különböző lehet a robbanóanyag tulajdonságaitól és az ütés körülményeitől függően. Különbségek mutatkoznak meg az iniciáló és a szekunder robbanóanyagok között mechanikai behatásokkal szemben. Lényeges, hogy miként oszlik el az elnyelt energia. Egyenletes eloszlása káros a robbanás gerjesztésére. Előnyös, ha az előidézett reakció fejlődése nyomás alatt megy végbe, ez elősegíti az égés és a robbanás keletkezését. A meghatározott energiamennyiségnek a robbanóanyagba való bevitelekor az anyag által való elnyelésének foka és benne való eloszlásának jellege nagy mértékben függhet a robbanóanyag tulajdonságaitól és a feltételektől, amelyek között a hatás történik. A különböző robbanóanyagoknál a behatás körülményei sem mindig egyenlők, amivel magyarázható a robbanóanyag érzékenységének különböző jellege. Ha megváltoztatjuk a hatás feltételeit, megfelelően meg lehet változtatni a robbanóanyagoknak mind az abszolút, mind a viszonylagos érzékenységét, vagyis helyzetét az érzékenységi skálában az impulzus adott formája iránt. A gyakorlatban munkavégzésre használt robbanóanyagok általában szekunder típusúak, amelyek detonációjának előidézése, pl. hőimpulzussal nagyon nehéz. Kellő erősségű lökéshullám közlésével a felszabaduló energia elegendő a detonáció kialakítására, ugyanis a lökéshullám még áthaladása alatt képes annyi molekulát aktiválni, amely a hatást kiváltja. A robbanóanyagban a lökéshullám és a detonáció együtt jelentkezik. A kezdő impulzus különböző formái abban is különböznek, hogy a kémiai átalakulás melyik formája zajlik le a robbanóanyagban. A gyújtóláng mindig először a robbanóanyag folyamatos vagy nem folyamatos égését indítja meg, amely azután robbanásba megy át. Az indító impulzus alapvető formái a következők: hőimpulzus (robbanóanyag melegítése és meggyújtása); mechanikai impulzus (ütés és dörzsölés); megrázkódtatás a kilövéskor és akadályba ütközéskor; robbantó impulzus; ionok, elektronok, neutronok, atommaghasadási termékek és ultrahang hatása robbanóanyagra. - 3 -
4. A ROBBANÓANYAG ÁTALAKULÁS KIVÁLTÁSA HŐIMPULZUSSAL 4.1. A robbanóanyag fellobbanásának kialakulása állandó hőmérsékleten és lassú felmelegítésnél Amennyiben a robbanóanyagot egy állandóan vagy lassan növekvő hőmérsékletű hőszabályozóba helyezzük, akkor bizonyos idő múlva megfigyelhető a lángralobbanás. A termosztátnak azt a legalacsonyabb hőmérsékletét, amelynél a lángralobbanás bekövetkezik, az anyag elpuffanási pontjának nevezik. Ez a hőmérséklet a robbanóanyagnak a melegítéssel szembeni érzékenységét mutatja. Az elpuffanási pont az a legalacsonyabb hőmérséklet, amely felett a hőtermelés görbéje a robbanóanyag exoterm átalakulásának eredményeként felülmúlja a hőleadás egyenesét. Az elpuffanási hőmérséklet függ a töltet méreteitől is. A hőtermelés a robbanóanyag térfogatával arányos, a hőleadás pedig a felületével. A felület és a térfogat aránya annál nagyobb, minél kisebb a töltet adott alakjánál a robbanóanyag mennyisége. Az elpuffanási hőmérsékletre hatással van a felhevítés sebessége is. Ha lassan hevítjük a robbanóanyagot, akkor a lobbanás alacsonyabb hőmérséklet mellett keletkezik. Ebben az esetben a hevítési idő növekedésekor egy bizonyos adott hőmérsékletig a szétesési reakció nagy mértékben mehet végbe, magasabb lesz a szétesési termékek koncentrációja, amelyek meggyorsítják a reakciót és megfelelően nagyobb az utóbbinak a sebessége. Ha azonban túl lassan végezzük a melegítést, akkor megtörténhet, hogy egyáltalán nem jön létre lobbanás, minthogy a robbanóanyag nagy része alacsony hőmérsékletű területen bomlik szét. Magas hőmérséklet elérésénél a robbanóanyag mennyisége már olyan kicsi lesz, hogy már nincs mi robbanjon. A robbanóanyagok elpuffanási hőfoka nem állandó érték, hanem több tényezőtől függ, melyek befolyással vannak a hőleadásra és a reakció sebességére. 4.2. Robbanóanyag égésátvitele meggyújtásnál (A robbanóanyag gyúlékonysága) Ha az illó robbanóanyag felületéhez lángot viszünk, akkor hőmérséklete gyorsan fog emelkedni és hamarosan el fogja érni a forráspontot, gőzök képződnek. További hevítés a gőzök meggyulladására vezet, a gőzök égésétől fog kezdődni a robbanóanyag égése. A robbanóanyag felületi rétegének hőmérsékletét a külső láng eltávolítása után két folyamat fogja meghatározni, a meggyulladt gőzök által bevitt hő és a hőelvezetés az anyag belsejébe. A robbanóanyag gyúlékonyságának mértéke a robbanóanyagba bevitt áttüzesedett réteg előállításához szükséges hőmennyiség. Minél kisebb ez a mennyiség, annál könnyebben gyullad meg a robbanóanyag, annál nagyobb a gyúlékonysága. 5. ROBBANÁSI FOLYAMATOK GERJESZTÉSE MECHANIKUS IMPULZUSSAL A robbanás keletkezésének mechanizmusa ütésnél és dörzsölésnél A leghelytállóbb elmélet a helyi felhevülések elmélete, amelyek a robbanóanyagban dörzsölés és ütés hatására keletkeznek. Ha a felhevülési gócok és a bennük elért hőmérséklet elég nagy, akkor a robbanóanyag meggyulladása következik be. A megindult égés átmehet robbanásba. - 4 -
Felhevülési gócok képződésének útjai a robbanóanyagra gyakorolt mechanikus hatásnál A felhevülési gócok keletkezésének mechanizmusai különbözőek lehetnek. Az alapvetők a következők: 1. Súrlódás a robbanóanyag részecskéi vagy rétegei között egymásközt való keveredésükkor, amelyet normális vagy csúszó ütéssel idéznek elő. 2. Súrlódás szilárd fém felületek között, amelyek között vékony robbanóréteg van, a fém felhevülése, amelyet ez a súrlódás idézett elő, kiváltja a robbanóanyag felhevülését. 3. A súrlódás a szilárd és a nehezen olvadó részecskék között, ha ilyenek vannak a robbanóanyagban, amelyet normális vagy súrlódó ütés idézett elő. A felhevülések keletkezhetnek az említett részecskéknek a fémhez való súrlódásától is. A részecskék felhevülése idézi elő a robbanóanyagok felmelegedését. 4. A robbanóanyagban lévő gáz vagy gőzbuborékok összepréselése, a robbanóanyagnak ütéssel történő összenyomásakor. Felhevülési gócok keletkezése a robbanóanyag részecskéi vagy rétegei közötti súrlódás miatt a súrlódás folyamán. Az üllő és az ütőszerkezet sima felületei között lévő vékony robbanóanyagrétegnek ütéssel való felrobbantásánál a robbanás kifejlődése több fokozatban történik. Első a robbanóanyag összepréselése. Abban az esetben, ha az összepréselés elég nagy mértékű, de nem minden oldalról történik, akkor a robbanóanyagnak van hova folynia, bekövetkezik a megömlés. Nem mozdulnak el az anyagnak azon rétegei, amelyek az üllővel és az ütőszerkezettel érintkeznek. A leggyorsabban a tőlük legtávolabb fekvő réteg mozog. A különböző folyási sebesség miatt a robbanóanyag rétegei között súrlódás keletkezik, ebből következően felhevülés is. Ott keletkezik a legnagyabb felhevülés, ahol legnagyobb a folyási sebességek közötti különbség. A folyási sebesség különbsége mellett, a felhevülés nagyságát meghatározza a robbanóanyag belső súrlódásának koefficiense is, amely maga részéről függ a nyomástól és annak növekedésével együtt növekszik. A mechanikus hatások iránti érzékenység csökkentésére gyakran használnak parafint és más hozzá hasonló anyagokat, amelyek bevonják a robbanóanyag kristályait inert hártyával, és csökkentik a súrlódást köztük. Abban az esetben, ha az elegyben cseppfolyós részek vannak, akkor a súrlódás csökken, ugyanis ez nagy mértékben befolyásolja a belső súrlódási együtthatót. A robbanóanyag érzékenysége emelkedik, ha ez a csökkenés elősegíti a gyulladási gócok keletkezését. A robbanóanyagban az ütés folytán keletkezett nyomás tartóssága és az égés gyorsasága nagymértékben befolyásolják az érzékenységet. A nyomás háromféle hatást gyakorol a robbanás keletkezésére ütéskor: előidézi a robbanóanyag folyását, megváltoztatja a belső súrlódási együtthatót és hatással van a folyáskor keletkezett kémiai reakciós góc sorsára is. A robbanóanyagra való ütéskor az ütésenergiának csak egy részét nyeli el maga a robbanóanyag. Az elnyelt energia mennyiségén kívül, lényeges jelentősége van az elnyelés sebességének és a robbanóanyagban való elosztásának. Minél gyorsabban történik az energia elnyelése, és az energia minél egyenlőtlenebbül oszlik el, vagyis minél nagyobb lesz a lokális koncentrációja, annál könnyebben keletkezik a robbanás. - 5 -
Helyi felhevülések keletkezése szilárd felületek súrlódásakor, amelyek között a robbanóanyag elhelyezkedik. Egy kísérlet kimutatta, hogy fémrúdnak üvegkoronghoz való dörzsölésekor helyi rövid időtartalmú, de erős felhevülések keletkeznek. Ez igazolta, hogy ha a robbanóanyag súrlódó felületek között helyezkedik el, akkor a robbanást, amely a súrlódáskor keletkezik, a felhevülés okozta. Felmelegedési gócok keletkezése a robbanóanyagban lévő idegen szilárd részecskék súrlódásakor. Felmelegedések keletkezhetnek a súrlódási vizsgálatok során normális ütésnél is, melyek szilárd idegen alkatrészeket tartalmazó robbanóanyag folyását idézik elő. Bizonyos szilárd alkatrészek a keverékekben már kis mennyiségben is erősen emelhetik az ütésérzékenységet. A szilárd részecskék érzékenyítő hatásánál szerepet játszik az olvadási hőfok, valamint a nehezen olvadó részecskék hővezetőképessége is. Minél magasabb a hővezetőképesség, annál kisebb az érzékenyítő hatás. Felmelegedési gócok keletkezése a robbanóanyagban lévő gáz- vagy gőzbuborékok gyors összenyomásakor. Légbuborékoknak vagy más gáznak az összenyomása és adiabatikus felmelegedése ütéskor alapvető oka lehet felmelegedési gócok megjelenésének. Gázzárványok is lehetnek a robbanóanyag égésének keletkezési gócai, amelyek az ütésnél előálló hirtelen magas nyomás hatására robbanásba mennek át. Amennyiben a robbanóanyag gyúlékonysága nagy, vagyis, ha az égésnél a felmelegített rétegben nem nagy a hőmennyiség és ha a robbanóanyag képes kis nyomásnál is égni, akkor az égés és robbanás felhevített gázbuboréktól is bekövetkezhet. Ha a folyadék teljesen mentes gáz- vagy gőzzárványoktól, akkor ütésnél felmelegedések keletkezhetnek a folyadékban az összeütődő felületek közti gyors folyás következtében. Ebben az esetben sokszorosan több ütésenergiára van szükség. A robbanóanyag átmenete folyékony halmazállapotba az ütés körülményei között az érzékenység igen nagy növekedésére vezethet, minthogy így a robbanást a gázbuborékok összepréselése által lehet kiváltani. 6. KÖVETKEZTETÉSEK A robbanóanyagok (idézett) kezelésbiztossága természetes követelménye minden forgalomba hozott robbanóanyagnak. Ezek az egyszerűnek látszó feltételek viszont igen nagy számú körülménytől befolyásolva alakulnak ki. Ezzel a rövid egyáltalán nem teljes összefoglalóval a robbanóanyagok kezelésbiztosságát érintő néhány fontos robbanásfizikai összefüggésre szerettük volna felhívni a figyelmet. - 6 -
FELHASZNÁLT IRODALOM [1] Bassa, R. Kun, L.: Robbantástechnikai kézikönyv, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1965, 23-26. old. [2] K. K. Andrejev A. F. Beljajev: A robbanóanyagok elmélete, Budapest, 1965, 362-394. old. [3] Bohus, G. Horváth, L. Papp, J.: Ipari robbantástechnika, Műszaki Könyvkiadó, 1983., 27-29. old. [4] Bohus, G.: Robbantástechnikai terminológia, Bányászati és Kohászati Lapok Bányászat, 1980. N o 10-7 -