Патент на изобретение №2170224

(54) ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ЗАРЯД ДЛЯ ДЕТОНАТОРОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к детонаторам, не содержащим первичное взрывчатое вещество, и пиротехническим зарядам, пригодным для использования в нем. Изобретение направлено на создание детонатора и пиротехнических зарядов, пригодных для использования в нем, с улучшенной рабочей характеристикой и свойствами. Детонатор включает оболочку с основным зарядом, состоящим из вторичного взрывчатого вещества, на одном ее конце, воспламеняющие средства на ее противоположном конце и промежуточную пиротехническую цепь, содержащую воспламеняющий заряд, преобразующую импульс воспламенения от воспламеняющих средств в детонацию основного заряда. 34 з.п. ф-лы., 1 табл.

Настоящее изобретение относится к области детонаторов типа, включающего оболочку с основным зарядом, содержащую вторичное взрывчатое вещество, расположенное на одном из концов указанной оболочки, воспламеняющие средства, расположенные на ее противоположном конце, и промежуточную часть с пиротехнической цепью, которая способна преобразовать импульс воспламенения от воспламеняющих средств в детонацию основного заряда. Более конкретно настоящее изобретение относится к новым композициям пиротехнических зарядов, которые предназначены для использования в качестве воспламеняющих зарядов в таких детонаторах и для воспламенения вторичных взрывчатых веществ в целом.

Предпосылки изобретения
Детонаторы используются для различных целей, как военных, так и гражданских, но здесь они будут описываться в основном по отношению к применению во взрывных горных работах, где обычно множество детонаторов из набора с различными внутренними задержками во времени соединяются в сеть из электрических и неэлектрических проводников сигнала.

В таких детонаторах пиротехнические заряды могут использоваться для различных целей в пиротехнической цепи, преобразующей импульс воспламенения от средств сигнализации или воспламенения в детонацию основного заряда, например в качестве заряда для быстрого переноса или усиливающего заряда, более медленного заземляющего заряда, изолирующего заряда для создания газонепроницаемости или в качестве воспламеняющего заряда для детонации указанного основного заряда.

Один из примеров пиротехнического заряда в пиротехнической цепи приведен в патенте США US-A-2185371, который описывает замедляющий заряд со сплавом сурьмы в качестве специального горючего материала. Другие примеры приведены в патенте Великобритании GB-A-2146014 и в патенте Германии DE-A-2413093, которые описывают композицию пиротехнического горючего вещества для разделения проходов и взрывчатую смесь соответственно. В качестве примера способа получения пиротехнических зарядов делается ссылка на Европейский патент EP 0310580, который описывает получение замедляющих и воспламеняющих зарядов.

Кроме того, известен детонатор, не содержащий первичное взрывчатое вещество, включающий оболочку с основным зарядом, содержащую вторичное взрывчатое вещество на одном ее конце, воспламеняющие средства, расположенные на ее противоположном конце и промежуточную пиротехническую цепь, содержащую воспламеняющий заряд, преобразующую импульс воспламенения от воспламеняющих средств в детонацию основного заряда, (SE, A, 462090).

Общим для известного уровня техники является, однако, что нигде не описывается и даже не предлагается использование конкретного воспламеняющего заряда для количественной и надежной детонации вторичных взрывчатых зарядов.

Все возрастающие требования относятся ко всем частям пиротехнической цепи. Главным требованием является то, что заряды должны гореть с четко определяемыми и стабильными скоростями реакции при ограниченном разбросе времени. Скорость горения не должна в значительной степени подвергаться действиям условий окружающей среды или старения. Заряды должны иметь воспроизводимые свойства воспламенения, но при этом быть еще и нечувствительными к удару, трению и электрическим разрядам. Необходимо, чтобы скорость горения можно было бы регулировать за счет незначительных модификаций заряда. Смесь заряда должна быть простой и безопасной в изготовлении, при дозировании и прессовке и не быть слишком чувствительной к условиям ее производства. В дополнение к этому, существуют возрастающие со временем требования в отношении того, что заряды не должны содержать токсичных веществ и чтобы их изготовление могло происходить вне условий, опасных для здоровья, таких как использование растворителей.

Хотя пиротехнические заряды в целом могут рассматриваться как смеси горючего материала и окислителя, и соответственно потенциально должны быть доступными многие композиции, тем не менее описанные выше требования, взятые вместе, значительно ограничивают выбор пригодных для использования композиций для каждого из указанных зарядов. При этом существует потребность в дальнейших усовершенствованиях как в отношении рабочих характеристик, так и определяемых этими характеристиками соединений для таких целей, поскольку эти соединения, такие как соединения свинца или хроматные соединения, становятся менее доступными и приемлемыми.

Главным техническим результатом настоящего изобретения является создание детонатора и пиротехнических зарядов, пригодных для использования в нем, с улучшенной рабочей характеристикой и свойствами в указанных выше отношениях.

Более конкретным результатом является создание детонатора с пиротехнической цепью, способной к качественному надежному воспламенению вторичного взрывчатого вещества.

Другим результатом является создание детонатора со стабильными свойствами в отношении скорости горения, старения и влияния окружающей среды при производстве, хранении и использовании.

Следующим результатом является создание такого детонатора с надежными свойствами и также безопасного в отношении случайного инициирования.

И еще одним результатом является обеспечение использования пиротехнического заряда для воспламенения вторичных взрывчатых веществ в целом, даже без присутствия вместе с ними какого-либо первичного взрывчатого вещества.

Эти результаты достигаются тем, что в детонаторе, не содержащем первичное взрывчатое вещество, включающем оболочку с основным зарядом, содержащую вторичное взрывчатое вещество на одном ее конце, воспламеняющие средства, расположенные на ее противоположном конце, и промежуточную пиротехническую цепь, содержащую воспламеняющий заряд, преобразующую импульс воспламенения от воспламеняющих средств в детонацию основного заряда, согласно изобретению воспламеняющий заряд содержит металлическое горючее вещество, выбранное из Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Hf, Al, Ga, In, Tl, и окислитель в виде оксида металла выбранного из K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, причем металлическое горючее вещество присутствует в избытке по отношению к количеству, стехиометрически необходимому для восстановления имеющегося количества окислителя, причем воспламеняющий заряд сгорает с выделением исключительно горячих газов при высоком давлении, которые воспламеняют вторичное взрывчатое вещество основного заряда в состояние конвективного мгновенного сгорания с последующим переходом его в детонацию.

Желательно, чтобы металлическое горючее вещество являлось по меньшей мере на 0,5, предпочтительно по меньшей мере на 0,75, и более предпочтительно по меньшей мере на 1 вольт более электроотрицательным, чем металл из окислителя на основе оксида металла.

Возможно металлическое горючее вещество выбрать из Mg, Al, Ca, Ti, и Ga и предпочтительно металлическое горючее вещество выбрать из Al и Ti.

Желательно также, чтобы окислитель на основе оксида металла содержал металл, который выбирают из Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Ba, W, и Bi.

При этом предпочтительно металл выбирают из Mn, Fe, W и Bi, а оксид металла выбирают из MnO₂, Fe₂O₃, Fe₃O₄, Cu₂O, CuO и Bi₂O₃.

Целесообразно, когда сочетание металлическое горючее вещество – окислитель на основе оксида металла включает Al в сочетании с оксидом Fe, Bi или Cu.

В предпочтительном варианте сочетание представляет собой Al-Fe₂O₃, Al-Bi₂O₃ или Al-Cu₂O, предпочтительно Al-Fe₂O₃.

Возможно, кроме того, чтобы сочетание металлическое горючее вещество – окислитель на основе оксида металла содержало Ti в сочетании с оксидом Bi, предпочтительно Ti-Bi₂O₃.

Предпочтительно количество металлического горючего вещества превышает более чем в 1 раз и менее чем в 12 раз, предпочтительно – менее чем в 6 раз, более предпочтительно – менее чем в 4 раза количество, стехиометрически необходимое для восстановления имеющегося количества окислителя на основе оксида металла.

При этом желательно, чтобы количество металлического горючего вещества превышает в 1,1-6 раз указанное стехиометрически необходимое количество.

И предпочтительно, чтобы количество металлического горючего вещества превышало в 1,5-4 раза сказанное стехиометрически необходимое количество.

Целесообразно, чтобы процентное содержание металлического горючего вещества составляло 10-50% массовых, предпочтительно 15-35% массовых, более предпочтительно 15-25% массовых, и процентное содержание окислителя на основе оксида металла составляло 90-50% массовых, предпочтительно 85-65% массовых, более предпочтительно -75-65% массовых, причем указанные процентные отношения берутся по отношению ко всей композиции воспламеняющего заряда.

Желательно, когда металлическое горючее вещество представляет собой Al, а окислитель на основе металла является Cu₂O или Bi₂O₃, процентное содержание указанного горючего вещества составляет 15-35% массовых, и процентное содержание указанного окислителя составляет 65-85% массовых.

Возможно также, чтобы металлическое горючее вещество представляло собой Ti, а окислитель на основе оксида металла является Bi₂O₃, процентное содержание указанного горючего вещества составляло 15-25% массовых, предпочтительно 20% массовых, а процентное содержание указанного окислителя составляло 75-85% массовых, предпочтительно – около 80% массовых.

Предпочтительно, если воспламеняющий заряд имеет такую композицию, что его скорость горения составляет между 0,001 и 50 м/с, предпочтительно между 0,005 и 10 м/с.

Желательно чтобы воспламеняющий заряд содержал добавку из твердого компонента в виде металла и/или оксида.

Причем лучше, если эта добавка присутствует в количестве 2-30% массовых, предпочтительно 4-20% массовых, более предпочтительно 5-15% массовых, например 6-10% массовых, по отношению к массе указанного воспламеняющего заряда.

Данная добавка может представлять собой соединение, которое также является продуктом реакции между металлическим горючим веществом и окислителем на основе оксида металла.

Кроме того, данная добавка может представлять собой металл в виде макрочастиц.

При этом желательно, чтобы металл являлся твердым при температуре реакции воспламеняющего заряда, а оксид был бы выбран из оксидов Al, Si, Zn, Fe, Ti и их смесей, и предпочтительно оксид являлся бы оксидом алюминия, оксидом кремния или их смесью или оксидом железа, в частности Fe₂O₃.

Желательно также, чтобы металл был выбран из W, Ti, Ni, и их смесей и сплавов.

Предпочтительно металл является W или смесью или сплавом W и Fe.

Целесообразно, когда воспламеняющий заряд прессуют и размещают в контакте с вторичным взрывчатым веществом.

Целесообразно также, если воспламеняющий заряд размещен в контакте с вторичным взрывчатым веществом в пиротехнической цепи перед основным зарядом, где вторичное вещество окружено цилиндрическим кожухом.

При этом желательно, чтобы воспламеняющий заряд также был расположен в цилиндрическом кожухе.

Предпочтительно плотность вторичного взрывчатого вещества вблизи воспламеняющего заряда составляет между 60 и 100%, а предпочтительно – между 70 и 99% от кристаллической плотности вторичного взрывчатого вещества.

Еще более предпочтительно плотность вторичного взрывчатого вещества вблизи воспламеняющего заряда составляет между 40 и 90%, и даже между 50 и 80% от кристаллической плотности вторичного взрывчатого вещества.

Целесообразно, чтобы вторичное взрывчатое вещество в пиротехнической цепи являлось первой частью в цепочке перехода от мгновенного сгорания к детонации, при этом указанная цепочка предпочтительно также содержит вторую часть, содержащую другое вторичное взрывчатое вещество с плотностью, более низкой, чем в первой части.

Возможно, чтобы основной заряд представлял собой только вторичное взрывчатое вещество.

В предпочтительном варианте выполнения вторичное взрывчатое вещество выбирают из пентаэритритолтетранитрата (PETN), тринитрофенилметилнитрамина (тетрил) и тринитротолуола (TNT), и предпочтительно оно является PETN.

Таким образом, по настоящему изобретению было обнаружено, что определенное сочетание металлического горючего материала и окислителя на основе оксида металла обладает способностью количественно и надежно воспламенять вторичные взрывчатые вещества, особенно в детонаторах типа, описанного во вводной части этого описания, и даже в случае, когда не присутствует какое-либо первичное вещество.

В этом контексте “качественное воспламенение” или аналогичный термин означает воспламенение вторичного взрывчатого вещества, при котором отсутствует какое-либо ламинарное сгорание, с плоским фронтом горения, но имеющее стадию конвективного горения, на которой горение является в высшей степени негомогенным.

Важным открытием в связи с этим является то, что несмотря на указанный механизм воспламенения или горения, получают очень надежное воспламенение вторичного взрывчатого вещества, и при этом остальные функции пиротехнической цепи не подвергаются при этом отрицательному воздействию.

Более того, достигаемое качественное горение дает возможность значительного сокращения времени развития детонации (первая от мгновенного сгорания до детонации) в детонаторе, что, в свою очередь, делает возможным значительное сокращение длины пиротехнической цепи или инициирующего элемента и/или сокращение прочности или толщины оболочки без какого-либо ухудшения работы детонатора.

Не будучи ограниченным какой-либо теорией в отношении механизмов реакции, настоящее изобретение, видимо, основывается на выделении при помощи нового воспламеняющего заряда исключительно горячих газов с высокой теплоемкостью и при высоком давлении. Вероятно, воспламеняющие газы в основном состоят из паров металлов, присутствующих в воспламеняющем заряде. Видимо, эти свойства обеспечивают качественное воспламенение вторичного взрывчатого вещества.

Таким образом, с помощью использования определенного воспламеняющего заряда, который по существу реагирует путем “инверсии” системы металл/оксид при выделении тепла и который может рассматриваться в качестве термитного заряда, достигаются указанные выше цели. Металл присутствует до, во время и после реакции, обеспечивая высокие электрическую проводимость и теплопроводность. Электропроводность означает снижение риска случайного воспламенения, вызываемого статическим электрическим или другими электрическими возмущениями. Высокая теплопроводность означает низкий риск случайного воспламенения из-за локального перегрева, вызванного трением, ударом или чем-то иным, при этом хорошие свойства воспламенения от реагирующего заряда обеспечиваются высоким и устойчивым теплообменом. Присутствие расплавленного металла в продуктах реакции усиливает последние свойства. Оксиды металлов обычно являются стабильными продуктами также в присутствии воды, и это также относится и к металлам, часто благодаря пассивации поверхности, и это дает хорошие свойства в отношении старения и позволяет изготавливать заряд в водных суспензиях, и это, возможно, также объясняет наблюдаемую неизменность скорости реакции в присутствии влаги. Реагенты термитного заряда, как правило, являются нетоксичными и безопасными для окружающей среды. Дополнительным ценным свойством используемого термитного заряда является то, что он реагирует при значительном выделении тепла, которое, как сказано выше, содействует не только хорошим свойствам воспламенения, но, что более важно, ограничению разброса времени реакции отчасти из-за независимости реакции от начальных температурных условий.

В применениях конструкций детонаторов является особенно выгодным, чтобы заряды могли использоваться для различных целей и удовлетворять нескольким требованиям одновременно. Заряды, используемые в качестве воспламеняющих зарядов по настоящему изобретению, могут быть использованы в качестве зарядов для быстрого переноса горения, используя свойство реакции образовывать газообразные промежуточные продукты, и тем самым обеспечивая высокую скорость воспламенения и реакции в пористых зарядах. Заряды могут быть использованы для пиротехнических задержек, используя стабильность заряда при различных условиях, стабильные скорости горения и возможность изменять скорость горения путем введения инертных добавок. Заряды могут быть использованы в качестве изолирующих зарядов для контроля газопроницаемости, используя превосходные свойства продукта реакции в виде расплавленного металла образовывать шлак, которые могут легко быть дополнительно улучшены путем введения армирующих или наполнительных материалов. Наконец, в соответствии с настоящим изобретением заряды могут быть также использованы в качестве воспламеняющих зарядов для вторичных взрывчатых веществ, в основном в детонаторах типа не содержащих первичное взрывчатое вещество, используя весь диапазон свойств композиции как мощного инициатора, включая высокие температуры и обратное изолирование, чтобы установить очень быстрый и надежный фронт воспламенения, необходимый для этого механизма детонации.

Прочие цели и преимущества настоящего изобретения станут понятными из следующего далее подробного описания.

Подробное описание изобретения
Многие пиротехнические композиции содержат окислительно-восстановительную пару, в которой восстановитель и окислитель способны реагировать при выделении тепла. Отличительной особенностью настоящего изобретения, однако, является то, что восстановитель или горючее вещество является металлом, что окислитель является оксидом металла и что окислительно- восстановительная пара представляет собой термитную пару, которая способна реагировать при окислении исходного металлического горючего вещества и восстанавливаться до металла исходного окислителя на основе оксида металла.

Тепло, выделяющееся во время реакции, должно быть достаточным, чтобы оставить по меньшей мере часть, а предпочтительно, весь металлический конечный продукт в расплавленном виде. Количество тепла не должно быть обязательно достаточным для расплавления каких-либо других компонентов, добавляемых в систему, таких как инертные наполнители, избыточные реагенты или компоненты других реакционных пиротехнических систем. В основном, при реакции исходное металлическое горючее вещество замещает металл из оксида, что может быть описано как “инверсия” системы металл/оксид. Чтобы это происходило, металлическое горючее вещество должно иметь более высокое сродство к кислороду, чем металл оксида. Сложно создать точное условие для этого, но в качестве общего указания, в ряду электрохимических потенциалов, рассматривая реакции, соответствующие фактическому изменению валентности в начальном металле, металлическое горючее вещество должно быть по меньшей мере на 0,5, а лучше предпочтительно по меньшей мере на 0,75, а более предпочтительно по меньшей мере на 1 вольт более электроотрицательным, чем металл из оксида металла.

По настоящему изобретению металлическое горючее вещество, таким образом, выбирается из групп 2, 4 и 13 Периодической системы элементов. В этом контексте необходимо отметить, что группы и периоды (смотри ниже), упоминаемые в Периодической системе элементов, представляют собой такие группы и периоды, которые определяются Периодической системой элементов, представленной в таблице.

Другими словами, группа 2, из которой выбирается металлическое горючее вещество, содержит, среди прочего, металлы Be, Mg, Ca, Sr и Ba, в то время как группа 4 содержит металлы Ti, Zr и Hf, а группа 13 содержит Al, Ga, In и Tl.

Однако предпочтительно металлическое горючее вещество выбирается из периодов 3 и 4 указанных групп 2, 4 и 13, что означает Mg, Al, Ca, Ti и Ga. Более предпочтительно указанное горючее вещество выбирается из металлов Al и Ti.

Металл из окислителя на основе оксида металла, как сказано выше, выбирается из периодов 4 и 6 Периодической системы элементов, период 4 содержит K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu и Zn, и период 6 содержит Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po.

Предпочтительными металлами указанного периода 4 являются, однако, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu и Zn, а особенно предпочтительными металлами являются Mn, Fe и Cu.

Предпочтительными металлами из указанного периода 6 являются Ba, W и Bi, и особенно предпочтительным металлом является Bi.

В этом контексте особенно предпочтительными оксидами являются Fe₂O₃, Fe₃O₄, Cu₂O, CuO, Bi₂O₃ и MnO₂.

Как указано выше, воспламеняющие заряды по настоящему изобретению представляют собой термитные заряды, которые способны создавать очень высокие температуры сгорания. В качестве меры температуры сгорания может быть использована теоретически вычисленная конечная температура в реакции до окончательного равновесия между присутствующими реагентами в механически и термически изолированной системе при условиях плотности и концентрации, реально присутствующих в рассматриваемом заряде. Эта мера является независимой от скорости горения заряда, газопроницаемости и изоляции и будет упоминаться ниже как “идеальная” температура горения заряда. Идеальная температура горения может служить в качестве аппроксимации фактической температуры горения для зарядов с высокой скоростью горения, малой газопроницаемостью, большими физическими размерами или с иными малыми потерями в окружающую среду. Для зарядов, о которых нельзя сказать, что они приблизительно удовлетворяют упомянутым выше условиям, фактическая температура горения должна определяться с помощью измерений. Это может быть сделано, например, путем введения термопары в заряд, путем регистрации спектра испускания от заряда, когда он реагирует в прозрачном материале, или от оптического волокна, расположенного в заряде, или любым другим способом. В тех случаях, когда температура сгорания заряда является значащим фактором, как будет дополнительно обсуждаться ниже, идеальная температура горения должна превышать 2000 градусов Кельвина, предпочтительно превышать 2300 градусов, и наиболее предпочтительно превышать 2600 градусов Кельвина. Композиция и геометрия заряда предпочтительно должны быть подобраны так, чтобы обеспечивать фактические температуры горения свыше 60, предпочтительно свыше 70, и наиболее предпочтительно свыше 80 процентов от идеальной температуры горения в градусах Кельвина.

Пиротехнические заряды для детонаторов обычно находятся в них же, и главным требованием является то, чтобы реакция происходила по существу без газовыделения, чтобы не нарушить структуры детонатора. Данная композиция из пары металла и оксида металла в качестве как реагентов, так и продуктов реакции, превосходно удовлетворяет условию отсутствия газовыделения для реакции в целом.

Тем не менее, как утверждается выше, предполагается, что хорошие характеристики горения и воспламеняющих свойств композиций в основном вызываются образованием газообразных промежуточных продуктов, которые не присутствуют в других подобных композициях. По меньшей мере частично благодаря высоким температурам реакции в сочетании с довольно низкими температурами кипения металла горючие вещества, отвечающие указанным выше условиям, как предполагается, образуют парообразные промежуточные продукты металлического горючего вещества.

Этот эффект может быть усилен с помощью добавления другого легкоиспаряющегося компонента, хотя предпочтительным путем для этой цели является использование известного металлического горючего вещества, и этот тип композиции будет далее называться композицией. Слишком большие количества будут охлаждать композицию и противодействовать газообразованию. Соответственно, в таких композициях количество металлического горючего вещества обычно превышает больше, чем в 1 раз и меньше, чем в 12 раз количество, стехиометрически необходимое для восстановления окислителя не основе оксида металла, при этом верхний предел более предпочтительно 6-кратно, а наиболее предпочтительно 4-кратно превышает указанное стехиометрически необходимое количество. Согласно другому предпочтительному осуществлению настоящего изобретения количество металлического горючего вещества превышает в 1,1-6 раз указанное количество, а более предпочтительно количество металлического горючего вещества превышает указанное количество в 1,5-4 раза.

В процентах по отношению к общей массе композиции воспламеняющего заряда металлическое горючее вещество обычно присутствует в количестве 10-50% массовых, предпочтительно 15-35% массовых, а более предпочтительно 15-25% массовых. Таким образом, соответствующие процентные содержания окислителя на основе оксида металла составляют 90-50% массовых, предпочтительно 85-65% массовых, а более предпочтительно 75-65% массовых.

В соответствии с одним из предпочтительных осуществлений настоящего изобретения металлическое горючее вещество является Al, а окислитель на основе оксида металла представляет собой Cu₂O и Bi₂О₃, при этом процентное содержание указанного горючего вещества составляет 15-35% массовых, и процентное содержание указанного окислителя составляет 65-85% массовых.

Согласно другому предпочтительному осуществлению изобретения металлическое горючее вещество является Ti, и окислитель на основе металла представляет собой Bi₂O₃, при этом процентное содержание горючего вещества составляет 15-25% массовых, предпочтительно около 20% массовых, и процентное содержание окислителя составляет 75-85% массовых, предпочтительно около 80% массовых.

По нескольким причинам может оказаться желательным включение более или менее инертного или даже активного твердого компонента в композицию, например для того, чтобы воздействовать на скорость горения композиции, чтобы уменьшить чувствительность композиции к электростатическим искровым разрядам или воздействовать на свойства в отношении образования шлака. Использование инертного твердого компонента, который является соединением, которое также является продуктом реакции, является целесообразным для того, чтобы не изменить свойства системы и для того, чтобы не уменьшить указанное выше образование парообразных промежуточных продуктов. Введение оксида металла является, однако, предпочтительным, например, чтобы уменьшить скорость реакции без слишком сильного охлаждения. Указанный оксид металла может быть конечным продуктом реально используемой системы, но возможным является также добавление другого оксида металла, например конечного продукта от другой инверсионной системы, как определено выше. Особенно предпочтительными оксидами в этом отношении являются Al, Si, Fe, Zn, Ti или их смеси. Инертный твердый компонент может также представлять собой макрочастицы металла, которые, среди прочего, содействуют образованию прочного шлака. Такие композиции будут далее также упоминаться в качестве “армированных металлом”. Конечный продукт в виде металла может быть использован в качестве такой добавки в армированных металлом композициях. Конечный продукт в виде металла, получаемый при реакции, обычно находится в расплавленном виде, и указанное добавление может, например, давать смесь расплавленного и нерасплавленного металла, пригодного для образования прочных и непроницаемых шлаков.

Более действенный контроль по сравнению с этим частичным плавлением получается, если металл является твердым при температуре реакции заряда, например, путем добавления твердого металла, не являющегося конечным продуктом и имеющего более высокую температуру плавления. Хотя может быть использован любой такой металл, но особенно пригодными для использования металлами являются Ti, Ni, Mn и W или их смеси или сплавы и в особенности W или смесь или сплав W с Fe.

Металлы и/или оксиды металлов, упоминающиеся выше, обычно используются в количестве 2-30% массовых, предпочтительно 4-20% массовых, а более предпочтительно 5-15% массовых, как, например, 6-10% массовых, указанные процентные содержания основаны на массе пиротехнического заряда (зарядов), в частности воспламеняющего заряда.

В соответствии с общепринятой практикой добавки, иные, чем пиротехнические добавки, также могут быть включены в смеси, например в порядке улучшения свойств сыпучести или прессуемости, или в качестве связующих добавок для улучшения связности или для создания возможности грануляции, например материалы на основе глины или карбоксиметилцеллюлозы. Добавки для этих последних целей обычно используются в малых количествах, особенно, если добавки непрерывно выделяют газы, например, меньше, чем 4% массовых, предпочтительно менее 2% массовых и часто даже меньше, чем 1% массовый на основе массы пиротехнического заряда (зарядов), особенно воспламеняющего заряда.

Предпочтительно воспламеняющий заряд и любые другие пиротехнические заряды обычно состоят из порошкообразных смесей. Размер частиц может быть использован для влияния на скорость горения, и, как правило, он может составлять между 0,01 и 100 микронами, и в частности между 0,1 и 10 микронами. Предпочтительно порошки могут быть гранулированы для облегчения дозировки и прессования, например, до размера между 0,1 и 2 мм, или предпочтительно между 0, 2 и 0,8 мм. Предпочтительно гранулы формируют из смеси компонентов, составляющих по меньшей мере окислительно-восстановительную пару.

Хотя композиции являются относительно нечувствительными к случайному инициированию в сухом состоянии, предпочтительно смешивать и готовить композиции в жидкой фазе, предпочтительно в водной среде или по существу в чистой воде. Смесь может быть гранулирована из жидкой фазы с помощью обычных средств.

Скорость горения воспламеняющего заряда может варьироваться в широких пределах, но обычно она изменяется между 0,001 и 50 м/с, лучше – между 0,005 и 10 м/с. Скорости горения свыше 50 и особенно свыше 100 м/с обычно создают такие условия для заряда, которые являются не подходящими или нетипичными для применений детонатором. Как указано выше, на скорость горения можно воздействовать несколькими путями, а именно путем выбора окислительно-восстановительной системы, стехиометрического баланса реагентов, использования инертных добавок, размеров частиц в заряде и плотности прессования.

Общие пределы по плотности прессования установить нельзя, поскольку могут быть использованы частицы, находящиеся в состоянии, начиная с полного отсутствия уплотнения и до сильно спрессованного состояния. Для создания зарядов, отвечающих целям данного изобретения, надо использовать такие количества композиции, которые будут достаточными, чтобы обеспечивать прессовку; т. е. по всем трем габаритам заряда эти количества должны в несколько раз и предпочтительно во много раз иметь превышение относительно размеров частиц в случае гранулированного материала относительно по меньшей мере исходных частиц гранул.

Как упоминалось выше, описанные выше воспламеняющие заряды могут в общем быть использованы для пиротехнических целей, чтобы воспламенять вторичные взрывчатые вещества, но они имеют особенную ценность в детонаторах, в основном для промышленных горных взрывных работ. Как рассмотрено выше, такой детонатор содержит оболочку с основным зарядом, содержащим или состоящим из вторичного взрывчатого вещества, расположенным на одном конце, воспламеняющих средств, расположенных на противоположном конце, и промежуточной части или секции с пиротехнической цепью, выполненной с возможностью преобразования импульса воспламенения от воспламеняющих средств в детонацию основного заряда.

Воспламеняющие средства могут быть любого известного типа, такие как инициируемый электричеством запал, плавная вставка, детонационный шнур, низкоэнергетический ударный трубчатый взрыватель (например, NONEL), взрывчатый шнур или пленка, лазерные импульсы, подводимые, например, с помощью волоконной оптики, электронные устройства и пр. Для воспламенения данных зарядов тепловыделяющие воспламеняющие средства являются предпочтительными.

Пиротехническая цепь может включать в себя замедляющий заряд, обычно в форме колонки, заключенной в по существу цилиндрический элемент. Цепь может также включать в себя заряды переноса для усиления горения или для облегчения воспламенения медленно действующих зарядов и может дополнительно включать изолирующие заряды для создания газопроницаемости. Конечной частью цепи является стадия преобразования в основном тепловыделяющего горения в пиротехнических зарядах в удар и детонацию основного заряда.

Обычно это делают за счет включения небольшого количества первичного взрывчатого вещества после детонируемого вторичного взрывчатого вещества. Первичные взрывчатые вещества детонируют быстро и надежно, когда они подвергаются нагреву или умеренному удару. Однако новые разработки сделали возможным выполнение коммерчески доступного детонатора без первичного взрывчатого вещества (далее “NPED”), в котором взрывчатое вещество заменяется некоторым механизмом, который будет обсуждаться в дальнейшем, для непосредственного формирования детонации во вторичном взрывчатом веществе.

Композиции, описанные выше, также могут быть использованы в качестве заряда для быстрого переноса, чтобы захватывать и усиливать слабые импульсы горения или способствовать воспламенению более медленно действующих композиций. Композиции пригодны для этой цели благодаря высоким скоростям горения и малому временному разбросу, слабой зависимости от давления, простоте инициирования, нечувствительности к случайному инициированию и хорошей воспламеняемости по сравнению с другими зарядами. Предпочтительно композиция является композицией с повышенным выделением газов, как определено выше. Является предпочтительным, чтобы в пиротехнической цепи указанный заряд, расположенный на средствах воспламенения заряд переноса, или составляет его часть, для переноса импульса воспламенения от средств воспламенения к последующим частям пиротехнической цепи. Для поддержания скорости реакции и чувствительности к воспламенению пористость заряда должна быть высокой, а плотность прессования – низкой. Предпочтительно плотность заряда соответствует усилию прессования ниже 100 МПа, а более предпочтительно – ниже 10 МПа; и могут использоваться заряды, по существу не подвергавшиеся прессованию. Предпочтительно заряд содержит гранулированный материал и прессуется с усилием, достаточным, чтобы придать максимальную пористость заряду.

В этом контексте скорость горения заряда может быть более 0,1 и предпочтительно более 1 м/с. Для этой цели необходимы только малые заряды, и предпочтительно количество заряда является достаточно малым, чтобы обеспечить время задержки в указанном заряде переноса меньшее 1 мс, а предпочтительно – меньшее 0,5 мс.

Обычно и предпочтительно не существует никаких дополнительных зарядов на воспламеняющих средствах, но заряд переноса, или его инертная оболочка обращена к воспламеняющим средствам. Воздушный зазор может присутствовать между зарядом и воспламеняющими средствами, причем этот зазор заполняют такими средствами, как запал или ударный трубчатый взрыватель, и это обстоятельство облегчает изготовление. Воспламеняющие средства могут также быть заключены внутри заряда, способствуя захвату воспламеняющего импульса. В последнем случае специальное преимущество может быть достигнуто в сочетании с электрическими воспламеняющими средствами, поскольку электропроводящий характер данных композиций делает возможным непосредственное воспламенение от искрового разряда, запального контакта или проводимости через сам заряд, обеспечивая процесс воспламенения или делая возможным использование простых воспламеняющих средств, таких как электрический зазор без запала.

Другой конец заряда переноса может быть обращен к любому другому заряду в пиротехнической цепи, чаще всего – с замедляющим зарядом, возможно – через другой заряд.

Заряд, содержащий композиции, описанные выше, может также составлять или быть частью замедляющего заряда, используя, среди прочего, его надежные и воспроизводимые скорости горения, слабую зависимость от внешних условий, возможность изменения скорости и простоту изготовления.

Замедляющие заряды обычно прессуют до плотности, более высокой, чем объемная плотность порошка, и предпочтительно плотность заряда соответствует усилию прессования свыше 10 МПа, а более предпочтительно – свыше 100 МПа. Заряд может иметь плотность более 1 г/куб. см, а предпочтительно – более 1,5 г/куб. см. Для целей замедления композиция не должна иметь слишком высокие скорости реакции, и предпочтительно скорость горения заряда составляет менее 1, а более предпочтительно – менее 0,3 м/с. Обычно скорость выше 0,001, а предпочтительно – выше 0,005 м/с. Целесообразно, чтобы количество заряда было достаточно большим, чтобы обеспечивать время задержки указанного замедляющего заряда более 1 м/с, а предпочтительно – более 5 м/с.

На скорость горения можно повлиять с помощью любого из определенных общих способов, хотя предпочтительным способом для увеличения скорости является использование композиций с повышенным выделением газов, как определено выше, и предпочтительным способом для уменьшения скорости является добавление наполнителя, предпочтительно конечного продукта реакции и предпочтительно оксида металла. Оксиды алюминия и оксиды кремния оказались пригодными для использования в качестве наполнителей независимо от реально используемой инверсионной системы. Количество наполнителя может изменяться в диапазоне от 10% массовых до 1000% массовых, но предпочтительно составляет в пределах от 20 до 100% массовых от реагирующих компонентов.

Другим способом для понижения скорости горения замедляющего заряда является выбор полуметалла в качестве горючего вещества, в частности кремния.

Замедляющий заряд может быть впрессован непосредственно в оболочку детонатора рядом с последующим зарядом пиротехнической цепи; и такое решение является предпочтительным для малых зарядов и небольших по времени задержек. Для более крупных зарядов в соответствии с общепринятой практикой замедляющий заряд может быть заключен в элемент, помещенный внутри оболочки. Колонка с композицией для задержки может быть спрессована за одну операцию, но часто прессуется порциями с добавлением в случае более длинных колонок. Типичные длины зарядов составляют между 1 и 100 мм, и в частности между 2 и 50 мм.

В случае конструкций типа NPED переднее вторичное взрывчатое вещество обычно заключают в отдельную оболочку или элемент, и здесь имеется третья возможность размещения части всего замедляющего заряда в том же самом ограниченном пространстве.

Передний конец замедляющего заряда может быть снабжен средствами для ограничения обратного потока газов и частиц заряда для улучшения стабильности скорости горения, например это средство может быть предпочтительно зарядом, создающим шлаки, а наиболее предпочтительно – изолирующим зарядом, имеющим композицию, описываемую здесь.

Другой конец замедляющего заряда может быть обращенным к какому-либо другому заряду пиротехнической цепи, но может также находиться в контакте с первичным или вторичным зарядом, возможно, посредством малого количества другого заряда. Первичные взрывчатые вещества могут легко воспламеняться с помощью замедляющего заряда, и вторичное взрывчатое вещество воспламеняться с их помощью, в последнем случае – предпочтительно через изолирующий или воспламеняющий заряд, как здесь описано.

Композиции, описанные выше, могут также использоваться в заряде, который составляет или является частью изолирующего заряда, замедляя или предотвращая прохождение газов после реагирования заряда. Изолирующий заряд также должен быть механически прочным. Поведение пиротехнических зарядов при реакции сильно зависит от давления газов, а воспроизводимое горение зависит от контролируемого повышения и поддержания давления. Даже не выделяющие газы композиции дают повышение давления и возможный обратный поток газов из-за газообразных промежуточных продуктов или нагрева газа, присутствующего в порах заряда. Связность в прессованных порошковых зарядах также является ограниченной, и давление может вызвать прерывания.

Указанные изолирующие заряды обладают хорошими шлакообразующими и герметизирующими свойствами, которые можно улучшить с помощью армирующих добавок. Для этой цели целесообразно использовать достаточно большие плотности заряда. Предпочтительно плотность заряда соответствует усилию прессования свыше 10 МПа, а более предпочтительно – свыше 100 МПа. В абсолютных единицах спрессованный изолирующий заряд может иметь плотность свыше 1,5 г/куб. см, а предпочтительно – свыше 2 г/куб. см. Тенденцией для заряда является обладание промежуточными скоростями горения, предпочтительно – свыше 0,01, а более предпочтительно – свыше 0,1 м/с, но часто скорость составляет менее 1 м/с.

При использовании только в качестве изолирующего заряда указанный заряд обычно делают небольшим, и часто достаточно небольшим, чтобы иметь время задержки в указанном изолирующем заряде, составляющие менее чем 1 с, а чаще – менее 100 м/с.

При использовании в качестве герметизирующего заряда композиция обычно содержит инертные наполнители для, помимо прочего, понижения проницаемости, например, такие как армированные металлом композиции, как определено выше, и с теми же указанными выше предпочтениями, поскольку образуемые шлаки являются и механически прочными, и имеют высокую степень газонепроницаемости. В этом случае стехиометрический баланс между металлом и реагентами на основе оксида металла не столь важен, поскольку наполнители сглаживают различия, и как композиции с избытком, так и композиции с недостатком, могут быть использованы, если это желательно, например, для регулирования скорости горения. Однако обычно является предпочтительным стехиометрический баланс, соответствующий композициям с повышенным выделением газов. Количество наполнителя может варьироваться в широких пределах, но как показатель содержание наполнителя составляет между 20 и 80% объемных, а предпочтительно – между 30 и 70% объемных.

В детонаторе может использоваться изолирующий заряд, если желательным является эффект изоляции или армирования. Важным применением является изолирование замедляющих зарядов в отношении обратного потока, чтобы тем самым стабилизировать их свойства горения. Для этой цели изолирующий заряд должен быть расположен в пиротехнической цепи перед замедляющим зарядом. Другие пиротехнические заряды могут присутствовать между изолирующим и замедляющим зарядами, но благодаря его хорошим рабочим характеристикам воспламенения, изолирующий заряд может быть расположен в прямом контакте с замедляющим зарядом. Может быть использован любой замедляющий заряд, хотя замедляющие заряды, описанные здесь, имеют особенную ценность. Если замедляющий заряд помещен в специальный элемент или оболочку, то целесообразно, но не обязательно запрессовывание изолирующего заряда в эту же структуру.

Важным осуществлением настоящего изобретения является детонатор NPED типа, то есть такой, где существует только вторичное взрывчатое вещество, но не первичное. Здесь новый заявляемый заряд работает также в качестве изолирующего заряда для изолирования от давления и предотвращения обратного потока газов. В этом детонаторе вторичное взрывчатое вещество воспламеняется для непосредственного перехода в детонацию. Здесь особо важным является быстрое воспламенение, малые потери газа и сохраняемая структурная целостность области. Для этой цели воспламеняющий (и изолирующий) заряд должен быть расположен непосредственно перед или в прилегании ко вторичному взрывчатому веществу. Указанный заряд имеет достаточно хорошие воспламеняющие свойства, чтобы использоваться в качестве вторичного взрывчатого вещества, хотя и другие заряды, предпочтительно заряды, описанные здесь, могут быть расположены между ними. Обычно вторичное воспламеняемое взрывчатое вещество помещается в ограниченное пространство. Воспламеняющий заряд затем может быть расположен вне этого пространства, но по меньшей мере некоторая часть, а предпочтительно весь заряд целесообразно размещать в пределах этого ограниченного пространства.

Для расширения применимости детонаторов и для упрощения изготовления заряд может быть запрессован в его собственный элемент, целесообразно с диаметром, согласованным с внутренним пространством оболочки детонатора.

Таким образом, новый заряд по настоящему изобретению представляет собой или является частью воспламеняющего заряда, обладающего способностью воспламенять вторичное взрывчатое вещество в состояние горения или мгновенного сгорания. Главным применением такого воспламенения вторичного взрывчатого вещества является применение в детонаторах типа NPED, где отсутствие первичного взрывчатого вещества делает необходимым обеспечение механизма для прямого перехода вторичных взрывчатых веществ в режим детонации.

Детонаторы типа NPED разработаны для решения проблем безопасности, присущих при любых манипуляциях с чувствительным первичным взрывчатым веществом при производстве и использовании детонаторов, применяющих такие взрывчатые вещества. Трудности возникают, когда принципы NPED пытаются применить для коммерческих детонаторов, предназначенных для горных взрывных работ, где необходимы специальные устройства и механизмы перехода.

Воспламеняющие средства типа морского электроискрового сейсмического источника или взрывчатой пленки, например в соответствии с патентом Франции FR 2242899, способны вызывать удар достаточной величины для непосредственного пуска детонации во вторичных воспламеняющих веществах, если через воспламеняющие средства проходят сильные мгновенные электрические токи. Они не приспособлены для коммерческих применений из-за необходимости использования совершенных подрывных машинок, и поэтому они несовместимы с обычными пиротехническими задержками.

При соответствующих условиях вторичные взрывчатые вещества способны подвергаться переходу от мгновенного сгорания к детонации (DDT). Эти условия обычно требуют более массивного замкнутого пространства и больших количеств взрывчатого вещества, чем это может быть приемлемо в коммерческих детонаторах. Такой пример изложен в патенте США US 3212439.

Другой тип NFED, приведенный в описаниях патентов США 3978791, 4144814 и 4239004, использует инициированное и мгновенно горящее донорное вторичное взрывчатое вещество для ускорения ударного диска, чтобы ударять по рецепторному заряду вторичного взрывчатого вещества со скоростью, достаточной для того, чтобы вызвать детонацию рецепторного заряда. Чтобы противостоять возникающим при этом условиям, эти конструкции являются крупными, механически неудобными и не вполне надежными. Подобная конструкция описана в WO 90/07689.

Описания патентов США US 4727808 и US 5385098 описывают другой тип NPED, основанный на механизме DDT. Эта конструкция делает возможным воспламенение с помощью большинства обычных воспламеняющих средств, может быть изготовлена с помощью использования обычно оборудования для детонационных капсюлей, может быть помещена в обычные оболочки для детонаторов и может быть надежно детонирована лишь с небольшим окружающим зарядом вторичного взрывчатого вещества. Однако надежность инициирования зависит от определенной конструкции или разделения взрывчатого вещества, где предусматривается переход.

Общие проблемы с известными конструкциями NPED представляют собой получение достаточного быстрого перехода в режим детонации, чтобы получить как надежное воспламенение, так и удовлетворительную точность по времени, и достижение этого в сочетании с обычными пиротехническими зарядами. В детонаторах типа NPED скорость является предметом наибольшей важности в последовательностях вторичных взрывчатых веществ. Режим детонации должен устанавливаться быстро, чтобы исключить преждевременное разрушение структур детонатора под действием сил расширения от регистрирующего взрывчатого вещества. Медленное воспламенение также означает более широкий разброс во времени, что является важным для детонаторов как моментального, так и замедленного действия. Быстрое воспламенение, как предполагается, также приводит к более равному фронту горения, оптимизируя нарастание давления. Эти факторы являются особо важными во всех рассмотренных выше типах NPED. При механизме DDT переходная зона должна быть короткой настолько, насколько это возможно, и в механизме типа “летающей тарелки” быстрое сгорание, смещение и ускорение тарелки должны произойти перед тем, как камера с донорным зарядом будет взорвана.

Композиции, описанные здесь, оказались превосходными воспламеняющими композициями для вторичных взрывчатых веществ в рассмотренных выше применениях, используя, среди прочего, горячий и устойчивый импульс воспламенения от зарядов, содержащих упоминаемую термитную окислительно-восстановительную систему для быстрого и надежного инициирования вторичных взрывчатых веществ.

Хотя композиции в целом отвечают использованию для указанной цели, некоторые сочетания являются особенно пригодными. Описанные ранее композиции с повышенным выделением газов являются преимущественными, особенно тогда, когда воспламеняемое вторичное взрывчатое вещество обладает определенной пористостью в воспламеняемой части. В этих случаях плотность ближайшего к заряду вторичного взрывчатого вещества предпочтительно составляет между 40 и 90%, и предпочтительно между 50 и 80% кристаллической плотности вторичного взрывчатого вещества. Соответствующие усилия при прессовке могут составлять между 0,1 и 50, а предпочтительно между 1 и 1 МПа. Сильно спрессованное вторичное взрывчатое вещество сложно воспламенять, но когда оно уже воспламенено, последующая реакция проходит быстро. Для таких зарядов могут быть использованы воспламеняющие заряды с сильным газовыделением, но композиции могут выбираться более свободно. Особенно предпочтительным для этой цели является использование содержащих наполнители композиций, а особенно – армированных металлом композиций. Хотя эти композиции могут быть использованы для воспламенения вторичных взрывчатых веществ различной плотности, предпочтительно использовать их тогда, когда плотность ближайшего к заряду вторичного взрывчатого вещества составляет между 60 и 100%, а предпочтительно между 70 и 90% кристаллической плотности вторичного взрывчатого вещества. Соответствующие усилия при прессовке составляют свыше 10, а предпочтительно – свыше 50 МПа, в принципе без какого-либо верхнего предела. Предпочтительно, чтобы плотность воспламеняющего заряда была в некоторой степени согласована с плотностью воспламеняемого вторичного взрывчатого вещества и предпочтительно, чтобы воспламеняющий заряд имел плотность, выраженную в процентах от абсолютной плотности непористого заряда, в тех же интервалах, которые приведены выше, для зарядов низкой и высокой плотности соответственно. Приведенные выше диапазоны являются только примерными и должны быть исследованы для реальной используемой конструкции и вторичного взрывчатого вещества.

Различие между первичным и вторичным взрывчатым веществами хорошо известно и широко используется в данной области. Для практических целей первичное взрывчатое вещество может быть определено как взрывчатое вещество, способное осуществлять полную детонацию, когда оно стимулируется пламенем или подводом тепла в объеме вещества в несколько кубических миллиметров, даже без его помещения в какое-либо замкнутое пространство. Вторичное взрывчатое вещество не может детонировать при подобных условиях. Обычно вторичное взрывчатое вещество может детонировать, когда воспламеняется пламенем или с помощью подвода тепла только тогда, когда присутствует в гораздо больших количествах или в пределах пространства, ограниченного прочной средой, такой как металлический контейнер с толстыми стенками, или подвергаясь механическому удару между двумя твердыми металлическими поверхностями.

Примеры первичных взрывчатых веществ представляют собой фульминат ртути, стифнат свинца, азид свинца и диазодинитрофенол или смеси из двух или более этих и/или других подобных веществ.

Типичными примерами вторичных взрывчатых веществ являются пентаэритритолтетранитрат (PETN), циклотриметилентринитрамин (RDX), циклотетраметилентетранитромин (НМХ), тринитрофенилметилнитрамин (тетрил) и тринитротолуол (TNT) или смеси двух или нескольких этих и/или других подобных веществ. Альтернативное практическое определение заключается в том, чтобы рассматривать в качестве вторичного взрывчатого вещества любое взрывчатое вещество, чувствительное в такой же или в меньшей степени, чем PETN.

Для целей настоящего изобретения может быть использовано любое из указанных выше вторичных взрывчатых веществ, хотя предпочтительным является выбор того вторичного взрывчатого вещества, которое легче воспламеняется и детонирует, в частности, RDX и PETN или их смесей.

Разные части инициирующего элемента могут содержать разные вторичные взрывчатые вещества. Если элемент в широком смысле разделен на секцию мгновенного сгорания и секцию детонации при условии, что точное положение точки перехода может изменяться и что разделение на секции может и не соответствовать какой-либо физической структуре элемента, то является предпочтительным использование взрывчатых веществ, которые легче воспламеняются и детонируют по меньшей мере в секции мгновенного сгорания, и при этом как взрывчатое вещество в секции детонации может выбираться более свободно.

Вторичное взрывчатое вещество может быть использовано в чисто кристаллической форме, может быть гранулированным и может содержать добавки. Кристаллическое взрывчатое вещество является предпочтительным для более высоких плотностей после прессовки, в то время как гранулированный материал является предпочтительным для более низких плотностей и пористых зарядов. Данные композиции способны воспламенять вторичные взрывчатые вещества без каких-либо добавок, хотя, если это желательно, такие добавки могут быть использованы согласно, например, указанному выше описанию US 5385098.

Вторичное взрывчатое вещество обычно прессуется до плотности, более высокой, чем объемная плотность, например порциями, для более однородной плотности, в больших зарядах или в одностадийной операции, для более маленьких зарядов или для создания градиента плотности, предпочтительно – с увеличением плотности заряда в направлении распространения реакции, получаемым соответствующим образом путем прессовки в обратном направлении.

Данный механизм воспламенения не требует какого-либо физического разделения вторичного взрывчатого вещества на переходную секцию и секцию детонации, но заряду может быть предоставлена возможность непосредственно инициировать обычный основной заряд без какого-либо замкнутого пространства или каких-либо ограничений кроме обычной оболочки детонатора. Является предпочтительным, однако, чтобы по меньшей мере переходная секция была помещена в определенном ограниченном пространстве, например с радиальным ограничением, соответствующим цилиндрической стальной оболочке толщиной между 0,5 и 2 мм, предпочтительно между 0, 75 и 1,5 мм.

Соответствующим расположением является включение как пиротехнического заряда, так и взрывчатого вещества, в переходную секцию в виде общего элемента, который вставляется в детонатор, при этом переходная секция обращена к основному заряду. Этот элемент может быть выполнен по существу цилиндрическим.

Лучшая герметизация получается, если передний конец снабжен ограничением, предпочтительно с отверстием, которое делает возможным легкое воспламенение. В качестве альтернативы или в дополнение к этому конец может быть снабжен изолирующим зарядом, предпочтительно одного из типов, описанных выше, этот изолирующий заряд может быть расположен перед замкнутым пространством, но предпочтительно располагается внутри замкнутого пространства. Из представленных соображений является очевидным, что данные композиции могут действовать в качестве как изолирующих зарядов, так и воспламеняющих зарядов, и в этом случае является необходимым только один заряд. В другом случае воспламеняющий заряд располагается между изолирующим зарядом и взрывчатым веществом.

Конструкция заднего конца сильно зависит от выбранного механизма детонации, который может быть любым из типов, которые описаны ранее и которые известны и могут не описываться здесь подробно. Предпочтительный тип NPED является типом, описанным в указанных патентах US 4727808 и US 5383098, которые включаются сюда в качестве ссылок.

Соответственно, в одном из осуществлений вторичное воспламеняемое взрывчатое вещество представляет собой донорный заряд для приведения в движение ударного диска через канал по направлению к вторичному взрывчатому веществу, которое должно от этого детонировать.

В другом осуществлении вторичное воспламеняемое взрывчатое вещество представляет собой первую часть переходной цепочки от мгновенного сгорания к детонации, при этом указанная цепочка предпочтительно также содержит вторую часть, содержащую вторичное взрывчатое вещество с плотностью, меньшей, чем у указанной первой части. Общим для всех этих механизмов детонации является то, что на более ранней стадии вторичное взрывчатое вещество воспламеняется до стадии горения или мгновенного сгорания с помощью по существу тепловыделяющих средств, причем для этих целей данные композиции подходят превосходным образом. Заряд располагается на воспламеняемом взрывчатом веществе таким образом, что оно подвергается воздействию тепла из заряда, и предпочтительно имеется непосредственный контакт между зарядом и взрывчатым веществом. Приведенные выше условия для рассматриваемых зарядов относятся к части, которая, таким образом, используется для воспламенения взрывчатого вещества.

Заряд может быть приготовлен с помощью способов, обычно используемых в данной области. Предпочтительный способ включает смешивание ингредиентов заряда, измельчение смеси до желаемого размера частиц в мельнице, обеспечивающей скорее разрушающие, чем сдвигаемое усилие, компактирование приготовленной таким образом смеси под высоким давлением в блоки, разрушение блоков для получения частиц, состоящих из более мелких частиц и, наконец, проведение операции просеивания для получения фракции желаемого размера.

Детонатор может быть приготовлен путем отдельной прессовки основного заряда в закрытом конце оболочки детонатора с последующей прессовкой пиротехнических зарядов по настоящему изобретению или оболочек в основной заряд. Замедляющий заряд может быть вставлен, если это желательно, с расположенным над ним зарядом переноса. Воспламеняющие средства располагаются в открытом конце оболочки, который изолируется с помощью пробки со средствами для подачи сигнала, такими как ударная трубка или электрические провода, проходящими через пробку.

ПРИМЕР 1
Воспламеняющий заряд из Al-Fe₂O₃ с двойным количеством Al по отношению к стехиометрическим пропорциям прессуют в стальную трубку, имеющую наружный диаметр 6,3 мм и толщину стенок 0,8 мм. Один конец указанной трубки открыт, а другой конец содержит диафрагму, имеющую отверстие с диаметром 1 мм. Воспламеняющий заряд прессуют в указанную диафрагму. Затем колонку PETN высотой 4 мм прессуют поверх него и, наконец, впрессовывают алюминиевый колпачок. Такие элементы изготавливают в количестве 100 штук. Затем элементы прессуют в стандартные алюминиевые оболочки, содержащие вторые части из вторичных взрывчатых веществ системы NPED.

Испытательные отстрелы показывают, что все детонаторы функционируют превосходным образом, и время работы, включая мгновенное сгорание трубки Нонеля (3,6 м), составляет не более 4 м/с.

Затем изготавливают 100 детонаторов такой же конструкции, но со стехиометрической пиротехнической композицией. При контрольном отстреле произошло две осечки, когда PETN не воспламенялись. Происходило увеличение времени работы детонатора до 8-10 м/с.

ПРИМЕР 2
Используют стальные трубки, имеющие наружный диаметр 6,3 мм, толщину стенок 0,5 мм и длину 10 мм. Один конец указанных трубок открыт, а в другом конце имеется диафрагма с отверстием, имеющим диаметр 1 мм.

Пиротехнические заряды для использования в качестве воспламеняющих зарядов прессуют в указанную диафрагму, а затем запрессовывают взрывчатые вещества PETN. Используют три типа не дающих шлаков инверсионных композиций, а именно, 40% Al + 60% Fe₂O₃; 20% Al + 80% Bi₂O₃ и 30% Al + 70% Cu₂O₃, все проценты представляют собой проценты массовые. Результатами экспериментов было то, что все заряды продемонстрировали приблизительно одинаковую способность к воспламенению вторичных взрывчатых веществ PETN. В целом можно сказать, что наилучшее воспламенение получается при плотности PETN 1, 3 г/куб.см, и что предел ухудшения воспламенения находится при плотности около 1,5 г/куб.см.

ПРИМЕР 3
В 20 инициирующих элементах в виде алюминиевых трубок, имеющих, каждая, длину 20 мм, внутренний диаметр 3 мм и внешний диаметр 6 мм, прессуют воспламеняющий заряд, состоящий из 20% массовых Ti + 80% массовых Bi₂O₃, в колонке высотой 5 мм. Рядом последовательно с ним запрессовывают колонку PETN с плотностью 1,3 г/куб. см.

Тем же путем производят 20 инициирующих элементов за исключением того, что воспламеняющий заряд (то есть 20% Ti + 80% Bi₂O₃) также содержит 8% массовых Fe₂O₃ в качестве добавки.

Этот эксперимент показывает, что все 40 детонаторов, содержащих указанные инициирующие элементы, работают превосходно и с качественной детонацией основного заряда.

ПРИМЕР 4
Влияние добавки Fe₂O₃ на воспламеняющий заряд, состоящий из 20% массовых Ti + 80% массовых Bi₂O₃, исследуют в отношении чувствительности к электростатическим разрядам в соответствии со стандартными способами исследования.

Чувствительность единственного заряда из 20% Ti + 80% Bi₂O₃, составляет – 0,5 мДж.

Добавление 2-10% массовых Fe₂O₃ к указанному заряду понижает чувствительность заряда до значительной степени (-2 – -5 мДж) и имеет значительное влияние на рабочие характеристики воспламеняющего заряда.

Формула изобретения

1. Детонатор, не содержащий первичное взрывчатое вещество, включающий оболочку с основным зарядом, содержащую вторичное взрывчатое вещество на одном ее конце, воспламеняющие средства, расположенные на ее противоположном конце, и промежуточную пиротехническую цепь, содержащую воспламеняющий заряд, преобразующую импульс воспламенения от воспламеняющих средств в детонацию основного заряда, отличающийся тем, что воспламеняющий заряд содержит металлическое горючее вещество, выбранное из Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, Zr, Hf, Al, Ga, In, Tl, и окислитель в виде оксида металла, выбранного из K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, причем металлическое горючее вещество присутствует в избытке по отношению к количеству, стехиометрически необходимому для восстановления имеющегося количества окислителя, причем воспламеняющий заряд сгорает с выделением исключительно горячих газов при высоком давлении, которые воспламеняют вторичное взрывчатое вещество основного заряда в состояние конвективного мгновенного сгорания с последующим переходом его в детонацию.

2. Детонатор по п.1, отличающийся тем, что металлическое горючее вещество является по меньшей мере на 0,5, предпочтительно по меньшей мере на 0,75 и более предпочтительно по меньшей мере на 1 В более электроотрицательным, чем металл из окислителя на основе оксида металла.

3. Детонатор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что металлическое горючее вещество выбирают из Mg, Al, Ca, Ti и Ga.

4. Детонатор по п.3, отличающийся тем, что металлическое горючее вещество выбирают из Al и Ti.

5. Детонатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что окислитель на основе оксида металла содержит металл, который выбирают из Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Ba, W, и Bi.

6. Детонатор по п.5, отличающийся тем, что металл выбирают из Mn, Fe, W и Bi.

7. Детонатор по п. 5, отличающийся тем, что оксид металла выбирают из MnO₂, Fe₂O₃, Fe₃O₄, Cu₂O, CuO и Bi₂O₃.

8. Детонатор по п.7, отличающийся тем, что сочетание металлическое горючее вещество – окислитель на основе оксида металла включает Аl в сочетании с оксидом Fe, Bi или Cu.

9. Детонатор по п.8, отличающийся тем, что сочетание представляет собой Аl-Fe₂O₃, Al-Bi₂O₃ или Al-Cu₂O, предпочтительно Аl-Fe₂O₃.

10. Детонатор по п.7, отличающийся тем, что сочетание металлическое горючее вещество – окислитель на основе оксида металла содержит Ti в сочетании с оксидом Bi, предпочтительно Ti-Bi₂O₃.

11. Детонатор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что количество металлического горючего вещества превышает более чем в 1 раз и менее чем в 12 раз, предпочтительно менее чем в 6 раз, более предпочтительно менее чем в 4 раза количество, стехиометрически необходимое для восстановления имеющегося количества окислителя на основе оксида металла.

12. Детонатор по п.11, отличающийся тем, что количество металлического горючего вещества превышает в 1,1 – 6 раз указанное стехиометрически необходимое количество.

13. Детонатор по п.12, отличающийся тем, что количество металлического горючего вещества превышает в 1,5 – 4 раза указанное стехиометрически необходимое количество.

14. Детонатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что процентное содержание металлического горючего вещества составляет 10 – 50 мас. %, предпочтительно 15 – 35 мас.%, более предпочтительно 15 – 25 мас.%, процентное содержание окислителя на основе оксида металла составляет 90 – 50 мас. %, предпочтительно 85 – 65 мас.%, более предпочтительно 75 – 65 мас.%, указанные процентные отношения берутся по отношению ко всей композиции воспламеняющего заряда.

15. Детонатор по п.14, отличающийся тем, что металлическое горючее вещество представляет собой Аl, а окислитель на основе металла является Cu₂O или Bi₂O₃, процентное содержание указанного горючего вещества составляет 15 – 35 мас.%, процентное содержание указанного окислителя составляет 65 – 85 мас.%.

16. Детонатор по п.14, отличающийся тем, что металлическое горючее вещество представляет собой Ti, а окислитель на основе оксида металла является Bi₂O₃, процентное содержание указанного горючего вещества составляет 15 – 25 мас. %, предпочтительно 20 мас.%, а процентное содержание указанного окислителя составляет 75 – 85 мас.%, предпочтительно около 80 мас.%.

17. Детонатор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что воспламеняющий заряд имеет такую композицию, что его скорость горения составляет между 0,001 и 50 м/с, предпочтительно между 0,005 и 10 м/с.

18. Детонатор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что воспламеняющий заряд содержит добавку из твердого компонента в виде металла и/или оксида.

19. Детонатор по п.18, отличающийся тем, что добавка присутствует в количестве 2 – 30 мас.%, предпочтительно 4 – 20 мас.%, более предпочтительно 5 – 15 мас.%, например 6 – 10 мас.%, по отношению к массе указанного воспламеняющего заряда.

20. Детонатор по любому из пп.18 и 19, отличающийся тем, что добавка представляет собой соединение, которое также является продуктом реакции между металлическим горючим веществом и окислителем на основе оксида металла.

21. Детонатор по любому из пп.18 и 19, отличающийся тем, что добавка представляет собой металл в виде макрочастиц.

22. Детонатор по п.21, отличающийся тем, что металл является твердым при температуре реакции воспламеняющего заряда.

23. Детонатор по любому из пп.18 – 21, отличающийся тем, что оксид выбирают из оксидов Аl, Si, Zn, Fe, Ti и их смесей.

24. Детонатор по п.23, отличающийся тем, что оксид является оксидом алюминия, оксидом кремния или их смесью.

25. Детонатор по п.23, отличающийся тем, что оксид является оксидом железа, в частности Fe₂O₃.

26. Детонатор по любому из пп.21 – 22, отличающийся тем, что металл выбирают из W, Ti, Ni, и их смесей и сплавов.

27. Детонатор по п.26, отличающийся тем, что металл является W, или смесью, или сплавом W и Fe.

28. Детонатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что воспламеняющий заряд прессуют и размещают в контакте с вторичным взрывчатым веществом.

29. Детонатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что воспламеняющий заряд размещают в контакте с вторичным взрывчатым веществом в пиротехнической цепи перед основным зарядом, где вторичное вещество окружено цилиндрическим кожухом.

30. Детонатор по п.29, отличающийся тем, что воспламеняющий заряд также расположен в цилиндрическом кожухе.

31. Детонатор по любому из пп.28 – 30, отличающийся тем, что плотность вторичного взрывчатого вещества вблизи воспламеняющего заряда составляет 60 – 100%, предпочтительно 70 – 99%, от кристаллической плотности вторичного взрывчатого вещества.

32. Детонатор по п. 31, отличающийся тем, что плотность вторичного взрывчатого вещества вблизи воспламеняющего заряда составляет 40 – 90%, предпочтительно 50 – 80%, от кристаллической плотности вторичного взрывчатого вещества.

33. Детонатор по любому из пп.29 – 32, отличающийся тем, что вторичное взрывчатое вещество в пиротехнической цепи является первой частью в цепочке перехода от мгновенного сгорания к детонации, при этом указанная цепочка предпочтительно также содержит вторую часть, содержащую другое вторичное взрывчатое вещество с плотностью более низкой, чем в первой части.

34. Детонатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что основной заряд представляет собой только вторичное взрывчатое вещество.

35. Детонатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что вторичное взрывчатое вещество выбирают из пентаэритритолтетранитрата (PETN), тринитрофенилметилнитрамина (тетрил) и тринитротолуола (TNT), предпочтительно оно является PETN.

РИСУНКИ