Bestämning av Gurney- och detonationsenergin för emulsionssprängämnen med hjälp av cylinderförsök

Transkript

1 Rapport 29:3 ISSN Bestämning av Gurney- och detonationsenergin för emulsionssprängämnen med hjälp av cylinderförsök Determination of the Gurney- and detonation energy for emulsion explosives with help of cylinder test Ulf Nyberg, Swebrec Mats Olsson, Swebrec Finn Ouchterlony, Swebrec

2

3 Swebrec Rapport 29:3 Bestämning av Gurney- och detonationsenergin för emulsionssprängämnen med hjälp av cylinderförsök Determination of the Gurney- and detonation energy for emulsion explosives with help of cylinder test Ulf Nyberg, Swebrec Mats Olsson, Swebrec Finn Ouchterlony, Swebrec Stockholm december 29 Swebrec - Swedish Blasting Research Centre Luleå University of Technology Department of Civil and Environmental Engineering Division of Rock Engineering

4

5 i Summary Nine cylinder tests for emulsion explosives in expanding Ø1/11 mm copper tubes are reported. The explosive recipe for pure emulsion respectively for blend of ANFO/AN-prills was formulated specifically for Swebrec:s test program. The primary goal was to verify earlier determinations of the explosive energy. In addition, recordings from streak camera and data from contact pins was evaluated for copper tubes 35 mm long and Ø6/72 mm filled with FOX12/TNT. The latter was cooperation between FOI- Swedish Defence Research Agency and Swebrec- Swedish Blasting Research Centre. The Gurney energy was calculated when the expansion velocity was almost constant i.e. at a volume of the explosives gases 7-8 times the original explosive volume. Expansion data for each explosive were fitted to the JWL- equation with help of a Matlab routine and the estimated JWL-parameters were used to calculate the detonation energy. Our conclusions, based on the measured data with Ø1/11 mm tubes are that there is no significant difference in the Gurney energy for the three explosives. The detonation energy increases somewhat with addition of AN/AN-prills, but the difference is small compared to the data scatter. This was basically the same results as for the earlier tests with similar emulsion explosives. The aim of the separate technique study with FOX12/TNT was to verify the contact pin data against streak camera data for two tests. The comparison shows that contact pin radial velocity data for the two shots agree well and that the streak recordings agree fairly well. The comparison of the two techniques shows that streak recordings give a 3-7 % lower radial velocity after approximately 3 μs. The two techniques can be a complement to each other. Keywords Explosives, emulsion explosives, cylinder tests, Gurney energy, detonation energy, streak camera.

6 ii Sammanfattning Nio cylinderförsök med detonerande emulsionssprängämne i expanderande Ø1/11 mm kopparrör rapporteras. Sprängämnesrecepten för ren emulsion och för inblandning av ANFO/ANprills har tagits fram tidigare speciellt för Swebrec:s olika försök. Det primära målet var att verifiera tidigare beräknade sprängämnesenergier. Dessutom har två tekniker, svepbildsteknik respektive punktvärden med kontaktpinnar, för mätning av expansionen, utvärderats för små kopparrör 35 mm långa och Ø6/72 mm fyllda med FOX12/TNT. Det senare var ett samarbete mellan FOI och Swebrec. Gurney-energierna har beräknats när expansionshastigheten var i det närmaste konstanta vilket inträffar när rörens volym är ca 7-8 gånger den ursprungliga volymen. Expansionsdata har passats till en JWL-tillståndsekvation med hjälp av en iterativ procedur i Matlab och JWLparametrarna användes för beräkning av detonationsenergin. Slutsatsen, utifrån uppmätta data för Ø1/11 mm rör är att det inte finns någon signifikant skillnad i Gurney-energierna för de tre sprängämnena. Detonationsenergin ökar något med tillsatser av AN/AN-prills men skillnaden är liten jämfört med dataspridningen. Vi fick tidigare ungefär samma resultat för liknade sprängämnen. Den separata teknikstudien med FOX12/TNT syftade till att med 2 skott verifiera tidigare utförda mätningar med kontaktpinnar. Jämförelser av radiella hastigheter för skott 1 med skott 2 visar att kontaktpinnarna ger god repeterbarhet och rätt god repeterbarhet för svepbildstekniken. Jämförelse av mätteknikerna har visat att svepbildstekniken ger 3-7 % lägre radiell hastighet för de två skotten efter ca 3 μs. Teknikerna kan komplettera varandra. Nyckelord Explosivämnen, emulsioner, cylinderförsök, Gurney-energi, detonationsenergi, svepkamera.

7 iii Innehåll 1 Inledning Försöksuppställningar och beräkningar Kalibreringar och beräkningar för Ø1/11 mm rör Beräkningar för Ø1/11 mm rör Kompletterande teknikstudie med FOX12/TNT Sprängämne Emulsion E Tillverkning av matris Tillverkning av emulsionsprängämne Slutlig sammansättning Emulsionens densitet i kopparrör FOX12/TNT Energier från emulsion E VoD och Gurney-energi Andra energier Tillsats av ANFO Tillsats av AN-prills Ren emulsion E Slutliga energier Kompletterande teknikstudie FOX12/TNT Resultat och diskussion Emulsionssprängämne Kompletteringsförsök Referenser Appendix... 36

8 iv Figurer Figur 2-1. Teknik för kalibrering av pinnarnas läge för Ø1/11 mm. Kalibreringsskivan (vänster) används för att fixera pinnhållaren (höger) och montera kontaktpinnarna. Hållaren är tillverkad av en så kallad bordhylsa av PVC. Se produktkatalog för plaströrsystem från aktiebolaget Jan O. Mattsson, Stockholm Figur 2-2. Kontaktpinnar i läge för mätning av expansion för försök R19 under 27 (vänster). Försöksuppställning i skyddsgrop initieras upptill med hjälp av en Nonel kapsel och en PETN- primer placerad i centrum av laddningen (höger)... 4 Figur 2-3. Pulser från en typisk registrering med 1 pinnar. Avläsning av tid sker för varje puls, mitt på den positiva flanken Figur 2-4. Försöksuppställning för jämförelse av pinn-data med Cordin-data. Till vänster, pinnar för mätning av radiell expansion och VoD. Till höger, ett bord med uppställda detaljer och splitterskydd... 7 Figur 3-1. Ren matris (vänster) och tillsats av ANFO (höger)... 1 Figur 3-2. Tillsats av GMB till matris A (emulsion+ 3 % av syrebalanserad ANFO). 11 Figur 3-3. Tillsats av GMB till matris B (emulsion+3 % AN-prills) Figur 3-4. Tillsats av GMB till matris C (ren emulsion) Figur 3-5. Fyllning av ett rör, luft sugs ut ur rörets ena ände och samtidigt hålls den andra änden i emulsionen i en 15 literspann (vänster). VoD- sond monteras genom ett litet hål centrisk placerat i bottenskivan (höger) Figur 3-6. Medelvärden och max/min för densiteten vid vägning av laddade rör på försöksplatsen Figur 4-1. Detonationshastigheten VoD för r14. Mätningen börjar vid punkten tid=. Den lilla spiken är troligen resultat av initieringen och utan betydelse för VoD som beräknas längs med den markerade linjen Figur 4-2. Ökning av rörets radie som funktion av tiden för r14. Linjen kan approximeras med en rät linje i övre delen där röret har ungefär konstant hastighet. Beräkningar TableCurve 2D Figur 4-3. Radiell expansion för r14 och r1. Försök r19 har inte använts för parameterbestämning på grund av att data saknas från pinne 9 och Figur 4-4. Kinetisk energi för r14 och r Figur 4-5. Kinetisk energi vid konstanta volymer, experimentella värden Figur 4-6. Detonationsenergin för r14 och r1 samt medelvärden för de båda Figur 4-7. Radiell expansion Figur 4-8. Kinetisk energi... 22

9 v Figur 4-9. Kinetisk energi vid konstanta volymer, experimentella värden Figur 4-1. Detonationsenergin Figur Radiell expansion Figur Kinetisk energi Figur Kinetisk energi vid konstanta volymer Figur Detonationsenergin Figur 5-1. Radiell förskjutning som funktion av tiden för pinnar (punkter) Swebrec och för svepbilder (linjer) för FOX12/TNT (Håkan Örnhed och Jonas Lundgren, FOI) Figur 5-2. Radiella hastigheten från svepbilder som funktion av tiden för två försök med FOX12/TNT (Håkan Örnhed och Jonas Lundgren, FOI) Figur 5-3. Linjepassning, skott 1, till pinndata och beräknad radiell hastighet till 1,385 mm/μs Figur 5-4. Linjepassning, skott 2, till pinndata och beräknad radiell hastighet till 1,392 mm/μs Tabeller Tabell 3-1. Matrisens recept Tabell 3-2. Emulsion A med 3 % tillsats av syrebalanserad ANFO med stegvis tillsats av GMB med från en matrisdensitet 1,333 g/cc Tabell 3-3. Emulsion B med 3 % AN-prills och tillsats av GMB från en matrisdensitet av 1,383 g/cc Tabell 3-4. Ren emulsion C med tillsats av GMB från en matrisdensitet av 1,418 g/cc.11 Tabell 3-5. Slutlig sammansättning av de tre varianterna av testade emulsionssprängämnen Tabell 4-1. Försök med ren emulsion E682. För försök nr. 4 är R5 R22 för 3 värden Tabell 4-2. Försök med ren emulsion 682 och 3 % AN-Prills. Regn under försök nr Tabell 4-3. Försök med ren emulsion E682 och 3 % ANFO Tabell 4-4. JWL- parametrar för de tre emulsionssprängämnena Tabell 5-1. Slutlig jämförelse av radiella hastigheter... 29

10 vi

11 1 1 Inledning En av de försöksmetoder som Swebrec använder inom detonikprojekten, är den så kallade cylinderexpansionsmetoden som utvecklats av Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), se Kury m.fl. (1965). Metoden går ut på att mäta expansionen, när ett sprängämne i ett värmebehandlat kopparrör detonerar. Mätningen har utförts med hjälp av så kallade kontaktpinnar och mätvärdena består av punktvärden för kopparrörens volymexpansion, se Nie (21) och Nyberg (23). Syftet är att karakterisera civila sprängämnen och beräkna deras arbetsförmåga. Arbetsförmågan kan beräknas ur kopparrörets så kallade Gurney-hastighet d v s den hastighet röret har när den är i det närmaste konstant, vilket inträffar då rörets volym är ca 7-8 gånger den ursprungliga volymen. Den beräknade rörelseenergin kallas Gurney-energin. Se Miller och Alexander (1989). Den så beräknade verkningsgraden för ett emulsionssprängämne är grovt räknat 6-7% av den tillgängliga kemiska energin, något lägre för ANFO-sprängämnen. Skillnader i arbetsförmåga mellan kemiska beräkningar och cylinderförsök har också rapporterats för emulsionssprängämnen av Sanchidrián och López (26). Det övergripande målet för nuvarande detonikprojekt är att utnyttja sprängämnesenergin optimalt genom at styra energiöverföringen från sprängämne till berg och att kvantifiera energiförlusterna i närzonen utanför en laddning. I praktisk bergsprängning produceras en del av den totala mängden finmaterial nära spränghålen. En uppskattning av den totala använda fragmenteringsenergin visar att den är låg, endast,1-,2 % av tillgänglig kemisk energi. Se Less Finesprojektet, Ouchterlony (23). SveBeFo 22 och Swebrec har genomfört 58 försök på 11 civila emulsionssprängämnen i kopparrör Ø4-1 mm för beräkning av Gurney-energin, se Arvanitidis m.fl. (24). Detonationsenergin är ett mått på spränggasernas expansionsarbete. Se Souers och Haselman (1994). Under augusti 25 genomfördes ytterligare 6 cylinderförsök med Ø1/11 mm för bestämning av Gurney-energin och detonationsenergin, se Esen m.fl. (25). För att öka sprängämnets energiinnerhåll vid bergsprängning används ibland t ex aluminium som tillsats. Därför var tre rör laddade med rent emulsionssprängämne som referens och 3 rör med 6 % Alinblandning. I denna rapport redovisas resultaten dels från försök och dels från beräkningar av Gurney- och detonationsenergin för 9 stycken expansionsförsök med emulsionssprängämne. Sprängämnet var laddat i ca 1 meter långa kopparrör Ø1/11 mm och försöken genomfördes under juni

12 2 27 på FOI, Grindsjön. Syftet var att verifiera tidigare cylinderförsök med ANFO/ANinblandning. Försöken har genomförts med samma metod som tidigare använts inom projektet. Emulsionsrecepten, som också använts tidigare, har tagits fram i samarbete med Orica Mining Services och Kimit AB och tillverkats under ledning av Hans Perlid och Jenny Lindgren, Orica Mining Services och Hans Karlström, Kimit AB. Försöken har genomförts på FOI, Grindsjön av Ulf Nyberg och Mats Olsson, Swebrec och med hjälp av Jenny Lindgren och Zongxian Zhang från LKAB. Förutom försöken i Ø1/11 mm rör redovisas resultat från en separat teknikstudie genomförd under september 28 för små kopparrör 35 mm långa och Ø6/72 mm fyllda med det militära sprängämnet FOX12/TNT. Studien var ett samarbetsprojekt mellan FOI och Swebrec som för Swebrec:s del syftade till att öka noggrannheten i cylinderförsöken och verifiera resultaten från en mätmetod som använts i de tidigare utförda cylinderförsöken. Håkan Örnhed och Jonas Lundgren har ansvarat för FOI:s del av fältarbetet och framtagning av data. Teknikstudien gick ut på att mäta ankomsttiderna med hjälp av kontaktpinnar när ett kopparrör laddat med ett militärt sprängämne detonerar. Som jämförande teknik användes en svepbildsteknik, se t ex Nyberg m.fl. (1995), Deng m.fl. (1999) och Helte m.fl. (26). Genom att oberoende utvärdera expansionsdata från filmerna (FOI) och från kontaktpinnarna (Swebrec) verifierar vi förhoppningsvis pinntekniken.

13 3 2 Försöksuppställningar och beräkningar 2.1 Kalibreringar och beräkningar för Ø1/11 mm rör Varje rör är ca 1 m långt och Ø1/11 mm. Rörväggen är nominellt 5 mm d v s 1/1 av rörets radie vilket kallas half wall. Pinnarna sitter på 1/3 rörlängd från botten med första pinnen ca,6 mm från rörväggen. Pinne nr. 1 sitter på avståndet 84,6 mm från första pinnen. Pinnarnas läge och riktning bestäms vid monteringen i hållaren med hjälp av ett kalibreringsverktyg enligt Figur 2-1 och inbördes avstånden blir därför noggrant bestämda. Pinnarna är orienterade vinkelrät mot rörets symmetrilinje med hjälp av hållaren. Figur 2-1. Teknik för kalibrering av pinnarnas läge för Ø1/11 mm. Kalibreringsskivan (vänster) används för att fixera pinnhållaren (höger) och montera kontaktpinnarna. Hållaren är tillverkad av en så kallad bordhylsa av PVC. Se produktkatalog för plaströrsystem från aktiebolaget Jan O. Mattsson, Stockholm. I Figur 2-2 visas en försöksuppställning. Av säkerhetsskäl är uppställningen placerad i en grävd grop för att splitter från röret skall fångas av gropens väggar. All övrig kringutrustning t ex elektronik, finns i skydd utanför gropen. Initieringen sker centralt i toppen av laddningen med hjälp av Nonel- upptändning och en cirkulär primer av PETN som täcker en del av emulsionens övre yta. PETN har högre VoD än emulsionssprängämnet. Inför varje försök mäts och justeras centreringen av kopparröret och stödet, pinnarnas rotationssymmetri kring röret (samma avstånd runt om till pinne 1), första pinnens avstånd till röret och primerns läge. Varje mätning ger detonationshastigheten VoD, m/s (Appendix A) och den radiella expansionen Δ rm i mm som funktion av tiden i μs (Appendix B). Detonationshastigheten VoD mäts med en ca

14 4 9 cm lång VoD-sond eller Proberod som har resistansen 36,9 ohm/m (MREL). Se avsnitt Sonden placeras i sprängämnet längs med rörets axel och mäter indirekt kontinuerligt VoD som överförs via en koaxialkabel GR 58 till instrumentet Microtrap (MREL). Figur 2-2. Kontaktpinnar i läge för mätning av expansion för försök R19 under 27 (vänster). Försöksuppställning i skyddsgrop initieras upptill med hjälp av en Nonel kapsel och en PETN- primer placerad i centrum av laddningen (höger). Figur 2-3 visas exempel på 1 st. pulser med vidden,5 μs, där varje puls representerar den tid då rörets yttervägg vid expansionen kommer i kontakt med en kontaktpinne (CA 141-C från Dynasen Inc). Avläsningen sker på positiva flanken på halva höjden. De 1 pulserna mäts radiellt röret under ca 7-8 μs. Varje kontaktpinne är kopplad till en insamlingsenhet som överför de 1 analoga pulserna till en enkel kanal som i sin tur är kopplad till ett digitalt oscilloskop (LeCroy 9354A). Signalerna samplas med 1 MS/s. Expansionshastigheten beräknas utifrån pinnarnas uppmätta avstånd till röret och gångtiden. Hastigheten mellan två godtyckliga pinnar blir alltså Δs/Δt. Voltage Time (µs) Figur 2-3. Pulser från en typisk registrering med 1 pinnar. Avläsning av tid sker för varje puls, mitt på den positiva flanken.

15 Beräkningar för Ø1/11 mm rör Rörets väggtjocklek vid utgångsläget före expansion är nominellt 5, mm men under expansionens gång tunnas väggen ut. För att kunna beräkna rörelseenergin används en fiktiv radie som ligger mellan rörets ytter- och innerradie. Se Hornberg&Volk (1989). Avståndet från röret till den yttersta pinnen är ca 85 mm. Röret har när det träffar yttersta pinnen expanderat till volymen v/v 7-8, med ursprungsvolymen v och rörväggen börjar då sannolikt fragmenteras. Uppsamlade fragment vittnar om detta. De avlästa pulsvärdena utvärderas med hjälp av minsta kvadratpassning till ekvation 1 som har 3 modellparametrar. Se Hornberg& Volk (1989). Radiella expansionen ges av, Δr m = a {t exp - t -1/b (1-expo -b(t exp - t )} (1) Parametrarna i ekvation 1 är a, b och t med a som rörets asymptotiska radiella hastighet och 1/b som tiden för rörets acceleration. De uppmätta kvantiteterna är expansionen Δr m och motsvarande tid t exp. I och med att den första pinnen sitter ca,6 mm från rörets vägg och att tiden t då expansionen börjar inte mäts direkt så är t satt som en fri parameter. Tidsförskjutningen t = t exp - t gör alltså att första pinnen definierar starttiden och att jämförande utvärdering blir lättare. Gurney-ekvationen, se Gurney (1943), används för att beräkna kopparrörets och gasernas rörelseenergi när rörets hastighet är i det närmaste konstant d v s när v/v 7-8. Detta kallas Gurneyenergin. Rörväggens verkliga hastighet U L är inte radiellt riktad beroende på att detonationshastigheten VoD är riktad längs med röret. Rörväggen har en rörelseriktning på ca 7 grader i förhållande till den radiella riktningen och U L beräknas ur, U L = 2 VoD sin (Ø /2). (2) Utslagsvinkeln Ø i förhållande till den radiella riktningen med hastigheten U m beräknas ur, Ø = arctan (U m /VoD). (3) Med några vanliga värden för den radiella rörelsen U m och VoD blir Ø knappt 14 grader för vanliga civila sprängämnen.

16 6 Rörets verkliga rörelseriktning är alltså hälften av utslagsvinkeln Ø och U m är den radiella asymptotiska hastigheten beräknad som parametern a med hjälp av passning av ekvation 1 till mätdata. För beräkning av Gurney-energin E G används slutligen, E G = U Lmax /2 (M/C+1/2). (4) Den maximala vägghastigheten är U Lmax och M/C är förhållandet mellan kopparns respektive sprängämnets massor. Rörens väggtjocklek varierar i praktiken något, både mellan de olika rören och runt om enskilda rör. Mätning av godstjockleken ca 1 cm radiellt för rörens båda ändarna ger dels värden för T max /T min som är mindre än 1,3 för alla rören och dels ett medelvärde T pinn för godstjockleken. Vid varje försök orienteras alltså röret med den uppmätta sektorn mot pinnarna. Vid beräkning av M i ekvation 4 används förhållandet T pinn /T m som en faktor med T m som är godsets medeltjocklek. För beräkning av gasernas trycktillstånd P s (v/v ) används JWL (Jones-Wilkins-Lee) ekvationen, se t ex Souers och Haselman (1994). Trycket kan beräknas som, P s (v/v ) = A exp(-r 1 (v/v ))+B exp (R 2 (v/v ) + C(v/v ) -(ω+1), (5) med modellparametrarna A, R 1 B, R 2, C och ω. För beräkning av totalenergin E s (v/v ) i Ekvation 6, integreras tryckekvationen 5, E s (v/v ) = (A/R 1 ) exp(-r 1 (v/v ))+(B/ R 2 ) exp (R 2 (v/v ) + C(v/v ) -(ω+1), (6) vilket ger den maximala totalenergin E s (vj/v ) vid detonationspunkten. När volymen (v/v ) ökar d v s när röret expanderar, så minskar E s (v/v ) d v s för v/v, E s (v/v ). Detonationsenergin E d (v/v ) är enligt ekvation 7, E d (v/v ) = {(E s (vj/v ) - E s (v/v )} - E c, (7) med E c som den energi som åtgår för att komprimera sprängämnet från tillverkningsvolymen upp till detonationspunkten där det har den specifika volymen vj (m 3 /kg). När energierna (E s (vj/v ) - E s (v/v ) = E c så är E d (v/v ) = vilket inträffar när v/v,92.

17 7 Vid stor expansion när v/v gäller att detonationsenergin E d (v/v ) närmar sig ett maximalt värde som är sprängämnets kemiska energi q E. För E s ( ) = insatt i ekvation 7 gäller då att, E = E s (vj/v ) E c. (8) Detonationsenergin blir enligt ekvation 7 och ekvation 8 skillnaden mellan kemiska energin och kompressionsenergin, E d (v/v ) = E E s (v/v ). (9) 2.2 Kompletterande teknikstudie med FOX12/TNT Två försök genomfördes med ett militärt sprängämne, FOX12/TNT (45/55 %), med en uppställning enligt Figur 2-4. Syftet från Swebrecs sida, var att verifiera pinntekniken som använts för tidigare cylinderförsök. De två teknikerna jämförs genom att rörets expansion eller förskjutning som funktion av tiden mäts. Expansionen mäts dels med pinnarna som är placeras på ett bord vänstra bilden och dels med en Cordinkamera modell 116 i svep mod med en roterande spegel. Ljuset tas in via en spegel, se högra bilden. För övrig information om svepbildstekniken, se t ex Figur 2-4. Försöksuppställning för jämförelse av pinn-data med Cordin-data. Till vänster, pinnar för mätning av radiell expansion och VoD. Till höger, ett bord med uppställda detaljer och splitterskydd. Bilden till vänster visar röret som är 35 mm långt och har diametern Ø72/6 mm. Röret justeras med hjälp av laserteknik så att det ligger rätt i kamerans optiska strålgång. En vertikal rad med 6 kontaktpinnar är till för att mäta VoD. Pinnarna ligger nära rörets mantelyta. En annan uppsättning horisontellt placerade pinnar är till för att mäta rörets expansion. Avstånden mellan röret och de horisontella pinnarna är anpassade för mätning under ca 5 μs. En linjal markerar Cordinkamerans spaltläge och ger skalan.

18 8 Till höger visas ett bord för försöksuppställningen. Bordet är justerat i planläge. På bordet står ett vertikalt kopparrör med FOX12/TNT för toppinitiering. Initieringen sker automatiskt från kameran utifrån vald svephastighet och inställda tider på en fördröjningsenhet. Kameran är kopplad till en tändapparat (RISI, FE 16) för initiering av EBW-kapslar. Med hjälp av en RP8 EBW-kapsel initieras de två noggrant uppmätta pentylstubinerna 1 g/m i en punkt som i sin tur initierar en planvågslins i toppen på röret och en argongasblixt med sprängdeg. Se det horisontella röret. För att åstadkomma en ljusblixt, initierar sprängdegen en stötvåg in i röret som är fyllt med argongas. Gasen genererar då en ljusblixt med en varaktighet som bestäms av tiden för stöten att utbreda sig i röret. Rörets längd bestämmer alltså varaktigheten. Om alla tider är rätt inställda kommer argonblixten att börja lysa strax innan kopparväggen börjar röra sig (mitt för linjalen).

19 9 3 Sprängämne Det civila sprängämnet tillverkades i Gyttorp under perioden juni 27. Det är samma grundrecept som använts tidigare i försöksserien d v s ren emulsion E682 som också används som referens. Se grundreceptet Nie m.fl., (2). I grundreceptet, har vi blandat in olika tillsatser för att ändra energiinnehållet. Efter tillverkningen transporterades sprängämnet i tunnor till sprängplats 42, FOI Gindsjön, där vi inom några dagar, fyllde kopparrören och genomförde försöken under perioden Det var alltså ca 2 veckor mellan tillverkning och rörfyllning. Recepten har förutom ett undantag, E682+3% AN-prills, tillverkats för en verifiering av tidigare försök med ren E682 och E % ANFO. Se Esen m.fl. (25). Det nya sprängämnet, E682+3% AN-prills, var intressant på grund av de säkrare transporterna man kan genomföra med torra AN-prills. Skillnaden mellan E682+3 % ANFO och E682+3% AN-prills är alltså att ANFO innehåller olja vilket inte är fallet med AN-prills. Det militära sprängämnet FOX12/TNT (45/55 %) som använts för cylinderförsöken/teknikstudien kommer från Eurenco Bofors AB, Karlskoga och har gjutets (kutsar) av Nammo Liab AB Lindesberg. Slutlig bearbetningen och laddning av kutsarna i rör har gjort av Hans Edvinsson, FOI, Grindsjön. 3.1 Emulsion E682 Totalt tillverkades ca 2 kg emulsionsmatris. Först tillverkades grundmatrisen. Därefter klargjordes två satser av grundmatrisen för tillsats av ANFO respektive AN-prills. De tre satserna känsliggjordes till sist med glasmikrosfärer 3M K2 GMB, tills dess att slutlig densitet för sprängämnet uppnåtts. Tillsatserna blandades i matrisen med hjälp av en så kallad pin- mixer. Se Figur Tillverkning av matris Matrisen tillverkades till 2/3 syrebalanserad och till 1/3 med bränsleöverskott, för att den senare skulle bli syrebalanserad efter inblandning av 3 % AN-prills som inte var syrebalanserat. Tabell 3-1 visar matrisrecepten. För matris 1, se totalreceptet, emulgerades 94,% saltlösning med 6, % bränsleblandning och för matris 2 emulgerades 91,45 % saltlösning med 8,55 % bränsle.

20 1 Syrebalansen för de bägge blir då -,54 % respektive -9, 29 %. Figur 3-1 visar grundmatrisen och inblandning av ANFO alternativt AN-prills. Tabell 3-1. Matrisens recept. Recept Matris Tillsats Vikt % Totalrecept % 1. Syrebalanserat 2. Extra Bränsle Saltlösning AN 72 67,68 65,85 SN 12 11,28 1,97 Vatten 16 15,4 14,63 Bränsle Olja 75 4,5 6,41 Emulgator 25 1,5 2,14 Figur 3-1. Ren matris (vänster) och tillsats av ANFO (höger). Tre emulsionsblandningar bereddes enligt följande. A: 7% syrebalanserad (-,54) matris blandat med 3% syrebalanserad ANFO, se Figur 3-1. B: 7% matris med bränsleöverskott (-9,29) blandat med 3% AN-prills. C: Ren syrebalanserad matris (referens). Cirka 55 kg matris tillverkades för var och en av emulsionsblandningarna A, B och C. Alla tre blandningarna blev sedan känsliggjorda med 3M K2 GMB, till en densitet av 1,16-1,18 g/cc Tillverkning av emulsionsprängämne Tabell 3-2 till Tabell 3-4 nedan visar värden för densitetsminskningen då GMB tillsätts stegvis. Steg ett avser första tillsatsen d v s första sänkningen från ursprungsdensiteten. För varje tillsats vägs en känd volym och densiteten beräknas tills dess att slutdensiteten är uppnådd.

21 11 Tabell 3-2. Emulsion A med 3 % tillsats av syrebalanserad ANFO med stegvis tillsats av GMB med från en matrisdensitet 1,333 g/cc. Steg Tillsats K2 Densitet g/cc Matrisdensitet 1, g 1, g 1, g 1, g 1,175 Tabell 3-3. Emulsion B med 3 % AN-prills och tillsats av GMB från en matrisdensitet av 1,383 g/cc. Steg Tillsats K2 Densitet g/cc Matrisdensitet 1, , g 1, g 1, g 1,162 Tabell 3-4. Ren emulsion C med tillsats av GMB från en matrisdensitet av 1,418 g/cc. Steg Tillsats K2 Densitet g/cc Matrisdensitet 1, ,176 1,5 1,45 1,4 Densitet Linjär densitet 1,35 1,333 Densitet [g/cm 3 ] 1,3 1,25 1,2 1,264 1,21 1,192 1,24 1,175 1,15 1,1 1, Tillsatt mängd K2 [g] Figur 3-2. Tillsats av GMB till matris A (emulsion+ 3 % av syrebalanserad ANFO).

22 12 1,5 1,45 1,4 1,35 1,383 Densitet Linjär densitet Densitet [g/cm 3 ] 1,3 1,25 1,2 1,218 1,214 1,188 1,15 1,162 1,1 1, Tillsatt mängd K2 [g] Figur 3-3. Tillsats av GMB till matris B (emulsion+3 % AN-prills). 1,5 1,45 1,4 1,418 Linjär densitet 1,35 Densitet [g/cm 3 ] 1,3 1,25 1,2 1,15 1,176 1,1 1, Tillsatt mängd K2 [g] Figur 3-4. Tillsats av GMB till matris C (ren emulsion). Densitetskurvorna ovan, för A (emulsion+3 % syrebalanserad ANFO) och B (emulsion+3 % AN-prills) har en anomali efter andra punktvärdet. Möjliga förklaringar är att temperatur och volym minskat vilket ökat densiteten och/eller att luft funnits med i vägda volymer. Densiteten för respektive sats är beräknad utifrån vägningarna med hjälp av en precisionsvåg och ett volymsmått Slutlig sammansättning Efter att glasmikrosfärerna GMB tillsatts till rätt densitet, har slutlig sammansättningen beräknats. Tabell 3-5 nedan visar sammansättningen och syrebalansen. De tre recepten A, B och C i

23 13 tabellen är något underbalanserade när det gäller syret (OB) vilket inte bedöms påverkat resultaten nämnvärt. Summan i procent för prov B är inte 1 % och mängden GMB i prov C är låg vilket bör bero på att noggrannheten för vissa vägda mängder varit för låg. Till exempel så är matrismängderna på 55 kg sannolikt vägda med annan noggrannhet än tillsatserna, vilket kan förklara avvikande värden i Tabell 3-5. Tabell 3-5. Slutlig sammansättning av de tre varianterna av testade emulsionssprängämnen. Sammansättning Prov A, 3 % ANFO % OB (ämne) % OB % AN 46,11 2, 9,22 SN 7,69 47,6 3,62 H2O 1,25, Olja 3, 7-343, -1,52 Emulgator 1,2-263, -2,69 A NFO 29,2, G MB 2,67, S umma 1, -,36 Sammansättning Prov B, 3 % A N-prills % OB (ämne) % OB % AN 44,78 2, 8,96 SN 7,46 47,6 3,51 H2O 9,95, Olja 4, , -14,78 Emulgator 1,44-263, -3,78 AN-pills 29,15 2 5,83 G MB 2,84, S umma 99,93 -,26 Sammansättning Prov C, ren emulsion % OB (ämne) % OB % AN 66,23 2, 13,25 SN 11,4 47,6 5,19 H2O 14,72, Olja 4, 4-343, -15,1 Emulgator 1,47-263, -3,86 GMB 2,14, Summa 1, -, Emulsionens densitet i kopparrör I Figur 3-5 visas en del av förberedelserna inför försöken. Först kontrollvägdes och mättes rören. Plastdetaljerna vägdes också. Därefter fylldes rören med de tre typerna av sprängämne och vägdes igen. Sprängämnet bör då vara så homogent som möjligt för att vid senare försök undvika störda expansionsdata på grund av t.ex. luftfickor i sprängämnet.

24 14 Efter fyllning och vägningen monteras en VoD- pinne genom ett litet centriskt hål i bottenplattan. Pinnens exakta läge längs röret är däremot inte känd. Figur 3-5. Fyllning av ett rör, luft sugs ut ur rörets ena ände och samtidigt hålls den andra änden i emulsionen i en 15 literspann (vänster). VoD- sond monteras genom ett litet hål centrisk placerat i bottenskivan (höger). I Figur 3-6 visas slutliga medeldensiteten efter fyllning i kopparrör, vilken använts vid beräkningarna. Den är högre eller lika med densiteten vid tillverkningen, se värdenas lägen i figuren. För emulsion med AN-prills stiger densiteten från 1162 kg/m 3 till i medeltal 1192 kg/m 3 i kopparrör, d v s en höjning med knappt 3 %. Trenden för ren emulsion E682 är den samma, densiteten ökar från 1176 kg/m 3 till 123 kg/m 3 i medeltal vilket är knappt 2,5 %. För ANFOinblandad emulsion, ligger densiteten i medeltal på samma nivå som vid tillverkningen i Gyttorp. Onoggrannheten i densitet bedöms som rimlig med tanke på 1) de relativt små stickproven vid tillverkningen, 2) på temperaturskillnaden mellan vägning av den nytillverkade emulsionen och den i rör laddade emulsionen - emulsionen var förhållandevis varm efter tillverkningen men i kopparrören hade sprängämnet normal försommartemperatur och 3) att emulsionen med inblan- AN-prills kan minska en del i volymen mellan tillverkningen och fyllningen i rör därför att dad de torra AN-kornen tar upp lite olja, vilket höjer densiteten. I analysen har medeldensiteten från vägningarna i laddade kopparrör på försöksplatsen använts d v s de värden som Figur 3-6, vertikala axeln, anger för de tre olika emulsionerna.

25 "ANFO" 1195 "ANprills" Densitet i kopparör kg/m "ren 682" "Medel ANFO" "Medel ANprills" "Medel 682" Densitet vid tillverkning kg/m 3 Figur 3-6. Medelvärden och max/min för densiteten vid vägning av laddade rör på försöksplatsen. 3.2 FOX12/TNT Teknikstudien genomfördes med hjälp av det militära sprängämne FOX12/TNT (45/55 %). Sprängämnet tillverkades i kutsar som staplades i de två kopparrören med nominellt Ø6, mm. Kutsarnas diameter var Ø59,99 mm och densiteten ρ m = 1,6-1,66 g/cm 3. Sprängämnets totalvikter för de två försöken var 1 598,7 respektive 1 64,95 g. För att få bra passning mellan rör och sprängämne, har man först värmt kopparröret och kylt kutsarna så att skillnaden blir ca 2 C. Därefter har kutsarna monterats i röret. När sedan rör och kutsar har fått samma temperatur, klämmer röret något på kutsarna vilket ger en god akustisk koppling mellan sprängämne och rör, Edvinsson, (29).

26 16 4 Energier från emulsion E682 Grunddata är detonationshastigheten VoD m/s och sträcka-tid mm/μs för den radiella expansionen Δr m för Ø1/11 mm. Utifrån dessa data beräknas Gurney-energin E g och detonationsenergin E d till en expansion motsvarande ett praktiskt sluttryck på ca 2 MPa. Figur 4-1 visar en typisk registrering av VoD, som mäts för varje försök längs med ca 9 cm av rörets nedre del. Röret är totalt en meter långt vilket innebär att VoD för ca 1 cm vid initieringspunkten saknas. Sprängämnet initieras ungefär vid tiden och mätningen börjar alltså ca 1 cm ner i röret vid den lilla spiken som är resultatet av initieringen. VoD bör vara konstant längs den nedre halvan av röret vid toppinitiering. Därför passas en rät linje till VoD-data (den markerade delen i figuren). En viss run down - sträcka är förväntad på grund av att primerns VoD p > VoD e för emulsionen, men detta syns inte på linjen i figuren. För VoD-data se Appendix B. Rörets radiella expansion Δr m mäts med kontaktpinnar radiellt placerade på höjden 1/3 m upp från rörets nedre ände. Pinnarna ligger på radiella avstånden, δ + (9,4 18,8 28,2 37,6 47, 56,4 65,8 72,2 84,6 mm). Pinne ett ligger på avståndet δ ca,6 mm från rörets yta. Se Figur 2-2. Eventuella stötreflektioner från rörens botten bedöms inte påverka mätningen på grund av den valda placeringen av kontaktpinnarna. Röret har expanderat åtminstone till den yttersta pinnen innan en stötreflex har nått mätområdet. Figur 4-2 visar ett exempel av en typisk linjepassning till expansionsdata från r14 för beräkning av modellparametrarna i ekvation 1. Den så kallade koefficient of determination r 2 ligger alltid över,9998 för de utvärderade cylinderförsöken. Alla expansionsdata finns i Appendix B.

27 17 Avstånd(m) MicroTrap VOD Data,9,8,7,6,5,4 5134,5 m/s,3,2,1, -,1 -,1 -,5,,5,1,15,2,25,3,35 Tid (ms) Figur 4-1. Detonationshastigheten VoD för r14. Mätningen börjar vid punkten tid=. Den lilla spiken är troligen resultat av initieringen och utan betydelse för VoD som beräknas längs med den markerade linjen. Residuals [3] Residuals [3] Delta R, mm r 2 =, Texp, mikrosekunder Delta R, mm Figur 4-2. Ökning av rörets radie som funktion av tiden för r14. Linjen kan approximeras med en rät linje i övre delen där röret har ungefär konstant hastighet. Beräkningar TableCurve 2D.

28 VoD och Gurney-energi Utifrån de bestämda modellparametrarna i ekvation 1, beräknas med hjälp av ekvation 2 Gurney-hastigheten U L och Gurney-energin E g ur ekvation 4. Se tabellerna nedan. Kolumnerna innehåller sprängämnenas densitet, detonationshastigheterna VoD, rörens väggtjocklek t pin. Passningsparametrarna är a (sluthastigheten) och 1/b (accelerationsfasens tid). För sprängämne och rör gäller massrelationen M/C och för energierna Gurney-hastigheten U L = U Lmax och maximala Gurney-energin E g =E gmax. VoD minskar något med inblandning av AN/AN-prills jämfört med ren emulsion. Förhållandet VoD AN/ANprills /VoD ren,9 d v s VoD blir ca 1 % lägre med tillsatsen. Detonationstrycket P och borrhålstrycket blir därför lägre enligt uppskattningen P = 1/8ρ VoD 2. Gurney-energin bör också minska enligt ekvation 4 men medelvärdena för Gurney-enerierna ligger för nära varandra för att man skall kunna dra säkra slutsatser. Se tabellerna nedan. Som jämförelse till data i Tabell 4-1 finns resultat från försök under 25 med ren E682. Se Esen m.fl (25). Där hade vi en sprängämnesdensitet på 1178 kg/m 3 och VoD uppmättes till 5,87 km/s d v s inom standardavvikelsen. E g beräknades till 1,915 ±,83 MJ/kg vilket är likvärdigt med tabellvärdet nedan. Vi ser alltså ingen skillnad på resultaten för de två olika försöksserierna för ren E682. Mellan utfördes försök med emulsion i Ø1/11 mm rör och E g var för ren E682 och för E682+3 % ANFO 1,85 ±,57 respektive 1,875±,77 MJ/kg. Jämför med tabellerna nedan. Skillnaden mellan försöken är också här obetydlig. Tabell 4-1. Försök med ren emulsion E682. För försök nr. 4 är R5 R22 för 3 värden. Försök nr. Densitet VoD t pin a 1/b M/C U L E g kg/m 3 km/s mm km/s μs m/s MJ/kg 4, R5, LC ,881 5,2 1,588 5, R22, LC ,688 5,14 1,381 14,248 1,634 1,352 1,949 6, R28, LC ,838 5,18 1,32 13,27 1,64 1,299 1,85 Medelvärden 123 5,82 5,11 1,35 13,638 1,62 1,325 1,877 Stdav. 1,11,8,43,863,29,37,12 Tabell 4-2. Försök med ren emulsion 682 och 3 % AN-Prills. Regn under försök nr. 3. Försök nr. Densitet VoD t pin a 1/b M/C U L E g kg/m 3 km/s mm m/s μs m/s MJ/kg 1, R33, LC ,474 5,17 1,399 13,116 1,653 1,366 2,8 2, R26, LC ,263 5,23 1,335 12,213 1,612 1,34 1,795 3, R16, LC ,146 5,2 1,341 1,66 Medelvärden ,294 5,14 1,358 12,665 1,624 1,335 1,91 Stdav. 3,166,11,35,638,25,44,151

29 19 Tabell 4-3. Försök med ren emulsion E682 och 3 % ANFO. Försök nr. Densitet VoD t pin a 1/b M/C U L E g kg/m 3 km/s mm m/s μs m/s MJ/kg 7, R19, LC ,29 5,24 1,386 13,794 1,614 1,35 1,927 8, R14, LC ,134 5,15 1,355 16,638 1,664 1,321 1,888 9, R1, LC ,188 5,17 1,348 15,839 1,67 1,315 1,877 Medelvärden ,177 5,19 1,363 15,424 1,649 1,329 1,898 Stdav. 2,39,5,2 1,467,31,19, Andra energier Detonationsenergin E d (v/v ) beräknas här som funktion av volymförhållandet v/v. Skillnaden mellan energin E vid full expansion och totala energin E s (v/v ) vid kompression ger E d (v/v ) = E E s (v/v ). Se ekvation 9. För beräkningar av detonationsenergin används JWL-ekvationen (Jones-Wilkins-Lee) som är vanlig inom detoniken. Före beräkningarna av detonationsenergierna bestäms för varje försök dels JWL- parametrarna och dels energin E med hjälp av en iterativ procedur i Matlab. Ett antal värden på E ansätts tills bästa passning uppnås. Därefter beräknas ett medelvärde av JWL- parametrarna för respektive sprängämne vilka utgör de slutliga resultaten av parameterbestämningen, se ekvation 5. Indata för parameterbestämningen är mätdata från cylinderexpansionen - sprängämnets densitet ρ e, VoD och tre kinetiska energier E k vid relativa volymerna v/v = 2,2 v/v = 4,4 och v/v = 7,2. Ett sluttryck vid beräkning detonationsenergin, är satt till 2 MPa utifrån bedömningen att gaserna slutar utföra arbete på berget vid praktisk bergsprängning. Se t ex P-A Persson m.fl. (1994) Tillsats av ANFO Cirka 3 % ANFO blandades in i den rena emulsionen. Figur 4-3 visar den radiella expansionen som funktion av tiden och Figur 4-4 den kinetiska energin som funktion av v/v för cylindrarna r14, r1 och r19. Röret i försök r19 har en något snabbare expansion och det saknas data från pinne 9 och 1. I och med att data från r19 avviker från de två övriga, har inte passningslinjen lagts in och parametrar beräknats. Volymen v/v = 7,2 ligger dessutom i intervallet för de saknade pinnarna. Figur 4-5 visar kinetiska energin E k för cylindrarna r14 och r1 för de tre konstanta utvärderingsvolymerna v/v = 2,2 v/v = 4,4 och v/v = 7,2.

30 2 Den radiella expansionen överensstämmer rätt väl för r14 och r1. När det gäller energierna blir spridningen större. Medelkurvan, Figur 4-6, av de två försökens detonationsenergi E d beräknas utifrån JWL- parametrarnas medelvärden. Slutvärdet är 1,834 MJ/kg. 1, 9, 8, Radiell expansion (mm) 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, r14 r1 Data r19, Tid (ms) Figur 4-3. Radiell expansion för r14 och r1. Försök r19 har inte använts för parameterbestämning på grund av att data saknas från pinne 9 och 1. 2, 1,8 1,6 Kinetisk energi (MJ/kg) 1,4 1,2 1,,8,6,4,2 R14 R1, Volymförhållande (v/vo) Figur 4-4. Kinetisk energi för r14 och r1.

31 21 1,9 1,8 Radiell expansionsenergi (MJ/kg) 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 r14 r1 1,1 1, v/vo Figur 4-5. Kinetisk energi vid konstanta volymer, experimentella värden. 2,5 2, % ANFO r14 r1 Medelvärden JWL 1,5 Ed (MJ/kg) 1,,5 r14, 1 r1 1 -,5 Medelvärden JWL -1, v/v o Figur 4-6. Detonationsenergin för r14 och r1 samt medelvärden för de båda Tillsats av AN-prills Cirka 3 % torra AN-prills blandades in i den rena emulsionen. Figur 4-7 och Figur 4-8 visar den radiella expansionen respektive den kinetiska energin för cylindrarna r33, r26 och r16. För r26 har data för pinne 9 och 1 inte använts vid linjepassningen därför att de markant avviker från trenden. Övriga stämmer rätt väl (pinne 3-8 inom 2 %) och r26 r33, vilket motiverar att dessa data används för slutlig bedömning av expansionen. Försök r16 har inte gett några användbara data, troligen på grund av regn och fukt. Det regnade kraftigt den aktuella dagen.

32 22 Figur 4-9 visar den enda expansionsenergin E k (cylinder r33) som beräknats för denna omgång med tillsats av AN-prills därför att fullständiga data saknas från övriga försök. Detonationsenergin E d i Figur 4-1 vid sluttrycket 2 MPa är ca 2, MJ/kg. 1, 9, 8, Radiell expansion (mm) 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, r33 r26 Data r26 dara r16, Tid (ms) Figur 4-7. Radiell expansion. 2,5 2, Kinetisk energi (MJ/kg) 1,5 1,,5 r33, Volymförhållande (v/vo) 8 Figur 4-8. Kinetisk energi.

33 23 2,2 Radiell expansionsenergi (MJ/kg) 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 682+ANprills 1, v/vo Figur 4-9. Kinetisk energi vid konstanta volymer, experimentella värden. 2,5 2, 1, Anprills r33 r26 Ed (MJ/kg) 1,,5, 1 1 -,5 r33 r26-1, -1,5 v/v o Figur 4-1. Detonationsenergin Ren emulsion E682 Figur 4-11 till Figur 4-13 visar den radiella expansionen respektive den kinetiska energin för cylindrarna r22, r28 och r5. Data från r5 ligger långt utanför trenden för de två andra försöken och går därför inte att använda i analysen. Förklaring saknas. Figur 4-13 visar som tidigare, kinetiska energin E k för ren emulsion för cylindrarna r22 och r28 för de tre konstanta volymerna. Medelvärdet för detonationsenergin E d i Figur 4-14 vid sluttrycket ca 2 MPa är 1,86 MJ/kg.

34 24 Den radiella expansionen visar att data för r22 och r28 följs åt ungefär under halva expansionsförloppet för att därefter separeras. Skillnaden blir mer tydlig vid beräkning av detonationsenergierna. 1, 9, 8, Radiell expansion (mm) 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, r22 Data r5 r28, Tid (ms) Figur Radiell expansion. 2,5 2, Kinetisk energi (MJ/kg) 1,5 1,,5 r22 r28, Volymförhållende (v/vo) Figur Kinetisk energi.

35 25 Experimentell radiell expansionsenergi (MJ/kg) 2, 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 r22 1,4 1,3 r28 1,2 1,1 1, v/vo 8 Figur Kinetisk energi vid konstanta volymer. 2,5 2, 1,5 Ren emulsion r22 r28 Medelvärden JWL Ed (MJ/kg) 1,,5, 1 -,5 r22 r28 1-1, -1,5 v/v o Medelvärden JWL Figur Detonationsenergin. 4.3 Slutliga energier Tabell 4-4 visar slutresultaten från energiberäkningarna med hjälp av JWL- parametrarna vid sluttrycket ca 2 MPa. Parametern E est beräknas genom att för olika värden på E est minimera exp felet e mellan experiment och beräknade data d v s för e i = d i - d pre i. För varje E est görs en bestämning av parametrarna A, B och C med R 1, R 2, ω som förutbestämda värden tills bästa passning uppnås d v s när e har ett minimum. Övriga indata är densiteten ρ e, VoD och de tre förutbestämda energierna för givna värden för v/v.

36 26 Den kemiska energin q vid full expansion bör vara högre än parametervärdet E est som gäller för en begränsad expansion till v/v 7-8. Värden för q för ren emulsion E682 har tidigare beräknats till 2,87 MJ/kg och med inblandning av 6 % Al till 3,8 MJ/kg vid E 2 (2 MPa). Försöken visar att E 2 ligger på ca 5-6 % av q och att inblandning av Al ökar expansionsarbetet. Se Esen m.fl. (25). Senare beräkningar med Vixen-i, Hansson (29), har verifierat de två q-värdena. För inblandning av AN-prills i emulsionen så ökar arbetet enligt ideella detonationsberäkningar och undervattensförsök, se litteraturstudien i Esen m.fl. (25). För de aktuella försöken, ger ett AN-tillskott ca 8 % högre energi men för AN-prills är motsvarade värde lägre. För de olika blandningarna skiljer sig energierna åt upp till ca 15 % mellan försöken. E est för ren emulsion är ca 25 % lägre än motsvarande kemiska energi q. För inblandning av AN-prills är E est marginellt högre än för ren emulsion. Dataspridningen och det begränsade antalet försök gör resultaten tvetydiga. Simuleringar av data för ren E682 uppmätta 25, visar att E 3,18 kj/cm 3, se Hansson (29:1). Detta är ca 25 % högre än vad som anges för ren E682 i Tabell 4-4. Resultaten tyder på att cylinderexpansionsmetoden tillsammans med JWL-beräkningarna inte ger tillräckligt bra bestämning av energierna i dessa fall. Det finns inte några tydliga skillnader i beräknade energier. En förklaring kan vara att kemiska energin inte hinner omsättas fullt ut inom intervallet d v s före det att röret expanderat till yttre kontaktpinnen. En viss mängd energi skulle alltså omsättas senare när röret har expanderat utanför den yttre kontaktpinnen, vilket kan förklara de högre uppmätta energierna i t ex bubbelpulsförsök. Tabell 4-4. JWL- parametrar för de tre emulsionssprängämnena. JWL - parametrar A R 1 B R 2 C ω ρe v j p cj E oest, kj/cm 3 E oest, MJ/kg 682+AN r1 252,74 5 3,44 1,1,3,33 1,17,75 7,77 2,58 2,2 682+AN r14 242,26 5 3,31 1,1,4,33 1,17,75 7,69 2,82 2,4 Medel 247,5 5 3,37 1,1,35,33 1,17,75 7,73 2,7 2,3 682+AN-prills r33 28,34 5 4,94 1,1,12,33 1,19,75 8,94 2,56 2,15 Ren 682 r22 325,2 5 3,87 1,1,27,33 1,2,76 9,33 2,74 2,28 Ren 682 r28 357,39 5 3,89 1,1,13,33 1,21,77 9,64 2,36 1,96 Medel 341,29 5 3,88 1,1,2,33 1,2,76 9,49 2,55 2,12

37 27 5 Kompletterande teknikstudie FOX12/TNT I detta avsnitt jämförs resultaten från de två kompletteringsförsöken. Två oberoende tekniker har jämförts. Syftet var dels att kvantifiera skillnaderna i mätdata från teknikerna 1) kontaktpinnar och 2) svepbilder med hjälp av en kamera typ Cordin116 och dels att eventuellt kunna använda kameratekniken som ett alternativ till pinntekniken. Svepbilderna ger kontinuerliga kurvor med mer detaljer än vad som gäller för pinntekniken vilket är en fördel när hög upplösning krävs. Se bilder i Appendix C. Detonationshastigheten VoD har beräknats (Cheetah) till 7318 m/s för ρfox12 = 166 kg/m3 och mätts till 6954 m/s i fält med hjälp av kontaktpinnar, Magnus Berg (27). I Figur 5-1 jämförs mätdata i radiell riktning från de två försöken. Svepbilderna (digitaliserade heldragna linjer) jämförs med data från kontaktpinnarna (punkter). Pinne 1 används som referens för att anpassa pinndata till svepbildsdata d v s data justeras för att få god passning mellan pinne 1 och svepbildsdata. Repeterbarheten för pinndata och svepbildsdata överensstämmer bra men teknikerna verkar ge något olika resultat vid ca 3 μs som är sluttider för svepbildsdata (Cordin) Radiell sträcka mm Cordin skott 1 FOI Pinnar skott 1 Swbrec Cordin skott 2 FOI Pinnar skott 2 Swebrec Tid mikrosekunder Figur 5-1. Radiell förskjutning som funktion av tiden för pinnar (punkter) Swebrec och för svepbilder (linjer) för FOX12/TNT (Håkan Örnhed och Jonas Lundgren, FOI). I Figur 5-2 visas den radiella expansionshastigheten som funktion av tiden för svepbildsdata. Hastigheterna för de två försöken överensstämmer väl upp till ca 12 μs. På grund av svängning-

38 28 arna i data, har sluthastigheten (ca 3 mm/μs) beräknats med hjälp av polynomanpassning. För skott 1 är sluthastigheten 1,355 mm/μs och för skott 2 1,278 mm/μs. 1,6 1,4 1,2 Cordin skott 1 Cordin skott 2 1,,8,6,4 Hastighet mm/μs,2, -, Tid mikrosekunder Figur 5-2. Radiella hastigheten från svepbilder som funktion av tiden för två försök med FOX12/TNT (Håkan Örnhed och Jonas Lundgren, FOI). I Figur 5-3 och Figur 5-4 visas linjepassning till ekvation 1 för pinndata för skott 1 och 2. Sluthastigheterna är 1,385 respektive 1,392 mm/μs. Efter 3 μs är hastigheten 1,379 mm/μs för båda skotten. Hastighet mm/µs r^2= DF Adj r^2= FitStdErr= Fstat= a= b= c= Hastighet mm/µs Sträcka mm Sträcka mm Tid µs Figur 5-3. Linjepassning, skott 1, till pinndata och beräknad radiell hastighet till 1,385 mm/μs.

39 29 Hastighet mm/µs r^2= DF Adj r^2= FitStdErr=.1423 Fstat= a= b= c= Hastighet mm/µs Sträcka mm Sträcka mm Tid µs Figur 5-4. Linjepassning, skott 2, till pinndata och beräknad radiell hastighet till 1,392 mm/μs. Tabell 5-1 visar en sammanställning av radiella hastigheter för de två teknikerna. En skillnad mellan skotten för svepbildsdata är att hastigheten är ca 6 % högre för skott 1. Pinnarna däremot ger samma hastigheter efter 3 μs och någon procents skillnad i sluthastighet. Resultaten skiljer sig åt med 2-7 % för de två skotten. Sluthastigheten för pinnarna inträffar vid 4-5 μs och är högre men finns med som referens i tabellen. Data skiljer sig alltså något åt men slutsatsen blir att teknikerna kompletterar och delvis ersätter varandra. Den noggrannhet som krävs för en specifik mätning bör vara avgörande för valet av teknik. Speciellt om detaljupplösning krävs, så bör svepbildstekniken användas. Tabell 5-1. Slutlig jämförelse av radiella hastigheter. Hastigheter Hastighet mm/μs (3 μs) Förhållande tekniker Sluthastighet mm/μs (4-5 μs) Teknik Svepbilder, FOI Pinnar, Swebrec Svep/Pinnar Pinnar, Swebrec Skott 1 1,355 1,379,98 1,385 Skott 2 1,278 1,379,93 1,392 Skott 1/skott 2 1,6 1,,99

40 3 6 Resultat och diskussion 6.1 Emulsionssprängämne Nio cylinderförsök med emulsion E682 har genomförts under senare delen av juni och några dagar in i juli 27. Syftet med dessa försök var att 1) verifiera tidigare försök från 25 och att 2) försöka öka noggrannheten något i tillverkning och försöksuppställningen. Sprängämnet tillverkades i en speciell pilotanläggning i Gyttorp under juni månad 27. Förutom ett undantag, E682+3 % AN-prills, har vi försökt använda tidigare recept med ren E682 och E682+3 % ANFO. Det nya sprängämnet, E682+3 % AN-prills, var intressant på grund av de säkrare transporterna som man kan genomföras med torra AN-prills. Efter tillverkningen transporterades sprängämnet i tunnor på drygt 5 kg vardera till sprängplats 42, FOI Gindsjön, där fyllning av kopparcylindrarna och försöken genomfördes. Noggrannheten i varje försök bedöms god förutsatt de givna försöksuppställningarna. För att få bästa kontroll, mättes/vägdes de olika detaljerna vid upprepade tillfällen. De kritiska delarna till försöksuppställningarna, som t ex pinnhållare och kalibreringsverktyg, har specialtillverkats av en mekanisk verkstad. Vid varje försök, placerades stödet i en grop på en lastpall som var jämn och horisontellt placerad, rörets centrering i stödet kontrollerades och justerades och första pinnens avstånd till röret kontrollerades och justerades till att bli ca,6 mm. Kopparrören vägdes vid två tillfällen, dels före transporten till FOI och dels vid fyllningen. Rörens väggtjocklekar mättes noggrant i båda ändar i den sektor som kommer i kontakt med pinnarna vid mätningen. Rören inspekterades för att undvika att skadade rör används eller om skadorna var lokala, att rören orienterades så att skadade delar inte skulle påverkar resultaten. Efter fyllningen av emulsionen vägdes de fyllda rören för att kunna korrigera vikterna vid densitetsberäkningarna. För slutliga beräkningarna har sprängämnets densitet efter fyllning på försöksplatsen använts. Vägningarna visade att emulsionens densitet i fält skiljde sig från den vid tillverkningen i pilotanläggningen. För emulsion med AN-prills steg densiteten med knappt 3 %. För ren emulsion E682 var höjningen knappt 2,5 %. För ANFO-inblandad emulsion var densiteten i stort sett konstant på samma nivå vid de två mättillfällena. Förklaringarna kan vara 1) för små stickprov vid tillverkningen, 2) hög temperatur vid tillverkningen jämfört med den vid fyllningen och 3)

41 31 torra AN-prills tar upp olja under en tid efter tillverkningen vilket kan öka densiteten. Slutdensiteten som använts vid beräkningarna är medeldensiteten från vägning av sprängämne i kopparrör. Uppmätta detonationshastigheten VoD är för, ren emulsion E682, 5,82 ±,11 km/s, för E682+3 % AN-prills, 5,294 ±,166 km/s och för E682+3 % ANFO, 5,177 ±,39 km/s. Detonationshastigheten sjunker alltså ca 1 % när tillsatserna blandas in i emulsionen vilket innebär att också detonationstrycket sjunker. Kopparrörens expansion används för att beräkna Gurney-hastigheten U L och Gurney-energin E g. Passningen mellan funktionsdata och uppmätta data är god för de utvärderade försöken och r 2 ligger på,9998 eller bättre. I alla försöksuppställningarna används 1 stycken kontaktpinnar. För vissa försök är resultaten d v s pinndata orimliga eller saknas. Om pinndata är helt orimliga som för r5 och r16, så används inte dessa. Om några data är orimliga, som i r26 så är passningen gjord på de första 8 pinndata och parameterbestämningen blir därför kanske mindre exakt. När en datapunkt saknas i början av expansionen, r22, blir möjligen felet av mindre betydelse, därför att det är sluthastigheten U Lmax som söks. Gurney-energin E gmax för emulsionerna är för, Ren E682, 1,877±,12 MJ/kg, för E % AN-prills, 1,91±,151 MJ/kg och för E % ANFO, 1,898±,26 MJ/kg. Slutsatsen här är att det inte finns någon signifikant skillnad i Gurney- energierna för de tre recepten. Detonationsenergin E d beräknas som funktion av volymen v/v vid ett praktiskt sluttryck av ca 2 MPa. Detonationsenergin E d är för, ren emulsion E682, 1,86 MJ/kg, för E % AN-prills 2, MJ/kg och för

42 32 E % ANFO 1,83 MJ/kg. Det optimerade parametervärdet för energin E est är för, ren emulsion E682, 2, 12 MJ/kg, för E % AN-prills 2,15 MJ/kg och för E % ANFO 2,3 MJ/kg. Den kemiska energin q för ren emulsion E682 har tidigare beräknats till 2,87 MJ/kg (Vixen-i) och med inblandning av 6 % Al till 3,8 MJ/kg. Detonationsenergin, E d E 2, var i de fallen % av q. De aktuella försöken ger för ren emulsion ett värde på E 2 som är ca 65 % av q. När det gäller parametervärdena E est så är de 74-8 % av q. Resultaten för E682+3 % ANFO visar att den radiella expansionen och den kinetiska energin för r14 och r1 är i stort sett lika. Försök r19 har en något snabbare expansion och högre slutenergi. Men det saknas data från pinne 9 och 1 d v s det saknas data för beräkning av rörets sluthastighet vid v/v 7-8 och därför har inte r19 använts för energiberäkningarna för E682+3 % ANFO. För tillsatts av 3 % torra AN-prills visar den radiella expansionen dels att r16 har orimliga data och dels att r33 och r26 skiljer sig åt en del (pinne 3-8 inom 2 %) och därför sätts r26 r33. Energierna är alltså beräknade ur r33. Resultaten från beräkningarna av E d och E est tyder på att cylinderexpansionsmetoden tillsammans med JWL- beräkningarna ger otillräckligt bestämning av energierna och karakterisering av sprängämnena. Detonationsenergin ökar något med tillsatser av AN/AN-prills, men skillnaderna är små i förhållande till spridningen mellan försöken. En förklaring till de små skillnaderna kan vara att den kemiska energin omsätts långsammare med tillsatser, vilket de lägre VoDvärdena tyder på. 6.2 Kompletteringsförsök Förutom försöken i Ø1/11 mm rör genomfördes en separat teknikstudie för 2 försök med ett militärt sprängämne (FOX12/TNT). Syftet för Swebrecs del, var att med en oberoende teknik verifiera tidigare använda pinntekniken genom att direkt jämföra pinndata med svepbildsdata i radiell riktning.

43 33 För enbart svepbildsdata har vi ca 6 % högre hastighet för skott 1. Motsvarande för enbart pinndata ger i stort sett identiska hastigheter efter såväl 3 μs som för sluthastigheten. En jämförelse av de två teknikerna visar att svepbildsdata ger ca 3 % lägre värde för skott 1 och ca 7 % lägre värde för skott 2 efter ca 3 μs expansion. Repeterbarheten för de två teknikerna var god men varje enskild mätning bör vara avgörande för valet av teknik. Speciellt om hög detaljupplösning krävs, så bör svepbildstekniken användas.

44 34 7 Referenser Arvanitidis I, Nyberg U and Ouchterlony F, 24. The diameter effect on detonation properties of cylinder test experiments with Emulsion 682. SveBeFo report 66, SveBeFo, ISSN , Stockholm. Berg M, 27. Privat kommunikation. Deng J, Nie S, Nyberg U och Ouchterlony F, A burning model for five emulsion explosives and some applications. SveBeFo rapport 43, ISSN , Stockhlom. Esen S, Nyberg U, Hiroyuki A and Ouchterlony F, 25. Determination of energetic characteristic of commercial explosives using the cylinder expansion test technique, Swebrec report 25:1, Luleå Technical University, ISSN , Stockholm. Edvinsson H, 29. Privat kommunikation. Gurney R W, The initial velocity of fragments from bombs shells and grenades. Army Ballistic Research Laboratory report BRL 45. Hansson H, 29. Privat kommunikation. Hansson H, 29:1. Bestämning av emulsionssprängämnens egenskaper med cylinderexpansionsprov och FEM-simulering. Swebrec-rapport 29:1, LTU, ISSN , Stockholm. Helte A, Lundgren J, Örnhed H och Norrefeldt M, 26. Prestandabestämning av svensk sprängdeg m/46. FOI-R SE, Teknisk rapport, FOI, Stockholm. Hornberg H and Volk F, The cylinder test in the context of physical detonation measurement method. Propellants, explosives, pyrotechnics 14, pp Kury J W, Hornig E, Lee L, McDonnel J L, Ornellas D L, Finger M, Strange F M, Wilkins M L, Metal acceleration by chemical explosives. In proc Fourth Symp on detonation U.S Naval Ordnance Laboratory, White Oak, Maryland, pp 3-13.

45 35 Miller P J, and Alexander K J, Determining JWL equation of state parameters using the Gurney equation approximation. In proc Ninth Symp on detonation, Portland, Oregon, pp Nie S, Deng J och Ouchterlony F, 2. Expansionsarbete av ett emulsionssprängämne i borrhål- mätning och simulering. SveBeFo-rapport 48, ISSN , Stockholm. Nie S, 21. Investigation of non-ideal detonation in emulsion/anfo mixtures by cylinder test. SveBeFo report K18, Stockholm. Nyberg U, Deng J, och Chen L, Mätning av detonationshastighet och krökningsfront i samband med brinnmodellsutveckling för emulsionssprängämne K1. SveBeFo-rapport 6, ISSN , Stockholm. Nyberg U, Arvanitidis I and Ouchterlony F, 23.Large size cylinder expansion tests on ANFO and gassed bulk emulsion explosives. Proc of EFEE 2nd world Conference on Explosive and blasting technique, Prague, Czech republic, pp Ouchterlony F, Nyberg U, Olsson M, Bergqvist I Granlund L och Grind H, 23. Energy balance of production blast at Nordkalks Klinthagen quarry. Proc of EFEE 2nd world Conference on Explosive and blasting technique, Prague, Czech republic, pp Sanchidrián J A, López L M, 26. Calculation of the Energy of Explosives with a Partial Reaction Model. Comparison with Cylinder Test Data. Propellants, Explosives, Pyrotechnics 31 no. 1. Souers P C and Haselman L C, Detonation equation of state at LLNL,1993, UCRL-ID Energetic material center, Lawrence Livermore National Laboratory, USA. Persson P A, Holmberg R och Lee J, Rock Blasting and Explosives Engineering. CRC Press, Inc. Boca Raton, Florida, USA.

46 36 8 Appendix Appendix A Detta avsnitt innehåller minsta kvadratpassning av rät linje till VoD - data från mätningarna under 27. Två värden anges. Dels ett värde för hela sträckan och dels ett värde, ca 1/3 upp från botten, som motsvarar den höjd där expansionen mäts d v s där kontaktpinnarna sitter. De senare används för utvärderingen. Ren 682 försök r 5,9,8,7,6 588,7 m/s Distance (m ),5,4,3,2 5874,3 m/s,1, -,2 -,15 -,1 -,5,,5,1,15,2,25,3,35 Time (ms) Ren 682 försök r28,9,8,7 5837,8 m/s 5678,3 m/s,6 Distance (m ),5,4,3,2,1 5665,5 m/s, -,5 -,25,,25,5,75,1,125,15,175 Time (ms)

47 37 Ren 682 försök r22,9,8,7,6 5687,7 m/s Distance (m ),5,4,3,2 561,5 m/s,1, -,25 -,2 -,15 -,1 -,5,,5,1,15,2,25,3 Time (ms) 1,1 682+ANprills försök r33 1,,9,8,7 5474,5 m/s Distance (m ),6,5,4,3,2,1, -,1 5278,8 m/s -,5,,5,1,15,2 Time (ms) 682+ ANprills försök r26,9,8,7 5263,1 m/s Distance (m ),6,5,4,3,2 5344,9 m/s,1 -, -,25,,25,5,75,1,125 Time (ms)

48 38 1, 682+ ANprills försök r16,9,8,7 5145,8 m/s,6 Distance (m ),5,4,3,2,1 -, 5119,5 m/s -,1 -,15 -,1 -,5,,5,1,15,2,25 Time (ms) 1, 682+ Anfo försök r19 Distance (m ),9,8,7,6,5,4,3 528,9 m/s,2,1 52, m/s, -,1,,5,1,15,2 Time (ms) 1,,9,8 682+Anfo försök r ,1 m/s Distance (m ),7,6,5,4,3,2,1, -,1 4998,4 m/s 5134,5 m/s -,2 -,1 -,5,,5,1,15,2,25,3,35 Time (ms)

49 Anfo försök r1 Distance (m),9,8,7,6,5,4,3 5188,4 m/s,2,1 522,6 m/s -, -,1 -,5,,5,1,15,2 Time (ms)

50 4 Appendix B Detta avsnitt innehåller minsta kvadratpassning till en funktionskurva av Hornberg & Volk (1989). Se ekvation 1. Modellparametrarna är a, b och t och r 2 anger hur väl linjen passar till data. För värdet r 2 = 1 är passning perfekt. Ren emulsion E % ANFO Residuals [3] R1, ANFO Rank 1 Eqn 81 [UDF 1] y=(a,b,c) r^2= DF Adj r^2= FitStdErr= Fstat= a= b= c= Residuals [3] Delta R, mm Texp, mikrosekunder Delta R, mm Residuals [3] R14, ANFO Rank 1 Eqn 81 [UDF 1] y=(a,b,c) r^2= DF Adj r^2= FitStdErr= Fstat= a= b= c= Residuals [3] Delta R, mm Texp, mikrosekunder Delta R, mm Residuals [3] R19, ANFO Rank 1 Eqn 81 [UDF 1] y=(a,b,c) r^2= DF Adj r^2= FitStdErr= Fstat= a= b= c= Residuals [3] Delta R, mm Texp, mikrosekunder Delta R, mm

51 41 Ren emulsion E % AN-prills Residuals [3] Delta R, mm R16, AN-prills (REGN) Rank 1 Eqn 81 [UDF 1] y=(a,b,c) r^2= DF Adj r^2= FitStdErr= Fstat= a= b= c= Texp, mikrosekunder Residuals [3] Delta R, mm Residuals [3] R26, AN-prills Rank 1 Eqn 81 [UDF 1] y=(a,b,c) r^2= DF Adj r^2= FitStdErr= Fstat= a= b= c= Residuals [3] Delta R, mm Texp, mikrosekunder Delta R, mm Residuals [3] R33, AN-prills Rank 1 Eqn 81 [UDF 1] y=(a,b,c) r^2= DF Adj r^2= FitStdErr= Fstat= a= b= c= Residuals [3] Delta R, mm Texp, mikrosekunder Delta R, mm

52 42 Ren emulsion E682 7 R5, ren Delta R, mm Delta R, mm Texp, mikrosekunder Residuals [3] R28, REN 682 Rank 1 Eqn 81 [UDF 1] y=(a,b,c) r^2= DF Adj r^2= FitStdErr= Fstat= a= b= c= Residuals [3] Delta R, mm Texp, mikrosekunder Delta R, mm Residuals [3] R22, REN 682 Rank 1 Eqn 81 [UDF 1] y=(a,b,c) r^2= DF Adj r^2= FitStdErr= Fstat= a= b= c= Residuals [3] Delta R, mm Texp, mikrosekunder Delta R, mm

53 43 Appendix C Två svepbilder från kompletteringsförsök med FOX12/TNT. Bilderna är från försök 1 (övre) och 2 (nedre). Koordinaterna är i tid (horisontell led) och sträcka (vertikal led) som ges av skalan till höger i bilderna. Den övre sneda linjen digitaliseras för utvärdering. Se avsnitt 5. Foto av Håkan Örnhed och Jonas Lundgren, FOI, Grindsjön.

54 Universitetstryckeriet, Luleå Swedish Blasting Research Centre Mejerivägen 1, SE Stockholm Luleå University of Technology SE Luleå