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第四章爆炸反应与爆轰理论 HotTip 炸药的氧平衡冲击波理论爆热的理论计算爆轰与爆轰波 炸药的氧平衡 炸药爆炸是一个化学反应过程 或者从本质说 是一个氧化过程 即炸药中的氧对碳 氢等元素的氧化 使之成为较稳定的氧化物 炸药的爆炸是瞬间的过程 它所需用的氧原子全部需本身供应 而爆炸反应究竟生成什么产物 也受到炸药中O量同C H含量比例的影响 这就涉及到一个氧平衡问题 定义 一克炸药生成C H氧化物时 以克为单位来表示氧的剩余量 氧平衡的计算 将炸药分子式改写为 CaHbOcNd a b c d分别代表一个炸药分子中C H O N的含量 炸药发生爆炸反应时 C H完全氧化按下式进行 C O2 CO2 395KJ mol2C O2 2CO 110KJ mol2H2 O2 2H2O 242KJ molN2 O2 2NO2 90KJ molN2 2O2 2NO2 17KJ mol从上面反应可以看出 反应生成物不同 反应释放出的热量差别很大 当生成氮氧化物时 反而要吸收热量 CO NOX均属于有毒气体 对人体有害 由此可见 炸药中所含的氧既不能少 少则生成CO 也不能多 多则生成NOX 这两种情况均关系到炸药反应生成热和有毒气体生成量 氧平衡的计算 因此 从提高炸药爆炸威力 充分利用炸药能量 降低有毒气体生成量的角度来看 显然应力求在爆炸反应时 炸药中的C H被完全氧化生成二氧化碳和水 而避免生成一氧化碳和氮氧化物 氧平衡的计算方法将炸药分子式改写为 CaHbOcNd a b c d分别代表一个炸药分子中C H O N的含量 炸药发生爆炸反应时 C H完全氧化按下式进行 氧平衡的计算 C O2 CO2一个C需2个O H2 1 2O2 H2O一个H需1 2个O a个C需2a个氧原子 b个H需1 2b个氧原子 炸药本身含有c个氧原子 c与 2a 1 2b 的差值 就反映了OB的三种情况 当c 2a b 2 0时 为正氧平衡 当c 2a b 2 0时 为零氧平衡 当c 2a b 2 0时 为负氧平衡 单质炸药的氧平衡计算方法O B c 2a b 2 16 M 100 单位 g g或 式中 16 为氧的原子量 M 为炸药的摩尔质量 氧平衡的计算 例一 求硝酸铵的O B值 解 硝酸铵的分子式为 NH4NO3 C0H4O3N2M 80 O B 3 2 0 4 2 16 80 0 2g g或 20 例二 求TNT的O B值 解 TNT的分子式为 C6H2 NO2 3CH3 C7H5O6N3M 227 O B 6 2 7 5 2 16 227 0 74g g或 74 氧平衡的计算 混合炸药的氧平衡计算方法混合炸药一般由催化剂 敏化剂 可燃剂等成份混合而成的 因此 混合炸药的氧平衡率不仅与炸药各组分的氧平衡率有关 而且取决于各组成在混合炸药中的比例大小 因此 计算混合炸药氧平衡率时 首先要知道各组成成分及其在炸药中所占的比例 然后 通过计算或查表求出混合炸药中各组成成分的氧平衡值 再分别乘以各成分在炸药中所占的百分数 最后求出各乘积的代数和 即得出该混合炸药的氧平衡值 O B Bi Ki式中 Bi 为某一成分的氧平衡值 Ki 为该成分在炸药中的百分率 CompanyLogo 根据氧平衡值设计混合炸药配比 例 求铵油炸药的O B值 解 已知铵油炸药的成分配比为 硝酸铵 92 木粉 4 柴油 4 查表或计算得各成分的O B值 硝酸铵 20 柴油 327 木粉 137 根据公式 O B Bi K 92 20 4 327 4 137 0 16 根据氧平衡值设计混合炸药配比单质炸药和炸药的单质成分的O B值是由其分子所决定的 不能人为地加以改变 然而 人们可以将几种物质按某种比例混合在一起以调整总的氧平衡值 两种成分的混合炸药配比方法设炸药中氧化剂 还原剂两种成分的合适配比为 x y CompanyLogo 根据氧平衡值设计混合炸药配比 令a b c为这两种成分和混合后炸药的O B值 则有 x y 100 ax by c解得 x c b a b y a c a b 三种成分的混合炸药的配比方法设K1 K2 K3分别代表混合炸药各成分的百分含量 B1 B2 B3分别代表这些成分各自的氧平衡值 O B为混合后的氧平衡值 则 kI k2 k3 1B1 k1 B2 K2 B3 K3 O B 根据氧平衡值设计混合炸药配比 两个方程三个未知数 必须先确定其中一种成分 如k3 则 K1 1 K3 B2 O B B3 K3 B2 B1 100 K2 O B B3 k3 1 k3 B1 B2 B1 100 例1 要求配置硝酸铵和柴油两种成分的混合炸药 使炸药为零氧平衡 求两种成分的配比 解 已知硝酸铵氧平衡值为 20 柴油为 342 若设硝酸铵为x 柴油为y 则 X 0 3 42 0 2 3 42 100 94 5 Y 0 2 0 0 2 3 42 5 5 硝酸铵 94 5 柴油 5 5 根据氧平衡值设计混合炸药配比 例2 要求配制零氧平衡的岩石硝铵炸药 其成分为硝酸铵 TNT 木粉 求三种成分的适合配比 解 首先确定TNT含量为10 已知硝酸铵 TNT 木粉的氧平衡值为 0 2 0 74 1 37 O B 0 将这些值代入公式得 K1 83 2 k2 6 8 所以 硝酸铵 83 2 TNT 10 木粉 6 8 炸药爆炸反应方程 炸药爆轰时 化学反应区反应终了瞬间的化学反应产物叫做炸药的爆轰产物 爆轰产物是计算爆热和其它爆轰波参数的基础 爆轰产物爆炸产物 当爆轰产物进一步膨胀 与外界的空气或岩石等其它物质相互作用 形成新的产物 称之为爆炸产物 爆炸产物则是衡量爆炸后有毒气体生成量的依据 炸药爆炸反应方程 爆炸反应与爆轰产物爆轰产物不同 爆炸热效应随之变化 对于大多数炸药来说 爆炸热效应取决于碳 氢 铝等元素被氧化的程度 C O2 CO2 395KJ mol2C O2 2CO 110KJ mol2H2 O2 2H2O 242KJ molN2 O2 2NO2 90KJ molN2 2O2 2NO2 17KJ mol2Al 1 5O2 Al2O3 1666 4KJ mol从上面反应可以看出 炸药的组成成份不同或反应条件不同 反应生成物不同 反应释放出的热量差别很大 当生成氮氧化物时 反而要吸收热量 CO NOX均属于有毒气体 对人体有害 由此可见 炸药中所含的氧既不能少 少则生成CO 也不能多 多则生成NOX 这两种情况均关系到炸药反应生成热和有毒气体生成量 炸药爆炸反应方程 爆炸化学反应速度非常快 温度和压力都很高 并且瞬时都在变化 反应平衡程度不断改变 在这种情况下 要精确测定反应终了瞬间爆轰生物组成是十分困难的 因此 一般都采用近似的方法建立爆炸化学反应方程 在此基础上确定爆轰产物 由于爆轰产物组成首先取决于炸药氧平衡 爆炸化学反应方程是基于炸药的不同氧平衡建立的 炸药爆炸反应方程 1 当C 2a 0 5b 时 即对于零氧平衡或正氧平衡炸药 在确定其爆炸化学反应方程时 可近似认为 炸药中的氢被氧化为水 碳被完全氧化为二氧化氮 氮 氧 如为正氧平衡 游离为氮气与氧气 这里可能产生的水和二氧化碳的分解及氮的氧化均予忽略 这样 爆炸化学反应方程表示为 CaHbOcNd 0 5bH2O aCO2 0 5dN2 0 5 c 2a 0 5b O2例如硝化甘油的爆炸反应方程为 C3H5 ONO2 3 3CO2 2 5H2O 1 5N2 0 25O2 2 当 2a o 5b c a 0 5b 时 可以认为 爆炸化学反应时 氧首先使氢全部氧化成水 余下的氧将全部的碳氧化成一氧化碳 最后 除去前面两项尚有余下的部分氧 进一步将一定量的一氧化碳氧化为二氧化碳 因此 此类炸药的爆炸反应方程表示为 CaHbOcNd 0 5bH2O c a 0 5b CO2 2a c 0 5b CO 0 5dN2例如 泰安的爆炸反应方程为 C CH2ONO2 4 4H2O 3CO2 2CO 2N2 炸药爆炸反应方程 3 当c a 0 5b 时 建立炸药化学方程的前提是 氧首先将氢氧化为H2O 余下的氧使部分碳氧化为CO 其余的碳游离成固状碳 不生成CO2 这样 爆炸化学反应方程表示为CaHbOcNd 0 5bH2O C 0 5b CO a c 0 5b C 0 5dN2例如 梯恩梯的爆炸化学反应方程为C6H2 NO2 3CH3 2 5H2O 3 5CO 3 5C 1 5N2 4 对于含铝炸药的零氧平衡或正氧平衡混合炸药 其爆炸化学反应方程可表示为 CaHbOcNdAle 0 5bH2O aCO2 0 5eAl2O3 0 5dN2 0 5 c 2a 0 5b 1 5e O2它说明在爆炸过程中 由于有充分的氧 碳 氢 铝得以完全氧化 而在含铝的负氧平衡炸药中 由于铝可以同已经生成的H2O和CO2发生二次反应 故生成Al2O3 H2和CO 有毒气体 在爆破安全技术专题中重点讲解 形成有毒气体的原因 爆炸热化学参数 重点讲解爆热 其他三个热化学参数请同学们自学 爆炸热化学参数 爆热 在炸药爆炸全过程中 体积保持不变 此时所能生成的热量 称为定容爆热 爆热 如果炸药爆炸全过程中 压力保持恒定 此时所生成的热量 称为定压爆热 爆炸过程十分迅速 从开始爆炸到结束时间内 气体产物来不及向周围扩散 故爆炸过程可看成是定容过程 因此炸药的爆炸生成热通常是指定容爆热 爆热的理论计算 盖斯定律 化学反应的热效应与反应进行的路径无关 而只取决于反应的初态和终态 Q1 Q Q2爆热Q Q1 Q2 盖斯三角形 爆热的理论计算 例题 计算泰安C CH2ONO2 4的爆热 C CH2ONO2 4 3CO2 2CO 4H2O 2N2查表得各物质生成热 CO2395KJ mol CO113 8KJ mol H2O240 7KJ mol 泰安512 5KJ molQ1 395 3 113 8 2 240 7 4 2375 4KJ molQ2 512 5KJ molQ Q1 Q2 2375 4 512 5 1862 9KJ mol 或Q 1862 9 1000 316 5895 3KJ Kg 冲击波理论 一 冲击波的基本概念1 波的基本概念扰动 在外界作用下 介质局部状态参数 如压力 密度 质点移动速度 温度 的变化叫做扰动 波 扰动在介质中传播 称为波 压缩波 使介质状态参数增高的扰动波成为压缩波 稀疏波 拉伸波 使介质状态参数降低的扰动波称为稀疏波 冲击波 它是一种介质状态参数发生突跃式增加的强压缩波 2 冲击波的性质 冲击波理论 冲击波的传播使波阵面前后介质状态在极小范围内发生突跃变化 其差值为有限量 冲击波引起介质质点移动的方向与波的传播方向一致 其速度小于波速 冲击波传播速度永远大于未扰动介质中的声速 冲击波对于已扰动介质 其传播速度小于该介质当地声波速度 冲击波波速与其强度有很大关系 而声波则不然 冲击波理论 压缩波 1 压缩波基本概念 1 实验 在无限长气筒活塞右侧充满压力为P0的气体 当活塞在F力的作用下向右运动时 活塞右侧气体存在三个区域 压力为P1的均匀区 压力介于P1与P0之间的扰动区 压力仍为P0的未扰动区 冲击波理论 压缩波 2 压缩波的定义扰动传播后 使介质状态参数 P T 增加的波称为压缩波 在均匀区与未扰动区之间 存在过渡的扰动区 3 压缩波的特点1 其介质质点运动方向u与波的传播方向c相同 2 其压力的增加是连续的 4 波阵面介质中已受扰动区和未受扰动区的界面 5 波速扰动波沿介质传播的速度 也就是波阵面的传播速度 冲击波的形成 2 冲击波 1 冲击波的形成 R R0瞬间 管中的气体未受扰动 在R R1瞬间 活塞从静止开始运动 前端的气体受到压缩 产生一道压缩波 在未扰动的介质中传播 波阵面在A1 A1 传播速为未扰动气体介质的音速 在R R2瞬间 活塞前端气体产生了第二道压缩波 波阵面为A2 A2 波速大于音速 与第一道压缩波叠加 在R Rn瞬间 第n道压缩波会与n 1道压缩波叠加 形成一个强压缩波 波阵面An An上的介质参数突跃性变化 从而产生冲击波 冲击波理论 爆轰波 定义 带有化学反应区的冲击波称为爆轰波 冲击波头与其后的化学反应区以相同的速度向前传播 称为爆速 爆轰波在药包中的传播爆轰波模型 冲击波理论 爆轰波结构图 冲击波理论 Z N D模型 爆轰波波头的理想模型 爆轰波是在炸药中传递的带有反应能以补充能量稳定的特殊冲击波 是爆轰作用的激发源 由捷里道维奇 诺依曼和达尔林各自独立提出的爆轰波结构模型如图所示 称为Z N D模型 冲击波理论 化学反应区反应机理 3 爆轰波参数 通常是指反应终了面上的状态参数 爆轰压力 P 0D2 4爆轰产物移动速度 u D 4爆轰结束瞬间爆轰产物密度 2 4 0 3式中 0 炸药密度 D 爆速 三 化学反应区反应机理爆轰波在炸药中传播引起反应区的化学反应机理可归纳为两种类型 1 整体均匀灼热引起的化学反应 在炸药中爆炸 激起爆轰波 传播 波阵面压力作用下 其前方炸药薄层均匀地受到强烈压缩 压力 温度速升 产生剧烈化学反应 爆炸 由于炸药整体均匀作用 需提供较强的冲击能量 冲击波理论 化学反应区反应机理 特点 反应速度快 反应宽度小 爆速高 适用 不含气泡或掺合物的均质炸药 如液体炸药 2 灼热核局部灼热引起的化学反应该反应适用于不均匀的混合炸药 在不均质炸药中 由于冲击波的作用 化学反应首先是围绕灼热核 即较敏感炸药或热点 开始的 然后迅速扩展至整个炸药薄层 由于冲击波能量首先集中在一定数量的灼热核处 所以 较低的冲击波压力就可以引起炸药爆炸反应 但灼热核形成到全部炸药反应需要经历一定时间 因此 导致化学反应区宽度大 爆速低 炸药颗粒 密度等各种物理因素对爆轰波传播的影响显著 爆速测定方法 爆速的测定方法有 1 导爆索比较法 2 电测法 3 高速摄影法 爆速测定仪测定爆速的工作原理图 影响爆轰波传播的因素 1 药包直径的影响 见下图 炸药爆速随直径的变化 影响爆轰波传播的因素 药包直径的影响 从上图看出 药包直径存在极限直径dL和临界直径dc 当d dc时 爆轰完全中断 即不稳定爆轰 当dc d dL时 D d爆轰以小于极限速度的定常速度传播 即稳定爆轰 当d dL时 爆速趋于恒定的极限值 即理想爆轰 Dc和dL同爆速D一样 都是衡量炸药爆轰性能的重要指标 从工程角度看 应避免不稳定爆轰的发生 而力求达到理想爆轰 亦即尽量使d dc或d dL 由于某些技术限制 往往很难达到 如混合炸药极限直径很大 光面爆破等 因此 采用大孔径爆破 硐室爆破可提高爆破效率 影响爆轰波传播的因素 药包直径的影响 为什么药包直径对爆速有影响呢 主要原因是在炸药的传播过程中 发生能量的侧向扩散 见下图 侧向扩散对反应区结构的影响 影响爆轰波传播的因素 药包直径的影响 从上图可看出 冲击波阵面 抵达处的炸药薄层被强烈压缩 发生急剧化学反应 化学反应区 生成高温 高压气体 迅速向外膨胀 自反应区发生侧向扩散 强大的扩散气流中含有 完全反应的爆轰产物 来不及发生反应的炸药颗粒 反应未完全的炸药颗粒 化学反应区热效应降低 能量损失 爆速 爆压降低 因此 爆轰波的传播实际上是靠有效反应区释放出的能量来维持的 不同药包直径侧向扩散对反应区结构的影响 见下图 影响爆轰波传播的因素 药包直径的影响 不同药包直径侧向扩散对反应区结构的影响 影响爆轰波传播的因素 药包直径的影响 随着药包直径的减小 有效反应区宽度相应减小如果设药包周边扩散