多孔粒狀銨油炸藥爆轟參數(shù)的理論計算與分析

高玉剛

(中煤科工集團淮北爆破技術(shù)研究院有限公司,安徽 淮北 235000)

0 引言

多孔粒狀銨油炸藥是將硝酸銨制造成帶有孔隙的球型粒徑,使其與輕柴油,按照工業(yè)炸藥氧平衡的原理配比混合制得的一種混合式的工業(yè)炸藥。球型粒徑表面積大,能更充分地粘附輕柴油,同時,球型粒徑硝酸銨內(nèi)部的孔隙可以使油相材料與多孔粒狀硝酸銨表面更加充分接觸,提高炸藥被引爆后,爆轟波持續(xù)穩(wěn)定傳播的能力。多孔粒狀銨油炸藥具有原材料資源豐富、制作工序簡單、生產(chǎn)成本低、污染小和爆炸性能良好等顯著優(yōu)點[1-2],尤其在礦山爆破現(xiàn)場中,氧化劑硝酸銨與還原劑油相材料可以分開運輸。該混合炸藥在礦山使用中通常采用起爆具進行起爆,具有更高的安全性和更鈍感的起爆感度,這對礦山爆破施工的安全管理起到了積極的促進作用。同時,隨著現(xiàn)場混裝技術(shù)的發(fā)展,多孔粒狀銨油炸藥制作工藝簡單,可操作性強,對節(jié)省人力、物力,提高爆破器材運輸及流通過程中的安全性,降低工程爆破成本具有更積極的意義。通過對多孔粒狀銨油炸藥中氧化劑(硝酸銨)與還原劑(輕柴油)不同比例的6種配方,分別進行爆轟參數(shù)的理論計算和計算數(shù)據(jù)的分析,為礦山爆破工程在使用多孔粒狀銨油炸藥配比時,提供一些理論依據(jù)。

1 多孔粒狀銨油炸藥爆炸反應(yīng)化學(xué)方程式

工業(yè)炸藥爆炸瞬間完成,在此過程中能量迅速釋放,很難確定其精確的生成產(chǎn)物及生成產(chǎn)物的系數(shù)。一方面由于工業(yè)炸藥組分雜且多,爆炸時反應(yīng)迅速復(fù)雜,另一方面由于起爆方式和約束條件的不同及工業(yè)炸藥在混合時是否均勻,都會使工業(yè)炸藥爆炸時產(chǎn)生的爆炸產(chǎn)物的種類及爆炸產(chǎn)物的成分發(fā)生變化。計算炸藥的爆熱、爆速及爆壓等爆轟參數(shù)時,爆炸產(chǎn)物的組成成分及相互間的比例關(guān)系是相當(dāng)重要的。因此,需要從理論上或經(jīng)驗上確立一個接近于爆炸條件下的爆炸反應(yīng)化學(xué)方程式[3]。筆者采用經(jīng)典的B-W法,通過對多孔粒狀銨油炸藥中氧化劑(硝酸銨)與還原劑(輕柴油)的比例進行調(diào)整,配出不同的氧平衡,從而生成不同種類、不同含量的爆炸產(chǎn)物,進一步確定不同配比情況下的爆炸化學(xué)反應(yīng)方程式[4]。

GB 17583—1998《多孔粒狀銨油炸藥》[5]中規(guī)定多孔粒狀硝酸銨組分含量為94%～95%,輕柴油組分含量為5%～6%。選取3組典型配方,多孔粒狀硝酸銨與輕柴油的組分含量之比分別為94∶6、94.5∶5.5和95∶5[6]。為考察不同的氧平衡值條件下,多孔粒狀銨油炸藥爆轟參數(shù)的變化趨勢,增加93.5∶6.5、95.5∶4.5和96∶4的3組配方進行計算,其中前1組配方為負(fù)氧平衡,后2組為正氧平衡。通過查閱相關(guān)文獻知硝酸銨的氧平衡值為0.2,輕柴油的氧平衡值為-3.42,根據(jù)上述6組配方中各物質(zhì)的含量與氧平衡計算公式,計算各配方組成情況及氧平衡值,具體見表1[7-8]。

采用1千克炸藥為計算標(biāo)準(zhǔn),通過表1所列的6種炸藥配方,寫出以上配方中的各組分物質(zhì)的量、千克實驗式,并根據(jù)B-W法則分別建立爆炸反應(yīng)方程式。

配方A:C4.6429H56.0357O35.0625N23.375→28.017 9H2O+2.401 8CO2+2.241 1CO+11.687 5N2

配方B:C4.2857H55.5714O35.25N23.5→27.785 7H2O+3.178 6CO2+1.107 1CO+11.75N2

配方C:C3.9286H55.1071O35.4375N23.625→27.553 6H2O+3.928 6CO2+0.013 4O2+11.812 5N2

配方D:C3.5714H54.6429O35.625N23.75→27.321 4H2O+3.571 4CO2+0.580 4 O2+11.875N2

配方E:C3.2143H54.1786O35.8125N23.875→27.089 3H2O+3.214 3CO2+1.147 3 O2+11.937 5N2

配方F:C2.8571H53.7143O36N24→26.857 1H2O+2.857 1CO2+1.714 3O2+12N2

2 多孔粒狀銨油炸藥爆轟參數(shù)計算

2.1 多孔粒狀銨油炸藥理論爆熱

工業(yè)炸藥爆熱可用來評估含能材料的威力及工業(yè)炸藥對周圍介質(zhì)的破壞效果,是炸藥的重要爆轟參數(shù)。結(jié)合爆炸后生成的物質(zhì)及爆炸產(chǎn)物的比例關(guān)系,得到化學(xué)方程式。查閱文獻[9]可知在298 K下炸藥各組分和爆炸產(chǎn)物定容生成爆熱的數(shù)據(jù),根據(jù)蓋斯定律計算得到炸藥的定容生成爆熱為:

式中:QV為炸藥定容爆熱；QV1,3為炸藥爆炸產(chǎn)物定容生成爆熱總和；QV1,2為炸藥各組分定容生成爆熱總和。

以配方C為例,多孔粒狀銨油炸藥的生成熱之和為QV1,2=353.46×11.687 5+660.04×0.290 179=4 322.59 kJ/kg；爆炸后生成產(chǎn)物的定容生成熱為QV1,3=240.35×27.553 57+393.13×3.928 57=8 166.94 kJ/kg；根據(jù)式(1)得到在298 K下配方C的多孔粒狀銨油炸藥定容爆熱:QV=QV1,3-QV1,2=3 844.35 kJ/kg。采用同樣的計算方法得到表1中其他多孔粒狀炸藥配方的定容爆熱,計算結(jié)果見表2。

表2 多孔粒狀銨油炸藥的定容爆熱計算結(jié)果

由表2可得:6種配方中,接近零氧平衡的配方C爆熱最高；從配方A至配方C負(fù)氧平衡值逐漸降低,多孔粒狀銨油炸藥的定容生成熱增加；從配方C至配方F,正氧平衡值逐漸增大,但多孔粒狀銨油炸藥的定容生成熱卻下降。配方A和配方E氧平衡數(shù)值接近0.036,配方B和配方D氧平衡數(shù)值接近0.018,這2組的氧平衡數(shù)值絕對值接近,但配方D是正氧平衡配方,配方E是負(fù)氧平衡配方。隨著氧平衡值絕對值的增大,正氧平衡配方爆熱值下降得更快一些。

表2 爆轟波垂直入射時固體介質(zhì)分界面壓力單位:GPa

2.2 多孔粒狀銨油炸藥理論爆溫與爆容

炸藥爆炸瞬間釋放出巨大的熱量,該熱量使爆炸后的生成產(chǎn)物溫度迅速上升致最大溫度,即為炸藥的理論爆溫。

炸藥的熱容溫度為直線關(guān)系,兩者相互關(guān)系的表達式為ˉCv=A+Bt,爆溫的計算公式[10]如下:

式中,T0取298 K。工業(yè)炸藥的爆容[11],是指每千克質(zhì)量的工業(yè)炸藥爆炸時氣態(tài)產(chǎn)物在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下所占有的體積。工業(yè)炸藥的比容V0可用下式表示:

以配方C為例,根據(jù)配方C的反應(yīng)方程式,查閱文獻[6],得到炸藥組成所構(gòu)成的反應(yīng)物及生成產(chǎn)物的摩爾平均定容熱容數(shù)據(jù),利用式(4)計算配方C的平均定容熱容值。

A=∑niai=27.553 6×16.74+3.928 6×37.66+(0.013 4+11.812 5)×20.08=846.66

B=∑nibi=[27.553 6×89.96+3.928 6×24.27+(0.013 4+11.812 5)×18.83]×10-4=0.279 7

由式(2)可計算出:t=2 490.95℃；則炸藥的爆溫TB=t+298=2 788.95 K

由式(6)可計算配方C的爆容V0=22.4×(27.553 6+3.928 6+0.013 4+11.812 5)=970.10 L/kg

同理,計算其他5組炸藥配方的爆溫與爆容,計算結(jié)果見表3。

表3 多孔粒狀銨油炸藥爆炸產(chǎn)物的平均定容爆容和爆溫計算值

由表1可知,配方C的氧平衡為0.000 9,接近于零氧平衡,且計算得到爆容值為970.1 L/kg。結(jié)合表3中計算結(jié)果發(fā)現(xiàn),越接近零氧平衡,爆容越小。配方A負(fù)氧平衡,其氧平衡值為-0.035 3；配方E正氧平衡,其氧平衡值為0.037 1。兩者氧平衡絕對值數(shù)值接近,但配方A的爆容增大更明顯。由此可知,負(fù)氧平衡對爆容的增加更明顯,這是因為工業(yè)炸藥配方為負(fù)氧平衡條件下,在化學(xué)反應(yīng)過程中,爆炸時會使氧化劑與還原劑生成更多的一氧化碳氣體,從而產(chǎn)生的爆炸氣體量更大。

分析表3數(shù)據(jù)可知,在6組配方中配方C的爆溫最大,爆溫值為2 788.95 K。結(jié)合配方A與配方D,配方B與配方E的氧平衡值與爆溫數(shù)據(jù)可知,多孔粒狀銨油炸藥中,偏離零氧平衡越遠,爆溫下降越明顯,且正氧平衡配方比負(fù)氧平衡配方下降得更明顯。

2.3 多孔粒狀銨油炸藥理論爆速

根據(jù)經(jīng)驗公式,炸藥理論爆速與爆熱及爆炸后的氣體產(chǎn)物絕熱指數(shù)[12]有關(guān):

同理,計算其他5組炸藥配方的爆速,計算結(jié)果見表4。

表4 多孔粒狀銨油炸藥爆速計算值

2.4 多孔粒狀銨油炸藥理論爆壓

工業(yè)炸藥的理論爆壓與炸藥的裝藥密度和理論爆速之間存在如下關(guān)系:

通過分析表4爆速計算值與表5爆壓計算值可知,6組配方中配方C的爆速與爆壓最大。偏離零氧平衡越遠,爆速與爆壓下降越明顯,且正氧平衡配方要比負(fù)氧平衡配方爆速與爆壓下降得更明顯。

表5 多孔粒狀銨油炸藥爆壓計算值

3 結(jié)論

1)多孔粒狀銨油炸藥不同配方對應(yīng)不同的氧平衡,爆炸后生成的爆炸產(chǎn)物種類及對應(yīng)的量也不同,導(dǎo)致與之相對應(yīng)的爆炸化學(xué)反應(yīng)方程式中各生成物及生成物的系數(shù)差別較大。

2)在上述6組配方中,氧平衡值接近零氧平衡的配方C,計算出的爆炸性能最佳。對應(yīng)的理論計算爆熱為3 844.35 kJ/kg、爆溫為2 788.95 K、爆速為5 841 m/s、爆壓為7 676 MPa、爆容為970.1 L/kg。

3)偏離零氧平衡越遠,爆熱、爆溫、爆速和爆壓下降越嚴(yán)重,且正氧平衡配方比負(fù)氧平衡配方爆溫與爆熱下降得更明顯。在正氧平衡值與負(fù)氧平衡值相等的情況下,負(fù)氧平衡炸藥配比的爆炸性能優(yōu)于正氧平衡炸藥配比。