膨化硝铵炸药爆温的理论计算分析.pdf

第2 8 卷第3 期 2 0 1 1 年9 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 8N o ．3 S e p ．2 0 1 1 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 1 ．0 3 ．0 2 8 膨化硝铵炸药爆温的理论计算分析 刘丽梅1 ，杨2 夏建才1 1 ．云南国防工业职业技术学院，昆明6 5 0 2 2 3 ；2 ．焦作大学化工与环境工程学院，焦作4 5 4 0 0 1 摘要运用B ．w 法确定膨化硝铵炸药的爆炸反应方程式，用盖斯定律计算定容爆热，用加权法计算爆炸 产物的摩尔定容热容，研究计算得出露天膨化硝铵炸药、岩石膨化硝铵炸药、一级、二级煤矿许用膨化硝铵炸 药的爆温依次为27 2 2K 、27 7 1K 、25 4 4K 和24 8 6K 。同时计算分析了复合油相中不同的石蜡与柴油的混 合比例对岩石膨化硝铵炸药爆热、爆温数据的影响情况，计算结果表明复舍油相组成的变化对岩石膨化硝铵 炸药爆热、爆温的影响不明显。 关键词膨化硝铵炸药；爆温；计算 中图分类号T D 2 3 5 ．2 1文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 1 0 3 0 0 9 7 0 4 T h e o r e t i c a lC a l c u l a t i o nf o rt h eE x p l o s i o nT e m p e r a t u r e o fE x p a n d e dA m m o n i u mN i t r a t eE x p l o s i v e s L I UL i ．m e i l ，Y A N GL i n 2 ，X I A 肋n ．c a i l 1 ．Y u n n a nV o c a t i o n a l ＆T e c h n i c a lC o l l e g eo fN a t i o n a lD e f e n s eI n d u s t r y ，K u n m i n g6 5 0 2 2 3 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fC h e m i c a la n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，J i a o z u oU n i v e r s i t y ，J i a o z u o4 5 4 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t ．T h ee x p l o s i o nt e m p e r a t u r eo fe x p a n d e da m m o n i u mn i t r a t ee x p l o s i v e sa r ee a l e d a t e di nt h i sp a p e r ．T h e r e s u l ts h o w st h a tt h ee x p l o s i o nt e m p e r a t u r eo fo p e n e a s te x p a n d e da l l l l n o n i u l nn i t r a t ee x p l o s i v e s ，r o c ke x p a n d e da m i n o - n i u mn i t r a t ee x p l o s i v e s ，c l a s sIa n d Ⅱc o a lm i n ep e r m i s s i b l ee x p a n d e da m m o n i u mn i t r a t ee x p l o s i v e si s27 2 2K ， 2 7 7 1K ，25 4 4K ，24 8 6Kr e s p e c t i v e l y ．T h ee x p l o s i o nt e m p e r a t u r eo fr o c ke x p a n d e da m m o n i u mn i t r a t ee x p l o s i v e si n a s s u m e df o r m u l a 啪c a l c u l a t e dw h e nt h er a t i oo fp a r a f f i nw i t hd i e s e lo i li nc o m p o s i t ef u e lo i la I ed i f f e r e n t ．A c c o r d i n g t ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ，i tc a l lb es e e nt h a tt h ee x p l o s i o nh e a ta n de x p l o s i o nt e m p e r a t u r eo fr o c ke x p a n d e da m m o n i u n ln i t r a t e e x p l o s i v e si n c r e a s ew e a k l yw i t ht h ei n c r e a s i n go fc o n t e n t so fp a r a f f i ni nc o m p o s i t ef u e lo i l ．， K e yw o r d s e x p a n d e da m m o n i u mn i t r a t ee x p l o s i v e s ；e x p l o s i o nt e m p e r a t u r e ；c a l c u l a t i o n 膨化硝铵炸药是2 0 世纪9 0 年代由我国自主发 明的一种新型粉状工业炸药，其核心技术是将硝酸 铵在表面活性剂的作用下，利用真空作用制造得到 表面带有微孔的晶体颗粒，即膨化硝酸铵，再将膨化 硝酸铵按零氧平衡的原则与复合燃料油、木粉混 合⋯。膨化硝铵炸药中去除了具有毒性和污染的 r I N T ，这是它优于传统铵梯粉状炸药的特点，同时它 收稿日期2 0 1 l 0 1 一1 8 作者简介刘丽梅 1 9 6 4 一 ，女，剐教授、硕士研究生，从事爆炸理论 及民爆器材生产技术等方面的教学与研究， E m a i l l l m j j c s i n a ．t o m 。 可制成具有雷管感度的小药卷包装炸药，如 西3 2m E 药卷，这是它区别于多孑L 粒状铵油炸药的 特点。膨化硝铵炸药的品种包括露天膨化硝铵炸 药、岩石膨化硝铵炸药、煤矿许用一级、二级膨化硝 铵炸药，此外还有膨化硝铵炸药震源弹、膨化硝铵农 果林爆破剂等。为了更好地表征膨化硝铵炸药的性 能，对膨化硝铵炸药的爆温开展计算，以期为进一步 优化配方设计提供依据。 爆温是指炸药爆炸瞬间所放出的能量将爆炸产 物加热到的最高温度，是炸药的重要性能示性数之 万方数据 爆破2 0 1 1 年9 月 一。由于炸药爆炸是瞬态过程，速度极快且具有较 大的破坏作用，因此炸药爆温的测试至今没有十分 精确的方法，工程上常利用热力学方法通过计算得 到其理论值J 。 对于膨化硝铵炸药的爆温计算，部分学者曾做 过一些工作陆明在关于各种岩石型粉状炸药爆温 计算的文献中给出了岩石型膨化硝铵炸药的爆 温o ，而关于露天膨化硝铵炸药、煤矿许用膨化硝 铵炸药的爆温至今尚未见系统的报道。拟以典型的 露天膨化硝铵炸药、岩石型膨化硝铵炸药、煤矿许用 一级、二级膨化硝铵炸药配方为计算对象，计算它们 的理论爆温，并通过改变复合油相中石蜡与柴油之 比，分析了解复合油相组分变化对爆温的影响。 第二步，以该爆炸反应方程式为基础，利用炸药各原材 料和爆炸产物在2 9 8K 下的定容生成热，根据盖斯定 律，计算出膨化硝铵炸药在该温度下的定容爆热。 Q ， Q n ．，一Q n ， 1 第三步，利用所计算的定容爆热和爆炸产物的 平均定容热容c ， A B 。，计算出爆炸产物能够达到 的最高温度，即为理论爆温”】。爆温的计算公式如 下，其中死取2 9 8K ，t 兰A ～／A 2 西4 B Q v x10 0 0 2 死 t 死 3 A ∑n i ％B ∑n l b i． 4 1 炸药爆温计算原理 2 计算过程及结果分析 ，炸药爆黼燃懋夏黧苎呈一2 一 瓣僦燃配方见机 W B r i n k l e y - W i l s o n 法确定炸药的爆炸反应方程式。 “⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～⋯⋯。 表l 膨化硝铵炸药的标准配方 T a b l el T h es t a n d a r df o r m u l ao fe x p a n d e da m m o n i u mn i t r a t ee x p l o s i v e s 以上配方引自文献w J 9 0 2 6 2 0 0 4 ，膨化硝铵炸 药的标准№J ，各组分含量取标准配方含量的中间 值，其中露天膨化硝铵炸药为目前正在使用但暂未 写人标准的配方。以上配方中均忽略了添加剂和含 量较小的成分。从表l 可见，4 种膨化硝铵炸药的 基本配方中都含有油相，油相的组分分别为柴油或 石蜡；氧化剂为N H 。N 0 3 ；煤矿许用炸药中另加N a C l 作为消焰剂。由此可见，这类炸药的组成为C 、H 、 O 、N 、N a 和C l 六种元素构成⋯0 | 。 取1k g 炸药为计算基准，根据表l 所列配方写 出以上4 种炸药中各组分物质的量、千克实验式，并 根据B W 法则得出这几种膨化硝铵炸药的爆炸反 应方程式。各种炸药的千克实验式以及爆炸产物组 成见表2 。 表2 标准配方膨化硝铵炸药的千克实验式和爆炸产物组成 T a b l e2T h ee m p i r i c a lf o r m u l ap e rk i l o g r a ma n de x p l o s i o np r o d u c to fs t a n d a r d 饮p a n d e da m m o n i u mn i t r a t ee x p l o s i v e s 万方数据 第2 8 卷第3 期刘丽梅，杨林，夏建才膨化硝铵炸药爆温的理论计算分析 2 ．2 爆热及定容热容的计算结果 应用盖斯定律，根据各炸药爆炸反应方程式以 及各种反应物、产物的定容生成热数据H J ，用式 1 计算各炸药2 9 8K 时的定容爆热数据。以爆炸反应 方程式为依据，根据式 4 计算各种炸药爆炸产物 的平均定容热容值H 】，其中N a C l 的摩尔定容热容为 4 9 ．7 5m o ] J ℃～。各种膨化硝铵炸药2 9 8K 时 的定容爆热结果Q ，以及爆炸产物平均定容热容数 据见表3 。 表3 标准配方膨化硝铵炸药的定容爆热和爆炸产物的 平均定容热容计算结果 单位k J k g 。1 T a b l e3T h ek i n d so fe x p l o s i o nh e a ta n dS p e c i f i cH e a t C a p a d t yc a l c u l a t i o nr e s u l t so fs t a n d a r de x p a n d e d a m m o n i u mn i t r a t ee x p l o s i v e s u n i t k J k g _ K i n d s 0 p e n e a s t R o c kf o r m u l aIc o a lm i n el Ic o a lm i n e 表3 中的Q 为扣除N a C I 的相变热Q N 棚后用于 使爆炸产物升温的热量0 7 l ，即Q Q ，一Q N 。a 。N a C l 的熔点为10 7 4K ，熔化热为一2 8 ．6 8l 【J t o o l 一，沸 点为17 3 8K ，汽化热为一1 7 0 ．9l 【J - m o l ～，假定炸 药爆炸后其爆热能将产物加热到l7 3 8K 以上。 2 ．3 爆温的计算结果 结合表3 的数据，根据式 2 、 3 计算出膨化硝铵 炸药的爆温，其中爆热数据取绝对值，计算结果见表4 。 表4 标准配方膨化硝铵炸药的爆温计算值 T a b l e4T h ek i n d so fe x p l o s i o nt e m p e r a t u r ec a l c u l a t i o n r e s u l t so fs t a n d a r de x p a n d e da m m o n i u mn i t r a t ee x p l o s i v e s K i n d s O p e n e a s t R o c kf o r m u l aIc o a lm i n eI Ic o a lm i n e 根据表4 的计算结果，2 种煤矿膨化硝铵炸药的 爆温均在24 0 0K 以上，远高于N a C l 的沸点l7 3 8K ， 可见N a C l 在爆炸产物升温过程中发生了2 次相变， 其在相变过程中的吸热对爆温降低产生了贡献，此前 的假设正确。分析表4 还可以看出，岩石膨化硝铵 炸药的爆温高于露天膨化硝铵炸药的爆温，煤矿膨 化硝铵炸药的爆温较低，其中二级煤矿膨化硝铵炸 药的爆温最低。 3 不同复合油相配方对爆热爆温影响 的分析 为了考察复合油相中柴油与石蜡之比对岩石膨 化硝铵炸药爆温的影响，取1k g 炸药为计算基准， 计算分析复合油相中石蜡与柴油之比依次为 0 1 0 0 、2 0 8 0 、3 0 7 0 、4 0 6 0 、5 0 5 0 时岩石膨化 硝铵炸药的爆温数据。表5 为岩石膨化硝铵炸药中 柴油与石蜡配比不同的几组假设配方，表6 为假设配 方岩石膨化硝铵炸药中的千克实验式和爆炸产物。 表5 岩石膨化硝铵炸药的假设配方 T a b l e5T h ea s s u m e df o r m u l ao fr o c ke x p a n d e da n n n o n i u mn i t r a t ee x p l o s i v e s 注配方1 为标准配方。 表6 假设配方岩石膨化硝铵炸药的千克实验式和爆炸产物 T a b l e6T h ee m p i r i c a lf o r m u l ap e rk i l o g r a m a n da n de x p l o s i o np r o d u c to f a s s u m e dr o c ke x p a n d e da m m o n i t n nn i t r a t ee x p l o s i v e s 万方数据 1 0 0爆破 2 0 1 1 年9 月 采用与前面爆温计算相同的方法，计算出表6爆温，见表7 。 中岩石膨化硝铵炸药假设配方的爆热、定容热容和 表7 假设配方的岩石膨化硝铵炸药的爆热、定容热容和爆温计算结果 T a b l e7T h ek i n d so fe x p l o s i o nh e a t 。S p e c i f i cH e a tC a p a c i t ya n de x p l o s i o n t e m p e r a t u r ec a l c u l a t i o nr e s u l t so fa s s u m e dr o c ke x p a n d e da m m o n i u mn i t r a t ee x p l o s i v e s 由表7 可以看出，对岩石膨化硝铵炸药而言，改 变复合油相中石蜡与柴油配比，对岩石膨化硝铵炸 药爆温的影响不大，复合油相中石蜡的含量每增加 1 0 ％，爆温增加1 - 2K ，这样的影响几乎可以忽略。 4结语 1 计算表明露天膨化硝铵炸药爆温为27 2 2K ， 岩石膨化硝铵炸药爆温为27 7 1K ，一级、二级煤矿许 用膨化硝铵炸药的爆温依次为25 4 4K 、24 8 6K 。 2 对岩石膨化硝铵炸药而言，改变复合油相 中石蜡与柴油配比，对岩石膨化硝铵炸药爆温的影 响不大，复合油相中石蜡的含量每增加1 0 ％，爆温 仅增加1 ～2K 。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]吕春绪．膨化硝铵炸药[ M ] ．北京兵器工业出版社， 2 0 0 1 6 - 8 ． [ 2 ] 惠君明，陈天云．炸药爆炸理论[ M ] ．南京江苏科学 技术出版社，2 0 0 8 3 1 - 3 5 ． [ 3 ] 陆明，吕春绪．几种粉状工业炸药的热化学计算与 分析[ J ] ．爆破器材，1 9 9 8 ，2 8 4 1 - 5 ． [ 4 ]陆明．工业炸药配方设计[ M ] ．北京北京理工大学 出版社。2 0 0 2 9 8 - 1 0 0 ． [ 5 ] 庄宝元，徐士明．炸药总论[ M ] ．北京国防工业出版 社，1 9 7 9 3 2 - 3 5 ． [ 6 ] W J 9 0 2 6 - - 2 0 0 4 膨化硝铵炸药的标准[ s ] ． [ 7 ] 刘光启，马连湘，刘杰．化学化工物性数据手册 无 机卷 [ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 6 4 5 7 ，4 9 4 ． [ 8 ]黄文尧，侯传仪，吴国群．氯化钾对煤矿乳化炸药爆温 影响的理论计算[ J ] ．煤矿爆破，2 0 0 8 3 1 - 3 ． [ 9 ] M I N GL u ．Ac o m p u t e rm o d e lf o rf o r m u l a t i o no fA N F Oe g - p l o s i v e s [ J ] ．S c iT e e hE n e r g e t i cM a t e r i a l s ，2 0 0 7 ，6 8 4 1 1 7 ．1 1 9 ． [ 1 0 ] 徐皖育，陆守香，孙美和．煤矿炸药爆温的计算与炸 药安全性的关系[ J ] ．爆破器材，1 9 9 6 ，2 5 5 8 - 1 0 ． 上接第7 6 页 参考文献 R e f e r e n c e s 中国力学学会工程爆破专业委员会．工程爆破[ M ] ． 北京冶金工业出版社，1 9 9 2 ． C h i n am e c h a n i c a ll e a r ne n g i n e e r i n gb l a s t i n gp r o f e s s i o n a l c o m m i t t e e ．E n g i n e e r i n gb l a s t i n g [ M ] ．B e i j i n g T h em e t a l - l u r g i e a li n d u s t r yp r e s s ，1 9 9 2 ． i nC h i n e s e 刘殿中．工程爆破实用手册[ M ] ．北京冶金工业出版 社。1 9 9 9 ． L I UDZ H ．E n g i n e e r i n gb l a s t i n gp r a c t i c a lh a n d b o o k [ M ] ． B e i j i n g T h em e t a l l u r g i e a li n d u s t r yp r e s s ，1 9 9 9 ． i nC h i n e 8 e 杨元兵，刘国军，梁锐，等．爆破拆除锅炉房及烟囱 [ J ] ．爆破，2 0 0 5 ，2 2 1 6 5 6 6 ． Y A N GY1 3 ，L I UGJ ，L I A N GR ，e ta 1 ．B l a s t i n gd e m o l i t i o n o fb o i l e rr o o ma n dc h i m n e y [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 5 ，2 2 1 6 5 - 6 6 ． i nC h i n e s e 朱朝祥，杨建军，蔡伟，等．南京化纤厂1 2 0m 高排气 塔爆破拆除[ J ] ．爆破，2 0 0 8 ，2 5 4 5 3 - 5 5 ． Z H UCX ，Y A N CJJ ，C A IW ，e ta 1 ．N a n j i n gc h e m i c a lf i h e re x l m u s t1 2 0mh i I g ht o w e rb l a s t i n g [ J ] ．B l a s t i n g ， 2 0 0 8 ，2 5 4 5 3 - 5 5 ． i nC h i n e s e 马红卫，郑健礼，刘鹏虎．1 2 5m 高钢筋砼排气塔定向 爆破拆除[ J ] ．爆破，2 0 1 0 ，2 7 4 8 5 - 8 7 ． M AHW ，Z H E N GJL ，L I UPH ．D i r e c t i o n a le x p l o s i v e d e m o l i t i o no f1 2 5mr e i n f o r c e dc o n c r e t ee x h a u s tt o w e r [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 0 ，2 7 4 8 5 - 8 7 ． i nC h i n e s e 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 口 H H 陋 b 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J n l ． 心 心 口 万方数据