粉状乳化炸药爆温的理论计算.pdf

2 0 1 0 年8 月粉状乳化炸药爆温的理论计算刘丽梅等 粉状乳化炸药爆温的理论计算’ 刘丽梅①倪欧琪⑦刘永④周明善① ①云南国防工业职业技术学院 云南昆明，6 5 0 0 2 2 ②南京理工大学化工学院 江苏南京，2 1 0 0 9 4 ③中国兵器工业规划研究院 北京，1 0 0 0 5 3 [ 摘要] 文章对粉状乳化炸药的爆温进行了计算用B w 法确定了粉状乳化炸药的爆炸反应方程式，用盖斯 定律以炸药原料和爆炸产物各组分的定容生成热为基础计算了其定容爆热，用加权法算得了爆炸产物的摩尔定容 热容，最终计算得到岩石粉状乳化炸药的爆温为2 6 9 5K ，一级、二级、三级煤矿许用粉状乳化炸药的爆温依次为 2 6 5 1K 、2 5 9 7K 、2 5 1 0K 。计算结果显示随着氯化钾含量的增加，煤矿许用粉状乳化炸药的爆热、爆温均呈现降低的 趋势。当氯化钾含量在4 ％～9 ％范围内递增时，炸药的爆热、爆温的降低与氯化钾含量呈线性关系。 [ 关键词] 粉状乳化炸药煤矿许用炸药爆温计算 [ 分类号] T D 2 3 5 ．2 1 引言 粉状乳化炸药 p o w d e r ye m u l s i o ne x p l o s i v e s ，简 称P E E 是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一种新型粉 状工业炸药J ，它既具有乳化炸药优良的爆轰性能 和抗水性能，又具有粉状炸药作功能力大、使用方便 的优点，粉状乳化炸药的爆炸性能远远优于一级岩 石乳化炸药的指标，除爆速略低外，其余爆炸性能已 达到或超过二级岩石乳化炸药的性能指标，明显优 于2 号岩石粉状铵锑炸药的性能指标旧J 。煤矿许用 粉状乳化炸药也可以制造出具有优良性能的一级、 二级和三级煤矿许用炸药。为了更好地表征粉状乳 化炸药的性能，本文对粉状乳化炸药爆温开展计算， 为粉状乳化炸药的后续研究、配方设计与改进提供 理论依据。 炸药爆炸瞬间所放出的能量将爆炸产物加热到 的最高温度称为炸药的爆温，爆温是炸药爆炸性能 的重要示性数之一，爆温主要取决于炸药的爆热和 爆炸产物的组成。研究炸药的爆温具有很重要的理 论意义和实际意义一方面它是炸药热化学计算所 必需的重要参数；另一方面，在炸药实际使用中对 其爆温数值有不同的要求。在一般工程爆破中人们 希望炸药的爆温高一些，以求获得较大的做功能力； 在具有可燃性气体和煤尘爆炸危险的井下爆破作业 时，则要求炸药具有较低的爆温，以防止引起可燃 气、煤尘爆炸。 炸药爆炸过程由于反应速度极快，温度高而且 随时间变化极快，加上爆炸的破坏性，给爆温的测定 带来较大困难。迄今为止，实验测定炸药的爆温仍 然相当困难，工程上一般通过理论计算得到炸药的 爆温数据【3 】。关于工业炸药爆温的计算有丰富报 道陆明等计算了多种岩石型粉状工业炸药的爆 温H j ，黄文尧等给出了煤矿许用乳化炸药爆温的计 算结果“ J ，徐皖育等讨论了煤矿炸药的爆温与炸药 使用安全性的关系【6 J 。关于粉状乳化炸药爆温的 计算，文献[ 4 ] 对岩石型产品有所涉及；对煤矿许用 粉状乳化炸药爆温的计算迄今未见报道。 1 理论依据1 1 ．1 炸药爆炸反应方程式的确定 爆温的计算首先需要确定爆炸产物的组分和爆 炸反应方程式，本文采用经典的B W B r i n k l e y W i l s o n 法来确定。 1 ．2 炸药爆热的计算 在确定了爆炸反应方程式以后，根据盖斯定律 计算爆热。由炸药原料和爆炸产物各组分的定容生 成热，可计算炸药的定容爆热 Q y Q n 。3 一Q n - 2 1 式中Q ，炸药的定容爆热； Q 炸药爆炸产物的定容生成热之和； Q 眦炸药各组分的定容生成热之和。 1 ．3 爆温计算 为简化爆温的理论计算，通常做以下假设口】 1 爆炸过程为定容条件下的绝热过程； 收稿日期2 0 1 0 川．1 9 作者简介刘丽梅 1 9 6 4 一 ，女。硕士，副教授，主要从事有机材料的研究。E - m a i l l l m ] ] c s l n a ．t o m 通讯联系人倪欧琪 1 9 5 3 一 ，男，硕士。研究员。主要从事工业炸药的研究及应用。E n m i l 7 0 4 0 n i q i r i p ．s i n a ．c o r n 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 9 卷第4 期 2 爆炸产物的定容热容只是温度的函数，与 其他条件无关，即C y A 夙 Q 2 硝 ⋯⋯。 设c ，为温度从2 7 3 K 到r 范围内爆轰产物的平 均定容热容，工程计算中一般认为平均定容热容与 温度的关系为直线关系 C y A 眈 2 由Q y C y A t C 一，得 Q y A B t t 3 求解方程 3 ，即得炸药爆温的计算公式为】 I - A √A 2 雨 4 厂B Q v x 一1 0 0 0 4 ’ n 、。， 瓦 ‘ 7 “ o 5 式中Q ，炸药的定容爆热，J ／k g ； 瓦炸药的初温，一般取2 9 8 K ； 瓦炸药的爆温，K ； t 爆炸产物从％到瓦的温度间隔，K 。 本文计算中C ，取1k g 炸药的爆轰产物温度由 2 7 3K 到r 范围内的平均定容热容，J k g ～℃～， 式 2 中 A Z n ‘1 2 , f ；B E n i b i 6 式中n 。各爆炸产物的物质的量； a i , b 。第i 种爆炸产物摩尔定容热容与温度 的关联系数C y i 口i 6 i t 。 2 计算结果及分析 2 ．1 确定炸药爆炸反应方程式 典型的岩石粉状乳化炸药，一级、二级、三级煤。 矿许用粉状乳化炸药的配方见表1 。从表1 可见粉 状乳化炸药的组成如下硝酸铵、氯化钾与水构成水 相，复合蜡、松香和乳化剂S P 8 0 构成油相。不难 看出该类炸药主要由C 、H 、0 、N 、K 和C I6 种元素构 成，采用B w 法可以确定该炸药的爆炸分解产物 主要有H 2 0 、C 0 2 、C O 、0 2 、N 2 、K C I 等。 取1k s 炸药为计算基准，换算出以上4 种炸药 中各组分的物质的量，同时根据炸药的元素组成可 写出以上4 种炸药的实验式，见表2 。 表1 粉状乳化炸药的配方 ％ 组分硝酸铵吾篙c 瑟孚龆并。水警 根据B w 法则可以得出这几种粉状乳化炸药 的爆炸反应方程式如下 岩石粉状乳化炸药 C 3 ．8 7 8 5H 5 5 ．4 5 1 20 3 5 ．9 9 7 ‘N 2 3 _ 2 7 ．7 2 5 6H 2 0 3 ．8 7 8 5 C 0 2 0 ．2 5 7 40 2 1 1 ．5 N 2 7 一级煤矿许用粉状乳化炸药 C 3 ．8 7 8 5 H5 3 ．4 5 1 2 0 3 4 ．4 叭N 2 2K o ．5 3 毋c l o ．5 3 国斗 2 6 ．7 2 5 6 H 2 0 3 ．8 7 8 5C 0 2 0 ．0 0 7 40 2 1 1 N 2 0 ．5 3 6 9 K C l 8 二级煤矿许用粉状乳化炸药 C 3 ．窖7 鲇H 5 2 ．”1 2 0 3 3 ．7 4 7 4 N 2 1 ．5 l 0 ．8 0 5 4 C l o ．8 0 5 4 斗 2 6 ．2 2 5 6 H 2 0 3 ．6 4 3 3 C 0 2 0 ．2 3 5 2 C 0 1 0 ．7 5 N 2 O ．8 0 5 4 K C l 9 三级煤矿许用粉状乳化炸药 C 3 ．s 7 跖H 5 0 ．9 5 1 2 0 3 2 ．6 2 “N 加．7 5K 1 ．2 0 8 lC 1 1 ．2 呻1 ◆ 2 5 ．4 7 5 6 H 2 0 3 ．2 6 8 3C 0 2 0 ．6 1 0 2C O 1 0 ．3 7 5 N 2 1 ．2 0 8 1 K C I 1 0 2 ．2 爆热的计算 文献上可以查知温度为2 9 8 ．1 5 K 时各种反应 物、产物的定容生成热数据，见表3 。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，计算出以上4 种粉状乳化炸 表2粉状乳化炸药中各组分的物质的量 t 0 0 1 万方数据 2 0 1 0 年8 月粉状乳化炸药爆温的理论计算刘丽梅等 3 表3 各种反应物、产物的定容生成热 k J m o l 一 生成热 一3 5 3 ．4 6 5 5 8 ．0 31 0 1 1 ．91 3 3 3 ．92 8 1 ．8 6 3 9 3 ．1 31 1 1 ．6 92 4 0 ．3 5 药2 9 8 ．1 5 K 时的定容爆热结果见表4 。 煤矿许用炸药中所添加的消焰剂K C l 在炸药爆 炸产物温度升高过程中会吸收热量，吸收的热量一 部分为其自身温度升高所产生的，体现在产物的平 均定容热容中；另一部分为相变吸热。K C l 的熔点 为1 0 4 3 K 【l ，熔化热为一2 5 ．5 4k J ／m o l 【l ，沸点为 1 7 7 3 K 1 l ，汽化热为一1 6 2 ．6k J ／m o l 【l 。假定炸药 爆炸后其爆热能将产物加热到1 7 7 3 K 以上，则在温 升过程中K C l 将发生两次相变，相变所吸收之热量 用于降低爆温。炸药定容爆热扣除K C I 的相变热后 所剩余热量才是使爆炸产物升温的热量。表4 中 Q x a 为K C I 的两次相变热之和，Q 为扣除K C I 的相 变热后用于使爆炸产物升温的热量Q Q ，一Q K a 。 2 ．3 爆炸产物平均定容热容的计算 爆轰产物的平均定容热容一般采用卡斯特平均 摩尔定容热容计算。如前所述，爆轰产物的平均定 容热容与温度呈线性关系，a i , b i 为各种产物平均定 容热容与温度的关联系数，各产物的口i 、b ；从文献查 知[ 8 】，结果列于表5 。以爆炸反应方程式为依据，按 照式 6 计算出各种粉状乳化炸药爆炸产物平均定 容热容，结果列于表6 。 表5 各产物的平均摩尔定容热容与温度的 关联系数 J t o o l ～℃‘1 表6 粉状乳化炸药爆炸产物的平均定容 热容计算值 J ℃一 2 ．4 粉状乳化炸药爆温的计算结果 应用爆温计算公式 4 和 5 ，结合表4 和表6 数据计算出粉状乳化炸药的爆温，列于表7 。 表7 粉状乳化炸药的爆温计算值 由表7 的计算结果看，所计算的4 种粉状乳化 炸药的爆温均在2 5 0 0 K 以上，远高于氯化钾的沸点 1 7 7 3 K ，可见氯化钾在爆炸后产物升温过程中发生 了两次相变，其相变过程吸热都对爆温降低产生贡 献，此前的假设是对的。 由表4 、表7 可以看出，随着炸药中氯化钾含量 的增加，炸药的爆热、爆温均呈降低趋势。首先，这 是因为在炸药爆炸反应中，氯化钾作为惰性介质稀 释了单位质量炸药的爆炸能量，也即降低了炸药的 能量密度；其次，由于氯化钾具有很高的热容量，同 时在爆炸产物的升温过程中经历了两次相变，这样 使得氯化钾在炸药爆炸反应中吸收大量的热能，因 而显著减低了炸药的爆热、爆温。将煤矿许用炸药 爆热、爆温对氯化钾含量作图，结果分别见图1 。 通过图l 可以拟合得出粉状乳化炸药的爆热 Q ，和爆温瓦与氯化钾含量菇的关系式如下 Q ， 3 7 8 0 3 5 ．4 7 4 x 1 1 瓦 2 7 6 5 - 2 8 ．2 6 3 x 1 2 由上式可以看出，随着氯化钾含量的增加，粉 状乳化炸药的定容爆热Q ，和爆温瓦呈线性下降。 3 结论 1 计算表明岩石粉状乳化炸药爆温为2 6 9 5 K ，一级、二级、三级煤矿许用粉状乳化炸药的爆温 依次为2 6 5 1K 、2 5 9 7 K 、2 5 1 0K 。 万方数据 4 爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s 第3 9 卷第4 期 图1 爆温、爆热与氯化钾含量的关系 2 以氯化钾为消焰剂的煤矿许用粉状乳化炸 药，在消焰剂含量4 ％一9 ％范围内，随着氯化钾含 量的增加，其爆热和爆温均呈线性降低的趋势。 参考文献 【1 ] 倪欧琪，俞明熊．粉状乳化炸药的研究与发展[ J ] ．爆 破器材，2 0 0 0 ，2 9 2 1 2 - 1 5 ． [ 2 ]汪旭光．乳化炸药[ M ] ．2 版．北京冶金工业出版社， 2 0 0 8 ． [ 3 ] 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 ． [ 4 ]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 9 ，2 8 4 1 - 4 ． [ 5 ]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 ． [ 6 ] 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 ． [ 7 ] 庄宝元，徐士明．炸药总论[ M ] ．北京国防工业出版 社，1 9 r 7 9 ． [ 8 ] 松全才，杨崇惠，金韶华．炸药理论[ M ] ．北京兵器工 业出版社。1 9 8 9 ． [ 9 ] 徐鹏．改性铵油炸药复合油相的研究[ D ] ．淮南安徽 理工大学，2 0 0 9 ． [ 1 0 ]胡俊，郭子如．用经验加和法估算S p a n 一8 0 的生成热 [ J ] ．煤矿爆破，2 0 0 9 3 9 - 1 1 ． [ 1 1 ] 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 6 ，4 9 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 eo fP o w d e r yE m u l s i o nE x p l o s i v e s L I UL i m e i ①，N 10 u q i o ，L I UY o n g o ，Z H O UM i n g s h a n ① ①Y u 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 Y u n n a nK u a m i n g ，6 5 0 0 2 2 窑 s c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，N a n j i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y J i a n g s uN a n j i n g ，2 1 0 0 9 4 要 P l a n n i n gI n s t i t u t eo fC h i n aO r d n a n c eI n d u s t r yG r o u p B e i j i n g ，1 0 0 0 5 3 [ 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 fp o w d e r ye m u l s i o ne x p l o s i v e sa r ec a l c u l a t e di n t h i sp a p e r ．T h ee x p l o s i o n 晗 a c t i o ne q u a t i o no fp o w d e r ye m u l s i o ne x p l o s i v e sa r ec o n f i r m e dw i t hB Wr u l e ．a n dt h ec o n s t a n tv o l u m ee x p l o s i o nh e a to f p o w d e r ye m u l s i o ne x p l o s i v e sa l ec a l c u l a t e dw i t I IH e s sl a wa c c o r d i n gt h ec o n s t a n tv o l u m eh e a to ff o r m a t i o no ft h ee x p l o s i v e s i n g r e d i e n t sa n de x p l o s i o np r o d u c t s ．S p e c i f i ch e a tc a p a c i t y S H C o fe x p l o s i o np r o d u c t si sc a l c u l a t e dw i t ht h em e t h o do f w e i g h t e da v e r a g e s ．T h er 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 fr o c kp o w d e r ye m u l s i o ne x p l o s i v ei s2 6 9 5 K ，t h ee x - p l o s i o nt e m p e r a t u r eo fd a s sI 、I I 、mc o a lm i n ep e r m i s s i b l ep o w d e r ye m u l s i o ne x p l o s i v e sa r e2 6 5 1K ，2 5 9 7K ，2 5 1 0Kr e - s p e c t i v e l y ．A c c o r d i n gt Ot h ec a l c u l a t i o n s ．i tC a nb es e ∞t 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 fp e r m i s s i b l e p o w d e r ye m u l s i o ne x p l o s i v e sd e c r e a s er e s p e c t i v e l yw i t ht h ei n c r e a s eo fc o n t e n t so fK C l ．A st h ec o n t e n to fK C li n c r e a s ei n t h e4 ％一9 ％．t 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 ft h ee x p l o s i v ea r el j n e a r l yr e l a t e dt Ot h ec o n t e n to ft h eK C l ． [ K E YW O R D S ] p o w d e r ye m u l s i o ne x p l o s i v e ，p e r m i s s i b l ee x p l o s i v e ，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 1 爆破材料用的炮泥和炸药装填方法 日本专利J P2 0 0 l1 8 1 0 8 2 ，2 0 0 l ，7 ，3 ，共4 页 E l 文 所用的炮泥 炮孔堵塞材料 合有水和稠化剂， 稠化剂可选自瓜尔胶、黄原胶、纤维素衍生物和聚乙 酸乙烯酯。在炮孔中先装入炸药装药，然后在炸药 装药的上面直至炮孔口部装入炮泥。这样可增进炸 药爆炸时的有效性并便于炸药的装填。 2 炸药组成 日本专利J P2 0 0 11 8 1 0 8 0 ，2 0 0 1 ，7 ，3 ，共5 页 日文 这种炸药的体积密度为0 ．5 5 ～0 ．8 0 ，它合有微 球、多孔粒状硝酸铵和可燃物如燃料油。在数量配 比上，要使这种炸药的氧平衡达到一1 ．1 0 0 ．1 0 。 这种炸药与以前的铵油炸药相比。具有改进的爆炸 特性并便于处理。 钟一鹏译自美国化学文摘 V 0 1 ．1 3 5 ，N o ．6 2 0 0 1 万方数据