粒径对硝酸铵爆炸特性的影响.pdf

爆破器材E x p ] o s i v eM a t e r i a l s 第4 4 卷第2 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 8 3 5 2 ．2 0 1 5 ．0 2 ．0 0 8 粒径对硝酸铵爆炸特性的影响米 夏良洪①谭柳①徐森①②陈相③5 , 1 大斌① ①南京理工大学化工学院 江苏南京，2 1 0 0 9 4 ②国家民用爆破器材质量监督检验中心 江苏南京，2 1 0 0 9 4 ③上海出入境检验检疫局 上海，2 0 0 1 3 5 『摘要]为了研究粒径对硝酸铵爆炸特性的影响，采用联合国隔板试验装置，研究了不同粒径硝酸铵的爆速变 化特性。结果表明粒径为1 4 9 ～8 4 1 t x m 的硝酸铵都发生了整体爆轰，但不同粒径硝酸铵的爆速和验证板的破坏效 应各不相同；粒径范围为4 2 0 ～8 4 1t x m 、2 5 0 ～4 2 0 汕m 、1 7 7 ～2 5 0p ．m 和1 4 9 ～1 7 7I ．z m 的样品爆速分别为11 6 6 、 13 3 6 、16 0 7 和15 4 3m ／s ，验证板的破坏效应分别为深5 ．4 0c m 的凹痕、直径为3 ．0 5 、7 ．9 5 和7 ．1 0e r l l 的穿孔；由爆 速和验证板的破坏效应结果可以发现，在装药密度相同的条件下，硝酸铵粒径越小，爆速越高，破坏效应越剧烈；比 较粒径范围为1 7 7 ～2 5 0 斗m 和1 4 9 ～1 7 7 肛m 样品的结果可知，当粒径为1 4 9 ～1 7 7 斗m 时，硝酸铵的装药密度明显 降低，且样品爆速和破坏效应也相应降低，表明装药密度对硝酸铵爆炸特性有显著影响。 『关键词] 爆炸特性；粒径；爆速；破坏效应；扫描电镜；装药密度 『分类号] T D 2 3 5 ．2 1 引言 硝酸铵是一种十分常用的高效优质氮肥，仅次 于尿素的使用量，同时硝酸铵也是一种常用的工业 原料。由于硝酸铵自身含有氧化基团 N H f 和还 原基团 N O ； ] ，而且硝酸铵的结构疏松、孑L 隙率 大．导致硝酸铵在爆轰过程中受外力作用时容易形 成热点，同时硝酸铵发生爆炸时能够产生大量的气 体，使得硝酸铵广泛应用于军用含能材料以及工业 炸药等相关领域[ 2 ] 。目前硝酸铵已成为工业炸药 生产中的最主要原料，全世界每年生产的硝酸铵，其 中用于工业炸药生产的硝酸铵大约占其生产总质量 的2 5 ％。此外，硝酸铵与石油、柴油、木粉等可燃剂 通过简单的混合就能制成爆炸品[ 3 圳，因此硝酸铵也 常被恐怖分子用于制造恐怖爆炸袭击活动，而随着 多起震惊世界的恐怖爆炸袭击事件的发生，硝酸铵 的安全性所带来的危害引起了人们的高度重视和警 惕．如唐双凌等[ 4 刮研究了添加剂对硝酸铵爆轰安全 性的影响，发现热稳定性的提高对硝酸铵爆炸性具 有更好的抑制作用；O x l e y 等[ 73 研究了杂质对硝酸 铵爆炸性能的影响，并指出硝酸铵最大放热峰的位 置提高到更高的温度，对硝酸铵爆轰具有很好的抑 制作用T a n 等[ 8 ] 对添加剂和混合方法对硝酸铵的 爆炸性能进行了研究，并提出对于不同的添加剂．由 于混合方法的不同对硝酸铵的爆炸性能有着重要的 影响。尽管添加剂对硝酸铵爆炸性能影响的研究取 得了不错的进展，但是由于硝酸铵自身的结构性质， 使得硝酸铵自身性质对爆炸特性影响的研究成果并 不多。本文采用联合国隔板试验装置，研究了不同 粒径硝酸铵的爆炸特性。 1 试验部分 1 ．1 样品的制备 制备粒径不同的硝酸铵将烘干的硝酸铵 工 业级 用球磨机粉碎，然后利用不同目数的筛子将 不同粒径范围的硝酸铵筛选出来，获得4 个粒径不 同的样品，最后将筛选出来的样品分别放入烘箱干 燥备用。各样品粒径的大小如表1 所示。 表1 样品粒径 T a b ．1P a r t i c l eS i z e so fs a m p l e s 1 ．2 样品微观形态表征 利用日本电子株式会社生产的J E O L I S M 一 米收稿日期2 0 1 4 - 0 9 - 0 9 基金项目国家自然科学基金项目 5 1 1 7 4 1 2 0 作者简介夏良洪 1 9 8 9 一 ，男，硕土研究生，主要从事硝酸铵改性研究。E - m a i l x i a l h l 0 2 1 1 2 6C O l l l 通信作者刘大斌 1 9 6 3 ～ ，男，教授，博导，主要从事含能材料研究E m a i l d a b i n 6 3 v i p ．s i n a ．c o n l 万方数据 2 0 1 5 年4 月 粒径对硝酸铵爆炸特性的影响夏良洪，等 3 3 6 3 8 0 L V 扫描电子显微镜来研究硝酸铵样品的微观 形态。 1 ．3 爆炸特性的测试 利用联合国关于危险货物运输的建议书试验 和标准手册中的隔板试验装置，采用探针法[ 9 ] 测 试爆速，试验装置如图1 所示。试验样品装在一根 无缝碳钢管中，钢管的外直径为4 8m m ，壁厚为4 ．0 m m ，高度为4 0 0m m ，传爆药柱为由太安和T N T 按 照质量比1 1 浇注成的1 6 0g 药柱，直径为5 0m m ， 密度为1 ．6 0g ／o m 3 。钢管上端放一块边长为1 5 0 m m 、厚3 ．2m m 的方形低碳验证板，并用1 ．6m m 厚 的隔离层将其隔开。雷管贴起爆药柱，固定好以后引 爆[ 1 ⋯同时在钢管距隔离层1 0 0m m 和2 0 0m m 处 分别开一个直径为2m m 的孑L ，插入离子探针测取 爆速。取两次平行试验有效结果。 a 试验装置图 b 试验装置不意图 1 一验证板；2 一隔离层；3 一探针；4 一钢管；5 一样品； 6 一塑料膜；7 一起爆药；8 一雷管支座；9 一雷管 图l 隔板试验装置 F i g ．1 P a r t i t i o nt e s td e v i c e 2 试验结果与分析 2 ．1 扫描电镜试验 图2 为硝酸铵样品的扫描电镜图 S E M ，比较 样品的扫描电镜图可以发现．随着粒径的减小。硝酸 铵表面变得越来越不光滑，同时表面棱角也在增加。 2 ．2 爆炸特性测试 不同粒径范围硝酸铵爆炸特性测试的结果见表 2 。由表2 可知，装药密度为0 ．7 8g ／c m 3 时，样品 1 。、2 ”和3 4 的爆速分别为11 6 6m ／s 、l3 3 6m ／s 和 16 0 7m ／s ，由此可见，随着硝酸铵粒度降低，样品爆 速逐渐升高。样品4 。的粒径为1 4 9 ～1 7 7t x m ，装药密 度仅为0 ．7 0g ／c m 3 ，爆速为15 4 3m ／s 。比较样品 a 样品1 “ b 样品2 ” d 样品4 4 图2 扫描电镜图 F i g ．2 S E Mi m a g e 3 ”、4 。的试验结果可发现，装药密度对硝酸铵的爆炸 特性有显著影响。由图3 的验证板破坏效应可知。 试验后样品1 ”、2 ”、3 ”和4 ”在验证板上分别形成了深 5 ．4 0c m 的凹痕、直径为3 ．0 5 、7 ．9 5 和7 ．1 0e m 的穿 孑L ，这与样品爆速的变化趋势完全一致。 扫描电镜的结果表明，随着硝酸铵粒径的减小． 样品的比表面积会相应地增加，这有利于提高样品 在爆轰过程中的反应速度另一方面，硝酸铵粒径的 减小，会使其颗粒表面变得更不规则，棱角变多，这 使得样品内部能形成更多的热点，提高样品的感度． 从而表现为在相同装药密度条件下，样品粒径越小． 爆速越高；同时在相同的约束条件下，样品的装药密 万方数据 3 4 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 4 卷第2 期 a 样品1 4 b 样品2 4 c 样品3 4 d 样品∥ 图3 试验验证板 F i g ．3 V e r i f i c a t i o nb o a r du s e di ne x p e r i m e n t 度较d , t , t ，爆速与装药密度成正比；但是当装药密度 较大时，爆速与装药密度是成反比的，这是因为在装 药密度较小时，随着装药密度的增加，其样品颗粒之 问空隙虽在减小。但其自由表面积并未有所减小，因 此样品能形成的热点在增加，而对气体产物的扩散 的影响较小，因此爆速得到提高；但是当装药密度较 大时，随着装药密度的增加，样品颗粒之间相互挤压 越密实，使得样品颗粒的自由表面积减小，从而不利 于热点的形成，同时气体产物也不易扩散，从而爆速 减小。试验时样品4 “比样品3 。的装药密度小，因两 种样品的装药密度都较小，使得装药密度大的样品 颗粒之间的挤压对样品颗粒的自由表面积的影响不 大，对气体产物的扩散的影响也较小，从而使得样品 4 。的爆速和验证板的破坏效应比样品3 ”的略低。 3 结论 粒径和装药密度对硝酸铵的爆炸特性有着显著 的影响 1 在相同的装药密度下，随着样品粒径的减 小。硝酸铵爆速相应增加，对验证板的破坏效应也更 剧烈；2 硝酸铵粒径为1 4 9 ～1 7 7 m 时，最大装药 密度为0 ．7 0g ／c m 3 ．由于装药密度的降低。其爆速及 验证板破坏效应都比粒径为1 7 7 。2 5 0 斗m 的略低。 参考文献 『1 ]沈立晋，汪旭光．采用加速量热法评价防爆硝酸铵的 热稳定性[ J ] ．火炸药学报，2 0 0 4 ，2 7 2 7 3 - 7 6 ． S h e nL i j i n ，W a n gX u g u a n g ．T h et h e r m a ls t a b i l i t ye v a l u a t i o no fa n t i e x p l o s i v ea m m o n i u mn i t r a t e b ya c c e l e r a t i n g r a t ec a l o r i n e t e r [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fE x p l o s i v e s ＆P r o p e l l a n t s ，2 0 0 4 ，2 7 2 7 3 7 6 ． [ 2 ]吕春绪，刘祖亮，倪欧琪．工业炸药[ M ] ．北京兵器 工业出版社．1 9 9 4 ． [ 3 ]白燕．杂质对硝酸铵热稳定性的影响[ J ] ．火工品， 2 0 0 9 2 2 4 - 2 7 ． B a iY a n ．E f f e c to fi m p u r i t i e so nt h ed e c o m p o s i t i o no fA N [ J ] ．I n i t i a t o r s ＆P y r o t e c h n i c s ，2 0 0 9 2 2 4 2 7 ． [ 4 ]唐双凌，刘祖亮，朱广军，等．添加剂对硝酸铵爆轰安 全性和热稳定性的影响『J ] ．化肥工业，2 0 0 3 ，3 0 4 2 8 - 2 9 ，3 2 ． 万方数据 2 0 1 5 年4 月粒径对硝酸铵爆炸特性的影响夏良洪，等 - 3 5 [ 5 ] [ 6 ] T a n gS h u a n g l i n g ，L i uZ u l i a n g ，Z h uG u a n g j u n ，e ta 1 ．E f f e c t o fa d d i t i v e so i ld e t o n a t i o ns a f e t ya n dh e a ts t a b i l i t yo f a m m o n i u mn i t r a t e 『J ] ．J o u r n a lo ft h eC h e m i c a lF e r t i l i z e r I n d u s t r y ，2 0 0 3 ，3 0 4 2 8 - 2 9 ，3 2 ． 唐双凌，刘祖亮，周新利，等．改性硝酸铵爆轰安全性 研究I ．C o C O ，和M g S O 。对硝酸铵爆轰安全性的影响 [ J ] ．应用化学，2 0 0 4 ，2 1 1 6 4 - 6 9 ． T a n gS h u a n g l i n g ，L i uZ u l i a n g ，，Z h o nX i n l i ，e ta 1 ．D e t o n a t i o ns a f e t yo fm o d i f i e da m m o n i u mn i t r a t eI ．t h ei n f l u e n c e s o fc a l c i u mc a r b o n a t ea n dm a g n e s i u ms u l f a t e J1 ．C h i n e s e J o u r n a lo fA p p l i e dC h e m i s t r y ，2 0 0 4 ，2 1 1 6 4 6 9 。 唐双凌，吕春绪，周新利，等．改性硝酸铵爆炸安全性 研究Ⅱ．无机化学肥料对硝酸铵爆炸安全性的影响 [ J ] ．应用化学，2 0 0 4 ，2 1 4 4 0 0 - 4 0 4 ． T a n gS h u a n g l i n g ，L vC h u n x u ，Z h o uX i n l i ，e ta 1 ．S t u d i e s [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] o nt h ed e t o n a t i o ns a f e t yo fm o d i f i e da m m o n i u mn i t r a t eI I ． t h ei n f l u e n c eo fi n o r g a n i cc h e m i c a lf e r t i l i z e rlJ ] ．C h i n e s e J o u r n a lo fA p p l i e dC h e m i s t r y ，2 0 0 4 ，2 1 4 4 0 0 4 0 4 ． O x l e yJC ，S m i t hJL ，R o g e r sE ，e ta 1 ．A m m o n i u m n i t r a t e t h e r m a ls t a b i l i t ya n de x p l o s i v i t ym o d i f i e r s [ J ] ． T h e n n o c h i m i c aA c t a ，2 0 0 2 ，3 8 4 1 2 3 4 5 ． T a nL i u ，W uQ i u j i e ，C h e nX i a n g ，e ta 1 ．T h ee f f e c t so f s o d i u mc h l o r i d eo l qt h e e x p l o s i v ep e r f o r m a n c eo f a m m o n i u mn i t r a t e 『J ] ．J o u r n a lo fT h e r m a lA n a l y s i sa n d C a l o r i m e t r y ，2 0 1 4 ，1 1 5 2 1 7 5 9 - 1 7 6 6 ． 郑孟菊。俞统昌，张银亮．炸药的性能及测试技术 『M ] ．北京兵器工业出版社，1 9 9 0 ， U n i t e dN a t i o n s ．R e c o m m e n d a t i o n so nt h et r a n s p o r to f d a n g e r o u sg o o d s m o d e lr e g u l a t i o n s [ M ] ．1 6 t he d ．N e w Y o r ka n dG e n e v a U n i t e dN a t i o n sP u b l i c a t i o n s ，2 0 0 9 ． E f f e c t so fP a r t i c l eS i z eo l lt h eE x p l o s i b i l i t yo fA m m o n i u mN i t r a t e X I AL i a n g h o n g ①，T A NL i u ①，X US e n ① ，C H E NX i a n g ③，L I UD a b i n ① 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 N a t i o n a lQ u a l i t yS u p e r v i s i o na n dI n s p e c t i o nC e n t e rf o rI n d u s t r i a lE x p l o s i v eM a t e r i a l s J i a n g s uN a n j i n g ，2 1 0 0 9 4 S h a n g h a iE n t r y E x i tI n s p e c t i o na n dQ u a r a n t i n eB u r e a u S h a n g h a i ，2 0 0 13 5 [ A B S T R A C T ] T os t u d yt h ee f f e c to fp a r t i c l es i z eo nt h ee x p l o s i b i l i t yo fa m m o n i u mn i t r a t e ．t h ep a r t i t i o nt e s td e v i c eo f U n i t e dN a t i o n sw a su s e dt ot e s tt h et e n d e n c yo fe x p l o s i v ev e l o c i t yo fa m m o n i m nn i t r a t ew i t hd i f f e r e n tp a r t i c l es i z e s ．T h e r e s u l t ss h o wt h a ta m m o n i u mn i t r a t ew i t hp a r t i c l es i z e so f1 4 9 8 4 1 恤mcano v e r a l ld e t o n a t e ，w h i l et h ed e t o n a t i o nv e l o c i t ya n d d a m a g i n ge f f e c t so fw i t n e s sp l a t ew i l lb ed i f f e r e n tw i t ht h ec h a n g e so fp a r t i c l es i z e s ．W h e np a r t i c l es i z e so ft h es a m p l e sw e r e i nt h er a n g e so f4 2 0 8 4 1p , m ，2 5 0 4 2 0t x m ，1 7 7 2 5 0t x ma n d1 4 9 1 7 7I x m ，t h ed e t o n a t i o nv e l o c i t yw e r e1 1 6 6 ，1 3 3 6 ， 1 6 0 7 m ／sa n d1 5 4 3 m ／s ．T h ed a m a g e so fw i t n e s sp l a t ee x h i b i t5 ，4 c m d e e pd e n t s ．a n d3 ，0 5 c m ．7 ．9 5 c ma n d7 ．1 0 c m d i a m e t e rp e r f o r a t e d ．F r o mt h er e s u l t so fd e s t r u c t i v ee f f e c to fw i t n e s sp l a t ea n dd e t o n a t i o nv e l o c i t y ，i tc o u l db ef o u n dt h a t w i t ht h es a m ec h a r g ed e n s i t y ，t h es m a l l e rt h ea m m o n i m nn i t r a t ep a r t i c l es i z e ，t h eh i g h e rt h ed e t o n a t i o nv e l o c i t ya n dt h e s e v e r e rd a m a g ee f f e c t s ．C o m p a r i s o no fs a m p l e ss h o w st h a tw h e np a r t i c l es i z ei s1 4 9 1 7 7 m ，t h e c h a r g ed e n s i t yo f a m m o n i u mn i t r a t ei sl o w e r ，a n dt h ed e t o n a t i o nv e l o c i t ya n dd e s t r u c t i o ne f f e c t sr e d u c e da c c o r d i n g l y ，i n d i c a t i n gt h a t t h e c h a r g ed e n s i t yh a v es i g n i f i c a n te f f e c to ne x p l o s i v ep r o p e r t i e so fa m m o n i u mn i t r a t e ， [ K E YW O R D S ] p r o p e r t i e so fe x p l o s i v e ；p a r t i c l es i z e ；d e t o n a t i o nv e l o c i t y ；d e s t r u c t i v ee f f e c t ；s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ；c h a r g ed e n s i t y 争o o 却K 摧o x H 争。专K 0 M } 9 e 吒o 寺o e H 争c E K O 郐◇0 勘邻} o 9 0 e 岫￡x 冶0 ．o o 令。哉c } o 芒加x H o o 勖o e 畸毛虻戡o e 叼} 0 芒虻．．各‘ 上接第3 l 页 P r e d i c t i o nt h eD e t o n a t i n gV e l o c i t yo fE l e m e n t a lE x p l o s i v e sb yS u p p o r tV e c t o rM a c h i n e Y A N GH u i ，Y A N GJ i a n ’g a n g ，F A N GX u e q i a n X i ’a nM o d e r nC h e m i s t r yR e s e a r c hI n s t i t u t e S h a a n x iX i ’a n ，7 1 0 0 6 5 [ A B S T R A C T ]A i m i n ga tt h eb e t t e re x p l o s i v ep e r f o r m a n c ep r e d i c t i o nf o rn e we n e r g e t i cm a t e r i a l s ，t h es u p p o r tv e c t o r m a c h i n e S V M m e t h o dw a sa p p l i e dt oe s t a b l i s h8p r e d i c t i v em o d e lf o rt h ed e t o n a t i o nv e l o c i t yo fe l e m e n t a le x p l o s i v e ．T h e r e l a t i v em o l e c u l a rm a s so fe x p l o s i v e s M ，l o a d i n gd e n s i t y P ，a n do x y g e nb a l a n c et h ep e r c e n t a g ec o m p o s i t i o no fc a r b o n ， h y d r o g e n ，o x y g e n ，n i t r o g e n w c 、w H 、w o 、w N ，w e r es e l e c t e da si n p u t so ft h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n em o d e l s ．T h er e s u h s o ft h em o d e li n d i c a t et h a t ．t h ep r e d i c t i o nr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lv a l u e s ．T h em o s tr e l a t i v ee r r o r i s4 ，7 9 ％a n dt h el e a s ti s0 ．0 4 ％．T h ep r e d i c t i o na c c u r a c yo ft h em o d e li sg o o d ．e n a b l i n gac e r t a i ne x t r a p o l a t i o n ．T h i s m e t h o dcana l s op r o v i d eg u i d a n c et op r e d i c to t h e rd e t o n a t i o np a r a m e t e r so fe x p l o s i v e s ，a n dh a sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ． [ K E YW O R D S ] e x p l o s i v e ；s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ；d e t o n a t i o nv e l o c i t y ；p r e d i c a t i o n 万方数据