多孔粒状铵油炸药爆轰参数的理论计算与分析

高玉刚

(中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司,安徽 淮北 235000)

0 引言

多孔粒状铵油炸药是将硝酸铵制造成带有孔隙的球型粒径,使其与轻柴油,按照工业炸药氧平衡的原理配比混合制得的一种混合式的工业炸药。球型粒径表面积大,能更充分地粘附轻柴油,同时,球型粒径硝酸铵内部的孔隙可以使油相材料与多孔粒状硝酸铵表面更加充分接触,提高炸药被引爆后,爆轰波持续稳定传播的能力。多孔粒状铵油炸药具有原材料资源丰富、制作工序简单、生产成本低、污染小和爆炸性能良好等显著优点[1-2],尤其在矿山爆破现场中,氧化剂硝酸铵与还原剂油相材料可以分开运输。该混合炸药在矿山使用中通常采用起爆具进行起爆,具有更高的安全性和更钝感的起爆感度,这对矿山爆破施工的安全管理起到了积极的促进作用。同时,随着现场混装技术的发展,多孔粒状铵油炸药制作工艺简单,可操作性强,对节省人力、物力,提高爆破器材运输及流通过程中的安全性,降低工程爆破成本具有更积极的意义。通过对多孔粒状铵油炸药中氧化剂(硝酸铵)与还原剂(轻柴油)不同比例的6种配方,分别进行爆轰参数的理论计算和计算数据的分析,为矿山爆破工程在使用多孔粒状铵油炸药配比时,提供一些理论依据。

1 多孔粒状铵油炸药爆炸反应化学方程式

工业炸药爆炸瞬间完成,在此过程中能量迅速释放,很难确定其精确的生成产物及生成产物的系数。一方面由于工业炸药组分杂且多,爆炸时反应迅速复杂,另一方面由于起爆方式和约束条件的不同及工业炸药在混合时是否均匀,都会使工业炸药爆炸时产生的爆炸产物的种类及爆炸产物的成分发生变化。计算炸药的爆热、爆速及爆压等爆轰参数时,爆炸产物的组成成分及相互间的比例关系是相当重要的。因此,需要从理论上或经验上确立一个接近于爆炸条件下的爆炸反应化学方程式[3]。笔者采用经典的B-W法,通过对多孔粒状铵油炸药中氧化剂(硝酸铵)与还原剂(轻柴油)的比例进行调整,配出不同的氧平衡,从而生成不同种类、不同含量的爆炸产物,进一步确定不同配比情况下的爆炸化学反应方程式[4]。

GB 17583—1998《多孔粒状铵油炸药》[5]中规定多孔粒状硝酸铵组分含量为94%～95%,轻柴油组分含量为5%～6%。选取3组典型配方,多孔粒状硝酸铵与轻柴油的组分含量之比分别为94∶6、94.5∶5.5和95∶5[6]。为考察不同的氧平衡值条件下,多孔粒状铵油炸药爆轰参数的变化趋势,增加93.5∶6.5、95.5∶4.5和96∶4的3组配方进行计算,其中前1组配方为负氧平衡,后2组为正氧平衡。通过查阅相关文献知硝酸铵的氧平衡值为0.2,轻柴油的氧平衡值为-3.42,根据上述6组配方中各物质的含量与氧平衡计算公式,计算各配方组成情况及氧平衡值,具体见表1[7-8]。

采用1千克炸药为计算标准,通过表1所列的6种炸药配方,写出以上配方中的各组分物质的量、千克实验式,并根据B-W法则分别建立爆炸反应方程式。

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 多孔粒状铵油炸药爆轰参数计算

2.1 多孔粒状铵油炸药理论爆热

工业炸药爆热可用来评估含能材料的威力及工业炸药对周围介质的破坏效果,是炸药的重要爆轰参数。结合爆炸后生成的物质及爆炸产物的比例关系,得到化学方程式。查阅文献[9]可知在298 K下炸药各组分和爆炸产物定容生成爆热的数据,根据盖斯定律计算得到炸药的定容生成爆热为:

式中:QV为炸药定容爆热；QV1,3为炸药爆炸产物定容生成爆热总和；QV1,2为炸药各组分定容生成爆热总和。

以配方C为例,多孔粒状铵油炸药的生成热之和为QV1,2=353.46×11.687 5+660.04×0.290 179=4 322.59 kJ/kg；爆炸后生成产物的定容生成热为QV1,3=240.35×27.553 57+393.13×3.928 57=8 166.94 kJ/kg；根据式(1)得到在298 K下配方C的多孔粒状铵油炸药定容爆热:QV=QV1,3-QV1,2=3 844.35 kJ/kg。采用同样的计算方法得到表1中其他多孔粒状炸药配方的定容爆热,计算结果见表2。

表2 多孔粒状铵油炸药的定容爆热计算结果

由表2可得:6种配方中,接近零氧平衡的配方C爆热最高；从配方A至配方C负氧平衡值逐渐降低,多孔粒状铵油炸药的定容生成热增加；从配方C至配方F,正氧平衡值逐渐增大,但多孔粒状铵油炸药的定容生成热却下降。配方A和配方E氧平衡数值接近0.036,配方B和配方D氧平衡数值接近0.018,这2组的氧平衡数值绝对值接近,但配方D是正氧平衡配方,配方E是负氧平衡配方。随着氧平衡值绝对值的增大,正氧平衡配方爆热值下降得更快一些。

表2 爆轰波垂直入射时固体介质分界面压力单位:GPa

2.2 多孔粒状铵油炸药理论爆温与爆容

炸药爆炸瞬间释放出巨大的热量,该热量使爆炸后的生成产物温度迅速上升致最大温度,即为炸药的理论爆温。

炸药的热容温度为直线关系,两者相互关系的表达式为ˉCv=A+Bt,爆温的计算公式[10]如下:

式中,T0取298 K。工业炸药的爆容[11],是指每千克质量的工业炸药爆炸时气态产物在标准状态下所占有的体积。工业炸药的比容V0可用下式表示:

以配方C为例,根据配方C的反应方程式,查阅文献[6],得到炸药组成所构成的反应物及生成产物的摩尔平均定容热容数据,利用式(4)计算配方C的平均定容热容值。

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)可计算出:t=2 490.95℃；则炸药的爆温TB=t+298=2 788.95 K

由式(6)可计算配方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,计算其他5组炸药配方的爆温与爆容,计算结果见表3。

表3 多孔粒状铵油炸药爆炸产物的平均定容爆容和爆温计算值

由表1可知,配方C的氧平衡为0.000 9,接近于零氧平衡,且计算得到爆容值为970.1 L/kg。结合表3中计算结果发现,越接近零氧平衡,爆容越小。配方A负氧平衡,其氧平衡值为-0.035 3；配方E正氧平衡,其氧平衡值为0.037 1。两者氧平衡绝对值数值接近,但配方A的爆容增大更明显。由此可知,负氧平衡对爆容的增加更明显,这是因为工业炸药配方为负氧平衡条件下,在化学反应过程中,爆炸时会使氧化剂与还原剂生成更多的一氧化碳气体,从而产生的爆炸气体量更大。

分析表3数据可知,在6组配方中配方C的爆温最大,爆温值为2 788.95 K。结合配方A与配方D,配方B与配方E的氧平衡值与爆温数据可知,多孔粒状铵油炸药中,偏离零氧平衡越远,爆温下降越明显,且正氧平衡配方比负氧平衡配方下降得更明显。

2.3 多孔粒状铵油炸药理论爆速

根据经验公式,炸药理论爆速与爆热及爆炸后的气体产物绝热指数[12]有关:

同理,计算其他5组炸药配方的爆速,计算结果见表4。

表4 多孔粒状铵油炸药爆速计算值

2.4 多孔粒状铵油炸药理论爆压

工业炸药的理论爆压与炸药的装药密度和理论爆速之间存在如下关系:

通过分析表4爆速计算值与表5爆压计算值可知,6组配方中配方C的爆速与爆压最大。偏离零氧平衡越远,爆速与爆压下降越明显,且正氧平衡配方要比负氧平衡配方爆速与爆压下降得更明显。

表5 多孔粒状铵油炸药爆压计算值

3 结论

1)多孔粒状铵油炸药不同配方对应不同的氧平衡,爆炸后生成的爆炸产物种类及对应的量也不同,导致与之相对应的爆炸化学反应方程式中各生成物及生成物的系数差别较大。

2)在上述6组配方中,氧平衡值接近零氧平衡的配方C,计算出的爆炸性能最佳。对应的理论计算爆热为3 844.35 kJ/kg、爆温为2 788.95 K、爆速为5 841 m/s、爆压为7 676 MPa、爆容为970.1 L/kg。

3)偏离零氧平衡越远,爆热、爆温、爆速和爆压下降越严重,且正氧平衡配方比负氧平衡配方爆温与爆热下降得更明显。在正氧平衡值与负氧平衡值相等的情况下,负氧平衡炸药配比的爆炸性能优于正氧平衡炸药配比。