《炸药爆炸理论》讲义,安徽理工大学__郭子如教授_第三章_炸药的热分解与热安定性

第七章 炸药的爆炸作用炸药发生爆炸时所形成的高温高压气体产物，必然对周围的介质产生强烈的冲击和压缩作用。

若物体与爆炸的炸药接触或相距较近时，由于受到爆轰产物的直接作用，物体便产生运动、变形、破坏和飞散；若物体离爆炸源较远时，则受爆轰产物的直接破坏作用就不明显。

但是，当炸药在可压缩的介质（如空气、水等）中进行爆炸时，由于爆轰产物的膨胀，压缩周围的介质并在介质中形成冲击波，此冲击波在介质中传播，便可以对较远距离的物体产生破坏作用。

因此，炸药爆炸对周围物体的作用，既可以表现在较近的距离上，又可以表现在离炸药较远的距离上。

习惯上将炸药爆炸时对周围物体的各种机械作用称为炸药的爆炸作用。

通过分析知道，炸药的爆炸作用与炸药的装药量、炸药的性质、炸药装药的形状（在一定的距离上），以及爆炸源周围介质的性质等因素有关。

通过对炸药爆炸作用的研究，可以正确地评价炸药的性能，为合理使用炸药和充分发挥其效能，以及为各种装药设计提供必要的理论依据。

7.1爆炸冲击波在介质分解界面上的初始参数炸药爆炸时，在与之接触的介质中必然要产生冲击波，在爆轰产物中可产生冲击波或稀疏波。

（研究初始参数对评定炸药爆炸对邻近介质的作用，冲击波传播规律很有益处）介质中的初始冲击波参数取决于炸药的爆轰参数和介质的性质（力学性质：压缩性与密度），如果介质的密度大于爆轰产物的密度，则在介质与爆轰产物分解面处的压力x P ﹥2P （爆轰压力），同时向爆轰产物中传递一个冲击波；否则x P ﹤2P ，则向爆轰产物中传递一个稀疏波。

2P >x P 时情形：当装药在空气中爆炸时，最初爆轰产物与空气的最初分界面上的参数，也就是形成空气冲击波的初始参数。

图7-1 2x P P 时分界面附近初始参数分布情况由于爆轰形式的冲击波在开始阶段必然是强冲击波，可采用强冲击波关系式：x x u k D 21+= 2021x x D P k ρ=+ 011ρρ-+=k k x （7-1）可见，只要能从理论上获得x u ，即可计算其它参数。

第三章 炸药的热分解与热安定性3.1 热分解概述3.1.1 热分解的定义在热的作用下，物质（包括炸药）分子发生键断裂，形成相对分子质量小于原来物质分子的众多分解产物的现象，称为物质的热分解。

3.1.2 研究热分解的意义及研究简史意义：物质的储存期（货架寿命－shelf life ）；火药的弹道性质；加工制造炸药制品，例如要在较高温度下(100℃以上)压制成型，通过机械加工做成各种几何形状的产品，需要对热分解速度，是否导致爆炸危险作出回答；飞机和导弹携弹飞行过程中有可能使炸药部件受到较大的热能冲击；武器的装药量增加，有的超过了数百千克乃至数千千克，因此装药内部的热积累有时相当严重；在民用炸药的应用中，对耐热性能的要求也越来越高，例如，在石油开采中，要求石油射孔弹能在200℃下保持数小时不发生热爆炸反应，而且还要保持其主要物理化学性能不变。

由此可见，不论在军事上还是在民用上都要求炸药具有良好的热安定性和较低的热感度。

因此，测定和研究炸药性能与温度的依赖关系就显得特别重要。

简史：早期（上世纪60年代）热分解研究工作集中在热分解速率较快的火药、推进剂及其组成的受热后的表现，集中在对炸药分解速率动力学参数如活化能E 和指前因子A 等的研究，且是在等温条件下热分解动力学规律。

近期（20世纪60年代以后）利用先进的科学手段如：FIR （傅里叶红外）、ARC （加速度量热仪）、气—质联用仪、光电子能谱仪和飞行质谱仪等来更为细致得研究炸药的热分解产物和过程。

一般采用非等温动力学的研究研究。

3.1.3 物质热分解时伴随的现象及化学动力学基础知识物质分子受热后，热运动加剧（振动、转动等），在最薄弱的键处发生分子键断裂，表现出以下现象：（1）释放出气体；（2）质量随之减少；（3）除热中性反应（分子重排）外，分解过程中还伴随着热量的变化（吸热或放热）；（4）如果在密闭空间，气压将增加。

根据这些特征可以研究、追踪物质热分解的宏观变化过程—唯象动力学性质。

RDX 的爆炸产物组成和爆热的计算与分析张金龙,郭子如,杜明燃,李　国(安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南232001)摘要:笔者用经验确定方法确定了常见军用炸药黑索今(RDX )的爆炸产物组成,并利用盖斯定律计算了爆热㊂对上述计算结果进行分析,采用VLW 状态方程的理论计算法得到爆炸产物组成和爆热值,并与其它文献得到的RDX 炸药的爆热进行了比较和分析㊂L-C 计算得到的单晶体RDX 炸药的爆热值最为准确,因此,采用L-C 法更为优越㊂关键词:RDX ;爆热;爆轰产物;经验算法;L-C ;B-W ;最大放热量规则中图分类号: 文献标志码:A 文章编号:1674-3970(2019)04-0024-04收稿日期:2019-07-19作者简介:张金龙(1998 ),安徽宿州人,主要从事弹药工程与爆炸技术工作㊂E-mail :965294329@ ㊂引用格式:张金龙,郭子如,杜明燃,等.RDX 的爆炸产物组成和爆热的计算与分析[J ].煤矿爆破,2019,37(4):24-27.ZHANG Jinlong ,GUO Ziru ,DU Mingran ,et al.Calculation and Analysis of Explosive Product Composition and Heat of RDX [J ].Coal Mine Blasting ,2019,37(4):24-27.Calculation and Analysis of Explosive Product Composition and Heat of RDXZHANG Jinlong ,GUO Ziru ,DU Mingran ,Li Guo(School of Chemical Engineering ,Anhui University of Science and Technology ,Huainan 232001,China )Abstract :The composition of explosive products of common military explosive (RDX)is determined by empiricalmethod,and the detonation heat is calculated by using Hess's law.Based on the above calculation results,the composition of explosive products and the value of detonation heat were obtained by using the theoretical calculation method of VLW equation of state,and the detonation heat of RDX explosive was compared and analyzed with that of other literatures.The detonationheat value of the single crystal RDX explosive calculated by L-C is the most accurate.Therefore,L-C method is superior.Keywords :RDX;explosion heat;detonation product;empirical algorithm;L-C;B-W;maximum heat release rule0　引言黑索今(RDX)㊁梯恩梯(TNT)等烈性高能CHON 类炸药在军工及其它方面应用广泛,深入认识和理解该类炸药的起爆性能㊁爆轰能力等是有意义的㊂炸药的各类爆轰参数是广大研究者衡量炸药性能的重要参考标准,爆轰参数在很大程度上取决于炸药爆热的大小㊂探讨炸药爆热的计算方法以及了解采用哪种方法更接近实际场景的爆轰参数具有一定实际价值㊂本文应用已有的爆轰产物组成的经验确定方法,运用盖斯定律计算出RDX 的爆热,引用了学者吴雄等的VLW 计算代码得出的爆轰产物组成,并计算了爆热,对上述计算结果进行了分析比较,同时与文献中得到的RDX 的爆热计算或实验测定值亦进行了比较,并进行了讨论㊂1　爆炸化学反应方程式的确定和爆热计算[1-5]计算炸药爆热由热化学方法㊁爆热经验计算方法和量子化学法㊂而最常用的是热化学方法㊂首先确定爆炸产物的组成,然后按照盖斯定律计算爆热㊂确定爆炸产物组成的方法主要有经验法和理论计算方法两大类㊂爆炸产物组成的理论确定方法是采用某种适当的爆轰产物状态方程,运用经典的化学平衡原理和爆轰化学反应的质量守恒原理进行产物组成确定㊂理论计算方法较为复杂,一般需要借助计算机编码来实现㊂理论方法科学原理强,因而可信度42高㊂已经公认的经验方法有Li-Chatelier(简称L-C)方法㊁Brinkly-Wilson(简称B-W)方法和最大放热量规则㊂1.1　L-C方法该方法以最大爆炸产物体积为原则,是在体积相同的情况下,侧重于放热多的反应㊂对第一类炸药(c≥2a+0.5b),由于O含量充足,C㊁H两种元素被完全氧化为CO2和H2O,并生成分子状态的N2,剩余的氧元素也被氧化为O2㊂C a H b O c N d→b2H2O+a2CO2+c-2a-b2O2+d2N2(1)对第二类炸药(a+0.5b≤c≤2a+0.5b),首先考虑对生成气体产物有利的反应,C→CO㊂余下的O平均分配,用于生成CO2和H2O㊂C a H b O c N d→3a-c2CO+c-a2CO2+c-a2H2O+a+2b-c2H2+d2N2(2)而对于第三类炸药(c<a+0.5b),由于严重负氧,L-C规则并不适用㊂我们采取改进方法㊂先将3/4H氧化成H2O,再将剩余的氧平均分配用于氧化C,使之生成CO2和CO,显然CO的摩尔数是CO2的两倍,且有固体碳生成㊂爆炸反应方程式如下:C a H b O c N d→3b8H2O+8c-3b16CO+8c-3b32CO2+b8 H2+d2N2+32a+9b-24c32C(3)当以上各化学计量数为零或负值时,该项省略㊂1.2　B-W规则布伦克里和威尔逊的计算方法遵循能量优先原则,满足H2O→CO→CO2的产物生成顺序㊂该类方法优先将炸药中的H元素全部与O元素结合,生成H2O㊂剩余的O再将炸药中的C完全氧化成CO,如果仍然剩余O,则全部用于生成CO2,如果O 含量不足,剩余的C元素,以C单质形式保留㊂炸药中的N元素则默认生成N2㊂对第一类正氧平衡炸药(c≥2a+0.5b),爆炸反应方程式与L-C方法相同,这里不再赘述㊂对负氧平衡第二类炸药(a+0.5b≤c≤2a+ 0.5b),O元素在完全氧化H元素之后,全部用于生成CO㊂完整的爆炸反应方程式如下:C a H b O c N d→b2H2O+4a-2c+b4CO+2c-2a-b2CO2 +d2N2(4)对第三类严重负氧炸药(c<a+0.5b),O元素在完全氧化H元素之后,不足以将C元素完全氧化,故有C单质生成㊂爆炸反应方程式如下:C a H b O c N d→b2H2O+2c-b2CO+2a-2c+b2C+d2N2(5)该爆炸反应方程式满足0.5b≤c<a+0.5b 1.3　最大放热量规则该类方法即H2O→CO2方法㊂先将H元素氧化成H2O,再将C元素氧化生成CO2,而不生成CO (针对负氧平衡炸药)㊂对于CHON型炸药,爆炸的产物组成与CO反应生成CO2和C㊁H2与CO生成H2O和C的两个反应有极大关联㊂2CO⇔CO2+C+172.56H2+CO⇔H2O+C+131.28可以得到最终负氧平衡(c≤2a+0.5b)的炸药爆炸反应方程式为:C a H b O c N d→b2H2O+2c-b4CO2+4a-2c+b4C+d2N2(6)该爆炸反应方程式满足0.5b≤c<2a+0.5b 1.4　VLW状态方程二十世纪八十年代,吴雄等人以维里(VIRIAL)理论为基础建立了爆轰产物状态方程(VLW EOS),又于九十年代在理论上加以完善,历经三十多年的应用考察,证实了采用该状态方程和相应的计算机编码计算可以很好的计算还原炸药爆轰产物组成㊂该爆轰产物状态方程形式如下:PVRT=1+B*(T*)ω+B*(T*)T*1/4∑m n=3ω(n-1)(n-2)n　(n≥3,m≤5)(7)式中:B*(T*)为无量纲第二维里系数,T*为无量纲温度,方程具体内容,可参照文献[6]㊂依据该状态方程可以理论计算出爆轰产物组成和爆轰参数㊂2　爆热计算参数及比较2.1　爆热参数计算方法采取理论计算方法进行计算㊂遵循化学反应过52程中,体积恒定或者压力恒定,且系统没有做任何非体积功时,化学反应热效应只取决于反应的初态和终态,与反应的具体路径无关的规则,即盖斯定律㊂爆轰产物的生成,只能由两种方法得到㊂一是由各类元素的稳定单质直接反应得到,二是通过稳定单质生成的炸药发生爆炸反应后得到㊂我们将稳定单质直接生成爆轰产物所释放的热量定为Q1.3,炸药爆炸反应过程所放出的热量定为Q2.3,元素的稳定单质生成炸药所放出或者吸收的热量定为Q1.2㊂则按照盖斯定律对以上三者有如下关系式: Q1.3=Q1.2+Q2.3(8) 2.2　爆轰产物组成以1kg炸药为基准,运用经验确定的爆轰产物组成以及参考文献[6]运用VLW爆轰产物状态方程理论计算的RDX的爆轰产物组成(mol/kg)见下表1㊂表1　爆轰产物组成L-C B-W最大放热量规则VLW[3] H2O6.7567513.513513.513513.46036036 H26.75675000.017418919 O20000.000859459 CO26.7567506.756755.444144144 CO6.7567513.513501.495225225 NH30000.015620721 NO0001.181126126 N213.513513.513513.513512.91531532 CH40000.00608018 C006.756756.567567568 2.3　VLW方程与经验算法得到的爆热计算结果的比较 根据表1爆轰产物的组成,通过盖斯定律计算得出四种方法的RDX爆热数据及相对比值如下表2㊂表2　RDX的计算爆热计算方法爆热值/(kJ㊃kg-1)相对误差δ/% L-C5457.379045-6.867151252 B-W5178.460126-11.62703934最大放热6327.6657217.984717505 VLW5859.778927表中相对误差是以VLW方法得到的爆热值为基准(真值)得到的㊂2.4　文献中爆热值与经验算法结果比较为进一步分析讨论,参考多篇文献中的RDX 爆热数据㊂本文所参考的文献[7]中的RDX爆热值是文献作者在测试铝成分对RDX炸药性能研究时所做的空白组对照试验,具体爆热的试验方法参照GJB772A-97㊂本文所参考的文献[8]中的RDX爆热值是文献作者对含铝炸药进行研究时所做的空白组试验㊂试样采用圆柱形压装RDX,并投入了5%的黏结剂㊂药柱的长径比为(1.0~1.2)∶1.0㊂一端带雷管孔㊂黏结剂的组分(质量分数)为1.5% F2603㊁3%蜡和0.5%石墨㊂试样质量为25g,采用8号铜电雷管端面起爆㊂本文所参考的文献[9]中的RDX爆热值是运用KHT(Kihara-Hikita-Tanaka)程序得到RDX的p-v等熵数据,并采用非线性拟合软件1stOpt的差分进化法在部分公式的约束下,对JWL(Jones-Wilkins-Lee)状态方程进行参数的预测㊂KHT程序则是由以炸药组分出发㊁以混合产物自由能最小的原理找出最佳的爆轰产物组成的KHT状态方程采用FORTRAN语言编制而成的㊂具体计算方法可参考文献[6]㊂本文所参考的文献[10]中的RDX爆热值测定所采取的试验装置为:绝热型爆轰量热计㊂采取的试验方法为:将固体试样压成直径25mm的药柱,并在上端开有直径7mm㊁深15mm的雷管孔,在精确称量后放入直径25mm㊁壁厚8mm的陶瓷外壳中,并接好铜壳电雷管悬挂在弹盖下方;在改好弹盖之后抽真空并充入高纯氮至1.5MPa,然后放空高纯氮再抽真空,然后得到的试验值㊂本文所参考的文献[11]中的RDX爆热值是在研究炸药密度与炸药爆热的关系时,引用文献[12]中炸药密度与爆热的关系式所得到的不同炸药密度下的炸药爆热㊂由文献[11]中RDX所对应的爆热值随密度增大缓缓上升可知,RDX的最大爆热应略高于密度1.50g/cm3时的5401kJ/kg的爆热值,接近L-C法所得到的5458kJ/kg,但仍远低于最大放热规则所计算的6328kJ/kg㊂本文所参考的文献[13]中的RDX爆热值是文献作者在精确建立爆轰参数隶属函数时为研究各62炸药相对TNT所对应的隶属函数值所引入的常见单质炸药爆热值㊂本文所参考的文献[14]中的RDX爆热值是文献作者在利用主成分分析法研究炸药5大爆轰参数(爆热㊁爆速㊁爆压㊁爆容㊁爆温)对炸药性能影响的相关系数大小所引用的常见单质炸药爆热值㊂结果如下表3㊂其相对误差之比如下表4㊂表3　其他文献RDX爆热值参考文献文献[8]文献[9]文献[10]文献[11]文献[12]文献[13]文献[14]爆热值/(kJ㊃kg-1)5530563759145812540156305820表4　经验算法与其他爆热值的相对误差%文献[8]文献[9]文献[10]文献[11]文献[12]文献[13]文献[14] L-C-1.3132-3.1865-7.7210-6.10151.0439-3.0661-6.2306 B-W-6.3570-8.1508-12.4373-10.9005-4.1203-8.0202-11.0230最大放热14.424312.21266.99478.872417.157312.39198.7228 由表4可以发现,各参考文献中(除文献[9])爆热值均最为接近L-C法所计算得到的RDX爆热值,且文献[9]中爆热值与L-C法及最大放热规则所得到的爆热值相对误差的数值接近,也可一定程度说明L-C法的优越性㊂3　结论1)在利用爆轰产物经验算法计算RDX的爆热时,最大放热规则得到的爆热值最大,B-W法得到的爆热值最小,2)L-C法在理论运用中所计算得到的RDX爆热较其余两种方法更接近VLW状态方程得到的爆热值㊂3)最大放热量规则所得到的爆轰产物组成比例最接近VLW状态方程所得到的爆轰产物组成比例㊂4)通过让经验算法得到的RDX爆热值与多个参考文献中的RDX爆热值相比较可知,采用L-C 法计算得到的单晶体RDX炸药的爆热值较其余两类更为准确㊂5)此爆热值同样适用于各类混装炸药爆热的计算㊂参考文献:[1]炸药爆炸理论编写组.炸药爆炸理论[M].淮南:安徽理工大学,2011.[2]Wu X,Sun J,Xiao L J.The detonation parameters of new powerful explosives compounds predicted with a revised VLW EOS.In:Proceedings of the Ninth Symposium(International)on Detonation.Portland Oregon Office of Naval Research,1989:435-442.[3]李德华.炸药爆轰参数㊁生成热及爆热的理论研究[D].成都:四川大学,2005.[4]‘炸药理论“编写组.炸药理论[M].北京:国防工业出版社,1998.[5]吕春旭.工业炸药理论[M].北京:兵器工业出版社, 2003.[6]吴雄,龙新平,何碧,等.VLW爆轰产物状态方程[J].中国科学(B辑:化学),2008,38(12):1129-1132.[7]项大林,荣吉利,李健,等.黑索今基含铝炸药的铝氧比对爆轰性能及其水下爆炸性能的影响[J].兵工学报,2013,34(1):45-50.[8]胡宏伟,王建灵,徐洪涛,等.RDX基含铝炸药水中爆炸近场冲击波特性[J].火炸药学报,2009,32(2): 1-5.[9]项大林,荣吉利,李健.等.基于KHT程序的RDX基含铝炸药JWL状态方程参数预测研究[J].北京理工大学学报,33(3):239-243.[10]俞统昌,严孟超,王建灵.绝热型爆轰热量计的建立和高能炸药的爆热测定[J].含能材料,1994,2(2): 7-11.[11]苗勤书,徐更光,王延增.CHNO炸药爆热的影响因素[J].含能材料,2001,3(1):18-21.[12]俞统昌,伊孟超.混合炸药爆热的经验估算[J].火炸药,1984(2):50-55.[13]董艳丽.炸药爆轰性能的模糊综合评估技术研究[D].南京:南京理工大学,2010.[14]汪飞,何中其,陈网桦.主成分分析法用于单质炸药爆轰性能评估的研究[J].爆破器材,2013,42(2): 1-4.72。

编号：SM-ZD-32793 炸药爆炸的热力学参数Organize enterprise safety management planning, guidance, inspection and decision-making, ensure the safety status, and unify the overall plan objectives编制：____________________审核：____________________时间：____________________本文档下载后可任意修改炸药爆炸的热力学参数简介：该安全管理资料适用于安全管理工作中组织实施企业安全管理规划、指导、检查和决策等事项，保证生产中的人、物、环境因素处于最佳安全状态，从而使整体计划目标统一，行动协调，过程有条不紊。

文档可直接下载或修改，使用时请详细阅读内容。

一、爆热炸药在爆炸分解时释放出的热量称为爆热。

爆热等于炸药的反应热与爆炸产物生成热之差，其单位为千焦耳/千克（kJ／kg），工业炸药的爆炸一般在3300KJ/~5900kJ/kg之间，爆炸热可根据爆炸生成气体的种类和数量进行计算，也可用量热器直接测量。

爆热是炸药做功的能源，也是决定炸药爆速的重要因素之一，它与炸药的其他许多性能有首直接或间接的关系。

因此，提高爆热和炸药威力对于矿山爆破具有重要的实际意义。

爆热不仅决定于炸药的组成和配方，而且受到装药条件的影响，因此，即使是同一种炸药，装药条件不同，产生的爆热也不同。

二、爆温炸药释放出的热量将爆轰产物加热到最高的温度称为爆温。

即爆炸热量尚未耗散、全部赋于存于爆炸产物时，爆炸产物所达到的最高温度。

常用工业火药、炸药的爆炸的烛温在2300~4300之间。

提高炸药的爆温可以增加炸药膨胀做功的能力。

提高爆温的途径是增加爆热和减少爆炸产物的热容。

但在有瓦斯矿井中使用煤矿许用炸药时，则要求降低炸药的爆温，而且要产格限制。

炸药爆炸产物组成的确定及其对爆热的影响
吴俊浩;郭子如;杜宝强;刘伟;张金元
【期刊名称】《工程爆破》
【年(卷),期】2022(28)3
【摘要】为探索不同方法得到的爆轰产物组成对爆热计算的影响,分别对不同炸药采用理论方法和经验方法得到的爆轰产物组成进行了分析,并对由此得到的爆热计算结果进行了比较与讨论。

结果表明:对典型乳化炸药,采用以理论方法得到爆轰产物组成计算的爆热与以B-W经验方法得到爆轰产物组成计算的爆热差别不超过10%,说明能量优先的经验方法得到的爆炸产物组成用于计算乳化炸药爆热可满足工程需要;对于RDX、TNT、PETN等炸药,按经验方法得出爆轰产物组成计算的爆热明显与理论计算存在较大误差,理论得到爆轰产物组成计算的爆热与最大放热量经验规则得到的爆热相近,相差在5%左右。

【总页数】6页(P91-96)
【作者】吴俊浩;郭子如;杜宝强;刘伟;张金元
【作者单位】安徽理工大学化学工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TJ55
【相关文献】
1.爆炸事故中爆炸药量和爆源的确定
2.丝电爆制备纳米粉过程中工艺参数对爆炸产物相态组成的影响
3.金属加速炸药/高爆热炸药复合装药爆炸特性研究
4.炸药爆轰
产物Jones-Wilkins-Lee状态方程不确定参数∗5.RDX的爆炸产物组成和爆热的计算与分析
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。