Лекция 6 ФОРМЫ ХИМИЧЕСКОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ ВВ Химическое превращение

Лекция 6 ФОРМЫ ХИМИЧЕСКОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ ВВ Химическое превращение ВВ может протекать в различных формах, основными из которых являются: 1) медленное химическое превращение (термический распад); 2) горение; 3) взрывное горение; 4) детонация. Медленное химическое превращение (термическое разложение) представляет собой процесс распада вещества в течение длительного времени и характеризуется тем, что все разлагающееся вещество находится при одинаковой температуре, практически равной температуре окружающей среды. Скорость реакции соответствует этой температуре и во всех точках одинакова. Закономерности медленного химического превращения ВВ принципиально не отличаются от закономерностей превращений невзрывчатых веществ. Разрушение горных пород взрывом, 201 1

Медленное химическое превращение ВВ возможно в процессе изготовления, хранения и даже в процессе применения ВВ. Обычно начало медленного химического превращения связано с неблагоприятными условиями для ВВ (повышенная температура, влажность, наличие примесей-катализаторов и др. ). Наиболее опасными с позиций термического разложения являются нитроэфирсодержащие ВВ, в процессе хранения которых возможно начало медленного химического превращения. Современный ассортимент промышленных ВВ при условии правильного хранения является стойким в химическом отношении. В то же время при наличии неблагоприятных условий (повышенная температура, наличие кислотных вод) термическое разложение взрывчатых веществ возможно. Разрушение горных пород взрывом, 201 2

Горение ВВ (скорость от сантиметров до десятков метров в секунду) как форма химического превращения характерно для большинства промышленных ВВ. Горение происходит за счет внешнего кислорода, однако при больших количествах ВВ или при горении в замкнутых объемах из-за отсутствия оттока тепла возможно повышение температуры и переход во взрыв – высшие формы химического превращения ВВ. Горение как форма химического превращения используется при уничтожении недоброкачественных ВВ. При взрывном горении (скорость распространения от 400 до 1500 м/с) окисление горючих компонентов ВВ происходит за счет внутреннего кислорода взрывчатого вещества. Распространение реакции при взрывном горении происходит за счет теплопередачи, т. е. ранее прореагировавшие слои ВВ передают тепловую энергию (поджигают) следующим слоям. В форме взрывного горения происходит взрыв черного дымного пороха, инициируемого тепловым начальным импульсом. Разрушение горных пород взрывом, 201 3

Детонация – распространение взрыва, обусловленное прохождением по заряду ВВ детонационной волны со сверхзвуковой скоростью. Детонация - это высшая форма химического превращения ВВ, протекающая с наибольшей скоростью (1500 – 9000 м/с) и максимальным выделением энергии. Медленное химическое превращение (термический распад), горение, взрывное горение и детонация являются основными формами химического превращения взрывчатых веществ. Они могут переходить одна в другую. Так, например, медленное химическое превращение больших объемов ВВ при недостаточном теплоотводе может переходить в горение, а горение – в детонацию. Могут происходить и обратные процессы – при неправильных параметрах взрывных работ (в частности, из-за недостаточно эффективного инициирования зарядов) детонация может переходить во взрывное горение и горение (дефлаграцию). Разрушение горных пород взрывом, 201 4

Основные положения теории детонации Понятие о детонации Детонация представляет собой процесс распространения по взрывчатому веществу со сверхзвуковой скоростью зоны химической реакции вслед за ударной волной – областью сжатия с резким скачком давления, температуры и плотности на переднем фронте. p 1 ρ1 T 1 v 1 p 0 ρ0 T 0 v 0 Изменение параметров среды при прохождении ударной волны Разрушение горных пород взрывом, 201 5

6 7 5 Совокупность ударной волны 2 и зоны химической реакции 7 U W BB называется детонационной волной 1. Под действием ударной волны происходит разрушение 1 молекул ВВ, и освобожденные от первоначальных связей, нагретые 4 3 2 до высокой температуры горючие Схема детонации открытого заряда: элементы и кислород в пределах 1 – детонационная волна; 2 – ударная волна; 3 зоны химической реакции вступают – фронт расширения продуктов взрыва; 4 – в реакцию с выделением тепла и фронт волны разрежения; 5 – зона нерасширившихся газов; 6 – плоскость Чепмена превращением ВВ в газообразные -Жуге; 7 – зона химической реакции продукты взрыва. В зоне химической реакции распространяется фронт расширения продуктов взрыва 3, а с периферии к центру заряда по наклонной к оси заряда плоскости распространяется фронт волны разрежения 4. В центре зоны химической реакции в виде конуса формируется зона нерасширившихся газов 5, от устойчивости которой зависит устойчивость процесса детонации в целом. Зона химической реакции ограничивается плоскостью Чепмена-Жуге 6. Разрушение горных пород взрывом, 201 6

Ширина волны сжатия в заряде не превышает длину свободного пробега молекулы, а ширина зоны химической реакции изменяется от 1 до 40 мм в зависимости от состава и дисперсности ВВ. Характерные особенности детонационной волны: 1) скорость распространения детонационной волны W всегда выше скорости звука в данной среде; 2) на фронте детонационной волны происходит скачкообразное повышение давления, плотности и температуры вещества; 3) продукты взрыва смещаются вслед за ударной волной со скоростью U; 4) скорость ударной волны зависит от величины сохранившегося и поддерживаемого энергией зоны химической реакции давления на фронте волны. Первые математические модели детонационной волны, опирающиеся на теорию ударных волн в газах, были созданы в виде гидродинамических теорий детонации в конце XIX века В. А. Михельсоном в России, Д. Л. Чепменом в Англии и Е. Жуге во Франции. Разрушение горных пород взрывом, 201 7

Исходное вещество с параметрами р0 V 0 (точка А) сжимается в фронте ударной волны до состояния р1 V 1 (точка В), при котором в результате адиабатического сжатия и разогрева возникает экзотермическая реакция взрывчатого превращения, заканчивающаяся в точке С, называемой точкой Чепмена-Жуге и лежащей на адиабате ЕС продуктов детонации (адиабате Гюгонио). p P 0 E B C p 2 F p 3 A V 1 V 2 V 0 V Диаграмма детонационной волны Процесс превращения сопровождается расширением нагретых газообразных продуктов детонации, поэтому давление продуктов детонации в плоскости Чепмена-Жуге примерно в 2 раза ниже, чем в точке В, т. е. на фронте волны сжатия. За плоскостью Чепмена-Жуге (точка С) по адиабате CF происходит дальнейший спад давления продуктов детонации вследствие их расширения. Прямая АВ, являющаяся касательной к адиабате Гюгонио в точке Чепмена. Жуге, называется прямой Михельсона. Разрушение горных пород взрывом, 201 8

На профиле детонационной волны, построенном в координатах давление (р) – расстояние (х), адиабатическому сжатию вещества соответствует прямая АВ. Небольшой угол ее наклона к оси ординат свидетельствует о крайне малом времени пребывания вещества в волне и малой толщине сжимаемого слоя. Участок ВС на кривой падения давления соответствует зоне химической реакции, а совпадающей с линией Михельсона – точке С перехода от линии Михельсона к адиабате Гюгонио соответствует плоскость Чепмена-Жуге. Участок кривой СF характеризует спад давления в расширяющихся продуктах детонации. p B C F A x Профиль детонационной волны Вещество при сжатии переходит в состояние, описываемое уравнением. Разрушение горных пород взрывом, 201 9

Если в зоне химической реакции выделяется определенное количество тепла, то изменяется и состояние вещества, описываемое уравнением другой адиабаты, проходящей выше адиабаты исходного вещества. При этом адиабата Гюгонио для конечных продуктов детонации должна располагаться выше всех промежуточных адиабат, так к этому моменту выделится вся энергия. Головную часть волны химической реакции принято называть химическим пиком (участок ВС на рис. на с. 9). В зоне химического пика местная скорость звука в продуктах детонации, а, следовательно, и скорость распространения выделившейся теплоты, выше скорости детонационной волны относительно продуктов детонации. Благодаря этому происходит «подпитка» детонационной волны за счет выделившейся в химическом пике энергии, что обеспечивает ее устойчивость и самораспространение. Основным условием устойчивости детонации заряда ВВ является преобладание количества энергии, выделившейся в зоне химического пика, над потерями энергии в этой зоне вследствие расширения продуктов детонации. И наоборот, детонация становится неустойчивой, и ее скорость снижается, если потери теплоты при расширении продуктов детонации превысят количество теплоты, выделившейся в зоне химического пика. Разрушение горных пород взрывом, 201 10

Параметры взрывчатого превращения Основными параметрами взрыва являются: скорость детонации W; давление детонации Р; теплота взрыва Q; температура взрыва Т; объем продуктов взрыва V. Скорость детонации ВВ в определенных условиях взрывания является величиной постоянной, но она может изменяться в широких пределах в зависимости от совокупного влияния различных факторов, таких как степень дисперсности ВВ, плотность и диаметр заряда, наличие прочной оболочки и др. Скорость детонации в конкретных условиях взрывания зависит от энергии ВВ, а также от его плотности и может быть определена экспериментально или рассчитана по формуле: Разрушение горных пород взрывом, 201 11

, где QV – теплота взрыва при постоянном объеме; n – показатель политропы, приблизительно равный 3. Давление детонации пропорционально плотности ВВ и квадрату скорости его детонации и может быть приближенно посчитано по формуле: , где 0 – плотность ВВ. Для промышленных ВВ давление изменяется от 5 до 25 МПа. Разрушение горных пород взрывом, 201 12

Теплотой взрыва называется количество тепла, выделяемое при взрывчатом превращении 1 кг или 1 моля ВВ. Теплота взрыва, являющаяся одной из основных, наиболее важных характеристик ВВ, определяет его мощность и может быть вычислена по формуле , где q 1 – теплота образования продуктов взрыва; q 2 – теплота образования исходного ВВ или его составных частей. Температурой взрыва называется максимальная температура, до которой нагреваются продукты взрыва за счет теплоты взрывчатого превращения. Температуру взрыва Т (0 С) обычно определяют по формуле: , где CV – средняя теплоемкость продуктов взрыва. Разрушение горных пород взрывом, 201 13

Объем газообразных продуктов взрыва можно рассчитать, зная реакцию взрывчатого превращения, по формуле: где n 2 – число газообразных молекул в продуктах взрыва; N – число молекул исходного вещества, участвующих в реакции; М – молекулярная масса исходного вещества. Для расчетов основных параметров детонации, в уравнения определения которых входит, как правило, по два неизвестных, экспериментально необходимо определить один из искомых параметров. Наиболее просто определяется скорость детонации. Разрушение горных пород взрывом, 201 14