Тема 4 ВЗРЫВЧАТОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ ВЕЩЕСТВА И СОСТАВ

Тема № 4. ВЗРЫВЧАТОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ ВЕЩЕСТВА И СОСТАВ ПРОДУКТОВ ВЗРЫВА Цели занятия: 1. Ознакомить обучаемых с составом и параметрами продуктов взрыва и их влиянием на характер взрывчатого превращения. 2. Изучить классификацию взрывчатых веществ, характеристики взрывчатого превращения.

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЗРЫВЧАТОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ Взрыв, представляет собой процесс чрезвычайно быстрого изменения физического или химического состояния системы, сопровождающийся переходом ее потенциальной энергии в работу. Химическое превращение гексогена в газообразные продукты и последующее расширение нагретых газов и паров – продуктов взрыва:

Взрывчатое превращение веществ характеризуется следующими показателями: • экзотермичностью процесса - выделением тепла (для современных ВВ теплота взрыва изменяется в пределах от 3750 до 7550 к. Дж/кг ); • скоростью распространения процесса – кратковременность (переход исходного ВВ к конечным продуктам взрыва - в течение 10 -5… 10 -6 с, а скорость распространения взрыва по массе вещества составляет 7000… 9000 м/с. ); • образованием газообразных продуктов (при взрыве 1 кг штатных ВВ образуется от 0, 75 до 0, 95 м 3 газов и паров ). Только одновременное сочетание этих трех основных факторов, представляющих собой взрывчато-энергетические характеристики, обеспечивает явление взрыва. Это термитная реакция: при этой реакции не образуются газообразные вещества, следовательно не совершается и работа.

Формы взрывчатого превращения: - горение (быстрое сгорание); - собственно взрыв; - детонация. Быстрым сгоранием взрывчатого вещества называют процесс, скорость распространения которого по массе ВВ не превышает нескольких метров в секунду, а иногда - даже долей метра в секунду. Собственно взрыв (обыкновенный взрыв или взрыв второго рода), - это процесс, который может протекать с переменной скоростью, но значительно большей, чем в первом случае, в среднем со скоростью сотен метров в секунду. Детонацией (взрыв первого рода), называют процесс, который распространяется по массе вещества с максимальной скоростью, измеряемой обычно тысячами метров в секунду.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ Взрывчатые вещества классифицируются по следующим признакам: • по практическому применению; • по агрегатному (физическому) состоянию; • по составу. • по направлениям применения

ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА по практическому применению по агрегатному (физическому) состоянию Инициирующие (первичные) жидкие Индивидуальные (простые) ВОЕННЫЕ Бризантные (вторичные) газообразные Смесевые (сложные) Промышленные Метательные (пороха и ТРТ) Гелеобразные монолитные Для горного дела Суспензионные Твердые по составу компонентов порошкообразные гранулированные пластичные эластичные по направлениям применения

Требования в ВВ – Высокая эффективность действия. – Определенная чувствительность к внешним импульсам. – Высокая химическая и физическая стойкость, химическая инертность по отношению к различным материалам. – Удовлетворительные технологические качества. – Производственно-экономические требования (дешевизна и доступность сырья, простота и безопасность производства, невысокая себестоимость готового продукта).

3. РЕАКЦИЯ ВЗРЫВА, СОСТАВ И ПАРАМЕТРЫ ПРОДУКТОВ ВЗРЫВА Для оценки возможного разрушительного действия взрыва необходимо знать количество и состав продуктов взрыва, который зависит от состава исходного ВВ и условий протекания реакции взрывчатого превращения. Состав продуктов взрыва и определяющий его характер взрывчатого превращения зависит от содержания окислительных элементов (взрыв - процесс окислительно-восстановительный, протекающий за счет кислорода самого ВВ). Поэтому окисление горючих элементов ВВ при различном содержании кислорода может быть полным или неполным. Содержание кислорода оценивается по величине кислородного баланса (КБ).

Кислородный баланс - это выраженная в процентах разность между количеством кислорода, содержащимся во взрывчатом веществе, и его количеством, необходимым для полного окисления горючих элементов (углерода до СО 2, водорода до Н 2 О). Рассчитывается по формуле: где: 16 - атомная масса кислорода, М – молекулярная масса ВВ, no - число атомов кислорода в молекуле ВВ, ni - необходимое число атомов кислорода для полного окисления углерода и водорода.

Для сложных смесей ВВ, если их состав выражен условной формулой смеси в виде С a. Н b O c. N d , где a, b, c, d – количество грамм-атомов соответствующих элементов в 1 кг смеси, кислородный баланс может быть выражен зависимостью где - количество грамм-атомов кислорода, необходимое для полного окисления углерода и водорода.

В зависимости от величины кислородного баланса принято различают три группы ВВ: 1. Взрывчатые вещества с положительным и нулевым кислородным балансом В этих ВВ кислорода достаточно для полного окисления горючих элементов. К таким веществам относятся нитроглицерин С 3 Н 5(ONO 2)3 , нитродигликоль С 2 Н 4 (ONO 2)2 и др. 2. Взрывчатые вещества с отрицательным кислородным балансом, то есть с количеством кислорода недостаточным для полного окисления горючих элементов, но достаточным для превращения углерода в газообразные продукты. К веществам этой группы относятся гексоген С 3 Н 6 O 6 N 6 , тэн С(СН 2 ONO 2)4 и др.

3. Взрывчатые вещества с существенно отрицательным кислородным балансом – т. е. с количеством кислорода, недостаточным для окисления углерода, в результате чего в продуктах взрыва образуется свободный углерод в виде сажистых частиц. К таким взрывчатых веществам относятся тротил С 6 Н 2(NO 2)3 СН 3, тетрил С 6 Н 2(NO 2)3 NN O 2 СН 3 и др. Признаком ВВ этой группы является неравенство

РАСЧЕТ СОСТАВА ПРОДУКТОВ ВЗРЫВА Существует несколько методов расчета состава продуктов взрыва. Наиболее простым является расчет на основе реакций взрыва с учетом величины кислородного баланса взрывчатого вещества. (Это метод последовательного окисления).

Для взрывчатого вещества с положительным кислородным балансом реакция взрывчатого превращения записывается в виде приближенного уравнения Для вещества этой группы весь углерод окисляется до СО 2, водород до Н 2 О, часть кислорода и азот выделяются в свободном виде. Например для нитроглицерина уравнение выглядит так:

Для приближенного уравнения взрыва взрывчатого вещества с отрицательным кислородным балансом пользуются правилом последовательного окисления. На первой стадии кислород расходуется на окисление углерода до СО и водорода Н 2 О. На второй стадии оставшийся кислород окисляет часть СО до СО 2.

Например для взрывчатого вещества ТЭН С(СН 2 -О-NO 2)4 уравнение выглядит так:

Для приближенного уравнения взрыва взрывчатого вещества с существенно отрицательным кислородным балансом также пользуются правилом последовательного окисления. Сначала кислород окисляет водород воды Затем оставшаяся часть кислорода реагирует с углеродом, образуя СО, а остаток углерода выделяется в свободном виде

Например для взрывчатого вещества ТРОТИЛ уравнение выглядит так:

Теплотой взрыва называется количество тепла, которое выделяется при взрыве 1 килограмма взрывчатого вещества. • • • Для расчета теплоты взрыва необходимо знать: уравнение взрывчатого вещества ВВ; теплоту образования ВВ (Qобр ВВ) и теплоту образования продуктов взрыва (Qобр ПВ). Qv=Qобр ПВ- Qобр. ВВ Теплота взрыва штатных взрывчатых веществ изменяется от 1465 до 6285 к. Дж/кг.

Теплотой образования химического соединения называется количество тепла, которые выделяются или поглощается при образовании его из простых веществ. Таблица 1. Величина теплоты образования химических веществ Qобр, к. Дж/моль Продукты взрыва v=const CO Qобр, к. Дж/моль p=const Взрывчатое вещество v=const p=const 119, 9 110, 6 Тротил 42, 3 59, 5 CO 2 393, 9 Гексоген -93, 4 -71, 6 H 2 O 240, 9 242, 2 Тетрил -55, 7 -33, 6 NO -90, 5 ТЭН 502, 8 532, 1 NO -34, 8 -33, 5 NH 43, 6 46, 1 Аммонийная селитра 354, 9 366, 2

Пример расчета теплоты взрыва тротила: Дано уравнение взрывчатого превращения тротила: Определяем теплоту образования продуктов взрыва: Выбираем теплоту образования тротила из таблицы 1: Qобр. Тротила = 42, 3 к Дж / моль; Вычисляем теплота взрыва тротила: В пересчете на 1 кг тротила теплота взрыва равна:

Теплота взрыва является важнейшей характеристикой взрывчатого вещества. Чем больше теплота взрыва, тем больше работоспособность, мощность и разрушительно действие взрывчатого вещества. Теплота взрыва зависит от природы и состава взрывчатого вещества, в основном от плотности взрывного заряда: Таблица 2. Зависимость теплоты взрыва от плотности взрывчатого вещества Плотность взрывчатого вещества, кг/м 3 850 950 1000 1600 Теплота взрыва Тротил Гексоген Тетрил 3394 5321 3855 4232 5531 4567

Температура взрыва – это максимальная температура, до которой оказываются нагретыми продукты взрывчатого превращения в момент взрыва. Эта температура достигается в короткий промежуток времени 10 -6 -10 -7 сек), а затем столь же быстро падает. Поэтому чрезвычайно трудно создать приборы для непосредственного измерения температуры взрыва. Температура взрыва может быть вычислена по формуле:

Таблица 3. Постоянные величины для газов и твердых веществ ai Дж/моль град bi x 10 -3, Дж/моль град Двухатомные газы СО и N 2 20, 1 1, 89 Пары воды Н 2 О 16, 8 9, 0 Двуокись углерода СО 2 37, 7 2, 4 Четырехатомный газ Твердые вещества 41, 9 25, 1 1, 89 - Продукты взрыва

Пример расчета температуры взрыва тротила: Дано уравнение взрывчатого превращения тротила: Рассчитываем величины А и В для тротила, используя данные таблицы: Для двухатомных газов СО и N 2: А = 3, 5*20, 1+1, 5*20, 1 = 100, 5; В= 3, 5*1, 89+1, 5*1, 89 = 9, 45; Для паров воды Н 2 О: А= 2, 5*16, 8 = 42, 0 В = 2, 5*9, 0 = 22, 5; Для твердого вещества С: А = 3, 5*25, 1 = 87, 85; В = 3, 5*1, 89 = 6, 615. Суммарное значение равно: А = 230, 4; В = 38, 6 х 10 -3

Определяем температуру взрыва тротила Удельный объем продуктов взрыва представляет собой объем газов и парообразных продуктов взрыва в кубических метрах, образующихся при взрыве одного килограмма взрывчатого вещества, приведенного к нормальным условиям. где находится по уравнению превращения; М –молекулярная масса ВВ.

Пример: Рассчитать удельный объем продуктов взрыва тротила: Удельный объем продуктов взрыва может быть определен также экспериментально. Чем выше температура и больше удельный объем продуктов взрыва, тем более высокое давление создается в месте взрыва и, следовательно, будет более сильным разрушительный эффект.

Задание на самостоятельную работу Изучить материал занятия, используя • Пороха, твердые ракетные топлива и взрывчатые вещества / В. К. Марьин, В. П. Зеленский, Б. М. Орлов и др. – МО, 1992. – 202 с. Стр. 114 -128. • Артиллерийское вооружение. Основы устройства и конструирование. Учебник для ВУЗов. Под ред. И. И. Жукова. М. , «Машиностроение» , 1975, стр. 25 -37. Выполнить в рабочих тетрадях • схемы «Классификации Взрывчатых веществ»