Бажин В.Е. Взрыв, взрывчатые вещества, их применение

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Бийский технологический институт (филиал)

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет

имени И.И. Ползунова»

В.Е. Бажин, В.С. Даньков, З.В. Орлова, М.С. Дунин, С.А. Светлов,

В.А. Куничан, В.С. Фролов, Д.В. Чащилов, Е.А. Бажина

ВЗРЫВ, ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА,

ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Допущено научно-методическим советом БТИ АлтГТУ

для внутривузовского использования в качестве

учебного пособия по курсу «Введение в специальность» для студентов,

обучающихся по специальности 240706 «Автоматизированное

производство химических предприятий»

Бийск

Издательство Алтайского государственного технического университета

им. И.И. Ползунова

2008

УДК 662.1/.4 (075)

Рецензенты: начальник отдела ФГУП «ФНПЦ «Алтай», д.х.н.,

профессор Лобанова А.А.;

к.х.н. Мороженко Ю.В., БТИ АлтГТУ

Работа подготовлена на кафедре технологии химического

машиностроения

Бажин, В.Е.

Взрыв, взрывчатые вещества, их применение: учебное пособие /

В.Е. Бажин и др.; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во

Алт. гос. техн. ун-та, 2008. – 104 с.

Учебное пособие содержит сведения о химическом взрыве и его

характеристиках, свойствах взрывчатых веществ, основных видах

взрывчатых веществ – инициирующих, бризантных, метательных и

пиротехнических составах, а также о их применении. Предназначено

для студентов очной и очно-заочной форм обучения, обучающихся по

специальности 240706 «Автоматизированное производство

химических предприятий». Может быть использовано при изучении

дисциплины «Введение в специальность».

УДК 662.1/.4 (075)

Рассмотрено и одобрено на заседании научно-методического

совета Бийского технологического института

Протокол № 7 от 26 июня 2008 г.

ISBN 978-5-9257-0130-0

В.А. Куничан, В.С. Фролов, Д.В. Чащилов, Е.А. Бажина, 2008

ВВЕДЕНИЕ

Взрыв – это техногенное событие, сопровождающееся

единовременным выделением большого количества энергии. Взрывы

используются в военной и гражданской деятельности человека.

В данной работе сделана попытка общедоступным языком

рассказать о взрыве и взрывчатых веществах (ВВ), так прочно

вошедших в жизнь современных людей. Работа будет также полезной

для начинающих изучение курсов по технологии и оборудованию,

средствам КИПиА производства ВВ.

История развития человека – это история освоения им различных

видов энергии с целью сделать комфортным пребывание его в

окружающей действительности.

Первый вид энергии, что освоил человек, была тепловая энергия,

используемая для обогрева и приготовления пищи. Когда древний

человек сжег все, что было под руками способное гореть, он стал

искать новый вид топлива. Скоро были найдены каменный уголь и

нефть, универсальное топливо с большой теплотворной способностью,

определяемой тем, что основу этих веществ составляют углерод и

водород. Окисляемые кислородом воздуха, они сгорают с выделением

большого количества теплоты. Так были найдены ставшие

традиционными энергоносители, при сжигании которых в тепловых

машинах человек научился преобразовывать тепловую энергию в

механическую. Позже появились и стали использоваться

энергонасыщенные вещества, в которых сконцентрировано большое

количество энергии.

1 ПОНЯТИЕ О ВЗРЫВЕ, ХИМИЧЕСКИЙ ВЗРЫВ

Энергонасыщенные вещества – это химические соединения,

которые способны при некотором внешнем воздействии начинать

самопроизвольную, самораспространяющуюся экзотермическую

химическую реакцию с выделением большого объема газообразных

продуктов. Эти газообразные продукты при нагревании расширяются,

совершая работу по разрушению окружающей среды и перемещению

ее фрагментов. Выполняется механическая работа без участия машин и

механизмов. Такая реакция называется взрывной, а вещества, в ней

участвующие, взрывчатыми, само явление – химическим взрывом.

Кроме того, существует физический взрыв, происходящий при

изменении физических параметров системы, например, разрыв

оболочки при увеличении давления газа выше допустимого или разрыв

на морозе сосуда, заполненного водой. Существует также ядерный

взрыв, при котором энергия выделяется в результате деления или

соединения ядер. Выделение этой энергии сопровождается атомным

взрывом.

Нас будет интересовать только химический взрыв.

Химический взрыв состоит из двух основных стадий:

а) протекания химической реакции окисления водорода и

углерода кислородом, находящихся во ВВ, с образованием сильно

разогретых газов;

б) расширения газообразных продуктов взрыва в окружающей

среде, в результате чего тепловая энергия взрыва переходит в

механическую, совершая при этом работу.

Сочетание горючего и окислителя стало классическим для

составов, разлагающихся без доступа атмосферного кислорода. Позже,

с развитием химии, были найдены вещества, в молекуле которых

наряду с атомами углерода и водорода находились атомы кислорода.

Эти вещества также обладают взрывными свойствами.

Под взрывом понимается процесс преобразования тепловой

энергии взрывной реакции в механическую энергию и диссипация ее

окружающей средой.

Для того чтобы взрыв произошел, необходимо внешнее

воздействие на ВВ.

Свойство начинать реакцию разложения при внешнем

воздействии называется чувствительностью взрывчатых веществ.

Минимальное количество энергии, которое необходимо подвести к ВВ

для начала разложения названо начальным импульсом.

В зависимости от вида и величины начального импульса

взрывная реакция может развиваться по двум схемам. Первая – в виде

горения. Реакция распространяется за счет теплопередачи, её скорость

составляет несколько миллиметров в секунду. С увеличением давления

скорость склонна к увеличению, причём процесс идёт в несколько

стадий: 1 – зажжение, реакция начинается в отдельной точке; 2 –

воспламенение, реакция распространяется по веществу; 3 –

стационарный процесс горения. По второй схеме реакция возникает

при действии взрыва другого ВВ и развивается со скоростью,

исчисляемой километрами в секунду.

Причем эта скорость не зависит от давления в зоне реакции, такой

процесс называется детонацией. В ходе этого процесса развивается

очень большая мощность. Например, теплота взрыва тротила равняется

4000 кДж/кг, а процесс длится 10

–5

с, а это значит, что при взрыве 1 кг

тротила выделяется мощность P=4·10

кВт. Для сравнения мощности

различных ВВ используют понятие тротилового эквивалента – это

отношение теплоты взрыва ВВ к теплоте взрыва тротила



вв

тнт

Быстротечность взрывной реакции ВВ определяет секрет высокой

мощности и эффективности их при выполнении механической работы.

При взрыве идет процесс окисления горючих элементов – углерода и

водорода кислородом, находящимся в ВВ. Насколько полно пройдет

процесс окисления до СО, CO

, Н

О будет зависеть полнота

реализации энергии данного ВВ. Полнота реакции оценивается путем

расчета кислородного баланса. Так, например, для полного окисления

всего углерода и водорода, содержащихся в молекуле нитроглицерина

(ONO

)

, требуется: для трех атомов углерода – шесть атомов

кислорода, для пяти атомов водорода – 2,5 атома кислорода или всего

на молекулу нитроглицерина 8,5 атомов кислорода, а в молекуле

имеется девять атомов кислорода, кислородный баланс

нитроглицерина составит ((9 – 8,5)·16/227)·100 = +3,51 % (227 –

молекулярный вес нитроглицерина, 16 – молекулярный вес кислорода),

т.е. кислородный баланс нитроглицерина положительный.

Взрывная реакция может идти с полным использованием

кислорода, находящегося во ВВ. Такие ВВ называются взрывчатыми

веществами с нулевым кислородным балансом, либо кислорода

взрывчатого вещества недостает для полного окисления горючих

элементов – взрывчатыми веществами с отрицательным кислородным

балансом. Следует считать нулевой кислородный баланс наиболее

оптимальным, т.к. в процессе взрыва расходуются все элементарные

составляющие ВВ. Поэтому наибольшее распространение имеют

смесевые ВВ – смеси ВВ и невзрывчатых горючих с окислителями.

Регулируя отношения компонентов, можно получить ВВ с любым

кислородным балансом. Механическая работа ВВ определяется двумя

понятиями: бризантностью (дробящие и раскалывающие действия на

окружающую среду) и работоспособностью или фугасностью (работа

по перемещению фрагментов окружающей среды). Величины

бризантности и фугасности являются индивидуальными свойствами

каждого ВВ и их паспортными характеристиками. Бризантность (Бр)

измеряется в миллиметрах деформации по высоте свинцового столбика

диаметром в 40 мм и начальной высотой 60 мм при взрыве на одном из

его торцов 50 г испытываемого ВВ. Схема сборки для испытаний ВВ

на бризантность представлена на рисунке 1.1, а схема сборки для

испытаний ВВ на фугасность (Фуг) изображена на рисунке 1.2.

1 – бумажный стаканчик с ВВ;

2 – стальной диск толщиной

10 мм; 3 – свинцовый столб

нач

; 4 – массивное основание

Рисунок 1.1 – Схема

испытания ВВ на бризантность

1 – заряд ВВ; 2 – исходная полость

нач;

3 – полость после взрыва V

кон

Рисунок 1.2 – Схема испытания ВВ

на фугасность в свинцовой бомбе

Бр = H

нач

– H

кон

= dН (мм),

Фуг = V

кон

– V

нач

(мл).

Сравнительная бризантность ВВ в боеприпасах определяется их

осколочностью, величиной А – количеством осколков массой 1 г и более,

образуемых при взрыве боеприпасов, отнесенных к 1 кг ВВ.

Сравнительная фугасность ВВ в боеприпасах определяется по объему

воронки, образующейся при взрыве боеприпаса в грунте, отнесенной к 1

кг ВВ (м

/кг). Характеристики некоторых ВВ приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Характеристики некоторых ВВ

Взрывчатое вещество

Бризантнос

ть, мм

Фугасность

, мл

Скорость

детонации, м/

Гремучий студень

(нитроцеллюлоза плюс

нитроглицерин)

26 520

Гексоген 18 480 8300

ТЭН 16 500 8280

Тетрил 20–22 340 7470

Пикриновая кислота 17–19 305

7356, при

плотности,

равной

1,56 г/см

Тротил 16–17 285 7000

Аммотол 40/60 11–14 350 –

Нитроглицерин – 510 7650

2 ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

Чувствительность взрывчатых веществ представляет собой

специфическое их свойство претерпевать химическое превращение под

действием внешних факторов. Чувствительность ВВ оценивается

количественно по отношению к какому-либо из следующих внешних

воздействий (начальному импульсу): тепловому, механическому,

детонационному. Та минимальная величина начального импульса,

которая способна вызвать взрывчатое превращение ВВ, представляет

собой минимальный начальный импульс. При этом любой тепловой или

механический импульс является простым начальным импульсом.

Детонационный импульс является производным, вторичным

импульсом.

2.1 Чувствительность ВВ к тепловому импульсу

Начальным тепловым импульсом могут являться источник

пламени (луч огня), искра (тепловая), электрический (искровой)

разряд. Под действием такого теплового импульса, по величине не

меньшего, чем энергия активации

, происходит реакция

химического превращения (разложения) молекулы ВВ. При

разложении одной молекулы ВВ происходит выделение некоторого

количества теплоты

. Если выделившейся при этом теплоты (за

вычетом возможных потерь теплоты во внешнюю среду

Q

)

достаточно для активации хотя бы одной следующей молекулы ВВ,

QEQ



, то развивается взрывное превращение. В противном

случае,

QEQ



, реакция разложения ВВ под действием

теплового импульса спустя некоторое, весьма малое, время затухает.

Для большинства ВВ удельная теплота химического превращения

составляет величину порядка

моль

Дж

при величине энергии

активации молекул ВВ порядка

моль

Дж

10)1...8,0( 

, что указывает

на склонность перехода химического превращения ВВ во взрывчатое

превращение. Начальный тепловой импульс имеет место при

инициировании химического превращения ВВ.

Количественными показателями чувствительности ВВ к

тепловым воздействиям принято считать температуры: вспышки,

воспламенения и самовоспламенения (чувствительность к нагреву),

чувствительность к искровому разряду, химическую стойкость и

физическую стабильность.

Температура вспышки

всп

есть та минимальная температура,

до которой может быть нагрето ВВ, чтобы вызвать в нем химическое

превращение с достаточной для самовоспламенения скоростью. Для

определения температуры вспышки навеску ВВ в количестве 0,1 г

помещают в баню, нагреваемую с определённой скоростью. При

нагреве навески испытуемого ВВ начинается химическое превращение

молекул ВВ, протекающее с непостоянной скоростью реакции. При

этом разложение ВВ (вещество

) до конечного продукта

происходит по схеме

ВБА 

с образованием молекул

промежуточного продукта

. Даже небольшое количество продукта

(ускорителя реакции) оказывает каталитическое действие на

скорость реакции химического превращения. Как правило, моменту

вспышки предшествует период самоускорения (автокатализа) реакции

химического превращения, который называется периодом индукции.

Накопление с течением времени (в течение периода индукции)

большего количества ускорителя реакции может привести к резкому,

«взрывному» росту скорости реакции – вспышке. Это внешне

проявляется в форме акустического эффекта типа легкого хлопка. Чем

выше температура нагрева ВВ, тем меньше период задержки.

Температура вспышки в реальных условиях обработки ВВ зависит

не только от природы ВВ, но и от теплопроводности материала стенок

аппарата, в котором он находится, величины загрузки аппарата

взрывчатым веществом, скорости нагрева и других факторов,

определяющих условия теплопередачи и возможность самоускорения

реакции.

Температура воспламенения

воспл

жидких ВВ – минимальная

температура, при которой от воздействия источника зажигания не

только дают одиночную вспышку пары над жидкостью, но успевают

загореться и вновь выделяющиеся пары, и вспышка переходит в

устойчивое горение.

Температуры вспышки и воспламенения для газов одинаковы, для

легковоспламеняющихся жидкостей эти показатели близки друг к

другу, а для горючих жидкостей температура вспышки значительно

ниже температуры воспламенения.

Температура самовоспламенения

своспл

– минимальная

температура, при которой ВВ загорается самопроизвольно без внешних

источников зажигания. Кислородосодержащие ВВ, находящиеся в

герметически закрытой аппаратуре или таре, даже если они нагреты

выше температуры самовоспламенения, не загораются, поскольку не

контактируют с кислородом наружного воздуха. Однако в случае

разрушения аппарата вещество приходит в соприкосновение с

кислородом воздуха и загорается.

Кроме указанных характеристик, чувствительность к тепловым

воздействиям оценивается по легкости зажжения ВВ электрическим

разрядом и источником пламени.

Чувствительность ВВ к электрическому разряду

характеризуется количественно величиной минимальной энергии

воспламенения

МЭВ

, то есть величиной энергии разряда, способного

воспламенить ВВ. Величина МЭВ зависит от физического агрегатного

состояния ВВ, удельного и поверхностного электрического

сопротивления ВВ, концентрации окислителя (кислорода воздуха) в

газовой фазе, контактирующей с частицами ВВ. Примеры значений

МЭВ для различных ВВ и их компонентов в различных агрегатных

состояниях приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Значения минимальной энергии воспламенения

для различных ВВ

Взрывчатое вещество или

компонент ВВ

МЭВ, Дж

Паровоздушные или

газовоздушные смеси





Алюминий (порошок)

104,1





Гексоген

1010107





Октоген

1015108





СРТТ

15010 

Газовоздушные и паровоздушные смеси, например, гремучий газ

(водород–кислород), имеют наименьшее значение МЭВ. Твердые

дисперсные материалы воспламеняются хуже, имея МЭВ выше на

порядок, например, алюминиевый порошок (компонент смесевых

ракетных твердых топлив – СРТТ), порошкообразные ВВ гексоген и

октоген. Сплошные твердые тела, например различные виды СРТТ,

имеют значения МЭВ выше еще на три порядка. Источником

искрового разряда могут служить зазоры в контактах электрических

цепей и электрических машин, а также заряды статического

электричества различного происхождения. Заряды статического