混裝乳化炸藥爆轟參數(shù)理論計(jì)算

黃勝松(貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550000)

0 引言

《民用爆炸物品行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》(2016-2020年)明確指出截止到2020年現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥占工業(yè)炸藥比重突破30%(現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥在工業(yè)炸藥中占比由2010年的14.82%增加到2015年的22.45%)提出研發(fā)依據(jù)爆破現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整配方的現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥產(chǎn)品，因此對(duì)混裝炸藥的爆轟性能進(jìn)行理論計(jì)算對(duì)研發(fā)和改進(jìn)混裝炸藥配方具有重要的指導(dǎo)意[1]。

炸藥的爆轟參數(shù)是評(píng)價(jià)炸藥優(yōu)劣的重要依據(jù)，研究炸藥爆轟相關(guān)參數(shù)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)于進(jìn)一步發(fā)展炸藥爆炸理論及設(shè)計(jì)炸藥具有重要意義。工業(yè)炸藥爆炸參數(shù)的計(jì)算對(duì)于炸藥爆轟參數(shù)主要有爆熱(QV)、爆速(D)、爆溫(T)、爆容(V0)等，其計(jì)算主要有兩種方法一種是經(jīng)驗(yàn)算法，如Kamlet法，另一種是理論方法，即根據(jù)爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程來計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)[2]。本文采用理論計(jì)算方法計(jì)算混裝炸藥的爆熱(QV)、爆溫(T)、爆速(D)、爆容(V0)。

1 爆轟參數(shù)計(jì)算理論

1.1 爆熱(QV)計(jì)算理論

1mol炸藥爆轟時(shí)所放出的熱量叫爆熱。在實(shí)際使用中，爆熱是指在定容下所測(cè)的單位質(zhì)量炸藥的熱效應(yīng)，用QV表示。炸藥的爆熱是炸藥對(duì)其周圍的介質(zhì)進(jìn)行破碎和破壞的能源，爆熱值愈大，炸藥的爆炸性能指標(biāo)愈高。

爆熱計(jì)算的理論基礎(chǔ)是炸藥變化爆炸變化反應(yīng)式和蓋斯定律(見圖1)，即通過炸藥的生成熱。蓋斯定律指出反應(yīng)的熱效應(yīng)與反應(yīng)進(jìn)行的途徑無關(guān)，只與系統(tǒng)的最初狀態(tài)有關(guān)[3]，也就是說，如果同一物質(zhì)經(jīng)不同途徑得到同一最終產(chǎn)物時(shí)，則在這些途徑中的熱效應(yīng)和是相等的。圖中狀態(tài)1(初態(tài))、狀態(tài)2和狀態(tài)3(終態(tài))分別代表元素、炸藥、爆炸產(chǎn)物。根據(jù)蓋斯定律，系統(tǒng)沿第一條途徑由狀態(tài)1轉(zhuǎn)變到狀態(tài)3時(shí)，反應(yīng)熱的代數(shù)和等于系統(tǒng)沿第二條路徑轉(zhuǎn)變時(shí)所放出的熱量，即炸藥的定容爆熱Q2-3(假設(shè)爆炸時(shí)環(huán)境溫度為25℃)為：

圖1 蓋斯三角形

式中：Q2-3為炸藥的定容爆熱(kJ/kg)；Q1-2為炸藥各原料組分的定容生成熱之和(kJ/kg)；Q1-3為炸藥爆炸產(chǎn)物的定容生成熱之和(kJ/kg)。

爆熱計(jì)算步驟：

第一步：確定炸藥的爆轟產(chǎn)物，建立爆炸反應(yīng)方程式；

第二步：利用蓋斯定律計(jì)算爆熱。

爆轟產(chǎn)物的確定通常采用B-W 規(guī)則，利用它計(jì)算炸藥的爆熱簡(jiǎn)單易行。B-W規(guī)則[3]見表1：

表1 B-W規(guī)則

1.2 爆溫(T)計(jì)算理論

爆溫是炸藥爆炸時(shí)所放出的熱量將爆炸產(chǎn)物加熱到的最高溫度。其取決于炸藥的爆熱和爆炸產(chǎn)物組成[4]。計(jì)算時(shí)假設(shè)炸藥爆炸在定容下進(jìn)行的絕熱過程，爆炸過程中所放出的熱量全部加熱爆炸產(chǎn)物。即：

式中：Qv為定容下的爆熱(J/mol)；t為炸藥爆溫(℃)；為在溫度由0到t范圍內(nèi)全部爆轟產(chǎn)物的平均熱容量(J/mol)；a，b為待定測(cè)定常數(shù)。

計(jì)算爆轟產(chǎn)物的熱容量非常困難，在實(shí)際運(yùn)算時(shí)通常使用列卡斯的平均分子熱容量式，見表2。

表2 利卡斯平均分子熱容量式

1.3 爆容計(jì)算理論

炸藥的爆容是指1kg炸藥爆炸后形成的氣態(tài)爆轟產(chǎn)物在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，用Vo表示，單位L/kg。是評(píng)價(jià)炸藥做功能力的重要參數(shù)，爆容越大，表明炸藥爆炸做功效率越高，爆容通常根據(jù)爆炸反應(yīng)方程式來計(jì)算：

式中：Vo為爆容(L/kg)；n為爆轟產(chǎn)物中氣態(tài)組分的總摩爾數(shù)；M為爆炸反應(yīng)方程中炸藥的質(zhì)量kg；22.4為標(biāo)準(zhǔn)狀況下，氣體的摩爾體積。

1.4 爆速計(jì)算理論

混裝乳化炸藥的理想爆速通常采用爆轟流體動(dòng)力學(xué)理論的近似理論方程計(jì)算[5]：

式中：D為理想爆速(m/s)；Qv為理想爆熱(kJ/kg)；γ1為爆轟產(chǎn)物局部等熵指數(shù)。

γ1通過下式確定：

式中：iγ為爆轟產(chǎn)物中第i成分的多方絕熱指數(shù)；iχ為爆轟產(chǎn)物中第i成分的摩爾分?jǐn)?shù)。

2 混裝乳化炸藥爆轟參數(shù)計(jì)算

取1kg炸藥為計(jì)算基準(zhǔn)，根據(jù)計(jì)算炸藥中各組分物質(zhì)的量，并根據(jù)B-W法則建立爆炸反應(yīng)方程式。根據(jù)表3中各組分物質(zhì)的量以及B-W法則確定混裝乳化炸藥的爆炸反應(yīng)方程式：C4.348H62.042O37.458N20.68→31.021H2O+2.089CO2+2.259CO+10.34N2

表3 炸藥中各組分物質(zhì)的量

2.1 混裝乳化炸藥爆熱Qv計(jì)算

在計(jì)算爆熱時(shí)需炸藥各組分的定容生成焓、爆轟產(chǎn)物的定容生成焓，具體數(shù)值見表4。

表4 各物質(zhì)定容生成焓

根據(jù)蓋斯定律計(jì)算出炸藥爆熱Qv：

2.2 混裝乳化炸藥爆溫計(jì)算

根據(jù)公式(2)、(3)、(4)以及表2中的數(shù)值對(duì)混裝乳化炸藥各組分物質(zhì)熱容量進(jìn)行計(jì)算：

水(氣態(tài))：

二氧化碳：

2.089 ×(37.7+24.3×104t)=78.7553+50.7627×104t

一氧化碳、氮?dú)猓?/p>

(2.259+10.34)×(20.1+18.8×104t)

=253.2399+236.8612×104t

50.0459 +3079.5139×104t由此可以得出a=850.046；b=0.308，根據(jù)公式(4)可以計(jì)算出爆溫。

2.3 混裝乳化炸藥爆容計(jì)算

根據(jù)公式(5)可以直接計(jì)算出混裝乳化炸藥的爆容Vo：

2.4 混裝乳化炸藥爆速理論計(jì)算

根據(jù)2.1計(jì)算出混裝乳化炸藥的爆熱Qv=2932.49k/kg，根據(jù)公式(6)、(7)以及爆炸反應(yīng)方程式對(duì)混裝乳化炸藥的爆速進(jìn)行計(jì)算。

混裝乳化炸藥的爆速相對(duì)于爆熱、爆溫、爆容等參數(shù)來說易于檢測(cè)，經(jīng)實(shí)際檢測(cè)現(xiàn)用混裝乳化炸藥的爆速為3774m/s，低于理論值。理想狀態(tài)下爆速應(yīng)是一個(gè)常量，但實(shí)際檢測(cè)總是低于理想爆速，影響爆速的主要因素有被檢測(cè)藥柱直徑、約束條件、密度等有關(guān)。在一定條件下，當(dāng)被檢測(cè)藥徑一定時(shí)爆速隨著炸藥密度的增加而變大。根據(jù)這一特性可以根據(jù)巖石特性適當(dāng)提高或降低炸藥爆速使炸藥能量更好的與巖石匹配，從而達(dá)到提高爆破效果降低生產(chǎn)成本的目的。

3 結(jié)語

通過現(xiàn)用混裝乳化炸藥爆轟參數(shù)進(jìn)行計(jì)算對(duì)開展混裝乳化炸藥性能與巖石匹配性方面的研究具有一定的實(shí)際意義。針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)參數(shù)及時(shí)對(duì)炸藥組分配比進(jìn)行調(diào)整，對(duì)提高爆破效果降低生產(chǎn)成本具有一定指導(dǎo)作用。通過以上計(jì)算可得出以下結(jié)論：

(1)經(jīng)計(jì)算現(xiàn)用混裝乳化炸藥理論爆轟性能如下：

爆熱Qv=2932.49KJmol；

爆速D=4862m/s；

爆溫t=2000.2℃；

爆容Vo=1023.88L/kg；

(2)經(jīng)實(shí)際檢測(cè)出現(xiàn)用混裝乳化炸藥的爆速為3774m/s，與理論值較為接近；

(3)根據(jù)爆轟性能的計(jì)算結(jié)果在進(jìn)行與巖石匹配時(shí)可進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整。如需要提高炸藥做功能力的可適當(dāng)提高爆溫和爆容。