第一节炸药和爆炸概论

2019/8/191第一节炸药和爆炸概论云南能源职业技术学院炸药作为一种特殊的能源，在铁路、公路、水利水电、矿业、石油、农业、金属加工等民用领域和国防建设中得到广泛的应用。美国某体育馆爆破拆除2019/8/192爆炸与爆破的概念1.爆炸定义1：爆炸是在某一个“系统”中，其物理和化学的能量急骤转化的一种过程。定义2：爆炸是大量能量在有限体积和极短时间内快速释放或急骤转化的现象。2.工程爆破是指利用炸药的能量对介质作功，以达到预定工程目标的作业。2019/8/1932019/8/194第一节炸药和爆炸概论一、爆炸现象与炸药二、炸药的主要特性及炸药爆炸的三要素三、炸药及其分类四、炸药的氧平衡五、炸药的爆轰六、炸药的猛度与爆力七、炸药的敏感度2019/8/195一、爆炸现象与炸药1.爆炸现象及分类工程爆破在国民经济建设中有着广泛的用途，近年来我国已进行过装药量在千吨和万吨以上的土石方爆破多次，解决了许多工程建设中的难题。工程爆破已从露天爆破、地下工程爆破，发展到拆除爆破和特种爆破技术。可以认为现代爆破技术已深人应用到我国国民经济的各个部门，并取得了可喜的成就。（1）爆炸现象广义地讲，爆炸（explosion）是物质急剧的能量释放过程，能量在瞬间急剧释放或转化的现象都可以称为爆炸。特点：大量能量在有限的体积内突然释放或急剧转化。外部特征：由于介质受震动，伴有声、光、热等效应。（2）爆炸现象分类按照爆炸发生的原因，自然界各种爆炸现象可归纳为物理爆炸、化学爆炸和核爆炸三大类。2019/8/1962019/8/197①物理爆炸物理爆炸的特点是：爆炸过程是一个物理过程，即爆炸前后物质的化学成份没有发生改变，只是物态发生了变化。举例：锅炉、车胎都属于物理爆炸。②化学爆炸化学爆炸的特点是：爆炸过程是急剧的化学反应过程，放出足够的热能，形成高温高压气体，并对外界膨胀做功。爆炸后物质的化学成份和性质已不同于爆炸前物质的化学成份和性质，2019/8/198而且物态也发生了变化。举例：炸药、雷管、汽油、瓦斯爆炸都属于化学爆炸。③核爆炸核爆炸的特点是:某些物质的原子发生核裂变〔U235（铀）的裂变〕或核聚变〔氘（D）、氚（T）、锂（Li）的聚变〕的链锁反应时，瞬间释放出巨大能量，使裂变或聚变产物形成高温高压的气体而迅速膨胀做功，造成巨大的破坏作用。核爆炸过程释放的能量，可以达到普通炸药爆炸2019/8/199能量的几百万倍，具有强烈的爆破作用。举例：原子弹、氢弹、导弹都属于核爆炸。如图5—1所示。2.炸药（1）炸药的概念炸药就是在外界能量作用下，自身进行高速的化学反应，同时产生大量的高温高压气体和热量的物质。（2）炸药的主要成分炸药的主要成分为碳（C）、氢（H）、氧2019/8/1910图5—1核爆炸2019/8/1911（O）、氮（N）元素。C和H为可燃元素，O为助燃元素，N为载氧元素。C、H与O反应生成CO、CO2、和H2O，放出大量的热。三、炸药的主要特性及炸药爆炸的三要素（一）炸药的主要特性1.炸药具有相对稳定性和化学爆炸性当炸药未受外界能量作用时，常温下处于相对稳定状态，保证其加工、运输及储存使用的安全。但炸药的物质结构属化学不稳定体系，一旦受到外界能量作用，就打破了原来的平衡结构，2019/8/1912经化学反应转化为爆炸。2.炸药在徽小的体积中蕴藏有巨大的能量单位质量的炸药爆炸（TNT为4187KJ/kg）时放出的热量要比单位质量的煤燃烧（8960KJ/kg）时放出的热量要小，但在极短的时间（0.1～1ms）内单位容积的炸药爆炸比单位容积的煤慢慢燃烧放出的热量大数百万倍，即炸药具有很高的能量密度。3.炸药能够依靠自身的氧实现爆炸反应炸药主要由碳、氢、氧、氮四种元素组成，2019/8/1913它爆炸时不需要外界供氧，只靠自身的氧就可以进行爆炸反应。（二）炸药爆炸的三要索炸药的爆炸实质是其发生急剧化学反应的过程及结果。其反应的放热性、生成气体产物、化学反应和传播的高速性是炸药爆炸的三要素，也是构成爆炸的必要条件。1.放热反应（放热量大）（1）炸药爆炸实质是炸药中的化学能在瞬间转化为对外界做功2019/8/1914的过程，化学反应释放出的热是做功的能源，也是化学反应进一步加速进行的必要条件。（2）放热量多少是决定炸药能否爆炸的因素化学反应过程是否释放能量，决定了炸药能否产生爆炸。释放热量多少是爆炸作用大小的决定因素之一。如硝酸铵在不同条件下的反应。①在较低温度时(低于150℃)，产生分解反应，吸热不爆炸NH4NO3→HNO3+NH3-170.8KJ/mol②在迅速加热到400－500℃时，放热反应，2019/8/1915发生热分解NH4NO3→（3/4）N2+2H2O+（1/2）NO2+117.6KJ/mol③在强烈冲能（如炸药爆炸产生的冲能）作用时，放热反应，可以形成爆炸NH4NO3→N2+2H2O+（1/2）O2+126.4KJ/mol（3）爆热炸药爆炸时放出的热量大小常用爆热来衡量，爆热指单位质量炸药爆炸时所放出的热量。2019/8/1916爆热可以用实验方法测定，也可以用理论计算方法确定。常见炸药的爆热值如表5-1。爆热的计算理论：盖斯定律：如图5—2。化学反应的热效应与反应进行的路径无关，而只取决于反应的初态和终态。Q1=Q+Q2爆热Q=Q1-Q2图5—2盖斯三角形几种常见炸药的爆热实验值炸药名称装药密度（g/cm-3）爆热（kJ/kg）炸药名称装药密度（g/cm-3）爆热（kJ/kg）梯恩梯0.853389.0特屈儿1.03849.3梯恩梯1.504225.8特屈儿1.554560.6黑索金0.955313.7硝酸铵/梯恩梯（80/20）0.94100.3黑索金1.505397.4硝酸铵/梯恩梯（80/20）1.304142.2太安0.855690.2硝酸铵/梯恩梯（40/60）1.554184.0太安1.655690.2硝化甘油1.606192.3172019/8/19表5-1几种常见炸药的爆热实验值2019/8/1918例题：计算太恩C（CH2ONO2）4的爆热C（CH2ONO2）4→3CO2+2CO+4H2O+2N2查表5—1得各物质生成热：CO2：395KJ/mol；CO：113.8KJ/mol；H2O：240.7KJ/mol；太恩：512.5KJ/mol。Q1=395×3+113.8×2+240.7×4=2375.4KJ/molQ2=512.5KJ/mol2019/8/1919Q=Q1-Q2=2375.4-512.5=1862.9KJ/mol或Q=1862.9×1000/316=5895.3KJ/Kg（4）爆温炸药爆炸瞬间放出的热量主要用于对爆炸产物加热，使爆炸产物达到很高的温度，爆炸产物在原有体积内达到热平衡时的温度称为爆温。爆温与爆炸放出的热量有直接的关系。常见炸药的爆温如表5-2。2.生成大量气体（产生的气体多）（1）气体膨胀做功2019/8/1920气体具有良好的压缩性和很大的膨胀系数，炸药爆炸瞬间（十至几十微秒时间内）生成大量的气体容纳在原有体积内，必然产生很高的压力，高温高压气体为做功提供了必要条件，气体膨胀就是做功。产生气体多少和释放热量多少决定了炸药爆炸做功多少。（2）气体是决定爆炸的主要因素有些化学反应尽管能放出巨大热量，但由于反应时不产生气体，所以，不会发生爆炸。如铝热剂反应：2019/8/19212AI+Fe2O3→AI2O3+2Fe+198千卡反应产生的热量，能使反应产物的温度达到3000℃，但由于没有气体产物，故不会爆炸。（3）比容常用比容衡量炸药爆炸时产生的气体多少，比容指单位质量炸药爆炸后生成的气体在标准状态下所占的容积。比容越大的炸药，爆炸时对外做功的能力越大。表5-3列出了常见炸药的比容。3.反应速度快（1）反应速度2019/8/1922只有迅速的化学反应，才能使炸药在瞬间释放出大量能量，达到很高的能量密度。尽管炸药化学反应释放出大量能量并产生大量气体，如果没有必要的反应速度，也不能形成爆炸，反应速度标志着做功的功率。如煤在空气中燃烧释放出的热量（8960kJ/kg）是TNT炸药爆炸时释放热量的两倍多，但由于没有必要的反应速度，其能量密度远小于TNT爆炸时的能量密度，不能形成爆炸。为什么能量贮藏大的燃料不会爆炸，相反，能量贮藏少的炸药却能爆炸呢？原因是它们的反应过程进行得慢，没有起码的反应速度。这使得反应产物在反应过程进行过程中发生相当程度的膨胀，并使放出的能量通过热传导和热辐射而严重地散失。因此，在燃烧产物中只能达到相对低的体积浓度或能量密度。相反地，爆炸过程进行得极快，以致可以认为全部能量实际上只来得及在炸药本身所占据的体积范围内放出，这就导致很高的能量密度。（2）爆速232019/8/192019/8/1924爆炸反应的速度通常用爆速来衡量，爆速指爆炸过程在炸药中传播的最大的稳定的速度。可以认为在同等条件下，爆速高的炸药，爆炸反应速度高，爆炸的威力也高。常用炸药的爆速如表5—4。4.结论炸药的化学反应只有同时具备以上三个条件，才能形成爆炸反应，产生爆炸效应。三、炸药及其分类炸药与燃料的区别：一是氧化时所需要的2019/8/1925氧，不需取自周围空气，而是炸药本身所含有的。这是炸药和燃料的重要区别。二是炸药具有燃料所没有的高能量密度，单位体积的炸药放出的热量远比燃料的多，例如每升石油(包括燃烧所需的氧)燃烧时只能放热17.46kJ，而每升硝化甘油爆炸时却能产生9964.6kJ的热量，是石油的570.7倍。（一）炸药按其组成分类1.单质炸药它是各组成元素以一定的化学结构存在于同2019/8/1926一分子中的炸药。如硝化甘油、梯恩梯。2.混合炸药它是由两种以上分子组成的混合物。工业炸药多为混合炸药，它可以根据对炸药性能的要求，调配不同的组成成分。如硝酸铵类炸药、硝化甘油类炸药。（二）炸药按其用途分类1.起爆药这类炸药的特点是，在很小的外界能量(如火焰、摩擦．撞击等)作用下就能爆炸，故常用作雷2019/8/1927管的起爆药。起爆药有雷汞、氮化铅、二硝基重氮酚等。由于二硝基重氮酚(代号DDNP)的原料来源广、生产工艺简单、安全、成本较低、而且具有良好的起爆性能，所以我国从60年代以后，在工业雷管中，基本都采用它作起爆药。2.猛炸药这类炸药对外能的敏感程度比起爆药低，但爆炸威力很大，主要用作起爆器材的加强药和作为改善炸药性能的附加成分。如黑索金、梯恩梯。3.发射药(火药)2019/8/1928在军事上，利用火药稳定燃烧时产生的推力发射火箭，炮弹等，在工业上，主要用来制造起爆器材，如用黑火药作导火索药芯等，分类图5-3。（三）炸药按使用条件分类1.分类第一类。准许在地下和露天爆破工程中使用的炸药，包括有沼气和矿尘爆炸危险的作业面。第二类。准许在地下和露天爆破工程中使用的炸药，但不包括有沼气和矿尘爆炸危险的作业面。火药黑火药——导火索索芯、炮竹现代火药（发射药）枪炮发射药和火箭推进剂烟火药（烟火剂）单基发射药双基发射药三基发射药以硝化棉为主以硝化棉、硝化甘油为主以硝化棉、硝化甘油、硝基胍为主一般由氧化剂、燃烧剂和能产生热、光、色、烟等特殊效应的添加剂组成。主要用来装填信号弹、照明弹、燃烧弹、烟幕弹和焰火包、礼花等图5-3火药分类292019/8/192019/8/1930第三类。只准许在露天爆破工程中使用的炸药。2.安全性能第一类属于安全炸药，又叫做煤矿许用炸药。第二类和第三类属于非安全炸药。第一类和第二类炸药每千克炸药爆炸时所产生的有毒气体不能超过安全规程所允许的量。同时，第一类炸药爆炸时还必须保证不会引起瓦斯或矿尘爆炸。（三）炸药按其物理形态分类1.固体炸药2019/8/1931粉状、粒状、浇铸体和凝胶体等炸药。2.液体炸药3.塑体或胶体炸药4.气态炸药指爆炸性混合气体，用于喷镀技术。四、炸药的