民用爆炸物品安全技术基础XXXX版-1-黄寅生

2019/10/21主讲人：黄寅生教授地址：南京理工大学化工学院电话：[phone]（o),84318120(h)E-mail:[e-mail]:623705315民用爆炸物品安全技术基础2019/10/22第4章炸药的燃烧与爆炸基础知识p61第5章民用爆炸物品的基本特性及使用p73第6章民用爆炸物品现状与发展p1252019/10/23第4章炸药的燃烧与爆炸基础知识4.1炸药的化学反应基本形式及特点炸药有热分解、燃烧和爆轰三种化学反应基本形式。炸药的热分解是缓慢的化学反应，而炸药的燃烧和爆轰是快速的化学反应，炸药的爆轰是炸药化学反应的最高形式。2019/10/24（1）热分解炸药的热分解是指炸药在一定的温度下缓慢分解，发生在整个炸药内，放热也较慢，反应的热量及时地传给环境。热分解的化学反应受炸药的温度影响较大，温度越高，炸药的热分解速度越快。炸药在贮存条件下，热分解总是要发生的。热分解生成的分子碎片使炸药的组成发生变化，随之性能也发生变化。除爆炸性能变化外，敏感性也发生变化（常常敏感性增加），这是安全上要特别注意的。2019/10/25（2）燃烧日常生活中的燃烧现象是十分普遍的，燃烧是伴随着发光发热的一种剧烈的化学反应。炸药的燃烧与一般燃料的燃烧的主要区别：一般燃料的燃烧，外界必须要供给氧气或其它助燃气体，燃烧的速度缓慢，决定燃烧速度的主要因素之一是供氧情况；而炸药的燃烧则是一种可以自行传播的剧烈的化学反应，由于炸药的自身含有氧，因而不需要外界供给助燃气体，它可以在隔绝空气的情况下燃烧，燃烧的速度很快，有的还非常迅速，并可以转变为爆燃或爆轰。2019/10/26炸药燃烧的基本特点如下：①炸药燃烧时反应区的能量是通过热传导、气体产物的扩散和热辐射而传入原始炸药的。②由于传热和扩散是一个缓慢的过程，因此，炸药燃烧的速度比声速要低得多，一般为每秒几厘米到每秒几米，燃烧的传播速度也大大低于爆轰波的传播速度。③火焰波后的燃烧产物是向后运动的，因此，在火焰区域内燃烧产物的压力较低。2019/10/27炸药燃烧反应的三种类型：（1）易挥发性炸药是指炸药的沸点或升华温度低于凝聚相中进行快速化学反应温度的一类炸药，边燃烧边挥发，未挥发的炸药还来不及燃烧就被气化，燃烧的化学反应完全在气相中进行，典型的这类炸药是乙二醇二硝酸酯。显然这类炸药在空气中燃烧时，还会有空气中的氧参与反应。（2）难挥发性炸药是指在受热时不能气化，当温度升至炸药沸点之前其自身便发生分解的炸药，其燃烧反应主要在凝聚相炸药中进行。大多数炸药如TNT、RDX、工业硝铵炸药等均属难挥发炸药。（3）速燃炸药表现在其在凝聚相中的反应速度很快，同时放出大量的气体产物和热量，从而使凝聚相的表面发生强烈的迸裂，大量的气体产物夹杂着尚未反应的炸药粒子进入气相，尔后在气相中进行反应，在距表面较远处结束反应，雷汞的燃烧就属典型的速燃炸药的燃烧。在处理不同类型的炸药时应分别对待。2019/10/28影响炸药燃烧速度的因素①炸药性质②压力和炸药初始温度③装药直径和密度④装药外壳2019/10/29（3）爆轰炸药的爆轰是冲击波在其中传播而引起炸药快速的化学反应。当足够强的冲击波在炸药中传播时，由于冲击波的剧烈压缩作用而引起快速的化学反应，反应放出的能量又支持冲击波的传播，可以使其维持定速而不衰减，这种紧跟着化学反应的冲击波称为爆轰波。2019/10/210（4）热分解、燃烧和爆轰的区别及相互转换炸药的热分解是在整个物质内进行，反应速度主要取决于环境温度，反应规律服从阿累尼乌斯（Arrhenius）定律，反应速度随温度成指数关系，温度越高反应速度增长越快。而燃烧与爆轰是以反应波的形式一层一层传播的快速化学反应，而且燃烧和爆轰两种化学变化的也存在如下区别：2019/10/211燃烧和爆轰两种化学变化的也存在如下区别：①传播机理：燃烧时反应区的能量是通过热传导、热辐射及产物的扩散作用传入未反应炸药的，而爆轰的传播则是借助于冲击波的方式进行的。②质点运动方向：燃烧过程中反应区内产物质点运动方向与燃烧波阵面方向相反，而爆轰时反应区内产物质点运动方向与爆轰波传播方向一致。③反应地点：凝聚炸药燃烧时，放热的反应主要在气相中进行的，而爆轰时放热的反应主要在液相或固相中进行。④反应速度：爆轰速度快，燃烧速度慢。⑤影响因素：燃烧受环境影响；爆轰几乎不受环境影响2019/10/212炸药的热分解、燃烧和爆轰三种释能形式在一定的条件下可以相互转化。当热分解时放出的热量大于散热量时，炸药会发生燃烧，某些热爆炸就是根源于此，历史上发生过多次军火库在无外界击发时发生自炸，一般是由这种过程引起的。民爆器材仓库自燃爆炸亦可能是炸药热分解造成的。2019/10/213大部分炸药在敞开环境中用明火点燃，在控制堆积量的前提下会平稳燃烧。工业炸药常可以用焚烧法销毁。当炸药在密闭环境下燃烧或堆放量非常大时会发生燃烧转爆轰。某些工业炸药在环境条件不满足时会发生爆轰不完全：这时某些配方的工业炸药表现为熄爆，余药残留下来不继续作用；有的配方的工业炸药则继续发生燃烧。前者一般称为断爆，后者称为爆轰转燃烧。在燃烧过程中，如果凝聚相炸药能及时地将燃烧时所生成的高温气体排出，使燃烧反应在生成气体和排气相平衡的状态下进行，那么燃烧就会稳定，此时的燃烧速度和燃烧过程都是稳定的。如果生成气体速度大于排气速度，气体平衡被打破，压力增大，燃速加快，燃烧就变得不稳定，并可能转成爆轰。2019/10/214（5）炸药本质组成炸药物质本质实际上是具有氧化剂和可燃剂体系。它们可能独立存在，通过将氧化剂和可燃剂混合组成炸药，也可能是在同一种物质中共同存在，其本身既含有氧化剂，又含有可燃剂，工业炸药主要是前者。炸药在未被激发的状态时是一种亚稳性含能物质，在受激发后表现出强自行活化性质和自供氧性质,发生强烈的氧化还原反应，生成大量的气体产物放出大量的热。例如：工业铵油炸药中，其所含的硝酸铵为氧化剂，木粉和柴油是可燃剂。炸药正常储存时，硝酸铵和木粉、柴油间并不发生化学反应，是一种亚稳定状态；当用雷管（或起爆具）将其起爆后，硝酸铵提供氧，使木粉、柴油氧化，瞬间放出大量热量、生成气体而发生爆炸。2019/10/215（6）爆炸三要素①放出大量热②化学反应速度极快③生成大量气体2019/10/216反应的放热性第一个必要条件。爆炸时能释放热量，是激发未爆炸的炸药发生爆炸的能源，促使爆炸过程自行传播下去。爆炸时能释放热量，也是系统对外做功的能源。2019/10/217[例]草酸盐的分解反应：（NH4）2C2042NH3+H20+CO+C02-363.6kJPbC204Pb+2C02-69.87kJAg2C2042Ag+2C02+123.4kJ前两个反应是吸热反应，不能发生爆炸，后一个反应是放热反应，能够发生爆炸。2019/10/218[例]硝酸铵的分解反应NH4N03————————————NH3十HN03一170.7kJ雷管引爆NH4N03——————————————————————N2十H20十0.502十126.4kJ第一个反应靠外界供给能量来维持其分解，显然不可能发生爆炸；第二个反应具有放热性，因此具有爆炸性。2019/10/219炸药和燃料混合物的含能量比较物质名称含能量kJ.kg-1kJ.L-1黑火药(=1.2g.cm-3)2782.43347.2梯恩梯(=1.6g.cm-3)4250.96803.2硝化棉(=1.3g.cm-3)4288.65564.7硝化甘油(=1.6g.cm-3)6221.69957.9碳和氧的混合物6221.617.15苯和氧的混合物9204.818.41氢和氧的混合物13514.37.112019/10/220炸药含能量的特点:凝聚炸药在反应时放出的能量，就单位质量而言，它比普通燃料燃烧时放出的能量还低，按单位体积的含能量来看，它比普通燃料具有大得多。凝聚炸药并非是高能量物质，而是一种具有高能量密度的物质。2019/10/221反应的快速性第二个必要条件。是炸药爆炸一个最重要特征。一般化学反应也可以是放热的，而且有许多反应释放的热量比炸药爆炸反应释放的热量大许多倍，但这些反应并未形成爆炸现象，其根本原因在于它们的反应过程进行得很慢。2019/10/222lkg汽油在发动机中燃烧或lkg煤块在空气中燃烧，所需要的时间为数分钟到数十分钟，1kg炸药爆炸反应的时间仅十几到几十微秒（10-6s）炸药的爆炸要比燃料燃烧快数千万倍。例如：2019/10/223由于炸药的爆炸反应速度极高，因而可以近似地认为，爆炸反应产物来不及膨胀，所释放的能量全部集中在炸药爆炸前所占的体积内，从而维持一般化学反应所无法达到的很高的能量密度，这样可以形成高温高压气体，使得炸药的爆炸具有巨大的作功功率和强烈的破坏作用。1kg普通炸药爆炸时释放的热量一般在（4.18～6.27）106J,仅相当于lkW电机工作一个多小时的能量，但在爆炸瞬间其功率可以达到（5～6）106kW。2019/10/224炸药并非是一个能量很高的能源，是一个功率极大的能源。2019/10/225生成气态产物第三个必要条件。反应生成气态产物是能量转换的工作介质。爆炸对周围介质做功是通过高温高压的气体迅速膨胀实现的，所以生成大量气体产物是炸药爆炸的一个重要特征。2019/10/226体积为1L的普通炸药爆炸反应时，一般可产生1000L左右的气态产物（在标准状态时）。2019/10/227[例]铝热剂的反应：2Al+Fe2O3Al203+2Fe+853.12kJ反应的速度很快，反应的热效应可以使产物温度升到3000C，没有气态产物生成，不发生爆炸。2019/10/228在某些情况下，有足够的放热性和快速性，虽不生成气体，也可以发生爆炸过程。例如很细的铝粉组成的类似铝热剂这样的反应，由于铝粉中混入了空气，受热膨胀也会发生弱爆炸。这种爆炸是空气受热后产生的，并不是铝热剂本身发生的。需要说明的是:2019/10/229爆鸣气爆炸气体量不增加，反而减少了三分之一：2H2十022H20十483.67kJ气体量的减少被过程的放热性和快速性所弥补。由于产物在高温下体积增加，仍可在短时间内压力达到1MPa以上，从而具有一定的爆炸性。2019/10/230小结放热性给爆炸反应提供了能源，而快速性则是使能量集中在较小的体积内并产生强大的放热功率，反应生成气态产物则是炸药爆炸后对外作功的工作介质。反应的放热性将炸药和产物加热到高温，从而使反应速度增加，增大了反应的快速性；放热性和快速性使产物加热到很高的温度，使更多的产物处于气态状态。正是由于不同种的炸药在这三要素上存在着差异，而使它们的爆炸性能产生了明显的差异，构成了形形色色、不同品种、用途各异的各种炸药。2019/10/2314.2炸药的起爆与敏感度（1）炸药起爆原因炸药是一种处于相对稳定状态的物质，本身的能量水平比较高（如处于高位的小球），只有在一定的引爆冲能作用下，才会发生爆炸。外界作用所给的能量既是炸药发生化学反应的活化能，又是外界用以激发炸药爆炸的最小引爆冲能，因此可以得出：引爆冲能越小，炸药的感度越大，炸药越易起爆；2019/10/232（2）炸药起爆的选择性①外界能量种类：②外界能量的作用速率③装药条件：④炸药的物理状态：⑤不同用途的炸药有不同感度的要求。2019/10/233（3）炸药起爆机理①炸药的热爆炸机理在一定条件下（温度、压力等）若炸药因热分解的作用，反应放出的热量大于热传导（向外）所散失的热量，就能使炸药的内部发生热积累，从而使反应自动加速，温度升高，反应更快，温度更高，如此循环发展最后导致爆炸。2019/10/234②炸药的热点起爆理论当炸药受到撞击或摩擦时，机械能首先转化成热能，并聚集在小的局部范围内形成“热点”，在热点处发生热分解，由于分解的放热性，分解速度迅速增加，热点内形成强烈反应，结果引起部分炸药或全部炸药爆炸。2019/1