Федеральное агентство по образованию бийский технологический институт (филиал)

Вид материала

Учебное пособие

Содержание 1.1 Общие сведения о взрывчатых веществах [3–6] 1.2 Классификация взрывчатых веществ [36] Бризантные взрывчатые вещества Метательные взрывчатые вещества Пиротехнические составы 1.3 Реакции взрывчатого разложения 1.4 Общие свойства взрывчатых веществ 1.4.1 Чувствительность взрывчатых веществ [4, 7] 1.4.2 Стойкость взрывчатых веществ [4, 7] Лакмусовая проба (проба Вьеля). Проба взвешиванием.

Подобный материал:

• Федеральное агентство по образованию бийский технологический институт (филиал), 981.77kb.
• Федеральное агентство по образованию бийский технологический институт (филиал), 1531.98kb.
• Федеральное агентство по образованию Бийский технологический институт (филиал), 2694.55kb.
• Федеральное агентство по образованию бийский технологический институт (филиал), 2134.54kb.
• Федеральное агентство по образованию бийский технологический институт (филиал), 1660.78kb.
• Федеральное агентство по образованию бийский технологический институт (филиал), 1946.38kb.
• Решением Ученого совета, 125.93kb.
• Федеральная целевая программа "Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники", 3538.74kb.
• Бийский технологический институт (филиал), 2586.35kb.
• Министерство образования и науки федеральное агентство по образованию майкопский государственный, 102.13kb.

1.1 Общие сведения о взрывчатых веществах [3–6]


Взрывчатые вещества представляют собой индивидуальные соединения или смеси, способные к быстрому, самораспространяющемуся химическому превращению (взрыву) с образованием большого количества газов и тепла. ВВ могут быть твердыми, жидкими и газо-образными.

Для взрыва характерны:

• большая скорость химического превращения (до 8–9 км/с);
  
• экзотермичность реакции (порядка 4180–7520 кДж/кг);
  
• образование большого количества газообразных продуктов (3001000 л/кг);
  
• самораспространение реакции.
  

Невыполнение хотя бы одного из указанных условий исключает протекание взрыва.

Быстрое образование больших объемов газов и нагрев последних за счет теплоты реакций до высоких температур обусловливает внезапное развитие в месте взрыва больших давлений. Энергия сжатых газообразных продуктов взрыва является источником механической работы при различных видах применения взрывчатых веществ. В отли-чие от сгорания обычных топлив реакция взрыва ВВ протекает без участия кислорода воздуха и вследствие больших скоростей процесса позволяет получить в небольшом объеме огромные мощности.

Так, сгорание 1 кг угля требует около 11 м³ воздуха, при этом выделяется приблизительно 33440 кДж. Сгорание (взрыв) 1 кг гексогена, занимающего объем 0,65 л, происходит за 0,00001 с и сопровождается выделением 5680 кДж, что соответствует мощности 500 млн кВт.

Такое химическое превращение называют взрывчатым превращением (взрывом). В нем всегда наблюдается две стадии:

 первая – превращение скрытой химической энергии в энергию сжатого газа;

 вторая – расширение образовавшихся газообразных продуктов, которые и совершают работу.

По механизму распространения и по скорости протекания химической реакции различают два вида взрывчатого превращения: горение и взрыв (детонация).

Горение – относительно медленный процесс. Передача тепла идет от более прогретого слоя в глубину к менее прогретому слою путем теплопроводности. Скорость горения зависит от условий, при которых протекает химическая реакция. Например, при повышении давления скорость горения увеличивается. В некоторых случаях горение может перейти во взрыв.

Взрыв – скоротечный процесс, протекающий со скоростью до
9 км/с. Энергия при взрыве передается образующейся ударной волной – областью сильно сжатого вещества (волной сжатия).

Механизм взрыва можно представить следующим образом. Взрывчатое превращение, возбужденное в первом слое ВВ посторонним возбудителем, резко сжимает второй (последующий) слой, то есть образует в нем ударную волну. Последняя вызывает взрывчатое превращение в этом слое. Затем ударная волна достигает третьего слоя и также возбуждает в нем взрывчатые превращения, затем – четвертого и т.д. В процессе распространения энергия ударной волны уменьшается, это выражается в уменьшении силы сжатия от слоя к слою. Когда сжатие будет недостаточным, взрыв перейдет в горение. Однако возможен и другой случай. Энергия, выделяющаяся в результате взрывчатого превращения в очередном слое, достаточна для компенсации потери энергии в ударной волне при прохождении этого слоя. В таком случае взрыв переходит в детонацию.

Детонация – частный случай взрыва, протекающего с постоянной скоростью (скоростью распространения ударной волны) для данного вещества. Детонация не зависит от внешних условий, и ее скорость распространения является важным параметром взрывчатого вещества. Вид взрывчатого превращения заданного ВВ зависит от свойства вещества и от внешних условий. Например, взрывчатое вещество тротил в обычных условиях горит, если же он находится в закрытом объеме, то горение может перейти во взрыв и детонацию. Порох на открытом воздухе горит, но если зажечь пороховую пыль, то она может сдетонировать. Поэтому, независимо от назначения взрывчатых веществ и их чувствительности к различным импульсам, с ними следует обращаться осторожно, с обязательным выполнением требований техники безопасности.


1.2 Классификация взрывчатых веществ [36]


Все взрывчатые вещества по виду взрывчатого превращения, способности к нему и применению делятся на следующие группы:

• инициирующие;
  
• бризантные;
  
• метательные;
  
• пиротехнические составы.
  

Инициирующие взрывчатые вещества

Для данной группы ВВ характерен вид взрывчатого превращения – детонация. Они обладают высокой чувствительностью к простым начальным импульсам (удару, наколу, лучу огня, трению, электрическому разряду и др.), которые вызывают детонацию. Инициирующие ВВ обычно используются для детонации других, менее чувствительных ВВ, поэтому они также называются первичными.

Инициирующие ВВ применяются в капсюлях-воспламенителях и капсюлях-детонаторах.

К указанной группе ВВ относятся:

• гремучая ртуть (ртутная соль гремучей кислоты) Hg(ONC)₂;
  
• азид свинца (свинцовая соль азотистоводородной кислоты) Pb(N₃)₂;
  
• тринитрорезорцинат свинца C₆H(NO₂)₃O₂Pb·H₂O и другие.
  

Бризантные взрывчатые вещества

Вид взрывчатого превращения – детонация. Для данной группы веществ характерна малая чувствительность к простым начальным импульсам (удару, наколу, лучу огня и др.). Детонацию бризантных ВВ можно вызвать детонацией инициирующих ВВ. Поэтому бризантные ВВ также называются вторичными взрывчатыми веществами.

Бризантные ВВ применяются для наполнения корпусов артиллерийских снарядов, мин, авиабомб, боевых частей реактивных снарядов и ракет.

К указанной группе ВВ относятся: нитроглицерин, октоген, гексоген, тротил, нитроцеллюлоза и многие другие.

Метательные взрывчатые вещества

Для данной группы ВВ характерен иной вид взрывчатого превращения – горение. Горение возбуждается простым начальным импульсом – лучом огня.

К метательным ВВ относятся нитроцеллюлозные пороха (кордитные, сферические, баллиститные, пироксилиновые), дымный порох, твердые ракетные топлива.

Применяются метательные ВВ в качестве зарядов в артиллерии, в стрелковом оружии и в ракетных двигателях.

Пиротехнические составы

Вид взрывчатого превращения – горение. Горение пиротехнических составов вызывается простым начальным импульсом – лучом огня.

Пиротехнические составы применяются для получения необходимого пиротехнического эффекта: звука, цветного пламени или дыма и т.д. Используются пиротехнические составы для снаряжения зажигательных и дымовых снарядов и мин, трассеров, сигнальных патронов, для демонстрации фейерверков. В соответствии с назначением пиротехнические составы могут быть осветительные, зажигательные, сигнальные, трассирующие и др.


1.3 Реакции взрывчатого разложения


Изучение реакции взрывчатого превращения необходимо для прог-нозирования состава продуктов взрывчатого разложения, их объема, определения энергии, которая выделяется в результате протекания реакции, температуры продуктов взрывчатого разложения.

Подавляющее большинство взрывчатых веществ представляет собой органические соединения, в состав которых входят углерод, водород, азот, кислород. В результате реакции взрывчатого разложения образуются в основном оксиды углерода, азота, водорода (СО, СО₂, NO₂, NO, Н₂О) и свободные молекулы (N₂, Н₂, О₂, С).

Эти соединения составляют основную долю всех продуктов взрывчатого разложения. В значительно меньшем количестве образуются СН₄, NН₃, С₂Н₂, С₂N₂, НСN и др. Наличие и количество тех или иных продуктов зависит от кислородного баланса соединения.

Под кислородным балансом понимается избыток или недостаток кислорода, необходимого для полного окисления углерода и водорода. Кислородный баланс характеризуется так называемым кислородным коэффициентом:

.

Например, для полного окисления всего углерода и водорода, содержащихся в молекуле нитроглицерина, требуется:

• для 3 атомов углерода – 6 атомов кислорода;
  
• для 5 атомов водорода – 2,5 атома кислорода.
  

Всего – 8,5 атома кислорода.

Молекула нитроглицерина содержит 9 атомов кислорода. Следовательно, кислородный коэффициент нитроглицерина равен

9/8,5×100 %=105,9 %.

По кислородному балансу все взрывчатые вещества подразделяются на следующие группы:

• взрывчатые вещества, содержащие количество кислорода, достаточное для полного окисления углерода до СО₂, водорода до Н₂О;
  
• взрывчатые вещества, содержащие количество кислорода для превращения всех горючих элементов в газы, но недостаточное для полного их окисления, т.е. образования СО₂;
  
• взрывчатые вещества, содержащие количество кислорода, недостаточное для превращения всех горючих элементов в газы.
  

Из приведенной классификации взрывчатых веществ вытекает правило ориентировочного определения состава и количества молекул, образующихся при взрывчатом превращении.

При написании реакции взрывчатого разложения следует придерживаться следующего.

Для взрывчатых веществ первой группы характерно следующее: водород окисляется до Н₂О, углерод до СО₂, оставшийся кислород образует свободные молекулы кислорода. Например, реакция взрывчатого разложения нитроглицерина С₃Н₅(ОNО₂)₃ может быть представлена следующим образом.

Нитроглицерин содержит 9 атомов кислорода. До полного окисления 5 атомов водорода необходимо 2,5 атома кислорода, до полного окисления 3 атомов углерода – 6 атомов кислорода. Итого необходимо 8,5 атома кислорода. Имеем 9 атомов кислорода. Половина атома кислорода остается свободной. Таким образом, реакция взрывчатого разложения будет выглядеть следующим образом:

C₃H₅(ONО₂)₃ = 3СО₂ + 2,5Н₂O + 0,25O₂ + 1,5N₂.

Кроме основной реакции протекают реакции диссоциации:





(реакция водяного газа)


Указанные реакции в сильной степени смещены в сторону образования СО₂, Н₂О, N₂, и удельный вес их в энергетическом балансе незначительный. Таким образом, в продуктах взрывчатого превращения, хотя и имеются газы СО, Н₂, NO, но их количество невелико, поэтому при расчете, например, объема продуктов взрывчатого превращения в первом приближении реакции диссоциации могут не учитываться.

Для взрывчатых веществ второй группы характерно следующее: водород окисляется до Н₂О, углерод окисляется до СО. Если при этом остается кислород, то часть СО окисляется до СО₂.

Рассмотрим реакцию взрывчатого разложения тетранитрата пентаэритрита (ТЭН) C(CН₂ОNО₂)₄. Из химической формулы ТЭНа видим, что кислорода до полного окисления водорода и углерода недостаточно. Для водорода нужно 4 атома, для углерода – 10 атомов. Итого 14 атомов кислорода. Имеем 12 атомов кислорода. В этом случае реакция разложения ТЭНа записывается так:

C(CН₂ОNО₂)₄ = 4Н₂О + 5СО + 1,5О₂ + 2N₂ =

= 4Н₂О + 2СО + 3СО₂ + 2N₂.

Вторичные реакции:

 реакция водяного газа:



 реакция диссоциации:



Для взрывчатых веществ третьей группы характерно следующее: водород окисляется до Н₂О, оставшийся кислород окисляет часть углерода до СО. Например, реакция взрывчатого разложения тротила С₆Н₂(NO₂)₃СН₃.

Из химической формулы тротила видим, что кислорода недостаточно для окисления водорода и углерода. Для полного окисления водорода необходимо 2,5 атома кислорода, неполного окисления углерода – 7 атомов, итого 9,5 атома кислорода. Имеем 6 атомов кислорода.
В этом случае реакция взрывчатого превращения записывается так:

С₆Н₂(NO₂)₃СН₃ = 2,5Н₂О + 3,5СО + 3,5С + 1,5N₂.

Вторичные реакции:



Таким образом, для написания уравнения реакции взрывчатого превращения необходимо придерживаться следующих правил:

• определить по химической формуле взрывчатого вещества его кислородный баланс;
  
• окислить водород до Н₂О;
  
• окислить углерод до СО;
  
• окислить СО до СО₂, если остался кислород;
  
• написать остальные продукты реакции;
  
• проверить коэффициенты.
  

1.4 Общие свойства взрывчатых веществ


К взрывчатым веществам предъявляются различные требования, зачастую противоречивые. Невозможность создания универсального взрывчатого вещества, удовлетворяющего всем требованиям, привело к разработке большого количества взрывчатых веществ с различными свойствами, что видно из приведенной классификации ВВ. Однако есть свойства, являющиеся общими для всех взрывчатых веществ независимо от их назначения.

Основными для таких составов являются чувствительность и стойкость. Рассмотрим эти важные свойства взрывчатых веществ.

1.4.1 Чувствительность взрывчатых веществ [4, 7]

Под чувствительностью ВВ понимается их способность к взрывчатому превращению под влиянием внешних воздействий. Чувствительность характеризуется минимальным количеством энергии, необходимой для вызова взрывчатого превращения. Чувствительность взрыв-чатых веществ, применяемых на практике, должна быть ограничена пределами, обусловленными двумя противоречивыми требованиями: безопасностью ВВ в служебном обращении и возможно меньшими затратами энергии для возбуждения взрывчатого превращения.

В практике это противоречие решается путем создания двух типов ВВ – инициирующих и бризантных − и использования их в комплексе.

Сложность изучения чувствительности ВВ заключается в их избирательной способности к различным импульсам:

• механическому (удару, наколу, трению, прострелу пулей и др.);
  
• тепловому (нагреву, лучу пламени и др.);
  
• электрическому (искре);
  
• детонационному (детонации рядом расположенного ВВ) и т.д.
  

Например, высокая чувствительность данного ВВ к удару не означает, что ВВ будет также чувствительным к нагреванию и наоборот.

Поэтому необходимо изучать чувствительность ВВ к каждому виду начального импульса отдельно. В настоящее время отработаны и утверждены стандарты на определенные методы оценки чувствительности ВВ к различным начальным импульсам.

Критерием чувствительности ВВ к нагреванию является температура вспышки.

Испытания проводятся в строго определенных стандартом условиях. Нагревание производится источником тепла без пламени.

Наиболее чувствительными ВВ к нагреванию являются:

• гремучая ртуть (температура вспышки Т_всп=175–180 °С);
  
• пироксилин (Т_всп =195 °С);
  
• тетрил (Т_всп=195–200 °С).
  

Наименее чувствительными являются:

• азид свинца (Т_всп =330–340 °С);
  
• тротил (Т_всп=290–205 °С);
  
• дымный порох (Т_всп=290–310 °С) [4].
  

Чувствительность ВВ к удару оценивается наименьшей высотой падения груза определенной массы, при которой наблюдается взрывчатое превращение.

Испытание бризантных ВВ производится на вертикальных копрах. Чувствительность к удару бризантных ВВ оценивается процентом взрывов при сбрасывании на ВВ груза массой 10 кг с высоты 25 см.

Испытание инициирующих ВВ проводится на рычажных копрах. Чувствительность к удару инициирующих ВВ оценивается нижним и верхним пределами чувствительности.

Нижний предел чувствительности – это наибольшая высота падения груза, при которой не получается ни одного взрыва из определенного числа опытов, верхний предел чувствительности – это наименьшая высота падений груза, при которой получается 100 % взрывов. Нижний предел является мерой безопасности при служебном обращении с взрывчатым веществом. Верхний предел – мерой чувствительности к инициированию.

Чувствительность ВВ к наколу оценивается наименьшей высотой падения груза определенной массы на иглу, установленную на ВВ, при которой наблюдается взрывчатое превращение. Испытания проводятся, как правило, для инициирующих веществ с определением верхнего и нижнего пределов чувствительности.

Чувствительность ВВ к детонации характеризуется минимальным зарядом инициирующего ВВ, обеспечивающего незатухающую детонацию заданного ВВ. Этот заряд называется предельным зарядом инициирующего ВВ.

Определение чувствительности ВВ к сотрясению связано со специфическими условиями, в которых находится ВВ во время выстрела и при встрече снаряда с преградой. При выстреле во время движения снаряда по каналу ствола орудия возникают большие перегрузки, в результате во взрывчатом веществе создаются напряжения, которые могут вызвать воспламенение или детонацию, если ВВ достаточно чувствительно.

Аналогичная картина происходит при встрече снаряда с преградой. Преждевременная детонация ВВ и в этом случае нежелательна, так как это существенно понижает эффективность поражающего действия снаряда. Например, бронебойный снаряд должен взорваться обязательно после пробития преграды, иначе его действие будет сведено к нулю. Практикой эксплуатации ВВ установлены допускаемые и критические напряжения во взрывчатом веществе при сотрясении. Напряжения выше критических вызывают в ВВ взрывчатые превращения. Оцен-ка стойкости ВВ к сотрясению производится аналитическим (расчетным) путем и экспериментально.

Экспериментальное определение стойкости ВВ к сотрясению производится стрельбой из соответствующего орудия специальным снарядом, в котором размещаются навеска испытуемого ВВ и инерционное тело. При выстреле инерционное тело давит на ВВ и таким образом имитирует давление наседающей массы ВВ. После выстрела снаряд находят, разбирают и осматривают. По результатам осмотра судят о стойкости ВВ.

В заключение следует отметить, что чувствительность ВВ можно изменить за счет изменения физической структуры и плотности заряда ВВ, формы и размеров кристаллов, температуры, введения некоторых примесей и добавок.

Имеющиеся в настоящее время сведения не позволяют пока установить единую пригодную для всех ВВ количественную характеристику влияния структуры вещества и плотности на чувствительность. Однако можно заметить, что увеличение плотности и переход от порис-той структуры к сплошной снижает чувствительность ВВ. С повышением температуры ВВ чувствительность его, как правило, повышается.

Примеси в виде частиц с высокой температурой плавления и твердостью больше твердости ВВ (песок, стекло, металлические порошки) повышают чувствительность к механическим воздействиям. Наоборот действуют легкоплавкие, мягкие, эластичные добавки.

Вещества, которые в сравнительно небольших количествах понижают чувствительность ВВ, называются флегматизаторами, а повышающие чувствительность – сенсибилизаторами.

1.4.2 Стойкость взрывчатых веществ [4, 7]

Под стойкостью понимают способность ВВ сохранять практически неизмененными свои химические и физические свойства, то есть способность к взрывчатому превращению после длительного хранения.

Стойкость является важным свойством при хранении больших запасов ВВ, которые должны быть пригодны к боевому использованию в любой момент времени. Нестойкие к длительному хранению ВВ не только становятся непригодными для боевого использования, но и представляют опасность для складов боеприпасов. Так, химические превращения в порохах носят характер термического распада. Он протекает медленно, однако образующиеся продукты распада (оксиды азота, азотная и азотистая кислоты) способны ускорить реакцию распада, при этом идет нагревание ВВ за счет выделения тепла. Такого типа процессы называются автокатализом. Нагревание ВВ может вызвать его самовоспламенение. Известны случаи возникновения пожаров на складах от самовозгорания пороха, произошедшего в результате его химического разложения с выделением тепла. Таким образом, боеготовность ВВ и безопасность его зависят от обеспечения высокой стойкости ВВ.

Различают физическую и химическую стойкость ВВ. Под физической стойкостью понимают неизменность физических свойств (плотности, прочности, гигроскопичности и др.). Оценка физической стойкости производится обычными способами, как и других материалов.

Под химической стойкостью понимают неизменность химических свойств ВВ. Оценку химической стойкости производят специальными методами, основанными на том, что процесс разложения ВВ искусственно ускоряется путем нагревания и затем с помощью различных приемов легко обнаруживается. Существует несколько методов оценки химической стойкости ВВ.

Лакмусовая проба (проба Вьеля). Применяется для оценки стойкости нитратцеллюлозных порохов и нитратов целлюлозы. Сущность пробы заключается в следующем. Навеска пороха с лакмусовой бумажкой помещается в герметическом цилиндре в термостат при температуре (106,50,5) °С и определяется время, в течение которого синяя лакмусовая бумажка окрасится в красный цвет [4].

Проба взвешиванием. Сущность пробы взвешиванием состоит в следующем. Навеску ВВ помещают в стеклянную колбу с отверстием в пробке для выхода летучих продуктов разложения. Колба устанавливается в термостат, в котором поддерживается температура 95 °С. Один раз в сутки колба охлаждается и взвешивается. Характеристикой стойкости ВВ служит кривая зависимости потери массы от времени. Резкий перегиб кривой указывает на начало прогрессивного разложения.

Оценку химической и термической стойкости ВВ можно проводить измерением давления газообразных продуктов разложения ВВ при фиксированных температуре и времени.

В настоящее время для этих целей применяются специализированные автоматические установки типа «Вулкан» и «Вулкан-В», разработанные под руководством профессора Г.К. Клименко. В состав установки «Вулкан» входят четыре термостата, два нагревателя с верх-ним пределом до 300 С, терморегулятор. Установка позволяет изучать процессы, связанные с газовыделением или газопоглощением.