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Academic year: 2022

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(1)

3 3장. . 화약류의 화약류의 반응 반응 제

3 3장. . 화약류의 화약류의 반응 반응

3.1 연소와 폭굉 3.2 화약류의 산소평형 3.3 폭발에너지 3.4 폭발압력

(2)

화약류의

화약류의 반응 반응 화약류의

화약류의 반응 반응

y

폭발효과 : 성분중 산소와 가연성물질의 이상적인 비율

y

폭발효과 : 성분중 산소와 가연성물질의 이상적인 비율 에 의해 최대의 폭발효과

y

폭발시 온도 상승 : 화학반응 에너지

y

폭발시 온도 상승 : 화학반응 에너지

고온열원, 고체입자마찰, 유동마찰, 단열압축, 고속기체흐름, 액 체의 기포면 충돌 등

체의 기 면 충돌 등 y

화약의 본질적 특성

분해시 짧은 시간에 다량의 열과 가스 발생

폭발연소시 화약 전체가 동시에 반응(전파성)

분자 내에 또는 혼합물 내에 충분한 산소를 함유 취 안정성 확보 폭발위력 충

취급안정성 확보. 요구 폭발위력 충족

(3)

3 1

3 1 연소와

연소와 폭굉 폭굉

3.1

3.1 연소와

연소와 폭굉 폭굉

y

화염의 전파속도에 따라 구분

y

화염의 전파속도에 따라 구분

연소(폭연, deflagration) - 화약

폭굉(detonation) - 폭약

폭굉(detonation) - 폭약

y

Nitroglycerine : 폭굉. 조건에 따라 연소 가능 Nitrocellulose : 폭연 조건에 따라 폭굉

y

Nitrocellulose : 폭연. 조건에 따라 폭굉

y

폭굉반응 : 충격파를 동반하는 연소반응

y

폭굉파 (detonation wave)

반응시 충격파 선행하고, 이후 화학반응

음속보다 빠름. 수천 m/sec. 폭속(detonation velocity)

(4)

y

화약과 폭약의 용도 차이 : 충격파의 유무

y

화약과 폭약의 용도 차이 : 충격파의 유무

충격파의 용도 : 물체의 변형이나 파괴

화약 사용의 예 : 로켓추진제 총포발사약

화약 사용의 예 : 로켓추진제, 총포발사약

폭약 사용의 예 : 암석발파

y

동적작용 : 충격파에 의한 파괴작용

y

동적작용 : 충격파에 의한 파괴작용

y

정적작용 : 가스팽창, 에너지에 의한 추진작용 폭약 : 동적작용 + 정적작용

y

폭약 : 동적작용 + 정적작용

y

화약 : 정적 작용

(5)

3 2

3 2 화약류의

화약류의 산소평형 산소평형

3.2

3.2 화약류의

화약류의 산소평형 산소평형

y

화약류의 성능 : 산소와 가연물의 이상 비율 배합

y

화약류의 성능 : 산소와 가연물의 이상 비율 배합

산소량 부족 : 불완전 연소. 폭발력 감소

산소량 과다 : 유독한 질소산화물 생성

산소량 과다 : 유독한 질소산화물 생성 y

산소평형 (oxygen balance)

연소효율을 최대화하여 연소가스와 에너지생성량을 최대로 높일

연소효율을 최대화하여 연소가스와 에너지생성량을 최대로 높일 수 있는 적정량의 산소량을 포함한 상태

양론비에 정확시 일치할 때 산소평형값은양론비에 정확시 일치할 때 산소평형값은 00

산소평형치 0을 기준으로 +, - 로 표시

y

화약류의 구성원소 화약류의 구성원소 : C, H, N, O 및 금속류 : C, H, N, O 및 금속류

(6)
(7)

y

산소평형과 연소가스의 관계

산소평형이 가스조성에 직접적인 영향

산소평형이 가스조성에 직접적인 영향

탄광 갱내의 경우 공해의 원인

유독가스의 종류유독가스의 종류 : CO NOx SO: CO, NOx, SO22, H2S, HCl H2S HCl

CO : 산소평형 (-) 일때

NOx : 산소평형 (+) 일때( )

기타 유독 가스 성분은 배합시 배제

(8)

y

Oxygen balance(O.B.)의 계산

화약류 1 이 반응하여 최종조성이 되었을 때의 산소잉여량을

화약류 1g이 반응하여 최종조성이 되었을 때의 산소잉여량을 g 단위로 표시

반응에 의해 산소발생시 (+) 산소 부족시 (-)

반응에 의해 산소발생시 (+), 산소 부족시 (-)

표 3.1 참조

Nitroglycerine 의 O.B.Nitroglycerine 의 O.B.

x Nitroglycerine 1mol(227.1g)로부터 산소 0.25mol 생성 x O.B.= 0.25 × 32 / 227.1 = 0.035

(9)

y TNT의 O.B. 계산

TNT 1mol 반응시 5.25mol의 산소가 부족

O.B. = -0.25 × 32 / 227.1 = -0.740 y

일반적인 화합화약 : C

w

H

x

N

y

O

z

O.B. = 16 [ z – 2w – x/2 ] / 분자량

y

무기화합물의 경우 정확한 반응식으로 계산

y

혼합화약의 O.B.

O.B.가 각각 a1, a2, a3…인 물질을 각각 x1, x2, x3…g 씩 혼합하는 경우 혼합후 O B + + +

혼합후 O.B. = a1x1 + a2x2 + a3x3 + …

(10)

y

혼합폭약의 O.B. : 0이 되도록 성분조성 결정

폭발에너지의 최대화 및 연소가스 성분 조성 영향 y

산업용 폭약의 O.B.

연소가스 조성 결정을 위해 매우 중요한 고려사항

C 성분 : O.B.가 (-)인 경우 CO 생성

N 성분 : O.B.가 지나치게 크면 NOx 발생 y

군용폭약의 O.B.

TNT 등은 O.B.에서 다소 벗어나는 경우도 있음

연소후가스에 구애받지 않고, 저장안정성을 더 중요시 하기 때문 y

화약류의 O.B. : 표 3.1 참조

(11)

산소공급제

산소공급제

(( i )i )

산소공급제

산소공급제

(oxygen(oxygen carrier)carrier)

y

적정 산소량 : 가연물의 완전연소를 위한 배합비를 유지

y

적정 산소량 : 가연물의 완전연소를 위한 배합비를 유지

y

산화제의 특성 : 폭발성은 거의 없는 반면, 쉽게 분해하 여 산소를 방출

여 산소를 방출

y

산화제의 배합량 : 지나치게 남거나 부족하지 않도록 배 합 (+)

합 .(+)

y

산소공급제의 종류

질산염 : 질산칼륨(KNO ) 질산나트륨(NaNO ) 질산암모늄

질산염 : 질산칼륨(KNO3), 질산나트륨(NaNO3), 질산암모늄 (NH4NO3), 질산바륨(Ba(NO3)2)

염소산염 : 염소산칼륨(KClO( 33))

과염소산염 : 과염소산칼륨(KClO4), 과염소산암모늄(NH4ClO4)

(12)

산소공급제의

산소공급제의 특성 특성 산소공급제의

산소공급제의 특성 특성

y

질산칼륨 (KNO +0 392)

y

질산칼륨 (KNO

3

, +0.392)

흑색화약의 산소공급제. 질산나트륨 용액으로부터 제조

장점 : 산소발생량 많고 흡습성 적다

장점 : 산소발생량 많고, 흡습성 적다.

단점 : 분해속도가 느림.

y

질산바륨 (Ba(NO

3

)

2

+0 306)

y

질산바륨 (Ba(NO

3

)

2

, +0.306)

폭발하여 산화바륨, 질소, 산소로 분해.

산화바륨은 염화수소와 반응하여 염화바륨과 물 생성산화바륨은 염화수소와 반응하여 염화바륨과 물 생성..

염소산염, 과염소산염류를 배합하여 유독성 제거,

(13)

y

질산암모늄 (NH NO +0 200) 초안

y

질산암모늄 (NH

4

NO

3

, +0.200)-초안

산업용폭약의 주성분

흰색결정으로 물에 잘 녹고 흡습성 조해성

흰색결정으로 물에 잘 녹고 흡습성, 조해성.

반응온도에 따라 결정모양과 비중 변화.

100100 C 부근에서 분해반응oC 부근에서 분해반응

200oC 온도에서의 분해반응

DNN, TNT, NG등과 배합. 초유폭약(ANFO) 및 군용폭약 용도로 많이 사용.

(14)

y

염소산칼륨 (KClO +0 392)

y

염소산칼륨 (KClO

3

, +0.392)

뇌홍과 혼합하여 기폭약으로 사용

강력한 산화력을 가지며 매우 예민하므로 취급 주의

강력한 산화력을 가지며 매우 예민하므로 취급 주의

산소방출 쉽고, 신속하고 완전한 분해반응으로 가스팽창력 큼

y

과염소산칼륨 (KClO

4

, +0.462)

염소산칼륨의 전해산화로 제조염소산칼륨의 전해산화로 제조

염소산칼륨에 비해 안정하며, 유효산소량 많음

규소철, DDNP와 배합,

(15)

y

과염소산암모늄 (NH ClO +0 340)

y

과염소산암모늄 (NH

4

ClO

4

, +0.340)

폭발위력 강하면서 비교적 둔감하여 취급 용이

과염소산폭약의 주원료 로켓추진약 배합제로 사용

과염소산폭약의 주원료. 로켓추진약 배합제로 사용 y

질산나트륨 (NaNO

3

, +0.470) –칠레초석

남아메리카 건조지대에서 생산

남아메리카 건조지대에서 생산

장점 : 값이 싸고, 산소량 많음

단점단점 : 흡습성, 조해성 큼: 흡습성, 조해성 큼

(16)

3 2 1

3 2 1 후가스

후가스

(d t(d t titi ff )) 3.2.1

3.2.1 후가스

후가스

(detonation(detonation fume)fume)

y 이론상 폭발 가스 : N2 CO2 H2O 등

y 이론상 폭발 가스 : N2, CO2, H2O 등

y 실제 발생 가스 : COx, CO, HCl, H2S, SO2 등을 포함

y 갱내용 폭약은 선정이나 발파방법 및 환기에 주의

y 1일 최대 허용농도(ppm)

CO(100), NOx(25), HCl(5), SO2(10), H2S(20) 후가스에 대한 대책

y 후가스에 대한 대책

후가스 문제가 없는 폭약 사용

발파 기술상의 문제 x 산소평형(O.B.) 유지

x 카리트의 경우 질산바륨, 질산나트륨 등을 배합(갱내용)

x 고온발파고온발파, 불완전 폭발에 유의 : 약량, 약경, 밀폐도, 흡습, 불순물 등 불완전 폭발에 유의 : 약량 약경 밀폐도 흡습 불순물 등 에 의함

(17)

y

후가스 시험법

y

후가스 시험법

비켈게이지법(Bichel gauge method)

x 밀폐된 용기내에서 화약류를 폭발시킬 때 발생하는 가스량과 압력을 기록

크로슈우-존스법(Crawshow-Jones method)

x 철제 용기에 300g 시료를 넣고 밀폐상태에서 폭발후 발생가스 를 분석

유독가스 분석법

y

유독가스 분석법

화학분석법 : 오르사트법(CO), 오산화요드법(CO), 비색분석 (NO )

(NOx)

검지관법

(18)

3 3

3 3 폭발에너지

폭발에너지

3.3

3.3 폭발에너지

폭발에너지

y

화약류의 폭발에너지

y

화약류의 폭발에너지

폭약이 폭발할 때의 고온, 고압의 에너지를 열역학적으로 계산

산소를 자체공급하고, 기폭의 도움을 받아 일반적 연소와 다른, 화학적 특성

비에너지(specific energy)는 가스 몰수와 폭발 온도에 비례

가스의 종류에 따른 정용비열(CV) 값에 따라 결정

가스의 비체적은 이상기체 상태방정식으로 계산

용어적 구분

y

용어적 구분

연소 vs. 폭굉

폭발폭발 vs 폭굉vs. 폭굉

연소 vs. 폭발

(19)

y

화약류의 폭발에너지 계산

y

화약류의 폭발에너지 계산

연소가스의 최종 에너지 = 화약류의 폭발열(연소열)

폭발온도와 압력 : 열역학적 관계로부터 계산 특수계산

폭발온도와 압력 : 열역학적 관계로부터 계산 = 특수계산 y

Nitroglycerine의 예 : 1mol(227.1g)의 nitro-

glycerine이 밀폐상태에서 완전하게 반응했을 때,

생성가스의 비열생성가스의 비열(C(CVV)는 온도의 함수로 가스의 종류에 따라 다른)는 온도의 함수로 가스의 종류에 따라 다른 값 : 모든가스에 대한 평균 = 10cal/deg.

폭발전 온도가폭발전 온도가 00 C일때 최종온도는oC일때 최종온도는

(20)

y

폭발압력의 계산

이상기체 상태방정식 :

압력과 부피의 곱은 에너지의 차원을 가짐 : 1kg에 대한 계산치

= 폭력(force of explosive, 비에너지(specific energy), f y

f 의 계산

표준상태에서, 이므로

V0 : 생성가스의 표준상태에서의 부피 = n × 22.4

Nitroglycerine 1kg의 부피(비용 specific volume)

Nitroglycerine 1kg의 부피(비용, specific volume)

(21)

y

따라서 비에너지는

y

따라서 비에너지는

식 (3 3)에서 정적효과 큰 화약류는 생성가스량이 크거

SI unit?

y

식 (3.3)에서 정적효과 큰 화약류는 생성가스량이 크거 나 폭발온도 높은 것 .

y

실제 폭발에서는 생성가스량이 달라지므로 경우에 따라 계산방법과 과정이 매우 복잡

산소평형과 연소조건에 따라 CO2, CO, H2O, H2, N2, NO2 등의 생성양상이 달라짐

(22)

y3.3 대표적 화합폭약의 종류와 특성대 적 화 폭약의 종류와 특성

(23)

3 4

3 4 폭발압력

폭발압력

(( ll ii )) 3.4

3.4 폭발압력

폭발압력

(explosion(explosion pressure)pressure)

y

폭발압력의 계산 폭발압력의 계산 : 비에너지 이용 비에너지 이용

y

화약류 단위질량 (1kg)에 대해

: 화약류의 최초 밀도. 장약밀도

Ex) Nitroglycerine : 밀도 1.6, 비에너지 13000atm-L 폭발압력은,

계산된 화약류의 압력은 실제 압력보다 매우 낮음

이상기체식 사용의 문제(실제기체가 이상기체에 가까운 조건은?) x 이상기체식 사용의 문제(실제기체가 이상기체에 가까운 조건은?) x 비체적에서 가스가 차지하는 압력의 보정

(24)

y

이상기체상태방정식의 보정 : Abel의 상태방정식

α : 부피의 보정항. covolume

(그림 3.2)

(25)

y

보정에 의한 압력계산 :

y

Nitroglycerine :

밀도=1.6, covolume=0.51

y

TNT

밀도 1.0 :

밀도 1.5 :

(26)

y

폭약의 대기 중 폭발 에너지

생성가스가 초기부피에서 무한대로 퍼져나가는 동안 행하는 일, E E = V0 PdV

이상기체의 단열팽창관계식

γ : 비열비. 공기의 경우 1.4이며 보통 1.25~1.4 적분으로부터

적분으로부터

따라서 폭발의 일에너지는 폭약 비에너지의 2 5 4배 정도의 크

따라서, 폭발의 일에너지는 폭약 비에너지의 2.5~4배 정도의 크 기를 가짐

참조

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