Nghiên cứu sự phụ thuộc của tốc độ nổ vào thành phần thuốc nổ hỗn hợp Tг - Nguyễn Mậu Vương

Hóa học và Kỹ thuật môi trường N.M.Vương, N.V. Giao, Đ.V.Đường, “Nghiên cứu sự phụ thuộc hỗn hợp TГ.” 220 NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC CỦA TỐC ĐỘ NỔ VÀO THÀNH PHẦN THUỐC NỔ HỖN HỢP ТГ Nguyễn Mậu Vương1*, Ngô Văn Giao1, Đặng Văn Đường2 Tóm tắt: Bài báo trình bày những kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần tới tốc độ nổ của thuốc nổ TГ (hỗn hợp của TNT và RDX). Từ đó, đã xác lập quy luật sự phụ thuộc của tốc độ nổ vào thành phần hỗn hợp tại cùng một mật độ hoặc tại mật độ đúc cao nhất của các hỗn hợp khác nhau. Kết quả thu được là cơ sở dữ liệu cho việc tính toán thành phần thuốc nổ hỗn hợp TГ để sử dụng cho các loại đạn dược có yêu cầu khác nhau về mật độ và tốc độ nổ. Từ khóa: Thuốc nổ, TГ, Mật độ, Tốc độ nổ, TNT, RDX. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong thực tế, có nhiều loại đạn dược lòng rộng, miệng nhỏ. Để nhồi nạp các loại đạn này, người ta thường sử dụng phương pháp đúc. Thuốc nổ 2,4,6- trinitrotoluen (TNT) rất dễ đúc do nhiệt độ nóng chảy khoảng 80,2oC nhưng không đảm bảo về năng lượng [5]. Hexogen (RDX) là thuốc nổ mạnh tiêu biểu nhưng bị phân hủy trước khi nóng chảy [4,5]. Chính vì vậy, người ta sử dụng thuốc nổ hỗn hợp giữa TNT và RDX nhằm kết hợp cả đặc tính công nghệ của TNT và sức công phá mạnh của RDX. Thuốc nổ hỗn hợp dạng này được gọi là thuốc nổ T. Thông thường, người ta hay sử dụng T có hàm lượng TNT từ (23÷60)% để đảm bảo tính năng nổ cháy và khả năng đúc rót công nghệ. Mặc dù, có nhiều nghiên cứu về thuốc nổ hỗn hợp này [6,8,9,10] nhưng chỉ dừng ở việc đưa ra các thông số nổ cháy với T có một số thành phần khác nhau, chưa có tính khái quát thành quy luật. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần tới tốc độ nổ của thuốc nổ T. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu các tài liệu, thiết lập phương pháp đúc tạo mẫu thuốc để xác định mật độ cao nhất của hỗn hợp T theo thành phần. Sau đó, sử dụng công nghệ nén ép tạo thỏi thuốc có mật độ tương đương mật độ đúc cao nhất vừa tìm được để đảm bảo độ đồng đều, ổn định mật độ cho mẫu đo và thuận lợi trong quá trình ghép thỏi đo tốc độ nổ. Kiểm tra mật độ bằng phương pháp thủy tĩnh theo tỷ lệ ~20% số lượng mẫu. Từ đó mới tiến hành đo tốc độ nổ theo đúng tiêu chuẩn [1] sử dụng thiết bị đo hiện đại có độ chính xác cao. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 221 Trong quá trình thực hiện, có sử dụng các phương pháp phân tích, đo đạc cụ thể như sau: + Phương pháp đo mật độ bằng thủy tĩnh: sử dụng nguyên lý lực đẩy Acsimet bằng trọng lượng nước mà vật thể chiếm chỗ để xác định thể tích mẫu thuốc. Kết quả mật độ chính bằng khối lượng của mẫu thuốc chia cho thể tích vừa tìm được. + Phương pháp xác định tốc độ nổ: theo TCVN 6422:1998 tại phòng thí nghiệm Vilas-15 của Viện Thuốc phóng Thuốc nổ. 2.2. Công nghệ chế tạo mẫu 2.2.1. Chế tạo mẫu theo phương pháp đúc Gia nhiệt ca inox chứa TNT trong bình cách thủy, nâng và giữ ở nhiệt độ T1 (T1 trong khoảng 85÷95oC), cho từ từ RDX vào, khuấy bằng đũa thủy tinh đến khi tạo thành hỗn hợp đồng đều (hỗn hợp T). Rót T nóng chảy vào ống thép đường kính trong 30mm, chiều dài 50mm đã hàn kín 1 đầu bằng nắp thép, đến vạch đánh dấu 35mm thì dừng lại. Ống thép được cố định bởi giá đỡ và ngập 40mm trong cốc nước. Nhiệt độ của nước lúc đầu cũng bằng T1. Để nguội từ từ đến T2 (T2 trong khoảng 60÷70 oC). Khi đã đóng rắn hoàn toàn, bỏ ra môi trường, để nguội tự nhiên đến nhiệt độ môi trường. Kiểm tra mật độ của thỏi thuốc với tỷ lệ thành phần TNT/RDX thay đổi từ 60/40 đến 23/77. 2.2.2. Chế tạo mẫu theo phương pháp nén ép Nghiền TNT đạt độ mịn qua sàng 0,1mm. Cân TNT và RDX thay đổi theo các tỷ lệ thành phần TNT/RDX từ 60/40 đến 23/77. Đổ TNT và RDX vào khay, trộn hai thuốc nổ vào nhau đến khi đồng đều. Cân thuốc nổ hỗn hợp đưa vào khuôn ép. Cho chày ép vào khuôn, ấn nhẹ bằng tay. Đưa khuôn ép vào vị trí ép. Đặt 2 cữ thép hai bên khuôn. Tiến hành ép và điều chỉnh lực ép lên bề mặt thuốc trong khoảng (2500÷3000) KG/cm2 sao cho quan sát qua camera thấy trục ép chạm cữ là đạt. Giữ nguyên áp lực ép trong 10 giây. Sau đó, nâng trục ép lên. Đưa bộ tháo thuốc vào. Bỏ hai cữ thép ra. Điều khiển trục ép hạ từ từ xuống cho đến khi thỏi thuốc rơi xuống khay hứng (có bông mềm) thì dừng. Lấy thỏi thuốc ra cân kiểm tra mật độ bằng phương pháp thủy tĩnh. Điều chỉnh khối lượng thuốc đưa vào sao cho đến khi thỏi thuốc đạt mật độ theo yêu cầu (kiểm tra 3 lần), chốt số liệu và công nghệ. Tiến hành ép đủ số thỏi cần thiết. 2.2.3. Chế tạo thỏi thuốc để đo tốc độ nổ Để đo tốc độ nổ đảm bảo độ chính xác cao, yêu cầu ống thuốc phải có mật độ đồng đều cao. Việc đúc những thỏi thuốc để đo tốc độ nổ đảm bảo có mật độ đồng đều trong phạm vi sai số nhỏ gặp nhiều khó khăn. Trong khi đó, tốc độ nổ không phụ thuộc vào phương pháp đúc hay nén ép [7]. Vì vậy, người ta thường sử dụng phương pháp nén ép để đo tốc độ nổ. Thông thường, tạo các thỏi thuốc ngắn (chiều Hóa học và Kỹ thuật môi trường N.M.Vương, N.V. Giao, Đ.V.Đường, “Nghiên cứu sự phụ thuộc hỗn hợp TГ.” 222 dài không vượt quá 2 lần đường kính), sau đó ghép chúng lại với nhau bằng ống giấy hoặc nhựa đảm bảo giữa hai dây tín hiệu có khoảng cách xấp xỉ 250mm. Thỏi thuốc nổ thực tế sau nén ép có đường kính 30,2mm và có chiều dài 33,4mm. Ghép 9 thỏi thuốc lại với nhau chắc chắn trong ống nhựa (1 đầu ngoài cùng là thỏi thuốc có để lỗ tra kíp sâu 10mm, đường kính 8,2mm). Đánh dấu 2 điểm để lắp dây tín hiệu. Khoan nhẹ bằng khoan tay. Sau khi lắp xong 2 dây tín hiệu, cố định bằng băng dính. Lấy thước đo chính xác khoảng cách từ tâm 2 dây tín hiệu. Tiến hành đo tốc độ nổ theo TCVN 6422:1998. Một số hình ảnh được minh họa trong hình 1 và hình 2. Hình 1. Các thỏi thuốc sau khi nén ép và cách ghép để đo tốc độ nổ. Hình 2. Thỏi thuốc đã được ghép vào ống nhựa, lắp dây tín hiệu và kíp. 2.3. Thiết bị và hóa chất chủ yếu 2.3.1. Thiết bị - Máy ép thủy lực 100 tấn; - Bộ khuôn, chày ép, cữ ép; - Thiết bị đo tốc độ nổ VOD-8: do hãng OZM của Séc sản xuất, có độ chính xác về thời gian là 10-7s; - Các thiết bị khác như: tủ sấy, cân phân tích độ chính xác 10-4g, ... 2.3.2. Hóa chất - Thuốc nổ Hexogen (RDX): Hàn Quốc, đạt tiêu chuẩn hóa lý theo [2]. - Thuốc nổ TNT: Trung Quốc, đạt tiêu chuẩn hóa lý theo [3], dạng cốm. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần đến mật độ đúc Thay đổi thành phần tỷ lệ TNT/RDX và tiến hành chế tạo mẫu, trong đó có thay đổi nhiệt độ T1 và T2 trong khoảng cho phép, theo như phần 2.2.1, mật độ của các mẫu đúc được trình bày trong bảng 1. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 223 Bảng 1. Mật độ của các mẫu đúc. TT Tên thuốc nổ hỗn hợp Mật độ đúc, g/cm3 Mật độ đúc cao nhất, g/cm3 Mật độ tối đa lý thuyết, g/cm3 Độ chênh, % ∆ρ= (ρTĐLT-ρĐMAX) .100/ρTĐLT 1 TГ 60/40 1,637÷1,665 1,665 1,742 4,420 2 TГ 55/45 1,655÷1,682 1,682 1,752 3,995 3 TГ 50/50 1,666÷1,693 1,693 1,762 3,916 4 TГ 45/55 1,671÷1,698 1,698 1,772 4,176 5 TГ 40/60 1,686÷1,712 1,712 1,782 3,928 6 TГ 35/65 1,693÷1,718 1,718 1,792 4,129 7 TГ 30/70 1,699÷1,725 1,725 1,802 4,273 8 TГ 25/75 1,711÷1,736 1,736 1,812 4,194 9 TГ 23/77 1,714÷1,739 1,739 1,815 4,187 Mật độ tối đa lý thuyết của thuốc nổ hỗn hợp được tính toán dựa trên mật độ tinh thể TNT, RDX và tỷ lệ thành phần giữa chúng theo công thức: ρTĐLT = (ρTNT.NTNT + ρRDX.NRDX)/100 Trong đó: + ρTĐLT là mật độ tối đa lý thuyết + ρTNT là mật độ tinh thể TNT (1,663g/cm 3) + ρRDX là mật độ tinh thể RDX (1,861g/cm 3) + NTNT là phần trăm khối lượng TNT trong hỗn hợp (%) + NRDX là phần trăm khối lượng RDX trong hỗn hợp (%) Như vậy, bảng 1 cho thấy mật độ đúc của hỗn hợp ở các điều kiện khác nhau thì khác nhau, mật độ đúc cao nhất so với mật độ tối đa lý thuyết của các hỗn hợp có độ chênh tương đối từ (3,916÷4,420)%. Điều này có thể giải thích là do sự hình thành các khối tinh thể TNT trong các điều kiện khác nhau sẽ có mật độ khác nhau. Nhóm nghiên cứu quan tâm đến mật độ đúc cao nhất (ρĐMAX) vì nó có ý nghĩa thực tiễn lớn trong nhồi nạp vào đạn dược (đặc biệt là đạn xuyên). Từ kết quả bảng 1, thiết lập được đồ thị 1. Đồ thị 1. Sự phụ thuộc của mật độ đúc cao nhất của thuốc nổ TГ (g/cm3) vào hàm lượng RDX (%) Hóa học và Kỹ thuật môi trường N.M.Vương, N.V. Giao, Đ.V.Đường, “Nghiên cứu sự phụ thuộc hỗn hợp TГ.” 224 Như vậy, ta có thể kết luận: + Mật độ đúc cao nhất của thuốc nổ TГ (mg/cm3) phụ thuộc vào thành phần của RDX (%) theo hàm bậc 2: y = - 0,014.x2 +3,518.x + 1549,020 (1) với hệ số tương quan R2 = 0,992 hoặc hàm bậc nhất: y = 1,884.x + 1595,115 (2) với hệ số tương quan R2 = 0,986. + Mật độ đúc cao nhất của thuốc nổ TГ (mg/cm3) phụ thuộc vào hàm lượng của TNT (z, %) theo phương trình (1) hoặc (2) với việc thay biến số x bằng biến số z theo tương quan: x=100-z. 3.3. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần đến tốc độ nổ 3.3.1. Tại cùng một mật độ Trong quá trình nén ép tạo mẫu thuốc TГ, nhận thấy thỏi thuốc với mẫu thuốc có hàm lượng RDX nhiều nhất (TГ-23/77) khi đạt mật độ ~1,500 g/cm3 đã đảm bảo độ cứng vững tốt. Do đó, chọn mật độ này để nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần đến tốc độ nổ của thuốc nổ hỗn hợp TГ tại một mật độ cố định. Kết quả đo tốc độ nổ của thuốc nổ TГ được đưa ra trong bảng 2. Bảng 2. Kết quả đo tốc độ nổ với các hỗn hợp khác nhau. TT Tên thuốc nổ hỗn hợp Mật độ thỏi trung bình, g/cm3 Tốc độ nổ trung bình, m/s 1 TГ 60/40 1,500±0,002 7220,9 2 TГ 55/45 1,500±0,002 7294,3 3 TГ 50/50 1,500±0,002 7368,5 4 TГ 45/55 1,500±0,002 7440,3 5 TГ 40/60 1,500±0,002 7516,8 6 TГ 35/65 1,500±0,002 7563,7 7 TГ 30/70 1,500±0,002 7595,5 8 TГ 25/75 1,500±0,002 7676,9 9 TГ 23/77 1,500±0,002 7698,4 Từ kết quả bảng 2, ta thiết lập được đồ thị 2. Đồ thị 2. Sự phụ thuộc của tốc độ nổ thuốc nổ TГ (m/s) vào hàm lượng RDX (%). Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 225 Như vậy, ta có thể kết luận: + Tốc độ nổ của thuốc nổ TГ phụ thuộc vào hàm lượng của RDX theo hàm bậc 2: y = - 0,081.x2 + 22,210.x + 6462,006 (3) với hệ số tương quan R2 = 0,996 hoặc hàm bậc nhất: y = 12,637.x + 6732,165 (4) với hệ số tương quan R2 = 0,992. + Tốc độ nổ của thuốc nổ TГ (mg/cm3) phụ thuộc vào hàm lượng của TNT (z, %) theo Phương trình (3) hoặc (4) với việc thay biến số x bằng biến số z theo tương quan: x=100-z. 3.3.2. Tại mật độ đúc cao nhất Theo [5], TNT chịu nén rất tốt nên mật độ nén cao nhất có thể đạt được là 1,620 g/cm3 còn mật độ cao nhất khi đúc đạt được là 1,600 g/cm3. Do đó, dễ dàng nén hỗn hợp TГ đạt mật độ đúc cao nhất theo như bảng 1. Kết quả đo tốc độ nổ của thuốc nổ TГ được đưa ra trong bảng 3. Bảng 3. Kết quả đo tốc độ nổ với các hỗn hợp khác nhau tại mật độ đúc cao nhất. TT Tên thuốc nổ hỗn hợp Mật độ thỏi trung bình, g/cm3 Tốc độ nổ trung bình, m/s 1 TГ 60/40 1,665±0,002 7492,5 2 TГ 55/45 1,682±0,002 7541,0 3 TГ 50/50 1,693±0,002 7573,6 4 TГ 45/55 1,698±0,002 7727,8 5 TГ 40/60 1,712±0,002 7860,9 6 TГ 35/65 1,718±0,002 7949,2 7 TГ 30/70 1,725±0,002 8055,9 8 TГ 25/75 1,736±0,002 8232,6 9 TГ 23/77 1,739±0,002 8244,3 Từ kết quả bảng 3, ta thiết lập được đồ thị 3. Đồ thị 3. Sự phụ thuộc của tốc độ nổ thuốc nổ TГ (m/s) vào hàm lượng RDX (%) tại mật độ đúc cao nhất. Như vậy, ta có thể kết luận: Hóa học và Kỹ thuật môi trường N.M.Vương, N.V. Giao, Đ.V.Đường, “Nghiên cứu sự phụ thuộc hỗn hợp TГ.” 226 + Tốc độ nổ của thuốc nổ TГ (mg/cm3) phụ thuộc vào hàm lượng của RDX (%) tại mật độ đúc cao nhất theo hàm bậc 2: y = 0,222.x2 – 4,537.x + 7297,657 (5) với hệ số tương quan R2 = 0,991 hoặc hàm bậc nhất: y = 21,733.x + 6556,360 (6) với hệ số tương quan R2 = 0,980. + Tốc độ nổ của thuốc nổ TГ (mg/cm3) phụ thuộc vào hàm lượng của TNT (z, %) theo Phương trình (5) hoặc (6) với việc thay biến số x bằng biến số z theo tương quan: x=100-z. 4. KẾT LUẬN Qua tổng quan về lý thuyết và thực tế, nhóm nghiên cứu đã xác định được mật độ đúc cao nhất của thuốc nổ TГ trên cơ sở TNT Trung Quốc và RDX Hàn Quốc khi thay đổi tỷ lệ thành phần. Nhóm nghiên cứu còn sử dụng phương pháp nén ép tạo thỏi để đảm bảo độ chính xác cao cho phép đo tốc độ nổ tại những mật độ trên. Từ kết quả thu được, xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của tốc độ nổ vào thành phần hỗn hợp tại cùng một mật độ hoặc tại mật độ đúc cao nhất của các hỗn hợp khác nhau. Đây là cơ sở dữ liệu cho việc tính toán thành phần thuốc nổ hỗn hợp TГ đối với các yêu cầu khác nhau của đạn dược về mật độ và tốc độ nổ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. TCVN 6422:1998 “Vật liệu nổ công nghiệp – Xác định tốc độ nổ”. [2]. TQSA 1274:2006 “Thuốc nổ RDX”. Yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử. [3]. TQSA 596:2006 “Thuốc nổ TNT”. Yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử. [4]. Е.Ю.Орлова (1973), “Химия и технология бризантных взрывчатых веществ”, Издательство Химия, c.520-542 [5]. Е.Ю.Орлова (1981), “Химия и технология бризантных взрывчатых веществ”, Издательство Химия, c.84-126, c.227-244. [6]. К. Д. Алферов (1965), “Взрывчатые вещества”, Часть II, Пенза, c.64-65, 98, 102, 104, 105. [7]. Г. А. Демидов (1968), “Основы теории горения и взрыва”, ПВАИУ, Пенза, c.284-296. [8]. Headquarters Department of the army (1984), “Military Explosive”, p.8-35, 8- 103, 8-109, 8-125, 8-128, 11-4, 11-8, 11-15. [9]. Tadeusz Urbanski (1967), “Chemistry and technology of Explosives”, Vol. III, p.77, 78, 84-117. [10]. www.exploders.infoFilespirosprawka2012.pdf, p.174. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Hóa học – Vật liệu, 10 - 2015 227 ABSTRACT RESEARCH RESULTS ABOUT THE DEPENDENCE OF VOLUME OF DETONATION ON COMPONENTS OF MIXTURE TГ This paper presents the research results about the influence of TГ mixture’s component (TNT and RDX) to volume of detonation (VoD). From obtained results, set up laws express the dependence of VoD on mixture’s component at determined density or max desity of other cast mixtures. These are bases for calculating component of TГ mixtures to use for ammunition having other demands for density and VoD. Keywords: Explosive, TГ, Density, Volume of detonation, TNT, RDX. Nhận bài ngày 09 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: 1 Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng; 2 Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Khoa học - Công nghệ Quân sự; *Email: tptnvuong@gmail.com