книги / Основы химии и технологии порохов и твёрдых ракетных топлив

В процессе вальцевания из-за уменьшения влажности полуфабриката, пластификации НЦ возрастает величина энергозатрат Е и сопротивление деформированию материала как за счет повышения его внешнего трения тц, так и эффективной вязкости г| (рис. 2.3.19).

Рис. 23.19. Влияние длительности вальцева­ ния п1на энергозатраты процесса Е, реологические характеристики порохового полуфабриката ц, тц и его плотность р

число пропусков через межвалковый зазор

Плотность материала р вначале несколько снижается за счет разрыхле­ ния вторичной структуры НЦ, затем повышается, достигает постоянного значения, а при чрезмерно длительном вальцевании - уменьшается вслед­ ствие выделения газообразных продуктов термораспада, разрыхляющих материал.

Условно делят процесс вальцевания на два периода - в первом проте­ кают все положительные процессы (сушки, гомогенизации, пластифика­ ции), во втором при изменении знака производной dE/dn1нежелательные процессы деструкции, денитрации, окисления. Поэтому целесообразно проводить процесс в 1 периоде, а оставшуюся влагу удалять в сушильных аппаратах. При вальцевании «досуха» возможны вспышки на вальцах, осо­ бенно для наполненных композиций.

Вальцуемый материал разогревается за счет диссипативных потерь, причем тепловыделение от перехода механической энергии в тепловую пропорционально квадрату скорости сдвига j. Величина j в этом случае возрастает при повышении частоты вращения валков (п, об/мин) и их диа­ метра D, а также при уменьшении межвалкового зазора 8 :

j=7i-D-n/30-8. (2.3.20)

Величина поперечного размера получаемой таблетки оказывает влияние на характер ее последующей сушки в сушильных аппаратах. Для таблетки цилиндрической формы диаметром 12-14 мм вероятность тормозящего влияния термодиффузии при сушке (см. раздел 2.2.) существенно больше, чем для щелевой таблетки толщиной около 4 мм.

Для использования термодиффузии (направления движения влаги по направлению градиента температур) как при вальцевании, так и в шнеко­ вых сушильных аппаратах осуществляют дополнительный обдув материала воздухом (50-80°С). При этом реализуется осциллирующий режим сушки и термодиффузия не тормозит процесс, а способствует его большей эффек­ тивности.

Обдув порохового «чулка» при вальцевании с целью интенсификации сушки особенно актуален в случае ввода на вальцах водорастворимых до­ бавок в состав композиций.

Задачей фазы формования является превращение полуфабриката (валь­ цованного полотна или пороховых таблеток) в монолитные шашкизаготовки или пороховые трубки, что может быть реализовано только в условиях, обеспечивающих аутогезионное взаимодействие частей фор­ муемого материала. Для этого процесс прессования следует проводить при необходимых величинах давления Р, температуры Т, времени t и скорости сдвига j, от которых зависит аутогезионная прочность материала:

В отсутствие хотя бы одного из этих параметров или при неоптимальной их величине невозможно получить качественных изделий.

С д в и г в формующем пресс-инструменте (вытяжка) создается за счет продавливания материала из большего в меньший объем (рис.2.3.20, 2.3.21) путем изменения габаритов формующих втулок или игл, форми­ рующих каналы в изделии. Количественно вытяжку можно оценить коэф­ фициентом вытяжки Кв:

где Д , - диаметр матрицы (изложницы пресса), из которой осуществляется формование;

dfa - диаметр формующей втулки;

п —количество игл, формирующих каналы в изделии; фиг- диаметр иглы.

В случае изготовления цилиндрических бесканальных изделий:

Величина Кв может изменяться от 1,2 до 10.

Для формования ракетных шашек-заготовок применяется конфузорнодиффузорный (раструбный) пресс-инструмент (см. рис.2.3.20), позволяю­

щий изготавливать изделия, диаметр которых с учетом обеспечения требуемого Кв и уравнений (2.3.22,2.3.23) больше, чем выходное отверстие формующего пресса (с!фп). Диаметр изделий в этом случае может достигать до 800 мм.

Рис. 23.20. Схема формования БП с ис­ пользованием раструбного прессинструмента [43,54):

1- корпус пресса; 2 - загрузочный бункер; 3

-прессующая втулка; 4 - клиновой затвор; 5

-диффузор; 6 - иглодержатель; 7 - игла; 8 - формующая втулка; 9 - конфузор; 10винт

пресса; b - ширина винта; h - глубина винта; Ф - угол наклона винтовой линии; (!$„ - вы­ ходное отверстие формующего пресса; Dp - диаметр раструба; с1фв - диаметр формующей втулки; dm-- диаметр иглы

Изготовление изделий для артиллерийских зарядов осуществляется через формующие втулки, закрепленные в матричной обойме прессинструмента (2 на рис.2.3.21). При этом, в отличие от непрерывного формования изделий из пироксилиновых порохов (см. раздел 2.2, рис.2.2.6), матричной обойме с формующими втулками должен предшествовать значительно больший объем пресс-инструмента (1 на рис.2.3.21). Существенно большие, по сравнению с пироксилиновыми массами, величины вязкости и характеристического времени релаксации обусловливают невозможность обеспечения качественного аутогезионного взаимодействия в изделиях из баллиститных композиций, если использовать для них пресс-инструмент малого объема с небольшим временем пребывания (см. величину t в уравнении 2.3.21).

Тормозящее влияние внешнего трения для периферийных слоев массы о пресс-инструмент, а также большая температура и, следовательно, меньшая вязкость центральных слоев массы обусловливают неравномерность выхода изделий из разных рядов матричной обоймы - шнуры из центральных слоев движутся быстрее, чем из периферийных, что затрудняет работу резательных станков. Повышение температуры центральных слоев массы обусловлено ее разогревом от трения о головку винта пресса и ее малой теплопроводностью, не позволяющей, несмотря на термостатирование пресс-инструмента, выравнять температуру массы по его объему.

Эпюра скоростей выхода изделий в этом случае отличается от таковой для пироксилиновых композиций (сравни рис.2.3.21 и рис. 2.2.6 в разделе 2.2) и зависит, помимо реологических свойств образцов, также от производительности пресса и геометрических размеров матричной обоймы.

При невыполнении условий (2.3.25, 2.3.27) происходит проворот массы с винтом, так называемый «срыв массы с рифов», следствием чего может явиться загорание пороха в прессе. Загорание может произойти и по дру­ гим причинам, например при недопитке пресса полуфабрикатом, при несо­ блюдении температурно-временных режимов процесса и других.

При использовании двухшнековых экструдеров для переработки поро­ ховых масс, как принято фирмой Динамит Нобель АГ [12], процесс формо­ вания осуществляется более устойчиво, величина Qp таких аппаратов близ­ ка к нулю.

Порох - метательное ВВ, поэтому должен гореть по геометрическому закону, но при определенных обстоятельствах (замкнутый объем, рыхлая, пористая структура материала, превышение (dP/dt)^ - критической скоро­ сти нарастания давления газообразных продуктов его горения в маномет­ рической бомбе) горение его может переходить во взрыв. Наиболее опас­ ной зоной пресса в этом отношении является зона уплотнения материала (переходных плотностей).

Вероятность этого нежелательного процесса уменьшается при сокраще­ нии размеров зоны уплотнения, то есть при увеличении dp/dZ (градиента изменения плотности пороха по длине винтовой линии пресса) величина (dP/dt)^ возрастает.

Качественно такое же изменение (dP/dt)^ обеспечивается использова­ нием динамически ослабленной прессующей втулки [54, 55], разрушение которой приводит к мгновенному сбросу нарастающего давления и разры­ ву детонационной цепи.

Свойства порохового полуфабриката также оказывают влияние на возможность протекания нежелательных переходных процессов. Помимо рецептурных особенностей составов (например, наличия в них тяжелых твердых добавок, ВВ, металлов), вероятность этих процессов возрастает при повышенном содержании в полуфабрикате мелочи, пороховой пыли, недостаточной уплотненности и гомогенности таблетки после сушильных аппаратов. Поэтому для повышения взрывобезопасности полуфабриката было предложено осуществлять его уплотнение и укрупнение перед подачей в формующий пресс. Одним из аппаратов, предназначенных для решения этой задачи, является пресс кольцевой таблетирующий ПКТ (рис. 2.3.22) [54].

ПКТ состоит из станины 1, на которой закрепляется вращающийся ба­ рабан 5 и рифленый ролик 6.

Пороховая крошка из загрузочного бункера 4 поступает во внутреннюю полость вращающегося барабана 5, по всей цилиндрической поверхности которого расположены радиальные калибрующие цилиндрические отвер­ стия диаметром 10 мм. При одновременном вращении ролика 6 и барабана 5

пороховая крошка захватывается рифленым роликом 6, образуя на внут­ ренней поверхности барабана пороховой «чулок» 8, который уплотняется роликом и продавливается через отверстия в барабане 5, образуя порохо­ вые шнуры 9, срезаемые ножом 2 в виде плотной таблетки. Таблетки ссы­ паются по лотку 3 в бункер транспортера, подающего их в формующий шнек-пресс.

Ролик и барабан обогреваются до 75-95°С.

Рис. 23.22. Пресс ПКТ [54):

1 - станина; 2 - нож; 3 - лоток; 4 - загрузочный бункер; 5 - барабан; 6 - ролик; 7 - валы, имеющие общий привод; 8 - пороховой «чулок»; 9 - пороховые шнуры.

А - загрузка пороховой таблетки со стадии сушки; В - выгрузка уплотненной таблетки после ПКТ на стадию формования изделий

Величина dP/dt полуфабриката после обработки его в ПКТ уменьшается в 3-6 раз.

На рис.2.3.23, 2.3.24 представлены технологические схемы непрерывной переработки пороховых масс баллиститного типа.

Полуфабрикат с фазы на фазу может передаваться ковшовыми элеваторами (скиповыми подъемниками) (4, 8, 10 на рис.2.3.23) или пневмотранспортом (рис.2.3.24). Это позволяет исключить передачу возникшего загорания с фазы на фазу. Возвратный брак (возвратно­ технологические отходы, ВТО) может вводиться на стадиях отжима (рис.2.3.23), вальцевания или в шнек-пресс пластифицирующий (рис.2.3.24).

Иные способы переработки пороховых масс баллиститного типа

Изготовление зарядов методом рулонирования (намотки)

Для исключения опасной фазы прессования предложено получать заряды методом намотки вальцованного порохового полотна со склейкой его по слоям.

Такой метод позволяет готовить изделия из баллиститного и смесевого порохов, реологические свойства которых варьируют в более широком диапазоне по сравнению с массами, перерабатываемыми методом проход­ ного прессования. Это особенно важно при переработке высокоэнергетиче­ ских композиций.

В технологической схеме метода намотки отсутствуют закрытые аппа­ раты с большой загрузкой, то есть в этом случае уменьшается опасность производства и облегчается задача пожаротушения.

Зарядам, полученным методом намотки, придаются новые свойства, ко­ торые не могут иметь шашки, полученные проходным прессованием. В частности, можно получать многослойные заряды из порохов различных составов, что позволяет обеспечить запрограммированный закон изменения скорости горения по толщине горящего свода.

Появляется возможность получать армированные заряды с улучшенны­ ми физико-механическими и баллистическими характеристиками, в том числе помещая между слоями порохового полотна металлические сетки.

Принципиальная схема получения рулонированных зарядов выглядит следующим образом (рис.2.3.25). Пороховое полотно 5 толщиной 2-6 мм при 60-80°С покрывается клеющей жидкостью с двух сторон с помощью валков 3, 4 и наматывается с помощью специального станка на стальной валик, который соответствует диаметру канала будущего изделия. Для обеспечения монолитности заряда необходимо подавать клей в угол, обра­ зованный набегающим полотном и рулоном, что создает гидравлический затвор. Клей заполняет зазоры, если они не ликвидированы натягом полот­ на. Полотно прижимается специальным валком к рулону.

Рис.2.3.25. Принципиальная схема нанесения клеющей жидкости на полотно:

1 - ванна с клеющей жидкостью; 2 - резервуар с клеющей жидкостью; 3 - валки для захвата жидкости; 4 - валки для нанесения жидкости; 5 - вальцованное полотно

После рулонирования шашки не термостатируют (для отверждения клея), так как рулон охлаждается несколько часов и этого времени доста­ точно для образования прочного шва.

Для полного отверждения достаточно 6-8- ч при 50-80°С. При охлажде­ нии происходит усадка растянутого при намотке полотна, что способствует его уплотнению. Длина изделий, полученных методом намотки, ограничена шириной полотна (до 1,2 м), но изделия можно склеивать.

Заряды не уступают по всем показателям прессованным; имеют по сравнению с ними ряд преимуществ, отмеченных выше, кроме того, харак­ теризуются большей термостабильностью из-за отсутствия длительного пребывания пороха при высокой температуре, как это имеет место во время нахождения его в раструбном пресс-инструменте.

Изготовление зарядов методом штамповки [58, 59]

В промышленности полимеров широко применяются методы переработки листовых и пленочных материалов в готовые изделия, заключающиеся в следующем.

При термоформовании: плоские заготовки из термопластичных мате­ риалов нагреваются до температуры стеклования, затем закрепляются по контуру в зажимном устройстве и устанавливаются над формующим инст­ рументом. Оформление заготовки в изделие происходит под действием разности давлений над свободной поверхностью заготовки и в полости, образованной заготовкой и оформляющей поверхностью формующего ин­ струмента.

При холодном формовании: листовая заготовка, при комнатной темпе­ ратуре или подогретая до температуры на 20-40°С ниже температуры стек­ лования, закрепляется подвижно по контуру в зажимном устройстве над матрицей, а затем формуется путем приложения механического давления специальным пуансоном. В этом случае формование осуществляется в ре­ жиме вынужденной эластичности.

Остающиеся неотрелаксировавшие напряжения существенно изменяют геометрические размеры отформованного изделия при его нагреве выше температуры стеклования, причем в случае холодного формования - в большей степени, что ограничивает температурный диапазон использова­ ния таких изделий.

Нагрев заготовок может осуществляться различными способами: конвективным; теплорадиационным; контактным;

смешанным (сочетающим конвективный и теплорадиационный).