книги / Основы химии и технологии порохов и твёрдых ракетных топлив

Рис3.15. Схема аппарата СНД [13,43,66]:

1 - загрузочный люк; 2 - корпус предва­ рительного смесителя с бункером;

3 - мешалки; 4 - шнек; 5 - вакуумная камера; 6 - вакуумный смеситель; 7 - напорный шнек; 8 - пресс-форма (корпус РД); 9 - опора

СНД состоит из предварительного смесителя с бункером 2, имеющим загрузочный люк 1 для подачи компонентов или предварительно подготов­ ленной топливной композиции.

Внижней части корпуса находится продольное окно, соединяющееся с цилиндрическим каналом, в котором располагается шнек предварительного смесителя 4; в нем топливная масса подвергается интенсивной дополни­ тельной механической обработке. При этом топливная масса передвигается вдоль оси шнека, перемешивается, нагревается или охлаждается, а затем через решетку, установленную в конце канала, подается в вакуумную ка­ меру 5 и вакуумный смеситель 6. В них создается разрежение, благодаря чему из топливной массы удаляются воздух и другие газообразные вещества.

Корпус предварительного смесителя снабжен рубашкой, в шнеке имеет­ ся полость для водяного обогрева (охлаждения) топливной массы.

Вакуумный смеситель по конструкции аналогичен предварительному, но отличается меньшими размерами. Он также имеет рубашку, а в шнеке - полость для подачи технологической воды. Патрубок шнека вакуумного смесителя заканчивается переходником, к которому подсоединяется прессформа (корпус двигателя). Из этого смесителя топливная масса с помощью шнека нагнетается в пресс-форму (корпус) [13,43,66].

Врубашки корпусов смесителей и в полости шнеков подается вода за­ данной температуры. Датчики, установленные в боковых стенках корпусов, перед решеткой канала предварительного смесителя и в переходнике ваку­ умного смесителя, подсоединены к линиям втбричных приборов.

Устанавливаются пределы колебаний температуры топливной массы (для каждого конкретного состава) во всех контролируемых точках.

Таким образом, в аппарате СНД совмещаются операции смешения ком­ понентов, вакуумирования топливной массы и ее нагнетания в пресс-форму или корпус Двигателя, которые могут располагаться горизонтально или вертикально. Наиболее организованный фронт течения топливной массы

различных зонах оборудования, возможностью протекания процессов от­ верждения и другими. В связи с этим проводилось и проводится физическое моделирование с использованием соответствующих критериев подобия.

Однако возникают осложнения при оценке поведения поверхностных слоев топливной массы ("свободной" поверхности) при входе в прессформу (корпус) и течении в них. Поэтому кроме физического моделирова­ ния используют методы визуального наблюдения за процессом через про­ зрачные окна на крышке, или боковой поверхности модельной изложницы. Кроме того, производят фото- и киносъемку, используют разноцветные модельные массы; после отверждения изделие разрезают в продольном и поперечном направлениях и устанавливают место расположения различ­ ных порций массы.

Следует также подчеркнуть, что характер образования потока и течения топливной массы в изложнице зависит и от геометрии входного узла, по которому она поступает, особенно в случае изготовления зарядов с кана­ лом, так как при этом требуются приспособления для закрепления в нем иглы.

По окончании заполнения пресс-формы или корпуса и отключения ус­ тановки изложница дистанционно отсоединяется от аппарата СНД и транс­ портируется на фазу отверждения изделий; таким образом, установка рабо­ тает непрерывно в период изготовления одного изделия, затем подсоединяется новая изложница и процесс продолжается.

На фазе изготовления топливной массы и формования зарядов методом литья под давлением используются автоматизированные системы управле­ ния технологическими процессами (АСУТП).

Основное назначение фазы - получить монолитный однородный по хи­ мическому составу, скорости горения и физико-механическим свойствам заряд. Для этого необходимо обеспечить стабильное заданное процентное соотношение всех компонентов топлива, строго определенную загрузку (уровни) топливной массы в смесителях, температуру топливной массы и другие параметры. Важнейшие требования при этом - безопасность веде­ ния процесса и надежность работы оборудования, а также эффективные экономические показатели процесса.

АСУТП должна обеспечивать выполнение основной задачи при мини­ мальном участии человека в процессах сбора, обработки и передачи ин­ формации, в оперативном ведении процесса и абсолютном исключении участия человека в выполнении операций, сопряженных с опасностью для его жизни.

К основным узлам технологического комплекса относятся системы до­ зирования рабочей смеси порошков и жидковязких компонентов и аппарат СНД.

Состояние процесса характеризуется текущими значениями технологи­ ческих параметров и вычисляемых показателей. Контролируются и регули­ руются температура, давление, уровни топливной массы в смесителях, ва­ куум и другие.

АСУТП является многофункциональной системой и решает комплекс задач:

-централизованный контроль технологического процесса;

-стабилизацию оптимального химсостава топлива;

-регулирование загрузки смесителей;

-стабилизацию температурного режима;

-оптимизацию загрузки смесителей в конце процесса формования;

-автоматический сбор и обработку данных по надежности работы;

-программное управление установкой;

-распознавание предаварийных ситуаций.

Функционирование АСУТП обеспечивает:

-требуемую точность регулирования и контроля основных параметров технологического процесса;

-повышение безопасности процесса изготовления зарядов;

-повышение производительности и надежности технологического про­ цесса.

3.3.Приготовление топливных масс и формование изделий СТТ методом проходного прессования [4, 13, 15, 71]

Методом проходного прессования могут перерабатываться топливные массы, которые имеют следующие характеристики: г| = 106-И0п Па-с.

СТРТ могут готовиться на основе термопластичных связующих (поли­ стирол, поливинилбутираль и других), а также на основе различных отвер­ ждаемых в изделиях каучуков (например, дивинилнитрильных СКН-18, СКН-26 и других) [13].

Смесевые композиции аэрозольного пожаротушения и фейерверочные составы, перерабатываемые проходным прессованием, в качестве связую­ щих могут содержать различные производные эфиров целлюлозы, каучуки, термоэластопласты и другие полимеры.

Подготовка исходных компонентов аналогична таковой для литьевых СТТ. Особенно тщательно готовят неорганические окислители (сушка, из­ мельчение, фракционирование, получение рабочей смеси порошков задан­ ного фракционного состава).

Смешение компонентов начинается с получения смеси связующего с инертными добавками (металлическим порошком, модификаторами горе­ ния, инертными пластификаторами и другими).

Смесители имеют термостатирующую рубашку для нагревания смеши­ ваемых материалов до 40-60°С.

После тщательного смешения связующего с добавками в композицию частями добавляются окислители (перхлораты калия или аммония, нитраты калия, аммония и другие) и взрывчатые вещества [4].

Смешение может осуществляться в горизонтальных смесителях с ниж­ ним выгрузочным шнеком, в двухчервячных экструдерах [4], в периодиче­ ски действующих мешателях типа Вернер-Пфлейдерер [13, 15] (см. рис. 2.2.5) или в смесителях типа «Бекен», предварительном смесителе аппарата СНД (рис. 3.15).

Окончательно смешивать композиции можно и на вальц-аппаратах [13]. Для формования изделий могут использоваться различные аппараты:

гидравлические прессы, шнек-прессы, горизонтальный пресс порционного формования ПГФ-200 (рис. 3.19) [13], двухчервячный экструдер, экструзи­ онный пресс [4, 15], показанный на рис.3.20.

Особенность фазы формования СТТ, в отличие от пироксилиновых и баллиститных композиций, состоит в обязательной необходимости прове­ дения процесса под вакуумом для удаления воздуха и летучих веществ.

Таблетка полуфабриката, полученная с непрерывнодействующих валь­ цов, подогретая до 80°С, из вакуумного бункера-дозатора 5 (рис.3.19) за­ гружается под поршень 4 пресса. Поршень в это время находится в край­ нем левом положении, автоматически открывается нижний клапан вакуумзатвора, и таблетка через загрузочную щель подается под поршень пресса.

Рис. 3.19. Схема аппарата ПГФ-200 [13]:

1 - емкость; 2 - гидроцилиндр; 3 - опорное уст­ ройство поршня; 4 - поршень; 5 - дозирующее устройство; 6 - вакуумное устройство;

7 - уплотнительное устройство; 8 - раструбный пресс-инструмент; 9 - игла; 10 - опора

гидравлического пресса. Рулон нагревают до 75-80°С, загружают в излож­ ницу гидропресса и под давлением 7,5-8,5 МПа через формующие втулки получают шашки, которые разрезают на требуемую длину.

Вальце-шнек-прессовый метод [13] использует смешение компонентов в двухвальных смесителях с нижним выгрузочным шнеком. Полученный полуфабрикат шнековым транспортером передается на непрерывно дейст­ вующие вальцы, с которых таблетка шнековым транспортером направляет­ ся в бункер с вакуумным затвором и далее в формующий шнек-пресс Ш-4 с раструбным пресс-инструментом. Полученные шашки диаметром до 250 мм режутся пневмоножом на требуемую длину.

3.4. Отверждение и охлаждение изделий СТТ [13, 15, 66, 72]

Отверждение изделий СТТ проводится термостатированием при темпе­ ратуре, как правило, не превышающей 80°С, и при давлении 2-3 МПа [66]. Это самая длительная операция производственного цикла. Ее продолжи­ тельность составляет 70-80% всего времени изготовления зарядов и может достигать 25 сут и даже более. На этой стадии завершается формирование структуры и физико-механических характеристик изделий в результате протекания как химических реакций, так и различных физико-химических процессов. Сократить продолжительность операции можно было бы повы­ шением температуры, однако верхний предел Тота ограничивается как воз­ можностью начала разложения какого-либо компонента и топлива целом, что увеличивает потенциальную опасность производства, так и предель­ ным давлением, на которое рассчитаны изложницы, - оно повышается с ростом температуры. Поэтому для каждой конкретной системы устанавли­ ваются оптимальные температурно-временные условия, при которых хи­ мические реакции и физико-химические процессы достигают нужной глу­ бины, а побочные процессы (деструкция, разложение компонентов и другие) не развиваются или протекают в минимальной степени, так как они приводят к ухудшению ФМХ и снижению гарантийных сроков хранения (ГСХ) зарядов.

Задача заключается в том, чтобы в минимальное время и в безопасных условиях получить изделия с необходимой полнотой отверждения и одно­ образием ФМХ по всему объему заряда. Для получения таких изделий сле­ дует в каждом конкретном случае устанавливать наиболее целесообразное сочетание отверждающих агентов и оптимальных условий отверждения. Для того чтобы сознательно управлять процессом отверждения и направ­ ленно регулировать ФМХ изделий, необходимо прежде всего знать меха­ низм тех химических реакций, которые протекают на этой фазе.

Процесс отверждения во многом зависит от вида и количества отвер­ ждающих добавок, к которым предъявляются высокие требования, напри­ мер малая активность при температурах получения и переработки топлив­ ной массы, чтобы была обеспечена необходимая ее "живучесть"; достаточно высокая активность при Ттв, обеспечивающая завершение хи­ мических реакций и необходимый уровень ФМХ изделий, протекание про­ цессов отверждения с минимальным тепловым эффектом, небольшой усад­ кой и без выделения газообразных продуктов, и другие.

Отверждение ненасыщенных эластомеров часто производится с исполь­ зованием серы, применение которой основано на возможности разрыва ее циклической молекулы при повышенных температурах с образованием свободного радикала:

Т..

S8 S8

Для ускорения процессов вулканизации и снижения температуры при использовании серных систем отверждения применяются специальные ве­ щества - ускорители и активаторы. Типичным органическим ускорителем является тиурам (тетраметилтиурамдисульфид), молекулы которого при повышенной температуре распадаются на свободные радикалы:

Возможность реакции дегидрогенизации обусловлена повышенной под­ вижностью атомов водорода группы =СН2 в результате влияния электроно­ донорного заместителя (-СН3).

Вконечном итоге многостадийного процесса взаимодействия активного

•• ••

молекулой каучука происходят процессы сшивания макромолекул с обра­ зованием сульфидного мостика [74], например:

СН3

.. ~ С Н - С = С Н - С Н 2 ~ ..

I

Sx

•I

• • •~ с н - с - с н - с н^2~• •...•

I

СН3

Приведенная схема не исчерпывает многообразие реакций, протекаю­ щих при отверждении с использованием серной системы.

При активации тиурама оксидами металлов образуется комплекс, рас­

•

Радикал TS , в свою очередь, принимает участие в реакции вулканиза­ ции. Вулканизацию каучуков можно проводить как в присутствии свобод­ ной серы, так и без нее. Для этой цели применяются тиурамы, органические и неорганические пероксиды, оксиды металлов и другие соединения.

Каучуки, которые содержат функциональные группы: -ОН; -СООН; -SH и другие, могут вулканизоваться эпоксидными смолами, которые

характеризуются наличием циклов —СН—СН2 отличающихся высокой

пособие*™ „о отношений 1Cуказанным со.ИВ.„ М„. Реакционноспособными веществами являются также: толуилендии-

зоцианат и гексаметилендиизоцианат OCN-(CH2)6-NCO. Они реагируют с различными соединениями, содержащими подвижные атомы водорода, что