pdf.php@id=6178

ния был изменен с исключением резательных станков, уста­ новкой щелевых формующих колец на вальцах и перфориро­ ванных желобов на шнековых транспортерах после сушилки. Однако, как отмечалось выше, без дополнительного уплотне­ ния и укрупнения гранул (таблеток) этих мероприятий оказа­ лось недостаточно, что привело к необходимости введения в технологическую схему специального таблетирующего аппа­ рата ПКТ, обеспечивающего укрупнение и уплотнение щеле­ вого полуфабриката (рис. 191).

Рабочим органом аппарата ПКТ является перфорирован­ ный барабан с профилированными отверстиями (рис. 192), че­ рез которые пороховая масса при прокатке в зазоре между ба­ рабаном и роликом продавливается в виде цилиндрического шнура и срезается ножом, установленным снаружи неподвиж­ но по образующей, в виде гранул. Диаметр гранул определяет­ ся диаметром отверстий, а длина — количеством подаваемого в зазор между барабаном и роликом щелевого полуфабриката и скоростью вращения барабана.

Характер течения пороховой массы в отверстиях определя­ ет требования к их профилю. Поскольку структура щелевой «таблетки», полученной на вальцах с относительно высокой влажностью и высушенной на сушилке до окончательной влажности (0,3...0,5%), является пористой, требуется формиро­ вание структуры заново. Параметры «теплосилового» поля, обеспечивающие уплотнение пористой пороховой массы, будут рассмотрены ниже при описании закономерностей течения пороховой массы в раструбном пресс-инструменте.

392

Здесь же целесообразно ограничиться физической моделью процесса и общими требованиями к конструктивным элемен­ там аппарата.

Гранулирование осуществляется, как отмечалось выше, пу­ тем продавливания пороховой массы через конусно-цилиндри­ ческие отверстия (рис. 193) за счет давления, развиваемого в суживающемся зазоре между роликом и барабаном. Процесс продавливания — циклический.

Для обеспечения уплотнения массы отверстия должны иметь уменьшающееся сечение по ходу движения. При этом интенсивность уменьшения сечения, характеризующая ско­ рость сдвиговых деформаций, определяется формой отверстий (рис. 194).

Представленные на рис. 194 три формы отверстий обеспе­ чивают различные режимы течения с отличающимися усло­ виями конформационных перестроек структуры пластифици­ рованной полимерной композиции.

Так, форма, изображенная на рис. 194а, в виде сочлененных конуса и цилиндра имеет две зоны резко отличных режимов течения: конусную с высокой скоростью сдвиговых деформа­ ций и цилиндрическую с относительно низкой скоростью де­ формаций, вызываемых торможением массы у стенок за счет внешнего трения. Таким образом, на стыке форм происходит резкая смена режимов течения, которая отражается на форми­ ровании структуры получаемых гранул. Нестабильность режи-

Рис. 193. Схема продавливания пороховой массы через конусно-цилшщри ческие отверстия ПКТ.

1 — ролик; 2 — пороховая масса; 3 — барабан; 4 — нож

393

I

мов течения усугубляется цикличностью нагружения: интен­ сивное деформирование в зоне «клина» — отсутствие продавливания при выходе из него. Релаксация напряженных элементов структуры (вытянутых цепей макромолекул в аморфной зоне) приводит к разрыву сплошности на границе конуса и цилиндра. На рис. 195 представлена фотография гра­ нул, получаемых на шнек-прессе типа Ш-3 и на ПКТ — в ре­ жиме циклического деформирования. Видно, что полуфабри­ кат, получаемый после шнек-пресса, по качеству (плотность, поверхность) превосходит «таблетку» после ПКТ, которая име­ ет расслоения и разрывы по поверхности и прочие дефекты.

Тем не менее, в сравнении со щелевым полуфабрикатом «таблетка» с ПКТ имеет существенно более низкий показатель dP/dt, обеспечивающий безопасность переработки новых высо­ коэнергетических топлив.

Альтернативный вариант гранулирования — шнековый пресс, обеспечивающий деформирование в непрерывном ре­ жиме прессования и получение полуфабриката с меньшим dP/dt, не лишен серьезных недостатков. Прежде всего это, также как и в формующем шнек-прессе, большая вероятность перехода горения в детонацию на щелевом полуфабрикате. Да и в режиме горения последствия аварии более серьезные, так как загорание практически всегда происходит в прессующей зоне, т. е. в полностью закрытом объеме. Аппарат ПКТ, также как и вальцы, является открытым и более безопасным аппара­ том.

Тем не менее гранулирующие шнек-пресса, оснащенные динамически ослабленной втулкой и винтом с короткой зоной

394

и снизить вероятность нарушения структуры в режиме релак­ сации (при выходе барабана из зоны контакта с роликом). Профильные отверстия (рис. 194 б), имеющие постоянное уменьшение сечения по длине dS/dl, обеспечивают постоян­ ную скорость объемного деформирования.

Однако изготовление аппарата с такими отверстиями пред­ ставляет определенную сложность. В практическом плане оп­ тимальными являются профильные отверстия с несколькими конусами, на стыке которых разница в скоростях объемной деформации существенно меньше, чем в варианте конус-ци­ линдр (рис. 194 а).

Итак, конструкция как таблетирующего пресса ПКТ, так и гранулирующего пресса типа Ш-3, ШП-3, ПСВ-3 должна обеспечивать получение плотного полуфабриката с возможно меньшей удельной поверхностью с целью максимального сни­ жения показателя взрывобезопасности dP/dt. При работе на высокоэнергетических топливах шнековые пресса должны иметь, кроме того, конструктивные элементы разрыва детона­ ционной волны по интенсивности и экстенсивности (короткая зона сжатия и динамически ослабленная втулка). По этой причине пресса Ш-3, ШП-3 не удовлетворяли требованиям безопасности и были заменены на современные ПСВ-3.

При рассмотрении закономерностей течения пороховой массы в канале винта шнекового пресса определялись пара­ метры прессующей и загрузочной зон с целью синхронизации их работы.

Параметры прессующей зоны, как было определено в раз­ деле шнековых прессов, зависят от сопротивления пресс-инст­ румента, производительности загрузочной зоны, реологических свойств пороховых масс как функции температуры, скорости сдвига и давления. Одним из основных параметров, характе­ ризующих безопасность процесса и качество продукции, явля­ ется температура пороховой массы на выходе из пресса, опре­ деляемая уровнем диссипативного разогрева, т. е. удельной энергией прессования. Интегрально тепловой разогрев зависит от величины обратного потока (то есть скорости сдвиговых деформаций) и длины запрессованной зоны (то есть времени деформирования массы в канале винта). Как отмечалось вы­ ше, для обеспечения качества пороховых шашек и требуемого уровня безопасности процесса прессования необходимы опре­ деленные параметры «теплосилового поля»: давление Р, темпе­ ратура Т, скорость сдвига у и ее интеграл — деформация у.

396

На основании многочисленных экспериментов и производст­ венного опыта в зависимости от составов и габаритов изделий определены оптимальные Р, Тм, ÿ, у. Задача оператора, веду­

щего производственный процесс, заключается в поддержании технологических режимов, обеспечивающих данные парамет­ ры. Причем, некоторые параметры в процессе работы не ме­ няются, так как заданы жестко на основании предыдущих экспериментальных работ (геометрические размеры пресс-ин­ струмента, коэффициент сжатия винта и др.).

Выше было показано важное значение физических харак­ теристик полуфабриката, загружаемого в шнек-пресс: при не­ изменных геометрических параметрах винта и втулки, предна­ значенных для обрыва детонационной цепи по интенсивности и экстенсивности, переход горения в детонацию может иметь место, если полуфабрикат по плотности и степени измельче­ ния не будет обеспечивать значение dP/dt ниже критического уровня. Поэтому подготовка полуфабриката по этим парамет­ рам на предыдущих фазах является одним из важнейших фак­ торов в технологии переработки.

Условия нормального процесса прессования с точки зрения качества и безопасности предъявляют дополнительные требо­ вания к загружаемому полуфабрикату. Эти требования ограни­ чивают интенсивность химического разложения пороховой массы в прессе и пресс-инструменте как функцию температу­ ры. Ранее в разделах по термохимическим процессам, физи­ ко-механической прочности и параметрам теплового самовос­ пламенения были рассмотрены проблемы разрушения сплош­ ности изделий и тепловые процессы в шнек-прессе и раструбном пресс-инструменте, приводящие к самовоспла­ менению массы.

Химическое разложение пороховой массы сопровождается газовыделением и экзотермическим тепловым эффектом, соз­ дающими внутренние напряжения и повышающими темпера­ туру массы. Последние не должны превышать критических значений, выше которых происходит или растрескивание из­ делий, или загорание массы в пресс-инструменте.

Какие же свойства полуфабриката, загружаемого в пресс, могут приводить к критическим условиям прессования? При нормальных условиях прессования и синхронизации произво­ дительности работы двух зон — загрузочной и прессующей — вследствие деформирования в канале винта (обратный поток и утечки) масса разогревается диссипативной энергией на

397

Однако в случае уменьшения производительности загрузоч­ ной зоны эта температура может быть существенно повышена за счет большей интенсивности сдвиговых деформаций в зоне прессования вследствие увеличения обратного потока в канале винта. В реальных производственных условиях подобные слу­ чаи имеют место, однако идентифицируются они обслуживаю­ щим персоналом с большим трудом вследствие отсутствия не­ прерывного контроля удельных энергозатрат и температуры на выходе из пресса. Так, на одном из уральских заводов имели место два случая загорания массы в пресс-инструменте (по­ следовательно на одном блоке) при регламентированных пара­ метрах процесса прессования. Обе аварии произошли до мо­ мента выхода изделия из пресс-инструмента, поэтому удель­ ные энергозатраты и температура массы не определялись. Заводской комиссией причины аварии не были установлены. Центральной комиссией с участием института-разработчика новых прессов было установлено:

— резкое снижение насыпной плотности полуфабриката, получаемого с гранулирующего шнек-пресса ПСВ-3, с 0,8...0,9

(~ 150°С) и воспламенению массы в пресс-инструменте. Поскольку давление на выходе из пресса определяется со­

противлением пресс-инструмента и поддерживается на опреде­ ленном уровне, обеспечивающем получение качественных из­ делий (как правило 120...250 кгс/см2), постольку длина запрес­ сованной зоны слабо зависит от производительности загрузочной зоны винта пресса. Очевидно, при снижении про­ изводительности последней, как отмечалось выше, возрастает интенсивность сдвиговых деформаций в канале винта и, соот­ ветственно, температура на выходе из пресса. На рис. 196 представлена принципиальная зависимость повышения темпе­ ратуры массы вследствие диссипативного разогрева в канале винта при падении насыпной плотности «таблетки» (соответ­ ственно производительности загрузочной зоны).

Видно, при падении насыпной плотности с 0,8 до 0,4 г/см3 прирост температуры массы на выходе из пресса состав­ ляет 50...60°С, а общее повышение температуры достигает зна­ чения 1Ю...115°С. В этом случае температура массы на выходе

398

Рис. 196. Зависимость температуры разогрева массы в канале винта и удельных энергозатрат от насыпной плотности «таблетки»:

1 - Д7] 2 - Еуд

пламенения (что и имело место в описанном выше случае на заводе).

Какова вероятность подобных случаев в штатном произ­ водстве? Если работа проводится постоянно на одном и том же формующем шнек-прессе с определенным коэффициентом сжатия винта, то степень разогрева массы меняется только от изменения насыпной плотности и сыпучести полуфабриката, которые определяются работой гранулирующих (таблетирующих) прессов. Таким образом, вопрос однообразия полуфабри­ ката по данным характеристикам с точки зрения обеспечения производительности загрузочной зоны пресса становится в ряд важнейших вопросов безопасности процесса. Это усугубляется высокой вероятностью растрескивания изделий под действием напряжений от давления выделяющихся при термораспаде га­ зов. Причем, критическая температура нарушения физической стабильности изделий находится значительно ниже критиче­ ской температуры самовоспламенения.

На рис. 197 схематично приведены возможные варианты гранулирования массы на шнековых прессах. В случае исполь-

399

Рис. 197. Варианты гранулирования пороховой массы на шнековых прес­ сах:

а — фильера с равномерным распределением отверстий по всему выход­ ному сечению шнек-пресса; б — фильера с размещением отверстий по кольцу

зования фильеры, изображенной на рис. 197а, поле давлений по площади фильеры неравномерно: наибольшее нормальное давление соответствует круговой области, располагающейся напротив канала винта. В области центральных отверстий фильеры, где нормальное давление является функцией 2-х ка­ сательных напряжений от нормального давления в периферий­ ных слоях, усилия продавливания существенно меньше, соот­ ветственно значительно ниже скорость выпрессовывания по­ роховых шнуров. Именно это и привело с снижению насыпной плотности полуфабриката на заводе в вышеописан­ ном случае.

Необходимая равномерность поля давлений достигается пе­ рераспределением потока из центральных слоев к периферии с расположением формующих отверстий по кольцу (рис. 1976).

Резка пороховых шнуров на гранулы может производиться двумя способами: ножом, устанавливаемым непосредственно на винте, или режущим устройством, имеющим индивидуаль­ ный привод. Для регулирования насыпной плотности послед­ нее предпочтительней.

Итак, в технологическом процессе переработки модифици­ рованных баллиститных пороховых масс гранулирующие (таблетирующие) аппараты выполняют функцию обеспечения не­ обходимых безопасности процесса и качества получаемых за­ рядов. В процессе работы характеристики получаемого полуфабриката должны периодически контролироваться по ос­ новным параметрам (dP/dt, рнасьш), а косвенно оцениваться не­ прерывно по удельным энергозатратам и температуре массы на выходе из формующего пресса.

400