книги / Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т. 2 Технология

Экспериментальные значения насыпной плотности полуфабриката различных топлив

На рис. 184—187 приведены экспериментальные результаты определения внешнего трения (по стали) и внутреннего тре­ ния полуфабриката некоторых топлив, показывающие, что ве-

Рис. 184. Зависимость удельной силы трения от давления при Т=343К различных составов:

1 - БТ; 2 - БМС; 3 - РСТ-4К

381

300 310 320 330 340 T, К

Рис. 185. Зависимость коэффициента трения от температуры различных составов:

1 - БТ; 2 - БМС; 3 - РСТ-4К

Рис. 186. Зависимость удельного внутреннего трения от давления для таблетированного (1) и щелевого (2) полуфабрикатов

382

Kl

Рис. 187. Зависимость степени заполнения от размеров канала винта при следующих размерах цилиндрического полуфабриката:

1 — 15x15 мм; 2 — 10x15 мм; 3 — 15x20 мм; 4 — 25x30 мм

личина удельной силы как внешнего, так и внутреннего тре­ ния возрастает с давлением линейно, причем, последнее пре­ восходит внешнее трение в 6—8 раз. Коэффициент внешнего трения от температуры зависит экстремально и имеет макси­

Из свойств полуфабриката, характеризующих сыпучесть, представляет интерес степень заполнения канала винта как функция его размеров и размеров полуфабриката.

На рис. 187 видно, что степень заполнения может менять­ ся в широких пределах: от 0,5 до 1,0. Наиболее выгодными являются цилиндрические частицы с меньшими размерами.

Полученные расчетные выражения и экспериментальные данные позволяют выполнить проектные работы по загрузоч­ ной зоне шнек-пресса с оптимальными характеристиками.

На рис. 188 приведена схема сил, действующих на элемент топливной массы в каналах винта и втулки прессующей зоны.

Ось Z направлена вдоль канала винта, ось 1 — по оси вин­ та. Кривизной канала винта и втулки пренебрегаем и развора-

383

Рис. 188. Схема сил, действующих на элемент пороха в прессе

чиваем их условно на плоскости. Течение принимаем устано­ вившимся. Силы, действующие на элемент:

д Р

dFm = x'bdZ — -dZ5B — суммарная сила от трения массы

по поверхности втулки и градиента давления по оси винта; dF = xCf)bdZ — сила, удерживающая массу от вращения

с винтом.

В вышеприведенных выражениях:

b — ширина канала винта, см; h — глубина канала винта, см; 5 — высота рифов втулки, см; т , х'р — удельная сила

384

где р, ÿ = cpi +ср2 и — углы, значения которых видны на ри­

сунке.

Из выражения (4.212) получим градиент давления:

д р т ср C O S ( p + Y ) - T ^ y + lj

(4.213)

ÔZ h

Для определения оптимального угла наклона рифов найдем соответствующие выражения:

Выразим осевой градиент через градиент давления по ка­ налу:

Решая совместно уравнения (4.213) и (4.215), можно уста­ новить зависимость градиента давления от угла наклона ри­ фов. На рис. 189 представлена зависимость градиента давле­

ния от угла наклона рифов дР = /(ф2) для пресса ПСВ-2М d Z

при тср = 2 МПа и тц = т' = 0,4МПа. Напорность имеет мак­

симальное значение при ф2 = 42°.

На основании проведенных расчетов была выбрана прес­ сующая зона с углами ф1= Фг = 15° и глубиной канала втулки и винта 14 мм.

На рис. 190 представлен схематично пресс ПВВ-300, имеющий характеристики, приведенные в табл. 37, сравни­ тельно с серийными прессами ШС-34 и ПСВ-2М.

Пресс ПВВ в отличие от других прессов имеет на втулке винтовую нарезку с шагом 240 мм. В зоне загрузки нарезка выполнена шестизаходной, в прессующей зоне — трехзаходной. Глубина каналов втулки плавно возрастает с 4 мм в за­ грузочной зоне до 14 мм в прессующей. Винт трехзаходный с шагом 240 мм имеет переходную зону, как и пресс ПСВ-2, выполненную по спирали Архимеда, обеспечивающей высокий

385

O Z

втулки:

1 — высота рифов 3 мм; 2 — высота рифов 14 мм

6

Рис. 190. Принципиальная схема шнек-пресса формующего с винтовой втулкой (ПВВ):

1 — горловина; 2 — хомут; 3 — корпус передний; 4 — втулка винтовая; 5 — винт; 6 — бункер

386

градиент плотности. Пресс имеет напорность в 2 раза, а срок службы в 4—5 раз больше, чем у ПСВ-2.

предшествующего процессу формования зарядов, приводится не случайно после детального рассмотрения закономерностей прессования шнековыми прессами: физические свойства гра­ нулированного полуфабриката, загружаемого в шнек-пресс, в значительной мере определяют безопасность процесса и ка­ чество получаемых зарядов. Зная закономерности, определяю­ щие работу шнековых прессов по безопасности и качеству продукции, можно более обоснованно сформулировать и реа­ лизовать в технологическом процессе требования к загружае­ мому в пресс полуфабрикату.

Ранее в первой части данной монографии при описании процесса прессования рассматривались термохимические свой­ ства пороховой массы, которые в определенных условиях при­ водят к тепловому воспламенению, переходу горения в дето­ нацию, нарушению целостности получаемых зарядов и пр. Очевидно, природа этих явлений определяется, в первую оче­ редь, химическими свойствами композиции, однако реализа­ ция этих свойств, в том числе в нежелательных направлениях,

387

в процессе прессования зависит от физических характеристик полуфабриката, загружаемого в шнек-пресс. Не рассматривая степень пластификации, которая интегрально определяется процессами изготовления массы и вальцевания, представлен­ ными выше в соответствующих разделах, следует акцентиро­ вать внимание на двух важных свойствах пороховой «таблет­ ки», загружаемой в пресс, в значительной мере определяющих безопасность процесса как с точки зрения возможности заго­ рания и теплового взрыва, так и перехода горения в детона­ цию:

—удельной поверхности и пористости гранул;

—насыпной плотности и сыпучести, определяющих про­ изводительность загрузочной зоны пресса.

Большой объем исследований по влиянию размеров и по­ ристости зерен порохового полуфабриката на его взрывчатые характеристики выполнен И. Я. Петровским, Л. В. Волковым,

В.Н. Лапшиным [133, 134]. Ими была разработана методика определения сравнительной взрывоопасности полуфабриката, основанная на сжигании навески порохорого образца в мано­ метрической бомбе с записью давления во времени — dP/dt. Методика учитывает все факторы, влияющие на переход горе­ ния в детонацию: размер зерен и их пористость, скорость го­ рения пороха при высоких давлениях и т. д. Методика опреде­ ления dP/dt была стандартизована, и технологическим регла­ ментом установлены предельные значения показателя для различных типов БРТТ. В табл. 38 приведены значения dP/dt для различных типов полуфабрикатов некоторых составов БРТТ.

388

Как видно из таблицы, в пределах регламентированных технологических режимов полуфабрикат в зависимости от ор­ ганизации процесса может иметь большой разброс dP/dt — от 25 до 400 кгс/см2-мс.

Это потребовало, как отмечалось выше при описании де­ тонационных свойств металл- ВВ-содержащих топлив, изуче­ ния механизма горения, переходных процессов и детонации рыхлых структур БРТТ

Впроцессе исследования был выявлен ряд важных особен­ ностей в механизме детонации этих структур, потребовавших кардинальной модернизации всего технологического процесса.

Взависимости от размеров отдельных зерен, рассматривая особенности детонации полуфабриката, целесообразно подраз­ делить его на два класса:

—первый — размеры отдельных гранул меньше критиче­ ского диаметра детонации dKp готового пороха;

—второй — размеры гранул (достаточно плотных и пла­ стифицированных) больше dKp.

Очевидно, в рыхлых структурах первого класса отдельные зерна не могут детонировать самостоятельно в отличие от структур второго класса.

Ранее отмечалось, рыхлые структуры первого рода (класса) детонируют по баллистическому механизму, вследствие боль­ шой сжимаемости и сильного разогрева формирующих удар­ ный фронт. Ударная волна поджигает зерна пороха, которые быстро воспламеняются по всей поверхности с последующим нормальным сгоранием их. Ю. Б. Харитон [135] назвал такой механизм баллистическим из-за сходства его с процессом сго­ рания зерен в стволе орудия, А. Я Апин [136] — взрывным горением. Интенсивность ударной волны в данном случае низкая и недостаточна для возбуждения центров реакции внутри зерен (центры отключены).

При рассмотрении процессов перехода горения в детона­ цию в шнековых прессах отмечалось влияние плотности мас­ сы в канале винта на скорость детонации и условия выхода детонации в плотный порох.

Чем более рыхлый полуфабрикат, тем легче в нем форми­ руется ударная волна за счет разогрева вещества в волне сжа­ тия. Эта ударная волна характеризуется низкой интенсивно­ стью: давлением во фронте и скоростью детонации, которые не могут возбудить детонацию в плотном порохе. Условия пе­ редачи детонации, а также ее разрыва были сформулированы

389

ранее. Здесь же, рассматривая взрывчатые свойства полуфаб­ риката, загружаемого в пресс, следует определить требования к его физическим свойствам: размеру гранул, их пористости, сыпучести, насыпному весу. Приведенные в табл. 38 данные показывают большое влияние пористости (влажность полуфаб­ риката перед сушкой) на показатель dP/dt, определяющий па­ раметры генерации ударной волны. При переработке порохо­ вых масс высокоэнергетических металл-ВВ-содержащих топ­ лив это обстоятельство привело к необходимости корректировки технологического процесса в направлении ис­ ключения пористости полуфабриката после сушки и введении специального таблетирующего аппарата типа ПКТ.

Итак, пористость существенно облегчает генерацию удар­ ной волны в рыхлой структуре. Какое же влияние оказывает размер гранул полуфабриката? Очевидно, влияние величины зерна в рыхлой массе в первую очередь сказывается на крити­ ческом диаметре детонации, так как необходимая интенсив­ ность ударной волны в данной по плотности структуре дости­ гается при полном сгорании зерен. Следовательно, чем круп­ нее зерна, тем больше критический диаметр детонации. Эта закономерность согласуется с результатами экспериментов. Критический диаметр зарядов состава РСТ-4В из измельчен­ ной стружки (протертой через сито № 26) находится на уровне 10...12 мм, из резаного шнура диаметром 2 мм — 120...150 мм, из резаного шнура диаметром 5 мм — около 400 мм.

Таким образом, для повышения безопасности процесса прессования по параметрам генерации ударной волны и кри­ тического диаметра детонации полуфабрикат должен состоять из крупных плотных гранул, обеспечивающих, как отмечалось ранее, разрыв детонационной волны по интенсивности и экс­ тенсивности.

Гранулирование (таблетирование) пороховой массы баллиститного типа, осуществляемое методом проходного прессова­ ния на шнековых или специальных таблетирующих прессах с резкой выпрессовываемых шнуров специальными ножами, не обеспечивает равномерности гранул и связано с получени­ ем определенного количества «мелочи». Это, как показали экспериментальные исследования, приводит к существенному повышению восприимчивости полуфабриката к детонации. Поэтому сразу же на начальном этапе отработки технологии переработки модифицированных топлив типа РСТ, РАМ тех­ нологический процесс измельчения массы на фазе вальцева-

390