CC BY
32
О. В. КИРИЧЕНКО, канд. техн. наук, доцент кафедры пожарной профилактики, Академия пожарной безопасности им. Героев Чернобыля МЧС Украины (Украина, г. Черкассы, 18034, ул. Оноприенко, 8; e-mail: okskir@meta.ua)
УДК 614.841:536.46
СКОРОСТЬ И ПРЕДЕЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ ГОРЕНИЯ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СМЕСЕЙ В УСЛОВИЯХ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Представлены результаты экспериментальных исследований влияния повышенных температур нагрева и внешних давлений на скорость развития процесса горения пиротехнических нитратно-магниевых смесей (на основе уплотненных смесей из порошков металлических горючих и нитратсодержащих окислителей (например, смесей магний + нитрат натрия + добавка органических веществ — парафина, стеарина, нафталина, антрацена) для различных диапазонов изменения соотношения компонентов и их дисперсности. В результате анализа экспериментальных исследований определены концентрационные пределы горения пиротехнических нитратных систем; определено влияние коэффициента избытка окислителя, дисперсности металлического горючего и окислителя, температуры нагрева и количества добавки органических веществ на зависимость скорости горения от внешнего давления.
Ключевые слова: пиротехнические изделия; нитратно-магниевые смеси; процессы горения смесей.
Введение
Пиротехнические изделия различного назначения (осветительные, трассирующие средства, пиротехнические ИК-излучатели, фейерверочные составы и др. [1-4]) на основе уплотненных смесей из порошков металлических горючих и нитратсодержащих окислителей (например, смесей магний + нитрат натрия + добавка органических веществ (парафина, стеарина, нафталина, антрацена)) на практике подвергаются разного рода тепловым воздействиям (при возгорании складских помещений, где хранятся пиротехнические изделия, снаряженные зарядами рассматриваемых смесей; в условиях транспортировки при интенсивном конвективном нагреве их поверхностей или при аэродинамическом нагреве металлических оболочек изделий при выстреле и полете). В результате под действием внешних тепловых потоков на металлические корпуса изделий происходит их перегрев, что приводит к преждевременному возгоранию и развитию процесса горения смесей в условиях возрастающих температур и внешних давлений. Это приводит к преждевременному срабатыванию изделий (рис. 1), их разрушению с образованием высокотемпературных продуктов сгорания, которые разлетаются в разные стороны с большими скоростями и являются пожароопасными для окружающих объектов [5, 6].
В настоящее время отсутствуют систематизированные исследования влияния указанных условий на скорость, формирование и развитие предельных взрывоопасных режимов горения смесей, что затруд-
© Кириченко О. В., 2013
няет формирование базы данных по пожароопасным свойствам пиротехнических смесей в условиях различных внешних воздействий.
Целью данной работы является изучение влияния повышенных температур нагрева Т0 (К) и внешних давлений Р (Па) на скорость и пределы горения уплотненных смесей из порошков магния и нитрата натрия с добавками органических веществ (парафина, нафталина, антрацена и стеарина) при широком диапазоне изменения технологических параметров, используемых в пиротехническом производстве (коэффициент избытка окислителя а, относительное массовое содержание органической добавки е, средний размер частиц порошка металлического горючего ¿м (мкм) и окислителя (мкм)). Эти параметры определяют предельные, устойчивые режимы горения смесей, отклонение от которых приводит к неуправляемому развитию процесса их горения (резкое возрастание скорости горения или ее существенное снижение вплоть до прекращения горения).
Постановка задачи
Исследование скорости и предельных режимов горения пиротехнических смесей проводилось на стандартном метрологически аттестованном оборудовании [4, 7], моделирующем процесс горения смесей в условиях повышенных температур нагрева и внешних давлений, которые являются основными факторами внешних тепловых воздействий.
Методика исследований
Компоненты смесей изготавливались по технологии, принятой в пиротехническом производстве [1, 3]. Образцы смесей получали прессованием
(с коэффициентом уплотнения = 0,96...0,98) в
-2
металлические оболочки диаметром 210 ми толщиной 810-4 м; при этом высота запрессовок к = (3...4)-10-2 м. Использовались смеси с коэффициентом избытка окислителя а = 0,05.6,0, относительным массовым содержанием добавки органического вещества в смеси е = 0,05.0,20, дисперсностью компонентов йм = 74,5.305 мкм и = = 50.220 мкм.
Коэффициент избытка окислителя а определялся по формуле
Сок / С г
а =
(Сок/ С г) с
где Сок, Сг—относительные массовые доли соответственно окислителя и металлического горючего в данной смеси;
"ст" — индекс, обозначающий стехиометриче-ское соотношение компонентов. Значения а <1 соответствуют переобогащению смеси металлическим горючим, а а >1 — избыточному содержанию в смеси окислителя.
Скорость горения и (м/с) образцов смесей измерялась бесконтактными методами с использованием фотодатчиков ФД-1, ФД-2, ФД-3а [3,4], которые позволяют регистрировать начало и конец горения образца высотой к и находить среднее значение скорости горения по формуле
и = к/1,
где ? — время сгорания образца.
При этом одновременное сжигание в одинаковых условиях трех образцов смеси (что предусмотрено в используемом пиротехническом оборудовании) позволило снизить погрешность определения
Рис. 1. Кинокадры съемки кинокамерой "Конвас-автомат" (со скоростью 30 кадров в 1 с [3, 4]) общей картины срабатывания пиротехнических изделий при преждевременном возгорании зарядов смесей в условиях внешних воздействий путем ИК-нагрева изделий кварцевыми лампами типа КГМ-220-1000-1 с применением управляемых термодатчиков РИФ-101 для контроля температуры поверхности изделий в диапазоне 300.1500 К: а — смеси стехиометрическо-го состава (а =1); б — смеси с избытком металлического горючего вблизи верхнего концентрационного предела горения (а < 1)
скорости ее горения до 2.3 %. Для нахождения концентрационных пределов горения по а (верхних концентрационных авПГ и нижних концентрационных анПГ (авПГ < 1 < анПГ)) использовались переходные смеси, состоящие из тех же компонентов, что и основные, но с меньшим избытком магния (при определении аВПГ) или с его большим содержанием (при определении анПГ).
верхний концентрационный предел горения авПГ — максимально допустимое содержание металлического горючего в смеси, при котором процесс горения еще имеет устойчивый характер; нижний концентрационный предел горения анПГ — максимальное содержание окислителя в смеси, при котором процесс горения еще не затухает.
При этом для определения аВПГ, как и для аНПГ, использовалась следующая формула:
СВПГ(НПГ) =
С м1 + С
м2
2
(1)
где СВПГ(НПГ) — относительное массовое содержание алюминия в смеси, что соответствует аВПГ(НПГ^; См1 — относительное массовое содержание магния, при котором уже не горит ни один из взятых для исследования образцов; См2 — относительное массовое содержание магния, при котором еще сгорают все образцы.
Результаты исследований и их анализ
В результате экспериментальных исследований установлено, что для рассматриваемых рабочих диапазонов изменения технологических параметров (коэффициента избытка окислителя, содержания органической добавки и дисперсности порошков металлического горючего и окислителя) и внешних факторов (температуры нагрева, внешнего давления) концентрационные пределы горения смесей аВПГ и аНПГ составляют: аВПГ=0,1.0,15 и аНПГ = 5,0.5,5.
С целью исследования общего характера поведения зависимостей и(Т0) для смесей при рассматриваемых значениях технологических параметров и внешних факторов указанные зависимости исследовались в диапазоне изменения а: аВПГ < а < аНПГ. Это было обусловлено тем, что на практике смеси со значениями а, близкими к аВПГ или аНПГ, не применяют вследствие их явной нестабильности в условиях внешних воздействий.
Все установленные ниже закономерности характера поведения зависимостей и(Т0) получены впервые и могут быть использованы в качестве составной части общей базы данных по формированию пожароопасных свойств смесей в условиях внешних воздействий.
и, 1(Г3 м/с 60 50 40 30 20 10
1
<3
*' 4
--
и, 1(Г3м/сг 70 60 50 40 30' 2010
в и, 10 м/с
30
20
40
60
80
10
Г11
' 12
Ли
20
10
7
8 9
100 Р, 105Па
0 20 40 60 80 100 Р, 105Па
Рис.2. Влияние коэффициента избытка окислителя с dN = = 106 мкм (а), дисперсности порошка металлического горючего (б) и температуры нагрева (в) на зависимость скорости горения смесей магний + нитрат натрия от внешнего давления: а — dм = 74,5 мкм, Т0 = 293 К, а = 0,25 (1), 0,5 (2), 1,0 (3), 1,5 (4), 2,0 (5), 3,0 (б); б — а = 1,0, Т0 = 293 К, dм = 74,5 мкм (7), 182 мкм (8), 305 мкм (9); в — а =1,0, dм = 74,5 мкм, Т0 = = 800 К (10), 700 К (11), 500 К (12), 300 К (13)
0 20 40 60 80 100 Р, 105Па
и, 1(Г3 м/с 50 40 30 20 10
1 /2^ 1
Г
Рис. 3. Влияние дисперсности порошка окислителя на зависимость скорости горения смесей магний + нитрат натрия от внешнего давления для коэффициента избытка окислителя а = 0,25 (а), 0,5 (б) 0,55...0,60 (в) = 74,5 мкм, Т0 = 293 К): 1 — dN =50 мкм; 2 — dN = 106 мкм; 3 — dN = 117,5 мкм; 4 — dN = 142,5 мкм; 5 — dN = 220 мкм
0 20 40 60 80 100 Р, 105Па
и, 1(Г3 м/с 40
30
20
10
1 2
ье'___ г"
20 40 60 80 100 Р, 105Па
20 40
60
80 100 Р, 105Па
1 2
- к-" 3 г " __
■ -^ Л"'" г ^ , —1 __ _ .1 — __л
Рис. 4. Влияние добавок органических веществ на зависимость скорости горения смесей магний + нитрат натрия от внешнего давления (<!м = 74,5 мкм, Т0 = 293 К; dN = 106 мкм): а — добавки парафина (2) и стеарина (3) при а = 0,5; б — добавки нафталина (2) и антрацена(3) при а = 1,5; в — добавки парафина (2) и стеарина (3) при а = 1,0; 1 — смесь без добавки; --е = 0,05;-----е = 0,20
20
40
60
80
100 Р, 105Па
Влияние коэффициента избытка окислителя, дисперсности металлического горючего и окислителя, температуры нагрева
и количества добавки органических веществ на зависимость скорости горения от внешнего давления
Из данных, приведенных на рис. 2-4, видно следующее. Увеличение внешнего давления Р от 105 до 107 Па приводит к возрастанию скорости горения в 1,6.3,5 раза; при этом с увеличением параметраР зависимость и(Р) усиливается в 1,2.1,4 раза. Увеличение коэффициента избытка окислителя а вызывает заметное снижение скорости горения и ослабление зависимости и(Р) для всего диапазона изменения внешнего давления: при увеличении а от 0,25 до 3,0 скорость горения уменьшается в 3,7.5,2 раза, а зависимость и(Р) ослабляется в 2,3.2,6 раза. Увеличение дисперсности порошка металлического горючего dм вызывает снижение скорости горения и ослабление зависимости и(Р): увеличение значений dм от 74,5 до 305 мкм вызывает уменьшение скорости горения в 1,5.1,8 раза и ослабление зависимости и(Р) в 1,2.1,6 раза. Изменение дисперсности порошка окислителя dN существенно влияет на скорость горения и характер зависимости и(Р) только в определенных диапазонах изменения а: уменьшение параметра dNот 220 до 50 мкм вызывает возрастание скорости горения в 2,6.3,3 раза и усиление
зависимости и(Р) в 1,8.2,0 раза только при а = = 0,25.0,55, апри а > 0,55.0,56 скорость горения и характер зависимости и(Р) становятся практически не зависящими от величины dN. Повышение температуры нагрева вызывает существенное возрастание скорости горения и усиление зависимости и(Р) для всех исследованных диапазонов изменения параметров а, dм и dN: изменение температуры нагрева от 300 до 800 К влечет за собой возрастание скорости горения в 2,2.2,6 раза и усиление зависимости и(Р) в 1,4.1,7 раза. Введение в смесь добавок парафина, стеарина, нафталина и антрацена вызывает значительное снижение скорости горения и некоторое ослабление зависимости и(Р): увеличение количества добавки до е = 0,20 вызывает уменьшение скорости горения для добавки парафина в 1,8.2,2 раза, стеарина — в 2,6.3,7 раза, нафталина— в 1,3.1,5 раза и антрацена — в 2,2.3,2 раза, а также приводит к ослаблению зависимости и(Р) в 1,2.1,3 раза независимо от природы добавки.
Заключение
На основе анализа результатов экспериментальных исследований установлены следующие новые закономерности:
а) определены концентрационные пределы горения аВПг = 0,1.0,15 и аНПг = 5,0.5,5, при которых
процесс горения смесей является устойчивым и квазистационарным;
б) возрастание параметров Р и Т0 приводит к значительному увеличению скорости горения и усилению зависимостей и(Р) и и(Т0); при этом увеличение содержания окислителя в смеси от аВпг до анпг и дисперсности dы приводит к существенному снижению скорости горения и ослаблению зависимостей и(Р) и и(Т0); увеличение параметра dN вызывает существенное уменьшение скорости горения и ослабление зависимостей и(Р) и и(Т0) только при а <0,50.0,55, а при а> 0,55.0,56 параметр dN уже не влияет на скорость горения; введение в смесь добавок парафина, стеарина, нафталина и антрацена
приводит к значительному уменьшению скорости горения и незначительному ослаблению зависимостей и(Р) и и(Т0).
В дальнейших исследованиях планируется рассмотреть вопросы теоретического анализа и моделирования процесса горения трехкомпонентных пиротехнических смесей металл + окислитель + органическая добавка с целью прогнозирования допустимых диапазонов изменения технологических параметров исходной смеси (соотношения компонентов и их дисперсности) и факторов внешних воздействий (температуры нагрева, внешнего давления), которые не приводят к возникновению неустойчивых, взрывоопасных режимов развития горения смесей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРА
1. Шидловский А. А. Основы пиротехники. — М. : Машиностроение, 1973. — 320 с.
2. Шидловский А. А., Сидоров А. И., Силин Н. А. Пиротехника в народном хозяйстве. —М.: Машиностроение, 1978. — 231 с.
3. Силин Н. А., Ващенко В. А., Кашпоров Л. Я. Горение металлизированных гетерогенных конденсированных систем. — М. : Машиностроение, 1982. — 232 с.
4. Ващенко В. А., Кириченко О. В., ЛегаЮ.Г., ЗаикаП.И.,ЯценкоИ.В., ЦыбулинВ. В. Процессы горения металлизированных конденсированных систем. — К. : Наукова думка, 2008. — 745 с.
5. Кириченко О. В. Определение участков на поверхности металлических корпусов пиротехнических изделий, подвергающихся разрушениям в условиях эксплуатации // Вкник Черкаського державного технолопчного ушверситету. — 2008. — № 1. — С. 149-154.
6. Кириченко О. В. Повышение эффективности пиротехнических нитратосодержащих изделий в условиях их применения // Вкник Черкаського державного технолопчного ушверситету. — 2009. — № 2. — С. 89-94.
7. Кириченко О. В., Ващенко В. А., Акиньшин В. Д., Цыбулин В. В., Яценко И. В. Комплекс испытательных установок, моделирующих реальные условия применения пиротехнических нитратосодержащих изделий // Науковий вгсник Украшського науково-дослвдного шституту пожежно! безпеки. — 2009. — Т. 19, № 1. — С. 127-137.
Материал поступил в редакцию 17 января 2013 г.
= English
SPEED AND MAXIMUM MODES BURNING OF THREE-COMPONENT PYROTECHNIC MIXTURES UNDER THE CONDITIONS OF THE EXTERNAL INFLUENCES
KIRICHENKO O. V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Fire Preventive Maintenance Department, Academy of Fire Safety named after Chernobyl Heroes of Ministry of Emergencies of Ukraine (Onoprienko St., 8, Cherkasy, 18034, Ukraine; e-mail address: okskir@meta.ua)
ABSTRACT
Discusses the pyrotechnic products of various purpose (lighting, tracer tools, pyrotechnic IR-emitters, fireworks compositions) based on compacted mixtures from powders of metal fuel and nitrate-containing oxidants (for example, mixtures of magnesium + sodium nitrate + supplement of organic substances (paraffin, stearin, naphthalene, anthracene), who are exposed to all sorts of thermoinfluences (in fire warehouse that stores pyrotechnic products, filled with charges of mixtures; in conditions of transportation under intense convective heating of their surfaces; when aerodynamic heating
of metal shells with shot and flight). Under the influence of external heat flow on the metal casing of products they are overheating, which leads to premature ignition and combustion of pyrotechnic mixtures under conditions of increasing temperature and external pressure, that leads to premature triggering products and their destruction.
The results of experimental research of influence of high temperature heating and external pressures to speed the process of burning pyrotechnic nitrate-magnesium mixtures for different ranges of changing the ratio of components and their dispersion submitted.
As aresult of analysis of experimental studies, identified concentration limits burning pyrotechnic nitrate systems, which combustion of mixtures is sustainable and quasi-stationary; influence of coefficient of excess oxidizer on the speed of combustion pyrotechnic nitrate-magnesium mixtures; influence of dispersion of metallic fuel and oxidizer on the speed of combustion systems; influence of heating temperature and additives of organic substances on dependence of speed of the burning from external pressure.
Keywords: pyrotechnic wares, nitrate-magnesium mixtures, processes of burning of mixtures.
REFERENCES
1. Shidlovskiy A. A. Osnovy pirotekhniki [Bases of pyrotechnics]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1973. 320 p.
2. Shidlovskiy A. A., Sidorov A. I., Silin N. A. Pirotekhnika v narodnom khozyaystve [Pyrotechnics in the national economy]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1978. 231 p.
3. Silin N. A., Vashchenko V. A., Kashporov L. Ya. Goreniye metallizirovannykh geterogennykh konden-sirovannykh sistem [Combustion of the metalized heterogeneous condensed systems]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1982. 232 p.
4. Vashchenko V. A., Kirichenko O. V., LegaYu. G., ZaikaP. I., Yatsenko I. V., Tsybulin V. V. Protsessy goreniya metallizirovannykh kondensirovannykh sistem [Processes of the combustion of the metalized condensed systems]. Kiev, Naukova Dumka Publ., 2008. 745 p.
5. Kirichenko O. V. Opredeleniye uchastkov na poverkhnosti metallicheskikh korpusov pirotekhniches-kikh izdeliy, podvergayushchikhsya razrusheniyam v usloviyakh ekspluatatsii [Determination of sections on the surface of the metal housings of the pyrotechnic articles, which are undergone destruction under operating conditions]. Visnyk Cherkaskogo Derzhavnogo Tekhnologichnogo Universytetu — Bulletin of Cherkasy State Technological University, 2008, no. 1, pp. 149-154.
6. Kirichenko O. V. Povysheniye effektivnosti pirotekhnicheskikh nitratosoderzhashchikh izdeliy v usloviyakh ikh primeneniya [Increase in the effectiveness of pyrotechnic nitratecontaining articles under the conditions for their application]. Visnyk Cherkaskogo Derzhavnogo Tekhnologichnogo Universytetu — Bulletin of Cherkasy State Technological University, 2009, no. 2, pp. 89-94.
7. Kirichenko O. V., Vashchenko V. A., Akinshin V. D., Tsybulin V. V., Yatsenko I. V. Kompleks ispyta-telnykh ustanovok, modeliruyushchikh realnyye usloviya primeneniya pirotekhnicheskikh nitratoso-derzhashchikh izdeliy [Complex of the testing units, which simulate the real conditions of applying the pyrotechnic nitrate-containing articles]. Naukovyj Visnyk Ukrainskogo Naukovo-Doslidnogo Instytutu Pozhezhnoi bezpeky — Scientific Bulletin of the Ukrainian Scientific-Research Institute of Fire Safety, 2009, vol. 19, no. 1,pp. 127-137.
