CC BY
64УДК 662.1
Andrey Yu. Ershov1, Evgeny P. Kovalenko2, P.O. Bespalova3, D.O. Maximov4
SPARKLING AND FLAMY PYROTECHNIC COMPOSITIONS BASED OF ALUMINIUM OF INCREASED ENVIRONMENTAL FRIENDLINESS
St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia Federal State Unitary Enterprise "Special Designing and Technological Bureau "Technolog", Sovetsky Pr., 33A, St. Pe-tersburg< 192076, Russia e-mail: [email protected]
Possible ways of designing sparkling firework pyrotechnic compositions on the basis of aluminium powders that do not emit toxic substances when burning are studied. Optimum formulations of the compositions are found, and main characteristics of their burning are measured.
Keywords: sparkling and flamy pyrotechnic compositions, toxic combustion products, barium nitrate, aluminium powders, aluminium bronze, fireworks, density of a bunch of sparks, smoking, waterfall of fire , gerb, spectacular effect.
А.Ю. Ершов1, Е.П. Коваленко2, П.О. Беспалова3, Д.О. Максимов4
ИСКРИСТО-ПЛАМЕННЫЕ ПИРОТЕХНИЧЕСКИЕ СОСТАВЫ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ПОВЫШЕННОЙ ЭКОЛОГИЧНОСТИ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр. 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия
Федеральное государственное унитарное предприятие "Специальное конструкторско-технологическое бюро "Технолог", 192076, Санкт-Петербург, Советский пр., д. 33-а
e-mail: [email protected]
Изучены возможные пути создания искрообразующих пиротехнических композиций на основе порошков алюминия, не выделяющих при горении токсичных соединений для применения в различных фейерверочных изделиях. Определен оптимальный компонентный состав композиций и основные характеристики их горения.
Ключевые слова: искристо-пламенные композиции, ис-кристо-форсовые смеси, токсичные продукты сгорания, пиротехнические составы, нитрат бария, порошок алюминия, пудра алюминиевая, густота форса искр, дымообра-зование, фейерверочные изделия, фонтаны, фонтаны-ог-непады, зрелищный эффект.
Введение
При проведении фейерверочных представлений практически всегда используются фейерверочные изделия, при работе которых формируется сноп искр, что создает основной или дополнительный зрелищный эффект. К таким изделиям относятся как средства для наземного фейерверка (фонтаны, фонтаны-огнепады), так и высотные фейерверочные изделия (люсткугели, кометы, бураки), снаряженные искрообразующими пиротехническими элементами ("звездками").
При разработке пиротехнических составов для изготовления искровых фейерверочных средств в настоящее время необходимо учитывать требования по эколо-гичности продуктов сгорания таких составов, а также доступности и умеренной стоимости компонентов для них.
Композиции для "звездок" высотных фейерверочных изделий вместе с тем должны обеспечивать хорошую воспламеняемость и высокую прочность формуемых из них элементов, иначе при срабатывании воспламени-тельно-разрывного заряда может происходить неполное инициирование и дробление звездок, что ухудшит зрелищный эффект изделия.
В настоящей статье приводятся основные результаты исследования возможности разработки компо-
зиций на основе алюминия, не образующих при горении токсичных соединений, заряды из которых создавали бы хороший зрелищный эффект.
Литературный обзор
В научно-технической и патентной литературе приведено значительное количество рецептур составов, образующих при горении искровой форс. Такие композиции, как правило, содержат окислитель и горючее, для обеспечения возможности горения смеси, а также искрообразователь, светящиеся частицы которого и создают зрелищный эффект. Разделение компонентов на горючее и искрообразователь является условным, так как искрообразователь всегда в большей или меньшей степени принимает участие в протекании реакции горения состава.
В известных рецептурах искровых смесей в качестве искрообразователя находят применение древесный уголь, стальные стружки, порошок титана [1], порошки алюминия, магния и их сплавов, порошок железа, реже порошки цинка, циркония и меди [2].
Автор [2] считает, что титан "является одним из лучших, если не лучшим, искрообразователей по зрелищности наблюдаемого эффекта поэтому в последние годы ему
1 Ершов Андрей Юрьевич, инженер, отд. 72, ФГУП «СКТБ Технолог», e-mail: [email protected] Andrey Yu. Ershov, engineer, department 72, FSUE "SDTB "Technolog"
2 Коваленко Евгений Петрович, канд. техн. наук, доцент, каф. высокоэнергетичееских процессов СПбГТИ(ТУ), e-mail: [email protected] Evgeny P. Kovalenko, PhD (Eng.), Associate Professor, Department of high energy SPbSIT(TU)
3 Беспалова Полина Олеговна, студ. каф. высокоэнергетичееских процессов СПбГТИ(ТУ), e-mail: [email protected] Polina O. Bespalova, student, Department of high energy SPbSIT(TU)
4 Максимов Дмитрий Олегович, студ. каф. высокоэнергетичееских процессов СПбГТИ(ТУ), e-mail: [email protected] Dmitry O., student, Department of high energy SPbSIT(TU)
Дата поступления 8 июля 2017 года
отдается предпочтение". Композиции на основе титанового порошка позволяют получить яркие серебристые искры, хорошо видимые даже в дневное время.
Недостатком титана, в сравнении с другими искрообразователями, является его высокая стоимость. Так, на конец 2016 г. цена титанового порошка марки ТПП производства ВСМПО "Ависма" (Пермский край) составляла 740-960 руб. за кг, порошка марки ПТОМ производства ОАО "Полема" (г. Тула) - 5550 руб. за кг (без НДС).
Возможной альтернативой порошкам титана могут быть алюминиевые порошки и пудры. Пиротехнические составы на их основе при горении также создают при горении яркие серебристые искры, при этом стоимость указанных материалов находится в пределах 168-462 руб. за кг.
Анализ опубликованных рецептур искровых композиций, содержащих алюминий, показал, что по видам применяемых в них компонентов данные составы можно подразделить на следующие основные группы.
Пиросоставы, основой которых является смесь, напоминающая по рецептуре дымный порох; в качестве окислителя содержат нитрат калия (иногда в комбинации с нитратом бария); горючим в таких смесях являются уголь древесный и сера [2]. В качестве примера можно привести состав по патенту КНР [3], включающего (% мас.): нитрат калия - 35-50 %; сера - 5-15 %; уголь древесный - 5-15 %; нитрат бария - 10-20 %; оксид меди - 5-10 %; порошок алюминия - 10-20 %; крахмал рисовый - 5-10 %.
Композиции, содержащие неорганические перхлораты (обычно перхлорат калия или аммония). В качестве горючих используются уголь древесный, крахмал, уротропин и другие органические соединения [2, 4-6]. Например, в книге Хардта [5] приводится рецептура перхлорат калия - 58,5 %, алюминий - 30 %, смола Red gum - 7 %, декстрин - 4,5 %.
Искристо-форсовые составы на основе нитроцеллюлозы начали применяться сравнительно недавно. Их рецептуры включают 30-60 % пироксилинового пороха, что позволяет производить формование зарядов методом экструзии или проходного прессования и повышает их прочность [2, 7]. Примером может служить запатентованная в России композиция, содержащая пироксилиновый порох - 27-54 %, калий азотнокислый -9-21 %, магниевый порошок - 7-11 %, искрообразователь (алюминиевый, железный или титановый порошок, или их смесь) - 22-42 %, ферроцен - 1-2 %, графит - 1,5-2,5 %, масло индустриальное - 0,4-0,6 %.
Приведенные рецептуры искровых смесей обладают рядом недостатков. Так, в продуктах сгорания составов первой группы присутствует диоксид серы, второй группы - хлор и хлористый водород, являющиеся токсичными газами. Для производства смесей третьей группы ("пиропороховых") необходимо наличие специального оборудования, кроме того, пироксилиновый порох является взрывчатым веществом и требует особых мер предосторожности при хранении и переработке. Немаловажно также, что стоимость такого пороха (изготовления ФКП «Казанский государственный казенный пороховой завод») может достигать 1700 руб. за кг.
Исследование отечественной компонентной базы позволяет предположить, что перспективными для создания безвредных и недорогих рецептур искровых композиций могут оказаться смеси нитрат калия - алюминий - иди-тол (смола СФ-0112) и нитрат бария - алюминий - идитол, или их комбинация. При горении таких систем не происходит образования токсичных газов, а стоимость этих окислителей и идитола не превышает 150 руб. за кг.
Экспериментальная часть
Для проведения экспериментальных исследований были выбраны порошки алюминия марок ПА-4 и АСД-4. Указанные порошки изготавливаются путем распыления расплава алюминия струей сжатого газа с последующим осаждением полученного порошка в пылеосадителе [8].
Частицы такого порошка имеют сферическую или близкую к сферической форму (овальную или каплевидную).
Кроме того, для экспериментов применяли также чешуйчатый порошок (пудра) марки ПП-1Л. Порошки данного типа изготавливаются размолом порошков, полученных распылением, в шаровых мельницах, что приводит к изменению формы частиц со сферической на чешуйчатую [8].
Дисперсный состав выбранных порошков был исследован ситовым методом с применением сит с размером ячеек 56, 100 и 140 мкм (кроме порошка марки АСД-4). Удельная поверхность порошков замерялась с помощью прибора ПСХ-2. Гистограммы распределения частиц порошков по размерам приведены на рисунках 1 и 2.
| 90 S? 80 ^70
О 20 40 60 80 100 120 140
Размер частиц, мкм
Рисунок 1. Фракционный состав порошка алюминиевого марки ПА-4
О 20 40 60 80 100 120 140
Размер частиц, мкм Рисунок 2. Фракционный состав пудры алюминиевой марки ПП-1Л
Полученные экспериментальные данные показывают, что порошок ПА-4 в основном состоит из частиц размером до 110 мкм, среднемассовый размер 71 мкм. Удельная поверхность этого порошка 1970 см2/г. Расчетное количество частиц в 1 грамме порошка 1,98-10®.
Чешуйчатый порошок (пудра) ПП-1Л также преимущественно содержит частицы размером до 100 мкм, среднемассовый размер 73 мкм. Измерение размеров частиц с помощью микроскопа позволило установить, что толщина чешуек находится в пределах 25-30 мкм. Удельная поверхность пудры ПП-1Л 13000 см2/г. Расчетное количество частиц в 1 грамме пудры 2,7810®.
Размер частиц порошка марки АСД-4, по данным авторов [9], от 2 до 15 мкм, среднемассовый размер 10,1 мкм. Удельная поверхность АСД-4 4510 см2/г. Расчетное количество частиц в 1 грамме порошка 6,87 108.
Для обеспечения возможности объективной количественной оценки параметров искрообразования пи-росоставов была разработана специальная методика, в соответствии с которой производилась видеосъемка горящих зарядов, затем на полученном изображении искрового форса выполнялся подсчет количества искр на 1
м форса в различных его зонах. Было установлено, что режим видеосъемки необходимо выбирать с учетом яркости образующихся при горении искр. Так, при съемке составов с алюминием в качестве искрообразователя видеокамера должна быть оснащена нейтральным светофильтром (ND-фильтром) плотностью порядка 2,1 ND (соответствует величине ослабления светового потока в 128 раз). Если плотность фильтра ниже указанной, изображения отдельных искр сливаются, что затрудняет их подсчет. Напротив, при чрезмерной плотности фильтра часть искр на записи не отображается. Для сравнения, при видеосъемке композиций на основе порошка железа требуется светофильтр плотностью 0,3-0,6 ND, смесей, содержащих титан - до 2,6 ND.
Было установлено, что густота искрового форса визуально воспринимается как высокая при количестве искр на 1 м форса 70 и более, при 20-40 искр на 1 м как средняя, при 10 и менее искр на 1 м как низкая.
Исследование горения искровых составов проводилось на образцах, запрессованных в картонные оболочки диаметром 15 мм при удельном давлении 200 МПа. Для инициирования зарядов применялся стандартный воспламенительный состав ВС № 1; если при его сгорании срабатывания образца не происходило, проверялась возможность инициирования путем использования воспламенительной смеси повышенной мощности или подпрессовки состава ВС № 1 в паре с переходным составом.
В ходе экспериментов оценивались частота срабатывания зарядов, скорость горения и густота искрового форса.
В соответствии с литературными данными по искровым композициям на основе алюминия, содержание искрообразователя было выбрано равным 40 % мас., окислителя - 56 %, связующего (идитола) - 4 %. Параллельно были исследованы составы, включающие, для увеличения прочности, повышенное количество связующего (алюминий - 40 %, окислитель - 52 %, идитол - 8 %). Полученные результаты приведены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1. Характеристики горения образцов смесей порошок алюминия (40 %) - окислитель (56 %) - идитол (4 %)
Марка алюминия Частота срабатывания, % Скорость горения, мм/с Количество искр на 1 м форса
Окислитель - нитрат калия
ПА-4 50 0,49 8
АСД-4 50 2,6 25
ПП-1Л 0 - -
Окислитель - нитрат бария
ПА-4 100 2,9 30
АСД-4 100 1,6 80
ПП-1Л 50 2,7 35
Таблица 2. Характеристики горения образцов смесей порошок алюминия (40 %) - окислитель (52 %) - идитол (8 %)
Марка алюминия Частота срабатывания, % Скорость горения, мм/с Количество искр на 1 м форса
Окислитель - нитрат калия
ПА-4 50 2,2 10
АСД-4 50 1,2 6
ПП-1Л 50 0,98 8
Окислитель - нитрат бария
ПА-4 50 1,2 11
АСД-4 100 1,3 9
ПП-1Л 50 1,5 7
Как видно, максимальная густота искрового форса достигается только для композиций на основе нитрата бария и порошка АСД-4 при содержании связующего не более 4 %. Использование в качестве окислителя нитрата калия, введение крупнодисперсного горючего, а также увеличение количества связующего приводит к снижению интенсивности искрообразования и частоты срабатывания зарядов из таких составов. При этом, от стандартного воспламенительного состава устойчиво срабатывают только смеси на основе порошка АСД-4 и нитрата бария; для инициирования всех остальных композиций требуется усиленный воспламеняющий импульс.
Представляет практический интерес выяснить, от каких свойств исследуемых составов зависит густота образуемого ими искрового форса. С целью изучения указанной взаимосвязи для некоторых из приведенных выше рецептур термопарным методом были измерены температуры горения (таблица 3).
Таблица 3. Экспериментально измеренные температуры горения составов
Рецептура, % мас. Температура горения, °С
нитрат бария - 56 ПА-4 - 40 1310
идитол - 4
нитрат бария - 56 ПП-1Л - 40 2020
идитол - 4
нитрат бария - 56 АСД-4 - 40 2000
идитол - 4
нитрат бария - 56 ПП-1Л - 40 1570
идитол - 8
нитрат калия - 56 ПП-1Л - 40 1910
идитол - 4
Из данных таблицы 3 следует, что между температурой горения композиций и интенсивностью их искро-образования существует взаимосвязь - чем выше температура горения состава, тем больше густота образуемого им искрового форса. Указанное явление, вероятно, объясняется тем, что при повышении температуры окислительной среды увеличивается вероятность воспламенения частиц алюминия вследствие снижения величины периода индукции, т.е. задержки воспламенения [10]. Соответственно, с возрастанием температуры горения композиции увеличится доля частиц алюминия, которые после прогрева в реакционной зоне воспламенятся и создадут искровой эффект.
По мнению авторов [11], тепловая энергия, выделяющаяся в процессе горения в реакционной зоне заряда, равна сумме теплопотерь на излучение, на теплопередачу к непрогретым слоям заряда, на возбуждение электронов и на ионизацию:
где О - количество тепловой энергии, выделяющейся при горении, Дж, т - время, с, а - постоянная излучения Стефана - Больцмана, Вт/(м2-К4), е - степень черноты, Б -площадь поперечного сечения заряда, м2, Т - температура в зоне горения, К, А - коэффициент теплопроводности состава; Вт/(м-К), I - суммарная ширина зон прогрева, химической реакции и догорания в горящем заряде, м, То - начальная температура состава, К, Е - энергия, расходуемая на возбуждение электронов и термическую ионизацию, Дж. Соответственно, dQ/dт - скорость тепловыделения, Вт, аБеТ4 - энергия излучения по закону Стефана-Больцмана для серого тела, Вт, АБ(Т- То)/1 - потери энергии на теплопередачу по закону Фурье,
Вт, бЕ/бт - потери энергии на возбуждение электронов и ионизацию согласно уравнениям Больцмана для процесса возбуждения электронов и Саха для процесса термической ионизации.
Согласно [12], в заметной степени ионизация происходит при высоких температурах (свыше 5000 °С), что позволяет пренебречь потерями энергии на возбуждение и ионизацию при горении исследуемых пиросоставов.
Расчетная оценка потерь энергии на теплопередачу и на излучение для измеренных температур горения, приведенных авторами [13] значений коэффициента теплопроводности состава и суммарной ширины зон прогрева, химической реакции и догорания при степени черноты 0,5 показала, что при указанных условиях энергия излучения не превышает 0,2-0,8 % потерь энергии на теплопередачу; таким образом, расходом энергии на излучение также можно пренебречь. С учетом вышесказанного, преобразованием формулы (1) для температуры горения может быть получено следующее выражение:
(2)
Рисунок 3. Зависимость коэффициента теплопроводности зарядов от коэффициента уплотнения для композиций на основе нитрата
бария:------нитрат бария - 56 %, алюминий - 40 %, идитол - 4 %;
-нитрат бария - 52 %, алюминий - 40 %, идитол - 8 %
Анализ формулы (2) позволяет заключить, что температура горения образца пиросостава понижается с увеличением его коэффициента теплопроводности. По данным [14], с повышением размера частиц пористость зернистой системы уменьшается, что приводит к увеличению ее эффективного коэффициента теплопроводности. Можно предположить, что более низкая температура горения и интенсивность искрения состава на основе крупнодисперсного порошка ПА-4 (таблица 3) может быть обусловлена, в том числе, и повышенным значением коэффициента теплопроводности.
Для проверки этого предположения из исследуемых композиций были изготовлены образцы с пониженным коэффициентом уплотнения, что было обеспечено за счет применения, вместо прессования, технологии изготовления "кубических звездок" ("cut stars", [2]), т.е. введения в пиротехническую смесь ацетона и ручного формования полученной тестообразной массы. Коэффициент уплотнения таких образцов составлял 45-63 %, вместо 90-100 % при использовании прессовой технологии.
Величины коэффициента теплопроводности для зарядов с различными коэффициентами уплотнения могут быть получены расчетным путем [14], однако для правильного выбора расчетной формулы необходимо знать, к какому типу относится структура уплотненного пиросостава - "с замкнутыми включениями", в которой частицы алюминия не соприкасаются друг с другом, или "с взаимопроникающими компонентами", где соприкасающиеся частицы алюминия образуют цепочки, что, очевидно, существенно повышает электро- и теплопроводность образца. Явление образования цепочек иначе называется "перколяция"; теоретическая величина порога перко-ляции (т.е. содержания алюминия в рецептуре, при котором возможно образование цепочек), приведенная в [15], соответствует содержанию алюминия в исследуемых композициях. Для выяснения вопроса о наличии перколяции были выполнены измерения электрического сопротивления прессованных образцов составов. Согласно расчету, уже при образовании единственной цепочки из частиц алюминия диаметром 50 мкм сопротивление образца не превысит 40 Ом, фактически лишь для отдельных образцов сопротивление составляло 2-300 Мом, во всех остальных случаях оно превышало 2000 Мом (предел измерения мегомметра). Следовательно, наиболее вероятно, что исследуемые композиции имеют структуру с замкнутыми включениями и их коэффициент теплопроводности может быть рассчитан по формуле Оделевского [15]. Результаты расчетов коэффициента теплопроводности для различных рецептур пиросоставов в зависимости от коэффициента уплотнения приведены на рисунках 3 и 4.
Рисунок 4. Зависимость коэффициента теплопроводности зарядов от коэффициента уплотнения для композиций на основе нитрата
калия:------нитрат калия - 56 %, алюминий - 40 %, идитол - 4 %;
--нитрат калия - 52 %, алюминий - 40 %, идитол - 8 %;
---нитрат калия - 76 %, алюминий - 20 %, идитол - 4 %
Как видно, с понижением коэффициента уплотнения составов с 90-100 % до 45-63 % наблюдается значительное (в 2-3 раза) уменьшение их коэффициента теплопроводности. При снижении содержания алюминия в рецептуре с 40 % до 20 % величина коэффициента теплопроводности также уменьшается в 3 раза. Для оценки влияния коэффициента теплопроводности на параметры искрообразования были проведены испытания образцов указанных композиций, изготовленных по описанной выше технологии "cut stars", имеющие коэффициент уплотнения 45-63 %. Полученные результаты приведены в таблицах 4-6.
Таблица 4. Характеристики горения образцов смесей порошок алюминия (40 %) - окислитель (56 %) - идитол (4 %) при коэффициенте уплотнения 45-63 %
Марка алюминия Частота срабатывания, % Скорость горения, мм/с Количество искр на 1 м форса
Окислитель - нитрат калия
ПА-4 100 1,5 9
АСД-4 100 2,4 10
ПП-1Л 100 2,2 5
Окислитель - нитрат бария
ПА-4 100 2,4 8
АСД-4 100 3,5 76
ПП-1Л 100 5 24
Таблица 5. Характеристики горения образцов смесей порошок алюминия (40 %) - окислитель (52 %) - идитол (8 %) при коэффициенте уплотнения 45-63 %
Марка алюминия Частота срабатывания, % Скорость горения, мм/с Густота искрового форса
Окислитель - нитрат калия
ПА-4 100 2,6 5
АСД-4 100 3,3 10
ПП-1Л 100 3,6 8
Окислитель - нитрат бария
ПА-4 100 2,2 7
АСД-4 100 2,9 10
ПП-1Л 100 2 20
Таблица 6. Характеристики горения образцов смесей порошок алюминия (20 %) - нитрат калия (76 %) - идитол (4 %)
Марка алюминия Частота срабатывания, % Скорость горения, мм/с Количество искр на 1 м форса
Коэффициент уплотнения 90-100 %
ПА-4 50 0,55 8
ПП-1Л 50 0,7 6
Коэффициент уплотнения 45-63 %
ПА-4 100 0,76 4
ПП-1Л 100 1,2 7
Сравнение данных таблиц 1, 2 и 4-6 показывают, что понижение коэффициента теплопроводности как за счет коэффициента уплотнения, так и путем снижения содержания алюминия к усилению искрообразования не приводит. Наблюдается лишь повышение скорости горения и частоты срабатывания образцов. Таким образом, гипотезу о том, что пониженная температура горения и интенсивность искрения состава с крупнодисперсным алюминием обуславливается повышенной величиной коэффициента теплопроводности такой смеси следует признать несостоятельной.
Вероятно, основной причиной повышения температуры горения с уменьшением размера частиц алюминия, согласно выражению (2), является рост скорости тепловыделения dQ/dт вследствие увеличения величины удельной поверхности алюминиевого порошка и, соответственно, площади реакционной поверхности при горении. Как указано выше, удельная поверхность АСД-4, который обеспечивает максимальные температуру горения и густоту искрового форса - 4510 см2/г, а порошка ПА-4 -1970 см2/г.
Может показаться, что данное предположение противоречит результатам испытания композиций на основе чешуйчатого порошка (пудры) ПП-1Л. В самом деле, удельная поверхность пудры ПП-1Л 13000 см2/г, и температура горения содержащего ее состава должна существенно превышать температуру горения смеси на АСД - 4; в реальности эти температуры практически равны. Интенсивность искрообразования при использовании пудры также не больше, а меньше, чем в случае применения АСД-4. Возможным объяснением наблюдаемого явления может быть следующее.
Известно, что частицы алюминия воспламеняются при температуре 1000-1200 °С [10]. При этом температура плавления алюминия - 658°С [8], нитрата калия - не более 337 °С, нитрата бария - не более 596 °С [16]. Следовательно, и алюминий, и окислители изучаемых композиций переходят в жидкое состояние задолго до момента воспламенения, что создает условия для изменения формы частиц алюминиевой пудры с исходной чешуйчатой на сферическую по действием сил поверхностного натяжения. Расчет показывает, что величина
удельной поверхности ПП-1Л при этом должна резко понижаться до значения менее 1000 см2/г, что и является причиной умеренной температуры горения и интенсивности искрообразования.
Повышенная густота искрового форса композиций на основе АСД-4 по сравнению с составами на ПА-4 и ПП-1Л, кроме того, может обуславливаться значительно более высоким количеством частиц, содержащихся в 1 г этой марки порошка алюминия - 6,87-108 вместо 2,78-106 для пудры ПП-1Л и 1,98-106 для порошка ПА-4.
Возможность практического применения исследуемых композиций в фейерверочных изделиях типа "фонтан" и "огнепад" была проверена экспериментально на макетах изделий диаметром 15 мм.
Огнепад ("огненный водопад", "звездный дождь", "waterfall of fire") представляет собой картонную гильзу с запрессованным в нее пиросоставом. Изделие устанавливается на высоте до 20 м от пола (грунта). При горении заряда частицы искрообразователя воспламеняются, выносятся из изделия через открытый торец гильзы и, падая вниз, создают зрелищный эффект в виде сплошного потока искр. Экспериментальные данные по характеру изменения количества искр на 1 м форса по длине форса при испытаниях в макете огнепада приведены на рисунке 5 (расстояние отсчитывалось по вертикали вниз от точки закрепления изделия).
Рисунок 5. Зависимость количества искр на 1 м форса при горении макетов огнепадов от расстояния между изделием и точкой
измерения:......искрообразователь - пудра алюминиевая ПП-1Л;
-искрообразователь - порошок алюминиевый АСД-4;
---искрообразователь - порошок алюминиевый ПА-4
Как видно, при горении в изделиях типа "огнепад" наблюдается такая же взаимосвязь дисперсности искрообразователя и интенсивности искрения, как и при испытаниях лабораторных образцов (таблица 1) -максимальное количество искр создает состав на основе АСД-4, а композиции на ПП-1Л и ПА-4 могут давать лишь среднюю или низкую густоту искрового форса. Однако, и смесь на АСД-4 обеспечивает высокую густоту на расстоянии не более 2 м по длине форса, что недостаточно для практического применения. Возможно, этот недостаток может быть устранен доработкой рецептуры композиции.
Фейерверочное изделие типа "фонтан" ("jet", "gerb") конструктивно отличается от огнепада тем, что в торце картонной гильзы, в которую запрессован состав, смонтировано сопло (диафрагма); диаметр канала сопла обычно в 3-5 раза меньше диаметра гильзы. Так как диафрагмирование препятствует свободному оттоку газообразных продуктов сгорания при горении пирососта-ва, внутри изделия создается избыточное давление и продукты сгорания истекают из сопла со скоростью порядка 6-15 м/с (в зависимости от размеров изделия и рецептуры состава). Горящие частицы искрообразователя, перемещающиеся вместе с газообразными продуктами сгорания, создают зрелищный эффект в виде снопа (форса) искр высотой от 1,5 до 10 м (если фонтан установлен
вертикально соплом вверх). Экспериментальные данные по характеру изменения количества искр на 1 м форса по длине форса при испытаниях в макете фонтана приведены на рисунке 6 (расстояние отсчитывалось по вертикали вверх от точки закрепления изделия). га
£250 |"200 S 150
|юо
m
£ 50
|ц 0 i-1-1-1-1-
£ 0 1 2 3 4 5
Расстояние от фонтана, м
Рисунок 6. Зависимость количества искр на 1 м форса при горении макетов фонтанов от расстояния между изделием и точкой
измерения:- искрообразователь - порошок алюминиевый
АСД-4;......... искрообразователь - пудра алюминиевая ПП-1Л
Полученные результаты показывают, что при горении в изделиях типа "фонтан", в отличие изделий "ог-непад", интенсивность искрения для составов на основе АСД-4 и на ПП-1Л практически одинакова. Вероятно, причиной этого является повышение температуры поверхности реакционной зоны конденсированной фазы горящего состава с ростом давления [17], что увеличивает вероятность воспламенения частиц алюминия вследствие снижения величины периода индукции ([10]) и нивелирует различие в количестве воспламенившихся частиц для алюминиевых порошков разной дисперсности. По той же причине количества искр на 1 м форса при горении композиций в макетах фонтанов в два и более раза выше, чем в макетах огнепадов. Как видно, экспериментальные образцы фонтанов создают форс серебристых искр высокой густоты (рисунок 7), обеспечивающий хороший зрелищный эффект и могут послужить основой для разработки фейерверочных изделий для профессионального применения.
Рисунок 7. Зрелищный эффект при горении макета фонтана
Для композиции на основе АСД-4 и для сравнения композиции известного искристо-форсового состава на основе смеси типа дымного пороха (см. выше) были измерены характеристики дымообразования - показатель поглощения излучения (маскирующая способность)
и дымообразующая способность. Показатель поглощения излучения является характеристикой степени ослабления светового излучения аэрозолем, образующимся при горении состава, т.е визуальной густоты дыма при работе изделия. Дымообразующая способность показывает, какая доля массы состава (в процентах) переходит при сгорании в аэрозоль [18] и характеризует в данном случае эко-логичность композиции, так как пыли оказывают вредное воздействие на организм человека. Во избежание чрезмерной задымленности, которая портит художественный эффект от фейерверочного представления, а также вредного воздействия на персонал и зрителей, величины обоих указанных параметров должны быть минимальными.
Как показали измерения, для разработанной композиции величина показателя поглощения излучения на 26 % ниже, чем для смеси на пороховой основе, значение дымообразующей способности также на 37 % меньше. Таким образом, исследуемая композиция имеет преимущество перед рядом известных рецептур по зрелищному эффекту и экологичности.
Заключение
Результаты проведенных экспериментальных исследований позволили установить, что фейерверочные искристо-форсовые пиротехнические составы, не выделяющие при горении токсичные соединения могут быть созданы на основе доступных и недорогих компонентов, в частности, нитрата бария и порошков алюминия.
Для обеспечения максимальных густоты искрового форса и зрелищного эффекта при горении таких композиций в качестве искрообразователя целесообразно использовать мелкодисперсные сферические или чешуйчатые алюминиевые порошки, а количество связующего в рецептуре не должно превышать 4 % по массе.
Литература
1. Вареных Н.М., Емельянов В.Н., Дудырев А.С. [и др.]. Пиротехника. Казань: КНИТУ, 2015. 472 с.
2. Мельников В.Э. Современная пиротехника. М.: Наука, 2014. 480 с.
3. Novel electric welding firework powder: pat. 103724144 People's Republic of China; publ. 16.04.2014
4. Ермолаева Л.В., Лесник В.Н., Чусов В.Н. [и др.]. Пиротехнический фейерверочный искристо-форсо-вый состав: а.с. 1740359 СССР. № 4815936/23; заявл. 11.03.1990; опубл. 15.06.92.Бюл. 22.
5. Hardt A.P., Bush B.L., Neyer B.T., Shimizu T. Pyrotechnics. Idaho: Pyrotechnica Publications, 2001. 430 р.
6. Novel firework silver willow powder pat. 103739416 People's Republic of China; publ. 23.04.2014
7. Резников М.С. Шакиров И.Н. Гинзбург В.Л. [и др.]. Пиротехнический искристо-форсовый состав: пат. 2379273 Рос. Федерация. № 2008116749/02; заявл. 30.04.2008; опубл. 20.01.2010. Бюл. № 2.
8. Силин Н.А., Ващенко В.А., Кашпоров Л.Я. . [и др.]. Металлические горючие гетерогенных конденсированных систем. М.: Машиностроение, 1976. 320 с.
9. Ягодников Д.А., Гусаченко Е.И. Экспериментальное исследование дисперсности конденсированных продуктов сгорания аэровзвеси частиц алюминия // Физика горения и взрыва, 2004. Т. 40, № 2, С. 3310. Похил П.Ф., Беляев А.Ф., Фролов Ю.В., В.С.
Логачев, А.И. Коротков Горение порошкообразных металлов в активных средах. М.: Наука, 1972. 294 с.
11. D.M. Speros, J.R. Debesis Combustion of solid oxidant-fuel systems: Thermodynamic and kinetic criteria leading to amplification of the combustion rate // Combustion and Flame. 1982. Vol. 45. № 3. P. 235-250.
12. Справочник химика 21. Химия и химическая технология. URL: http://chem21.info/info/28188/
13. Королев Д.В., Суворов К.А., Шалин С.Г. Получение и об работка температурного профиля волны горения: Метод. указания. СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2002. 25 c.
14. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Справ. Л.:Энергия, 1974. 264 с.
15. Тарасевич Ю.Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы: Учеб. пособие. М.: Едиториал УРСС, 2002. 112 с.
16. Силин Н.А., Ващенко В.А., Зарипов Н.И. [и др.]. Окислители гетерогенных конденсированных систем. М.: Машиностроение, 1976. 456 с.
17. Силин Н.А., Кашпоров Л.Я., Гладун В.Д. [и др.]. Горение металлизированных гетерогенных конденсированных систем. М.: Машиностроение, 1982. 232 с.
18. Батурова Г.С., Валеев Н.Х., Карпов Ю.П., Свиридов Л.Н. Лабораторные работы по курсу "Теоретические основы пиротехники". М.: ЦНИИНТИ, 1984. 240 с.
Reference
1. Varenyh N.M., Emel'janov V.N., Dudyrev A.S. [i dr.]. Pirotehnika. Kazan': KNITU, 2015. 472 s.
2. Mel'nikov V.Je. Sovremennaja pirotehnika. M.: Nauka, 2014. 480 s.
3. Novel electric welding firework powder: pat. 103724144 People's Republic of China; publ. 16.04.2014
4. Ermolaeva L.V., Lesnik V.N., Chusov V.N. [i dr.]. Pirotehnicheskij fejerverochnyj iskristo-forsovyj sostav: a.s. 1740359 SSSR. № 4815936/23; zajavl. 11.03.1990; opubl. 15.06.92.Bjul. 22.
5. Hardt A.P., Bush B.L., Neyer B.T., Shimizu T. Pyrotechnics. Idaho: Pyrotechnica Publications, 2001. 430 r.
6. Novel firework silver willow powder pat. 103739416 People's Republic of China; publ. 23.04.2014
7. Reznikov M.S. Shakirov I.N. Ginzburg V.L. [i dr.]. Pirotehnicheskij iskristo-forsovyj sostav: pat. 2379273
Ros. Federacija. № 2008116749/02; zajavl. 30.04.2008; opubl. 20.01.2010. Bjul. № 2.
8. Silin N.A., Vashhenko V.A., Kashporov L.Ja. [i dr.]. Metallicheskie gorjuchie geterogennyh kondensirovannyh sistem. M.: Mashinostroenie, 1976. 320 s.
9. Jagodnikov D.A., Gusachenko E.I. Jeksperimen-tal'noe issledovanie dispersnosti kondensirovannyh produk-tov sgoranija ajerovzvesi chastic aljuminija // Fizika gorenija i vzryva, 2004. T. 40, № 2, S. 3310. Pohil P.F., Beljaev A.F., Frolov Ju.V., V.S. Lo-
gachev, A.I. Korotkov Gorenie poroshkoobraznyh metallov v aktivnyh sredah. M.: Nauka, 1972. 294 s.
11. D.M. Speros, J.R. Debesis Combustion of solid oxidant-fuel systems: Thermodynamic and kinetic criteria leading to amplification of the combustion rate // Combustion and Flame. 1982. Vol. 45. No 3. P. 235-250.
12. Spravochnik himika 21. Himija i himicheskaja tehnologija. URL: http://chem21.info/info/28188/
13. Korolev D.V., Suvorov K.A., Shalin S.G. Po-luchenie i ob rabotka temperaturnogo profilja volny gorenija: Metod. ukazanija. SPb.: SPbGTI(TU), 2002. 25 c.
14. Dul'nev G.N., Zarichnjak Ju.P. Teploprovodnost' smesej i kompozicionnyh materialov. Sprav. L.:Jenergija, 1974. 264 s.
15. Tarasevich Ju.Ju. Perkoljacija: teorija, prilozheni-ja, algoritmy: Ucheb. posobie. M.: Editorial URSS, 2002. 112 s.
16. Silin N.A., Vashhenko V.A., Zaripov N.I. [i dr.]. Okisliteli geterogennyh kondensirovannyh sistem. M.: Mashi-nostroenie, 1976. 456 s.
17. Silin N.A., Kashporov L.Ja., Gladun V.D. [i dr.]. Gorenie metallizirovannyh geterogennyh kondensirovannyh sistem. M.: Mashinostroenie, 1982. 232 s.
18. Baturova G.S., Valeev N.H., Karpov Ju.P., Sviridov L.N. Laboratornye raboty po kursu "Teoreticheskie osnovy pirotehniki". M.: CNIINTI, 1984. 240 s.
