CC BY
70
С. А. Выборнов, И. А. Абдуллин, О. И. Белобородова,
Д. К. Гайнутдинов
ЗАЖИГАТЕЛЬНЫЙ СОСТАВ ДЛЯ ПУЛЬ К СТРЕЛКОВОМУ ОРУЖИЮ
Ключевые слова: зажигательный состав, гранулирование, водоэмульсионная технология.
В работе исследовали зажигательный состав, содержащий Fe3O4, ПАМ-4, железосодержащие добавки, оксиды металлов и связущее. В ходе исследований было показано, что данный состав обладает аналогичным специальным эффектом при меньшем размере гранул по сравнению с ранее разработанными составами, что позволяет использовать его в снаряжении пуль более мелкого калибра. Также были отработаны гидродинамический и тепловой режимы гранулирования по водно—эмульсионной технологии.
Keywords: incendiary composition, granulation, water- emulsion technology.
In work investigated the incendiary composition containing Fe3O4, PAM-4, ferriferous additives, metal oxides and binding. During it followings it has been shown that the given structure possesses similar special effect at the smaller size of granules in comparison with earlier developed structures. That allows to use it in equipment of bullets of smaller calibre. Also hydrodynamic and thermal modes of a granulation on water- emulsion technology have been fulfilled
В настоящее время актуальной задачей является разработка зажигательного состава для снаряжения бронебойно зажигательных пуль, способных воспламенять тяжелые углеводородные топлива. Для этих целей ранее был предложен состав, разработанный на кафедре ХТГС КГТУ, на основе термитной смеси ПАМ-4 с Fe3O4, гранулируемый по водноэмульсионной технологии. Получаемые в ходе приготовления состава сферические гранулы размером 315 - 1000 мкм обеспечивают хорошие технологические характеристики (высокую насыпную плотность, сыпучесть, низкие коэффициенты внутреннего и внешнего трения) и специальный эффект при снаряжении составом снарядов среднего калибра. Однако при использовании столь крупных гранул для снаряжения патронов и пуль меньшего калибра происходит ухудшение сыпучести через отверстия малого диаметра и снижение точности дозирования. Для малокалиберных снарядов размер гранул состава должен находиться на уровне от 200 до 350 мкм.
Уменьшение размера гранул состава возможно измельчением выбранных ранее компонентов или заменой их на высокодисперсные вещества другой природы, а также изменением технологических режимов гранулирования. В работе были применены все указанные приемы.
Как показали экспериментальные исследования, при использовании железной окалины (самого крупного компонента состава) с меньшим размером частиц (менее 200 мкм) происходит значительное ее вымывание из состава независимо от режима гранулирования. Поэтому было принято решение о частичной замене железной окалины (Fe3O4) на другие соединения, обеспечивающие получение высокотеплоемких продуктов сгорания.
Как показали результаты термодинамических расчетов [1] и экспериментальных исследований (табл. 1), исследуемый состав обладает сходными характеристиками с ранее разработанным составом по воспламеняющей способности к дизельному топливу (ДТ), температуре горения, доле конденсированных продуктов сгорания и имеет несколько большую объемную теплоемкость продуктов сгорания. В конечном итоге, воспламеняющая способность к дизельному топливу составов идентична, несмотря на меньший размер частиц исследуемого состава, способствующий более быстрому остыванию продуктов его сгорания (частицы шлаков практически сохраняют форму и размеры гранул исходного состава).
Таблица 1 - Сравнительные характеристики составов
Характеристики состава Значения характеристик для состава
исследуемого ранее разработанного
Размер частиц, мкм 200-560 315 - 1000
Воспламеняющая способность к ДТ, см 37 37
Температура горения (расчетная), К 2587 2594
Количество конденсированных продуктов, % 75 77
Объемная теплоемкость конденсированных продуктов сгорания 4,9 4,35
Для увеличения выхода гранул требуемой дисперсности необходимо проводить отработку режима гранулирования. На качество и размер гранул заметное влияние оказывает интенсивность перемешивания, которая является функцией конструкции реактора и перемешивающего устройства, а также частоты вращения мешалки. Увеличение числа оборотов мешалки, как правило, приводит к росту дисперсности образующегося продукта. Однако при этом происходит увеличение размеров образующейся воронки, существенно уменьшающей зону эффективного диспергирования. Количественная зависимость между числом оборотов мешалки и размером образующихся гранул для масс различной природы не определена и в каждом конкретном случае устанавливается экспериментально.
Изменение размеров гранул также в значительной степени зависит от вязкости наполненной лаковой композиции (НЛК), регулируемой концентрацией раствора связующего в легколетучем растворителе.
Необходимый размер гранул состава был получен увеличением скорости вращения перемешивающего устройства и уменьшением концентрации связующего в растворе при прочих неизменных параметрах.
Изучение влияния интенсивности перемешивания на характеристики гранулированного состава проводили при следующих условиях:
- модуль реактора 1:6;
- начальная температура диспергирования - 62 0С,
- конечная температура диспергирования - 65 0С,
- концентрация лакового раствора связующего - 7,5 %.
Частоту вращения мешалки изменяли от 1500 до 1700 об/мин. Полученные результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2 - Зависимость характеристик гранул от частоты вращения мешалки
Размер гранул, мкм Содержание гранул, %, при частоте вращения, об/мин
1500 1600 1700
200 - 315 6,41 8,88 10,40
315 - 560 28,20 35,25 39,40
560 - 1000 37,27 32,90 31,53
более 1000 28,12 23,05 18,67
Насыпная плотность, кг/м3 1281 1283 1290
Как показали результаты эксперимента, с увеличением частоты вращения мешалки от 1500 до 1700 об/мин, форма гранул изменяется от каплеобразной (при 1500 об/мин) до сферической; насыпная плотность состава монотонно возрастает; доля частиц с размером более 1000 мкм уменьшается. При этом максимальный суммарный выход деловых фракций (49,80 %) наблюдается при перемешивании с интенсивностью 1700 об/мин.
Учитывая, что сферическая форма частиц и наибольшая насыпная плотность состава (1290 кг/м3) получены при частоте вращения мешалки, равной 1700 об/мин, в дальнейших исследованиях частоту вращения мешалки поддерживали равной данному значению.
Уменьшение концентрации раствора связующего приводит к снижению вязкости НЛК в целом, уменьшению поверхностного натяжения и, как следствие, облегчению процесса диспергирования. Кроме того, увеличивается время удаления растворителя из капель эмульсии.
В работе исследовали влияние изменения концентрации раствора связующего в легколетучем растворителе от 7 до 10 % на характеристики гранулированного состава. Полученные результаты приведены в табл. 3.
Таблица 3 - Зависимость характеристик гранул от концентрации раствора связующего
Размер гранул, мкм Содержание гранул, %, при концентрации раствора, %
7 7,5 8 10
200 - 315 18,67 10,40 8,81 5,43
315 - 560 36,50 39,40 33,58 26,93
560 - 1000 28,61 31,53 35,17 39,49
более 1000 16,32 18,67 22,44 28,15
Насыпная плотность, кг/м3 1285 1290 1287 1279
Эксперименты показали, что при концентрации раствора связующего 10 %, НЛК диспергируется с образованием крупных гранул неправильной формы. При значениях концентрации раствора менее 7,5 % наблюдается выход частиц твёрдых компонентов в воду, а это приводит к нарушению рецептуры состава и изменению его специальных характеристик. В остальных случаях вымывания компонентов в воду не происходило.
Таким образом, изменяя концентрацию связующего в легколетучем растворителе, можно в широких пределах регулировать размеры и степень полидисперсности образующихся гранул.
Анализ результатов показал, что при концентрации раствора связующего в растворителе, равной 7,5 %, наблюдается наибольший выход деловых фракций (суммарно 49,8 %), состав имеет максимальную насыпную плотность (1290 кг/м3). В дальнейших исследованиях нами были использованы растворы этой концентрации.
Таким образом, тепловой и гидродинамический режимы технологии гранулирования имеют следующие значения:
- частота вращения перемешивающего устройства — 1700 об/ мин;
- концентрация раствора связующего — 7,5 %;
- температура начала диспергирования - 62 0С;
- температура конца диспергирования - 65 0С;
- скорость подъема температуры в реакторе — 0,1 0С/ мин.
Испытания данного состава в боеприпасах среднего калибра показали 90-100 % зажжение ДТ марки Л в металлическом коробе через броню толщиной 10 мм. В дальнейшем планируются испытания состава в боеприпасах меньшего калибра.
Литература
1. Некрасов, И.О. Исследование зависимостей изменения термодинамических характеристик составов на основе железного термита от природы добавок и соотношения между компонентами / Некрасов И. О., Абдуллин И. А., Сафина З. И., Выборнов С. А. // Вестник КГТУ - 2008. - спецвыпуск. - С. 20 -23.
© С. А. Выборнов - асп. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ; И. А. Абдуллин -д-р техн. наук, проф. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ, проректор КГТУ, [email protected]; О. И. Белобородова - канд. техн. наук, доц. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ; Д. К. Гайнутдинов - асп. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ.
