ТВЕРДОТОПЛИВНАЯ КОМПОЗИЦИЯ (ВАРИАНТЫ)
SOLID FUEL COMPOSITION (VERSIONS)

Изобретение относится к составам твердых топлив на основе нитрата аммония и может быть использовано для очистки нефтяных скважин от асфальтено-смолисто-парафинистых отложений, проведения гидроразрыва пласта при добыче нефти, а также в качестве источника энергии твердотопливных ракетных двигателей.
Известна низкотемпературная композиция, содержащая нитрат аммония, каучук марки СКДМ-80, отверждающий агент - ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтилбензол, она дополнительно содержит отверждающий агент - динитрофеноксиэтанол при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
нитрат аммония
80,7
каучук марки СКДМ-80
19,3
ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтилбензол
0,2 сверх 100%
динитрофеноксиэтанол
(1,0-1,5) сверх 100%,
(см. RU Патент №2389714, МПК C06B 31/30 (2006.01), C06D 5/06 (2006.01), 2010).
Недостатками данной твердотопливной композиции являются необходимость использования в качестве связующего маслонаполненного каучука марки СКДМ-80 с содержанием жидкого пластификатора (индустриального масла), что приводит к увеличению содержания конденсированных и уменьшению объема газообразных продуктов сгорания. Кроме этого, наличие высоковязкого связующего СКДМ-80 приводит к усложнению технологии приготовления композиции и переработке ее в изделия за счет увеличения времени и энергозатрат, т.к. для придания изделиям твердой формы необходимо тщательное перемешивание компонентов с высоковязким связующим и отверждающим агентом.
Известна твердотопливная композиция, содержащая нитрат аммония, каучук марки СКДМ-80, порошок алюминия марки АСД-1 и отверждающий агент, в качестве которого она содержит ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол при следующем соотношении компоненты, мас.%:
нитрат аммония
71,8
каучук марки СКДМ-80
13,2
порошок алюминия марки АСД-1
15,0
ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол
0,1 сверх 100%,
(см. Архипов В.А., Попок В.Н., Попок Н.И., Савельева Л.А. Горение металлизированных топливных композиций на основе нитрата аммония. // V Международная школа-семинар. Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем. Санкт-Петербург. 2006. - С.10-13.).
Недостатками известной твердотопливной композиции являются нестабильность горения при повышенных давлениях, высокое содержание твердых продуктов сгорания.
Наиболее близкой по технической сущности является твердотопливная композиция, содержащая нитрат аммония, каучук марки СКДМ-80, порошок алюминия и отвердитель ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол, композиция в качестве порошка алюминия содержит смесь порошка алюминия марки АСД-1 и ультрадисперсного алюминия марки ALEX, при следующем содержании компонентов, мас.%:
нитрат аммония
71,8
каучук марки СКДМ-80
13,2
порошок алюминия марки АСД-1
7,5
ультрадисперсный алюминий марки ALEX
7,5
ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол
0,1 сверх 100%,
(см. RU Патент №2363691, МПК C06B 31/30 (2006.01), C06B 33/04 (2006.01), C06B 45/10 (2006.01), 2009).
Недостатками известной твердотопливной композиции являются недостаточная скорость горения при повышенных давлениях и высокое содержание твердых продуктов сгорания.
Задачей изобретения является увеличение скорости горения твердотопливной композиции и уменьшение содержания твердых продуктов сгорания.
Техническая задача решается тем, что твердотопливная композиция, содержащая нитрат аммония, каучук, порошок алюминия марки АСД-1, в качестве каучука она содержит порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм и дополнительно содержит бихромат калия и технологическую добавку при следующем содержании компонентов, мас.%:
нитрат аммония
69-77
порошкообразный бутадиен-нитрильный
каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм
10-12
порошок алюминия марки АСД-1
8-15
бихромат калия
1-8
технологическая добавка
(0,5-1,0) сверх 100%.
Техническая задача решается также тем, что твердотопливная композиция, содержащая нитрат аммония, каучук, порошок алюминия марки АСД-1 и ультрадисперсный алюминий с размером частиц приблизительно 0,1 мкм, в качестве каучука она содержит порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм и дополнительно содержит бихромат калия и технологическую добавку при следующем содержании компонентов, мас.%:
нитрат аммония
69-77
порошкообразный бутадиен-нитрильный
каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм
10-12
порошок алюминия марки АСД-1
4-7,5
ультрадисперсный алюминий
с размером частиц приблизительно 0,1 мкм
4-7,5
бихромат калия
1-8
технологическая добавка
(0,5-1,0) сверх 100%.
Решение технической задачи позволяет по первому варианту при повышенных давлениях увеличить скорость горения до 1,7 раза и уменьшить содержание твердых продуктов сгорания до 4 раз, а по второму варианту при повышенных давлениях увеличить скорость горения до 2 раз и уменьшить содержание твердых продуктов сгорания до 5 раз.
Характеристика веществ, используемых в составе композиции:
Порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм получают путем механического измельчения, например, на роторных мельницах.
Порошок алюминия является ультрадисперсным порошком, с размером частиц приблизительно 0,1 мкм, полученный путем электрического взрыва проводников.
Бихромат калия используют по ГОСТ 2652-78.
В качестве технологической добавки используют, например, фторопласт-4 по ГОСТ 10007-80.
Примеры конкретного выполнения
Пример 1 по первому варианту
Заявляемую термопластичную композицию готовят путем механического смешения в барабанном смесителе при следующем соотношении компонентов, мас.%:
нитрат аммония
77
порошкообразный бутадиен-нитрильный
каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм
12
порошок алюминия марки АСД-1
8
бихромат калия
3
фторопласт-4, сверх 100%
1.
Примеры 2-4 аналогичны примеру 1, данные по составу и характеристики композиции приведены в таблице 1.
Пример 5 по второму варианту
Заявляемую термопластичную композицию готовят путем механического смешения в смесителе типа «БЭКОН» при следующем соотношении компонентов, мас.%:
нитрат аммония
77
порошкообразный бутадиен-нитрильный
каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм
12
порошок алюминия марки АСД-1
4
ультрадисперсный алюминий
с размером частиц приблизительно 0,1 мкм
4
бихромат калия
3
фторопласт-4, сверх 100%
1.
Примеры 6-8 аналогичны примеру 5, данные по составу и характеристики композиции приведены в таблице 2.
Из полученной термопластичной композиции методом проходного прессования формуют образцы диаметром 10 мм, бронированные по боковой поверхности. Высоту образцов варьируют в зависимости от характера проводимого эксперимента. Скорость горения образцов измеряют в приборе постоянного давления в атмосфере азота в интервале давлений (2÷12) МПа, после чего рассчитывают константы в законе скорости горения. Удельный импульс топливных композиций рассчитывают по программе АСТРА-4.
Содержание конденсированных твердых веществ определяют в условиях горения топлива при атмосферном давлении, при сжигании образцов на открытом воздухе при комнатной температуре и отборе конденсата в кварцевом отборнике, данная характеристика является оценочной величиной для сравнения с другими топливными композициями.
1
1
1
ν
Скорость горения u, мм/с, в интервале давлений p, равном 2-12 МПа, рассчитывают по формуле u=u·ρ, где u - скорость горения при атмосферном давлении, ν - константа в степенном законе скорости горения. Исходя из вышеприведенного, зная u и ν, можно рассчитать скорость горения и в интервале давлений 2-12 МПа.
Как видно из примеров конкретного выполнения, по первому варианту скорость горения при давлении 4 МПа, мм/с, увеличивается до 1,7 раза, а содержание твердых продуктов сгорания при атмосферном давлении уменьшается до 4 раз. По второму варианту скорость горения при давлении 4 МПа, мм/с, увеличивается до 2 раз, а содержание твердых продуктов сгорания при атмосферном давлении уменьшается до 5 раз.
Таблица 1
Компоненты
Состав, мас.%
Прототип
Заявляемый объект по первому варианту
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
1
2
3
4
5
6
Нитрат аммония
71,8
77
73
69
74
Порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм
12
12
10
10
Каучук марки СКДМ-80
13,2
Порошок алюминия марки АСД-1
7,5
8
10
13
15
Ультрадисперсный алюминий с размером частиц приблизительно 0,1 мкм
7,5
Бихромат калия
3
5
8
1
Фторопласт, сверх 100%
1
1
0,5
1
Ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол, сверх 100%,
0,1
Характеристика твердотопливной композиции
Скорость горения при давлении 4 МПа, мм/с
5,4-7,7
7,8
8,5
9,3
8,3
Скорость горения при атмосферном давлении, мм/с
1,2-2,2
1,25
1,3
1,5
1,4
Показатель степени в законе скорости горения
0,34-0,46
0,49
0,51
0,49
0,48
Удельный импульс, с
233
235
230
233
238
Содержание твердых продуктов сгорания при атмосферном давлении, мас.%
10-20
5,4
7,0
9,1
9,5
Таблица 2
Компоненты
Состав, мас.%
Прототип
Заявляемый объект по второму варианту
Пример 5
Пример 6
Пример 7
Пример 8
1
2
3
4
5
6
Нитрат аммония
71.8
77
73
69
74
Порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размером частиц 0,4-2,0 мм
12
12
10
10
Каучук марки СКДМ-80
13,2
Порошок алюминия марки АСД-1
7,5
4
5
6,5
7,5
Ультрадисперсный алюминий с размером частиц приблизительно 0,1 мкм
7,5
4
5
6,5
7,5
Бихромат калия
3
5
8
1
Фторопласт, сверх 100%
1
1
0,5
1
Ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол, сверх 100%,
0,1
Характеристика твердотопливной композиции
Скорость горения при давлении 4 МПа, мм/с
5,4-7,7
9,8
11,5
12,4
11,6
Скорость горения при атмосферном давлении, мм/с
1,2-2,2
1,30
1,50
1,62
1,53
Показатель степени в законе скорости горения
0,34-0,46
0,550
0,550
0,552
0,549
Удельный импульс, с
233
240
235
237
250
Содержание твердых продуктов сгорания при атмосферном давлении, мас.%
10-20
3,7
4
6,1
6,9