СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ
METHOD TO MANUFACTURE PYROTECHNICAL CHARGES

Изобретение относится к технологии изготовления из смеси порошков пиротехнических бинарных зарядов, содержащих азид натрия, при горении которых образуется чистый газообразный азот.
Уровень данной области техники характеризует пиротехнический состав для получения азота, описанный в патенте RU 2243959 С1, С06В 35/00, C06D 5/06, 2003 г., который содержит азид натрия, оксид железа (III) и оксид титана (IV).
Компоненты пиротехнического состава содержатся в следующем соотношении, мас.%:
азид натрия
35-50
оксид железа (III)
15-20
оксид титана (IV)
30-50
Этот состав характеризуется высокой надежностью горения, слабой зависимостью скорости горения от начальной температуры, стабильной скоростью газогенерации при повышенных давлениях с образованием твердых, нелетучих, пористых шлаков, имеющих высокую фильтрующую способность.
Азид натрия (нетоксичный материал) служит для генерирования газообразного азота в результате химического взаимодействия при горении пиротехнического состава с оксидом железа (III) по схеме:
3
2
3
2
2
6NaN+FeO→3NaO+2Fe+9N
Выбор в качестве источника азота неорганических азидов обусловлен легкостью их разложения и высоким содержанием азота.
Азид натрия, хорошо освоенный в промышленном изготовлении, является практически единственным соединением этого рода, неспособным к взрывчатому превращению, что предопределило его использование в качестве основного компонента пиротехнического состава, генерирующего чистый азот.
Содержание в составе оксид титана (IV) в указанных количествах позволяет полностью связать в волне горения легколетучие продукты горения (натрий и оксид натрия) в химически малоактивные титанаты, не плавящиеся при температуре горения состава, с выделением дополнительного тепла, благодаря чему калорийность повышается до 1000-1500 Дж/г и температура горения составляет 1200-1300°С.
Основным условием генерирования чистого, незагрязненного конденсированными продуктами, газообразного азота является более низкая температура горения состава по сравнению с температурой плавления основных конденсированных продуктов при этом.
Присутствие в пиротехническом составе оксида титана (IV) позволяет значительно уменьшить поток тепла, переносимого из зоны горения в несгоревшую смесь легколетучими промежуточными продуктами горения пиротехнического состава.
Шлаки, образующиеся при сгорании состава, представляют собой спекшийся пористый блок с геометрическими размерами исходного заряда, обладающий высокой фильтрующей способностью и незначительной усадкой.
3
Продолжением отмеченных достоинств пиротехнического состава является присущий недостаток - низкий газовыход (250 см/г чистого азота), что ограничивает область его использования в стесненных условиях для размещения генераторов.
3
2
3
Отмеченный недостаток устранен в бинарном составе для генерации газообразного азота, описанном в патенте US 9895098, С01В 21/00, 1975 г., содержащем, мас.%: 71 азида натрия NaN и 29 оксида железа (III) FO, что представляет собой стехиометрическое соотношение компонентов, который по числу совпадающих признаков выбран в качестве ближайшего аналога предложенному бинарному пиротехническому составу.
3
3
Известный состав характеризуется максимально высоким выходом газа (360 см с 1 г смеси), при этом соотношение масса/объем газа (г/м) остается примерно постоянным.
Однако избыток горючего в пиротехническом составе при его горении с температурой, превышающей температуру плавления натрия, приводит к наличию в генерируемых газах свободного металлического натрия в парообразном или жидком состоянии, активность которого оказывает агрессивное действие на конструкцию ответственных изделий и аппаратуру, исключая возможность практического применения в ракетной технике для наддува емкостей с компонентами жидкого топлива.
Описанный пиротехнический состав приготавливают простым смешиванием порошковых компонентов, предварительно просушенных, измельченных и просеянных через сито с ячейками 01 (100 мкм).
Перемешивание подготовленных порошковых компонентов проводят в смесителе в течение 2-х часов для достижения гомогенности состава, из которого заряды изготавливают прессованием.
Недостатком этого способа изготовления пиротехнических зарядов из бинарного состава является пыление на всех операциях, что нетехнологично и небезопасно.
Более технологичным является способ изготовления пиротехнических зарядов из увлажненной смеси порошковых компонентов, включающий получение гранул в качестве сыпучего полуфабриката для эффективного прессования изделий, который описан в патенте US 3996079, С06В 35/00, 1976 г.
Этот способ по технической сущности выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному способу изготовления зарядов из пиротехнического бинарного состава, генерирующего при горении чистый азот.
Способ включает смешивание сухих порошков азида натрия и оксида железа (III) с водой (~15% от массы пиротехнического состава) для образования пластичной массы, которую экструдируют через решетку, формируя протяженные шнуры, мерно разрезаемые на гранулы.
Гранулированный материал сушат перед прессованием, которое обеспечивает осадку до 0,9.
Недостатком известного способа является то, что при удалении большого объема воды из технологической смеси на поверхности гранул спекается корка, которая облегчает прессование, но резко снижает механическую прочность зарядов.
Кроме того, повышенная хрупкость несимметричных гранул при прессовании приводит к их дроблению, что вызывает пыление и повышает связанную с этим токсичность производства.
С целью устранения отмеченных выше недостатков предлагается новый способ изготовления зарядов из бинарного пиротехнического состава.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является усовершенствование способа приготовления технологичного упруго-пластичного материала, пригодного для прессования качественных и эффективных пиротехнических зарядов, за счет предложенных порядка и режимов операций.
Требуемый технический результат достигается тем, что в способе изготовления зарядов из пиротехнического бинарного состава, содержащем перемешивание порошков азида натрия и оксида железа, последующее приготовление технологической увлажненной смеси путем добавления воды, формирование гранул, из которых удаляют воду перед прессованием зарядов, по предложению авторов, перемешивание порошковых компонентов в лопастном смесителе совмещают с формированием гранул из увлажненной технологической смеси, которое проводят ступенчато: воду массой 6-10% относительно смеси сухих компонентов вводят в течение 5-15 минут, затем перемешивание увлажненной смеси проводят в течение 20-30 минут с обдувом сжатым воздухом до формирования гранул, которые затем сушат в вакуумной камере до содержания влаги не более 0,3 мас.%.
Предложенный способ характеризуется тем, что перемешивание порошков азида натрия и оксида железа (III) в лопастном смесителе до подачи воды проводят в течение 5-15 минут, а сформированные гранулы в лопастном смесителе обдувают воздухом, нагретым до температуры 50±5°С, под давлением 0,3 МПа.
Отличительные признаки позволили в серийном производстве, посредством простого контролируемого способа окатывания увлажненной бинарной смеси в лопастном смесителе, формировать гранулы с заданными физико-механическими параметрами, из которых возможно прессовать пиротехнические заряды для генерирования при горении чистого газообразного азота с максимальным выходом.
Количественное содержание компонентов пиротехнического бинарного состава, пригодного для использования в новой технологии, было рассчитано по математической модели планирования эксперимента, оптимальность которого по достижению необходимого уровня показателей назначения подтверждена натурными испытаниями опытной партии зарядов, при соотношении компонентов внутри выбранных предельных значений массовой доли в составе, на их границах и за пределами заявленных границ диапазонов.
При содержании в пиротехническом бинарном составе азида натрия меньше 59 мас.% падает скорость горения, происходит заметное снижение выхода газообразного азота, что умаляет практически пригодную продуктивность зарядов.
При содержании в пиротехническом бинарном составе азида натрия больше 65 мас.% снижается скорость генерирования газообразного азота, в среде которого появляется металлический натрий в виде пара или капель, являющийся агрессивной примесью, принципиально недопустимой при использовании, в частности, в ракетной технике.
Оптимизированное содержание в пиротехническом составе оксида железа (III) в количестве 35-41 мас.% способствует образованию прочной пористой структуры шлакового остатка при сгорании заряда по изобретению и обеспечивает полное его химическое взаимодействие с азидом натрия, без выхода конденсированной фазы в генерируемый газ при горении зарядов.
Заданная прочность шлакового остатка обеспечивается за счет спекания образующегося в результате химической реакции свободного железа. Сформированный прочный шлаковый остаток в виде пористого каркаса не разрушается газовым потоком, который фильтруется, задерживая конденсированные частицы, предотвращая их выход в среду генерируемого газообразного азота.
Перемешивание сухих компонентов состава в лопастном смесителе позволяет автоматически совместить его с формированием гранул при дозированном добавлении воды в гомогенную смесь порошков, за счет окатывания увлажненной смеси порошков на наклонных вращающихся лопастях смесителя.
Увлажненная смесь получается при диспергировании расчетного количества воды в объем смеси порошковых компонентов пиротехнического состава, которые при этом слипаются, комкуются и одновременно уплотняются на наклонных вращающихся лопастях смесителя до необходимого размера гранул 0,5-2,5 мм. Приготовленные гранулы технологично засыпаются в дозатор и упругопластически прессуются в заряды устойчивой формы, что позволяет автоматизировать производство.
Выбранные режимы смешивания сухих компонентов состава, совмещенного с образованием вязкотекучей смеси, посредством ее увлажнения, окатывания до формирования мерных гранул, которые затем высушивают, обеспечивают получение технологичного материала, пригодного для объемного дозирования и прессования в прочные, плотные заряды.
Использование минимального количества воды для увлажнения смеси порошковых компонентов пиротехнического состава требуется для формирования гранул заданных размеров и пористости, которую получают при удалении технологической воды сжатым воздухом на операции окатывания и последующей вакуумной сушке.
При введении в технологическую смесь воды менее 6 мас.% формирование гранул неустойчивое, сопровождается пылением.
При содержании в технологической смеси воды больше 10 мас.% на поверхности гранул за счет агломерации в процессе сушки образуется твердая корка, которая резко снижает пластичность материала при прессовании.
При перемешивании компонентов состава, сопровождающемся введением воды, в течение времени меньше 5 минут гранулирование нестабильное.
При перемешивании порошковых компонентов состава, сопровождающемся введением воды в течение времени больше 15 минут, образующиеся гранулы имеют размеры более 2,5 мм, что ухудшает сыпучесть в процессе объемного дозирования приготовленного гранулята при прессовании, при этом не обеспечивается требуемая пластичность материала при прессования зарядов.
Обдув гранулированной смеси сжатым (при давлении 0,3 МПа) воздухом с температурой 50±5°С обеспечивает унос избытка воды, предварительно подсушивая окатыши, которые при этом подвергаются агломерации, фиксирующей их форму и размер.
Перемешивание компонентов состава с обдувом менее 20 минут может привести к переувлажнению гранул, которые спекаются между собой при сушке, образуя конгломераты. Это значительно ухудшает сыпучесть технологического материала, приводит к образованию сводов и заторов при автоматическом объемном дозировании для прессования зарядов, то есть материал нетехнологичен.
Перемешивание компонентов состава с обдувом более 30 минут снижает механическую прочность приготовленных гранул, которые не обеспечивают требуемой пластичности при прессовании зарядов.
Предварительное перемешивание сухих порошков компонентов состава в лопастном смесителе (до введения связующей воды) меньше 5 минут не обеспечивает гомогенизации смеси, что приводит к неоднородности свойств и служебных характеристик готового материала и, следовательно, пиротехнических зарядов.
Перемешивание сухих порошков компонентов дольше 15 минут не улучшает структуры смеси, то есть нецелесообразно.
3
Приготовленная по изобретению окатыванием на наклонных лопастях смесителя гранулированная бинарная смесь количественно оптимизированного состава компонентов характеризуется уплотнением 0,87-0,90 при прессовании зарядов, которые имеют повышенную удельную эффективность выхода газообразного чистого азота, до 420 см с 1 г смеси.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по пиротехнике, показал, что оно неизвестно, а с учетом возможности промышленного изготовления по «мокрой» технологии пиротехнических зарядов для эффективного получения чистого азота, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.
Предложенный способ приготовления бинарного состава, пригодного для прессования пиротехнических зарядов, используемых для получения чистого газообразного азота, осуществляют следующим образом.
Порошок оксида железа (III) для ферритов в количестве 35-41 мас.% перед смешиванием просеивают через сетку 028 (25), а порошок азида натрия в количестве 59-65 мас.% используют в состоянии поставки.
Смешивание компонентов состава проводят в течение 5-15 минут в смесителе 35СВ с максимальной загрузкой 13 кг.
2
Затем добавляют воду в количестве 6-10 мас.% сверх 100% смеси сухих компонентов и перемешивают в течение 5-15 минут, после чего включают поддув подогретого до температуры 50±5°С воздуха в смеситель под давлением 0,3 МПа (3 кгс/см) и продолжают перемешивание увлажненного состава в течение 20-30 минут, формируя на вращающихся наклонных лопастях смесителя гранулы диаметром 0,5-2,5 мм.
Приготовленный гранулированный материал из бинарного состава направляется на прессование зарядов или упаковывается для хранения или перевозки.
2
Далее полученный гранулированный материал слоем не более 2-3 см (массой до 2 кг) раскладывают на лотки, которые помещают в сушильный шкаф ЦВШ 7×2,5 и сушат при температуре 50-60°С и остаточном давлении не более 7 кгс/см в течение 4 часов до массовой доли влаги не более 0,3%.
Достижение нового качества приготовленного бинарного пиротехнического состава по достижению улучшенных показателей назначения иллюстрируется результатами опытной проверки в натурных испытаниях зарядов, характерные из которых приведены в таблицах 1 и 2.
Количественный состав образцов зарядов
Таблица 1
Компоненты
Содержание компонентов в составах, мас.%
1
2
3
4
5
азид натрия
57
59
62
65
67
оксида железа (III
43
41
38
35
33
Показатели назначения, физико-механические характеристики зарядов
Таблица 2
Показатели
составы
1
2
3
4
5
выход азота с 1 г состава, см<sup>3</sup>
350
390
420
400
360
коэффициент уплотнения при прессовании
0,85
0,87
0,90
0,90
0,90
сыпучесть при дозировании
уд.
хор.
хор.
хор.
хор.
скорость горения, мм/с
наличие в газах свободного Na
-
-
-
-
+
По результатам экспериментальной проверки предложенного пиротехнического состава, эффективно генерирующего газообразный чистый азот и который автоматически приготавливается по простой технологии, можно рекомендовать его на промышленное производство для оснащения средств аварийного спасения, ракетной техники и пр.