СПОСОБ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ТВЕРДЫХ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СМЕСЕВОГО РАКЕТНОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
GRINDING METHOD OF SOLID COMPONENTS FOR OBTAINING COMPOSITE SOLID PROPELLANT

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к измельчению твердых материалов, в том числе взрывчатых веществ, которые применяются для изготовления смесевого ракетного твердого топлива (СРТТ). Поскольку в состав топлива входят окислители, модификаторы и другие твердофазные наполнители, то совместное их приготовление существенно влияет на энергетические, баллистические, физико-механические и технологические характеристики топлива. Известно, что при изготовлении СРТТ в целях безопасности осуществляется раздельное измельчение компонентов топлива (окислителя, катализатора, металлического горючего).
Следует отметить, что при измельчении повышается удельная поверхность порошков окислителя, модификаторов горения и тем самым увеличивается поверхностная активность порошков, которая способствует равномерному горению СРТТ. Основная задача при этом состоит в равномерном распределении частиц порошкообразных компонентов по всему объему топлива и повышении их дисперсности.
В данное время в производстве СРТТ для равномерного распределения твердых компонентов в топливной массе применяют прием ввода навески порошка несколькими порциями с перемешиванием после каждой загрузки, но при этом не всегда удается достичь требуемого результата. Существует ряд способов измельчения компонентов для СРТТ.
В патенте USA №3953257, МКИ C06B 45/34 описан способ измельчения частиц перхлората аммония в вибромельнице в среде фреона. В качестве мелющих тел использованы цилиндры из окиси алюминия. Недостатком способа измельчения является наличие в продукте намола частиц мелющих элементов.
В книге Генералова М.Б. «Основные процессы и аппараты технологии промышленных взрывчатых веществ». - М.: ИКЦ «Академкнига», 2004, с.36 рассмотрены барабанные мельницы для измельчения промышленных взрывчатых веществ. В данных мельницах измельчение осуществляется мелющими телами путем раздавливания и растирания. Поскольку взрывчатые вещества обладают чувствительностью к механическим воздействиям, то при определенных условиях могут возникнуть опасные ситуации, которые приводят к загоранию, взрыву и т.д.
Известен способ измельчения перхлората аммония в бисерных мельницах в присутствии стеклянных шариков (патент РФ №2247101, МПК C06B 21/00, B02C 17/16, заявлено 23.03.2003). Недостатком процесса измельчения является наличие в продукте намола мелких частиц от износа стеклянных шариков, что особенно нежелательно при измельчении взрывчатых веществ, которые далее используются для изготовления СРТТ. Также к недостаткам бисерных мельниц стоит отнести и то, что они на 65…75% объема заполнены бисером, что приводит к нерациональному использованию объема, а также частой замене мелющих тел. Этот способ выбран авторами в качестве прототипа.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка простого безопасного способа измельчения взрывчатого вещества (окислителя) и модификатора горения в дистиллированной воде с помощью ультразвуковой энергии до получения заданного гранулометрического состава.
Технический результат способа измельчения твердых компонентов для изготовления смесевого ракетного твердого топлива включает измельчение окислителя в жидкой среде, причем измельчение проводят при помощи ультразвуковой энергии в неорганической среде при (20±5)°C с одновременным измельчением окислителя и модификатора горения в соотношении 100:(1…10) вес.ч., а соотношение твердой фазы к неорганической среде составляет 100:(5…3) вес.ч., при этом длительность процесса измельчения рассчитывают по величине индекса измельчения (ИИ) по формуле:
н
где Р - весовая доля частиц исходной смеси порошков, прошедших через определенный калибр, мкм;
к
Р - весовая доля частиц измельченной смеси порошков, прошедших через тот же калибр, мкм.
Степень измельчения контролируют по изменению среднего размера частиц и времени процесса. Измельчение твердых компонентов для СРТТ осуществляется на установке, которая показана на чертеже
где 1 - генератор;
2 - сонотрод;
3 - термометр;
4 - суспензия компонентов;
5 - толстостенный реакционный сосуд;
6 - емкость с охлаждающей жидкостью.
Пример: в толстостенный реакционный сосуд 5 наливают дистиллированную воду и помещают твердые компоненты (окислитель и модификатор), опускают сонотрод 2, подают охлаждающую жидкость с температурой ~5…10°C для сонотрода и реактора, включают генератор 1. Общее время измельчения суспензии составляет не менее 60 минут. Процесс ведут с остановками: 10…15 мин измельчение и 5…10 мин остановка. По завершении 60-минутного измельчения отбирают пробу для определения гранулометрического состава (ГМС). В зависимости от результатов анализа процесс может быть продолжен до следующего отбора пробы через 20…30 мин. После измельчения отключают генератор 1 и подачу охлаждающей жидкости, извлекают из суспензии 4 сонотрод 2, вынимают толстостенный реакционный сосуд 5 и переносят суспензию 4 на операции фильтрования и сушки. Загрузку компонентов осуществляют при температуре (20±5)°C.
Сущность изобретения состоит в совместном измельчении окислителя и модификатора горения в неорганической среде при (20±5)°C, при помощи ультразвуковой энергии, соотношение окислителя и модификатора горения 100:(1…10) вес.ч., а соотношение твердой фазы к неорганической среде 100:(5…3) вес.ч., при этом длительность процесса измельчения рассчитывают по величине индекса измельчения (ИИ) по формуле:  предлагаемый способ позволяет равномерно распределить компоненты в СРТТ, использовать их значительно меньшее количество за счет измельчения. Измельчение с помощью ультразвукового диспергатора в воде позволяет вести процесс в более безопасных технологических условиях.
Рассмотрим совместное измельчение взрывчатого вещества (октогена с размером частиц 10 мкм) и модификатора горения (γ-полиоксиметилен (γ-ПОМ) с размером частиц 40 мкм) с помощью ультразвуковой энергии. Соотношение компонентов в смеси: 100 вес.ч. октогена на 10 вес.ч. γ-ПОМ. Размер частиц определяется с помощью лазерного анализатора «Микросайзер» модель 201С, предназначенного для быстрого измерения распределения частиц по размерам в суспензии. Для контроля степени измельчения может быть использован индекс измельчения (ИИ), который вычисляется по формуле:
н
где Р - доля частиц исходной смеси порошков, прошедших через определенный калибр (например, 20 мкм);
к
Р - доля частиц измельченной смеси порошков, прошедших через тот же калибр.
Большая часть используемых в производстве сыпучих порошкообразных компонентов представляет собой полидисперсные системы отдельных частиц, которые различаются как по размерам, так и по форме. Одним из определяющих факторов, влияющих на степень измельчения, является продолжительность процесса измельчения.
В таблице 1 показано, как изменяется дисперсность смеси в зависимости от времени измельчения для отдельных фракций. Для контроля степени измельчения по ИИ выбран калибровочный размер 11 мкм.
Таблица 1
Весовое распределение фракций (%) в зависимости от времени измельчения
D, мкм
Исходный
60 мин
80 мин
100 мин
Доля фракции
Сумма фракций
Доля фракции
Сумма фракций
Доля фракции
Сумма фракций
Доля фракции
Сумма фракций
0,20…0,54
1,5
1,5
1,6
1,6
2,8
2,8
3,1
3,1
0,54…1,48
3,4
4,9
4,4
6,0
9,0
11,8
10,4
13,5
1,48…4,03
5,6
10,5
7,9
13,9
15,0
26,8
17,8
31,3
4,03…<b>11,0</b>
33,8
<b>44,3</b>
36,2
<b>50,1</b>
38,2
<b>65,0</b>
46,5
<b>77,8</b>
11,0…29,8
30,9
75,2
41,9
92,0
26,6
91,6
21,0
98,8
29,8…81,1
21,4
96,6
7,6
99,6
5,7
97,3
0,8
99,6
ИИ, %
0
10,4
37,2
60,1
Как следует из таблицы 1, чем больше время измельчения окислителя с модификатором горения, тем большая доля мелких фракций получается (например, доля частиц размером 4,03…11,0 мкм увеличивается с 33,8% до 46,5%).
Таблица 2
Совместное измельчение окислителя и модификатора в дисциллированной воде при разном соотношении твердой фазы к жидкой среде
Соотношение твердой фазы к жидкой
100:1
100:3
100:5
100:10
Разогрев реакционной массы
очень быстро
умеренно
более умеренно
очень быстро
Из таблицы 2 следует, что при соотношении твердой фазы к жидкой среде 100:1 происходит быстрый разогрев во времени. Вода быстро нагревается за счет трения частиц твердых фаз и велика вероятность возникновения микровзрыва.
При соотношении твердой фазы к жидкой среде в пределах 100:(5…3) происходит равномерный нагрев жидкой фазы и, соответственно, хорошее измельчение, что и является оптимальным вариантом в нашем случае.
При соотношении твердой фазы к жидкой среде 100:10 измельчение происходит медленнее и увеличивается по времени, поскольку твердые частицы реже сталкиваются друг с другом, также уменьшается производительность аппарата.
Загрузку компонентов в аппарат осуществляют при температуре (20±5)°C. Чем выше температура окружающей воздуха, тем быстрее разогревается вода, что нежелательно, как было сказано выше.
Таким образом, разработан способ совместного измельчения (окислителя и модификатора горения) с заданным гранулометрическим составом для изготовления СРТТ. Данный способ разработан и опробован в условиях ФГУП «НИИПМ».