СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СМЕСИ ФРАКЦИЙ ОКИСЛИТЕЛЯ ИЗ КЛАССА ПЕРХЛОРАТОВ
METHOD OF PREPARING MIXTURE OF OXIDISING AGENT FRACTIONS FROM CLASS OF PERCHLORATES

Изобретение относится к области подготовки окислителя, применяемого при изготовлении зарядов из смесевого твердого ракетного топлива (СТРТ).
Перхлорат аммония (ПХА), применяемый в качестве окислителя в СТРТ, остается одним из основных его компонентов среди других окислителей из класса перхлоратов. Также нашел применение перхлорат калия, хотя в небольших объемах. Для обеспечения требуемых реологических свойств топливной массы, баллистических и физико-механических характеристик СТРТ перхлорат аммония применяется в виде смеси из нескольких фракций, отличающихся по размерам частиц.
Изготовление смеси фракций окислителя заключается в дозировании отдельных фракций и смешивании их. Размер частиц в используемых фракциях окислителя и массовая доля их определяются композицией СТРТ. Известны технологические процессы и оборудование для получения различных фракций перхлората аммония и смесей их: аналитический обзор №14 (121) за 1982 г. "Подготовка перхлората аммония на заводах СТРТ" (по материалам открытой зарубежной печати за 1965-1982 гг. ГОНТИ - 0409) и патент RU 2317280 С1, МПК С06В 21/00, заявка 2006129077/02, 10.08.2006 (Установка для приготовления порошкообразной смеси на основе перхлората аммония (ПХА), используемого в качестве окислителя для заряда ракетного двигателя на твердом топливе).
Из указанных источников следует, что как за рубежом, так и в России части перхлората аммония, отличающиеся по дисперсности, независимо от способа получения принято называть фракциями. Дисперсность оценивается по удельной поверхности или гранулометрическому составу путем рассева через сита. Дисперсность по удельной поверхности определяют для фракций с размером частиц менее 50 мкм, а по гранулометрическому составу для фракций с размером частиц более 50 мкм.
Частицы окислителя, как водорастворимого вещества, даже при наличии сотых долей влаги и незначительном изменении атмосферных условий (температуры и относительной влажности воздуха) склонны к агрегированию, слеживанию. Особенно эти процессы ускоряются с уменьшением размера частиц, а это приводит к изменению гранулометрического состава с укрупнением частиц и к отклонению от заданных характеристик СТРТ, а в конечном счете параметров ракетного двигателя.
2
По патенту РФ №2211207, МПК С06В 21/00, С05С 3/0, С06В 29/22, 45/32 (Способ гидрофобизации перхлората аммония) предложен высокоэффективный способ защиты тонкоизмельченных частиц перхлората аммония путем гидрофобизации обработкой метилтрихлорсиланом. Указанный патент принят в качестве прототипа. Способ по вышеуказанному патенту обеспечивает изготовление высокодисперсной гидрофобизированной фракции перхлората аммония со стабильной дисперсностью, оцениваемой по удельной поверхности от 5400 до 7300 см/г и содержанием алкилсилоксанового покрытия от 0,11 до 0,25 мас.%. Способ включает также получение смесей фракций с вводом гидрофобизированной фракции перхлората аммония от 1,5 до 77%.
Однако способ по вышеуказанному патенту имеет недостаток. При обработке перхлората аммония парами метилтрихлорсилана происходит взаимодействие его с влагой, адсорбированной на поверхности частиц. При этом на поверхности частиц образуется алкилсилоксановое покрытие с выделением побочного продукта хлористого водорода. В технологическом процессе предусмотрено удаление хлористого водорода путем вакуумного отсоса. Однако следы его остаются, что подтверждается водородным показателем рН. Проведенными исследованиями установлено влияние рН гидрофобизированной фракции перхлората аммония на один из показателей технологичности топливной массы СТРТ - так называемой ее живучести. Она характеризует способность топливной массы сохранять технологические свойства (вязкость), обеспечивающие удовлетворительное ведение процесса перемешивания, гомогенизации топливной массы, вакуумирования, экструзию ее с заполнением формообразующей оснастки.
Технической задачей изобретения является разработка способа изготовления смеси фракций окислителя из класса перхлоратов с вводом гидрофобизированной фракции перхлората аммония, определением и нормированием ее рН, обеспечивающим требуемый уровень живучести топливной массы при получении и переработке ее для бездефектного формования зарядов из СТРТ.
2
2
Технический результат для качественного формования зарядов из СТРТ за счет использования способа изготовления смеси фракций окислителя из класса перхлоратов с использованием крупных фракций перхлоратов аммония с частицами 160-315 мкм и калия с частицами 80-315 мкм, получением мелких фракций перхлората аммония с удельной поверхностью 2700±200 см/г и гидрофобизированной фракции с удельной поверхностью от 5400 до 7300 см/г, содержащей алкилсилоксановое покрытие от 0,11 до 0,25 мас.%, дозирование и смешивание фракций окислителя, достигается при выполнении условий, что у каждой порции гидрофобизированной фракции перхлората аммония определяют рН, комплектуют порции ее из расчета получения среднеарифметического значения рН в пределах от 4,7 до 5,1 с округлением до десятых долей, при этом дозирование порций гидрофобизированной фракции перхлората аммония осуществляют исходя из обеспечения отклонений рН у этой фракции не более ±0,1 от среднеарифметического значения в каждой мешке смеси фракций окислителя.
Ранее качество гидрофобизированной фракции перхлората аммония оценивали по удельной поверхности и содержанию алкилсилоксанового покрытия. Проведенными исследованиями установлено влияние рН среды гидрофобизированной фракции перхлората аммония на реологические свойства топливной массы СТРТ, а именно на степень нарастания вязкости в процессе выдержки при определенной температуре. Технологический процесс изготовления зарядов из СТРТ включает ряд операций: дозирование компонентов, смешивание фракций окислителя со связующим до получения однородной массы, вакуумирование для удаления воздуха, заполнение в корпус ракетного двигателя. На выполнение этих операций затрачивается определенное время. Топливная масса СТРТ в течение этого времени должна сохранять свою живучесть. Живучесть характеризуется временем, в течение которого топливная масса СТРТ сохраняет, при заданных технологическим регламентом температурных условиях, способность перерабатываться и формоваться с последующим получением монолитных бездефектных зарядов. Живучесть устанавливается по времени достижения от исходного до установленного технологическим регламентом уровня вязкости при заданной температуре. В таблице, показаны данные по живучести топливной массы СТРТ для одного из изделий, определенной при температуре 60°С, в зависимости от рН использованной гидрофобизированной фракции перхлората аммония.
Таблица 1
Зависимость живучести СТРТ от рН гидрофобизированной фракции перхлората аммония
№ образца
рН гидрофобизированной фракции
Живучесть, час
1
4,0
0
2
4,2
1
3
4.3
3
4
4,5
5; 8*
5
4,7
5; 8*
6
4,9
7
* - при замене партии каучука.
Из приведенных в таблице данных видна зависимость живучести топливной массы от рН гидрофобизированной фракции перхлората аммония. Получение приемлемой для переработки топливной массы по принятому технологическому процессу по уровню живучести может быть обеспечена при использовании гидрофобизированной фракции перхлората аммония с рН не менее 4,5, который составляет нижний предел. По статистическим данным верхний предел рН не превышает 5,1. Значение живучести в некоторой степени можно повысить за счет подбора исходных материалов. Так на образцах 4 и 5 при замене партии каучука живучесть получена 8 часов.
Формование зарядов производят из топливной массы, которую после заполнения корпуса изделий отверждают. Для получения стабильного по своим характеристикам заряда СТРТ топливная масса должна быть во всем объеме однородна по компонентному составу и реологическим свойствам, в том числе и по живучести.
Анализ статистических данных показан на приведенном чертеже в графической форме по распределению в процентах частных партий гидрофобизированной фракции перхлората аммония по значению рН. Из данных графика видна реальная возможность обеспечения разброса рН в пределах ±0,1 от среднего значения путем дозировки этой фракции в процессе приготовления смеси фракций. При среднем значении рН, равном 4,7, в рамки допуска ±0,1 входят около 70% частных партий гидрофобизированной фракции перхлората аммония. Близкое количество остальных около 30% частных партий гидрофобизированной фракции перхлората аммония с большими отклонениями со знаком + и - от средней величины позволяет путем пропорциональной дозировки их при приготовлении смеси фракций войти в вышеуказанные рамки отклонений ±0,1.
При приготовлении СТРТ окислитель вводят в виде предварительно приготовленной смеси из нескольких фракций, отличающихся по размерам частиц. Приготовление смеси фракций заключается в дозировании исходных фракций в заданном рецептурой СТРТ соотношении в смесительный аппарат и перемешивании в нем, выгрузке с расфасовкой в контейнеры.
2
2
Каждая фракция имеет определенную марку. В качестве крупной фракции используют перхлорат аммония с частицами 160-315 мкм под маркой Д-160+315. Эту фракцию поставляет завод-поставщик после выделения на ситовом аппарате. Одновременно завод-поставщик направляет побочные фракции с размером частиц более 315 мкм и менее 160 мкм, имеющие соответственно марки Д+315 и Д-160. Сетки для ситовых аппаратов не выпускаются промышленностью с размером ячеек менее 40 мкм по ГОСТ 6613-86. В связи с этим фракции с размером частиц менее 40 мкм получают измельчением побочных фракций Д+315 и Д-160 на различных аппаратах в зависимости от требуемой дисперсности, которую контролируют по удельной поверхности. Фракцию перхлората аммония марки "С" с нормированной удельной поверхностью 2700±200 см/г получают измельчением на струйной мельнице, совмещенной с классификатором. Гидрофобизированную фракцию перхлората аммония получают измельчением вышеуказанных побочных фракций на струйно-ударной мельнице в потоке осушенного воздуха, затем измельченную фракцию перхлората аммония подвергают гидрофобизации путем обработки с метилтрихлорсиланом. При этом на поверхности частиц образуется гидрофобное алкилсилоксановое покрытие. Гидрофобизированная фракция перхлората аммония имеет марку "П" и должна удовлетворять требованиям: удельная поверхность в пределах от 5400 до 7300 см/г, содержание алкилсилоксанового покрытия от 0,11 до 0,25 мас.%. Дозирование гидрофобизированной фракции "П" производят следующим образом. Изготовление гидрофобизированной фракции производят порциями до 1195 кг. Масса порции определяется количеством выгруженного гидрофобизированного перхлората аммония из аппарата, в котором осуществляется гидрофобизация. У каждой порции гидрофобизированной фракции перхлората аммония определяют рН. По полученным результатам комплектуют порции в количестве, потребном для приготовления смеси фракций окислителя. При комплектации исходят из того, чтобы среднеарифметическое значение рН в гидрофобизированной фракции перхлората аммония находилось в пределах от 4,7 до 5,1. Затем проводят дозирование в смеситель фракций окислителя в заданном рецептурой соотношении. Дозирование гидрофобизированной фракции перхлората аммония осуществляют из расчета обеспечения рН в гидрофобизированной фракции ПХА в каждой мешке смеси фракций окислителя с отклонением не более ±0,1 от среднеарифметического значения, полученного при комплектации порций гидрофобизированной фракции перхлората аммония.
Калий хлорнокислый (перхлорат калия) применяют по ТУ 6-02-627-78 с частицами 80-315 мкм.
Судя по указанным размерам перхлорат калия, применяемый по указанным техническим условиям при изготовлении СТРТ, отнесен к разряду крупных фракций.
В соответствии с заданной рецептурой соотношения применяемых фракций и марок окислителя производят дозирование их с загрузкой в смеситель с последующим перемешиванием по режимам, указанным в технологическом регламенте. Готовую смесь фракций окислителя выгружают из смесителя с приемом в контейнеры. Каждая порция приготовленной смеси фракций составляет мешку.
Пример 1
2
2
Необходимо изготовить смесь фракций окислителя из фракции "С" перхлората аммония с удельной поверхностью 2700±200 см/г при массовой доле 80% и гидрофобизированной фракции "П" перхлората аммония с удельной поверхностью от 5400 до 7300 см/г, содержащей алкилсилоксановое покрытие от 0,11 до 0,25 мас.% при массовой доле 20%. Для изготовления партии смеси фракций окислителя изготовлены 6 порций гидрофобизированной фракции перхлората аммония марки "П". При анализе получены следующие данные по рН (см. табл.2).
Таблица 2
Номера порций
1
2
3
4
5
6
рН
4,4
4,6
4,7
4,8
5,0
5,1
Отклонения от среднего значения
-0,4
-0,2
-0,1
0
+0,2
+0,3
Проводят расчет среднеарифметического значения pH
после округления до десятых долей получают рН=4,8. Определяют отклонение рН порций от среднеарифметического значения. Для получения отклонения рН гидрофобизированной фракции перхлората аммония фракции марки "П" в пределах ±0,1 от среднеарифметической величины порции 3 и 4 дозируют отдельно без выполнения дополнительных операций. Порции 2 и 5 дозируют при приготовлении мешек смеси фракций окислителя пропорционально по 50%. Аналогично дозируют порции 1 и 6, при этом отклонение от среднеарифметической величины с округлением до десятых долей составит -0,1, то есть в рамках принятого допуска.
Приготовление смеси фракций окислителя проводят в барабане смешения. В него в требуемом соотношении 80 и 20% дозируют соответственно фракции "С" и "П" при заданной общей массе мешки, например 1200 кг, и производят перемешивание. Перемешанную смесь фракций выгружают с укупоркой в контейнеры. Из мешек комплектуют партию смеси фракций в количестве, необходимом для изготовления партии зарядов.
Пример 2
Требуется изготовить смесь фракций из:
перхлората калия
20%
(размер частиц от 80 до 315 мкм)
перхлората аммония:
фракции марки Д-315+160
30%
фракции марки "П"
25%
фракции марки "С"
25%
Для изготовления партии смеси фракций указанного состава наработана гидрофобизированная фракция "П" перхлората аммония, состоящая из порций, со следующими показателями рН.
Таблица 3
Номера порций
1
2
3
4
5
рН
4,5
4,6
4,7
4,8
4,9
Отклонения от среднего значения
-0,2
-0,1
0
+0,1
+0,2
При расчете среднеарифметическое значение рН получено 4,7. Вычисленные отклонения рН от среднеарифметического значения по отдельным порциям приведены в вышеуказанной таблице. Для получения отклонения рН в гидрофобизированной фракции ее дозируют в мешки при изготовлении смеси фракций. Порции 2, 3 и 4 дозируют по отдельности, т.к. укладываются в допуск ±0,1 от среднеарифметической величины по рН=4,7. Дозировку порций 1 и 5 при приготовлении мешек смеси фракций производят по 50%. Дальнейшие операции после ввода фракции перхлората калия и фракций марок Д-315+160, "С" и "П" перхлората аммония выполняют так же, как в примере 1.
Предложенный способ изготовления смеси фракций окислителя направлен на повышение качества изготовляемых зарядов СТРТ для ракетной техники.
Способ изготовления смеси фракций окислителя проверен с положительными результатами на Федеральном казенном предприятии "Пермский пороховой завод".