СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ РАБОЧЕЙ СМЕСИ ПОРОШКОВ
METHOD OF PRODUCING WORKING MIX OF POWDERS

Изобретение относится к технологии подготовки порошкообразных компонентов и их смесей на основе перхлората аммония, применяемых при изготовлении зарядов из смесевого твердого ракетного топлива (СТРТ) и может быть использован при приготовлении смесей из порошкообразных взрывчатых веществ и пиротехнических составов.
В составах СТРТ в качестве окислителя преимущественно применяется перхлорат аммония в виде смеси его различных фракций с вводом добавочных порошкообразных компонентов специального назначения. Эту смесь принято называть рабочей смесью порошков (РСП). В патенте РФ №2317280, МПК С06В 21/00 приоритет от 10 августа 2006 г. "Установка для приготовления порошкообразной смеси на основе перхлората аммония (ПХА), используемой в качестве окислителя для заряда ракетного двигателя на твердом топливе" приведено аппаратурное оформление схемы технологического процесса получения различных фракций и смеси их с добавочными компонентами. Приведенная в указанном патенте схема в части дозирования фракций, добавочных компонентов, смешивания их, выгрузки через накопитель, просеивания и расфасовки в контейнеры принята за прототип.
К недостаткам прототипа следует отнести отсутствие в нем порядка дозирования мелкой и крупной фракций, добавочных компонентов и режимов их перемешивания, которые, во многом определяют качество получаемой рабочей смеси порошков, требуемой для СТРТ. Вопросу смешивания различных фаз, в том числе зернистых материалов, посвящены разделы 1.7.1 и 1.7.3 в "Новом справочнике химика и технолога "Процессы и аппараты химических технологий", Часть 1, НПО "Профессионал", Санкт-Петербург, 2004. Однако в этом источнике указаны только общие принципы подхода при выборе способа смешивания. В частности, отмечено существенное влияние на время достижения требуемого качества смеси, последовательности и способа загрузки исходных смешиваемых компонентов, но отсутствует конкретизация параметров процесса.
Теория процессов перемешивания и описание наиболее распространенного оборудования, применяемого при выполнении этой операции, описаны в разделе 9.4 на стр.153-177 книги М.Б.Генералова "Основные процессы и аппараты технологии промышленных взрывчатых веществ", Москва, ИКЦ "Академкнига", 2004. В том же разделе на стр.176-177 дано описание смесителя, аналогичного по конструкции двухвальному смесителю с лопастями, применяемому при приготовлении рабочих смесей порошков. Однако работа смесителя описана в отрыве от дозирующих устройств. В книге авторов Н.А.Симбирцева, Ю.М.Милехина, В.М.Меркулова, Ю.Б.Бонзулы "Основы технологии подготовки дисперсных материалов при переработке энергетических конденсированных систем", Москва, 2006, имеется специальный раздел 7, относящийся к смешиванию дисперсных материалов и приготовлению рабочих смесей порошков. В этом источнике также не нашло отражения в части конкретных рекомендаций по качественному смешиванию отличающихся по размерам фракций зернистых материалов с вводом малого количества добавочных компонентов.
При изготовлении СТРТ установлены жесткие требования как по обеспечению содержания компонентов, так и по соотношению отдельных фракций перхлората аммония. Эти требования обусловлены необходимостью обеспечения заданных параметров по баллистическим и физико-механическим характеристикам.
Технической задачей изобретения является обеспечение получения качественной рабочей смеси порошков по гранулометрическому составу путем оптимизации порядка ввода фракций перхлората аммония, добавочных компонентов и времени их перемешивания.
Техническим результатам предлагаемого изобретения является приготовление качественной рабочей смеси порошков путем смешивания крупной фракции ПХА с размером частиц 160-315 мкм и мелкой фракции с размером частиц ПХА менее 50 мкм в двухвальном смесителе с лопастями в соотношении 20/80…80/20 мас.%, при этом дозируют вначале крупную, а затем мелкую фракции по 1/4 части их в четыре приема, в каждом приеме перемешивают в течение 5-7 минут при одновременной работе смесителя и реверсивного шнека в режиме запирания, на конечной стадии реверсивный шнек отключают и продолжают перемешивание в смесителе до 30-36 минут, выгружают при работающем смесителе и включенном на режим выгрузки реверсивном шнеке, транспортируют шнеками в промежуточную емкость, из нее - в сепаратор, просеивают в контейнер, установленный на весах. В первом приеме после загрузки крупной и мелкой фракций перхлората аммония дозируют добавочные компоненты.
В технологическом процессе изготовления СТРТ дозировка полуфабрикатов производится по трем потокам: рабочей смеси порошков, смеси жидковязких компонентов и смеси отвердителей. Рабочая смесь порошков представляет собой тщательно перемешанную смесь фракций перхлората аммония, отличающихся по размерам частиц, в заданном соотношении, а также добавочных компонентов. В настоящее время преимущественно применяются фракции перхлората аммония:
- крупная с размерами частиц 160-315 мкм, поставляемая заводом-изготовителем под маркой Д+160-315,
мелкая с размерами частиц до 50 мкм под маркой фракция "С", изготавливаемая на заводах-производителях СТРТ.
В зависимости от состава СТРТ и требований по баллистическим и физико-механическим характеристикам соотношение между фракциями перхлората аммония составляет:
Содержание каждого из вводимых добавочных компонентов не превышает 0,4%.
Из теории и практики смешивания известно, что чем меньше разница в содержании смешиваемых компонентов, тем быстрее происходит их распределение между собой. Поэтому при малом содержании добавочных компонентов необходимо их предварительно смешивать с частью основного компонента - перхлората аммония.
Мелкая фракция ПХА обладает плохой сыпучестью, комкуется и слеживается. По этой причине при загрузке сначала мелкой фракции она займет донную часть смесителя. Находясь в зазоре между дном смесителя и лопастями, мелкая фракция будет плохо перемешиваться с крупной фракцией.
Крупная фракция обладает текучестью, не комкуется и не слеживается. При загрузке крупной фракции в начале процесса, а затем мелкой фракции условия для перемешивания улучшаются. В этом случае мелкая фракция проходит в промежутки между частицами крупной фракции, что способствует более качественному перемешиванию. С учетом вышеуказанных принципов разработан технологический процесс приготовления рабочей смеси порошков.
Схема технологического процесса приведена на чертеже.
По приведенной схеме крупную фракцию с размером частиц 160-315 мкм из бункера 1 шнековым питателем подают в порционный весовой дозатор 3, настроенный на взятие % части этой фракции и ссыпают в двухвальный смеситель 5 с лопастями. Затем мелкую фракцию ПХА с размером частиц менее 50 мкм из бункера 2 с ворошителем при помощи питающего шнека подают в порционный весовой дозатор 3, настроенный на взятие 1/4 части требуемой навески этой фракции. Навеску ссыпают в двухвальный смеситель 5 с лопастями. Затем всю навеску добавочных компонентов дозируют дозатором 4 в двухвальный смеситель 5 с лопастями. Включают реверсивный шнек 6 на запирание и привод двухвального смесителя 5 с лопастями на перемешивание в течение 5-7 минут. В этот период происходит распределение крупной и мелкой фракций и добавочных компонентов в объеме двухвального смесителя 5 с лопастями. Лопасти на валах закреплены таким образом, что обеспечивают циркуляцию перемешиваемых компонентов, перемещая их из одной половины смесителя в другую. Аналогичным образом производят дозирование второй, третьей и четвертой частей крупной и мелкой фракций ПХА. После загрузки последних порций крупной и мелкой фракций их перемешивают в двухвальном смесителе с лопастями, после 5-7 минут перемешивания отключают реверсивный шнек и продолжают перемешивание до 30÷36 минут. Прибавленную вышеуказанным образом рабочую смесь порошков выгружают. Для этого включают привод двухвального смесителя с лопастями, реверсивный шнек 6 на режим выгрузки, транспортный шнек 7. При этом рабочая смесь порошков поступает в бункер 8. По истечении 5 минут включают сепаратор 10, транспортный шнек 9, и просеянная на сепараторе рабочая смесь порошков поступает в контейнер 11. После набора заданной массы рабочей смеси порошков в контейнере 11 по показаниям весов 12 автоматически отключаются сепаратор и транспортный шнек. Заполненный контейнер заменяют на пустой и процесс продолжают, включив сепаратор 10 и транспортный шнек 9.
Выбор оптимальных параметров способа приготовления рабочей смеси порошков подтверждается нижеуказанным примером.
Пример.
Требуется изготовить по 1000 кг рабочей смеси порошков при крайних значениях содержания крупной и мелкой фракции - с содержанием крупной фракции 80 мас.% и 20 мас.% мелкой и 20 мас.% крупной и 80 мас.% мелкой фракций, а также по 0,4% фосфата кальция - добавки против слеживания.
Для приготовления рабочей смеси порошков необходимо в первом случае дозировать 800 кг крупной и 200 кг фракции с размером частиц менее 50 мкм, а также 4 кг фосфата кальция, а во втором случае 200 кг крупной и 800 кг мелкой. Для загрузки в четыре приема необходимо дозировать по 200 кг крупной и 50 кг мелкой фракции в первом случае и по 50 кг крупной и 200 кг мелкой во втором случае в каждый прием.
Режимы приготовления рабочей смеси порошков для указанных случаев приведены в таблице 1.
Таблица 1
Соотнош. фракций
Приемы
Дозировка, кг
Продолжительность перемешивания, мин
Продолжительность работы реверсивного шнека в режиме запирания, мин
Крупной фракции ПХА
Мелкой фракции ПХА
Фосфата кальция
1
2
3
4
5
6
7
80% крупной 20% мелкой
Первый
200
50
4
5
7
Второй
200
50
-
5
7
Третий
200
50
-
5
7
Четвертый
200
50
-
5
7
20% крупной 80% мелкой
Первый
50
200
4
7
5
Второй
50
200
-
7
5
Третий
50
200
-
7
5
Четвертый
50
200
-
7
5
При приведенных в таблице 1 режимах по визуальным наблюдениям обеспечивается равномерное распределение фракций в объеме смесителя и отсутствие высыпания из двухвального смесителя через реверсивный шнек.
Для установления требуемого времени перемешивания в четвертом приеме проведено определение влияния продолжительности перемешивания на качество рабочей смеси порошков по гранулометрическому составу. При этом взяты предельные значения в соотношении между фракциями, как наиболее трудносмешиваемые, а именно
Оценка качества приготовления РСП по вышеприведенным режимам показана в таблице 2.
Таблица 2
Соотношение фракций
Оценка качества
Продолжительность перемешивания, мин
Гранулометрический состав, %
Содержание частиц с размером 160-315 мкм, мас.%
Содержание частиц с размером менее 50 мкм, мас.%
80% крупной 20% мелкой
Норма по научно-технической документации
66,5-80
17-20
По анализу
25
64,0
21,1
По анализу
28
65,0
20,5
По анализу
30
67,0
19,5
По анализу
36
70,0
18,5
По анализу
40
69,0
18,7
20% крупной 80% мелкой
Норма по научно-технической документации
17-20
66,5-80
По анализу
26
22,0
63,5
По анализу
29
20,5
66,0
По анализу
30
19,5
68,0
По анализу
36
19,5
70,0
По анализу
40
19,3
69,5
По приведенным в таблице 2 данным минимально допустимое время перемешивания, при котором обеспечивается получение рабочих смесей порошков с заданным гранулометрическим составом, составляет 30 минут. Увеличение времени перемешивания приводит к снижению производительности технологического процесса. С учетом выполнения технологических требований ведения процесса максимально допустимое время перемешивания устанавливается 36 минут.