Шидловский. Основы пиротехники

Мировое производство спичек — 30 миллиардов коробок в год; на одну коробку расходуется около 1 г спичечной массы. Следовательно, расход сличенной массы в мировом масштабе со-

* В США уже несколько лет проводятся испытания лазерной винтовки, с помощью которой можно ослепить противника, на небольшом расстоянии воспламенить на нем одежду, вызвать взрыв боеприпасов составляет десятки тысяч тонн в год. При таком масштабе (десятки миллиардов коробок) производство спичк, конечно, автоматизировано: на спичечных фабриках сейчас работают весьма совершенные автоматы.

Процесс воспламенения современных спичек таков: при трении спичечной головкой о намазку на коробке происходит экзотермическая реакция .между красным, фосфором .(в намазке) и бертолетовой солью (в головке спички). От тепла этой реакции происходит воспламенение спичечной головки.

Окислителем в составе спичечной головки является пока исключительно КСlO3 — вещество, весьма легко отдающее свой кислород. Горючих обычно в спичечном составе два: сера и животный (костный) клей. Выбор горючих обоснован и химически, и технологически: смесь КСlO3+S имеет сравнительно низкую температуру вспышки (220° С) и, обеспечивает легкость воспламенения состава; животный клей вводится в виде водного раствора (при сушке вода удаляется), создает необходимую консистенцию массы и предохраняет при хранении спичек их головки от увлажнения. Однако обычно зажигательные спичечные составы содержат 6—8 компонентов, так как в них входят еще катализаторы, ускоряющие разложение бертолетовой соли (MnO2, К2Сг2О7), наполнители (железный сурик Fe3O4, цинковые белила ZnO и др.), вещества, повышающие чувствительность (по терминологии спичечников «чуткость») спичечной головки к трению (молотое стекло), а также органические красители .(доли %) [127].

В качестве примера можно привести рецепт следующего состава (в %).

Фосфорная масса (намазка на коробке) состоит из следующих компонентов (в %):

Качество спичек обычно оценивается:

251

1)по результату их контрольного зажигания (здесь одновременно проверяется качество и спички и намазки);

2)определением «чуткости» (на особом приборе);

3)определением влагостойкости спичек при выдержке их в течение 24 ч при комнатной температуре и при 99,4%-ной относительной влажности; затем проводится контрольное зажигание;

4)определением температуры вспышки спичечных головок;

5)определением адгезии между спичечной головкой и соломкой спички.

Спичечная соломка перед изготовлением спичек во избежание ее тления пропитывается 1,5%-ным раствором Н3Р04, а затем парафинируется (окунание в расплавленный парафин).

Кроме обычных (бытовых) спичек, изготовляются еще спички специальные:

1.Штормовые, горящие на ветру, в сырости и под дождем.

2.Термические, развивающие при горении более высокую температуру и дающие при сгорании головки большее количество тепла.

3.Сигнальные, дающие при горении цветное пламя.

4.Фотографические, дающие мгновенную яркую вспышку, используемую при фотографировании и др.

В США изготовляются также спички, воспламеняющиеся при трении о любую шероховатую поверхность (так называемые спички SAW (strike anywhere). Особенностью таких составов является наличие в них сесквисульфида Р4S3.

§ 4. ФЕЙЕРВЕРОЧНЫЕ СОСТАВЫ

Эти составы весьма разнообразны. Большое значение при изготовлении фейерверков имеют не только рецепты составов, но и конструкция фейерверочного изделия.

Основными видами фейерверочных составов являются: составы цветных огней, искристые составы и составы звуковые, однако возможна и комбинация этих эффектов. Могут быть иопользованы огневые составы многих разных цветов: красного, розового, оранжевого (соли кальция), желтого, зеленого (соединения бария, меди, иногда соединения бора), синего (соединения меди), фиолетового (комбинация соединений Са и Си), лунно-белого (комбинация солей Ва и. Sr). В частности, для получения голубого пламени был предложен следующий состав (в %): КС1O4— 58, CuO—25, C6Cl6—12, стеарин—5 и графит (сверх 100%)-3.

Советскими специалистами разработаны фейерверочные составы с окислителем — хлорнокислым аммонием (см. табл. 21.1).

Мерцающие составы, разработанные советскими пиротехниками, могут давать пламя различных цветов (см. табл. 21.2).

252

Для звукового эффекта может быть использован состав (в %), состоящий из следующих компонентов:

КС1O4—63—69, А1-пудра—32—36, графит—1.

Раскаленные частицы при горении искристо-форсовых составов образуются за счет наличия в составе искрообразователей— порошков угля, чугуна, меди, алюминия и его сплавов. Так na Таблица 21.1

Фейерверочные составы цветных огней

Таблица 21.2

пример, один из искристо-форсовых составов содержит 50—60% NH4C1O4, 6—10% идитола, 12—16% уротропина, 22—28% чугунных или алюминиевых опилок.

253

ГЛАВА XXII

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ПИРОТЕХНИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Современное пиротехническое производство представляет собой сложный комплекс производственных цехов и мастерских, соединенных, в единый технологический поток, в котором четко выражена специфичность отдельных фаз производства.

Пополнение аппаратурного и машинного парка посредством заимствования оборудования из родственных отраслей промышленности, а также разработка новых механизмов существенно изменили лицо пиротехнических производств и организацию технологических процессов в них.

За последние годы значительно расширилась номенклатура пиротехнических изделий.

Вес пиротехнического состава в изделиях колеблется от нескольких граммов до нескольких сот килограммов.

Технологический процесс изготовления любого пиротехнического изделия может быть разбит, на следующие фазы:

1.Подготовка компонентов (раскупорка тары, контрольный просев металлических порошков, дробление, сушка и измельчение окислителей, дробление и измельчение связующих и технологических добавок).

2.Приготовление составов (весовое или объемное дозирование компонентов перед смешиванием, смешивание, провялка, гранулирование, сушка или полимеризация составов).

3.Формование шашек (факелов, звездочек или зарядов) путем прессования, литья или шнекования.

4.Сборка пиротехнических изделий и их укупорка.

5.Изготовление бумажных, пластмассовых и металлических оболочек, корпусов и укупорки.

6.Испытание составов, сформованных зарядов, шашек и т. д. и готовой продукции.

254

Каждая из этих фаз имеет собственную производственную базу, оснащенную соответствующим оборудованием и приборами. 294

Общими требованиями, которым должно отвечать любое пиротехническое производство, являются:

—чистота производственных помещений, исключающая попадание в составы всякого рода посторонних включений;

—применение взрыве и пожаробезоласной аппаратуры и oборудования;

—нормальная относительная влажность и температура в помещениях (влажность — не более 65%, температура 20—25° С);

—соблюдение при выполнении технологических операций правил по технике безопасности.

Надежность и безопасность действия пиротехнических изделий зависят от качества исходных компонентов.

Качество приготовляемых составов (во многом зависящее от устройства смесительного оборудования) контролируется аналитическими лабораториями и службами отдела технического контроля.

Надежность и безотказность действия сформованных тем или иным методом шашек и готовой продукции устанавливается испытаниями, проводимыми для каждого изделия по специальной программе.

255

§ 1. ПОДГОТОВКА КОМПОНЕНТОВ

Компоненты поступают на пиротехнические предприятия в самой различной укупорке. Так, порошки M.g, A1, сплава AM, поступают в металлической укупорке; цирконий — в металлической укупорке или в полиэтиленовых мешках в увлажненном виде.

Снятие крышек с банок производится ломиками из цветного металла во избежание искрообразования. За последние годы было разработано и внедрено в производство несколько аппаратов для раскупорки металлических банок с порошками. Так как эта операция пожароопасна, управление работой таких аппаратов осуществляется дистанционно.

Наиболее простым по устройству является аппарат, в котором извлечение крышки осуществляется специальной насадкой с раскрывающимися клиньями (типа китобойного гарпуна). При движении насадки вниз крышка банки с металлическим горючим прокалывается, и при подъеме насадки раскрывающиеся лепестки увлекают за собой ее вверх, открывая банку. Движение насадки с лепестками осуществляется от пневмоцилиндра. Банку с металлическим порошком устанавливают в приспособлении на тележке, на которой она вывозится в помещение для контрольного просева порошка.

Контрольный просев осуществляют на ситах-трясунах или на виброситах. Опрокидывание банки с порошкам производится с помощью механического приспособления без присутствия оператора.

Схема устройства для контрольного просева порошков представлена на рис. 22.1. Порошки Mg, сплавов AM и A1 сушке не подвергаются, так как они не гигроскопичны и прибывают на пиротехнические заводы в готовом для дальнейшего производства виде.

Порошок циркония перед запуском в производство обезвоживают (он поступает с заводов-изготовителей в сосудах под слоем воды). Наиболее прогрессивным способом является сушка циркония в вакуум-сушильных установках.

Влажность окислителей, применяемых для приготовления пиротехнических составов, не должна превышать 0,2%.

Бумажные мешки отделяются от содержащихся в них окислителей, как правило, вручную.

Для извлечения окислителей из бочек применяется шнековая установка, в которой при высверливании продукта происходит одновременно его разрыхление. Устройство установки представлено на рис. 22.2.

256

Рис. 22.2. Установка для высверловки продукта из бочки:

/—рама; 2— стол; 3— каретка подвижная; 4— шнек; 5 —нож; 6— дробилка; 7—электродвигатель; 8—винт ходовой; 9—люк загрузочный

После грубого дробления окислители подвергаются сушке. В тех случаях, когда потребность в них невелика (30—50кг за смену), применяют вакуумсушилки периодического действия, например, вакуумсушиль-ный шкаф с автоматической регулировкой температуры ЦВШ 7*2,5 завода «Коростеньхиммаш» (УССР).

Это — горизонтальный сварной цилиндрический сосуд со сферической крышкой, которая отводится вручную посредством поворотного кронштейна.

Внутри корпуса установлены полые обогревательные плиты, которые соединяются с коллектором посредством специальных патрубков.

Крышка прижимается к корпусу шестью откидными болтами и уплотняется резиновой прокладкой.

На плиты устанавливают по три лотка с высушиваемым окислителем. На днище и крышке шкафа имеются смотровые окна. На корпусе шкафа установлены контрольноизмерительные приборы: манометр, ртутный термометр, вакуумметр, самопишущий регулирующий температуру в шкафу термометр типа 04-Т6Г-410 с редуктором П-280, воздушным фильтром типа П-112. Корпус шкафа представляет собой цилиндрическую обечайку диаметром 1150 мм и толщиной 10 мм. В нижней части аппарата имеется штуцер для слива конденсата и лапы для установки аппарата на фундамент. Температура греющей поверхности паровых плит регулируется изменением подачи пара мембранным исполнительным механизмом. Значение величины температуры записывается на дисковой диаграмме.

Для создания в шкафу вакуума используют вакуумные насосы типа ВВИ-12, РМК-1, РМК- 2 и др.

Техническая характеристика шкафа

Давление пара в плитах в МН/м2 . . . 0,4 (4 кгс/см2) Габаритные размеры в мм:

257

Производительность шкафа определяется опытным путем. При высоте слоя компонента на лотке около 20 мм при остаточном давлении ,в шкафу до 20 мм рт. ст. и при температуре пара 110° С он-а колеблется для различных окислителей в пределах 50—100 кг/ч (при начальной влажности продуктов 5—7% и конечной — 0,2%).

Вакуумная сушилка исключает пыление продукта, К ее недостаткам следует отнести периодичность работы и значительную затрату ручного труда при загрузке и выгрузке противней (насыпка и ссылка с них материала).

При необходимости получения за час большего количества продукта применяют различного типа сушилки непрерывного действия (см. ниже).

Измельчение компонентов. Для обеспечения гомогенности составов частицы окислителей, горючих и других компонентов состава должны иметь малые поперечные размеры, измеряемые десятками микрон.

Процесс уменьшения размеров кусков твердых продуктов принято называть дроблением. Процесс дальнейшего измельчения небольших кусков называют помолом. Различают крупное, среднее, мелкое и тонкое дробление, а также крупный (или грубый), средний, тонкий, сверхтонкий и коллоидный помол. Четкого различия между видами дробления и помола пока не существует.

На пиротехнических заводах применяют следующие типы аппаратов:

а) дисковые, щековые, валковые дробилки — для крупного дробления (начальный размер кусков 150—50 мм, конечный 10—5 мм);

б) однорядные молотковые дробилки — для мелкого дробления (начальный размер кусков 10—5 мм, конечный 0,5— 0,3 мм);

в) дезынтегратор, дисмембратор — для среднего помола (начальный размер частиц 500— 300 мкм, конечный 140—50 мкм);

г) шаровые мельницы, вибромельницы, газоструйные мельницы — для тонкого помола (размер частиц 60 и менее мкм).

Производительность измельчителей колеблется от 1 «г до нескольких сот килограммов готового продукта в час, что зависит от типоразмера дробильного (или помольного) аппарата и от физико-механических свойств измельчаемого материала.

Рассев компонентов. Для приготовления составов применяют компоненты, имеющие вполне определенный дисперсный состав. В связи с этим после помола окислители, связующие и другие компоненты подвергают фракционному рассеву (или контрольному просеву).

Порошки металлов (Mg, A1, сплав AM и др.) подвергают лишь контрольному просеву.

В качестве сит используются шелковые или металлические сетки. Согласно ГОСТ 6613— 53 на металлические сетки номер сетки указывает одновременно на размер стороны квадратной ячейки в мм. Шелковые сетки выпускаются по ГОСТ 4403—67.

258

Их нумерация определяет число отверстий на 1 см2 ткани и размер отверстий в мкм.

Широкое распространение нашли вибросита и сита-трясуны. Вибросита используются главным образом для контрольного просева металлических порошков.

Сита-трясуны используются для рассева окислителей. По своему устройству они не отличаются от сит, использующихся в химической и других отраслях промышленности.

В пиротехнической промышленности, однако, все сита оборудованы устройствами, исключающими пыление, и снабжены в необходимых случаях устройством для отвода статического электричества. Производительность сит достигает 500 кг B час.

За последние годы в химической промышленности все чаще используют агрегаты, в которых аппараты для дробления, сушки и рассева объединены воедино с помощью транспортных средств. Существует несколько конструктивных .вариантов их исполнения. На рис. 22.3 представлен агрегат для подготовки хлористого аммония. Продукт по монорельсу с помощью клещевого захвата (на рис. 22.3 не показан) транспортируется на приемный стол механизма предварительного дробления. Здесь мешок разрезается и слежавшийся конгломерат разбивается с помощью пневмомолотка в куски, которые затем вручную подаются в бункер шнекового питателя 2. После измельчения в двухступенчатой молотковой дробилке 3 продукт по пневмотранспортным трубам 4 и 5 подается в циклон, где он отделяется от воздуха и просыпается в бункер-накопитель 6. Воздух через клапанное устройство циклона подается на очистку.

Бункер-накопитель 6, установленный над рабочим объемом сушилки 7, соединен с секторным питателем, который порционно подает продукт через механизм разбрасывания на сито 8 сушилки 7.

Снизу сита 8, расположенного на решетке, подается горячий воздух вентилятором 10 из воздухоподогревателя 9. При подаче воздуха на сито 8 создается «кипящий» слой высушиваемого продукта. После удаления избыточной .влаги 'высушенный продукт через периодически открывающийся узел разгрузки, расположенный под ситом, просыпается ,в приемную тару (на рис. 22.S не показана), а отработанный воздух по воздуховоду // поступает на очистку. Производительность агрегата — до 600 кг в час высушенного продукта. Объединение оборудования в единый агрегат позволяет существенно увеличить .коэффициент использования производственных площадей и ликвидировать ручную межоперационную транспортировку.

§ 2. ПРИГОТОВЛЕНИЕ СОСТАВОВ

Смешивание пиротехнических составов является одной из самых важных операций. Состав должен быть однородным. Пробы составов, взятые из разных мест в чаше смесителя, не должны отличаться по химическому составу Друг от друга и должны соответствовать заданному рецепту.

259

Трудность состоит в том, что содержание некоторых компонентов в составах не превышает 2%. Часть компонентов вводится в составы в виде лаков различной концентрации. Кроме того, за последние годы нашли широкое применение жидкие высокомолекулярные связующие типа эпоксидных смол, полиэфиров и каучуков. В некоторых случаях процесс приготовления составов осуществляется при разрежении с одновременным подогревом до 60—70° С смешиваемой массы. Многие составы имеют значительную чувствительность к трению.

Все это вместе взятое сделало необходимым поиск новь/х конструктивных решений при разработке смесителей.

При конструировании смесителей необходимо было принимать во внимание также ограничения по загрузке пиротехническим составом бронекабин смешения.

Применяемые в настоящее время смесители с вертикальным расположением нескольких рабочих органов в отличие от однолопастных смесителей старых конструкций .(с горизонтальным расположением лопасти) имеют следующие преимущества:

а) сальниковые устройства и подшипники у таких смесителей вынесены из зоны контактирования с составом;

б) значительно облегчается очистка рабочих органов смесителей от налипшего состава;

в) упрощается выгрузка приготовленного состава из чаши смесителя (посредством дистанционного открытия люка в дне чаши);

г) появляется возможность в одном и том же аппарате осуществлять приготовление разного количества состава.

Наилучшими оказались смесители, принцип действия которых основан на планерном движении лопастей по пересекающимся траекториям с соотношением угловых скоростей 1 :2. Созданы и успешно эксплуатируются в ряде производств 2-, 3-, 4-лопаст-ные смесители с емкостью чаши от 0,75 до 600 л. Большое количество лопастей повышает интенсивность смешивания. Наибольшее распространение получили двухлопастные смесители. Кинематическая схема такого смесителя представлена на рис. 22.4, а расположение его лопастей в плане показано на рис. 22.5. При работе смесителей их чаши плотно прижимаются к упорному колпаку для исключения пыления.

Размеры чаши и деталей смесителя (рис. 22.5) определяются с использованием формул: D=3,2R+3,3б+0,66b;

0,02=Д—2(б+R)

где D — диаметр чаши в мм;

R — радиус окружности, описываемой лопастью; б — зазор между лопастью и стенкой чаши

b — толщина лопасти.

Так как в некоторых литературных источниках [51] содержатся неправильные сведения о соотношении скоростей движения лопастей в такого рода смесителях, обращаем внимание читателя на тот факт, что вращение лопастей по пересекающимся траекториям (см. рис.

22.5) возможно только при соотношениях угловых скоростей их движения 1 : 1 или 1 : 2.

260