Geum.ru

Федеральное агентство по образованию бийский технологический институт (филиал)

Вид материалаУчебное пособие

Содержание


3 Пиротехнические составы
3.2 Классификация пиротехнических составов
3.2.2 Сигнальные пиротехнические составы
3.2.3 Трассирующие составы
3.2.4 Зажигательные составы
Первая группа
Первая подгруппа
Вторая подгруппа
Вторая группа
Третья группа
Четвертая группа
3.2.5 Дымовые (маскирующие) составы
Подобный материал:
1   ...   9   10   11   12   13   14   15   16   17

3 ПИРОТЕХНИЧЕСКИЕ СОСТАВЫ


3.1 Общие сведения о пиротехнических составах [4, 85, 86, 90]


Пиротехнические составы − это гетерогенные смеси, способные к самостоятельному горению и дающие при горении световые, дымовые, тепловые, звуковые и другие эффекты. В зависимости от назначения они делятся на осветительные, фотоосветительные, трассирующие, зажигательные, инфракрасного излучения, сигнальные, дымовые, безгазовые, газогенерирующие, воспламенительные, свистящие, имитационные, целеуказательные и др. Пиротехнические составы используют-ся в военном деле и народном хозяйстве. Среди пиротехнических составов, применяемых в народном хозяйстве, следует выделить: фейерверочные, термитные для воздействия на переохлажденные облака и туманы; газогенерирующие, пестицидные, для получения тугоплавких металлов, подогрева пищи и защиты садов; спичечные, составы для уменьшения усадки и образования раковин в процессе охлаждения расплавленного металла и т.д. Также они делятся на плазменные, аэрозолеобразующие, тепловые, газогенерирующие.

По технологическим свойствам пиротехнические составы делятся на порошкообразные, гранулированные, термоэластопластичные и литьевые.

Независимо от назначения они должны давать при сгорании максимальный пиротехнический эффект при минимальном расходе состава.

К пиротехническим составам предъявляются следующие требования:
  • должны легко воспламеняться от воспламенительного состава или продуктов сгорания вышибного заряда, но не воспламеняться при небольшом повышении температуры или попадании искры;
  • сгорать равномерно или в пульсирующем режиме с определенной скоростью;
  • обладать минимальной зависимостью скорости горения от давления и температуры;
  • иметь малую чувствительность к механическим импульсам и минимальные взрывчатые характеристики;
  • обладать химической и физической стойкостью при длительном хранении;
  • не содержать в себе дефицитных, токсичных и не имеющих широкой отечественной сырьевой и производственной базы компонентов;
  • изделия должны обладать достаточной механической прочностью и не разрушаться при транспортировке и эксплуатации.

Технологический процесс изготовления должен быть простым и допускать возможность механизации и автоматизации производства.

Для изготовления пиротехнических составов используют окислители, горючие и цементирующие вещества.

В качестве окислителей в пиротехнических составах применяют вещества, содержащие достаточное количество кислорода и легко разлагающиеся при повышенных температурах (300–1200 °С). Из окислителей применяют:
  • нитраты (соли азотной кислоты) – нитрат натрия NaNO3, нитрат калия КNO3, нитрат бария Ba(NO3)2, нитрат стронция Sr(NO3)2;
  • перхлораты (соли хлорной кислоты) – перхлорат калия KClO4, перхлорат натрия NaClO4 и реже перхлорат аммония NH4ClO4 и перхлорат бария Ba(ClO4)2, т.к. они гигроскопичны;
  • перекиси и оксиды металлов – BaO2, SrO2, Fe2O3, Fe3O4 и др.;
  • сульфаты (соли серной кислоты) – BaSO4, SrSO4, CaSO4;
  • соли хромовых кислот – KCrO4, K2Cr2O7 и др.

Наибольшее применение из указанных окислителей нашли KClO3, KNO3, NaNO3, Ba(NO3)2, Sr(NO3)2, BaO2, Fe2O3, Fe3O4.

Вторым составным компонентом пиротехнических составов является горючее вещество. Горючие вещества должны обладать большим сродством к кислороду и давать определенную температуру горения. Горючие вещества подразделяют на неорганические и органические.
В качестве неорганических горючих применяют:
  • металлы и их сплавы (магний, алюминий, медь, марганец, сплав алюминия с магнием, сплав железа с кремнием и другие металлы и сплавы);
  • неметаллические элементы (сера, селен, древесный уголь, графит, желтый фосфор, красный фосфор, хлористый аммоний и др.).

В качестве органических горючих используют:
  • смолы (идитол, бакелит, шеллак, канифоль и ее соли и др.);
  • масла (олифу, касторовое, веретенное);
  • углеводы (сахар, крахмал, декстрин);
  • нитросоединения и ряд других органических соединений.

Третьим компонентом пиротехнических составов являются цементирующие вещества. Они обеспечивают необходимую механическую прочность спрессованных изделий (звездки, сегменты, факелы и прочие).


В качестве цементирующих средств находят применение:
  • смолы – идитол, бакелит, канифоль, резинат кальция, шеллак;
  • высыхающие масла – олифа и др.;
  • клеи – гуммиарабик (аравийская камедь), декстрин, крахмал и др.

В качестве цементаторов могут быть и неорганические вещества, например, жидкое стекло, гипс.

Производство пиротехнических составов представляет собой чисто механический процесс. Сущность его сводится к тому, что измельченные компоненты тщательно перемешиваются между собой, в результате чего получается однородный порошкообразный пиротехни-ческий состав. Последнему путем прессования придают определенную геометрическую форму, чаще всего в виде цилиндрических шашек.

Для того чтобы пиротехнический состав дал должный эффект, необходимо, чтобы компоненты были, во-первых, достаточно чистыми и сухими, во-вторых, тщательно измельченными и просеянными,
в-третьих, точно отвешенными по рецепту, в-четвертых, хорошо перемешанными между собой.

Технологический процесс приготовления пиротехнических составов включает следующие операции:
  • подготовку компонентов;
  • приготовление составов;
  • прессование составов;
  • сборку изделий.

Подготовка исходных компонентов складывается из следующих основных операций: предварительной сушки, измельчения, повторной или окончательной сушки и просеивания.

Предварительная сушка компонентов производится с целью облегчения измельчения их, так как чем вещество содержит меньше влаги, тем оно легче измельчается.

Для облегчения смешивания компонентов и равномерного процесса горения составов компоненты измельчают. Измельчение твердых веществ достигается путем применения усилий раздавливания, удара, истирания и раскалывания. Для измельчения компонентов используют шаровые мельницы, бегуны, дезинтеграторы и дисмембраторы.

После измельчения компоненты сушат до содержания в них влаги до 0,1–0,5 %.

Для получения необходимой величины частичек и отделения случайно попавших механических примесей компоненты перед приготовлением пиротехнических составов просеивают через сита, имеющие определенные размеры отверстий.

Приготовление составов включает операции: дозирования компонентов, их перемешивания, грануляции и сушки.

Смешение компонентов является важной операцией, так как от качества смешения зависит эффективность действия пиротехнического объекта. Состав считается равномерно смешанным, если проба, взятая в любом месте, по содержанию в ней компонентов соответствует рецептуре. Операция мешки составов опасна, так как при смешивании окислителей и горючих веществ возможны вспышки, а в некоторых случаях и взрывы. Мешка составов производится в отдельном здании, которое должно находиться на безопасном расстоянии от других мастерских. Обычно составы смешиваются в увлажненном состоянии. Это предохраняет составы от распыления и снижает их чувствительность к механическим воздействиям. Многие составы увлажняют этиловым спиртом или другими растворителями, которые химически не взаимодействуют с составными частями смеси. Смешение компонентов проводят в смесителях различной конструкции.

Грануляция пиротехнических составов заключается в протирании состава через сито со сравнительно большим размером ячеек. Цель грануляции − придать составу однородную, хорошо сыпучую форму в виде отдельных зерен и гранул. После грануляции почти полностью устраняется пыление пиротехнических составов, они быстрее и равномернее высыхают и легче прессуются.

После протирания через сито зерна подсушиваются и поступают в отдельную мастерскую на прессование.

Цель прессования − уплотнить порошкообразный состав, придать ему плотность и определенную форму в соответствии с габаритами изделия.

Пиротехнические составы в порошкообразном состоянии, как правило, горят с большой скоростью. Прессованием удается замедлить скорость горения. Кроме того, достигается определенная механическая прочность, чтобы изделие при срабатывании могло противостоять динамическим ударам. Прессование пиротехнических изделий производится на гидравлических или механических прессах.


3.2 Классификация пиротехнических составов


3.2.1 Осветительные пиротехнические составы

Осветительные пиротехнические составы используют для освещения местности и применяются в осветительных артиллерийских снарядах, минах, авиабомбах, реактивных снарядах.

Основной характеристикой осветительных составов является сила света.

Компонентами осветительных составов являются окислитель (чаще всего нитрат бария) и олифа или смола, которая выполняет роль горючего вещества и цементатора одновременно.

Осветительные составы делятся на две группы: медленногорящие (скорость горения 13 мм/с) и быстрогорящие (скорость горения
4 мм/с).

В боеприпасе осветительный состав обычно размещается в специальном стакане (звездке), соединенном стропами с парашютом.
В определенной точке траектории осветительный состав воспламеняется, и стакан с парашютом выбрасывается специальным вышибным зарядом из снаряда. Горящая звездка, медленно снижаясь на парашюте, освещает участок местности.

3.2.2 Сигнальные пиротехнические составы

Сигнальные пиротехнические составы предназначены для сигнализации и целеуказания и используются для снаряжения ракет. Они могут применяться для нужд народного хозяйства: при исследовании воздушных потоков, для указания места высадки десанта, при проведении воздушных парадов, на транспорте для подачи сигнала бедствия в наземных условиях и на море. Сигнальные составы входят в комплект аварийно-спасательных средств летчиков морской авиации.

Сигнальные составы делятся на две группы: ночного действия (при горении дают яркое цветное пламя) и дневного действия (при горении дают яркий цветной дым).

Сигнальные составы ночного действия по используемому окислителю делятся, в свою очередь, на хлоратные и нитратные.

В хлоратных составах обычно в качестве окислителя используют хлорат калия, в качестве горючего – металлы, в качестве цементатора – смолы, углеводы, а для окраски пламени добавляют соли:
  • желтое пламя – Nа2СO3, NaNО3;
  • зеленое пламя – BaCO3, Ba(NO3)2, ВаСl2;
  • красное пламя – SrCO3, Sr(NO3)2;
  • синее пламя – CuCO3, Cu(OH)2, СuCl2.

Пламя дополнительных цветов может быть получено сложением излучения нескольких типов молекул.

Нитратные составы для окисления содержат соли, которые одновременно являются окислителем и окрашивающим веществом, а именно нитрат натрия, нитрат бария, нитрат стронция, гидроксид меди (таблица 11).

Таблица 11 − Составы сигнальных огней

Шифр

состава
Рецептура состава

U, мм/c

I·t/m,

кд·с/г

Р, %

, мкм

наименование

компонента
содержание, %

1
2
3
4
5
6
7

33-01
Ba(NO3)2

МПФ-2

Na3AlF6

SrCO3

СФ-0112А
54

19

14

5

8
2,7
3800
80
590

34-02
NaNO3

ПАМ-3

СФ-340А Na3AlF6

AlCO3

Графит
(сверх 100%)
52

17

9

15

7


1
2,2
4500
84
590

34-03
Ba(NO3)2

ПАМ-3

ПВХ-С

СФ-340А CrCO3

Na3AlF6

Олифа
64

11

3

5

5

10

2
0,7
880
80
590

35-01
Sr(NO3)2

МПФ-2

ПВХ-С

СФ-340А
60

17

16

7
1,9
4100
90
620

35-02
Sr(NO3)2

МПФ-2

ПВХ-С

Канифоль

Масло индустриальное
59

15

20

4,5


1,5
111
1800
96
620

35-07
Sr(NO3)2

МПФ-2

С6С16

СФ-0112А
66

14

14

6
1,4
450
86
625


Продолжение таблицы 11

1
2
3
4
5
6
7

33-01
Ba(NO3)2

МПФ-3

С6С16

СФ-0112А
66

14

14

6
1,9
2300
75
550

33-02
Ba(NO3)2

МПФ-2

ПВХ-С

Канифоль

Масло индустриальное
65

12

17

4,5


1,5
0,9
8600
70
550


В качестве горючих веществ часто используют уротропин, фенолформальдегидные смолы, порошки магния с алюминием (ПАМ-4). В последние годы широко используются в составах цветных огней нитраты целлюлозы и утилизируемые пороха.

Сигнальные составы дневного действия при горении дают облако яркого цветного дыма. Получается дым возгонкой органических красителей путем их нагревания. Красный дым получается возгонкой родамина, желтый – ауромина, синий – метиленового голубого и индиго, зеленый – смеси ауромина и индиго. Нагревание красителей обеспечивается горением смеси окислителя и органического горючего, при этом развивается температура от 200 до 360 °С.

3.2.3 Трассирующие составы

Трассирующий состав предназначен для обозначения трасс – пути или траектории полета снаряда или пуль, а также для корректировки стрельбы прямой наводкой или по воздушным целям. Устройства, которые снаряжаются трассирующими составами, называются трассерами.

Трассеры при горении дают красный огонь, поэтому наиболее распространен следующий трассирующий состав:
  • азотнокислый стронций Sr(NO3)2 – окислитель;
  • магний в порошке – горючее;
  • резинат кальция (C19H29COO)2Ca – цементатор.

3.2.4 Зажигательные составы

Зажигательные пиротехнические составы применяются для заж-жения, а именно, для вызова пожаров на территории противника (складов с боеприпасами, горюче-смазочными материалами, эшелонов и других объектов).

Зажигательные составы делятся на четыре группы.

Первая группа – зажигательные составы на основе металлических горючих и конденсированного окислителя. Их отличает высокая температура горения (от 2000 °С до 3000 °С). Они, в свою очередь, делятся на две подгруппы.

Первая подгруппа – смесь оксида одного металла с другим металлом – термит.

Термическую реакцию можно представить в общем виде:

М1О + М2 = М2О + М1 +q.

Максимальный тепловой эффект q достигается тогда, когда образующиеся оксиды (М2О) имеют наибольшую, а применяемые оксиды (М1О) наименьшую теплоты образования.

Достаточно эффективным по зажигательной способности является железный термит:

Fe2O3 + 2Al = Аl2O3 +2Fe + 3473 кДж/кг.

Термит трудно тушить, он горит и под водой. Однако один термит применяется редко, так как трудно воспламеняется и ввиду малого пламени радиус действия его ограничен. Поэтому к термиту добавляют вещества, понижающие температуру его воспламенения и увеличивающие радиус действия пламени. Такой состав называется термитно-зажигательной смесью, которая содержит от 40 до 80 % термита и от 20 до 60 % пламенной добавки, горючего и цементирующего вещества.

Вторая подгруппа – зажигательные составы на основе кислородосодержащей соли (например, Ba(NO3)2 или KClO4) и металлического горючего (Mg, Al или сплав Al–Mg 1:1). Такие составы образуют большое пламя, дают температуру 2500–3000 °С. Применяются в зажигательных пулях и снарядах.

Вторая группа – зажигательные составы на основе металлического горючего, сгорающего за счет кислорода воздуха. Наиболее типичным представителем этой группы зажигательных веществ является сплав электрон, в состав которого входят: Мg – 90 %, Аl – 8 %, примеси – 2 %. Расплавление и зажжение электрона производится термитно-зажигательным составом. Электрон нашел широкое применение в зажигательных боеприпасах. При достаточно длительном горении развивается температура до 2800 °С. Недостатком электрона как зажигательного вещества является простота тушения.

Третья группа – зажигательные составы на основе жидких органических горючих, сгорающих за счет кислорода воздуха.

К указанным зажигательным веществам относятся нефть, керосин, бензин, которые в боеприпасах обычно используются в отверж-денном состоянии (напалм). В качестве отверждающих веществ используется мыло, каучук.

Четвертая группа – самовоспламеняющиеся зажигательные вещества.

Представителем этой группы зажигательных веществ являются белый фосфор, который на воздухе самовоспламеняется и горит за счет кислорода воздуха, развивая температуру до 1000 °С.

3.2.5 Дымовые (маскирующие) составы

Дымовые составы предназначаются для маскировки своих объектов в ходе боя, постановки дымовых завес и ослепления противника.

Основными требованиями к дымообразующим составам являются: хорошая дымообразующая способность, хорошая маскирующая способность дыма, продолжительность горения (дымообразования), неядовитость дыма.

Дым получается в результате химической реакции и возгонки. Веществ, способных при окислении к дымообразованию, достаточно много. Например, белый фосфор, серный ангидрид SO3; состав Ершова: КСlO3 – 20 %, уголь – 10 %, NH4Cl – 50 %, нафталин – 20 % и др.

В дымовых боеприпасах наибольшее применение нашел белый фосфор как наиболее эффективное дымообразующее вещество.

Механизм дымообразования белого фосфора следующий:
  • химическое соединение белого фосфора с кислородом воздуха (горение) с образованием фосфорного ангидрида;
  • взаимодействие фосфорного ангидрида с парами воды и образование фосфорных кислот: метафосфорной НРО4, пирофосфорной Н4Р2О7, ортофосфорной Н3РО4;
  • поглощение кислотами влаги воздуха с образованием тумана.

Для оценки эффективности вещества с точки зрения его маскирующих способностей используются два критерия: дымообразующая способность и маскирующий вес.

Под дымообразующей способностью понимают количество дыма, получаемого из одного килограмма дымообразующего вещества в данных условиях.

Дымообразующая способность (ДС) определяется по формуле:

.

Под маскирующим весом понимают количество дымообразующего вещества, способного замаскировать один квадратный метр площади.

Дымообразующая способность белого фосфора составляет: при влажности воздуха 30 % 3 кг, при влажности 50 % 6 кг, при влажности 80 % 12 кг.

Маскирующий вес белого фосфора 0,35 г/м2.