2(4). Причины возникновения аварийных ситуаций при формировании баллиститных порохов и пути их устранения.

Безопасность является одним из основных показателей эффективности и надежности процесса переработки пороховых масс в заряды.

Предупреждение аварийной ситуации основано на сравнении текущих значений показателей безопасности с их предельно допустимыми значениями, а затем на определения симптомов назревания опасности. На этой основе нужно так управлять процессом формования изделий, чтобы за короткое время изменять своевременно и эффективно показатели процесса, способные привести к выводу его из аварийной ситуации.

Главные показатели распознавания критических ситуаций являются:

- скорость изменения давления в прессующей и транспортирующей зонах шнек-пресса,

- скорость изменения производительности формующего пресса,

- удельные энергозатраты,

- температура массы иглодержателя.

Причины возникновения аварийных ситуаций:

- Одновременное изменение давления в транспортирующей и прессующей зонах пресса с уменьшением производительности приводит к аварийной ситуации «срыв массы с рифов». Эти параметры косвенно свидетельствуют о появляющихся аномалиях течения пороховой массы в прессе, следствием которых может быть срез ее на рифах втулки, сопровождающийся бурным выделением тепла, приводящим к взрыву.

- Удельные энергозатраты электропривода определяют тепловыделение в прессе, обусловленное механической диссипацией механической энергии, затрачиваемой на перемещение и сдвиговые деформации массы в канале винта. Любое увеличение энергозатрат по сравнению со статически установленным значением для каждой пороховой массы приводит к чрезмерному ее разогреву в прессе и является следствием ухудшения реологических свойств массы.

- В пресс-инструменте протекают химические реакции терморазложения, способные в определенных условиях привести порох к самовоспламенению и взрыву. Поэтому необходимо контролировать датчиком температуры, установленным в головке иглодержателя температуру массы.

На рисунке показано изменение давлений в прессующей и транспортирующей зонах пресса и производительности шнек-пресса при одной из аварий.

Из рисунка видно, что при наступлении аварийных ситуаций наблюдается увеличение давления в транспортирующей зоне и его уменьшение в прессующей при одновременном уменьшении текущей производительности. Анализ аварийных ситуаций позволил выбрать критические значения скорости изменения указанных параметров, характеризующих наступление аварийной ситуации.

Критические значения параметров безопасности

Показатели безопасности	Критические значения скорости изменения параметров
Давление:
В прессующей зоне	0,1
В транспортирующей зоне	0,1
производительность	0,45

В основу выбора предельного значения температуры массы у иглодержателя положены теоретические и экспериментальные исследования Марова, показавшего, что предельно допустимая температура массы в шнек-прессе с учетом их химической кинетики термического разложения для данного типа массы не остается постоянной, а колеблется в зависимости от производительности формующего пресса и температуры обогрева пресс-инструмента.

В связи с этим критическую температуру массы целесообразно рассчитывать по функциональному критерию безопасности. В связи с тем, что предельная температура массы зависит от режимов работы пресса, на основании исследований был сделан вывод об аналогичной зависимости величины предельных удельных энергозатрат, то есть о существовании в каждый данный момент времени так называемого текущего предельного значения Е_пред,i. Это значение рассчитывается по формуле:

, где

Q_i – текущая производительность шнек-пресса, кг/с; с – теплоемкость массы, Вт/(м²К); S – суммарная поверхность винта и втулки в прессующей зоне, м²;

Т_i,m, T_iв.к. – текущие температуры таблетки обогрева винта и корпуса, С; Р_ir – текущее значение давления массы в горловине шнек-пресса, МПа;

Ρ – плотность массы, кг/м³.

Приведенные данные, а также результаты экспериментальных исследований по математическому моделированию процесса прессования в статистике и динамике позволили разработать алгоритмический комплекс систем безопасности. В основу его положен следующий принцип: с помощью УВМ М-6000 на базе разработанных математических моделей и идентификации аварийных ситуаций фиксируются симптомы наступления предаварийной или аварий ситуации, быстро анализируются причины ее возникновения и в зависимости от их характера выбираются наиболее эффективные способы вывода процесса из этой ситуации.

Алгоритмы функционируют следующим образом: УВМ производят опрос текущих параметров прессования, в том числе давления в транспортирующей и прессующих зонах производительности, частоты вращения, тока, напряжения электропривода и пресса температуры массы у иглодержателя. Далее производится сравнение текущей производительности с предшествующей, а также указанных текущих показателей безопасности с предельными.

Если текущее значение параметра приближается к предельному, то рекомендуется изменить режим работы или пресса, или предшествующих аппаратов. Если же критическую ситуацию устранить невозможно, рекомендуется аварийная остановка пресса.

3(4). механизм горения СРТТ на основе ПХА, физические, теплофизические, химические процессы, протекающие в зонах горения и способы регулирования скорости горения. На примере топлива, состоящего из ПХА, бутил-каучука, алюминия и катализатора скорости горения.

Механизм горения СРТТ на основе ПХА состоит из совокупности не только физико-химических, теплофизических процессов, но и сложных диффузионных явлений, связанных с процессом массопереноса и исходных компонентов и продуктов их разложения. СРТТ на основе ПХА в качестве окислителя содержат еще горючее связующее на основе БК (бутил-каучука), пластифицированного, например, трансформаторным маслом, металлического горючего Al, катализаторов горения (производные ферроцена), системы отверждения (пара-хинондиоксина+MnO₂ и др.)

Механизм горения СРТТ не только сложен, но и не выяснен. Только термическому разложению ПХА посвящены многочисленные работы, которые позволяют констатировать следующее: по данным Биркамшоу и Ньюмена разложение ПХА идет по схеме: твердое вещество А→Твердое вещество В+газ, в вакууме или токе инертного газа при Т<290^оС распад прекращается послепотери 30% ПХА по весу, при температуре 240-250^оС происходит переход из орторомбической формы в кубическую, затем идут процессы:

1. Разложение, которое протекает при Т<500 ^оС и представляет собой стационарное беспламенное разложение NH₄ClO₄ ↔ NH₃ +HClO₄;

2. Высокотемпературную реакцию-режим быстрой газификации Т>500^оС

3. Сублимацию NH₄ClO₄ ↔ NH₄⁺ +ClO₄^- ; NH₄⁺ ↔ NH₃ + H⁺ - 200÷220 ккал/моль характеризующуюся протонным переходом.

Разложение ПХА по составу продуктов распада соответствует реакциям:

Т<300^оС 4NH₄ClO₄→2Cl₂+3O₂+8H₂O+2N₂O

T> 350^оС 4NH₄ClO₄→2Cl₂+2NO₂+8H₂O+2NO

T=400^оС 2NH₄ClO₄→4H₂O+Cl₂+2O₂+N₂

Манелис, изучая кинетику термического распада ПХА установил, что скорость низкотемпературного пиролиза ПХА (Т=280÷500^оС) составляет: U=2,5∙10⁶ exp(-30200/RT_s) мм/с, где Т_s-температура поверхности горения.

В топливе параллельно с разложением ПХА происходит пиролиз горюче-связующего, в основном разложение любых связок идет с образованием исходного мономера. Связки термически менее стойкие и их разложение, испарение трансформаторного масла происходит уже при Т≈250-500^оС. В процессе разложения чистого БК образуется три фазы: твердая, жидкая и газообразная в соотношении 8%, 52%, 40%.

Твердая фаза включает в себя: углерод, промежуточные продукты пиролиза сложного состава.

Жидкая фаза включает углеводороды предельного и непредельного ряда, а так же их изомеры с количеством атомов углерода в цепи С₅-С₁₂, которые условно можно разделить на 5 фракций с температурами кипения 80^оС,100^оС,120^оС,150^оС,200^оС.

Газообразная фаза состоит из: этилена, пропана, пропилена, изобутана с содержанием от 1% до 4% и изобутилена до 90%. С увеличением температуры количество жидких и газообразных продуктов возрастает, состав не меняется.

Al вводится в состав СРТТ в виде порошка или пудры. При этом независимо от формы частицы и размеров его частица вначале нагревается до температуры плавления, приобретает форму сферы, покрытой снаружи тонким слоем Al₂O₃ (Т_{пл Al}=660^оС). Горение частицы Al протекает за счет диффузии Al через слой Al₂O₃ и происходит на поверхности при контакте с продуктами сгорания топлива, воспламенение частиц Al происходит при 800-1000 ^оС.

Исходя из всего выше указанного можно приблизительно представить механизм горения в следующем виде:

При воздействии зажигающего импульса продуктов сгорания воспламенителя на поверхность горения заряда СРТТ в первую очередь происходит пиролиз БК, обнажаются частицы ПХА, создается прогретый слой с Михельсоновским распределением температуры. Толщина прогретого слоя на порядок меньше, чем у БТРТ в связи с тем, что Т_s =550^оС, в соответствии с этим нижний предел устойчивого горения СРТТ снижается до 1,0-1,5МПа.

Частицы ПХА разлагаются на поверхности и непосредственной близи к ней с образованием первичного пламени над частицей за счет сгорания NH₃ в продуктах разложения ПХА с образованием N₂O, NO, H₂O, HCl, O₂, Cl₂, которые за счет диффузии перемешиваются с продуктами пиролиза БК и возникает основная зона пламени. Одновременно в п-д-г фазу пламени выбрасываются твердые частицы пиролиза БК, ПХА, Al. БК, ПХА продолжают разлагаться, а частицы Al воспламеняются и по мере их нагрева 800-1000 ^оС и горят в течении времени, соответствующего их размерам за счет взаимодействия с продуктами реакции первой зоны горения H₂O, CO₂, HCl, NO, N₂O с образованием Al₂O₃, AlCl₃, H₂, CO, C, N₂. Температура впервой зоне горения составляет 2500-2800 ^оС, а после сгорания Al повышается до 3000-3500 ^оС, что приводит к увеличению удельного импульса топлива.

Скорость горения СРТТ может регулироваться химическими методами за счет использования катализаторов горения: K₂Cr₂O₇, Fe₂O₃, Cu₂O, MnO₂, Cr₂O₃+CuO. Оксиды металлов переменной валентности, органических соединений ферроцена, которые одновременно являются пластификаторами БК и не сублимируют, что свойственно чистому ферроцену, а также физическими методами за счет введения в состав виде наполнителей металлических игл, проволоки высокой теплопроводности, использования тепловых ножей, ультразвука.