Введение.........................................................................5
1 Анализ состояния и пути регулирования прожигающей способности пиротехнических смесей........................................................................9
1.1 Область применения и направления совершенствования пиротехнических смесей9
1.2 Роль основных компонентов в формировании и регулировании комплекса характеристик пиротехнических смесей.....................................16
1.3 Обоснование путей формирования состава продуктов горения пиротехнических смесей разрушающего действия.............................................21
1.4 Влияние физических характеристик пиротехнического резака на эффективность
воздействия струи продуктов горения на конструкционный материал...............30
Выводы........................................................................33
2 Методики оценки основных характеристик пиротехнических смесей.................34
2.1 Определение характеристик горения пиротехнических смесей..................35
2.2 Определение прожигающей способности исследуемого состава..................41
2.3 Термический анализ........................................................42
2.4 Определение чувствительности пиротехнических смесей к механическим и
воздействиям..................................................................44
Выводы........................................................................47
3 Георегические основы и практические способы повышения эффективности пиротехнических смесей прожигающего действия.................................49
3.1 Аналитическое обоснование выбора компонентной базы для формирования пиротехнических смесей прожигающего действия.............................49
3.2 Алгоритм определения основных свойств пиротехнической смеси и продуктов её горения..................................................................53
3.1.1 Термодинамические характеристики.......................................54
3.1.2 Чувствительность к механическим воздействиям...........................55
3.1.3 Скорость горения.......................................................56
3.3 Прожигающая способность пиротехнического резака.............................58
Выводы..........................................................................59
4 Влияние физико-химических свойств и концентрации основных компонентов на характеристики горения пиротехнических смесей.................................61
4.1 Физико-химические свойства продуктов горения................................61
4.1.1 Плотность продуктов горения.............................................66
4.1.2 Температура горения.....................................................72
4.1.3 Соотношение газовой и конденсированной фазы.............................74
4.2 Скорость горения пиротехнических смесей.....................................77
4.2.1 Роль «инертной» добавки.................................................77
4.2.2 Роль тугоплавкого окислителя............................................78
Выводы..........................................................................79
а Исследование характеристик термохимических превращений компонентов пиротехнических составов в волне горения..........................................81
5.1 Термический анализ компонентов пиротехнических составов и их смесей 82
5.2 Реакционная способность промежуточных продуктов разложения компонентов
5.3 Исследование влияния дисперсности, формы и способов введения компонентов на
теплопроводность и скорость горения пиротехнических смесей......................89
Выводы..........................................................................96
6 Исследование влияния физико-химических свойств компонентов на чувствительность пиротехнических смесей к механическим воздействиям................................98
6.1 Обоснование выбора объектов исследования.....................................98
6.2 Роль инертных добавок.......................................................104
6.3 Роль тугоплавкого окислителя................................................106
2
6.4 Роль цсментатора.........................................................106
Выводы........................................................................107
7 Исследование влияния физико-химических характеристик пиротехнических смесей и параметров пиротехнического резака на характеристики его работы.................108
7.1 Роль продуктов горения пиротехнических смесей.............................109
7.2 Роль физических характеристик пиротехнических смесей......................112
7.3 Работа пиротехнического резака под водой..................................117
7.4 Основные направления и пути обеспечения требуемых характеристик ПС 118
Выводы........................................................................123
Заключение......................................................................124
Список литературы...............................................................126
3
Принятые сокращения в работе:
ПС - пиротехническая смесь;
ПСПД - пиротехническая смесь прожигающего действия;
ПР - пиротехнический резак;
КМ - конструкционный материал;
МТС — малогазовый состав (термит);
ГГС - газогенерирующий состав.
Условные обозначения и состав (% масс.) пиротехнических смесей в работе:
AF - 51% Fe203 + 19% КС104 + 27% Al + 3% (C2F4)n;
AFZ - 51% Fe203 + 19% КСЮ4 + 17% Al + 3% (C2F.t)n + 10% Zn;
AFNi - 51% Fe203 + 19% КСЮ4 + 17% Al + 3% (C2F4)n + 10% Ni;
AFS - 51% Fe203 + 19% КСЮ4 + 17% Al + 3% (C2F4)n + 10% Sn(ß);
AFP - 51 % Fe203 + 19% КСЮ4 + 17% Al + 3% (C2F4)n + 10% Pb;
AFCu - 51% Fe203 + 19% KCIO4 + 17% Al + 3% (C2F4)n + 10% Cu;
AFW — 51% Fe203 + 19% КСЮ4 + 17% Al + 3% (C2F4)n + 10% W03;
AFL - 51 % Fc2Ö3 + 19% КСЮ4 + 17% Al + 3% (C2F4)n + 10% LiF;
AFK - 51 % Fe203 + 19% КСЮ4 + 17% Al + 3% (Q>F4)n + 10% KCl;
AFB - 51% Fe203 + 19% KC104 + 17% Al + 3% (C2F4)n + 10% BaF2;
Al;Ca - 51% Fe203 + 19% KC104 + 17% Al + 3% (C2F4)n + 10% CaF2;
AFNa - 51 % Fe203 + 19% KC104 + 17% Al + 3% (C2F4)„ + 10% NaCl;
AFMg - 51% Fe203 + 19% KC104 + 17% Al + 3% (C2F4)n + 10% MgF2;
AFM - 51*(l-k)% Fe2ü3 +51 *k% M0O3 + 19% KC10., + 27% Al + 3% (C2F4) где 0<k<l - коэффициент замены;
AM - 51% M0O3 + 19% КСЮ4 + 27% Al + 3% (C2F4)n;
AMT - 51% Mo03 + 19% КСЮ4 + 27% Al + 3*(l-k)% (C2F4)U + 3*k%(C2lI4) где 0<k<l - коэффициент замены.
n»
4
Введение
Знание закономерностей влияния физико-химических свойств компонентов на уровень комплекса характеристик пиротехнических смесей (ПС) и продуктов их горения имеет важное теоретическое и практическое значение при разработке пиротехнических устройств на их основе. В частности, непосредственное взаимодействие гетерогенных высокотемпературных струй продуктов горения ПС с различными конструкционными материалами (КМ) может применяться в технологиях резки, перфорации и обработки их поверхностей. Характер воздействия главным образом определяется свойствами продуктов горения ПС, истекающих из пиротехнических устройств, известных как пиротехнические резаки (ПР).
В зависимости от целей и условий применения изменяются требования, предъявляемые к характеристикам работы ПР: при перфорации КМ желательно, чтобы время прожигания и время работы ПР было минимальным; при обработке КМ необходимо, чтобы воздействию подвергались только поверхностные слои, а время работы ПР определяется площадью обрабатываемой поверхности; при резке время работы и время прожигания определяются длинной шва и толщиной разрезаемого материала.
Обеспечить необходимый уровень характеристик работы ПР можно, изменяя время горения ПС и прожигающую способность сформированной струи продуктов горения. Прожигающая способность зависит как от кинетической энергии, так и от свойств струи продуктов горения. Кинетическая энергия двухфазного потока определяется скоростью горения ПС, от которой также зависит и время работы ПР. Основные параметры струи продуктов горения, влияющие на прожигающую способность, -температура, объем и плотность газовой фазы, соотношение газовой и
конденсированной фазы. Значение этих характеристик должно значительно меняться в зависимости от целей применения.
Накопленные экспериментальные данные позволяют выделить методы, с
помощью которых можно воздействовать не только на группы характеристик
>
горения ПС, но и на отдельные свойства. Однако в случае многокомпонентных ПС изучение влияния отдельных компонентов на характеристики струи продуктов горения значительно усложняется по сравнению с бинарными пиротехническими композициями или монотопливами, содержащими функциональные добавки. Несмотря на значимость рассматриваемого вопроса, до настоящего времени в полной мере не изучены закономерности влияния концентрации и свойств компонентов на комплекс характеристик многокомпонентных ПС и их продуктов горения.
В связи с этим можно сделать вывод, что научно-техническое обоснование и разработка способов эффективного регулирования основных характеристик струи продуктов горения ПС путем изменения физикохимических свойств компонентов является актуальной задачей. Выявленные закономерности позволят выделить пути эффективного регулирования основных характеристик струп продуктов горения ПС, тем самым повышая эффективность работы ПР на их основе в зависимости от целей и условий эксплуатации.
Целью диссертационной работы является получение закономерностей влияния физико-химических свойств компонентов на формирование и регулирование комплекса основных характеристик продуктов горения
ПС,
предназначенных для использования в качестве рабочего вещества в 1ТР при перфорации, резке и обработке поверхностей КМ.
Исходя из указанной цели исследования решались следующие задач ж* -
1. Аначиз возможности регулирования прожигающей способности ПР путем изменения характеристик гетерогенного потока.
6
2. Выбор компонентной базы ПСПД1 и определение алгоритма исследования характеристик ПСПД и продуктов его горения. '
3. Исследование влияния физико-химических свойств, концентрации, дисперсности, формы и способов введения основных компонентов на характеристики ПС и продуктов его горения.
А. Определение характеристик протекания термохимических реакций в волне горения.
5. Определение влияния физико-химических свойств компонентов ПС и параметров 1ТР на характеристики его работы и характер воздействия на КМ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Поставлена и решена задача прогнозируемого регулирования характеристик горения многокомпонентных высокометаллизированных ПС в широком диапазоне путем изменения компонентной базы. Установлены масштабы влияния физико-химических свойств компонентов на характеристики горения ПСПД.
2. Обосновано влияние свойств компонентов (в том числе дисперсности и формы) на скорость горения с учетом выявленных особенностей протекания ведущих термохимических реакций в волне горения ПС на основе тугоплавких окислителей.
3. Установлены закономерности влияния физико-химических характеристик 11С (концентрация и дисперсность компонентов) и параметров ПР (масса и форма заряда, критический диаметр сопла) на характеристики разрушения КМ (толщина обрабатываемой пластины, время прожигания, время горения ПР).
Практическая ценность. Полученные расчетные и экспериментальные данные по определению влияния физико-химических свойств компонентов на основные характеристики ПС могут быть использованы для разработки и оптимизации ПСПД, предназначенных для применения в качестве рабочего вещества ПР.
7
Закономерности влияния физико-химических характеристик ПРПД и параметров 1ІР на характеристики разрушения КМ могут быть использованы для оптимизации процессов перфорации, резки и обработки поверхностей в зависимости от целей применения.
Определены пути уменьшения чувствительности ПСПД к механическим воздействиям без значительного изменения основных характеристик горения.
Показана возможность использования ГІР на основе ГІСПД выбранного состава для перфорации металла при проведении работ в водной среде.
Полученные результаты являются основой для дальнейшего изучения влияния характеристик композиционной базы І1С на параметры разрушения КМ при взаимодействии высокотемпературной двухфазной струи продуктов горения с преградой.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 3 конференциях различного уровня, в том числе на Международной конференции НЕМб-2008 «Высокоэнергетические материалы: демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение» (Белокуриха, 2008).
На защиту выносится:
1. Алгоритм определения основных характеристик ПС,
предназначенных для использования в ПР.
2. Модель термохимических превращений компонентов ПС в волне горения.
3. Закономерности влияния физико-химических свойств и
концентрации основных компонентов на основные характеристики горения ПС.
8
1 Анализ состояния и пути регулирования прожигающей способности пиротехнических смесей
1.1 Область применения и направления совершенствования пиротехнических смесей
В настоящее время устройства, использующие пиротехнические смеси (ПС) как топливо, находят применение в различных областях науки и техники. Они просты в изготовлении, автономны, относительно безопасны при использовании и не наносят вреда окружающей среде.
Одним из практических применений подобных устройств, известных также как пиротехнические резаки (Г1Р), является перфорация и разрушение преград из различных конструкционных материалов (КМ) струей продуктов горения [1]. В частности ПР могут применяться для бездетонационного разминирования мин и различных боеприпасов [2].
Резка материалов, определяющая область применения Г1Р, широко используется в различных областях народного хозяйства: в машиностроении - при разделке крупных листов и прутков металла на заготовки; в нефтегазодобывающей промышленности - для перфорации обсадочных труб, бурения скважин и резки труб; в металлургии - для удаления изношенных футеровок печей и разливочных ковшей, а также в целях вскрытия леток; в
I
судостроении - для очистки поверхностей от коррозии, окалины и неметаллических осаждений на подводной части металлических корпусов; в горнодобывающей промышленности - при выработке месторождений облицовочного камня в карьерах и шахтах; в строительной индустрии — при разделке блоков облицовочного камня, при перфорации и резке железобетонных конструкций; в теплоэнергетике - при модернизации или разборке старых железобетонных фундаментов и дымовых труб; в атомной
9
энергетике - при поверхностной очистке загрязненных конструкций (в том числе радиоактивных); в авиационной промышленности - для чистки поверхности взлетно-посадочных полос.
В настоящее время разработаны и используются разнообразные резаки КМ, которые условно можно разделить на две принципиально отличающиеся группы: механические и тепловые.
Действие механических резаков основано на истирании поверхностного слоя материала. Поэтому эффективность или скорость распиливания подобными устройствами тем выше, чем больше твердость резца по отношению к обрабатываемому КМ. Однако алмазные, нитридные или карбидные покрытия дороги, трудоемки в изготовлении и нанесении на поверхность резца. Болес того, при длительной эксплуатации значительная часть механической энергии переходит в тепло, что существенно снижает ресурс работы всего устройства.
К тепловым резакам относятся газопламенные, электроду го вые, плазменные и лазерные. В основе каждого из них заложен принцип перевода обрабатываемого материала в жидкое или газообразное состояние, т.е. фазовый переход. Однако теплота фазового перехода для многих материалов исчисляется тысячами кДж/кг, а эффективность теплопередачи от рабочего тела к обрабатываемому КМ составляет обычно 10-20 % от мощности резака. К тому же при интенсивном нагреве обрабатываемый материал может вступать в химическое взаимодействие с окружающей средой.
Пиротехнические резаки представляют собой технические устройства, принципиально отличающиеся от перечисленных выше средств разделки материалов. Такие устройства состоят из камеры сгорания, заряда пиротехнического состава (ПС) и сопла. Прожш-ание достигается путем непосредственного воздействия на поверхность материала высокотемпературной двухфазной струи продуктов горения, истекающей из сопла с высокой скоростью [3]. При таком воздействии могут
10
осуществляться как термохимические, так и теплоэрозионные процессы разрушения КМ.
В зависимости от типа заряда ПС, пиротехнические резаки можно разделить на две группы: сверхзвуковые гетерогенные резаки и
пиротехнические резаки на основе термитных композиций. Однако такое деление условно: в сверхзвуковых гетерогенных резаках могут
использоваться высокометаллизированные Г1С, в свою очередь, модифицируя термитные композиции добавлением газо генерирующих составов, можно ожидать формирования сверхзвуковых струй на выходе из сопла ПР.
В сверхзвуковых гетерогенных резаках [4] газофазные продукты горения заряда ПС разгоняют добавленные твердые тугоплавкие частицы (металлы, оксиды металлов и пр.), которые, в свою очередь, воздействуют на поверхность КМ. При этом длительность одного акта соударения частицы с преградой составляет микросекунды, поэтому поверхность КМ не успевает существенно нагреться и на ней не происходит фазовых или физикохимических превращений. Экспериментально установлено, что температура в момент прохождения фронта разрушения, регистрируемая термопарами, вмонтированными в стальную пластину, не превышает 1000 К, что существенно ниже температуры гетерогенной струи (~3000 К) [5].
Многократное повторение соударений резко ослабляет сопротивление материала преграды вблизи поверхности реза и не приводит к растрескиванию и катастрофическому нагреванию всего массива разрезаемого объекта. При этом энергия разрушения материала преграды обычно в 5-10 раз меньше теплоты плавления и теплоты испарения вещества, из которого изготовлен обрабатываемый материал. Это обеспечивает высокую скорость резки уже при скорости частиц порядка 500-700 м/с [6]. Также, из-за многократности соударений, частицы не обязательно должны состоять из высокотвердых веществ, что существенно снижает материальные
11
затраты: в гетерогенную струю продуктов горения может, быть добавлен даже такой общедоступный материал как речной песок [6, 7].
Эффективность эрозионного разрушения при взаимодействии гетерогенной струи с материалом в основном зависит от кинетической энергии потока частиц [6, 8]. Так, например, интенсивность разрушения стали марки СтЗ при воздействии на нее частиц кварцевого песка при увеличении скорости соударения от 100 до 200 м/с возрастает на 1-2 порядка
[9].
Один из способов увеличения кинетической энергии частиц — разгон струи продуктов горения в сопле за критическим сечением. Гетерогенная струя, разогнанная до высоких скоростей в сверхзвуковом сопле, продолжает разгоняться в свободной струе. Известны методы оптимизации таких течений. Например, в цикле работ, посвященных технологии холодного газодинамического напыления [10-131, газодинамический тракт оптимизируется по длине Х[^ плоского сопла и его меньшему поперечному размеру выходного сечения И. Процесс основан на том, что для увеличения скорости частиц на срезе необходимо увеличивать длину сопла, но нарастающий пограничный слой приводит к их торможению. Для устранения этого увеличивают Ь, что в свою очередь ведет к росту отхода ударной волны и торможению частиц. Другой путь — изменение профиля сопла. Оптимизация основана на обеспечении максимальной аэродинамической силы, воздействующей на частицу, в каждом сечении такого сопла [14, 15].
При выходе из сопла поток тормозится в плотном ударном слое газа перед обтекаемым телом. Так как скорость теплоэрозионного разрушения материала пропорциональна кинетической энергии удара частиц, то необходимо рассматривать движение частиц вдоль всего тракта: от ввода в поток до удара о поверхность преграды. При этом целью оптимизации является обеспечение таких режимов горения ПС и профиля сопла, при которых частицы обладают максимальной кинетической энергией в момент удара о поверхность преграды [16].
12
- Київ+380960830922