ИСКРИСТО-ФОРСОВЫЙ СОСТАВ Российский патент 2001 года по МПК C06B33/14 F42B4/04 

Изобретение относится к пиротехнике и может быть использовано для изготовления фейерверочных элементов и изделий, например, для снаряжения фонтанов, форсов, швермеров, искристых звездок и т.п.

Искристо-форсовые составы содержат термическую смесь, включающую горючее и окислитель, и искрообразователь. Так, известен искристо-форсовый состав (ИФС), содержащий в качестве окислителя нитрат калия, в качестве горючего - серу, а в качестве искрообразователя - уголь, чугун или сталь в порошкообразной форме (см., например: Петров М.П. Как сделать самому фейерверки, Л., 1927, с. 113-114).

Однако при сгорании данного состава образуется много дыма, что снижает зрелищный эффект.

Известен ИФС с уменьшенным дымообразованием, содержащий термическую смесь на основе перхлората аммония, уротропина и идитола, где в качестве искрообразователя использован сульфид сурьмы (а. с. СССР N 234187, 1969).

Однако использование этого состава не обеспечивает хорошего зрелищного эффекта из-за низкого форса пламени и слабого искрообразования.

Известен также ИФС для пиротехнических фонтанов, содержащий нитрат калия, нитролак и титан (Шидловский А.А., Сидоров А.И., Силин Н.А. Пиротехника в народном хозяйстве, М., "Машиностроение", 1978, с. 220).

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является ИФС на основе перхлората аммония, уротропина, идитола и порошкообразного искрообразователя - стальных или чугунных опилок, порошков алюминия или его сплава с магнием при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Перхлорат аммония - 55±5
Уротропин - 14±2
Идитол - 8±2
Искрообразователь - 23±5
(а.с. СССР N 201179, C 06 D, 1967).

Недостаток указанных ИФС также заключается в низком форсе пламени. Кроме того, прототипный состав имеет высокую температуру горения, при этом продукты сгорания содержат большое количество едких и вредных веществ.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение зрелищного эффекта и улучшение состояния техники безопасности при производстве фейерверка.

Решение указанной технической задачи заключается в том, что искристо-форсовый состав, содержащий термическую смесь на основе перхлората аммония (NH₄ClO₄) и уротропина (C₆H₁₂N₄) и порошкообразный искрообразователь, дополнительно содержит нитрат аммония (NH₄NO₃) и карбонат меди (CuCO₃) при следующих соотношениях ингредиентов, мас.%:
Перхлорат аммония - 41±5
Нитрат аммония - 19±3
Уротропин - 16±3
Карбонат меди - 6±3
Искрообразователь - 18±4
В предлагаемой рецептуре окислитель является двухкомпонентным: в его состав дополнительно введен нитрат аммония для снижения температуры горения, уменьшения взрывоопасности смеси, а также уменьшения количества едких и вредных веществ в продуктах сгорания. Неочевидность предлагаемого решения вытекает из многократных неудачных попыток использования нитрата аммония в качестве окислителя в фейерверочных составах, что подтверждается, в частности, анализом приводимых ниже примеров использования ИФС с различным содержанием компонентов.

В новой рецептуре нитрат аммония одновременно выполняет функции дополнительного окислителя и газообразователя (последнее важно для увеличения форса искр). При этом указанные функции осуществляются только в пределах заявленного соотношения компонентов и в присутствии катализатора - карбоната меди.

Карбонат меди в данной рецептуре также выполняет две функции: катализатора и цветопламенной добавки синего цвета. В отсутствии карбоната меди форс искр резко уменьшается и исчезает синий оттенок пламени, что значительно снижает зрелищный эффект. Возможно также, что карбонат меди способствует увеличению искрообразования за счет появления конденсированных частиц меди в продуктах сгорания.

На фиг. 1 изображен вариант устройства для производства низового фейерверка с использованием предлагаемого ИФС; на фиг. 2 - 8 изображены фотографии низовых фейерверков, полученных с использованием предлагаемого ИФС с разными искрообразователями; в табл. 1 - 4 приведены результаты испытаний вариантов ИФС с чугунными опилками, титановым порошком, гидридом титана, а также с порошками железа, алюминия и их смесью.

Для производства низового фейерверка с высоким форсом искр из предлагаемого ИФС необходимо применение специального диафрагмированного пиротехнического устройства (фиг. 1), которое содержит несгораемый цилиндрический корпус 1 с верхней и нижней крышками 2 и 3, заполненный ИФС 4 предлагаемой рецептуры, и направляющий элемент, выполненный на верхней крышке 2 в виде сопла 5 из расчета степени диафрагмирования корпуса 8±1. Элементы 1 и 3 могут быть изготовлены из несгораемой многослойной проклеенной бумаги, а элемент 2 - из голубой глины с опилками. В варианте на фиг. 1а сопло 5 выполнено коническим, а на фиг. 1б - цилиндрическим.

Требуемую степень диафрагмирования корпуса обеспечивают согласно формуле:

где C - степень диафрагмирования корпуса 1;
d - диаметр сопла 5 на просвет;
D - внутренний диаметр корпуса 1.

Пределы степени диафрагмирования установлены из следующих условий. Нижний предел (C = 7,0) гарантирует получение форса искр не менее 1,5 м, а верхний предел (C = 9,0) выбран из условия надежности и безопасности работы устройства.

При производстве фейерверка воспламеняют ИФС 4, при этом продукты сгорания вырываются из корпуса 1 через сопло 5, образуя пламя и форс искр. Благодаря диафрагмированию внутри корпуса 1 создается избыточное давление, способствующее увеличению скорости истечения газов из сопла 5. Газообразные продукты сгорания увлекают за собой раскаленные частицы искрообразователя, догорающие во внешней среде, обеспечивая тем самым зрелищный эффект. Чем больше скорость истечения газов (в зависимости от степени диафрагмирования), тем выше форс искр. Изменением формы и диаметра сопла добиваются требуемой формы форса искр. Вместе с тем, чрезмерное диафрагмирование может привести к разрыву корпуса 1 и разбрасыванию кусков горящего ИФС.

Цветовую гамму, яркость, размер и форму искр устанавливают за счет использования соответствующего материала искрообразователя.

Высота и форма форса зависят от геометрии направляющего элемента. Кроме того, на высоту и форму форса, а также на размер и яркость искр влияют соотношение компонентов, природа и дисперсный состав искрообразователя.

Работоспособность ИФС с различными искрообразователями и создаваемый зрелищный эффект иллюстрируются следующими примерами.

ПРИМЕР 1. Готовят образцы ИФС по 20 г, содержащие перхлорат аммония, нитрат аммония, уротропин, карбонат меди и искрообразователь - чугунные опилки с размером фракций от 180 до 350 мкм и от 500 до 900 мкм при следующих соотношениях ингредиентов, мас.%:
Перхлорат аммония - 20 - 60
Нитрат аммония - 0 - 40
Уротропин - 10 - 20
Карбонат меди - 0 - 10
Чугунные опилки - 10 - 30
Для приготовления ИФС берут навески указанных компонентов с точностью ±0,1 г и смешивают на кальке с помощью резиновой пробки до получения однородной массы. Полученную смесь запрессовывают под давлением 100 МПа в корпус пиротехнического устройства с предварительно установленной в нем верхней крышкой 2 толщиной 8 мм. Нижний торец устройства плотно закрывают крышкой 3. В данном примере изготавливают пиротехнические устройства согласно фиг. 1а (конусность 70^o) и 1б с размерами: D = 23 мм; d = 8 мм. Согласно формуле (1) степень диафрагмирования

Результаты испытания пиротехнических устройств при различном соотношении ингредиентов и различной дисперсности чугунных опилок приведены в табл. 1. Сопло 5 в образце пиротехнического устройства N 12 выполнено коническим (фиг. 1а), а в остальных образцах - цилиндрическим (фиг. 1б).

Как видно из табл. 1, зрелищный эффект наблюдается только при заявленном соотношении ингредиентов (образцы N 10-12). Эти составы малодымны, имеют высокий (от 3,5 до 5 м) форс искр желтых оттенков с длинными треками; горение, равномерное, со скоростью от 0,80 до 0,85 мм/с; температура горения - 1500-1700 К. При этом крупные чугунные опилки (размером 500-900 мкм) обеспечивают образование крупных искр (фиг. 2, 4); составы с мелкими опилками (180-350 мкм) дают колосообразный плотный сноп искр (фиг. 3). При выполнении направляющего элемента 2 с конусным соплом 5 (фиг. 1а) форс становится фонтанообразным с ниспадающими треками крупных искр (фиг. 4).

При запредельном сочетании ингредиентов составы либо не горят из-за недостатка окислителя (образцы N 2, 4-6), либо горят неравномерно (образцы N 3 и 9) из-за зашлаковывания сопла 5, либо имеет место обильное дымовыделение и/или недостаточное искрообразование (образцы N 1, 7 и 8).

В качестве контроля испытывают пиротехнические устройства фиг. 1, снаряженные ИФС по а.с. SU 201179 с чугунными опилками вышеуказанных размеров. Контрольные образцы горят нестабильно, зачастую имеют место случаи разрушение корпуса 1 и срыва крышки 2. Это происходит из-за развиваемого горящей прототипной смесью высокого давления в условиях диафрагмирования корпуса со степенью от 7 до 9. Уменьшение степени диафрагмирования приводит к резкому уменьшению высоты форса искр (до 1 м при C = 5). При использовании же предлагаемого ИФС высокая степень диафрагмирования возможна, благодаря уменьшению содержания перхлората аммония, что имеет следствием повышение высоты форса искр.

ПРИМЕР 2. Пиротехнические устройства по фиг. 1б изготавливают и испытывают, как в примере 1. При этом в качестве искрообразователя используют порошки титана с размером фракций от 70 до 140 и от 500 до 900 мкм. Степень диафрагмирования C = 8,7. Результаты испытания приведены в табл. 2.

Как видно из табл. 2, зрелищный эффект наблюдается только при заявленном соотношении ингредиентов (образцы N 10-12). Эти составы малодымны, имеют очень плотный форс белых искр высотой от 2 до 5 м с длинными треками (фиг. 5); горение, равномерное со скоростью от 0,70 до 0,75 мм/с; температура горения - 1700-1900 К. Яркость искр настолько высока, что они хорошо различимы в дневное время при солнечной погоде. Крупный титановый порошок (размером 500-900 мкм) обеспечивают образование более высокого форса (образцы N 10 и 12), чем мелкий (образец N 11).

При запредельном сочетании ингредиентов составы либо не горят из-за недостатка окислителя (образцы N 2, 4-6), либо горят неравномерно (образцы N 3 и 9) из-за зашлаковывания сопла 5, либо имеет место обильное дымовыделение и/или недостаточное искрообразование и низкий форс искр (образцы N 1, 7 и 8).

Для контроля испытывают пиротехническое устройство, снаряженное термической смесью по а.с. SU 201179 с титановым порошком фракции 70-140 мкм в качестве искрообразователя. Контрольные образцы горят нестабильно. При этом имеет место разрушение корпуса 1 и срыв крышки 2, сопровождающиеся разбрасыванием кусков ИФС, горящих с высокой температурой (более 2000 К), что ухудшает состояние техники безопасности.

Описанный в настоящем примере зрелищный эффект является уникальным. Данный ИФС позволяет производить низовой искристо-форсовый фейерверк белого цвета в дневное время. Поэтому его рецептура вынесена во 2-й пункт формулы.

ПРИМЕР 3. Пиротехнические устройства фиг. 1б изготавливают и испытывают, как в примере 1. При этом в качестве искрообразователя используют порошок гидрида титана (размер частиц от 100 до 280 мкм). Степень диафрагмирования C = 7,2. Результаты приведены в табл. 3.

При заявленном соотношении ингредиентов (образцы N 1-3) горение ИФС сопровождается образованием очень плотного форса ослепительно белых искр, различимых в дневное время в солнечную погоду. Данные образцы малодымны, дают форс высотой от 3 до 5 м с длинными треками искр; горение, равномерное, со скоростью от 0,75 до 0,81 мм/с; температура горения - 1700-1900 К.

Данный пример также имеет самостоятельное значение, поскольку в нем наблюдается зрелищный эффект, близкий к примеру 2. Вместе с тем, в отличие от примера 2, здесь в качестве искрообразователя используют не титан, а его гидрид, являющийся промежуточным продуктом переработки отхода производства, каковым является титановая стружка.

ПРИМЕР 4. Пиротехнические устройства по фиг. 16б изготавливают и испытывают как в примере 1. При этом в качестве искрообразователя используют порошки алюминия марки АСД-1 и железа марки ПЖ-1, а также их смесь. Степень диафрагмирования C = 8,3. Результаты испытаний приведены в табл. 4.

Как видно из табл. 4, при заявленном сочетании ингредиентов (образцы N 1-3), ИФС с железным порошком дают плотный форс искр золотисто-желтого цвета высотой 3,5 м (фиг. 6), с алюминиевым порошком - фонтан с отдельными яркими серебристыми искрами высотой 3 м (фиг. 7), со смесью алюминиевого и железного порошка - плотный форс с вкраплениями ярких серебристых искр высотой 3,5 м (фиг. 8). Составы с алюминиевым порошком горят со скоростью 0,65 мм/с, что позволяет получать при одинаковых массогабаритных характеристиках низовые фейерверки с более продолжительным временем действия. Составы с железным порошком имеют скорость горения 0,90 мм/с. ИФС со смесью алюминиевого и железного порошка горит со скоростью 0,75 мм/с. Температура горения ИФС - 1600-1800 К.

Таким образом, использование предлагаемых рецептур ИФС вместо прототипных более эффективно. Это подтверждается:
- повышением размера искр и увеличением в 3-5 раз высоты форса (пример 1);
- возможностью регулирования размеров и формы форса и искр за счет выбора варианта рецептуры и/или конструктивного исполнения нового диафрагмируемого устройства для производства низового фейерверка, снаряженного предлагаемым ИФС (примеры 1 и 4);
- получением белых искр повышенной яркости, что дает возможность производить соответствующий фейерверк в дневное время (примеры 2 и 3).

Виды положительного эффекта, производные от предлагаемого технического решения:
- повышение техники безопасности за счет надежного сохранения целостности корпуса (примеры 1 и 2) и снижения температуры горения (1500-1900 К вместо 2000 К);
- возможность использования отходного сырья для изготовления ИФС с искрами белого цвета повышенной яркости (пример 3).

Изобретение относится к пиротехнике и может быть использовано для изготовления фейерверочных элементов и изделий, например, для снаряжения фонтанов, форсов, швермеров, искристых звездок и т.п. Изобретение позволяет повысить зрелищный эффект и улучшить состояние техники безопасности при производстве фейерверка. Искристо-форсовый состав (ИФС) содержит термическую смесь на основе перхлората аммония и уротропина, порошкообразный искрообразователь, нитрат аммония и карбонат меди, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: перхлорат аммония 41±5; нитрат аммония 19±3; уротропин -16±3; карбонат меди 6±3; искрообразователь 18±4. Для формирования белых искр повышенной яркости, различимых в дневное время, в качестве искрообразователя в ИФС входит титан или гидрид титана. 1 з.п. ф-лы, 8 ил., 4 табл.

1. Искристо-форсовый состав, содержащий термическую смесь на основе перхлората аммония и уротропина и порошкообразный искрообразователь, отличающийся тем, что он дополнительно содержит нитрат аммония и карбонат меди при следующих соотношениях ингредиентов, мас.%:
Перхлорат аммония - 41 ± 5
Нитрат аммония - 19 ± 3
Уротропин - 16 ± 3
Карбонат меди - 6 ± 3
Искрообразователь - 18 ± 4
2. Искристо-форсовый состав по п.1, отличающийся тем, что для формирования белых искр повышенной яркости, различимых в дневное время, в качестве искрообразователя в него входит титан или гидрид титана.