СПОСОБ РАССНАРЯЖЕНИЯ БОЕПРИПАСОВ, СНАРЯЖЕННЫХ ЖЕЛТЫМ ФОСФОРОМ Российский патент 2015 года по МПК F42B33/06 

Изобретение относится к способам расснаряжения боеприпасов и предназначено для использования при извлечении активных компонентов зарядов из корпусов боеприпасов, преимущественно пиротехнических, снаряженных желтым фосфором.

Известен способ утилизации корпусов ракетных двигателей твердого топлива с прочно скрепленным твердотопливным зарядом /1/, осуществляемый путем разложения перхлорат-, алюминий-, октогенсодержащих неизмельченных ТРТ, на основе углеводородных связующих непосредственно в корпусе ракетного двигателя с выделением компонентов топлива. При реализации способа заряд, размещенный в корпусе двигателя, герметизируют торцевыми технологическими крышками с одновременным размещением в канале заряда перемешивающего устройства, в канал подают жидкую деструктирующую смесь, после чего осуществляют вывод суспензии компонентов топлива, их разделение и очистку отстаиванием, фильтрацией и т.п.

Существенным недостатком указанного способа является наличие массообменных операций с окружающей техногенной средой, а именно:

- сначала в корпус заряда подается химически активная деструктурирующая смесь;

- затем из корпуса выводится суспензия, содержащая непрореагировавшие компоненты жидкой деструктурирующей смеси с компонентами топлива.

Очевидно, что осуществление данного способа возможно лишь при строжайшем соблюдении требований к герметичности и надежности используемого технологического оборудования и, в целом, представляет повышенную опасность экологического загрязнения окружающей среды.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сути и достигаемому результату является способ расснаряжения боеприпасов /2/, согласно которому активное вещество заряда перед извлечением из корпуса подвергается физико-химической модификации также непосредственно в корпусе боеприпаса, при этом активное вещество подвергают термодеструкции или полимеризации, но, в отличие от способа-аналога /1/, - без осуществления массообменных процессов с окружающей средой.

Т.е. при осуществлении данного способа активное вещество заряда вплоть до завершения процесса обработки находится в герметично закрытой каморе боеприпаса и с окружающей средой не контактирует, что существенно повышает экологическую и пожарную безопасность процесса.

В частности, в соответствии с описанием изобретения-прототипа, при расснаряжении боеприпасов, снаряженных желтым фосфором, корпус нагревается (индукционным нагревом, в муфельной печи и т.п. известными способами) и на протяжении нескольких часов выдерживается в условиях постоянного нагрева при температуре 250…300°C в среде инертного газа (N₂, CO₂). За это время в каморе снаряда протекает реакция полимеризации, приводящая к переходу желтого фосфора в красный. По истечении установленного периода корпус снаряда извлекается из нагревающего устройства и охлаждается. Затем корпус боеприпаса разгерметизируют и уже значительно менее опасный в пожарном и экологическом плане красный фосфор вымывают из него струей инертного жидкого теплоносителя путем его подачи в корпус боеприпаса под давлением.

Как следует из описания прототипа, время постоянного нагрева боеприпаса для осуществления реакции полимеризации желтого фосфора, в зависимости от заданной температуры, может составлять несколько десятков часов. Таким образом, основным недостатком указанного способа являются большие энергетические затраты на постоянное нагревание расснаряжаемого фосфорного боеприпаса.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение энергетических затрат при расснаряжении боеприпасов, снаряженных желтым фосфором.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе расснаряжения боеприпасов, снаряженных желтым фосфором, включающем предварительную физико-химическую модификацию желтого фосфора - преобразование в красный фосфор посредством полимеризации непосредственно в герметичном корпусе боеприпаса, последующую разгерметизацию корпуса и извлечение полученного красного фосфора, в соответствии с изобретением процесс полимеризации осуществляют в режиме гомогенной реакции, при этом боеприпас нагревают однократно, а поддержание необходимого теплового режима осуществляют за счет аккумулированной тепловой энергии корпусных элементов боеприпаса, а также теплового эффекта реакции полимеризации.

По информации, приведенной в литературных источниках /3, 4/, желтым фосфором называется неочищенный белый фосфор который в присутствии примесей - мышьяка (обычно менее 0,02%), следов красного фосфора, железа, масел (углеводородов) и т.п. - окрашивается в желтый цвет. Поэтому товарный белый фосфор называется желтым. В узлах кристаллической решетки белого фосфора находятся молекулы P₄, которые состоят из четырех атомов фосфора. Молекулярная масса белого фосфора P₄ равна 123,9 а.е.м.

При нагревании при умеренно высоких температурах без доступа воздуха белый фосфор превращается в аморфный красный, при этом переход белого (желтого) фосфора в красный при полимеризации сопровождается выделением тепла:

P_белый→P_{красный}+16,8 кДж (≈4 ккал).

В работе /5/ показано, что уже при температурах порядка 300°C скорость превращения белого фосфора в красный такова, что время протекания реакции с процентным превращением свыше 90% составляет всего несколько часов, что вполне приемлемо для технического применения. При этом в температурном интервале 250…350°C скорость превращения белого фосфора в красный соответствует реакции первого порядка, а при температуре выше 260°C реакция протекает как гомогенная.

В конструкции фосфорных боеприпасов для герметизации заливочного отверстия в месте соединения корпуса с запальным стаканом используется свинцовая прокладка. Поэтому процесс полимеризации целесообразно проводить при температуре, не превышающей температуру плавления свинца, составляющую 327°C.

Техническая возможность осуществления способа может быть подтверждена прилагаемым ориентировочным тепловым расчетом на примере 82-мм дымовой мины для батальонного миномета (индекс ГРАУ: 53-Д-832С), результаты которого приведены в таблице 1.

Таблица 1 Расчет энергозатрат на полимеризацию фосфора в корпусе 82-мм дымовой мины Элемент БП (Фиг.1) Материал Масса, m, кг Удельная теплоемкость, C, Дж/кг·К/6/ Энергозатраты на нагрев от 20 до 300°C, Q, кДж* 1 2 3 4 5 Дымообразующее вещество Фосфор желтый технический 0,52 840 122,304 Корпус Сталь C-55 2,56 500 358,400 Запальный стакан Сталь 35 0,32 500 44,800 Прокладка Свинец C2 0,027 130 0,982 * Рассчитано по зависимости Q_i=C_i·m_i·ΔT_i, где Q_i - тепловая энергия, аккумулированная при нагреве i-го элемента конструкции боеприпаса до заданной температуры, кДж; C_i - удельная теплоемкость материала i-го элемента конструкции боеприпаса, кДж/кг; m_i - масса материала i-го элемента конструкции боеприпаса, кг; ΔT_i - перепад температур при нагреве i-го элемента конструкции боеприпаса от нормальной (20°C) до температуры осуществления реакции полимеризации (300°C), равный 280 К.

Из результатов расчета следует, что количество тепловой энергии, аккумулированной при нагреве корпусными элементами боеприпаса, составляет 404,182 кДж.

В то же время тепловой эффект реакции полимеризации, т.е. фактически дополнительная тепловая энергия составляет:

Q_n=Q_фМ·m_ф/M_ф=16,8·520/123,9=70,508 (кДж),

где Q_фМ - удельный тепловой эффект реакции полимеризации одного моля фосфора, кДж/моль;

m_ф - масса фосфора в боеприпасе, г;

M_ф - молярная масса белого фосфора, г.

В результате суммарная тепловая энергия, аккумулированная корпусными элементами, плюс выделяемая в процессе полимеризации, составляет порядка 475 кДж, что в 3,9 раза превышает тепловую энергию, необходимую для непосредственного нагрева полимеризуемого фосфора в каморе боеприпаса до заданной температуры.

Кроме того, следует заметить, что нагрев боеприпаса до заданной температуры осуществляется с его поверхности. Вследствие этого по мере нагрева и достижения температуры, достаточной для осуществления реакции полимеризации по всему объему фосфорного заряда, части его, контактирующие с днищем и стенками каморы боеприпаса, а также поверхностью запального стакана, нагреются раньше, чем центральная область заряда. Т.е. реакция полимеризации начнется еще при недогретых внутренних областях, нагреву которых, наряду с внешним источником, будет содействовать тепловыделение от реагирующей массы. Когда же фосфорный заряд прогреется полностью, реакция и сопутствующее ей тепловыделение будут идти уже по всему объему непрореагировавшего вещества заряда. А т.к. красный фосфор в результате полимеризации образуется в виде рыхлой массы, обладающей более низкими характеристиками тепло- и температуропроводности по сравнению с исходным кристаллическим желтым фосфором, диссипация тепла от центральных областей заряда к периферийным после прекращения нагрева будет затруднена.

Таким образом, для рационального использования тепловой энергии, аккумулированной корпусными элементами боеприпаса и выделяемой в результате реакции, боеприпас целесообразно после нагрева до заданной температуры теплоизолировать от окружающей среды, например, путем помещения в широкогорлый термос, без контакта с его внутренними поверхностями. Так, минимальный контакт с днищем термоса может быть обеспечен путем использования подставки в виде тонкостенного перфорированного цилиндра либо путем подвеса.

В качестве примера на фиг.1 схематично представлена конструкция подготовленного к нагреву фосфорного боеприпаса, на фиг.2, 3 - теплоизоляция нагретого боеприпаса от окружающей среды в широкогорлом термосе.

Подготовленный к нагреву боеприпас (фиг.1) содержит корпус 1, вкрученный в него запальный стакан 2, герметизирующую свинцовую прокладку 3 и заряд желтого фосфора 4 в каморе боеприпаса.

Широкогорлый термос 5 (фиг.2) содержит крышку 6. Теплоизолируемый корпус боеприпаса 1 (в сборе с элементами, указанными на фиг.1) устанавливается на подставку 7, выполненную в виде тонкостенного перфорированного цилиндра, или подвешивается внутри колбы термоса на тонком тросе 8 (фиг.3).

При осуществлении способа с корпуса боеприпаса 1 и запального стакана 2 смывается покрытие из консервационной смазки (осанка), корпус нагревается (индукционным нагревом, в муфельной печи и т.п. известными способами) до температуры 260…300°C в среде инертного газа (N₂, CO₂), а затем устанавливается в полость колбы широкогорлого термоса 5 на подставку 7 (фиг.2) или подвешивается на тонком тросе 8 (фиг.3), крышку термоса 6 закрывают, и боеприпас выдерживается в нем на протяжении нескольких часов. За это время в каморе протекает реакция полимеризации, приводящая к переходу желтого фосфора в красный. По истечении установленного периода корпус извлекается из термоса и охлаждается.

В случае расснаряжения боеприпасов малого калибра нагрев и последующую теплоизоляцию можно осуществлять групповым методом. При этом в случае обеспечения взаимного механического контакта нескольких корпусов, помещаемых в полости колбы термоса, будет обеспечено более полное использование аккумулированной тепловой энергии для осуществления реакции полимеризации фосфора за счет уменьшения суммарной поверхности теплообмена от корпусов в газовую среду.

Последующее извлечение красного фосфора из корпуса боеприпаса производится отработанным методом - или воздействием инертного жидкого теплоносителя путем его подачи в корпус боеприпаса под давлением, или более экономичным по энергозатратам механическим методом за счет выдавливания брикетов из предварительно разрезанных частей корпуса боеприпаса.

Сначала осуществляется разгерметизация корпуса - вывертывается запальный стакан. Далее при использовании метода гидровымывания корпус очком вниз или под некоторым углом помещается в ванну под слой воды, и через открытое очко под действием струи подогретой воды высокого давления производится вымывание образовавшегося красного фосфора. В случае же использования второго из вышеуказанных методов у корпуса при обильном орошении водой срезается дно и делается разрез по основанию оживальной (верхней) части корпуса. Полученные таким образом части корпуса устанавливаются в ванну под слой воды так, чтобы внутренние технологические уклоны стенки корпуса боеприпаса были направлены вверх, после чего на брикет красного фосфора оказывается механическое воздействие и он выпадает из элементов корпуса.

Затем осуществляется отделение воды (теплоносителя) от извлеченного красного фосфора, возврат ее в непрерывный рабочий цикл расснаряжения и подача «мокрого» красного фосфора на дальнейшую переработку. Так как красный фосфор в воде не растворим, то после высыхания он полностью сохраняет свои первоначальные свойства.

Использование в качестве реакционной емкости непосредственно корпуса боеприпаса, обладающего малым объемом, позволяет резко снизить вероятность экологического поражающего фактора при расснаряжении по сравнению с крупногабаритной типовой промышленной аппаратурой, а поддержание необходимого теплового режима за счет аккумулированной тепловой энергии корпусных элементов боеприпаса, а также теплового эффекта реакции полимеризации позволяет уменьшить энергетические затраты.

Предлагаемый способ обеспечивает 100% утилизацию боеприпаса. Конечными продуктами утилизации являются лом черных и цветных металлов, а также технический красный фосфор, пригодный для использования в пиротехнических производствах. Хотя данный способ является потенциально опасным вследствие высокой чувствительности красного фосфора к механическим воздействиям, экологическая его опасность на порядки ниже, чем в случае извлечения из корпусов боеприпасов непосредственно сливом и вымыванием желтого фосфора, а энергозатраты на осуществление существенно меньше, чем у способа-прототипа.

Источники информации

1. Патент РФ №2122536, C06B 21/00, F42B 33/00, C06B 47/14, 1997 г.

2. Патент РФ №2493537, F42B 33/06, 2012 г. (прототип).

3. Некрасов Б.В. Основы общей химии. Т.1. - М.: Химия, 1973, 656 с.

4. Везер В.-Дж. Фосфор и его соединения. Пер. с англ. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1962, 690 с.

5. Введенский А.А., Фрост Г.В. К вопросу об аллотропии фосфора. Скорость превращения белого фосфора в красный. - М.: Журнал общей химии, 1933, N 7, с.916-925.

6. Бесков С.Д. Технохимические расчеты - М.: Высшая школа, 1966, 520 с.

Изобретение относится к способам расснаряжения боеприпасов, снаряженных желтым фосфором. Способ расснаряжения боеприпасов, снаряженных желтым фосфором, заключается в предварительной физико-химической модификации желтого фосфора - преобразовании в красный фосфор посредством полимеризации непосредственно в герметичном корпусе боеприпаса, последующей разгерметизации корпуса и извлечении полученного красного фосфора. Процесс полимеризации осуществляют в режиме гомогенной реакции. Боеприпас нагревают однократно, а поддержание необходимого теплового режима осуществляют за счет аккумулированной тепловой энергии корпусных элементов боеприпаса, а также теплового эффекта реакции полимеризации. Достигается снижение энергетических затрат при расснаряжении боеприпасов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ расснаряжения боеприпасов, снаряженных желтым фосфором, включающий предварительную физико-химическую модификацию желтого фосфора - преобразование в красный фосфор посредством полимеризации непосредственно в герметичном корпусе боеприпаса, последующую разгерметизацию корпуса и извлечение полученного красного фосфора, отличающийся тем, что процесс полимеризации осуществляют в режиме гомогенной реакции, при этом боеприпас нагревают однократно, а поддержание необходимого теплового режима осуществляют за счет аккумулированной тепловой энергии корпусных элементов боеприпаса, а также теплового эффекта реакции полимеризации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что боеприпас после нагрева до заданной температуры теплоизолируют от окружающей среды.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что боеприпас после нагрева до заданной температуры устанавливают в термос на подставке, имеющей минимальный контакт с днищем термоса, или подвешивают внутри колбы термоса.