ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ЗАМЕДЛИТЕЛЬНЫЙ СОСТАВ Российский патент 2020 года по МПК C06B33/00 

Изобретение относится к области пиротехники, а именно к пиротехническим замедлительным составам, и может быть использовано в замедлителях для различного рода устройств, относящихся к элементам взрывной автоматики, в частности во взрывных болтах и взрывных источниках звука, а также при проведении взрывных работ в горнорудной и угледобывающей отраслях промышленности, например, в капсюлях-детонаторах.

В данных устройствах от используемого пиротехнического состава требуется строго определенная и воспроизводимая скорость горения для получения строго определенного и воспроизводимого времени срабатывания различного рода устройств.

Известны замедлительные составы на основе кремния и свинцового сурика (см. "Вспомогательные системы ракетно-космической техники". Под ред. И.В. Тишунина. М.: Мир, 1970). Недостатком этих составов является большой разброс параметров горения вследствие образования жидких подвижных шлаков.

Известен замедлительный пиротехнический состав, содержащий смесь порошков вольфрама и кремния в качестве горючего, PbO₂ или Pb₃O₄, или их смесь в качестве окислителя и связующее - сополимер политрифторхлорэтилена с винилиденфторидом C₄H₂ClF₅ в количестве от 0,2 до 2 мас. % сверх веса окислителя и горючего (патент RU №2291141, С06В 33/00, С06В 33/12, опубл. 10.01.2007).

Недостатком данного состава является сложность технологии изготовления пиротехнического состава ввиду введения в состав связующих добавок и контроль равномерности распределения добавки по составу, в противном случае горение состава не будет стабильным и равномерным.

Наиболее близким заявленному техническому решению является пиротехнический состав, содержащий смесь порошков вольфрама и кремния в качестве горючего, оксиды свинца PbO₂ или Pb₃O₄, или их смесь в качестве окислителя в количестве от 20 до 90 мас. % и в качестве связующего фторопласты или их сополимеры или глины, например бентонитовые, в количестве от 0,2 до 2 мас. % сверх веса окислителя и горючего (патент RU №2332393, С06В 33/00, С06В 33/12, опубл. 27.08.2008). При этом в смеси порошков вольфрама с кремнием порошок кремния содержится в количестве от 1 до 99 мас. %. Состав также может содержать оксид кремния SiO₂ или оксид титана TiO₂, или их смесь в качестве тормозящих горение добавок в количестве до 30 мас. % сверх веса окислителя и горючего. Из фторопластов в качестве связующего может быть выбран политрифторхлорэтилен или политетрафторэтилен, или их сополимеры с винилиденфторидом, или поливинилиденфторид, например марки фторопластов Ф-32, или Ф-32Л, или Ф-42, или Ф-62, или Ф-26, или Ф-2М.

Данное техническое решение принято в качестве прототипа для заявленного объекта.

Недостатком данного состава является, во-первых, сложность технологии изготовления пиротехнического состава ввиду необходимости введения в состав связующих или тормозящих добавок; во-вторых, при изготовлении составов необходим жесткий контроль того, что добавка (ввиду ее малого количества) распределилась по составу равномерно, в противном случае горение состава не будет стабильным и равномерным. Кроме того, введение в состав связующих, таких как фторопласты или их сополимеры, увеличивает удельное газовыделение, что приводит к увеличению разброса в скоростях горения состава.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по получению строго определенной и воспроизводимой скорости горения (времени горения) замедлительного состава в замедлителях для различного типа устройств с использованием малогазовых составов.

При использовании заявляемого изобретения достигается следующий технический результат:

- получение заданной, строго определенной и воспроизводимой скорости горения (времени горения) в замедлителях для различного рода устройств независимо от неизбежных колебаний характеристик исходных компонентов;

- среднее время срабатывания воспламенителя с пиротехническим составом на основе кремния и диоксида свинца PbO₂ составляет 8 мс (при высоте столбика замедлительного состава 1 мм, среднее время срабатывания может быть увеличено в несколько раз при увеличении высоты столбика замедлительного состава в воспламенителе);

- среднее время срабатывания воспламенителя с пиротехническим составом на основе кремния и свинцового сурика (оксида свинца состава Pb₃O₄) составляет 10 мс (при высоте столбика замедлительного состава 1 мм, среднее время срабатывания может быть увеличено в несколько раз при увеличении высоты столбика замедлительного состава в воспламенителе);

- удельное газовыделение заявляемого пиротехнического состава минимально возможное из-за отсутствия газообразующих добавок в составе;

- простота изготовления пиротехнического состава.

Указанный технический результат достигается тем, что заявляется пиротехнический замедлительный состав, содержащий порошок кремния Si в качестве горючего, диоксид свинца PbO₂ или свинцовый сурик Pb₃O₄ в качестве окислителя, в котором, согласно изобретению, указанные компоненты используют в следующем соотношении, мас. %: кремний Si 45-60 и диоксид свинца PbO₂ 40-55 или кремний Si 30-50 и свинцовый сурик Pb₃O₄ 50-70; при удельной поверхности: порошка кремния Si (0,6-1,8) м²/г, порошка диоксида свинца PbO₂ (0,2-1,0) м²/г и порошка свинцового сурика Pb₃O₄ (0,2-0,5) м²/г.

Указанные признаки являются существенными, взаимосвязаны и необходимы для получения указанного технического результата.

Получить строго определенную удельную поверхность при измельчении компонентов состава (кремния, диоксида свинца PbO₂ или свинцового сурика Pb₃O₄) довольно затруднительно даже при отработанной технологии измельчения, т.к. всегда имеет место разброс значений получаемой удельной поверхности. Для получения заданной, строго определенной и воспроизводимой скорости горения (времени горения) в замедлителе из имеющихся исходных материалов по предварительно полученным опытным путем зависимостям подбирается, например, соотношение горючее/окислитель. Кроме того, изменяя режимы измельчения компонентов (кремния, диоксида свинца PbO₂ или свинцового сурика Pb₃O₄) и имея предварительно полученные опытным путем зависимости, можно получать различные значения удельных поверхностей для контролируемого уменьшения или увеличения воспроизводимой скорости горения (времени горения) в замедлителе независимо от неизбежных колебаний характеристик исходных компонентов. Например, используя различные партии кремния при приготовлении составов по одной и той же технологии, можно получить разброс времени срабатывания воспламенителя от 5 до 7 мс, т.е. при среднем времени срабатывания 6 мс разброс составляет ± 17%. При этом разброс времени срабатывания увеличится, если использовать при приготовлении составов различные партии диоксида свинца PbO₂ или свинцового сурика Pb₃O₄. По причине отсутствия газообразующих добавок в заявляемом составе его удельное газовыделение является минимально возможным. Возможное образование жидких подвижных шлаков не влияет на разброс параметров горения вследствие небольшого соотношения высоты столбика замедляющего состава в воспламенителе к его длине.

Ранее предполагалось (RU №2332393, С06В 33/00, С06В 33/12, опубл. 27.08.2008), что в случаях, когда замедлительный пиротехнический состав является двухкомпонентным (состоящим из однокомпонентного горючего и однокомпонентного окислителя), то такие параметры его горения, как скорость горения и ее стабильность, очень чувствительны к колебаниям гранулометрического состава (крупности) исходных компонентов и колебаниям содержания горючего (соотношения горючее/окислитель). Предполагалось, что эта чувствительность двухкомпонентных составов настолько велика, что на практике даже самый строгий контроль за идентичностью гранулометрического состава (крупности) исходных компонентов и соотношения горючее/окислитель не позволяет работать производству без сбоев.

Однако авторами заявляемого изобретения экспериментально отработаны двухкомпонентные пиротехнические составы, которые позволяют получить заданную и воспроизводимую скорость горения в замедлителях для различного рода устройств.

На фиг. 1 представлена экспериментальная зависимость времени срабатывания воспламенителя от удельной поверхности порошка кремния Si, использованного при изготовлении заявляемого пиротехнического состава (при изготовлении составов использован порошок диоксида свинца PbO₂ одной партии с одним и тем же значением удельной поверхности).

На фиг. 2 представлена экспериментальная зависимость времени срабатывания воспламенителя от удельной поверхности порошка диоксида свинца PbO₂, использованного при изготовлении заявляемого пиротехнического состава (при изготовлении составов использован порошок кремния Si одной партии с одним и тем же значением удельной поверхности).

На фиг. 3 представлена экспериментальная зависимость времени срабатывания воспламенителя, снаряженного составом из порошка диоксида свинца PbO₂ и порошка кремния Si, от содержания кремния Si в заявляемом пиротехническом составе (при изготовлении составов использован порошок диоксида свинца PbO₂ одной партии, с одним и тем же значением удельной поверхности и порошок кремния Si, одной партии с одним и тем же значением удельной поверхности).

На фиг. 4 представлена экспериментальная зависимость времени срабатывания воспламенителя от удельной поверхности порошка кремния Si, использованного при изготовлении заявляемого пиротехнического состава (при изготовлении составов использован порошок свинцового сурика Pb₃O₄ одной партии с одним и тем же значением удельной поверхности).

На фиг. 5 представлена экспериментальная зависимость времени срабатывания воспламенителя от удельной поверхности порошка свинцового сурика Pb₃O₄, использованного при изготовлении заявляемого пиротехнического состава (при изготовлении составов использован порошок кремния Si одной партии с одним и тем же значением удельной поверхности).

На фиг. 6 представлена экспериментальная зависимость времени срабатывания воспламенителя, снаряженного составом из порошка свинцового сурика Pb₃O₄ и порошка кремния Si, от содержания кремния Si в заявляемом пиротехническом составе (при изготовлении составов использован порошок свинцового сурика Pb₃O₄ одной партии с одним и тем же значением удельной поверхности и порошок кремния Si одной партии с одним и тем же значением удельной поверхности).

Ниже приводятся примеры получения пиротехнических замедлительных составов и обоснование влияния удельной поверхности и соотношения ингредиентов на получение технического результата.

Согласно настоящему изобретению пиротехнический замедлительный состав содержит горючее в виде порошка кремния Si, окислитель, в качестве которого он содержит диоксид свинца PbO₂ или свинцовый сурик Pb₃O₄. Компоненты использованы в следующем соотношении, мас. %: кремний Si 45-60 и диоксид свинца PbO₂ 40-55 или кремний Si 30-50 и свинцовый сурик Pb₃O₄ 50-70. При этом. удельная поверхность порошка кремния Si (0,6-1,8) м²/г; порошка диоксида свинца PbO₂ (0,2-1,0) м²/г; порошка свинцового сурика Pb₃O₄ (0,2-0,5) м²/г.

Состав изготавливали перемешиванием компонентов в шаровой мельнице в среде изопропилового спирта с последующим фильтрованием полученной суспензии, грануляцией и сушкой. Пиротехнический состав запрессовывали в воспламенитель с внутренним диаметром корпуса 4,8 мм давлением 75 МПа.

Пример 1. Пиротехнический состав с 50 мас. % порошка кремния Si и 50 мас. % диоксида свинца PbO₂ запрессовывался в воспламенитель, высота столбика замедлительного состава в среднем составляла 1 мм. С такой рецептурой замедлительного состава было изготовлено несколько партий составов, при этом при изготовлении этих партий составов порошок диоксида свинца PbO₂ брали с удельной поверхностью 0,509 м²/г, а порошок кремния Si - с удельной поверхностью в диапазоне от 0,6 до 1,7 м²/г. Результаты отстрелов с контролем времени срабатывания представлены на фиг. 1.

Имея полученные экспериментальные зависимости времени срабатывания воспламенителя от удельной поверхности порошка кремния Si в пиротехническом составе, можно обоснованно изменять условия измельчения горючего компонента при его подготовке для получения необходимого строго определенного времени срабатывания замедлителя в конкретном воспламенителе.

Пример 2. Пиротехнический состав с 50 мас. % порошка кремния Si, 50 мас. % диоксида свинца PbO₂ запрессовывался в воспламенитель, высота столбика замедлительного состава в среднем составляла 1 мм. С такой рецептурой замедлительного состава было изготовлено несколько партий составов, при этом при изготовлении этих партий составов порошок кремния Si брали с удельной поверхностью 1,34 м²/г, а порошок диоксида свинца PbO₂ - с удельной поверхностью в диапазоне от 0,2 до 0,9 м²/г. Результаты отстрелов с контролем времени срабатывания представлены на фиг. 2.

Имея полученные экспериментальные зависимости времени срабатывания воспламенителя от удельной поверхности порошка диоксида свинца PbO₂ в пиротехническом составе, можно обоснованно изменять условия измельчения окислительного компонента при его подготовке для получения необходимого строго определенного времени срабатывания замедлителя в конкретном воспламенителе.

Пример 3. Пиротехнический состав, состоящий из порошка кремния Si в качестве горючего и из диоксида свинца PbO₂ в качестве окислителя, запрессовывался в воспламенитель, высота столбика замедлительного состава в среднем составляла 1 мм. С такой рецептурой замедлительного состава было изготовлено несколько партий составов. При этом удельные поверхности компонентов - порошка кремния Si и порошка диоксида свинца PbO₂ - для изготовления этих партий составов были постоянные, изменяли содержание кремния Si в составе в диапазоне от 45 до 60 мас. %. Результаты отстрелов с контролем времени срабатывания представлены на рис. 3.

Имея полученные экспериментальные зависимости времени срабатывания воспламенителя от содержания кремния Si в пиротехническом составе, можно обоснованно изменять содержание горючего компонента кремния Si (соотношение горючее/окислитель) при изготовлении состава для получения необходимого строго определенного времени срабатывания замедлителя в конкретном воспламенителе.

Пример 4. Пиротехнический состав с 40 мас. % порошка кремния Si, 60 мас. % свинцового сурика Pb₃O₄ запрессовывался в воспламенитель, высота столбика замедлительного состава в среднем составляла 1 мм. С такой рецептурой замедлительного состава было изготовлено несколько партий составов, при этом при изготовлении этих партий составов порошок свинцового сурика Pb₃O₄ брали с удельной поверхностью 0,323 м²/г, а порошок кремния Si - с удельной поверхностью в диапазоне от 1,0 до 1,8 м²/г. Результаты отстрелов с контролем времени срабатывания представлены на рис. 4.

Имея полученные экспериментальные зависимости времени срабатывания воспламенителя от удельной поверхности порошка кремния Si в пиротехническом составе, можно обоснованно изменять условия измельчения горючего компонента при его подготовке для получения необходимого строго определенного времени срабатывания замедлителя в конкретном воспламенителе.

Пример 5. Пиротехнический состав с 40 мас. % порошка кремния Si, 60 мас. % свинцового сурика Pb₃O₄ запрессовывался в воспламенитель, высота столбика замедлительного состава в среднем составляла 1 мм. С такой рецептурой замедлительного состава было изготовлено несколько партий составов, при этом при изготовлении этих партий составов порошок кремния Si брали с удельной поверхностью 1,43 м²/г, а порошок свинцового сурика Pb₃O₄ - с удельной поверхностью в диапазоне от 0,2 до 0,4 м²/г. Результаты отстрелов с контролем времени срабатывания представлены на рис. 5.

Имея полученные экспериментальные зависимости времени срабатывания воспламенителя от удельной поверхности порошка свинцового сурика Pb₃O₄ в пиротехническом составе (с конкретными исходными компонентами), можно обоснованно изменять условия измельчения окислительного компонента при его подготовке для получения необходимого строго определенного времени срабатывания замедлителя в конкретном воспламенителе.

Пример 6. Пиротехнический состав, состоящий из порошка кремния Si в качестве горючего и из порошка свинцового сурика Pb₃O₄ в качестве окислителя, запрессовывался в воспламенитель, высота столбика замедлительного состава в среднем составляла 1 мм. Для проведения испытаний было изготовлено несколько партий составов. При изготовлении составов были использованы в качестве компонентов - порошок кремния Si с удельной поверхностью 1,43 м²/г и порошок свинцового сурика Pb₃O₄ с удельной поверхностью 0,323 м²/г. При изготовлении разных партий составов изменяли содержание кремния Si в составе в диапазоне от 30 до 50 мас. %. Результаты отстрелов с контролем времени срабатывания представлены на фиг. 6.

Имея полученные экспериментальные зависимости времени срабатывания воспламенителя от содержания кремния Si в пиротехническом в составе, можно обоснованно изменять содержание горючего компонента кремния Si (соотношение горючее/окислитель) при изготовлении состава для получения необходимого строго определенного времени срабатывания замедлителя в конкретном воспламенителе.

В таблице 1 приведены результаты экспериментальной обработки испытаний заявляемого состава (на основе кремния Si и диоксида свинца PbO₂) для получения экспериментальных зависимостей при заявляемых соотношениях компонентов и заявляемых значениях удельной поверхности компонентов.

Из экспериментальных данных, приведенных в таблице 1 и на фиг. 1, следует, что с увеличением удельной поверхности порошка кремния Si время срабатывания уменьшается до определенного момента, а затем есть тенденция роста. Из данных таблицы 1 и фиг. 2 следует, что с увеличением удельной поверхности порошка диоксида свинца PbO₂ время срабатывания уменьшается в пределах заявляемого диапазона значений удельной поверхности. Из данных таблицы 1 и фиг. 3 следует, что с увеличением содержания кремния Si в составе время срабатывания растет в пределах заявляемого диапазона значений содержания кремния Si в составе. В таблице 1 также приведены результаты экспериментов с различными вариантами комбинаций варьируемых параметров (удельная поверхность порошков и их соотношение), которые дополняют и подтверждают полученные зависимости.

В таблице 2 приведены результаты экспериментальной обработки испытаний заявляемого состава (на основе кремния Si и свинцового сурика Pb₃O₄) для получения экспериментальных зависимостей при заявляемых соотношениях компонентов и заявляемых значениях удельной поверхности компонентов.

Из экспериментальных данных, приведенных в таблице 2 и фиг. 4, следует, что с увеличением удельной поверхности порошка кремния Si время срабатывания растет до определенного момента, а затем уменьшается. Из данных таблицы 2 и фиг. 5 следует, что с увеличением удельной поверхности порошка свинцового сурика Pb₃O₄ время срабатывания уменьшается в пределах заявляемого диапазона значений удельной поверхности. Из данных таблицы 2 и фиг. 6 следует, что с увеличением содержания кремния Si в составе время срабатывания растет в пределах заявляемого диапазона значений содержания кремния Si в составе. В таблице 2 также приведены результаты экспериментов с различными вариантами комбинаций варьируемых параметров (удельная поверхность порошков и их соотношение), которые дополняют и подтверждают полученные зависимости.

В таблице 3 приведены результаты экспериментальной обработки испытаний заявляемого пиротехнического состава с массовым содержанием кремния Si 50% и диоксида свинца PbO₂ 50% по работоспособности при различных высотах ++столбика замедлительного состава.

Для проверки возможности обоснованного изменения содержания горючего компонента кремния Si (соотношение горючее/окислитель) при изготовлении состава для получения необходимого строго определенного времени срабатывания замедлителя в конкретном воспламенителе был изготовлен пиротехнический состав с массовым содержанием кремния Si (удельная поверхность порошка 1,43 м²/г) 50% и диоксида свинца PbO₂ 50% (удельная поверхность порошка 0,509 м²/г). В результате проведенных испытаний этого состава получено среднее время срабатывания воспламенителя 6,54 мс со средним квадратичным отклонением 0,56 мс. Используя полученные экспериментальные зависимости времени срабатывания воспламенителя от содержания кремния Si, было рассчитано, что для получения времени срабатывания воспламенителя от 7 до 8 мс необходимо изготовить состав (из тех же исходных компонентов с теми же значениями удельной поверхности) с массовым содержанием кремния Si 54% и диоксида свинца PbO₂ 46%. После изготовления такого состава и проведения его испытаний получено, что среднее время срабатывания воспламенителя составило 7,72 мс со средним квадратичным отклонением 0,36 мс. Этот результат показывает возможность получения необходимого строго определенного времени срабатывания замедлителя в конкретном воспламенителе.

В таблице 4 приведены результаты экспериментальной обработки испытаний заявляемого пиротехнического состава с массовым содержанием кремния Si 50% и диоксида свинца PbO₂ 50% на воспроизводимость времени срабатывания воспламенителя при изготовлении четырех партий состава.

Из экспериментальных данных, приведенных в таблице 4, можно определить, что при среднем времени срабатывания воспламенителя 9,04 мс (по испытаниям четырех различных партий состава) среднее квадратичное отклонение времени срабатывания воспламенителя составило 0,2 мс. Полученный результат показывает, что для различных партий состава, изготовленных по одной технологии, время срабатывания воспламенителя имеет хорошую воспроизводимость.

Настоящее изобретение, основанное на новом комбинационном сочетании известных компонентов, их соотношении и их дисперсности, промышленно применимо, так как позволяет решить указанную задачу и достичь технического результата получения заданного и воспроизводимого времени срабатывания, зависящей от скорости горения пиротехнического состава, в замедлителях для различного рода устройств.

Изобретение относится к области пиротехники. Пиротехнический замедлительный состав содержит порошок кремния Si в качестве горючего, диоксид свинца PbO₂ или свинцовый сурик Pb₃O₄ в качестве окислителя. Компоненты в составе взяты в соотношении, мас. %: кремний Si 45-60 и диоксид свинца PbO₂ 40-55 или кремний Si 30-50 и свинцовый сурик Pb₃O₄ 50-70, при этом удельная поверхность горючего составляет (0,6-1,8) м²/г, удельная поверхность порошка диоксида свинца PbO₂ - (0,2-1,0) м²/г и удельная поверхность порошка свинцового сурика Pb₃O₄ - (0,2-0,6) м²/г. Технический результат: получение заданного времени горения пиротехнического замедлительного состава в замедлителях для различного типа устройств и увеличение стабильности скорости горения при изменении партий исходных компонентов. 6 пр., 4 табл., 6 ил.

Пиротехнический замедлительный состав, содержащий порошок кремния Si в качестве горючего, диоксид свинца PbO₂ или свинцовый сурик Pb₃O₄ в качестве окислителя, отличающийся тем, что он содержит указанные компоненты в следующих соотношениях, мас. %:

кремний Si 45-60 и диоксид свинца PbO₂ 40-55

или

кремний Si 30-50 и свинцовый сурик Pb₃O₄ 50-70,

при этом удельная поверхность порошка кремния Si составляет (0,6-1,8) м²/г, удельная поверхность порошка диоксида свинца PbO₂ - (0,2-1,0) м²/г, а удельная поверхность порошка свинцового сурика Pb₃O₄ - (0,2-0,6) м²/г.