Патент №2622127
Авторы изобретения: А. Б. Лившиц, А. Ш. Мингазов, П. В. Порхачев, Т. В. Пономарёва, А. И. Сидоров, И. А. Абдуллин,
К. В. Микрюков, В. В. Емельянов

ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ ДЛЯ ЗАРЯДОВ ТЕПЛОВОГО РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Изобретение относится к высококалорийным пиротехническим составам, уплотненные заряды из которых предназначены для использования в технологии разрушения сооружений из бетона, железобетона, кирпича и раскалывания природных глыб без применения взрывчатых веществ.

Уровень данной области техники характеризует пиротехнический состав по патенту RU 2559240 C1, Е21С 37/16, С06В 33/00, 2014 г., который содержит смесь порошков алюминиево-магниевого сплава, оксида железа или железной окалины и органического горючего связующего - раствор канифоли в веретенном масле, при следующем массовом соотношении компонентов, мас.%:

Описанный пиротехнический состав пригоден для заданного гранулирования и последующего поэтапного вибрационного формования в протяженный гибкий заряд, устанавливаемый в шпурах, где осуществляется тепловое разрушение твердых материалов и пород без выброса отколовшихся кусков.

Недостатком этого состава является сложная многостадийная технология поэтапного изготовления протяженных зарядов частями, которые последовательно соединяются между собой, что ограничивает продольную механическую устойчивость.

Кроме того, заряд при горении крошится из-за термической нестойкости связующего, заметно снижая тепловую нагрузку на разрушаемый материал, ухудшая тем самым эффективность работ.

Более совершенным является пиротехнический состав для теплового разрушения твердых тел по патенту RU 2457328 C1, Е21С 37/00, 2011 г., который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному составу.

Известный пиротехнический состав для зарядов, устанавливаемых в шпурах, горение которого обеспечивает экзотермическое бездетонационное разрушение твердых тел при импульсном термическом нагружении, выполнен из смеси, включающей металлическое горючее (алюминий, магний, их сплавы), оксид железа или железную окалину и в качестве связующего - синтетический каучук, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

За счет продолжительного локального высокотемпературного (1800-3000°С) воздействия на твердые строительные и природные материалы, развиваемого при термическом разложении заряда в шпуре, происходит бездетонационное их разрушение при минимальных выбросах породы и газов.

Инициирование горения приготовленной из этого пиротехнического состава смеси, заполняющей шпуры, осуществляется от штатных средств воспламенения, включая термитную спичку.

Продолжением указанных достоинств известного пиротехнического состава являются присущие недостатки, в частности использование в форме смеси, приготовленной на месте горных или строительных работ, что требует организации специального производства.

В известном составе не сбалансировано соотношение компонентов термической основы, где имеется значительный избыток окислителя, что определяет неудовлетворительную теплотворную способность при дефиците металлического горючего, следствием чего является низкая эффективность действия по назначению.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является модернизация пиротехнического состава, пригодного для формования протяженных гибких зарядов под диаметр шпуров, изготавливаемых на специализированном производстве и характеризующихся повышенной эффективностью действия по назначению после складского хранения.

Требуемый технический результат достигается тем, что известный пиротехнический состав для зарядов теплового разрушения твердых тел, включающий порошок алюминия, оксид железа и синтетический каучук в качестве связующего, согласно изобретению дополнительно содержит фторопласт-4 и фторкаучук марки СКФ-32 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

причем порошки термической основы состава алюминия и оксида железа ограничены размером в диапазоне 20-50 мкм.

Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили технологичность составу при изготовлении протяженных зарядов и повысили их функциональность при использовании по назначению

Дополнительное введение в пиротехнический состав галогенсодержащих компонентов (фторопласта-4 и фторкаучука марки СКФ-32) обеспечило активацию горения уплотненных зарядов из него при улучшении воспламеняемости и повышении стабильности горения для безопасного быстродействия по тепловому разрушению твердых тел.

Массовое соотношение компонентов термической основы оптимизировано экспериментально для достижения максимальной температуры и скорости горения состава за счет уменьшения, сравнительно с прототипом, доли оксида железа, избыточную массу которого заменяют активаторы горения - фторкаучук СКФ-32 и фторопласт-4. Массовое соотношение оксида железа и алюминия в термической основе предложенного состава снижено, сравнительно с прототипом, с 2,7 до оптимального 2,0.

Использование в качестве металлического горючего калорийного порошкового алюминия стало возможным, так как при смешивании компонентов происходит капсюлирование частиц алюминия слоем фторкаучука, который представляет собой 10%-ный раствор в ацетоне смолы СКФ-32, что предотвращает взаимодействие частиц с кислородом воздуха, стабилизируя химическую активность металлического горючего термической основы.

Оптимизированный диапазон дисперсности порошков термической основы - алюминия и оксида железа - определяется максимальным развитием контактной поверхности их взаимодействия для повышения скорости горения.

При использовании в предложенном составе порошков алюминия и оксида железа размером меньше 20 мкм резко повышается скорость горения по развитой поверхности их химического взаимодействия, в результате чего может произойти выброс продуктов горения и разрушаемого материала, что недопустимо.

При использовании в предложенном составе порошков алюминия и оксида железа размером больше 50 мкм скорость горения зарядов недостаточна для эффективного выделения удельной тепловой энергии.

Предложенный состав, так же как состав по прототипу, содержит в качестве связующего синтетический каучук из ряда: уретановый, хлоропреновый, этилен-пропиленовый, изопреновый или бутилкаучук.

Кроме эластичности пиротехнической композиция получает иные полезные свойства, в частности тепло- и химическую стойкость, противодействие атмосферным факторам и прочее.

Дополнительно состав по изобретению содержит фторкаучук марки СКФ-32 в количестве 7-9 мас.%, который относится к синтетическим каучукам и служит активатором горения, обеспечивая высокую газопроницаемость и термостойкость при динамических нагрузках протяженного заряда из него.

Использование принятого в пиротехнике фторкаучука СКФ-32 предпочтительнее СКФ-26 из-за содержания в структуре дополнительного сильного окислителя - хлора, который интенсифицирует горение состава.

В качестве дополнительного связующего фторкаучук марки СКФ-32 обеспечивает использование в составе металлического горючего повышенной дисперсности, капсюлируя при смешивании компонентов химически активные частицы алюминиевого порошка, стабилизируя при этом высокоскоростное горение заряда повышенной эффективности основного действия.

Галогенсодержащие компоненты (фторкаучук СКФ-32 и фторопласт-4) являются дополнительными окисляющими компонентами, активаторами горения пиротехнического состава, так как при термораспаде обеспечивают химическое взаимодействие с металлами термической основы, усиливая экзотермическую бездетонационную реакцию горения. Введение в пиротехнический состав этих компонентов обеспечило высокую термостойкость и сопротивляемость к механическим нагрузкам, что позволило устанавливать готовые уплотненные заряды в шпурах и повысить функциональность при высокотемпературном горении.

Фторкаучук марки СКФ-32 - искусственный каучук, содержащий активные элементы фтор и хлор, используется в виде 10%-ного раствора смолы в ацетоне в качестве технологической добавки, повышает механическую прочность зарядов из предложенного состава.

При содержании в пиротехническом составе по изобретению фторкаучука СКФ-32 меньше 7 мас.% не исключается пыление при смешивании компонентов, распределение которых неравномерное, что соответственно взрывоопасно и затрудняет объемное дозирование, ухудшая прессуемость состава в заряды.

При содержании в пиротехническом составе по изобретению фторкаучука СКФ-32 больше 9 мас.% улучшается технологичность, но увеличивается время сушки смеси.

Высокая термостойкость фторорганических компонентов предложенного пиротехнического состава обеспечивает нечувствительность зарядов из него к нагреву и устойчивость к механическим нагрузкам при использовании по назначению в шпурах.

Порошковый фторопласт-4, распределенный в составе, служит в качестве стабилизатора горения зарядов: при его содержании меньше 2 мас. % увеличивается скорость горения, а при его содержании больше 3 мас.% затрачивается дополнительная энергия на его терморазложение без видимой активации горения термической основы.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи является достаточной для достижения новизны качества, не присущего признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена не суммой эффектов, а новым эффектом суммы признаков.

Сравнение предложенного технического решения с ближайшими аналогами уровня техники не выявило идентичного совпадения совокупности существенных признаков изобретения.

Предложенные отличия состава для зарядов теплового разрушения твердых тел, которые прямо не следуют из постановки технической задачи, не являются очевидными для специалиста по пиротехнике .

Изготовление уплотненных зарядов из состава по изобретению возможно серийно на действующем пиротехническом производстве.

Из вышесказанного можно сделать вывод о соответствии изобретения условиям патентоспособности.

Предложенный пиротехнический состав для зарядов теплового разрушения твердых тел изготавливается последовательным смешиванием компонентов в промышленном смесителе пиротехнического производства, в который загружают все порошкообразные компоненты в оптимизированном соотношении, мас.%: 27±5 алюминий марки ПА-1, 57±3 оксид железа (Fe₂O₃) и 2,5±0,5 фторопласт-4 по ГОСТ 10007-80, которые перемешивают в течение 12-15 минут.

Затем в смеситель добавляют 8±1 мас.% 10%-ного раствора в ацетоне смолы марки СКФ-32 (ГОСТ 18376-79) и 5,5±0,5 мас.% 10%но-го раствора в ацетоне каучука синтетического изопренового, после чего компоненты перемешивают в течение 10-15 минут до равномерного их распределения в смеси.

Приготовленный пластифицированный пиротехнический состав высушивают до содержания влаги и летучих не выше 0,6 мас.% и направляют на прессование протяженных зарядов диаметром под шпур.

Количественное соотношение компонентов предложенного пиротехнического состава было рассчитано по математической модели планирования эксперимента и нашло подтверждение по результатам опытной проверки натурных образцов зарядов.

Характерные составы для испытаний, в которых компоненты содержатся в предложенных диапазонах массового соотношения, за пределами оптимизированных диапазонов и в пределах количественного содержания компонентов по изобретению, представлены в таблице.

Испытания опытных образцов зарядов для теплового разрушения твердых тел из пиротехнических составов 2-4 полностью подтвердили достижение технологических характеристик и показателей назначения по бездетонационной экзотермической реакции горения в шпурах и повышенному их быстродействию по передаче в примыкающий монолит тепловой энергии.

Заряд состава 1 не функционален из-за недостаточно интенсивного тепловыделения и не технологичен по причине длительной сушки после смешивания компонентов.

Заряд из состава 5 характеризуется неудовлетворительной эффективностью разрушающего действия при низкой скорости и нестабильном горения, так как компоненты неравномерно распределены в смеси. Заряд крошится от изгибов при установке в шпур и при горении.

Положительные результаты натурных испытаний технологичного пиротехнического состава по изобретению для высокоэффективных зарядов теплового разрушения твердых тел позволяют рекомендовать его промышленное производство для поставки заказчикам.