Производство пироксилиновых порохов периодическим методом

2.4.1.1 Обезвоживание пироксилина этиловым спиртом

Пироксилин обезвоживается с целью снижения содержания влаги от 28–32 до 2–4 %. Большое количество влаги в пироксилине препятствует его пластификации. Метод основан на вытеснении из пироксилина воды этило­вым спиртом. Этот метод был предложен выдающимся русским ученым Д.И. Менделеевым. В процессе обезвоживания пироксилин пропитывается спиртом до 25–28 %, происходит набухание волокон, низкоазотные фракции нитратов целлюлозы и нестойкие примеси растворяются в спирте, вымываются, химическая стойкость пирок-силина повышается.

На процесс обезвоживания пироксилина оказывают влияние следующие факторы:

1. С повышением содержания азота в пироксилине обезвоживание протекает более глубоко и с большей скоростью. Присутствие в пироксилине низкоазотных фракций, растворимых в спирте, приводит к образованию высоковязких растворов, что затрудняет диффузию спирта через массу пироксилина.

2. Наличие в пироксилине примесей затрудняет процесс обезвоживания, так как примеси набухают в спирте, закрывая поры. Следовательно, пироксилин из хлопковой целлюлозы будет обезвоживаться легче, чем из древесной целлюлозы.

3. Спирт высокой крепости может вызвать интенсивное растворение поверхностного слоя пироксилина с образованием высоковязкой пленки. Поэтому процесс обезвоживания пироксилина начинают с применения этилового спирта более низкой концентрации (70–80 объем-ных долей).

4. С повышением температуры спирта обезвоживание ускоряется, так как снижается его вязкость. Оптимальная температура обезвоживания 30-40 °С.

Таблица 2 − Рецептуры и свойства составов цветных огней на основе пироксилина

Наименование компонентов и параметров излучения	Содержание компонентов, %, и значения параметров излучения для состава огня
красного	зеленого	белого	желтого	оранжевого	голубого	фиолетового
Пироксилин ДФА	42,0–69,0	42,0–60,0	50,0–65,0	41,0–57,0	50,0–61,0	54,0–50,0	35,0–50,0
Цветопламенная добавка	15,0–25,0	15,0–25,0	15,0–40,0	28,0–39,0	20,0–35,0	25,0–45,0	45,0–55,0
Металлическое горючее	10,0–20,0	10,0–20,0	10,0–20,0	15,0–20,0	10,0–15,0	5,0–15,0	5,0–10,0
Усилитель цвета пламени	6,0–12,0	6,0–12,0	-	-	-	6,0–10,0	-
Удельная светосумма, кд.с/г	2940–3010	2940–2990	2460–2580	3650–3710	1410–1600	100–120	680–900
Р, %	92–93	72–74	42–45	90–91	92–93	60–62	68–71
l, нм	610–613	532–535	565–567	584–585	601–606	468–474	498–502

Пироксилин обезвоживается в вертикальных центрифугах периодического действия с верхней выгрузкой, имеющих две перфорированные обечайки. Пироксилин в мешках по 10 кг каждый загружается в пространство между обечайками, промачивается отработанным спиртом и тща­тельно уплотняется. Затем на различных режимах вращения (медленном и бы­стром) в центрифугу подается спирт-ректификат, подогретый до 35 °С.

Отработанный спирт отводится через отверстие в донной части центрифуги. Общая масса загружаемого пироксилина составляет 60–70 кг (на сухую массу), продолжительность обезвоживания 1–2 ч. Качество обезвоживания контролируется по крепости отработанного спирта и по содержанию влаги и спирта в пироксилине.

2.4.1.2 Смешение компонентов и пластификация пороховой
массы

Назначение данной стадии – приготовление однородной и пластичной пороховой массы, из которой в последующем будут формоваться пороховые шнуры. На эту стадию поступает пироксилин, содержащий до 4 % воды и 32 % спирта. Стабилизатор химической стой-кости – дифениламин, подается на эту стадию в виде раствора в этиловом эфире. Смешение осуществляется в лопастных смесителях с ру-башками для охлаждения и двумя Z-образными мешалками, вращающимися в противоположных направлениях (рисунок 21), или в перовых мешателях, валы которых имеют вращательное и возвратно-поступательное движение.

Рисунок 21 - Смеситель

Через 1–2 мин направление вращения мешалок периодически изменяется. Загрузка смесителя пороховой массой составляет 90–120 кг. Смешение осуществляется в следующей последовательности: в смеситель загружается половина всей массы пироксилина, брак и заливается половина всего растворителя. После перемешивания в течение 5 мин мешалки останавливают и загружают вторую половину пироксилина и растворителя, а также эфир с растворенным дифениламином. После перемешивания в течение 30 мин отбирается проба на анализ качества пластификации. При положительных результатах пороховая масса выгружается в герметичные бидоны по 30 кг.

Необходимые количества спирта и эфира для подачи в смеситель опре­деляются на основе уравнений материального баланса, исходя из следующих условий:

1. Соотношение между спиртом и эфиром составляет от 1:1 до 1:1,5; чаще всего используется соотношение 1:1,1.

2. На 100 массовых частей сухого пироксилина берется следующее ко­личество растворителя: при изготовлении орудийных порохов из смесевого пироксилина СА – 85-100 массовых частей; при изготовлении винтовочных порохов из смесевого пироксилина ВА – 90–110 массовых частей.

3. Возвратный брак, поступающий в смеситель, при малом содержании в нем растворителя, подвергается предварительной размочке.

2.4.1.3 Формование пороховых шнуров, их предварительное
провяливание и резка на элементы

Формование пороховых шнуров осуществляется путем продавливания пластичной пороховой массы через формующие устройства - матрицы (рисунок 22).

Рисунок 22 – Матрица

Размер матриц выбирается с учетом 30%-ной усадки пороховых элементов по диаметру, происходящей после удаления растворителя.
В процессе формования происходит уплотнение пороховых элементов, придание им требуемой формы и размеров, а также частичная ориентация макромолекул вдоль направления движения пороховой массы по каналу матрицы. Вследствие ориентации макромолекул возникает анизотропия свойств порохов.

Прессование осуществляется на гидравлических прессах (рису-нок 23), имеющих две вращающиеся изложницы, главный и вспомогательный гидравлические цилиндры с поршнями, установленные на двух массивных колоннах.

Рисунок 23 – Гидравлический пресс

Вспомогательный гидравлический цилиндр служит для подпрессовки пороховой массы под небольшим давлением (1,0–1,5 МПа). Главный гидравлический цилиндр служит для выпрессовывания пороховой массы. Прессование осуществляется в следующей последовательности. Сначала в изложницу вставляется обойма с матрицами, направляющими и фильтрующими дисками. Поверх дисков устанав-ливаются две стальные сетки для задержания инородных включений. Затем в изложницу загружается 30 кг пороховой массы в пять приемов с подпрессовкой давлением около 1,0 МПа. Подпрессовки необходимы для удаления воздуха из пороховой массы, который при сжатии разогревается и может инициировать ее воспламенение. После загрузки пороховой массы в изложницу вставляется пороховая «лепешка», оставшаяся от предыдущего прессования, и медное разрезное обтюрирую-щее кольцо. Подготовленная изложница поворачивается вокруг колонны на 180°, устанавливается соосно с поршнем главной цилиндрической системы и фиксируется с помощью защелки.

Включается главный гидравлический цилиндр, и начинается выпрессовывание пороховых шнуров (пороховых нитей). Пороховые шнуры на выходе из пресса сворачиваются в бухты или подаются на барабаны. Толстосводные шнуры для трубчатого пороха накалываются на рамы. Пороховые нити для винтовочных порохов и тонкосводных орудийных порохов разрываются на отрезки длиной около 3 м и развешиваются на деревянных стержнях. При прессовании пороховых шнуров возможны следующие виды брака:

- шнуры с неправильными (смещенными) каналами (образуются в том случае, если иголки в матрице погнуты или установлены неправильно);

- расширенные каналы (образуются при высокой скорости прессования);

- узкие каналы (образуются при медленном прессовании «жирной» массы, содержащей избыток растворителя);

- шнуры с шероховатой поверхностью (образуются при высокой скорости прессования);

- шнуры с плохой пластификацией на наружной поверхности и в изломе имеют белые рыхлые включения непластифицированного пироксилина. Этот наиболее часто встречающийся вид брака возникает при плохом обезвоживании пироксилина, при недостатке растворителя, неправильном выборе соотношения между спиртом и эфиром, при повышенной температуре или не­достаточном времени смешения.

Предварительное провяливание пороховых шнуров осуществляется после их формования с целью удаления части растворителя и придания им определенной механической прочности. После выхода из пресса пороховые шнуры содержат около 50 % растворителя, являются мягкими и при резке могут легко деформироваться. После предварительного провяливания шнуров в естественных условиях содержание в них растворителя уменьшается до 40–35 %.

Резка пороховых шнуров на элементы осуществляется с учетом 10%-ной усадки по длине в результате удаления растворителя. Длина трубчатых порохов определяется в зависимости от длины зарядной каморы или длины цилиндрической части гильзы. Для крупных калибров орудий длина пороховых трубок принимается равной половине или четверти длины зарядной каморы. Для зерненых и пластинчатых порохов длина пороховых элементов определя­ется в зависимости от толщины горящего свода 2e₁:

- зерно с одним каналом – (7–8) 2e₁;

- зерно с семью каналами – (10–12) 2e₁;

- пористые пороха без канала – (2–3) 2e₁;

- ширина пластины – (10–20) 2e₁.

Резка пороховых шнуров осуществляется на резательных станках (рисунок 24) с помощью специальных ножей. Скорость подачи шнуров и частота перемещения ножей регулируются в зависимости от требуемой длины пороховых элементов.

Рисунок 24 – Резательный станок

Для резки шнуров могут применяться также резательные станки Разумеева и гильотинный станок Сан-Галли.

При резке возможны следующие виды брака пороховых элементов: заусенцы или зерна с острыми выступающими краями, короткие или длинные зерна, зерна с трещинами и косыми срезами, зерна с заплывшими каналами.

2.4.1.4 Удаление спиртоэфирного растворителя

Операция удаления растворителя в производстве пироксилиновых порохов является одной из наиболее ответственной и самой продолжительной.

Это сложный физико-химический процесс, скорость и характер протекания которого зависит как от внешних факторов (среды и параметров процесса), так и от внутренних (сырья и структуры пороха).

Выпрессованные пороховые шнуры имеют значительное количество растворителя, который необходимо удалить до требуемых норм содержания. На этой фазе производства формируются основные физико-химические параметры порохов, определяющих их эксплуатационные качества: содержание удаляемых (вода), неудаляемых (спиртоэфирный растворитель), геометрические размеры элементов, плот-ность, удельная поверхность. Удаление растворителя идет поэтапно и разбивается на три самостоятельные фазы: провяливание, вымачивание (вымочка), сушка с последующим увлажнением пороха.

Провяливание пороха осуществляется с целью плавного удаления спиртоэфирного растворителя из пороха до содержания не более 15 %.

При медленном удалении растворителя происходит усадка пороха, при этом повышаются его плотность и прочность. Если удаление растворителя происходит слишком быстро, то релаксация макромолекул не успевает протекать и порох сохраняет структуру, характерную для набухших нитратов целлюлозы. При этом происходит недостаточная усадка и в порохе «фиксируется» пористая структура. Такой порох будет иметь большую скорость горения, меньшую плотность. Кроме этого, быстрое удаление спиртоэфирного растворителя из пороха может привести к образованию на поверхности зерен твердой пленки – «корочки», препятствующей дальнейшему удалению растворителя.

Провяливание осуществляется в провялочных шкафах с искусственной циркуляцией воздуха при температуре (30±2) °С и относительной влажности воздуха 60–65 %. Провялочный шкаф имеет 5–10 секций, каждая секция работает самостоятельно. Внутри секции располо-жены полки с решетками, на которые укладываются зерненые пороха в мешках по 11–15 кг на сухую массу. Трубчатые пороха провяливаются на рамах. Воздух после прохождения через массу пороха поступает в холодильник, где большая часть растворителя конденсируется, после чего воздух пропускается через калорифер и снова поступает в шкаф.

Время провяливания составляет от 10 до 50 ч. После провяливания формируются малые партии, и производятся разымка и сортировка пороха. Брак по внешнему виду удаляется путем переборки пороха. Брак по размерам зерненых порохов удаляется путем проведения разымки на наклонных разымочных аппаратах и цилиндрических разымочных аппаратах – аппаратах Моро. Пороха марок 7/7 и крупнее разымке не подвергаются.

Наклонный разымочный аппарат состоит из трех сит: на первом сите за­держиваются длинные зерна, на втором - нормальные по размерам зерна, а мелочь проходит на третье сито. Пороховая пыль собирается на глухом дне разымочного аппарата. Для ускорения разымки ситам придается возвратно-поступательное движение с помощью криво-шипно-шатунного механизма.

Трубчатые пороха с браком по размерам и внешнему виду отделяются при ручной переборке.

Вымочка пороха в воде проводится с целью удаления летучего растворителя до норм, установленных техническими условиями для конкретной марки пороха. Вымочку производят в бетонных бассейнах длиной 4,5 м, шириной 2,65 м, глубиной 1,8 м. Бассейн имеет ложное дно, под которым проходят трубы с отверстиями для подачи пара с целью подогрева воды. Повышение температуры воды ускоряет процесс вымочки, но при этом возрастают потери стабилизатора химической стойкости дифениламина. На вымочку поступает малая партия пороха: зерненый в мешках по 25-30 кг, трубчатый - в пучках. В ходе вымочки производится смена воды. Время вымочки составляет от 10 до 200 ч. Специальные пороха, содержащие водорастворимые добавки, вымочке не подвергаются (кроме пористых порохов).

Процесс вымочки контролируется путем измерения температуры и крепости водного раствора спирта. В конце вымочки определяется содержание в порохе неудаляемых летучих веществ. При удовлетворительных результатах анализа из бассейна удаляется вода, порох выгружается и транспортируется на сушку.

Сушка и увлажнение пороха. После вымочки влажность пороха составляет 20–25 %. По техническим условиям содержание удаляемых летучих веществ (влаги) должно находиться в пределах 1,0–1,8 %. Прямой сушкой достигнуть требуемого содержания влаги трудно, поэтому порох сначала пересушивают, а затем увлажняют до требуемых норм.

Процесс сушки основан на пропускании через слой влажного пороха сухого воздуха с температурой 55–75 °С. Наряду с удалением из пороха влаги, в процессе сушки происходит незначительное снижение количества спиртоэфирного растворителя. Скорость процесса сушки зависит от структуры, формы и размеров пороховых элементов, от содержания влаги перед сушкой, от объема, температуры и влажности подаваемого на сушку воздуха.

Сушку пироксилиновых порохов по периодическому способу производят в столовых сушилках. В помещении для сушки располагается несколько столов. Каждый стол состоит из четырех рав­ных отделений, разделенных алюминиевыми бортами. В дно стола к каждому отделению присоединены воздухопроводы для подачи воздуха. Над столом закрепляется вытяжная система. Перед загрузкой пороха в каждое отделение стола укладываются деревянные решетки, которые затем накрываются неплотной тканью. После этого засыпается зерненый порох толщиной слоя около 0,2 м. Трубчатые пороха устанавливаются на решетки пучками вертикально. В каждое отделение загружается около 1 т пороха. Сушка контролируется путем измерения температуры в верхнем, среднем и нижних слоях пороха. Сушка считается законченной, если в верхнем и нижнем слоях пороха температура будет одинаковой и будет отличаться от температуры подаваемого воздуха не более чем на 3–5 °С. Для равномерной и ускоренной сушки пороха через каждые 8–12 ч подача нагретого воздуха прекращается, порох охлаждается до 20–25 °С и перемешивается. Общее время сушки составляет 20–120 ч. По окончании сушки порох охлаждают в течение 30–60 мин, а затем увлажняют в тех же сушилках путем продувания через него влажного воздуха, нагретого до температуры 30–45 °С.

2.4.1.5 Составление общих партий и укупоривание пороха

Для усреднения физико-химических и баллистических свойств пороха производится мешка малых и общих партий. Сначала производится двухкратная мешка малых партий. Затем малые партии подвергаются физико-химическим испытаниям, а винтовочные пороха – физико-химическим и баллистическим испытаниям.

По результатам испытаний малых партий составляется план мешки общей партии, исходя из следующих положений:

- толщина горящего свода в общей партии является усредненной величиной толщины горящего свода в малых партиях;

- содержание летучих веществ, удаляемых 6-часовой сушкой при температуре 95 °C, после 10 суток выравнивается по всей массе партии (к удаляемым сушкой веществам относится влага);

- содержание остаточного растворителя, т.е. летучих веществ, не удаляемых 6-часовой сушкой, практически не выравнивается даже после нескольких месяцев.

При смешении малых партий в общую партию отклонения показателей между отдельными малыми партиями должны быть: для пороха ВТ по толщине свода 0,02 мм, по общему содержанию летучих веществ ±0,4 %; для орудийных порохов средних марок по толщине свода 0,03 мм, по общему содержанию летучих веществ ±0,7 %.

Для мешки выбирают партии, которые имеют меньшую толщину свода, но большее содержание летучих веществ и наоборот. Мешка зерненых порохов осуществляется на аппарате Тарасова (рисунок 25), который состоит:

- из воронки, служащей для засыпки пороха;

- из распределительного конуса;

- из 14 приемных желобов.

Рисунок 25 – Схема аппарата Тарасова

Мешка трубчатых порохов осуществляется, как правило, вручную. После смешения общая партия пороха подвергается полному физико-химическому анализу и баллистическим испытаниям. После получения удовлетворительных результатов порох поступает на укупори-вание в герметическую укупорку.

Укупорка состоит из металлического оцинкованного короба (рисунок 26) с герметической крышкой и деревянного футляра.

Рисунок 26 – Оцинкованный короб

Перед укупориванием короба проверяются на отсутствие кислотности и герметичность. В зависимости от вместимости укупорки масса засыпаемого пороха составляет 50−90 кг. Сверху на порох укладывается ярлык с маркировкой пороха и фамилиями лиц, производивших укупоривание. После этого короб закрывается, и привинчивается крышка футляра, на которую нанесены данные о марке пороха и производственные данные.

2.4.1.6 Исправление некондиционных малых и общих партий

Малые партии могут быть некондиционными по следующим показателям: удаляемые летучие вещества – выше или ниже установленной нормы, а неудаляемые летучие вещества – выше установленной нормы.

При содержании удаляемых летучих веществ выше нормы производят подсушку пороха; при содержании удаляемых летучих веществ ниже нормы – увлажнение; при содержании неудаляемых летучих веществ выше нормы – дополнительную вымочку с последующей сушкой и увлажнением.

Общие партии могут оказаться некондиционными по следующим показателям:

- некондиционность по летучим веществам (исправляют так же, как и для малых партий);

- высокое максимальное давление пороховых газов Р_м в канале ствола (устраняют увлажнением общей партии или подмешивают к общей партии несколько малых партий с повышенным содержанием летучих веществ и повышенной толщиной свода (тупые партии));

- низкое значение Р_max устраняют сушкой пороха или добавляют партии с пониженной толщиной свода (острые партии));

- некондиционные партии по вероятному отклонению начальной скорости снаряда r_v (дополнительно перемешивают или порох вылеживается не менее 10 суток);

- малая гравиметрическая плотность пороха не позволяет заряд поместить в гильзу (подмешиваются малые партии с большой гравиметрической плотностью).

В случае невозможности исправления качества пороха этими средствами партия расформировывается.

2.4.1.7 Особенности производства пироксилиновых порохов
специального назначения

Графитовка пороха проводится путем напыления на поверхность пороховых элементов графита с целью устранения электризуемости порохов. Графитовке подвергаются мелкозерненые пороха. Операция проводится в полировальных барабанах. Пороха опыляются графитом, как правило, после вымочки. Содержание связанного графита составляет 0,2–0,3 %.

Флегматизацию порохов проводят после сушки и вымочки пороха. В качестве флегматизатора применяется камфора, которая с некоторым количеством дифениламина вводится в виде спиртового раствора. Для улучшения сыпучести и снижения электризуемости добавля-ется графит. Для флегматизации используется вращающийся барабан.

В готовом порохе содержание флегматизатора должно быть
1,0–1,8 %. Неравномерное проникновение камфоры в поверхностные слои пороха приводит к увеличению рассеивания снарядов при стрельбе. После флегматизации производятся сушка и разымка пороха. Флегматизации подвергаются лишь мелкозерненые пороха для стрелкового оружия.

Получение пористых порохов. На стадии смешения компонентов в смеситель загружаются калиевая селитра, предварительно просеянная через сито, и графит. После прессования и резки шнуров порох без провялки поступает на операцию вымочки, где происходит удаление калиевой селитры и летучего растворителя.