Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Август » 4 » Производство и применение дымного пороха.
20:43
Производство и применение дымного пороха.

Дымный (или черный) порох в течении длительного времени (почти тысячу лет) оставался единственным энергонасыщенным соединением. Его использовали в качестве ВВ, метательного состава, компонента пиротехнических смесей и др.

Мы уже поговорили о истории возникновения и сырьевой базе дымного пороха, на очереди разбор промышленных технологий производства и специфика применения.

Первоначально, черный порох изготавливали путем перетирания компонентов в каменной, керамической или деревянной ступке при помощи пестика. Чем-то эта технология напоминает измельчение зерна для выпечки хлеба, в некоторых странах Африки. Уголь брали из костров, в последствии его стали производить, так называемые, "углежоги”. Серу добывали открытым методом и не подвергали дополнительной очистке. Селитру отмывали вручную из грунта.

Порох производили в те времена в небольших частных цехах с коллективом в 5-15 человек, которые продавали его по сходной цене всем желающим. Производительность такого производства была очень не велика, а цена на порох весьма высока. За стоимость рабочей лошади можно было купить только 1-3 кг пороха.

Такая ситуация сохранялась до изобретения колесцового кремниевого замка, а в последствии и ударного кремниевого замка. Что стало толчком к массовому внедрению огнестрельного оружия в войска. До этого, порох использовался только для подрывов укреплений противника при осаде крепостей, в мортирах и полукулевринах (короткие пушки, длина ствола 8-12 калибров, калибр 90-120 мм), также, в основном при осаде или защите крепостей. На полях сражений, артиллерия и стрелковое оружие появлялись редко, ими были вооружены немногие подразделения.

С увеличением спроса, выросло и предложение. В ходе первых крестовых походов, в Европу были завезены проекты ветряных мельниц. Их быстро взяли на вооружение промышленники. После некоторой доработки появилась пороховая мельница, схематически представленная на рисунке 1, представляющая собой вертикальный вал (1), опирающийся на подпятник (прообраз упорного подшипника), показанный синим цветом. На валу, на высоте примерно в человеческий рост помещалась балка (2), с концов которой свешивались тяги (3) с бегунами (5). Бегуны обычно исполнялись из камня, позже их стали делать металлическими. Крепление бегунов достаточно свободное, через стальной вал (4).

Под бегунами расположен кольцевой короб (7), обычно, выполненный из дерева. В коробе вырезан желоб, в который загружали смешанные компоненты (6). При вращении вала мельницы, бегуны ходили по желобу короба, измельчая и уплотняя пороховую массу. Во избежание воспламенения от трения (масса одного бегуна от 100 кг до нескольких тонн), массу немного смачивали водой.

Рисунок 1.

По краям продавливающуюся массу разравнивали лопатками под бегуны. Впоследствии, на тягах бегунов стали монтировать небольшие лопатки для этой цели (работают как ножи бульдозера при уборке снега). После уплотнения массы до сплошного слоя (примерно за 1-4 часа работы), мельницу останавливали и вынимали порох кусками при помощи молотков и инструментов, напоминающих стамески и небольшие кирки.

Кусковый порох загружали в кожаные мешки и разбивали на наковальне несколькими ударами молота. В эпоху промышленных революций (19-й век) этот метод заменили непрерывнодействующие дисково-зубчатые дробилки. Полученные кусочки просеивали через сита, получая несколько фракций с различным размером кусочков. Те комки, что не прошли ни через одно сито, отправляли на повторное измельчение, а мелочь, прошедшую даже через самое мелкое сито, направляли на повторное уплотнение с новой партией пороха.

Таким образом, получали четыре основных сорта пороха: мелкий (1-2 мм) для пистолетов и прессования столбиков дистанционных трубок, средний (2-3,5 мм) для мушкетов и др. длинноствольного ручного оружия, артиллерийский (4-5 мм) и минный (5-8 мм). Минный порох использовали для взрывных работ, когда требовался заряд массой более 70-100 кг. Если нужно было укомплектовать заряд меньшей массы, то могли использовать и более мелкие пороха. При использовании крупного пороха для небольшого заряда получается недостаточная упругость ударной волны (иными словами, слишком медленно растет давление), что требовало толстостенного прочного корпуса. При использовании мелкого пороха в большом заряде происходит медленное и неравномерное распространение пламени по массе заряда. Что приводит к неоднородной скорости горения в разных участках заряда, и как следствие, к неполному сгоранию пороха в объеме заряда (минной камеры).

Впоследствии, минный порох стали получать при меньшей степени уплотнения на бегунах, а артиллерийский, при максимальной степени уплотнения. Это позволило сделать минный порох более быстрогорящим, за счет разрушения пороховых элементов (зерен) и прогрессивного горения (распространение горения с ростом площади поверхности горения).

После дробления и просева по фракциям, порох полируют в полировальном барабане (напоминает галтовку). При этом зерна уплотняются при соударении, острые края скалываются, неровности затираются. Скорость вращения барабана около 60-90 оборотов в минуту. Минный порох, для увеличения скорости горения и снижения себестоимости, не подвергают полировке. После полировки пороховые зерна получаются округлой или овальной формы, что улучшает сыпучесть и повышает плотность заряжания.

Вся эта технология сохранилась по сей день практически неизменной, только изменилось аппаратное оформление. Оборудование стало крупнее и производительнее, широко внедрена механизация оборудования, все процессы контролирует автоматика. Для повышения безопасности производства стали предварительно измельчать компоненты в виде двойных смесей в шаровых мельницах. Такие смеси (сера-уголь, селитра-уголь) значительно менее восприимчивы к механическим воздействиям. Все эти модернизации позволили снизить себестоимость продукта, повысить качество, резко повысить безопасность производства. Но, вернемся к прогрессу 19-го века.

Интенсивное развитие кораблестроения во второй половине 19-го века привело к росту толщины корабельной брони. Что потребовало роста мощности орудий. Вспомните хотя бы первый поединок двух броненосцев в 1863 году, в ходе гражданской войны в США. Это был "Монитор” Северян и "Меримарк” Южан. Израсходовав на двоих около 250 снарядов, они вышли из боя своим ходом, потеряв 1 человека убитым и несколько раненых (на оба корабля (!)). Как сказал один стратег, современник этой битвы: "Это была не победа одного флота над другим, это была победа брони над орудием”.

В результате, появился устойчивый спрос на мощные, дальнобойные орудия. Исходя из особенностей горения черного пороха (рисунок 2), можно сказать, что дымный порох этого спроса удовлетворить не мог.

Рисунок 2.

На рисунке 2 представлены две кривые зависимости давления от времени (длинны ствола) в случае выстрела с зарядом дымного или пироксилинового пороха (масса зарядов одинаковая). Кривая один, для случая дымного пороха, достегает давления Р1, зависимость 2 для пироксилинового пороха, соответственно давления Р2. Давление Р1 несколько больше, чем давление Р2, это обусловлено разрушением пороховых зерен дымного пороха, ведь по сути, дымный порох это прессованная смесь соли, угля и серы. По механической прочности, особенно к ударным нагрузкам, эта смесь не на много превосходит сухую глину.

При срабатывании воспламенителя, происходит быстрое нарастание давления за счет распространения пламени в промежутках между пороховыми элементами. При этом происходит соударение элементов при прохождении между ними пороховых газов, что приводит к скалыванию граней пороховых зерен и другим видам разрушения. Максимальное давление в канале ствола достигается при сгорании 60-70% заряда, к этому времени пороховые зерна уже рассыпались на мелкие кусочки, поверхность которых оплавляется и сгорает практически концентрическими слоями. При этом поверхность горения интенсивно уменьшается. Давление в стволе быстро падает.

Таким образом, при использовании думного пороха, ствол приходится делать массивным, толстостенным, что бы он выдержал высокое давление. Большую длину ствола делать не имеет смысла, не только из-за быстрого спада давления, но и из-за больших потерь энергии пороховых газов на трение при перемещении снаряда и твердых остатков пороха по стволу. Не сложно подсчитать, что в результате сгорания дымного пороха, образуется до 50-60% твердых продуктов, главным образом сульфида калия (К2S).

Твердые продукты сгорания также нежелательны из-за сильного засорения ствола и образования густого, едкого дыма (на воздухе сульфид кали притягивает воду и гидролизуется до калийной щелочи и сероводорода).

В случае бездымного пороха не происходит растрескивание пороховых элементов, так как пироксилиновый порох, это по сути, пластик. Горение протекает концентрическими слоями, что благоприятно сказывается на плавности и стабильности горения. К слову сказать, площадь, ограниченная кривой давления, для каждого из двух случаев, пропорциональна работе пороховых газов по перемещению снаряда по каналу ствола.

Кривая для пироксилинового пороха ограничивает, примерно в 2,5 раз большую площадь, что говорит о, примерно в 2,5 раза большей кинетической энергии снаряда при разгоне его из данного орудия, по сравнению с дымным порохом (несмотря на одинаковый вес зарядов). При этом, для случая дымного пороха еще и имеются потери в количестве 5-20% на перемещение твердых продуктов сгорания заряда. В итоге, эти потери переходят на нагрев ствола или выбрасываются в виде тепловой энергии твердых частиц из дула.

Так как процесс горения пироксилинового пороха более протяжен во времени, то для таких орудий делают более длинные стволы.

С середины 19-го века и вплоть до почти полного вытеснения пироксилиновыми порохами, дымный порох совершенствовали с целью растянуть процесс горения. Для этого вводили в состав пороха некоторое количество нефтепродуктов (битум, асфальт и пр.), и прессовали пороховые элементы при высоком давлении (до 400-600 атм.). Древесный уголь использовали "шоколадный”, то есть шоколадного цвета. Такой уголь получают пиролизом при температуре 150-180оС. В этом случае в угле остается много смол, которые дополнительно флегматизируют (в данном случае, пропитывают) порох и дополнительно повышают ударную вязкость.

Все эти меры давали некоторый эффект, длина стволов орудий выросла до 6-8 метров, калибр до 305-400 мм. Начальная скорость снарядов при этом выросла не очень значительно, с 250-300 м/сек для орудий 17-го века, и до 450-500 м/сек, для орудий конца 19-го. Пропорционально начальной скорости увеличивались дальность полета и бронепробиваемость снарядов.

При этом, масса орудий возросла до нескольких десятков тон, а себестоимость производства пороха в 1,5-2 раза. До освоения промышленностью пироксилиновых порохов, приходилось терпеть такую ситуацию.

Все же, дымный порох по сей день находит широкое применение в пиротехнике (за счет дешевизны и стабильности свойств), среди охотников (благодаря бесконечному сроку годности и низкой чувствительности скорости горения от начальной температуры и давления в канале ствола), а также для специальных целей. В частности, образование дыма, низкая бризантность и мощность, резкий перепад давления при сгорании в замкнутом объеме, в связи с быстрым горением, и некоторые другие особенности сделали дымный порох наиболее подходящим составом для формирования начинки взрывпакетов, применяемых при съемках или на военных учениях. Устойчивое горение при различных давлениях позволило применять дымный порох для составления смесей дистанционных трубок гранат и снарядов. Большое количество твердых продуктов горения сделали дымный порох основным воспламенительным составом.

Из менее характерных направлений применения дымного пороха, следует назвать использование шашек ДВП (дымный взрывчатый порох) для дробления породы. Дело в том, что если использовать для дробления породы (гранита, мрамора, базальта и др. камней) тротил или другие сильнобризантные ВВ, то материал покрывается от воздействия взрывной волны сетью мелких трещинок – порода рассыпается в крошку.

Для добычи кускового мрамора или высечки кусков гранита (например, для памятников), используют ДВП. ДВП представляет собой тот же дымный порох, но спрессованный в шашки по 1-10 кг. В шашках отпресовывают гнездо под промежуточный детонатор (от КД №8-10 ДВП не детонирует). В СССР стандартным промежуточным детонатором для таких шашек были 75 гр. цилиндрические, "буровые” шашки ТНТ. Так как, скорость распространения детонации для ДВП близка к 1 км/сек, то бризантность намного ниже, чем для большинства ВВ.

Правда, в последнее время, ДВП сильно потеснили софганиты – амиачноселитрянные ВВ, разработанные специально для горных работ в данной области.

На этом мы закончим краткое знакомство с дымным порохом, если у кого-то остались вопросы, Вы можете задать их на форуме – я с радостью отвечу.

Категория: Энергонасыщенные соединения | Просмотров: 7109 | Добавил: Chemadm | Теги: пиротехника, Порох, метательные ВВ | Рейтинг: 4.5/49
Всего комментариев: 8
0
7  
При использовании крупного пороха для небольшого заряда получается недостаточная упругость ударной волны (иными словами, слишком медленно растет давление), что требовало толстостенного прочного корпуса.
Имхо как бы д.б. наоброт, медленное нарастание - меньшая толщина стенки

0
8  
Здесь речь идет о случае, когда небольшой заряд (0,1-5,0 кг) ВУ снаряжается крупным и плотным дымным порохом, предназначенным для артиллерии. Как следствие, крупные и плотные гранулы медленнее сгорают при заданном значении давления, чем мелкие гранулы обычного ружейного пороха (минные пороха крупные, но, неплотные гранулы, которые разрушаются уже в процессе горения). Следовательно, если взрывали прочную породу небольшими зарядами артиллерийских дымных порохов, то необходимо было использовать прочные корпуса, или хорошую забивку шурфов. Мелкие и неплотные пороха можно было использовать в небольших зарядах и при слабых корпусах.

0
5  
Можно ли улучшить качество смешивания компонентов, если использовать не древесный, а активированный уголь, предварительно пропитанный насыщенным раствором селитры?

0
6  
Любой из используемых в промышленности методов смешения компонентов предусматривает достаточную степень гомогенизации (что можно оценить, хотя бы, наблюдая за горением дымного пороха из гражданской пиротехники). При взаимодействии активированного угля и любых полярных растворителей, происходит сольватация поверхности угля, что приводит к его разрушению в крошку. При последующей сушке происходит частичное взаимодействие селитры и угля, что приводит, напротив, к его частичной дезактивации (как, впрочем и при долгом хранении готового пороха). Активированный уголь отличается от обычного древесного угля лишь большей удельной поверхностью (разница в 5-30 раз), что достигается обработкой перегретым паром при высоком давлении. Применение активированного угля (при сухом смешении компонентов) вместо обычного древесного угля дает небольшое увеличение энергетики пороха (примерно на 1%) и ускоряет горение (примерно на 1-4%), но, это не оправдано по экономическим показателям. Активированный уголь в 3-10 раз дороже обычного древесного угля. Слишком долгое и тщательное смешение компонентов может приводить, как к самовоспламенению смеси, так и к снижению ее энергетики за счет механоактивации ОВР между компонентами.

0
3  
Скажите, а можно ли повысить мощность пороха добавкой 10-15% магниевого порошка? Теоретически, энергетика такой смеси возрастет, скорость горения тоже увеличится. Или это не даст существенного эффекта?

0
4  
Магний при сгорании выделяет много энергии, но, он оставляет твердый остаток. Эти 10 граммов магния в 100 гр. пороха оставят после себя примерно 16 гр. оксида и сульфидов. Дымный порох и так имеет высокую зольность и слегка отрицательный кислородный баланс. Использование такого состава в качестве МВВ необоснованно, так как, высокая температура горения повлечет быстрый износ ствола, а зольность снизит КПД. В качестве БВВ состав с магнием не имеет существенных преимуществ по энергетике и другим показателям. При этом магний снижает химическую стойкость и повышает стоимость. Тонкий магниевый порошок способен к самовоспламенению на воздухе.
Иногда используют смесь пороховой мякоти с алюминиевым порошком. Такой смесью набивают фонтаны. В отличие от исходного пороха, смесь имеет немного меньшую скорость горения, более яркое пламя и дает больше искр.

0
1  
Минный порох и ДВП это одно и то же?

0
2  
Минный порох отличается от обычного ружейного только более крупными размерами зерен, более тонкой графитовкой, отсутствием полировки и, в ряде случаев, несколько меньшей плотностью прессования. Дымный взрывчатый порох производят в виде прессованных на гидравлическом прессе шашек, часто с отпрессованным гнездом под шашку ТНТ (промежуточный детонатор). Состав ДВП обычно стандартный 10х15х75, в то же время как, разные сорта минного пороха могут содержать 3-15% угля для регулировки скорости горения.
   Минный порох сгорает в замкнутом объеме шурфа или корпуса, ДВП детонирует от промежуточного детонатора. Скорость распространения процесса для минного пороха около 400 метров в секунду, для ДВП 1-2 км. Сегодня минный порох не применяется, ДВП используют достаточно редко и только для дробления хрупких пород на крупные куски.

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]