Ведение в пиротехнику (Ю.О. Ладягин) / 29 / pir-29
.htmЗАЖИГАТЕЛЬНЫЕ СОСТАВЫ ЗАЖИГАТЕЛЬНЫЕ СОСТАВЫ
Назначением зажигательных составов является уничтожение всевозможных горючих материалов. Особо выделяются зажигательные составы, применяемые по живым целям (огнеметные составы).
Все существующие зажигательные составы, если рассматривать их с точки зрения потребности при горении в кислороде воздуха, можно разделить на две группы:
Составы с окислителем.
1. Термиты и термитно-зажигательные составы с окислителем — окислом металла.
2. Составы с окислителем — кислородсодержащей солью.
Составы без окислителя.
1.Нефтепродукты.
2. Сплав «электрон».
3. Фосфор и его соединения.
4. Прочие зажигательные вещества и смеси.
Термиты
Реакции, протекающие по схеме МО + М1 = М1О + М + Qккал, где МО — окисел металла, М1 — металл, применяющийся для восстановления (алюминий),были названы алюмино-термическими реакциями, а реакционноспособные смеси окислов металлов с другим металлом получили название термитов.
В качестве примера можно привести хорошо известную реакцию горения железо-алюминиевого термита:
Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe + 205ккал
Характерными особенностями, отличающими процесс горения термитов от горения других пиротехнических составов, являются:
1. Почти полное отсутствие при горении газообразных продуктов реакции, что обусловливает беспламенность горения.
2. Высокая температура реакции. Для большинства применяемых термитов она находится в пределах 2000…2800°С.
3. Образование при горении расплавленных огненно-жидких шлаков.
Следует указать на трудность воспламенения термитов, температура самовоспламенения всех алюминиевых термитов выше 800°С, железо-алюминиевого термита около 1300°С.
Термиты, применяемые в качестве зажигательных средств, должны удовлетворять следующим требованиям:
1. Выделять при горении максимальное количество тепла.
2. Иметь наивысшую температуру горения.
3. Шлаки, образующиеся при их горении, должны быть легко растекающимися, легкоплавкими и труднолетучими.
4. Легко воспламеняться.
5. Трудно тушиться обычными средствами.
6. Линейная скорость их горения должна выражаться единицами миллиметров в секунду.
Применяющееся в термитах горючее (металл) должно:
1. Выделять при своем сгорании максимальное количество тепла.
2. Образовывать легкоплавкую и труднолетучую окись.
3. Иметь большую плотность.
Количество тепла, выделяющегося при горении термитов, должно быть не менее 0,55ккал/г состава, в противном случае реакция горения протекает с трудом и не доходит до конца. Поэтому в термитах могут быть использованы только высококалорийные горючие. Количество тепла, выделяющегося при горении термита, применяемого в боевых целях, должно быть не менее 0,7ккал/г, поэтому в качестве горючего могут применяться только алюминий, магний, кальций. Однако, металлический кальций исключается в связи с большой реакционной способностью в свободном состоянии. Сплав кальция с другими веществами может представлять некоторый интерес. Применению магния препятствует высокая температура плавления его окиси (2800°С), таким образом, железо-магниевый термит совсем не дает жидких растекающихся шлаков (установлено опытным путем).
В качестве окислителей, следуя количественному условию тепловыделения боевых термитов, могут быть применены: перекись марганца, окись железа или закись-окись железа, окись меди, борный ангидрид. Однако, для производства боевых термитов массового применения нерентабельно применять иные окислители кроме окислов железа. Кроме того, восстанавливаемый металл должен обладать низкой температурой плавления и высокой температурой кипения. Этим требованиям соответствует железо, плавящееся при 1539°С и кипящее при 3200°С, и, отчасти, медь плавящаяся при 1083°С и кипящая при 2360°С. Ни марганец, ни хром не удовлетворяют указанным требованиям, поскольку марганец имеет температуру кипения примерно 2000°С и при горении происходит его бурное испарение, хромовый же термит выделяет при горении значительно меньшее количество, тепла чем другие термиты.
3Fe3O4 + 8Al = 4Al2O3 + 9Fe + 802ккал
3MnO2 + 4Al = 3Mn + 2Al2O3 + 425ккал
Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O3 + 130ккал
3CuO + 2Al = 3Cu + Al2O3 + 275ккал
Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3 + 205ккал
В общем случае, окисел, применяющийся для изготовления термита, должен удовлетворять следующим требованиям:
1. Иметь минимальную теплоту образования.
2. Содержать достаточное количество кислорода (не менее 25-30%).
3. Иметь, по возможности, большую плотность.
4. Восстанавливаться в металл, имеющий низкую температуру плавления и высокую температуру кипения.
Наиболее целесообразным следует считать применение в термитах окислов металлов, имеющих атомный вес от 40 до 80у.е.
Следует знать, что окись меди в присутствии алюминия и магния весьма легко отдает свой кислород, горение медно-алюминиевого термита протекает с большими скоростями и напоминает собой взрыв, аналогичная картина наблюдается и для Рb3О4 и , в особенности, для РbО2, скорость горения марганец-алюминиевого термита значительно меньше, хотя также достаточно высока.
Теплота сгорания термитов с различными горючими и окислителем — окисью железа приведена в таблице 33.
Горючее
Рецепт термита [%]
Теплота сгорания 1 г термита [ккал]
Fe2O3
Горючее
АI
75
25
0,93
Mg
69
31
1,05
Са
57
43
0,93
Ti
69
31
0,57
Si
79
21
0,58
В
88
12
0,59
Теплота сгорания термитов с различными окислителями и горючим — алюминием приведена в таблице 34.
Окислитель
Рецепт термита [%]
Теплота сгорания 1г термита [ккал]
Окислитель
АI
B2O3
56
44
0,73
SiO2
63
37
0,56
Cr2O3
74
26
0,60
МnО2
71
29
1,12
Fe2O3
75
25
0,93
Fe3O4
76
24
0,85
CuO
81
19
0,94
Pb3O4
90
10
0,47
Наиболее приемлемым, со всех точек зрения, следует считать применение в качестве зажигательного состава железо-алюминиевого термита.
Добавление песка (SiO2) в термит несколько снижает температуру затвердевания его шлаков за счет образования сплава FeSi, но при этом несколько понижается и калорийность термита.
Температура плавления сплава FeSi, содержащего 22% Si, составляет 1250°С.
Для изготовления термита чаще всего применяют не окись железа Fe2O3, а железную окалину Fe3О4 (закись-окись железа), хотя термит на основе закиси-окиси менее калориен. Одним из недостатков железо-алюминиевого термита следует считать малую текучесть и быстрое затвердевание образующихся при его горении шлаков.
Термит употребляется как в насыпном виде, так и в прессованном с добавкой нескольких процентов цементатора. При давлениях 3000…6000 кгс/см2 термит прессуется без цементаторов и имеет при этом большую механическую прочность. Для изготовления термита берут железную окалину и грубо измельченный (сито №8…10) порошок алюминия. Применение мелко дисперсного алюминия не допускается, так как в этом случае ускоряется процесс горения термита, что нецелесообразно. Образцы насыпного термита массой в 1кг сгорают за 15…20сек, те же образцы, спрессованные при 200кгс/см2, сгорают за 35…50сек. Термитный брикет массой в 1кг, имеющий форму цилиндра высотой 15,5см и диаметром 5,5см, сгорает за 40сек, 50г термита проплавляют лист железа толщиной 2мм в течении нескольких секунд, оставляя отверстие (в зависимости от формы расположения термита) диаметром от 50 до 80мм.
Воспламенение железо-алюминиевого термита нельзя осуществить ни при помощи спичек, ни при помощи черного пороха, ни от стопина, ни от обычных воспламенительных составов. Для воспламенения порошкообразного термита предложено несколько различных смесей. Все они содержат в качестве горючего магниевый порошок или алюминиевую пудру. Рецепты воспламенительных составов для термита:
1.
2.
3.
4.
Для воспламенения порошкообразного термита также можно применять прессованные осветительные составы.
Прессованный термит воспламеняется значительно труднее насыпного, для его воспламенения применяют переходные составы, содержащие 40…60% термита и 60…40% воспламенительного состава.
Кроме военного дела железо-алюминиевый термит применяется для сварки рельс. В этом случае концы свариваемых рельс охватываются специальной графитовой формой, в воронке которой сгорает термитный патрон, восстановленное железо стекает в форму и своим теплом сваривает концы рельс, затем форма разрушается.
Для приварки к стальным деталям медных электрических шин применяют термит состава:
Образующаяся при горении такого термита марганцовистая бронза сваривает детали в единое целое.
Железо-магниевый термит, отпрессованный в какую либо форму, после сгорания несколько уменьшает свои линейные размеры, сохраняя, тем не менее, начальную форму термитной шашки. Сгоревшая форма представляет собой довольно прочное шлаковое пористое образование. Указанные свойства железо-магниевого термита, дающего при сгорании весьма высокую температуру, позволяют использовать его для создания местных высоких температур без образования газов и растекающихся шлаков. При помощи такого термита можно производить сварку металлической арматуры и проводов в стык. Для этого отпрессовывают так называемую термомуфельную шашку термита со сквозным отверстием в центре. Шашка одевается на концы арматуры или проводов так, чтобы несвязанные концы находились в центре шашки, после этого термит поджигается нагревая концы до температуры плавления. По расплавлению концов, они сжимаются внутри шашки наружными механическими приспособлениями (род клещей), в результате концы прочно свариваются. После остывания шлаковой формы она легко разрушается, процесс сварки считается оконченным.
Железо-магниевый термит воспламеняется значительно легче, чем железо-алюминиевый, однако, и для его воспламенения необходим воспламенительный состав типа осветительного. Магниевый термит может использоваться также для быстрого разогрева паяльников (шашка вкладывается в специальное отверстие, выполненное в теле медной головки паяльника и закрываемое крышкой), для быстрого кипячения воды в полевых условиях и так далее.
Термитно-зажигательные составы
Термитно-зажигательными составами в отличие от термитов называются многокомпонентные смеси, содержащие наряду с термитом и другие вещества. Содержание термита в таких составах составляет чаще всего 60…80%. Введение в термит добавок имеет целью увеличить теплоту его горения, создать пламя при его горении, облегчить воспламенение термита, ускорить или замедлить горение. В качестве примера можно привести рецепт смеси для снаряжения зажигательных авиабомб:
Теплота горения такого состава 1,1ккал/г. При горении образуется 2,5% по массе газообразных продуктов и 97,5% твердых шлаков. Для снаряжения 76-мм зажигательных снарядов употребл