Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РАССНАРЯЖЕНИЯ БОЕПРИПАСОВ, СНАРЯЖЕННЫХ ЖЕЛТЫМ ФОСФОРОМ

Изобретение относится к способам расснаряжения боеприпасов и предназначено для использования при извлечении активных компонентов зарядов из корпусов боеприпасов, преимущественно дымовых, снаряженных желтым (белым) фосфором.

Известен способ расснаряжения боеприпасов /1/, согласно которому активное вещество заряда перед извлечением из корпуса подвергается физико-химической модификации непосредственно в корпусе боеприпаса, при этом активное вещество подвергают термодеструкции или полимеризации, причем без осуществления массообменных процессов с окружающей средой.

При осуществлении данного способа активное вещество заряда вплоть до завершения процесса обработки находится в герметично закрытой каморе боеприпаса и с окружающей средой не контактирует, что существенно повышает экологическую и пожарную безопасность процесса.

В соответствии с описанием изобретения, при расснаряжении боеприпасов, снаряженных желтым фосфором, корпус нагревается (индукционным нагревом, в муфельной печи и т.п. известными способами) и на протяжении нескольких часов выдерживается в условиях постоянного нагрева при температуре 250…300°С в среде инертного газа (N₂, CO₂). За это время в каморе снаряда протекает реакция полимеризации, приводящая к переходу желтого фосфора в красный. По истечении установленного периода корпус снаряда извлекается из нагревающего устройства и охлаждается. Затем корпус боеприпаса разгерметизируют и уже значительно менее опасный в пожарном и экологическом плане красный фосфор вымывают из него струей инертного жидкого теплоносителя путем его подачи в корпус боеприпаса под давлением.

Время постоянного нагрева боеприпаса для осуществления реакции полимеризации желтого фосфора в зависимости от заданной температуры может составлять до нескольких десятков часов.

Таким образом, основным недостатком указанного способа являются большие энергетические затраты на постоянное нагревание расснаряжаемого фосфорного боеприпаса, а также большие временные затраты на проведение реакции полимеризации.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сути и достигаемому результату является способ расснаряжения боеприпасов, снаряженных желтым фосфором /2/, согласно которому процесс полимеризации желтого фосфора осуществляют в режиме гомогенной экзотермической реакции, при этом боеприпас нагревают однократно, а поддержание необходимого теплового режима осуществляют за счет аккумулированной тепловой энергии корпусных элементов боеприпаса, а также теплового эффекта реакции полимеризации. После нагрева боеприпаса до заданной температуры способ также предлагает осуществлять его теплоизоляцию от окружающей среды.

Способ, как и вышеупомянутый аналог, основан на свойстве превращения белого (желтого) фосфора в аморфный красный при нагревании до умеренно высоких температур без доступа воздуха. Причем с использованием сопровождающего переход белого (желтого) фосфора в красный при полимеризации выделением тепла:

Р_белый→Р_{красный}+16,8 кДж (≈4 ккал)

В работе /3/ показано, что уже при температурах порядка 300°С скорость превращения белого фосфора в красный такова, что время протекания реакции с процентным превращением свыше 90% составляет несколько часов. При этом в температурном интервале 250…350°С скорость превращения белого фосфора в красный соответствует реакции первого порядка, а при температуре выше 260°С реакция протекает как гомогенная, - т.е. в однофазной системе по всему ее объему.

Однако и данный способ не лишен отдельных недостатков.

Во-первых, это большие временные затраты на процесс полимеризации.

Исходя из того, что в конструкции фосфорных боеприпасов для герметизации заливочного отверстия в месте соединения корпуса с запальным стаканом используется свинцовая прокладка, способ предполагает внешний общий нагрев корпуса боеприпаса по всей поверхности до температуры, не превышающей температуру плавления свинца, составляющей 327°С.

Но при этом, например, по результатам /1/ время полной полимеризации желтого фосфора при температуре 280°С составляет порядка 12 часов (82-мм дымовая мина для батальонного миномета БМ-37 /индекс ГРАУ 53-Д-832С/, нагрев в муфельной печи). Т.е. даже при групповой обработке нескольких боеприпасов в подобных нагревательных устройствах производительность процесса весьма низкая.

Во-вторых, в способе не учитывается с позиций теплообмена конструкция самого боеприпаса и его корпуса - наличие незаполненной полости в оживальной части корпуса, разнотолщинность стенок корпуса, достаточно большое заглубление запального стакана внутрь каморы.

Так заглубление запального стакана внутрь каморы при его относительно малом диаметре затрудняет теплопередачу извне непосредственно к срединной (центральной) области заряда фосфора.

Оживальная часть корпуса, граничащая с незаполненной полостью, с фосфором не контактирует и, в принципе в нагреве не нуждается. Т.е. ее нагрев можно считать приводящим к несколько избыточным энергетическим затратам.

А разнотолщинность стенок корпуса приводит к тому, что в процессе внешнего нагрева корпуса от теплового источника с постоянной температурой, вследствие различного теплового сопротивления внутренняя поверхность каморы, а соответственно и различные зоны фосфорного заряда нагреваются до разных температур. Это же приводит к тому, что в разных зонах заряда реакция полимеризации идет с разной скоростью и образующийся в процессе полимеризации красный фосфор будет иметь различные характеристики по степени полимеризации.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение как временных, так и энергетических затрат при расснаряжении боеприпасов, снаряженных желтым фосфором, а также повышение качества получаемого красного фосфора.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе расснаряжения боеприпасов, снаряженных желтым фосфором, включающим предварительную физико-химическую модификацию желтого фосфора - преобразование в красный фосфор посредством полимеризации в режиме гомогенной реакции путем нагрева боеприпаса и поддержания необходимого теплового режима за счет аккумулированной тепловой энергии корпусных элементов боеприпаса, а также теплового эффекта реакции полимеризации непосредственно в герметичном корпусе боеприпаса, последующую разгерметизацию корпуса и извлечение полученного красного фосфора, в соответствии с изобретением отдельные элементы корпуса боеприпаса нагревают до разных температур с учетом их толщины\массы и удаленности от границы герметичного стыка корпуса с запальным стаканом, причем отдельный нагрев осуществляют изнутри запального стакана.

Возможность и принцип осуществления данного способа можно пояснить результатами и выводами работ /3, 4/.

Так, по результатам работы /3/, при температуре 308°С время 94%-го превращения белого фосфора в красный составило 6,3 часа (вместо 280°С и 12 часов по способу-аналогу и, в принципе, по прототипу), а при температуре 373°С - соответственно 99,3% и 10 минут, при увеличении константы скорости реакции приблизительно на порядок (!).

Также и в работе /4/ упомянуто, что значительная скорость образования красного фосфора из расплава белого наблюдается в интервале температур 350…510°С.

Таким образом, в данном техническом решении в отличие от изобретения-аналога, предполагающего равномерный нагрев по всей поверхности корпуса боеприпаса до температуры, не превышающей температуру плавления свинцовой прокладки (327°С), по сути предлагается процесс нагрева осуществлять по раздельным зонам корпуса отдельными нагревательными устройствами, как вышеупомянуто, с учетом толщины/массы нагреваемых элементов и их удаленности от границы герметичного стыка. Это позволит нагревать наиболее удаленные от границы герметичного стыка с запальным стаканом элементы корпуса боеприпаса до более высоких температур, чем температура плавления свинца, что приведет к более быстрому прогреву металлических элементов боеприпаса и находящегося в его каморе желтого фосфора, более высоким скоростям химической реакции полимеризации и, естественно, существенно снизит время проведения процесса.

Причем отдельного нагрева оживальной части корпуса, граничащей с незаполненной полостью внутри каморы не требуется.

Нагрев отдельных элементов боеприпаса наиболее целесообразно осуществлять по механизму теплопередачи, например, посредством механического контакта со спиральными электронагревателями, керамическими ленточными нагревателями и т.п. нагревающими устройствами, размещенными в защитных металлических кожухах, выполненных по форме обогреваемого элемента в соответствующей зоне нагрева и обеспечивающих равномерный нагрев поверхности.

В качестве примера на фиг. 1 схематично представлена конструкция фосфорного боеприпаса с показом разнотолщинности отдельных его элементов, на фиг. 2 - условная "разбивка" на зоны нагрева, в зависимости от толщины/массы стенки и месторасположения, на фиг. 3 - возможное расположение отдельных нагревающих элементов.

Подлежащий расснаряжению боеприпас (фиг. 1) в общем случае содержит корпус 1, вкрученный в него запальный стакан 2, герметизирующую свинцовую прокладку 3 и заряд желтого фосфора 4, расположенный в каморе боеприпаса. В оживальной части корпуса 1 между внутренней поверхностью каморы, стенкой запального стакана 2 и поверхностью заряда желтого фосфора 4 имеется незаполненная полость 6. Отдельные конструктивные элементы конструкции боеприпаса имеют различную толщину - наиболее толстые и массивные расположены в придонной части корпуса - δ₁ и δ₂ (днище и стенка), менее толстые и обладающие меньшей массой, приходящейся на единицу обогреваемой поверхности, δ₃ и δ₄ - в цилиндрической и оживальной части, наконец, самые тонкие и наименее массивные элементы - δ₅ и δ₆ соответственно дно и стенка запального стакана.

В зависимости от толщины/массы стенки и месторасположения конструктивного элемента боеприпаса относительно свинцовой прокладки может быть произведена условная "разбивка" на зоны нагрева, представленная на фиг. 2.

Здесь зона I соответствует днищу корпуса, II - придонной части, III - цилиндрической, IV - оживальной, V - дну запального стакана и VI - стенке запального стакана. Ввиду приблизительно одинаковых толщин днища и стенки придонной части корпуса, стенок корпуса в цилиндрической и оживальной части, дна и стенки запального стакана, соответствующие зоны нагрева могут быть объединены. Т.е. I с II, III с IV, V с VI. Это позволит одновременно упростить конструкцию нагревающих элементов и упростить тепловой контроль при проведении процесса нагрева за счет сокращения суммарного количества температурных датчиков.

Исходя из предложенной "разбивки" на зоны нагрева целесообразно максимальный нагрев боеприпаса осуществлять с донной части, как наиболее удаленной от границы герметичного стыка, а также из полости запального стакана, как наиболее "близкой" непосредственно к заряду фосфора и к тому же отделенной от него тонкими металлическими элементами. При этом, руководствуясь результатами работ /3, 4/, наиболее приемлемая температура нагрева должна быть порядка 350…400°С, а температура общего нагрева зон цилиндрической и оживальной частей - не более 300°С, дабы предохранить свинцовую прокладку герметичного стыка от расплавления.

Используя предложенную схему, путем подбора мощности нагревающих элементов можно подобрать режим нагрева боеприпаса по температуре/времени таким образом, чтобы обеспечить одинаковый прогрев заряда фосфора как со стороны придонной части корпуса, так и со стороны запального стакана. Это обеспечит практически единовременное инициирование реакции полимеризации фосфора по всему его объему, т.е. условия гомогенной реакции, что существенно снизит время проведения процесса.

При осуществлении способа (фиг. 3) предварительно с корпуса боеприпаса 1 и запального стакана 2 смывается покрытие из консервационной смазки (осалка) и вывинчивается транспортировочная пластмассовая пробка. Корпус вертикально устанавливается в донный электронагреватель 6, затем на корпус надевается электронагреватель 7 и, наконец, нагреватель 8 размещается в полости запального стакана 2, после чего на выводные клеммы нагревателей подается необходимое напряжение, обеспечивающее нагрев до заданной температуры, и начинается непосредственный процесс нагрева, который предпочтительно вести в среде инертного газа (N₂, CO₂).

Для улучшения условий теплообмена полость электронагревателя 6 выполнена по форме придонной части корпуса боеприпаса 1, внутренняя поверхность электронагревателя 7 также геометрически соответствует форме цилиндрической и оживальной частей, а также центрирующего утолщения корпуса, а внешняя поверхность электронагревателя 7 по форме соответствует полости запального стакана 2.

Время нагрева и последующей выдержки в условиях, обеспечивающих отсутствие теплообмена с окружающей средой, для каждого типа боеприпасов предварительно определяется расчетно-экспериментальным путем в зависимости от конструкции боеприпаса, заданной температуры нагрева, мощности используемых нагревателей и т.п.

Контроль и регулирование процесса нагрева можно осуществлять известными способами и с применением известных средств.

В случае необходимости, при возможном перегреве герметичного стыка корпуса боеприпаса с запальным стаканом, можно осуществлять от него отвод тепла. Например. регулируемым обдувом струей газа, или посредством радиатора, плотно устанавливаемого на свободный участок оживальной части у очка корпуса, и иными известными средствами.

По завершению нагрева боеприпас выдерживают в условиях, обеспечивающих отсутствие теплообмена с окружающей средой, например в широкогорлом термосе. За это время в каморе завершается реакция полимеризации, приводящая к переходу желтого фосфора в красный. По истечении установленного периода корпус извлекается из термоса и охлаждается.

Последующее извлечение красного фосфора из корпуса боеприпаса производится известными отработанными методами - или воздействием инертного жидкого рабочего вещества путем его подачи в корпус боеприпаса под давлением, или более экономичным по энергозатратам механическим методом путем выдавливания брикетов из предварительно разрезанных частей корпуса боеприпаса.

Сначала осуществляется разгерметизация корпуса - вывертывается запальный стакан. Далее при использовании метода гидровымывания корпус очком вниз или под некоторым углом помещается в ванну под слой воды и через открытое очко под действием струи подогретой воды высокого давления производится вымывание образовавшегося красного фосфора. В случае же использования второго из вышеуказанных методов у корпуса при обильном орошении водой срезается дно и делается разрез по основанию оживальной (верхней) части корпуса. Полученные таким образом части корпуса устанавливаются в ванну под слой воды так, чтобы внутренние технологические уклоны стенки корпуса боеприпаса были направлены в вверх, после чего на брикет красного фосфора оказывается механическое воздействие и он выпадает из элементов корпуса.

Затем осуществляется отделение воды (теплоносителя) от извлеченного красного фосфора, возврат ее в непрерывный рабочий цикл расснаряжения и подача «мокрого» красного фосфора на дальнейшую переработку. Красный фосфор в воде нерастворим, поэтому после высыхания он полностью сохраняет свои первоначальные свойства.

Использование в качестве реакционной емкости корпуса боеприпаса, обладающего малым объемом, позволяет резко снизить вероятность экологического поражающего фактора при расснаряжении по сравнению с крупногабаритной типовой промышленной аппаратурой. А нагрев отдельных элементов корпуса боеприпаса до разных температур с учетом их толщины\массы и удаленности от границы герметичного стыка с запальным стаканом, с осуществлением отдельного нагрева изнутри запального стакана - существенно уменьшить временные затраты на проведение реакции полимеризации.

Предлагаемый способ обеспечивает 100% утилизацию боеприпасов. Конечными продуктами утилизации являются технический красный фосфор, пригодный для использования в производстве ортофосфорной кислоты, минеральных удобрений, пиротехнических изделий, а также лом черных и цветных металлов. Хотя данный способ является потенциально опасным вследствие высокой чувствительности красного фосфора к механическим воздействиям экологическая его опасность на порядки ниже, чем в случае извлечения из корпусов боеприпасов непосредственно сливом и вымыванием желтого фосфора, а временные затраты на осуществление существенно меньше, чем у способа-прототипа.

Источники информации, принятые во внимание при описании заявки

1. Патент РФ №2493537, F42B 33/06, 2012 г.

2. Патент РФ №2550894, F42B 33/06, 2014 г. (прототип).

3. Введенский А.А., Фрост Г.В. К вопросу об аллотропии фосфора. Скорость превращения белого фосфора в красный. - М.: Журнал общей химии, 1933, N 7, с. 916-925.

4. Везер В.-Дж. Фосфор и его соединения. Пер. с англ. - М.: Изд. Иностранной литературы, 1962, 690 с.