Малогазовые тепловые составы

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

МАЛОГАЗОВЫЕ ТЕПЛОВЫЕ 

СОСТАВЫ

Учебное пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2019

УДК 662.6(075)
ББК 31.38я7

М19

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Э. Р. Галимов

канд. техн. наук нач. отд. экспорта и авторского технологического надзора 

ФКП «ГосНИИ химических продуктов» А. С. Арутюнян

М19

Авторы: И. А. Абдуллин, О. И. Белобородова, В. Н. Лепин, 
Г. Г. Богатеев, Р. Р. Димухаметов
Малогазовые тепловые составы : учебное пособие / И. А. Абдуллин
[и др.]; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2019. – 124 с.

ISBN 978-5-7882-2561-6

Приведены сведения по назначению малогазовых тепловых составов 

(ТС) и предъявляемые к ним требования. Показано влияние различных факторов на основные характеристики ТС, рассмотрены методы их определения 
и основы технологии приготовления и переработки тепловых составов и изделий, а также процессы, происходящие в системе продукты сгорания ТС –
нагреваемый объект.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 

18.05.01, 20.05.01, направлениям 18.04.01, 20.04.01, 22.03.01, а также для аспирантов и специалистов в области исследования тепловых пиротехнических 
составов.

Подготовлено на кафедре технологии изделий из пиротехнических и 

композиционных материалов.

ISBN 978-5-7882-2561-6
© Абдуллин И. А., Белобородова О. И., 

Лепин В. Н., Богатеев Г. Г., 
Димухаметов Р. Р., 2019

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2019

УДК 662.6(075)
ББК 31.38я7

ПРЕДИСЛОВИЕ

Материалы, изложенные в учебном пособии, являются результа
том многолетнего опыта коллектива кафедры «Технология изделий из 
пиротехнических и композиционных материалов» по разработке тепловых пиротехнических составов и изделий на их основе, имеющих 
важное оборонное и гражданское назначение. Изделия, снаряженные 
тепловыми составами, являются высокоэффективными автономными 
источниками энергии и предназначены для регулируемого закономерного нагрева различных объектов по заданному температурному режиму.

Разработанные авторами научные принципы проектирования и 

оптимизации рецептур составов, технологии приготовления элементов 
и конструкций изделий использованы исследователями при создании 
образцов новой техники с учетом законов теплопереноса в системе 
продукты сгорания – нагреваемый объект, что позволило повысить 
коэффициент полезного использования выделяемой в процессе горения тепловой энергии. 

Результаты многочисленных исследований были
изложены 

в докторской диссертации И. А. Абдуллина (2000 г.), в ряде кандидатских диссертаций, монографии «Тепловые пиротехнические составы. 
Свойства, технология, применение» и многочисленных статьях. 
Настоящее учебное пособие является дополненным и отредактированным вариантом предыдущего издания, прошедшего апробацию в течение более десяти лет.

Актуальность издания данного учебного пособия обусловлена 

необходимостью расширения теоретических представлений у обучающихся и научных работников о принципах проектирования рецептур 
тепловых пиротехнических составов с учетом механизмов теплового 
воздействия на нагреваемые объекты.

Авторы выражают благодарность д-ру техн. наук, профессору 

Э. Р. Галимову и канд. техн. наук начальнику технического центра 
ФКП «ГосНИИ ХП» А. С. Арутюняну, любезно согласившимся прорецензировать работу, ученикам и соратникам И. А. Абдуллина, чьи 
материалы использованы в тексте, а также руководству вуза за оказанную помощь в подготовке и издании учебного пособия.

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

ПС – пиротехнические составы
ТС – тепловые составы
ШТ – шашка термомуфельная
ЖНС – жидкое натриевое стекло
ДТП – датчики тепловых потоков
АЦП – аналого-цифровой преобразователь
qпод  – плотность теплового потока к подложке (нагреваемому объекту), 
Вт/м2

qизл – составляющая плотности теплового потока излучением
qтепл – составляющая плотности теплового потока кондукцией (теплопередачей)
qкон – составляющая плотности теплового потока конвекцией

ВВЕДЕНИЕ

Малогазовыми тепловыми составами называются составы, спе
циальный эффект которых связан с использованием тепла, выделяющегося в процессе их сгорания. К ним относятся зажигательные составы, используемые для снаряжения зажигательных авиабомб, снарядов, 
мин и пуль; составы для пироавтоматики, сварки и пайки, дробления 
руд, снятия остаточных напряжений в сварных швах; для разогрева 
электролитов, металлов перед сваркой и штамповкой, двигателей, пищи, грунта в зимних условиях и т.д. Воспламенительные и замедлительные составы также можно отнести к тепловым, так как основное 
их назначение – генерирование тепловой энергии для воспламенения 
следующего звена огневой цепи.

Такое широкое применение малогазовых тепловых составов 

объясняется постоянной готовностью к применению, независимостью 
от источников энергии, малой зависимостью их воздействия от внешних условий, высокой концентрацией энергии и определенной скоростью ее выделения и передачи. 

Все многообразие тепловых составов можно разделить на не
сколько групп. К первой группе следует отнести составы, используемые для нагрева тел без изменения фазового состояния последних. Это 
составы для подогрева металла перед сваркой и штамповкой, снятия 
остаточных напряжений в сварных швах и т.д. Второй тип составов 
применяется для нагрева тел до их плавления, т. е. до изменения фазового состояния. Это составы для пироавтоматики, сварки, наплавки, 
перфорации, большинство зажигательных. Третий тип тепловых составов используется для возбуждения химических превращений (воспламенения) в различных объектах – воспламенительные, замедлительные, зажигательные составы.

Многие составы, несмотря на их широкое применение, далеки от 

совершенства и не позволяют получить требуемого эффекта. При разработке новых, более совершенных тепловых составов основными 
критериями оценки являются теплота сгорания, температура горения, 
скорость горения, количество и состав конденсированных продуктов 
сгорания. Исходя из этого в монографии рассмотрены методы определения данных характеристик и влияющие на них факторы.

Учитывая, что основным спецэффектом тепловых составов явля
ется дозированный подвод тепла от продуктов сгорания к нагреваемому объекту, проектирование составов и изделий невозможно без знания механизма и кинетики переноса тепла в данной системе. 

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАЛОГАЗОВЫХ 

ТЕПЛОВЫХ СОСТАВОВ

Согласно классификации Шидловского 1, по характеру про
цессов, протекающих при горении ПС, можно выделить пламенные, 
тепловые, дымовые составы, а также вещества и смеси, сгорающие за 
счет кислорода воздуха. К тепловым ПС относятся
термитно
зажигательные и малогазовые. 

Специальный эффект тепловых составов определяется количе
ством выделенного и переданного нагреваемому объекту тепла. 
Удельный тепловой поток от пиротехнических составов находится на 
уровне тепловыделения элементов атомного реактора. 

Высокий тепловой эффект химических реакций процесса горе
ния пиротехнических составов и изделий позволяет использовать его в 
военной технике и народном хозяйстве для нагрева различных материалов до температуры, достаточной для их дальнейшей переработки 
или целевого использования 2–4. Нагрев тепловыми составами выгодно отличается от других традиционных методов и приемов независимостью от энергоисточников, отсутствием сложного оборудования 
и, как следствие, высокой экономичностью. 

Требования, предъявляемые к тепловым пиротехническим со
ставам по температуре и скорости горения, теплоте сгорания и количеству конденсированных продуктов сгорания, в значительной степени определяются природой и геометрическими формами нагреваемого 
объекта. В большинстве случаев для нагрева более эффективны тепловые составы, которые не только выделяют значительное количество 
тепла и имеют высокую температуру горения, но и образуют преимущественно конденсированные продукты сгорания. Такие составы относят к тепловым малогазовым. Характерной особенностью тепловых 
малогазовых составов является то, что значительное количество тепла, 
выделяющегося при их горении, локально аккумулируется в конденсированных продуктах сгорания (шлаках), значительно увеличивая 
время теплового воздействия на нагреваемый объект.

Несмотря на то что в результате процесса горения некоторых 

тепловых малогазовых составов образуется 98–100 % конденсированных продуктов сгорания, термин «безгазовые составы» в пиротехнике 
не применяется. Это связано с тем, что в момент реакции, протекающей при высокой температуре, эти составы образуют некоторое коли

чество газообразных продуктов, при охлаждении превращающихся в 
твердые вещества. Причем количество газообразных продуктов может 
быть достаточно велико.

Основой большинства тепловых составов является термитная 

смесь. Суть процесса горения состава термитного типа заключается во 
взаимодействии оксида металла с другим более активным металлом, 
который можно описать в виде следующего уравнения:

МеО + Ме → МеО + Ме
(1.1)

По опытам С.Ф. Жемчужного количество тепла, выделяющегося

при горении термитов, должно быть не менее 2,27 кДж на 1 г состава, 
в противном случае реакция протекает с трудом и не доходит до конца. Так как большое количество тепла должно быть затрачено на разложение оксида металла, становится очевидным, что в термитах 
должны использоваться высокотеплотворные горючие, например, 
алюминий, магний и их сплавы, цирконий, вольфрам, кремний и др.

Теплотворная способность стехиометрических смесей алюминия 

и оксида железа (Fe2O3) или обычно используемой закиси-окиси железа (железной окалины Fe3O4) составляет теоретически 3,89 и 
3,55 кДж/г соответственно (табл. 1.1). Смеси металла и оксида металла 
с низкой теплотой образования могут превысить эти цифры на 20–
25 %, но их использование весьма затруднительно. Так, если в качестве окислителя алюминия в термитной смеси выбрать оксиды висмута или меди, имеющие весьма низкую теплоту образования, то процесс 
их горения носит детонационный характер. Исходя из этого в качестве 
окислителей наиболее часто используются оксиды железа, марганца, 
хрома, кремния, молибдена, свинца.

Несмотря на сравнительно низкую теплотворную способность 

термита по сравнению с такими пиротехническими смесями, как магний с нитратом калия, он оказывается более эффективным средством 
для нагрева различного рода объектов. В процессе горения алюминия 
или магния с солями щелочных металлов значительное количество 
тепла рассеивается и расходуется на испарение продуктов реакции.

В большинстве случаев термит используют в многокомпонент
ных составах (термитах), куда наряду с термитом входят дополнительные окислители и металлические горючие, связующее. Содержание самого термита в таких смесях составляет от 10 до 90 %.

Таблица 1.1

Теплота сгорания термита при стехиометрическом 

соотношении между компонентами

Горючее
Значения Qcr, кДж/кг, для смесей на основе оксидов

В2О3
SiO2
Cr2O3 МnО2 Fe2O3
Fe3O4
CuO
РЬ3О4

Al
3051
2341
2508
4682
3887
3553
3929
1965

Mg
3804
3051
2968
4932
4389
3929
4180
2132

Са
3386
2926
2801
4598
388?
3637
3929
2132

Ti
–
–
1212
3135
2383
2341
2926
1463

Si
–
–
–
2926
2424
2090
2801
1338

B
–
–
–
3177
2466
2174
2926
1045

В качестве дополнительного окислителя используют нитраты 

натрия и бария. Основные характеристики термитных составов с дополнительными окислителями – нитратами:

калорийность
3762–4807 кДж/кг

температура горения
2573–3073 К

массовое содержание шлаков
65–90 %

Кроме оксидов, в тепловых малогазовых составах в качестве ос
новного окислителя используются хроматы бария и свинца, в некоторых составах содержится также второй окислитель – перхлорат калия 
(10–15 %). Окислитель при разложении не должен давать большого 
количества газообразных продуктов 1. Так, например, двойная смесь 
Zr–BaCrO4 в результате горения образует только твердые и тугоплавкие оксиды металлов.

Отличительным свойством, присущим большинству малогазо
вых составов, является малая зависимость скорости горения от внешнего давления. Как правило, у них невелик и температурный коэффициент скорости горения.

2. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ 

СОСТАВОВ

Пиротехнические составы (ПС) и изделия из них нашли широ
кое применение в самых различных областях. Практическое использование пиротехнических составов, средств и изделий специального 
назначения обеспечивает решение различных задач. Изделия из ПС 
широко используют и в мирных целях: в сигнальных изделиях и средствах при чрезвычайных ситуациях, в экстремальных условиях, для 
нужд МЧС, для развлекательной пиротехники и т.д. 1–4.

В отличие от традиционной пиротехники, особым классом пиро
технических составов являются тепловые составы (ТС), специальный 
эффект которых определяется количеством выделенного и/или переданного при их сгорании тепла объекту для инициирования химических реакций взаимодействия компонентов (зажжение, воспламенение 
последующего звена огневой цепи), сварки, проплавления, нагревания 
и др. (рис. 2.1). 

Тепловые пиротехнические составы и изделия на их основе ши
роко применяются в оборонно-промышленном комплексе, в авиационной и аэрокосмической технике в качестве оперативного и экономически выгодного источника энергии. Малогазовые ТС используют 
в различных средствах пироавтоматики: пироболтах, термозамках, 
термочеках для автоматического разделения соединенных элементов 
конструкций летательных аппаратов (ЛА); в тепловых источниках тока, средствах для разогрева и расплавления электролитических ячеек и 
приведения в рабочий режим бортовых источников тока ЛА различного назначения. Аккумулирование тепла в конденсированных продуктах сгорания (шлаках) позволяет малогазовому ТС поддерживать заданное время работы тепловой батареи (ТБ) 5. 

Тепловые составы нашли применение и в изделиях специально
го назначения – в замедлительных устройствах, для снаряжения пиротехнических замедлителей различного назначения, в дистанционных 
трубках, взрывателях ручных гранат, авиабомб, в электродетонаторах. 
К тепловым составам относят и термитно-зажигательные составы и 
смеси, которые используют для снаряжения зажигательных авиабомб 
и малокалиберных пуль. 

Тепловые составы широко используются в военной технике и 

народном хозяйстве для нагрева различных материалов до температу

ры, достаточной для их дальнейшей переработки или целевого использования (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Области применения малогазовых тепловых составов

Такие свойства тепловых составов (в основном термитных), как 

высокая температура горения, способность гореть под водой и в снегу, 
образование при горении огненно-жидких шлаков, способность проплавлять металлические листы, предопределили их использование 
в качестве зажигательных составов. Одним из наиболее эффективных 
зажигательных составов является железоалюминиевый (железный) 
термит 1. Также возможно использование в различных зажигательных боеприпасах в качестве окислителя оксида марганца – марганцевый термит, оксида хрома – хромовый термит и т.д.

Малая зависимость скорости горения от внешнего давления и 

температуры окружающей среды, минимальное количество газообразных продуктов горения позволяют использовать малогазовые составы