Исследование теплофизических свойств стали ЭП-823 в диапазоне температур 200-900◦C Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.311.25(06)

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ ЭП-823 В ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР 200-900 °C

А. Б. Круглов, В. Б. Круглов, П. Г. Стручалин, В. С. Харитонов

В работе представлены результаты исследования теп-лофизических свойств стали ЭП-823 (температуропроводности термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР), теплоемкости, теплопроводности) в диапазоне температур 200-900 °C. Отмечено наличие фазовых переходов, оказывающих влияние на теплофизи-ческие свойства стали.

Ключевые слова: теплофизические свойства, ТКЛР, теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность, ЭП-823.

В настоящее время для нужд атомной энергетики создаются проекты реакторных установок, охлаждаемые тяжелым жидкометаллическим теплоносителем [1]. Учитывая особенности таких установок, предполагается использовать сталь ЭП-823 в качестве материала оболочек тепловыделяющих элементов. Для обоснования работоспособности твэлов с оболочкой из стали ЭП-823 необходимо наличие достоверных данных по ее основным физическим свойствам. Однако проведенный анализ опубликованных данных показал, что информация о теплофизических свойствах стали ЭП-823 - температуропроводности (а), ТКЛР (а), теплоемкости (cp), теплопроводности (А) - практически отсутствует.

Целью данной работы являлось проведение систематических измерений температуропроводности, ТКЛР, теплоемкости и теплопроводности стали ЭП-823 в диапазоне температур 200-900 °C.

Экспериментальные установки. В данной работе измерение ТКЛР стали ЭП-823 осуществлялось на установке DIL-402 C [2]. Измерения термического расширения на дилатометре выполнялись в два этапа. На первом в дилатометр устанавливался рабочий эталон термического расширения и в исследуемом диапазоне температур проводилась регистрация сигнала датчика перемещения и температуры. На втором этапе,

Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 115409 Россия, Москва, Каширское шоссе, 31; e-mail: pstruchalin@mail.ru.

выполняемом по температурному режиму первого, измерения проводились с исследуемым образцом. По результатам двух измерений с помощью программы Proteus Thermal Analysis рассчитывались относительная термическая деформация исследуемого образца e(T0,T), ТКЛР и плотность р.

Измерение температуропроводности стали ЭП-823 осуществлялось на установке LFA 457 MicroFlash, действие которой основано на методе импульсного нагрева фронтальной поверхности образца и регистрации термограммы тыльной стороны образца. По зарегистрированной термограмме проводится расчет температуропроводности, в котором учитывается теплообмен с окружающей средой [3].

На установке LFA 457 MicroFlash возможно проведение измерений теплоемкости, которые выполняются относительно эталона - образца с известными прецизионными данными по удельной теплоемкости и ТКЛР, устанавливаемого в один из трех держателей образцов. Производится совместная обработка термограмм импульсного нагрева исследуемого образца и эталона по программе измерения теплоемкости. В настоящем исследовании для измерения теплоемкости и последующего расчета теплопроводности стали ЭП-823 в качестве рабочего эталона теплоемкости использовался образец из стали 12Х18Н10Т, для которой известны надежные данные по удельной теплоемкости и ТКЛР в диапазоне температур 100-1000 °C [4, 5].

Теплопроводность образцов рассчитывалась по формуле (1) через измеренные значения температуропроводности, удельной теплоемкости и плотности:

А = а • ср • р. (1)

Результаты измерений. Полученные данные по ТКЛР стали ЭП-823 представлены на рис. 1. Измерения были проведены в режиме монотонного нагрева с темпом 3 °С/мин.

Результаты измерений температуропроводности и удельной теплоемкости представлены на рис. 2 и 3. Теплопроводность, рассчитанная по экспериментальным значениям температуропроводности и теплоемкости, представлена на рис. 4.

В соответствии с метрологическими характеристиками использованного оборудования [2] и по результатам тестовых измерений на образцах из стали 12Х18Н10Т погрешности измерения теплофизических параметров стали ЭП-823 составили:

Да . о ДсР о ДА о Да 0 . .

— < (2 - 5) • 10 ; —р < 5 • 10-2; — < 7 • 10-2; - < 5 • 10-2. (2)

а Ср А а

Обсуждение результатов. В ходе выполнения работы было установлено наличие фазовых переходов в стали ЭП-823, существенно влияющих на ее теплофизические свойства.

Рис. 1: ТКЛР стали ЭП-823. o - экспериментальные значения; ющая зависимость.

интерполиру-

Рис. 2: Температуропроводность стали ЭП-823. о - экспериментальные значения; _- интерполирующая зависимость.

ТКЛР стали ЭП-823 линейно растет в диапазоне T = 100-400 0C, на участке T = 500-600 0C принимает постоянные значения, а затем обнаруживает два узких минимума при температурах T = 710 и 783 0C и максимум при T = 725 0C.

Теплоемкость и температуропроводность стали ЭП-823, как и ТКЛР, имеют особенности. При температуре T = 710 0 C происходит изменение характера зависимостей

1.2

0.4 Н—|—|—|—|—|—|—|—|—|— 0 200 400 600 800 1000

Т,° с

Рис. 3: Удельная теплоемкость стали ЭП-823. о - экспериментальные значения; _- интерполирующая зависимость.

ЗОп-ф—

И

£

20 Н—|—|—|—|—|—|—|—|—|— О 200 400 600 800 1000

Т,° с

Рис. 4: Теплопроводность стали ЭП-23. о - экспериментальные значения;_- интерполирующая зависимость.

от температуры - у теплоемкости ускоряющийся рост сменяется резким падением, у температуропроводности после интенсивного уменьшения наблюдается не менее интенсивный рост.

Коэффициент теплопроводности изменяется немонотонно; в диапазоне температур Т = 600-800 0С наблюдается уменьшение теплопроводности с ростом температуры.

зЗаключение. Основными результатами данной работы являются прецизионные данные по коэффициенту температуропроводности, ТКЛР, теплоемкости и теплопроводности стали ЭП-823 в диапазоне температур 200-900 °C. Отмечено наличие фазовых переходов, оказывающих заметное влияние на ее теплофизические свойства, которое необходимо учитывать при проектировании ядерных установок.

ЛИТЕРАТУРА

[1] А. В. Безносов, Ю. Г. Драгунов, В. И. Рачков, Тяжёлые жидкометаллические

теплоносители в атомной энергетике (М., ИздАт, 2007).

[2] www.netzsch.com.

[3] J. A. Cape and G. W. Lehman, Journal of Applied Physics 34, 1909 (1963).

[4] Таблицы стандартных справочных данных. Молибден, монокристаллическая окись

алюминия, сталь 12Х18Н10Т. Температурный коэффициент линейного расширения. ГСССД 59-83 (М., Изд-во Стандартов, 1984).

[5] Таблицы стандартных справочных данных. Стали 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т. Удельная теплоемкость и удельная энтальпия в диапазоне температур 400 - 1380 К при атмосферном давлении. ГСССД 32-82 (М., Изд-во Стандартов, 1983).

По материалам IV Международной молодежной научной школы-конференции "Современные проблемы физики и технологий".

Поступила в редакцию 12 мая 2015 г.