CC BY
20ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ТРАНСПОРТ
Конструкционные материалы
HYDROGEN ENERGY AND TRANSPORT
Structural materials
ВАКУУМНЫЕ ЭЛЕКТРОПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ СПЕКАНИЯ ОСОБО ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ
МАТЕРИАЛОВ АТОМНОЙ ТЕХНИКИ удк 621.365
Э. Н. Мармер, С. А. Новожилов, Ю. М. Балаклиенко, А. В. Лебедев
ОАО «ВНИИЭТО» Нижегородская ул., 29, г. Москва, 109052, Россия Тел.: (095) 278-75-09; факс: (095) 911 86 11; e-mail: vniieto@vniieto.ru
Сведения об авторе: кандидат техн. наук, академик РАЕН. Образование: Московский институт химического машиностроения (1947 г.).
Область научных интересов: создание промышленных вакуумных электропечей сопротивления, высокотемпературное материаловедение.
Публикации: 2 открытия, более 210 статей, 40 авторских свидетельств и патентов, 6 монографий.
Мармер Эдуард Никитович
Сведения об авторе: кандидат техн. наук, зав. лабораторией. Образование: Московский вечерний металлургический институт (1995 г.).
Область научных интересов: высокотемпературные технологии и создание вакуумных электропечей сопротивления.
Публикации: 2 открытия, более 18 статей, 1 патент.
ill
Новожилов Сергей Александрович
Сведения об авторе: кандидат техн. наук, вед. специалист. Образование: Московский химико-технологический институт им. Д. И. Менделеева (1974 г.).
Область научных интересов: углерод-углеродные композиционные материалы.
Публикации: 23 статьи, 9 авторских свидетельств.
Балаклиенко Юрий Михайлович
Сведения об авторе: академик РАЕН.
Область научных интересов: вакуумная электрометаллургия, водородная плазмохимия и системная промышленная экология.
Публикации: 1 открытие, 33 статьи, 14 авторских свидетельств.
Лебедев Александр Валерьевич
Статья поступила в редакцию 18.01.2005 г. The artisle has entered in publishing office 18.01.2005
Sintering of extra high temperature carbides and nitrides of uranium and plutonium can be carried out in designed vacuum furnaces with heaters made of carbon composition materials at temperatures till 2200 °C. In the field of high temperature material science on the base of Discoveries № 138 and 152 we determined natural connection among some thermodynamic and physical - chemical properties of materials in the range of temperatures 1200-2200 °C.
Развитие атомной техники определяется надежностью и долговечностью конструкций атомных реакторов и ядерных установок. Для разработки особо высокотемпературных материалов таких конструкций необходимы вакуумные печи с рабочей температурой 2000-2200 °С.
Перспективными являются карбиды, нитриды и карбонитриды урана и плутония, которые должны заменить соответствующие оксиды [1]. Температуры спекания карбидов и нитридов (табл. 1) определены по формуле:
Tсп = 0>8^ п
(1)
При использовании наноразмерных порошков карбидов и нитридов урана и плутония тем-
пература спекания может быть снижена на 150300 °С [1].
Для спекания этих материалов можно рекомендовать вакуумные печи сопротивления с нагревательными блоками на основе углеродных композиционных материалов (УКМ), характеристики которых приведены в табл. 2 [2, 3].
Преимущества этих печей по сравнению с печами, оснащенными блоками из тугоплавких металлов, следующие:
■ повышенная стойкость нагревателей — до 1000 ч при 2200 °С;
■ стабильность электрических параметров нагревателей;
■ возможность работы их при давлениях 1-10 Па (без диффузионных насосов);
Таблица 1
Температуры спекания карбидов и нитридов для ядерного топлива
Температура спекания, °С, для материалов
Карбиды Нит риды
UC U2C3 UC2 UC2 + C PuC2 PuC2 + C UN PuN
2625 2045 2635 2053 2400 1865 2451 1906 2250 1745 2650 2065 2855 2229 2750 2145
Таблица 2
Основные характеристики вакуумных высокотемпературных печей сопротивления
Параметр Тип печи
СНВГ-4/22 СНВГ-16/22 СНВГ-30/20 СНВЭ-1.3.1/20И2 СШВЭ-1.2,5/25 СШВГ-2/22
Мощность, кВт 13 (2200) 35 (2200) 42 (2000) 27 (2000) 34 (2500) 13,5 (2200)
(температура, °С), 11 (2000) 30 (2000) 35 (1800) 23 (1800) 24 (2200) 12 (2000)
в том числе мощ- 20 (1600) 18 (2000) 10,3 (1800)
ность вакуумной
системы, кВт 1,1 2,75 7,75 3,1 3,1 3,1
Остаточное давление, Па 1 1 1 102 610-3 10-1-10-2
Расход охлаждающей воды, м3/ч 0,4 1,6 1,6 1 1,5 0,6
Масса загрузки, кг 15 35 60 12 12 12
Размер
рабочего простран-
ства камеры, м:
длина 0,30 0,40 0,55 0,30 — —
ширина 0,12 0,20 0,25 0,1 00,10 00,10
высота 0,12 0,20 0,23 0,1 0,25 0,25
Объем камеры, дм3 4 16 30 3 2 2
Габариты печи, м:
длина 1,65 1,90 1,90 1,65 1,75 1,75
ширина 1,45 1,50 1,50 1,45 1,48 1,48
высота 1,85 1,85 1,85 1,85 1,85 1,85
Масса печи, т 0,8 0,95 0,95 0,8 0,8 0,8
Материал нагревательного блока УКМ* УКМ УКМ ТМ** ТМ УКМ
*УКМ — углеродные композиционные материалы; **ТМ — тугоплавкие металлы.
Э. Н. Мармер, С. А. Новожилов, Ю. М. Балаклиенко, А. В. Лебедев
Вакуумные электропечи сопротивления для спекания особо высокотемпературных материалов атомной техники
■ существенно (в 2-3 раза) сниженные тепловые потери;
■ низкий расход охлаждающей воды;
■ надежность конструкций контейнеров, лодочек, этажерок.
В этих печах могут спекаться материалы для систем регулирования реакторов, например В4С, ^В2 и другие.
Экономическая эффективность использования нагревательных блоков из УКМ может быть показана на примере спекания оксидов при 1800 °С. Результаты расчетов примерного режима технологического процесса спекания представлены в табл. 3. Как видно из таблицы, удельный расход электроэнергии в печах на основе УКМ составляет 2,4 - 2,8 кВтПч/кг, тогда как в печах на основе тугоплавких металлов он равен 7,5-8,2 кВт ч/кг, т. е. спекание оксидов в печах на основе УКМ в 3 раза экономичнее. Аналогичные расчеты проведены по снижению расхода охлаждающей воды.
Установлено, что объемная теплоемкость, представляющая произведение удельной теплоемкости суд на удельную массу материала у, имеет постоянное значение в области температур
1500-2500 К для металлов Периодической системы и их карбидов, нитридов, оксидов, бори-дов, силицидов (более 50 металлов и соединений) [2, 3]:
c , = c
об уд
Y= 1 ± 0,2 ккал/(дм3ПК).
(2)
Эта зависимость позволяет оценить с точностью до 20 % удельную теплоемкость без проведения трудоемких экспериментов, а также рассчитать полезную мощность вакуумных печей при нагреве садок из различных материалов только по их удельной массе.
Открытая закономерность может быть использована в расчетах полезной мощности Рпол при нагреве высокотемпературных материалов (см. табл. 4) [4, 5]:
К _
(3)
P =
Y
где
K = 4,19G-At co6
K„n„ =-
(4)
у — удельная масса материала загрузки, кг/дм3; G — номинальная масса загрузки печи, кг; Дг —
Таблица 3
Ориентировочный расход электроэнергии при спекании в вакууме изделий из оксидной керамики
в электропечах различных типов
т
Параметр Тип печи
СНВГ-4/22 СНВГ-30/20 СНВЭ-1.3.1/20И2 СНВГ-16/22 СНВЭ-9/18
Длительность циклов, ч: 11,5 19,5 11 16,5 15
в том числе
нагрев до 1800оС 4 5 4 4 4
выдержка 2 4 2 3 3
охлаждение в вакууме 1 1,5 1 1,5 1,5
охлаждение в аргоне до 100ОС 4 8,5 3,5 7,5 6
загрузка и выгрузка 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
Масса загрузки, кг 15 60 12 35 20
Производительность, кг/ч 1,3 3,1 1,1 2,1 1,33
Удельный расход электроэнергии, кВт/кг 2,37 2,76 8,26 2,73 7,6
X ф
Таблица 4
Параметры камерных электропечей на основе УКМ
Тип печи Номинальная температура t °С НОМ9 ^ Номинальная масса загрузки G, кг Время разогрева до номинальной температуры т, ч ^пол при соб = 1 ккал/(дм3-К)
СНВГ-4/16 1600 15 2 13,8
СНВГ-4/22 2200 15 4 9,5
СНВГ-16/16 1600 35 4 16,1
СНВГ-16/22 2200 35 5 17,8
СНВГ-30/20 2000 60 5 27,6
интервал температур от 20 °С до номинальной температуры печи гном, °С; соб — объемная теплоемкость материала загрузки, ккал/(дм3К); т — время разогрева номинальной массы до номинальной температуры печи, с; 4,19 — коэффициент перевода в Джоули.
Значение Кпол для камерных печей представлены в табл. 4.
Таким образом, полезная мощность при номинальных параметрах печи может быть рассчитана, исходя только из удельной массы нагреваемого материала.
Кроме того, для различных высокотемпературных соединений с молекулярными массами М от 40 до 990 кг и числом атомов п от 2 до 8 выявлено [5, 6], что отношение молярной теплоемкости смол (смол = суд • М) к числу атомов в соединении п, т. е. приведенная молярная теплоемкость спр, является постоянной величиной:
Спр = Смол / п = Суд • М / п =
= 7 ± 0,2 ккал/(кмоль • К), (5)
где суд — удельная теплоемкость, ккал/(кгПК).
Совместный анализ соотношений (2) и (5) позволяет получить следующие зависимости:
M = [(7 ± 0,2)/(1 ± 0,2 )]у-n = = (7±0,2)n/суд = Кк -у-n = 7у-n
(6)
где Кк =(7 ± 0,2)/(1 ± 0,2) = 7 — коэффициент пропорциональности, не зависит от у в диапазоне 2,26-15,7 кг/дм3, от числа атомов п в молекуле химического соединения (при п = 2...8) и М в диапазоне 40-990 кг;
п = М/(Кк -у)«0,14М/у, (7)
М / п = Кк у« 7у (8)
Таким образом, выявлена взаимосвязь между термодинамическими (спр, суд) и физико-химическими (М, п) свойствами высокотемпературных материалов, что позволяет решать некото-
рые задачи высокотемпературного материаловедения.
Приведенные характеристики печей с нагревательными блоками из УКМ показывают, что созданы надежные, экономичные, экологически чистые вакуумные электропечи для спекания и термообработки особо высокотемпературных карбидов, нитридов и карбонитридов урана и плутония, предполагаемых для использования в атомных реакторах нового поколения.
Список литературы
1. Солонин М. И., Лякишев Н. П., Калин Б. А., Коновалов И. И. Перспективные материалы и технологии новых материалов атомной техники. М.: МИФИ, 2003.
2. Мармер Э. Н., Мурованная С. Г., Васильев Ю. Э. Электропечи для термовакуумных процессов. М.: Энергоатомиздат, 1991.
3. Новожилов С. А. Оптимизация применения углеродных материалов в конструкциях высокотемпературных электропечей и разработка нового углеродного композиционного материала для нагревателей. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 2002.
4. Открытие № 138, приоритет 03.11.1999. Закономерная связь между величиной объемной теплоемкости высокотемпературных материалов и температурой их нагрева/Мармер Э. Н., Попов А. Н., Волохонский Л. А. и Новожилов С. А.
5. Мармер Э. Н. Новый метод определения термодинамических и физико-химических параметров высокотемпературных материалов при 1500-2500К // Материаловедение. 2001. № 9. С. 11.
6. Открытие № 152, приоритет 25.10.2000. Закономерность изменения приведенной молярной теплоемкости высокотемпературных соединений от числа атомов в этих соединениях (закономерность Мармера - Попова)/Мармер Э. Н., Попов А. Н., Гринберг Ю. М., Лебедев А. В. и Новожилов С. А.
НОВОСТИ НАУКИ.; И ТЕХНИКИ
«NISSAN» БУДЕТ РАЗРАБАТЫВАТЬ СОБСТВЕННЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
«Nissan» намерен заняться созданием топливных элементов (ТЭ) и емкостей для хранения водородного топлива с целью совершенствования скоростных и ходовых характеристик гибридных автомобилей. ТЭ — компактные батареи повышенной мощности третьего поколения — будут сразу готовы к установке и использованию. Разработчики создали интегрированную систему токоподачи, которая не требует большого количества проводов и цепей. Все контроллеры встроены в корпус батареи, чем и достигаются небольшие габариты и высокая мощность. В контейнерах для сжатого водорода разработчикам «Nissan» удалось достичь давления в 70 МПа (обычные емкости для хранения водорода «держат» давление в 35 МПа). Для создания контейнера использовали многослойную карбоновую основу, которая отличается повышенной гибкостью и устойчивостью, и алюминиевый корпус.
Источник: Авто Владивосток
