» » Результаты экспериментального исследования закономерностей термического переноса массы
11.01.2015

Имеется весьма ограниченное число экспериментальных работ, посвященных исследованию параметров термического переноса массы твердых металлов в жидкометаллической среде.
Автором проведено исследование переноса массы трех сплавов на никелевой основе в жидком натрии. Выбранные для испытаний материалы представляли собой технические сплавы марок ЭИ869, ЭИ827 и ЭИ765, легированные с целью получения высокой жаропрочности хромом, молибденом, вольфрамом, титаном, алюминием и другими элементами. Испытания производились в конвекционной камере, схематически изображенной на рис. 23. Камера представляет собой вертикально расположенную трубу с двумя донышками, наполненную жидким натрием. Образцы из исследуемого материала размещаются в ее нижней части. В процессе испытания нижняя зона камеры поддерживается при значительно более высокой температуре, чем верхняя. Благодаря тому, что плотность жидкого металла уменьшается с повышением температуры, в камере возникает конвективное движение жидкометаллической среды. Это движение, а также температурная зависимость растворимости твердых металлов в жидких приводят к возникновению процесса термического переноса массы. Растворенные компоненты образцов и стенок камеры из горячей зоны переносятся вверх в холодную зону, там выделяются из раствора и частично остаются в холодной зоне, частично возвращаются в горячую зону. Для усиления переноса массы к верхнему донышку камеры прикреплен кристаллизатор, представляющий собой набор пластин. В качестве материала для кристаллизатора был выбран никель, потому что основным компонентом исследуемых материалов был никель и, следовательно, кристаллы, выпадающие из раствора в холодной зоне, также в основном были никелевые. Mатериалом для экрана, установленного в горячей зоне, служил тоже никель. Использование его связано с необходимостью исключения влияния материала конвекционной камеры — стали Х18Н10Т на растворение образцов.
Результаты экспериментального исследования закономерностей термического переноса массы

Примененные для исследования образцы позволяли определять вес в процессе коррозии, механические свойства материалов, следить за влиянием жидкого металла на микроструктуру материалов. Все испытания проводились в одинаковых температурных условиях: температура горячей зоны была 750° С, перепад температур по высоте камеры составлял 350° С. Содержание кислорода в натрии было около 0,01 вес.%.
Результаты экспериментального исследования закономерностей термического переноса массы

Результаты испытаний в виде зависимости потери веса образцов от продолжительности их пребывания в жидкометаллической среде приведены на рис. 24. Из рисунка следует, что процесс термического переноса массы никелевых сплавов описывается линейной зависимостью уменьшения веса образцов от времени. Причем интенсивность процесса у всех трех сплавов одинакова: результаты всех испытаний укладываются на одну прямую. Рассмотрение микроструктуры исследованных материалов показало, что никаких структурных изменений термический перенос массы не вызывает. Наблюдалась лишь слабая шероховатость поверхности, связанная с растворением (рис. 25). Механические испытания образцов на разрыв растяжением после выдержки их в камере установили, что прочность и пластичность сплавов не изменились под действием жидкометаллической среды (рис. 26). Это обусловлено тем, что скорость переноса массы мала и существенно не сказалась на изменении размеров образцов, а также тем, что коррозия протекала равномерно. Таким образом, эффект переноса массы выразился в данном случае главным образом в изменении веса образцов и не имел осложнений, связанных с присутствием в составе исследованных материалов различных легирующих элементов.
Результаты экспериментального исследования закономерностей термического переноса массы

В соответствии с данными рис. 24 для всех исследованных сплавов уравнение термического переноса массы имеет вид:
Результаты экспериментального исследования закономерностей термического переноса массы

где q — потеря веса образца с единицы поверхности, г/м2; t — время, ч.
Этот результат объясняется близостью химического состава материалов. Так, основу всех материалов составляет никель, сумма легирующих элементов у сплавов ЭИ869, ЭИ765 и ЭИ827—22, 28 и 25% соответственно. Таким образом, различие в количестве легирующих компонентов у никелевых сплавов, достигающее 6%, не вызывает изменения кинетики растворения сплава в жидком натрии и кинетики выделения растворенных компонентов из жидкометаллической среды, т. е. тех процессов, которые лежат в основе термического переноса массы. Распространяя этот вывод, можно полагать, что и у других материалов, если они имеют одинаковую основу, небольшое различие в составе не влияет на скорость термического переноса массы. Подтверждение этого предположения будет иметь большое практическое значение, так как внедрение в сплавы даже малых количеств некоторых легирующих элементов во многих случаях позволяет значительно повысить их жаропрочность. Однако надо заметить, что одинаковая скорость переноса массы для разных сплавов была получена в описанных выше опытах потому, что основу сплавов составлял легкорастворимый, по сравнению с легирующими добавками, элемент. Поведение таких сплавов подобно поведению чистых металлов. Очевидно, скорость переноса массы образцов из чистого никеля в аналогичных условиях испытания близка к скорости, определенной для никелевых сплавов. В том случае, когда основу сплава составляет металл, менее растворимый в жидком металле, чем легирующие элементы, возможна селективная коррозия. Условия протекания этого вида коррозии при наличии термического переноса массы будут разобраны в следующем разделе.
Основной вывод, полученный при исследовании термического переноса массы никелевых сплавов в жидком натрии, — независимость скорости переноса массы от времени. Таким образом, качественно подтверждены уравнения переноса массы (58)—(60).
Результаты экспериментального исследования закономерностей термического переноса массы

Произведем теперь расчет скорости переноса массы в условиях описываемого эксперимента, исходя из формулы (59), т. е. для максимальной интенсивности процесса, когда все кристаллики остаются в холодной зоне. Расчет проведем для никеля — основного компонента исследованных сплавов. В соответствии с работой полагаем, что vв≈50 см/сек, rв=5,5 мм; на основании работы ρв.ж=0,771 г/см,3. Для расчета с интересующей нас точностью можно считать ϗ=1; разность (nв∞-nн∞) для никеля в жидком натрии для температур горячей и холодной зон (750 и 400° С соответственно) равна 1,25*10в-5 по данным работы. Так как в литературе, к сожалению, не приводятся значения констант скорости растворения никеля в жидком натрии, то для нашей оценки можно использовать значение αв для железа, потому что для никеля эта характеристика имеет еще большую численную величину. Значение αв для железа при 750° С можно подсчитать по данным работы, оно равно 4,6*10в3 см/сек. Подставляя указанные выше величины в формулу (59), находим, что максимальная скорость переноса массы в указанных условиях должна быть не менее 1,42 г/(м2*ч). в то время как из формулы (70) следует, что в течение эксперимента скорость переноса массы составляла 0,021 г/(м2*ч), т. е. была примерно в 70 раз меньше. Таким образом, эффект проскока кристалликов играет существенную роль в процессе термического переноса массы никелевых сплавов в жидком натрии.
Сопоставление полученных экспериментально значений скорости термического переноса массы с рассчитанными по формуле (59) обычно не удается провести из-за того, что неизвестны константы скорости растворения материалов или же авторами не указываются какие-либо параметры процесса. Такая возможность представляется, однако, при использовании данных работы (табл. 5).
Результаты экспериментального исследования закономерностей термического переноса массы

Из табл. 5 видно, что расчетные значения скорости переноса массы больше экспериментальных значений от до 24,6 раза. Так как при расчете не учитывался эффект проскока кристалликов через холодную зону, следует заключить, что и в этом случае эффект проскока достаточно сильно сказывается на величине скорости термического переноса массы. Данные табл. 5 дают также основание полагать, что роль эффекта проскока кристалликов возрастает с увеличением перепада температур между горячей и холодной зонами и соответственно с увеличением разности значений равновесных концентраций в этих зонах. Проведенное сопоставление расчетных значений максимально возможной скорости переноса массы и экспериментально наблюдаемой указывает вместе с тем на необходимость постановки соответствующих исследовании для определения закономерностей изменения nк, что даст возможность более точно рассчитывать скорость термического переноса массы.
Подсчитаем теперь скорость переноса массы применительно к условиям эксперимента, описанного в работе. В этом случае испытание проводилось в жидком висмуте в конвекционных петлях. Исследованию подвергался материал контуров — сталь, легированная хромом (2 25%) и молибденом (1%). Жидкий висмут в контурах циркулировал с малой скоростью (около 0,3 см/сек), поэтому можно ожидать, что в таких условиях эффект проскока кристалликов почти не влияет на скорость переноса массы. Расчетное значение скорости будем сравнивать с максимальным значением, наблюдавшимся авторами работы, — 16,5 мм/год.
Необходимую для подстановки в формулу (59) разность концентраций насыщения железа при 625 и 475° С (температура горячей и холодной зон соответственно) определим на основании данных работы: nв∞-nн∞=6,1*10в-5. Отношение rв/2lв в данном случае можно принять равным 1,3*10в-2. В соответствии с работой ρв.ж=9,63 г/см3. Из-за отсутствия в литературе значений константы скорости растворения железа при 625° С примем для расчета значение 4*10в-4 см/сек, полученное при 550° С, что должно вызвать некоторое занижение расчетной скорости переноса массы. Подставляя указанные выше величины в уравнение (59), находим, что максимальная скорость коррозии в данных условиях должна составлять 9,2 мм/год. Учитывая принятые при расчете допущения, такой результат следует считать хорошим совпадением с экспериментальной величиной — 16,5 мм/год.
Результаты экспериментального исследования закономерностей термического переноса массы

На рис. 27 приводятся результаты исследования зависимости скорости термического переноса массы от времени, проведенного для малолегированной стали (2,25% Cr; 1% Mo) в контуре с жидким висмутом. Испытания проводились при различных температурных режимах. В одном испытании температура горячей зоны была 650°, а перепад температур 350° С; в другом соответствующие величины составляли 550 и 200° С. Из рис. 27 видно, что скорость переноса массы железа в обоих случаях не зависит от времени. Имеющийся вначале инкубационный период связан, по-видимому, с разрушением поверхностной окисной пленки.
Таким образом, экспериментальные данные (см. рис. 24 и 27) подтверждают теоретический вывод о том, что скорость термического переноса массы твердых металлов в жидкометаллической среде в стационарных условиях не зависит от времени.
По определению влияния температуры и ее перепада на скорость переноса массы систематических экспериментальных работ нет. В табл. 6 приведены некоторые результаты исследования, которые представляют интерес в данном отношении.
Результаты экспериментального исследования закономерностей термического переноса массы

Сопоставляя условия опытов, видим, что увеличение температуры горячей зоны контура от 510 до 587° С при неизменном перепаде температур и скорости потока приводит к увеличению скорости переноса массы с 1,2*10в-6 до 7,9*10в-6 г/(см2*ч). Увеличение перепада температур между горячей и холодной зонами также сопровождается увеличением скорости переноса массы.
В табл. 7 приведены результаты исследования термического переноса массы малолегированных сталей в жидком натрии. В связи с тем, что испытание проводилось в контуре, изготовленном из хромоникелевой аустенитной стали, наряду с процессом термического переноса массы происходило науглероживание материалов. Поэтому, очевидно, значения скоростей переноса массы для разных сталей при одинаковой температуре несколько отличаются, хотя различие в содержании легирующих элементов невелико.
Результаты экспериментального исследования закономерностей термического переноса массы

Из представленных в табл. 7 данных видно, что во всех случаях повышение температуры горячей зоны и перепада температур приводит к возрастанию скорости коррозии.
Таким образом, заключение о плавном возрастании скорости термического переноса массы с увеличением температуры горячей зоны или перепада температур по контуру, сделанное в предыдущем разделе, подтверждается экспериментом.
Относительно влияния скорости потока жидкого металла в контуре на скорость переноса массы существуют различные мнения, не всегда, правда, подкрепленные прямыми экспериментами. Например, в работе на основании исследования переноса радиоактивных элементов в натриевом контуре делается заключение об отсутствии влияния этого фактора на перенос массы. А в работе указывается на линейное возрастание скорости переноса массы никелевых сплавов с ростом скорости движения жидкого натрия. В работе сообщается, что при испытании инконеля в натрии при температуре горячей зоны около 815° С с увеличением скорости потока жидкого металла перенос массы увеличивался. Так, в контуре с расходом натрия 5,7 л/мин за 1000 ч работы в холодной зоне накопилось 10,4 г осадка, а в контуре с расходом 11,4 л/мин за то же время — 14,0 г.
Существование противоречивых экспериментальных данных объясняется, по-видимому, сложным характером изменения скорости переноса массы с изменением скорости потока. Дело в том, что увеличение скорости, с одной стороны, укорачивает время перехода раствора из горячей зоны в холодную и вызывает увеличение скорости растворения в горячей зоне в случае диффузионного контроля процесса; с другой стороны, с увеличением скорости раствор меньшее время находится в холодной зоне, что уменьшает вероятность осаждения кристалликов и увеличивает возможность механического разрушения уже образовавшихся на поверхности контура кристалликов и переноса их в горячую зону с последующим растворением, а также уменьшается время растворения в горячей зоне за один цикл. Вследствие протекания этих процессов, оказывающих противоположное влияние на скорость переноса массы, следует ожидать, что в различных интервалах изменения скорости потока может наблюдаться и рост, и падение скорости переноса массы, и отсутствие ее изменений.