Теплоэнергетика, 2022, № 10, стр. 90-93

ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Стабильность относительного удлинения при циклических термических нагрузках и зависимость ТКЛР от температуры графита марки DE-24 в диапазонах температур Т = 1200‒2300 К и графита марки ГИП-4 при Т = 1240‒2270 К были исследованы в [1, 2]. Подробное описание основных элементов установки, системы диагностики и процедуры эксперимента приведено в [1]. В этих работах действительную температуру измеряли с помощью моделей абсолютно черного тела (АЧТ), представляющих собой два отверстия, вырезанных в образцах перпендикулярно их оси вне участка, на котором определяли относительное удлинение. Особенностью эксперимента было и то, что относительное удлинение измеряли с помощью меток в форме сквозных цилиндрических отверстий. В данной работе накопленный ранее опыт был использован для определения зависимости ТКЛР от температуры для графита марки МПГ-7.

Исследуемые в настоящей работе образцы были изготовлены из графита марки МПГ-7 путем их вырезки из одной и той же заготовки перпендикулярно (образец 1) и параллельно (образец 2) направлению прессования. Плотность МПГ-7 составляла 1.8 × 10³ кг/м³, средний размер зерна ‒ 0.03 мм, предел прочности на изгиб ‒ 39 МПа, на сжатие ‒ 80 МПа. Образцы представляли собой сплошные стержни (геометрические характеристики образцов представлены в таблице), в центральной части которых на одной образующей перпендикулярно оси были просверлены два сквозных отверстия, которые использовались в качестве меток. Дополнительно в каждом образце перпендикулярно оси были просверлены два отверстия (модели АЧТ) таким образом, что температурная диагностика была вынесена из области, где измеряли ТКЛР. Геометрическое совершенство²² моделей АЧТ обеспечивалось при отношении глубины модели к ее диаметру 3.9/0.8 ≈ 4.9.

Температура измерялась автоматическим оптическим микропирометром, работающим на длине волны 0.65 мкм с диаметром пятна визирования 0.4 мм [1]. Пирометр был откалиброван во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Действительное значение температуры находили, используя поправки на поглощение в стекле окна камеры. В предварительном эксперименте в образце, подобном исследуемым в данной работе, были сделаны три отверстия: одно ‒ модель АЧТ (такая же, как в основном эксперименте) и два на глубине 8 мм с торцевой поверхности по оси и на расстоянии 0.9 мм от центра. Последние два отверстия позволили рассчитать поправку для температуры, измеряемой моделями АЧТ, обусловленную подсветкой от внешнего нагревателя, и определить градиент температуры по радиусу экспериментального образца для оценки степени совершенства модели АЧТ [3].

Процедура подготовки и проведения эксперимента была одинакова для обоих образцов. Перед экспериментом измеряли их геометрические характеристики, затем взвешивали и отжигали. Образцы по очереди устанавливали горизонтально на подставке в камеру и заполняли ее гелием высокой чистоты. Далее юстировали местоположение образца, фотографировали в холодном состоянии и находили расстояние между центрами меток l₀. Нагрев образца осуществляли внешним нагревателем, выполненным также из графита.

При заданной скорости изменения температуры dT/dτ = 60 К/мин образец нагревали до температуры Т_max. Для контроля выполнения условия Т = const по длине образца измеряли действительную температуру в моделях АЧТ. На участке с постоянной температурой определяли относительное удлинение. Затем многократно (не менее 5 раз) фотографировали образец с периодом 5 мин. Предварительной обработкой фотографий устанавливали так называемое время выдержки t_delay, при котором расстояние между метками переставало изменяться (стабилизировалось). Это время составило более 30 мин. Фотографии, сделанные при t > ${{t}_{{delay}}}$ (не менее пяти фотографий при каждом значении Т_max), были в дальнейшем использованы для нахождения расстояния между метками ${{l}_{{{{T}_{{\max }}}}}}$ (стационарный тепловой режим). Далее образец охлаждали с заданной скоростью изменения температуры, выдерживали при Т = = 300 К в течение ${{t}_{{2\_delay}}}$ ≥ 30 мин и вновь фотографировали.

Определение геометрических размеров и массы образца до и после эксперимента позволяло контролировать отсутствие уноса материала в процессе многократного нагрева. Расстояние между метками измеряли при комнатной температуре перед началом и после каждого эксперимента при достижении максимальной температуры ${{T}_{{\max }}},$ при этом ${{l}_{0}} = {{l}_{{300\,\,{\text{К}}}}},$ а относительное удлинение ${{\Delta l} \mathord{\left/ {\vphantom {{\Delta l} {{{l}_{0}}}}} \right. \kern-0em} {{{l}_{0}}}}$ образца в нагретом состоянии рассчитывали в пикселях путем обработки фотографий в среде КОМПАС 3D. Расстояния ∆l и l₀ определяли по центрам меток, которые находили, используя три точки эллипса, вписанного в метку. Важно, что фотографирование проводили при неизменном фокусном расстоянии, а центр каждой метки рассчитывали по одинаковым точкам эллипса как в холодном, так и в нагретом состоянии. Для повышения точности нахождения центра каждого эллипса обработку фотографий выполняли не менее 5 раз и затем вычисляли среднее арифметическое значение.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Среднее значение термического коэффициента линейного расширения $\alpha $ рассчитывали по известной формуле [4, 5]

для каждого значения температуры T_max.

На рисунке приведены экспериментальные данные α графита марки МПГ-7 от температуры в диапазоне 1650‒2350 К для образцов 1 и 2. Экспериментальные точки можно аппроксимировать следующими функциями:

На рисунке видно, что образцы, вырезанные перпендикулярно и параллельно прессованию, имеют различные значения ТКЛР, причем у первого из них $\alpha $ существенно выше. Этот факт указывает на наличие у графита марки МПГ-7 анизотропии ТКЛР.

Сравнение температурной зависимости термического коэффициента линейного расширения графита марки МПГ-7 с литературными данными для традиционного мелкозернистого графита марки МПГ-6 свидетельствует об аналогичной тенденции изменения ТКЛР от температуры и уровня его значений для образцов с перпендикулярным и параллельным прессованием у графита марки МПГ-6. Анализ числовых значений ТКЛР графита марок МПГ-6 и МПГ-7 показал, что они различаются несущественно [4].

Зависимость среднего термического коэффициента линейного расширения графита различных марок от температуры. Графит: 1 ‒ МПГ-7 (образец вырезан перпендикулярно направлению прессования ‒ образец 1); 2 ‒ МПГ-7 (образец вырезан параллельно направлению прессования ‒ образец 2); 3 ‒ МПГ-6 (вырезан перпендикулярно плоскости прессования) [4]; 4 ‒ МПГ-6 (вырезан параллельно плоскости прессования) [4]; 5 ‒ DE-24 [1]; 6 ‒ ГИП-4 [2]

На рисунке также приведены зависимости $\alpha $ для изотропных изостатических марок графита ГИП-4 и DE-24.

Таким образом, можно сделать вывод, что графит всех указанных на рисунке марок имеет возрастающую от температуры зависимость α. Однако графит изотропных изостатических марок характеризуется более низкими значениями ТКЛР, чем МПГ-6 и МПГ-7, и отсутствием анизотропии. По-видимому, это связано с зависимостью ТКЛР от среднего размера зерна накопителя и малой пористости графита, изготавливаемого методом объемного изостатического прессования, в отличие от графита, получаемого методами прошивного прессования через мундштук и прессованием в “глухую” матрицу.

Это означает, что при эксплуатации изделий при высоких температурах графит марок ГИП-4 и DE-24 имеет существенное преимущество – меньший коэффициент линейного расширения по сравнению с традиционными конструкционными марками. Кроме того, отсутствие анизотропии ТКЛР создает возможность дополнительно экономить материал при изготовлении деталей.

Внедрение графита новых изотропных изостатических марок в теплоэнергетике может привести к повышению эффективности и увеличению срока службы высокотемпературных элементов конструкций.

Оценка полученных экспериментальных данных показала, что значение относительной расширенной неопределенности ТКЛР составляет U_0.95(α) ≈ 17% (нормальный закон распределения, коэффициент охвата k = 1.96) при температуре 1600 К и уменьшается при более высоких температурах.

ВЫВОДЫ

1. Мелкозернистый графит марок МПГ-7 и МПГ-6 обладает анизотропией ТКЛР в диапазоне температур 1650‒2350 К.

2. Изотропный изостатический графит марок ГИП-4 и DE-24 характеризуется меньшими значениями ТКЛР по сравнению с графитом традиционных конструкционных марок МПГ, что связано с зависимостью ТКЛР от среднего зерна наполнителя и плотности графита.

3. Использование мелкозернистого графита конструкционных марок МПГ нецелесообразно при изготовлении теплоэнергетического оборудования, поскольку он обладает анизотропией ТКЛР и довольно большими значениями коэффициента линейного расширения по сравнению с этим показателем для графита изотропных изостатических марок.