Состав термомеханического элемента для клапана подачи воды

Изобретение относится к составу и способу изготовления термочувствительного керамического элемента теплового замка для устройства подачи воды в случае аварии высокотемпературного реактора. Для изготовления термочувствительного керамического элемента готовят шихту, содержащую следующие компоненты, масс.%: оксид ванадия V 85,32-90,06, оксид магния 4,68-4,94, добавку (натровый бентонит) 5-10, которая является пластификатором и активатором спекания. Шихту увлажняют, из полученного пресс-порошка формуют изделия и обжигают для получения прочной керамики, содержащей эвтектическую смесь оксида ванадия, оксида магния и активатора спекания. Такой состав шихты и использование при получении пресс-порошка вяжущих свойств системы “вода-натровый бентонит” позволяет получать прочные керамические заготовки и спеченные керамические термоэлементы требуемого качества c высокой прочностью в интервале температур от 20 до 600°С и имеющие свойство резкого перехода в вязко-пластичное состояние выше температуры 600°С. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 пр.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к составу актюатора для теплового замка устройства аварийного охлаждения высокотемпературных реакторов, предназначенного для снижения температуры поверхности продуктов взаимодействия расплава, вытекающего из разрушенного реактора, и конструкционных материалов. Актюатор (актуатор) - это устройство системы автоматического управления или регулирования, воздействующее на процесс в соответствии с получаемой командной информацией. В спринклерных устройствах для повышения надежности и скорости срабатывания функции актюатора как датчика температуры и как исполнительного устройства, открывающего подачу воды, совмещают в одном конструкционном элементе. В настоящее время для низко-температурных спринклеров (с температурой срабатывания до 260°С) в качестве термочувствительного элемента применяется стеклянная колба, наполненная легкокипящей жидкостью, либо легкоплавкий замок [а.с. 955957, 1366163, 2053824], либо тепловой замок, состоящий из фиксатора клапана, выполненного из хрупкого материала, и средства для разрушения фиксатора, выполненного, чаще всего, из материала с эффектом памяти формы (а.с. 1323117, 1155274, 797705, 1052241, 1261676]. Указанные материалы должны разрушаться при заданной температуре, а продукты разрушения не должны препятствовать вытеканию воды.

Недостатком перечисленных материалов в случае их использования для теплового замка с температурой срабатывания более 500°С является то, что перечисленные материалы не работоспособны при высоких температурах, которые по расчетам требуются в системах безопасности высокотемпературных реакторов. Исходя из известных требований к материалу теплового замка, в случае, если температура срабатывания должна быть выше 500°С, то в этом случае можно использовать только оксиды. Из всего многообразия оксидных систем для температурного диапазона от 500 до 700°С вышеперечисленным требованиям удовлетворяет только бинарная система MgO-V₂O₅, в которой можно подобрать составы с требуемой температурой срабатывания. Ранее предлагалось использовать в устройстве локализации расплава ядерного реактора типа ВВЭР клапан подачи воды, в котором в качестве термомеханического элемента использовался керамический диск из эвтектической смеси системы MgO-V₂O₅ [Удалов Ю.П., Соловейчик Э.Я., Сидоров А.С.Функциональная керамика для термомеханического элемента исполнительного устройства. Известия СПбГТИ(ТУ), №19(45), 2013, с. 16-18]. В этом исследовании керамический диск изготавливали по следующей технологии: навеску порошков в соотношении, отвечающей эвтектической смеси (MgO-5,2 масс. %, V₂O₅ - 94.8%), помещали в вибромельницу и производили помол в течение 1 часа. Затем полученный порошок смешивали с 10% водным раствором поливинилового спирта (массовое соотношение порошка: водный раствор - 9:1), прессовали в виде таблеток диаметром 4 см и высотой 0,5 см при удельном давлении 70МПа. Полученные таблетки обжигали при температуре 500°С в течение 1 часа. Полученные керамические диски имели объемную плотность около 1,94±0,35 г/см и прочность при сжигании 12,5±1,5 МПа.

Техническое решение по прототипу [Удалов Ю.П., Соловейчик Э.Я., Сидоров А.С. Функциональная керамика для термомеханического элемента исполнительного устройства. Известия СПбГТИ (ТУ), №19(45), 2013, с. 16-18] имеет следующие недостатки:

- При прессовании пресс-порошка, состоящего из оксидов ванадия, оксида магния и водного раствора поливинилового спирта не удается получить сырьевые заготовки достаточной механической прочности и однородной плотности. Прочность сырьевых заготовок составляет всего 0,5±0,3 МПа. В результате края цилиндрической таблетки имели значительные сколы и трещины. Обращаться с такими заготовками приходилось чрезвычайно осторожно. Плотность заготовок находилась в пределах 1,56-4,80 г/см³. - После обжига заготовок с большими колебаниями исходной плотности линейные размеры обожженной керамики также имели значительные отклонения размеров от средних значений: по диаметру 55±10 мм, по высоте 18±2 мм.

Указанные недостатки делают невозможным промышленное производство высокотемпературных термомеханических элементов по составу и технологии, предложенным в исследовании [Удалов Ю.П., Соловейчик Э.Я., Сидоров А.С.Функциональная керамика для термомеханического элемента исполнительного устройства. Известия СПбГТИ (ТУ), №189(45), 2013, 16-18].

Сущность изобретения

В данном изобретении для повышения прочности и пластичности керамической прессованной заготовки изготавливали сырьевую смесь на основе двух компонентов: первый компонент - смесь оксида ванадия V₂O₅ и оксид магния MgO в эвтектическом соотношении и второй компонент пластификатор-активатор спекания, в качестве которого использовали натровый бентонит. Содержание в сырьевой смеси первого компонента (эвтектической смеси оксидов) от 85,32 до 90,06 мас. %, а содержание второго компонента (натрового бентонита) от 5 до 10 мас. %. Компоненты сырьевой смеси предварительно высушивали при температуре не выше 150°С до содержания остаточной влаги не выше 0,05%, а при измельчении достигается размер частиц шихты в интервале от 16 до 30 мкм, после помола сырьевую смесь выдерживали в воздушной среде с регулируемой влажностью от 80 до 100%, чтобы натровый бентонит сорбировал влагу и приобрел пластичность, прессование осуществляли при давлении 20 МПа, а обжиг проводили при температуре 630°С с выдержкой при максимальной температуре 3 часа и достижения плотности керамической заготовки 1,94±0,35 г/см³.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Для исследования свойств трехкомпонентных образцов, включающих оксид ванадия, оксид магния и натровый бентонит, были изготовлены смеси в соотношении с таблицей 1.

Свойства сырьевых заготовок и обожженных термомеханических элементов представлены в таблице 2.

Пример 1 Шихта для приготовления керамических образцов содержит: оксид ванадия V 90,06 масс. %;

оксид магния 4,94 масс. %;

натровый бентонит 5,0 масс. %.

Компоненты шихты высушивали в камерном сушиле при температуре 150°С в течение 48 часов. Затем загружали в вибромельницу со стальными шарами и подвергали помолу в течение 30 минут. Затем сухой порошок отделяли от шаров, рассыпали на стальном поддоне слоем, не толще 5 мм, и помещали в камеру с регулируемой влажностью от 80 до 90 отн. % при температуре от 18 до 22°С на 24 часа. В результате натровой бентонит сорбировал влагу и приобрел пластичность. После этого порошок прессовали в стальной прессформе при давлении 20 МПа. Отпрессованные таблетки загружали на керамическую подставку и ставили в камерную электрическую печь. Скорость подъема температуры составила 5 град/мин. Выдержка при максимальной температуре 630°С составляла 3 часа. Затем печь отключалась и охлаждалась до комнатной температуры. Плотность и размеры полученных керамических образцов представлены в таблице 2 для состава №2.

Пример 2 - по прототипу. Характеристики полученных керамических образцов приведены в таблице 2 для образца №1.

Приведенные в примерах и таблице 2 результаты показывают, что шихта на основе оксида ванадия с добавкой натрового бентонита позволяет получить керамические изделия требуемой плотности стандартными технологическими приемами. Установлено, что помол шихты необходимо производить до среднего размера зерен менее 30 мкм. Кроме того показано, что пластифицирующие свойства натрового бентонита позволяют применять в качестве смазки сорбирующие пары воды, что одновременно обеспечивало достаточную пластичность порошка при прессовании и прочность опрессованных изделий на уровне 10 МПа.

Таким образом, предлагаемое изобретение обладает признаками полезности и достаточно легко реализуется с помощью стандартного керамического оборудования.

1. Двухкомпонентная шихта для получения керамического актюатора теплового замка клапана подачи воды в высокотемпературный реактор, включающая в качестве первого компонента смесь оксида ванадия V и оксида магния в эвтектическом соотношении и в качестве второго компонента - вещество с функциями пластификатора и активатора спекания, отличающаяся тем, что в качестве такого вещества используется натровая модификация бентонита при следующем соотношении компонентов, мас.%:

оксид ванадия V	85,32-90,06
оксид магния	4,68-4,94
натровый бентонит	5-10

2. Способ получения керамического актюатора для клапана подачи воды устройства локализации расплава активной зоны ядерного реактора, включающий приготовление смеси следующих компонентов: оксид ванадия и оксид магния, взятые в эвтектическом соотношении, и пластификатор-активатор спекания, помол указанной смеси, прессование заготовок и обжиг, отличающийся тем, что компоненты шихты по п. 1 предварительно высушиваются при температуре не выше 150°С до содержания остаточной влаги не выше 0,05%, а при измельчении достигается размер частиц шихты в интервале от 16 до 30 мкм, после помола сырьевую смесь выдерживают в воздушной среде с регулируемой влажностью от 80 до 100%, чтобы натровый бентонит сорбировал влагу и приобрел пластичность, прессование осуществляют при давлении 20 МПа, а обжиг проводят при температуре 630°С с выдержкой при максимальной температуре 3 часа.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что шихту выдерживают в воздушной среде с регулируемой влажностью от 24 до 48 часов.

4. Способ по п. 2 или 3, которым получают керамический материал с плотностью от 1,9 до 2,0 г/см³.