УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЯ

Полезная модель относится к обеспечению поддержания коррозионной стойкости металлической поверхности изделий, соприкасающихся с жидкометаллической средой и может быть использована в металлургии, химической промышленности, ядерной и традиционной энергетике.
Известен свинцовый стенд, позволяющий поддерживать коррозионную стойкость стальных изделий, контактирующих со свинцом и свинцово-висмутовой средой [Горынин И.В., Карзов Г.П., Марков В.Г. и др. Конструкционные материалы для энергетических установок с тяжелыми жидкими металлами в качестве теплоносителей // Сб. докладов конференции «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях.» В 2-х томах. T.1. Обнинск: ОНТИ ГНЦ РФ-ФЭИ, 1999. Стр. 128-135. Стенд включает герметичную петлю из труб, трубчатый нагреватель, устройство для контроля и поддержания концентрации кислорода в жидкометаллической среде, теплообменник, холодильник, кислородный массообменникк, расширительный и загрузочный баки, электромагнитный насос, кассеты с изделиями и другие конструктивные элементы.
Недостатком известного устройства является то, что в нем не обеспечен оптимальный процесс формирования защитного слоя из-за того, что не предусмотрено использование распределителя потока газа в области установки изделия и отсутствует вставка, формирующая защитное покрытие и являющаяся источником его металлического компонента.
Известно устройство для поддержания коррозионной стойкости стального циркуляционного контура [Патент РФ на изобретение №21000480 под названием «Способ поддержания коррозионной стойкости стального контура со свинецсодержащим теплоносителем». Приоритет от 18.03.1996 г. Зарегистрирован 27.12.1997 г.].
Недостаток известного устройства состоит в том, что образовавшееся покрытие имеет относительно высокую проницаемость для попадания элементов стали в расплав свинецсодержащей среды и проникновения кислорода внутрь стали, что приводит к образованию зоны внутреннего оксидирования.
Однако ни одно из перечисленных технических решений не является наиболее близким к заявляемому техническому решению.
Задача полезной модели заключается в создании устройства, позволяющего обеспечить на металлической поверхности изделия формирование покрытия с пониженной проницаемостью для элементов стали.
Технический результат состоит в продлении ресурса работы изделий с металлической поверхностью.
Для решения указанной задачи в составе устройства для создания защитного покрытия на металлической поверхности изделия предлагается: использовать герметичный контейнер с жидкометаллической средой, состоящий из корпуса с днищем и крышкой, герметичную емкость с газообразным азотом, впускную трубку, концы которой соединить, соответственно, с полостями емкости и впускного регулировочного вентиля, подводящую трубку, концы которой соединить, соответственно, с полостями впускного регулировочного вентиля и распределителя, отводящую трубку, концы которой сообщить с газовой полостью контейнера и полостью выпускного регулировочного вентиля, по меньшей мере, одну вставку, установленную под уровнем жидкометаллической среды с зазором относительно изделия, нагреватель, размещенный вдоль наружной поверхности корпуса контейнера;
- распределитель установить под уровнем жидкометаллической среды;
- положение перфорации на стенке распределителя обеспечить соответствующим проекции щелевого зазора, образованного образцом и вставкой, на днище контейнера. В частных случаях исполнения указанного устройства предлагается:
- полость контейнера и (или) емкости соединить с датчиками давления;
- вставку выполнить из циркония;
- в качестве жидкометаллической среды использовать свинец, обогащенный цирконием в пределах насыщения, а для насыщения использовать вставку, выполненную из циркония;
- в качестве жидкометаллической среды использовать сплав свинца с магнием, обогащенный цирконием в пределах насыщения, причем массу магния обеспечить соответствующей диапазону от 0,1 до 3% от общей массы жидкометаллической среды, а для насыщения использовать вставку, выполненную из циркония;
- в качестве жидкометаллической среды использовать сплав свинца с литием, обогащенный цирконием в пределах насыщения, причем массу лития обеспечить соответствующей диапазону от 0,5 до 0,8% от общей массы жидкометаллической среды, а для насыщения использовать вставку, выполненную из циркония;
- крышку контейнера выполнить съемной;
- устройство снабдить тягой, проходящей через уплотнительный узел на крышке контейнера и соединенной одним концом с изделием;
- при использовании в качестве жидкометаллической среды, имеющей плотность большую или равную плотности нитрида циркония (ZrN), распределитель расположить под вставкой и изделием;
- при использовании жидкометаллической среды, имеющей плотность меньшую плотности нитрида циркония (ZrN), распределитель расположить над вставкой и изделием;
- распределителю придать круглую, прямоугольную, П-образную, квадратную или треугольную форму, соответствующую форме щелевого зазора между вставкой и изделием;
- вставку выполнить в виде трубки, по меньшей мере, одной плоской или изогнутой пластины;
- изделие поместить внутрь вставки, выполненной в виде трубки, с образованием кольцевого зазора;
- изделие поместить между, по меньшей мере, двумя вертикальными плоскими вставками;
- изделие разместить в изотермическом участке контейнера;
- изделие выполнить из стали или железа армко.
Сущность полезной модели поясняется на фигуре 1. На фигуре 1 приняты следующими обозначения: 1 - впускная трубка; 2 - вставка; 3 - датчик давления; 4 - днище контейнера; 5 - емкость; 6 - жидкометаллическая среда; 7 - изделие; 8 - клапан; 9 - корпус контейнера; 10 - крышка контейнера; 11 - нагреватель; 12 - отводящая трубка; 13 - подводящая трубка; 14 - распределитель; 15 - регулирующий вентиль впускной; 16 - регулирующий вентиль выпускной; 17 - тяга; 18 - уплотнительный узел.
Устройство для создания защитного покрытия на металлической поверхности изделия состоит из герметичного контейнера с жидкометаллической средой 6, герметичной емкости 5 с газообразным азотом, подводящей 13, отводящей 12 и впускной 1 трубок, распределителя 14, по меньшей мере, одной вставки 2, впускного 15 и выпускного 16 регулирующих вентилей и нагревателя 11.
Контейнер состоит из корпуса 9 с днищем 4 и крышкой 10.
Концы впускной трубки 1 соединены, соответственно, с полостями емкости 5 и впускного регулировочного вентиля 15.
Концы подводящей трубки 13 соединены, соответственно, с полостями впускного регулирующего вентиля 15 и распределителя 14.
Концы отводящей трубки 12 сообщены с газовой полостью контейнера и полостью выпускного регулирующего вентиля 15.
Вставка 2 в виде трубки установлена под уровнем жидкометаллической среды 6 с зазором относительно изделия 7. Вставка 2 выполнена из циркония.
Нагреватель 11 размещен вдоль наружной поверхности корпуса 9 контейнера.
Распределитель 14 установлен под уровнем жидкометаллической среды, выполнен из стали 10Х18Н10Т.
Положение перфорации на стенке распределителя 14 соответствует проекции щелевого зазора, образованного изделием 7 и вставкой 2, на днище 4 контейнера.
В частных случаях выполнения устройства предусмотрено следующее.
Полости контейнера и (или) емкости 5 соединены с датчиками давления 3 - в виде преобразователей избыточного давления «САПФИР» 22М-ДИ, в области давлений 0,01-0,6 МПа с использованием компьютерной регистрация давления.
В качестве жидкометаллической среды 6 использованы:
- во-первых, свинец, обогащенный цирконием в пределах насыщения;
- во-вторых, сплав свинца с магнием, обогащенный цирконием в пределах насыщения, причем массу магния обеспечивают соответствующей диапазону от 0,1 до 3% от общей массы жидкометаллической среды;
- в-третьих, сплав свинца с литием, обогащенный цирконием в пределах насыщения, массу лития обеспечивают соответствующей диапазону от 0,5 до 0,8% от общей массы жидкометаллической среды.
Во всех трех случаях для насыщения используют вставку, выполненную из циркония.
Крышку 10 контейнера выполняют съемной.
Устройство снабжено тягой 17, проходящей через уплотнительный узел 18 на крышке 10 контейнера и соединенной одним концом с изделием 7.
При использовании в качестве жидкометаллической среды 6, имеющей плотность большую или равную плотности нитрида циркония (ZrN), распределитель 14 расположен под вставкой 2 и изделием 7 с целью обеспечения потока нитрида циркония в зазоре, между вставкой 2 и изделием 7 снизу вверх.
При использовании жидкометаллической среды 6, имеющей плотность меньшую плотности нитрида циркония, распределитель 14 расположен над вставкой 2 и изделием 7 с целью обеспечения потока нитрида циркония в зазоре, между вставкой 2 и изделием 7 сверху вниз.
Распределитель 14 имеет круглую, прямоугольную, П-образную, квадратную или треугольную формы, соответствующие форме щелевого зазора между вставкой 2 и изделием 7.
Вставка 2 выполнена в виде трубки, или, по меньшей мере, одной плоской или изогнутой пластины.
Изделие 7 помещено внутрь полости вставки 2, выполненной в виде трубки, с образованием кольцевого зазора.
Изделие 7 помещено между, по меньшей мере, двумя вертикальными плоскими вставками 2.
Изделие 7 размещено в изотермическом участке контейнера с целью формирования равномерной толщины покрытия на поверхности изделия 7.
Изделие 7 выполнено из стали, железа армко.
Устройство работает следующим образом.
Компоненты металлов, предназначенные для формирования жидкометаллической среды 6, вставку 2 и изделие 7 помещают в соответствующие места в полости контейнера.
Обеспечиваем возможность свободного перемещения изделия 7.
Крышку контейнера 10 герметично соединяют с корпусом 9 контейнера.
Открывают выпускной регулирующий вентиль 16.
Через выпускную трубку 1 полость контейнера вакуумируют.
Закрывают выпускной регулирующий вентиль 16.
Контейнер разогревают с помощью нагревателя 11 до температуры создания защитного покрытия на металлической поверхности изделия 7.
Изделие 7 с помощью тяги 17 через уплотнительный узел 18 опускают под уровень жидкометаллической среды 6.
Открывают впускной регулирующий вентиль 15.
Из емкости 5 через впускную трубку 1 с помощью впускного регулирующего вентиля 15 подают газообразный азот в подводящую трубку 13.
Избыточное давление азота в контейнере снижают с помощью клапана 8.
Изделие 7 выдерживают под уровнем жидкометаллической среды 6 в течение времени не менее 24 часов.
Изделие 7 с помощью тяги 17 через уплотнительный узел 18 поднимают над уровнем жидкометаллической среды 6.
Нагреватель 11 отключают и контейнер охлаждается до температуры 20 С.
Крышку 10 контейнера отделяют от корпуса 9 контейнера.
Изделие 7 извлекают из полости контейнера, а остатки жидкометаллической среды 6 удаляют с поверхности изделия 7 в расплаве натрия при температуре 120-400 С.
В результате получаем на металлической поверхности изделия защитное покрытие
Пример конкретного выполнения устройства первого типа
Устройство первого типа имеет следующие основные характеристики.
Корпус 9 контейнера выполнен из сплава ЦМ-2А и имеет диаметр 0,05×0,005 м и высоту 0,1 м.
Крышка 10 контейнера выполнена в виде емкости с отверстием в нижней части для подсоединения контейнера из стали 10Х18Н10Т, имеет диаметр 0,6×0,005 м и высоту 0,8 м и диаметр отверстия 0,06 м.
Днище 4 контейнера выполнено из стали 10Х18Н10Т, имеет диаметр 0,05 и толщину 0,005 м.
Нагреватель 11 имеет мощность 1 кВт, выполнен из нихрома ⌀=2 мм и изолирован от теплообмена с внешней средой шамотным кирпичом.
3
Емкость 5 с газообразным азотом представляет собой баллон с объемом газа 6,4 м, который работает под давлением до 15 МПа.
2
2
Газообразный азот изготовлен в соответствии с ГОСТ 9293 - 74 (N≥99,98% об, O≤0,013% об, водяной пар ≤0,004% об). Содержание азота в жидкометаллической среде 6 составляет 0,0001 атомных долей.
Подводящая трубка 13 изготовлена из стали 10Х18Н10Т имеет диаметр 8×2,5 мм.
Вставка 2 изготовлена из листового циркония марки Э110 с содержанием ниобия 1%, кислорода <0,16% и установлена с зазором равным 0,005 м относительно изделия 7. Масса вставки 2 составила 6,2 г.
Перфорация стенки распределителя 14 представляет собой систему равномерно распределенных по поверхность круглых отверстий диаметром 1 мм пористостью 20%.
Впускная трубка 1 изготовлена из стали 10Х18Н10Т, имеет диаметр ⌀=8×2,5 мм.
Регулировочные впускной 15 и выпускной 16 вентили игольчатого типа выполнены из стали 10Х18Н10Т.
Отводящая трубка 12 изготовлена из стали 10Х18Н10Т и имеет диаметр ⌀=12×2,5 мм.
Тяга 17 изготовлена из стали 10Х18Н10Т в виде каретки, перемещающейся вдоль опор диаметром 16 мм и соединенной с сильфонным вводом.
Уплотнительный узел 18 представляет собой сильфон, сжимающийся или удлиняющийся при вращении рукоятки и, соответственно, способствующий перемещению тяги 17.
Защитное покрытие формировали в устройстве первого типа одновременно на поверхности нескольких изделий из стали 16Х12ВМСФБР в жидкометаллической среде 6 в виде свинца.
-5
3
2
Использовали предварительно очищенный от металлических примесей свинец (снятием шлаков при выдержке в течение 2 часов на воздухе) марки С1 ГОСТ 3778-77 (Pb-99,985% мас.), (Ag-0,001, Cu-0,001, Zn-0,001, Bi-0,006, As-0,0005, Fe-0,001, Sb-0,0005, ∑(Mg, Ca, Na) - 0,002). Содержание железа по данным химико-спектрального анализа в свинце, очищенном от металлических примесей составило 0,0012% мас., содержание хрома - менее 5·10% массовых. Плотность свинца при температуре 700°С составляет 10210 кг/м, поверхностное натяжение - 422,13 мДж/м.
Вставка 2 выполнена из листового циркония марки Э110 с содержанием Nb 1%, O<0,16%.
Концентрацию насыщения атомов циркония поддерживают с помощью двух плоских вставок 2 из циркония, установленных под уровнем жидкометаллической среды 6 с зазором 5 мм относительно изделия 7.
Распределитель 14 имеет П-образную форму.
Расход азота через распределитель 14 составляет 3 мг/с.
Контейнер разогревают с помощью нагревателя 11 до рабочей температуры (до 700°С), затем с помощью тяги 17, перемещаемой через уплотнительный узел 18, погружают изделие 7 под уровень жидкометаллической среды 6 между вставкой 2 и распределителем 14 и выдерживают при рабочей температуре в течение времени 200 часов.
Контейнер охлаждается естественной теплопередачей до 20°С, вскрывают крышку контейнера 10 изымают изделие 7 из него.
Остатки свинца с поверхности изделия 7 после формирования покрытия удаляют при 300°С в расплаве натрия, очищенного методом холодной ловушки от кислорода до уровня его содержания 2-5 мг/кг.
Проводят гравиметрический анализ изделия 7.
2
3
3
4
Потеря массы изделия 7 во времени испытаний в присутствии вставки 2 из циркония меньше, чем при испытаниях изделия 7 без вставки 2 (фиг.2). На фиг.2 представлены результаты испытаний изделия 7 при следующих условиях: масса свинца - 0,82 кг, цирконий в пределах растворимости, длительность испытания 10-200 ч, температура свинца - 700°С, давление азота во впускной трубке 1-0,1 МПа. На поверхности изделия 7 рентгеноструктурным анализом идентифицированы соединения FеО, FеO. Покрытие имеет черный цвет.
Пример конкретного выполнения устройства второго типа
Устройство второго типа отличается от устройства первого типа тем, что в качестве жидкометаллической среды используют сплав свинца с магнием, обогащенный цирконием в пределах насыщения, причем масса магния соответствует диапазону от 0,1 до 3% от общей массы жидкометаллической среды, а насыщение обеспечивает вставка, выполненная из циркония.
3
3
При этом свинец имеет те же характеристики, что и в устройстве первого типа. Магний металлический Мг-90 «Чушка» соответствует ГОСТ 894-93. Плотность магния при температуре плавления 650 С составляет 1,572·10 кг/м.
Листовой цирконий марки Э110 содержит 1% ниобия и менее 0,16% кмслорода.
3
3
2
Плотность эвтектического сплава свинец-17% атомных магния при температуре 700°С составляет 9,13·10 кг/м. Поверхностное натяжение эвтектического сплава свинец - 17% атомных магния при температуре 700°С составляет 424 мДж/м.
Толщина вставки 2 составляет 0,3 мм.
Масса свинца составляет 0,8 кг, масса магния - 0,02 кг.
Температура жидкометаллической среды 6 в рабочем состоянии составляет 600-800°С.
Азот подавали через распределитель 14, расположенный под вставкой 2 и изделием 7.
При превышении давления азота в контейнере 0,3 МПа открывают впускной регулирующий вентиль 16 и удаляют избыточный азот через отводящую трубку 12 вакуумированием.
Материалы изделий 7 из металлов, на которых формируется защитное покрытие, представлены в таблице 1.
Распределитель 14 имеет круглую форму.
Расход азота через распределитель 14 составляет 3 мг/с.
Перфорация стенки распределителя 14 представляет собой систему равномерно распределенных по поверхности круглых отверстий диаметром 1 мм пористостью 20%.
Время выдержки изделия 7-24 ч.
Контейнер разогревали с помощью нагревателя 11 до температуры формирования покрытия 700°С.
Остатки жидкометаллической среды 6 с поверхности изделия 7 после формирования покрытия удаляли в расплаве натрия, очищенного методом холодной ловушки от кислорода до уровня содержания кислорода 2-5 мг/кг при 350°С.
Проводили гравиметрический анализ изделия 7.
2
Например, при испытании в течение 10 ч масса изделия 7 из стали 16Х12ВМСФБР, выдержанного в жидкометаллической среде 6, состоящей из 0,8 кг свинца, 0,02 кг магния, при наличии вставки и при давлении азота 0,1-0,3 МПа во впускной трубке 1 практически оставалось неизменной и находилась в пределах точности гравиметрии. Вместе с тем при отсутствии вставки в жидкометаллической среде 6 потеря массы изделия 7 достигала 0,1 кг/м (фиг.3).
На поверхности изделия 7 рентгеноструктурным и микрорентгеноспектральным анализами идентифицирован нитрид циркония (ZrN). Покрытие имеет золотистый оттенок. Толщина покрытия после испытаний составила менее 1 мкм.
Пример конкретного выполнения устройства третьего типа
Устройство третьего типа отличается от устройства первого типа по следующим позициям.
Во-первых, в качестве жидкометаллической среды 6 используют сплав предварительно очищенных от металлических примесей свинца с литием. При этом свинец имеет те же характеристики, что и в устройстве первого типа. Литий соответствует ГОСТ 8774-75 после очистки от примесей методом холодной ловушки.
Во-вторых, конструкцией отдельных элементов устройства:
- корпус 9 контейнера выполнен из стали 10Х18Н10Т и имеет диаметр 0,05×0,005 м и высоту 0,18 м;
- крышка 10 контейнера выполнена в виде круга из стали 10Х18Н10Т, имеет диаметр 0,06 м и толщину 0,005 м;
- днище 4 контейнера выполнено из стали 10Х18Н10Т, имеет диаметр 0,05 и толщину 0,005 м;
- тяга 17 выполнена из прутка ⌀ 6 мм;
- уплотнительный узел 18 имеет внутренний ⌀ 8 мм, уплотняющую прокладку из тефлона.
3
2
Плотность Li при температуре 650 С составляет 415,6 кг/м, а его поверхностное натяжение при 650 - 338,8 мДж/м.
Покрытие формировали при температуре 650 С в эвтектическом сплаве, содержащем 0,83 атомных долей свинца и 0,17 атомных долей лития (0,6% мас) (соответственно, 800 г и 5,5 г) в течение 200 ч.
Масса вставки 2 составила 1,0021 г.
-5
Содержание циркония в сплаве после формирования защитного слоя менее 10массовых долей.
-3
3
Увеличение массы сталей 16Х12ВМСФБР составило 4·10 кг/м. Толщина покрытия после испытаний составила менее 1 мкм.
Цирконий, внедряясь в поверхность металлов, залечивает дефекты, образовавшиеся в результате выхода компонентов металлов в жидкометаллическую среду.
Наилучшие результаты достигнуты при использовании в качестве жидкометаллической среды эвтектического сплава - свинец-магний.
Таблица 1.
Геометрия изделий и химический состав исходных материалов при изотермических условиях формирования покрытий.
Марка
Геометрия изделий, размеры
Содержание элементов, % мас.
Примечание
С
Si
Mn
Cr
Ni
Nb
Mo
Х13М2С2
Плоские разрывные изделия, длина 51 мм
0,1-0,15
1,4-2,1
0,3-0,6
12-14
0,3
1,2-2,0
Диск ⌀ 13 мм
0,14
1,92
0,37
13,13
0,25
1,66
16Х12ВМСФБР
Плоские разрывные изделия, длина 51 мм
0,16
1,29
0,7
10,85
0,71
0,31
0,8
V=0.32%, W=0,69%, В=0,06%, Се=0,1%
Кольцевые изделия ⌀ 12×0,4
0,18
1,05
0,67
11
0,75
0,34
0,75
V=0,33, N=0,04, B=0,004, Al=0,03, W=0,69, Ti=0,03, Ce=0,01 (по расчету), S=0,008, P=0,012
ЭП302 электро-полированные
Кольцевые изделия l=2 мм, ⌀ 12×0,35
0,1
2,69
0,52
15,13
8,4
0,83
Fe-армко
Плоские разрывные изделия, длина 51 мм
0,07
0,19
0,2
0,37
Fe-армко
Диск ⌀ 13 мм
0,05
0,02
0,02