СОСТАВ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ КЛАПАНА ПОДАЧИ ВОДЫ
COMPOSITION OF A THERMOMECHANICAL ELEMENT FOR A WATER SUPPLY VALVE

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.
2
5
2
5
2
5
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-VO, 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-VO [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. %, VO - 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:
3
- 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/см. - 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
2
5
3
В данном изобретении для повышения прочности и пластичности керамической прессованной заготовки изготавливали сырьевую смесь на основе двух компонентов: первый компонент - смесь оксида ванадия VO 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/см.
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.