ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 1, с. 54-57
УДК 620.172
ИЗУЧЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНОГО
УДЛИНЕНИЯ ГРАФИТА МАРКИ DE-24 ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИХ ТЕРМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ © 2015 г. А. В. Костановский, М. Г. Зеодинов, М. Е. Костановская, А. А. Пронкин
Учреждение Российской академии наук Объединенный институт высоких температур РАН, Москва
E-mail: Kostanovskiy@gmail.com Поступила в редакцию 20.03.2014 г.
Представлены результаты экспериментального исследования стабильности относительного удлинения при циклических термических нагрузках в диапазоне изменения температуры 1200—2340 К для изостатического изотропного графита марки БЕ-24.
DOI: 10.7868/S0040364415010135
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время широкое распространение получают новые марки графитов, такие как изотропные изостатические графиты, свойства которых известны в основном при комнатной температуре. Ранее [1—3] экспериментально были изучены зависимости теплопроводности, удельного электрического сопротивления и интегральной полусферической излучательной способности от температуры Т графита марки ЭЕ-24 в области Т= = 2300—3300 К. Задача определения среднего термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) при температурах Т > 1500 К связана с поиском новых методов измерения относительного удлинения. Известно, что наличие температурных градиентов на концах экспериментального образца [4] может приводить к возникновению методической ошибки при определении относительного удлинения по перемещению торцов. Кроме того, измерение температуры образца с использованием модели абсолютно черного тела (АЧТ) на длине, где измеряется относительное удлинение, может приводить к методической ошибке. Цель данной работы состоит в изучении стабильности относительного удлинения в зависимости от числа циклов нагрева и определении ТКЛР графита ЭЕ-24. Во-первых, предлагается определять относительное удлинение не на всем образце, а на участке, где выполняется изотермическое приближение. Во-вторых, измерять действительную температуру образца моделями АЧТ, расположенными вне участка, на котором определяется удлинение. В-третьих, использовать метки в форме сквозных цилиндрических отверстий. Эксперименты проведены в интервале изменения температуры Т = 1200—2340 К.
ЭКСПЕРИМЕНТ
На рис. 1 приведена принципиальная схема установки, основными элементами которой являются образец 1, нагреватель 2, экраны 3, газовакуумная камера 4 и диагностическая система 5-9. Нагреватель представляет собой полый цилиндр, изготовленный из графита марки МПГ-7, общей длиной 150 мм и диаметрами d/D = 12.0/16.0 мм на рабочей длине 90 мм. В центральной части нагревателя на передней образующей выполнены два прямоугольных отверстия длиной 4.5 мм и высотой 3 мм, через которые проводятся измерения температуры и удлинения. На противоположной образующей нагревателя просверлены два отверстия, которые используются при определении удлинения. Отношение рабочей длины нагревателя к его внутреннему диаметру (90 мм/12.0 мм) разрешает получить на экспериментальном образце изотермическое поле длиной 10—15 мм. Источник питания постоянного тока обеспечивает заданную скорость нагрева и охлаждения исследуемого образца, а также необходимое время выдержки при максимальной температуре. Потребляемая мощность нагревателя не превышает 18 кВт. Система диагностики для измерения удлинения включает в себя фотокамеру Sony NEX 5N 8, оптический тубус 7 и объектив Гранит 11Н 6. В фотокамере используется матрица CMOS APS-C размером 23.5 х х 15.6 мм, общее число пикселей 16.7 х 106. Шкала чувствительности (при эквиваленте ISO 100 с использованием объектива F 2.8) EV: 0—20.
Исследуемый образец 1 представляет собой стержень диаметром 5.9 мм и длиной 25.0 мм. Образец помещается горизонтально на специально изготовленный держатель, который выполнен из графита марки ГИП-4. Держатель устанавливает-
ся в области изотермического участка нагревателя в "одной точке" — на ножке с резьбовым соединением, что минимизирует возможность прохождения электрического тока по экспериментальному образцу. Для измерения температуры были использованы две цилиндрические полости диаметром 0.8 мм и глубиной 4.5 мм (модель АЧТ), выполненные на расстоянии 11.9 мм друг от друга.
Измерение температуры образца проводится через окно камеры автоматическим микропирометром, у которого диаметр пятна визирования равен 0.4 мм и рабочая длина волны составляет 0.65 мкм. При определении действительной температуры вводятся поправки на поглощение в стекле окна камеры и в призме, учитывается совершенство геометрических размеров модели АЧТ.
Предварительный эксперимент позволил определить длину изотермического участка на экспериментальном образце. Для этого был использован пробный образец, материал и размеры которого совпадали с экспериментальным образцом. В пробном образце было просверлено пять цилиндрических полостей: два — в центре на расстоянии 3 мм и еще пара — на расстоянии 6 мм от центра. Диаметр отверстий составлял 1.0 мм, глубина ~5 мм. Цилиндрические полости использовались для определения распределения температуры по длине пробного образца. Данный эксперимент показал, что в диапазоне изменения температуры 1200—2400 К на длине 10 мм перепад температуры не превышает 2—3 К (соизмеримо с чувствительностью используемого пирометра). На основе этих результатов на экспериментальном образце были просверлены два сквозных отверстия диаметром 1.0 мм на расстоянии 10 = 7.98 мм, которые являлись метками при определении относительного удлинения. Отметим, что в качестве меток использовались не насечки или глухие отверстия, а сквозные цилиндрические отверстия, контрастность которых возрастала при увеличении температуры. Предложенное расположение меток и моделей АЧТ позволило вынести отверстия для измерения температуры из участка, на котором определялось относительное удлинение. При этом расстояние между метками и моделями АЧТ выбиралось так, чтобы минимизировать их термическое влияние друг на друга [5].
Перед экспериментом каждый образец подвергался следующим операциям: микрометром (цена деления 10 мкм) измерялся диаметр в центральной части и на концах; микроскопом, установленным на подвижном столике с микрометрическим винтом (цена деления — 5 мкм), на одной образующей стержня определялось расстояние между внутренними и наружными точками двух меток; проводилось взвешивание на весах (погрешность — 0.01 г); затем образец отжигался при температуре 2500 К в течение 30 минут [6]. После отжига повторно определялись размеры образца,
Рис. 1. Принципиальная схема измерения относительного удлинения и температуры образца: 1 — образец, 2 — нагреватель, 3 — экраны, 4 — камера установки, 5 — призма, 6 — объектив, 7 — оптический тубус, 8 — фотокамера, 9 — пирометр.
производилось его взвешивание и фотографирование. Затем образец устанавливался в камеру, которая заполнялась гелием высокой чистоты, юстировалось местоположение образца, производилось фотографирование в холодном состоянии и определялось расстояние между центрами меток l0. При заданной скорости изменения температуры dT/dx = 60 К/мин образец нагревался до температуры Тмакс. Измерялась действительная температура в моделях АЧТ, что позволяло контролировать выполнение условия Т = const на длине, где проводилось определение относительного удлинения. Затем образец многократно (n < 5 раз) фотографировался с периодом 5 минут. Предварительной обработкой фотографий определялось время, при котором стабилизировалось расстояние между метками — время выдержки ?1в > 30 мин. Фотографии, сделанные при t > ?1в, n = 5, являлись в дальнейшем основой для нахождения расстояния между метками lT Далее образец охлаждался с заданной скоростью изменения температуры, выдерживался при Т = 300 К в течение > 30 мин. Циклы нагрев/охлаждение повторялись. После окончания серии из десяти циклов N = 1—10 при температуре Т = 300 К вновь определялось расстояние между метками и измерялись диаметр и вес образца. Определение геометрических размеров и веса до и после эксперимента позволяло контролировать отсутствие уноса материала в процессе многократного нагрева.
Расстояние между метками при комнатной температуре перед началом эксперимента l0, относительное удлинение Al/l0 образца в нагретом состоянии определялись при обработке фотографий. Расчет величин Al = lT — l0 и l0 проводился в пикселях. Фотографии готовились в среде Photoshop. Обработка фотографий осуществлялась в среде КОМПАС 3D. Использовался вариант определения расстояния Al и l0 по центрам меток,
56
КОСТАНОВСКИЙ и др.
л/0
0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002
Ü_<!_а___
0 1 2 3 4 5
6 7 8 9 10 N
Рис. 2. Зависимость относительного удлинения от числа циклов нагрева при Т = 1220 К: среднее значение относительного удлинения Д/Д) = 0.0043, относительная расширенная неопределенность и0 ^(Д/Д}) = 22% (равномерный закон распределения, коэффициент охвата к = 1.65).
А///с 0.009
0.008
0.007
0.006
0.005
0 1 2 3 4 5
6 7 8 9 10 N
Рис. 3. Зависимость относительного удлинения от числа циклов нагрева при Т = 1646 К: Д///0 = 0.0068, и0 95(Д///0) = 13% (к = 1.65).
которые находились по трем точкам вписанной в метку окружности. Важно, что все фотографии делались при неизменном фокусном расстоянии, а определение центра каждой метки проводилось по одинаковым точкам окружности как в холод-
ном, так и горячем состояниях. Для повышения точности определения центра каждой окружности обработка фотографий проводилась не менее пяти раз.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты определения относительного удлинения А///0 = (Т — /0)//0 представлены в относительных единицах в зависимости от порядкового номера цикла нагрева N (рис. 2—5). Диапазон исследуемых температур составляет 1220—2340 К, неопределенность значений температуры не превышает 5 К.
Анализ приведенных на рис. 2—5 данных позволяет сделать следующий вывод: при изменении числа циклов N = 1—10 нагрева до температуры Тмакс в пределах указанной величины относительной расширенной неопределенности среднее значение относительного удлинения А///0 можно считать величиной постоянной. Это означает, что
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.