ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 5, с. 714-717
УДК 536.423.1
ПРОНИЦАЕМОСТЬ И РАСТВОРИМОСТЬ ВОДОРОДА В СВИНЦОВО-ВИСМУТОВОМ РАСПЛАВЕ ЭВТЕКТИЧЕСКОГО СОСТАВА
© 2004 г. М. Н. Арнольдов, М. Н. Ивановский, А. В. Миловидова, В. А. Морозов
Государственный научный центр Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского, г. Обнинск
Поступила в редакцию 21.11.2003 г.
Исследовалась проницаемость водорода через расплав свинца и висмута эвтектического состава, а также растворимость водорода в этом расплаве в интервале температур 425-810°С и давлений водорода 1-3 кг/см2. Приведено описание установки и методики проведения экспериментов. На основании расчетного значения коэффициента диффузии водорода в расплаве оценена растворимость водорода в сплаве.
ВВЕДЕНИЕ
Применение водорода при очистке свинцово-висмутового теплоносителя (расплав свинца и висмута эвтектического состава) от кислорода приводит к необходимости изучения растворимости водорода в расплаве. Сведения о растворимости водорода в расплаве свинца весьма ограничены, а в расплаве висмута отсутствуют [1].
Данные [1] позволяют предположить, что растворимость водорода в расплаве весьма мала. Это предъявляет особые требования к экспериментальной методике и опытной установке.
Описание опытной установки. Схема установки приведена на рис. 1. Методика эксперимента основана на исследовании проницаемости водо-
рода через заполняющий зазор 1 расплав, образованный двумя коаксиальными цилиндрами из стали 1Х18Н10Т с толщиной стенок 1 мм.
Внутренняя стенка зазора 2 представляет собой часть стакана, входящего в контур хроматографа для измерения концентрации водорода.
Внешняя стенка зазора 3 представляет собой внутреннюю стенку полости 4, в которую подается водород. Эта полость соединяется с дозатором 5 водорода известного объема. Давление водорода в дозаторе и полости измеряется образцовым манометром 6. Соосное расположение цилиндров обеспечивается иглообразными дистанциониру-ющими выступами.
Рис. 1. Схема опытной установки: 1 - зазор с расплавом, 2 - внутренняя стенка зазора, 3 - внешняя стенка зазора, 4 -полость с водородом, 5 - дозатор водорода, 6 - манометр, 7 - расплав над торцом стакана, 8 - расплав под дном стакана, 9 - гидрид циркония, 10 - хроматограф, 11 - хроматографический контур, 12 - микрокомпрессор, 13 - печь.
Размеры зазора с расплавом составляют: толщина - 0.5 мм, высота - 90 мм, средний диаметр -85 мм, среднее арифметическое значение поверхности цилиндров, образующих зазор, - 240 см2. Малая толщина зазора обеспечивала перенос водорода только путем диффузии через зазор.
Толщина слоя расплава над торцом 7 и под дном стакана 8 составляла примерно 25 мм и значительно превосходила величину зазора. Поэтому стакан был практически изолирован от попадания в него водорода иным путем, кроме как через исследуемый зазор.
Источником водорода служил гидрид циркония 9. Водород, выделявшийся при его нагреве до 900-950°С, собирался в дозаторе 5. Полученный таким образом водород имел высокую чистоту по кислороду, азоту, углероду, так как гидрид циркония обладает большим сродством к этим элементам. Для измерения количества водорода, попадающего через зазор в стакан, использовался хроматограф ЛХМ-8М 10. Контур хроматографа 11 состоял из подводящих стальных трубок, микрокомпрессора 12, манометра и вентилей, позволяющих вакуумировать и заполнять контур газом-носителем, в качестве которого использовался аргон. Хроматограф градуировался путем ввода в контур известных количеств водорода.
Методика проведения экспериментов. Перед началом экспериментов проводилось обезгажи-вание полостей путем вакуумирования при рабочей температуре. Через 3-4 часа вакуумирование прекращалась, контур хроматографа заполнялся аргоном и определялось остаточное содержание водорода и других газов. Обезгаживание осуществлялось до тех пор, пока значение концентрации водорода не стабилизировалось и не менялось при выдержке хроматографического контура при рабочей температуре стакана в течение 68 часов.
На завершающем этапе обезгаживания остаточное давление газов не превышало 8 х 10-3 мм рт. ст. Хроматограмма свидетельствовала о присутствии в аргоне азота, концентрация которого возрастала с увеличением температуры, достигая при 810°С величины 0.24 объемных процента. Газы С02, СО, 02, СН4 не были обнаружены.
После обезгаживания полость зазора заполнялась расплавом, а объем над поверхностью расплава - аргоном при давлении на 0.1-0.2 кг/см2 больше давления в водородной полости. Затем устанавливалось давление водорода в полости, равное 2 кг/см2.
Результаты экспериментов. Данные по проницаемости водорода были получены при температурах 425, 565, 630, 700, 720 и 810°С и давлении водорода 2 кг/см2. На рис. 2 для примера представлены данные при 810°С и 2 кг/см2 по количеству
Рис. 2. Зависимость количества водорода, поступающего в хроматографический контур, от времени при температуре 810°С.
водорода, прошедшего через зазор, отнесенному к единице поверхности зазора и его толщине.
Обнаружено, что с момента подачи водорода его количество в контуре хроматографа растет при всех температурах, кроме 425°С. По-видимому, проницаемость сплава при 425°С ниже чувствительности, обеспечиваемой принятой методикой.
Установлению линейной зависимости количества водорода от времени предшествовал начальный период, в котором концентрация водорода изменялась сложным образом. Появление этого начального периода может быть вызвано следующими причинами.
Во-первых, в этот период могло происходить установление стационарного поля концентраций водорода в стенках и зазоре. Во-вторых, могли оказывать влияние процессы, протекающие на поверхностях стенок и границах раздела "сталь-расплав", а также в самом расплаве, содержащем растворенный кислород. Расчеты показали, что в данных условиях время установления должно быть заметно меньше, чем время опытов. Поэтому основной причиной появления начального периода является вторая причина.
После установления стационарного режима по потоку водорода и получения достаточного количества опытных точек давление аргона над сплавом сбрасывалось и полость вакуумировалась. Практически сразу после достижения разряжения, соответствующего приблизительно высоте столба расплава над зазором, в нем образовывались пузыри водорода, всплывающие к поверхности раздела сплава и газа. Одновременно отмечалось резкое возрастание расхода водорода из дозатора.
По-видимому, при сбросе давления аргона над расплавом на поверхности раздела "стенка-расплав" возникают условия для моляризации атомарного водорода и сбора его в пузырьки. Возрастание расхода водорода свидетельствует о том, что прослойка из расплава оказывает значительно
716
АРНОЛЬДОВ и др.
П, (см)3 см/час кг -2.5
-3.0 -3.5 -4.0 -4.5 -5.0
-5.5
0.90 0.95 1.00 1.05 0.10 1.15 1.20 1000/Г, (К)-1
П, (см)3 см/час кг 6
5
4
3
2
1
2.5 3.0 Р, кг/см2
Рис. 3. Зависимость проницаемости П водорода от температуры.
Рис. 4. Зависимость проницаемости П водорода от давления при 810°С.
0
большее сопротивление переносу водорода, чем металлические стенки, в том числе и при 425°С. Это подтверждает справедливость принятой экспериментальной методики. Наличие линейной зависимости концентрации водорода от времени, кроме начального участка, означает, что на поток водорода не влияет его накапливание в хро-матографическом контуре.
Проницаемость ПН водорода через зазор определяется следующим образом:
Пн =
5д
¥АР'
^ П = 6.0-
9400
(1)
] = 5.7 + 18 Ад -
9400
(2)
Здесь ] - в (см)3/см2 ч, АР - в кг/см2, Т - в К.
Полученные данные по переносу водорода через слой расплава позволяют оценить растворимость водорода в сплаве.
Поток газа через слой вещества в том случае, если он определяется только диффузией, равен
Р (С1- С2) д = —я— р,
(3)
где 5 - толщина зазора в см, I - его площадь в см2, д - поток водорода в (см)3/час, Р - перепад давления в кг/см2. Здесь и далее (см)3 - объем газа, приведенный к нормальным условиям.
На рис. 3 представлены данные по проницаемости водорода через зазор от температуры. Их обработка приводит к зависимости
где Р - коэффициент диффузии, С1 и С2 - концентрации растворенного газа на поверхностях слоя, 5 - толщина слоя, I - поверхность зазора.
Очевидно, что концентрацией водорода на стороне слоя расплава, обращенного к хромато-графическому контуру, можно пренебречь. Тогда формула (3) может быть упрощена
д = °-¥ = п I р •
(4)
и концентрация растворенного водорода при давлении Р
Р
С1 = П Р.
(5)
где П - в (см)3 см/ч кг. Зависимость справедлива для перепада давлений водорода 2 кг/см2 и интервала температур 565-810°С.
Для выяснения влияния давления на удельный поток водорода через зазор изотерма 810°С была измерена при давлениях 1, 2 и 3 кг/см2 (рис. 4). Видно, что эта зависимость имеет линейный характер. Полагая, что линейность имеет место и при других температурах, в более общем виде зависимость удельного потока от давления и температуры может быть описана формулой
Для расчета растворимости нужно знать зависимость коэффициента диффузии водорода от температуры. Коэффициент диффузии в расплаве не известен. Поэтому он был оценен с помощью уравнения Стокса-Эйнштейна
Р =
кТ
4Пc)rg,
(6)
в котором к - постоянная Больцмана, с - коэффициент динамической вязкости, g - ускорение силы тяжести, г - радиус диффундирующей частицы. Коэффициент с рассчитывался по уравнению £ = vp. Значение плотности р и кинематической вязкости V брались из книги [2].
Коэффициент диффузии был вычислен для радиуса диффундирующей частицы, равного ко-валентному радиусу нейтральной молекулы водо-
рода. Коэффициенты диффузии определяются в среднем с точностью до коэффициента, равного двум. Этот коэффициент и определяет точность расчетов растворимости водорода в расплаве.
Полученные значения коэффициента диффузии имеют порядок, характерный для диффузии в жидкостях и жидких металлах.
Рассчитанные зависимости растворимости водорода в сплаве при давлении 2 кг/см2 от температуры могут быть описаны формулой
9250
С = 3.075 -^Г50, (7)
где С - массовая концентр
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.