NO144545B - Stroemningsanordning for regulering, maaling eller regulerbar blanding av fluidstroemninger - Google Patents

Description

Fremgangsmåte for fremstilling av grafittlegemer.

Foreliggende oppfinnelse angår fremstilling av grafittlegemer. Det har vært foreslått å bruke grafitt som omslutningsmaterial for kjerne-brennstoffet i kjerne-reaktorer og i denne forbindelse vil det være kjent at fisjons-produkt-innholdet er en av de vanskeligheter som må overvinnes i reaktor-konstruksjon og en løsning på denne oppgave er å bruke høyt ugjennomtrengelig grafitt. Det må her skilles mellom faktorenes gjennomtrengelighet, porøsi-tet og tetthet, da det er utført meget arbeide for å fremstille tett grafitt. Det har hittil ikke vært mulig å fremstille grafitt uten porer, men forholdsvis liten oppmerksomhet har vært viet frembringelse av minst mulig gjennomtrengelighet i motsetning til forsøket på å oppnå størst mulig tetthet. Når grafitten er fremstilt, er det kjent at i det minste en viss del av de åpne porer kan bli lukket ved forskjellige impreg-nerings- og lignende behandlinger.

Det har vist seg at for å oppnå en høy ugjennomtrengelighetsstandard som trenges for beholdere for kjerne-brennstoff, er ekstrudering den fremstillingsmåte som gir den mest varige høye standard. Grafittmasse har hittil blitt fremstilt av stoffer som omfatter koks som ut-gangsmaterial, som har vært sterkt porøse og ikke egnet for fremstilling av gjenstander med lav gjennomtrengelighet.

Foreliggende oppfinnelse går ut på en fremgangsmåte for fremstilling av grafittlegemer som er meget ugjennomtrengelige, under bruk av ekstrudering.

Fremgangsmåten for fremstilling av grafittlegemer i henhold til oppfinnelsen er av den art hvor en blanding av tre komponenter som omfatter grovkornet kunstig grafitt, finkornet kunstig grafitt, kjønrøk, blandinger med et bindemiddel som kan forkulles, og derpå eks-truderes, slik at det dannes et presset råemne, som så forkulles slik at det dannes et karbonlegeme grafittiseres, og det særegne ved fremgangsmåten består i at begynnelsesblandingen består av 42 pst. kunstig grafitt med partikkelstørrelse fra 50 til 100 mikron, 18 pst. kunstig grafitt med partikkelstørrelse fra 5 til 20 mikron og 40 pst. kjønrøk med en partikkel-størrelse på omtrent 0,4 mikron.

Det har dessuten vist seg at furfurylalkohol er det mest tilfredsstillende impregneringsmid-del for ytterligere å øke ugjennomtrengelighe-ten for det ekstruderte legeme, idet det da ved termisk spalting dannes karbon i porene. Det er også å anta at det ideelle legeme, for å oppnå tilfredsstillende impregnering, bør ha en porediameter i størrelsesområdet 0,8—0,6 mikron. Det er herunder fordelaktig hvis den forholdsvise mengde av åpne porer er liten, da dette nedsetter graden av den nødvendige impregnering, og det er også fordelaktig hvis den samlete porøsitet er så liten som mulig, da ma-terialet da er sterkere og mere homogent, men dette er begge deler sekundære betraktninger.

Et slikt material kan brukes også for andre formål enn dem som er antydet, da dets forholdsvis høye tetthet er alliert med at det er lett å bearbeide mekanisk og at det har høy trykk- og strekkstyrke. Et slikt grafittlegeme kan således eksempelvis utformes og brukes for stempler og dyser, som stoppere for proton-stråler, for å erstatte mere grovkornet grafitt der hvor det trenges minst mulig opptagelses-evne for gass, og endog for foring av rakétt-munnstykker.

En tilsetning av en liten mengde mere finkornet kjønrøk, med en gjennomsnittlig partik-kelstørrelse på 0,02 mikron, synes ikke å påvirke den gjennomsnittlige porediameter, men kan være ønskelig da sluttproduktet kan bli temme-lig tett på grunn av en nedsettelse av det samlete antall åpne og lukkete porer.

Det er ikke mulig å angi nøyaktige verdier for den forholdsvise mengde av grafitt i blandingen, men det grovkornete grafitt bør fortrinnsvis være mindre enn 60 masker B.S.S., men avhenger av diameteren for ekstruderings-dysen. Typiske siktanalyser for det grovkornete kunstgrafitt kan være:

Det grovkornete kunstgrafitt kan, som et spesielt eksempel, ha følgende dimensjoner:

Det grovkornete kunstgrafitt som egner seg best har, som angitt, sine partikkelstørrelser fullstendig innenfor området 50—100 mikron.

På lignende måte kan størrelsene for det

finkornete kunstgrafitt fordele seg slik:

Fortrinnsvis ligger alle partikler i det fine kunstgrafitt innenfor størrelsesområdet 5—20 mikron.

Den kjønrøk som er å foretrekke har en partikkelstørrelse på 0,4 mikron og den even-tuelle ytterligere finkornete kjønrøk som er å foretrekke har en partikkelstørrelse på 0,02 mikron.

Det er klart at på grunn av innholdet av kjønrøk i blandingen, vil ikke det resulterende finkornete grafitt-legeme bli helt grafittisert, men dette synes å være uunngåelig, da det for tiden ikke synes mulig å oppnå et grafittisert stoff for kjerne-bruk som har den partikkel-størrelse som trenges.

Det foretrukkete vektforhold mellom stof-fene i blandingen er: Grovkornet kunstgrafitt 42 % Finkornet kunstgrafitt 18 » Kjønrøk 40 »

Eksempel 1.

Det ble fremstilt en blanding som inne-holdt de tre bestanddeler, nemlig kunstgrafitt med partikkelstørrelser innenfor to områder

og kjønrøk i omhyggelig blanding. Deretter ble

en forholdsvis mengde finsiktet bindemiddel tilsatt, etterfulgt av kold- og varmblanding. Det bindemiddel som er å foretrekke er Ford-bek og det brukes fortrinnsvis i forholdsvise meng-der på fra 20 til 26 prosent av den samlete vekt,

idet det fortrinnsvis brukes minst mulig bindemiddel da det ellers er fare for å blåse hull ved forkullingen av bindemiddelet.

Den varme blanding ble så overført til det oppvarmete kammer for en ekstruderingspresse,

evakueres og dampes i ca. 3 min. ved et trykk på 100 tonn, mens kammeret oppvarmes til 120°C. Blandingen blir så ekstrudert gjennom en dyse ved 120°C slik at det dannes et råemne med en diameter på ca. 5 cm, som så får anledning til å kjøles.

Disse emner blir hvert for seg pakket i me-tallrør og rommet mellom emnet og røret fylt

med en grovkornet koks-blanding og rørene

blir oppvarmet i en ovn under et konstant gass-trykk på ca. 7 kg/cm2. Forkullingen blir gjen-nomført ved en temperatur på ca. 900°C, idet

Etter kjøling blir karbon-legemene grafittisert ved en temperatur på 2700°C, idet det brukes tilnærmet ni timer for å nå denne temperatur. Forkullingen og grafittiseringen blir selvsagt utført i en inert eller ikke-oksyderende atmosfære.

Eksempel 2:

De nødvendige stoffer i blandingen var slik som beskrevet ovenfor, og de ble blandet omhyggelig. Deretter foretas tilsetting av et bindemiddel, hensiktsmessig Ford-bek, som kan tilsettes i en mengde på 20—26 prosent av den samlete vekt, idet det brukes minst mulig av bindemiddelet for å få tilfredsstillende ekstrudering under arbeidsforholdene. Det er vel kjent at det er gun-stig å bruke minst miilig bindemiddel, da beken smelter ved oppvarming og frigir flyktige stoffer.

Etter omhyggelig kold-blanding, ble blandingen overført til en varm-blander og deretter til en varm-ekstruderingspresse hvor blandingen etter evakuering for å fjerne medførte gasser, ble ekstrudert gjennom en dyse med en diameter på ca. 5 cm med en hastighet på 30 cm/min. og ved en temperatur på 120°C. Rå-emnene ble, etter å ha fått kjøles, pakket hver for seg i me-tallrør, idet rommet mellom legemet og røret, tilnærmet 4,7 mm, var fyllt med en pakning av middelkornet koks for å støtte rå-emnene under oppvarmingen.

Oppvarmingen ble foretatt under konstant

pneumatisk trykk på 7 kg/cm<2> i en reduserende eller nøytral atmosfære og oppvarmingshastighe-ten var liten, opp til 550°C. En hensiktsmessig oppvarmingshastighet var 3°C/time. Under dette oppvarmingstrinn, ble bek-bindemiddelet flyten-de og ble så forkullet mens flyktige stoffer unn-vek og det har vist seg at det er nødvendig å foreta nøyaktig kontroll som å nedsette antal-let av legemer som sprekker eller blir mangel-fulle på annen måte. Dette er imidlertid en vel kjent vanskelighet under fremstilling av grafittlegemer av denne art og de må overvinnes for hver enkelt blanding, blandingskomponenter, partikkelstørrelse, ovn osv.

Etter å være blitt oppvarmet til 550°C og holdt på denne temperatur i ca. 4 timer, fikk legemene kjøles og kunne så fjernes fra bære-rørene hvis det ønskes, men dette trinn er ikke nødvendig.

Deretter ble legemene oppvarmet ved atmosfæretrykk til en temperatur på 900°C og holdt på denne temperatur i ytterligere ca. 4 timer for å gi et fullstendig forkullet legeme. Disse oppvarmingen blir foretatt så langsomt som vanlig. Det kan være mere hensiktsmessig og foreta oppvarmingen i to trinn, idet oppvarmingen da foregår etter følgende skjema:

fullstendig forkullete legemer er, etter kjøling, meget hårde og kan fjernes fra bærerørene og kan så gjenoppvarmes til en temperatur av størrelsesordenen 2700 °C for å grafittisere legemene. Det er bare nødvendig å holde legemene på denne temperatur i en tid av størrelsesorde-nen 30 min.

Et prøvestykke av grafitt fremstilt ved denne fremgangsmåte, ble undersøkt og viste seg å ha en gjennomtrengelighetskonstant på 9,6 x . IO-13 cm<2> (viskos strømning) og 5,8 x 10—8 cm<2 >(iKnudsenstrømning), som gir en samlet gjen-nomtrengelighetskoeffisient på IO-2 cm<2>/sek. for helium ved atmosfæretrykk.

Vedføyde tegninger viser de fysikalske egen-skaper for de grafittiserte legemer.

Fig. 1 viser porestørrelse mot porøsitet for

visse legemer.

Fig. 2 viser de samme faktorer for andre legemer. Fig. 3 viser de samme faktorer for legemer

fremstilt slik som angitt i eksempel 1.

Fig. 4 viser de samme faktorer for legemer

fremstilt slik som angitt i eksempel 2.

Som forklart ovenfor er det viktige trekk som skal oppnås at porestørrelsen skal ligge i området 0,8—0,6 mikron.

Fig. 1 viser kurver for fire masser A, B, C og D, idet alle disse masser inneholder 66,7 vektprosent samlet grafitt. Porestørrelsen blir målt under bruk av kvikksølv ved trykk opp til 1050 kg/ cm<2> og det er klart at derved måles inngangs-størrelsen for porene, som er avsatt mot porøsitet som er uttrykt som «innvendig volum som prosent av det hele volum».

I fig. 1 svarer kurvene til følgende masser

med konstant samlet mengde grafitt.

Det er klart at kurve C angir grenselinjen for porestørrelse som kan godkjennes. Fig. 2 viser virkningen av å variere det samlete grafittinnhold:

Fig. 3 viser en kurve som er oppnådd for den masse som ble fremstilt i eksempel 1, nemlig fin grafitt 20 pst., grov grafitt 46,7 pst., kjønnrøk 33,3 pst., alt regnet i vekt.

Etterhvert som den forholdsvise mengde fin grafitt økes over 30 vektprosent, faller skrånin-gen av kurvene av og øket porøsitet er tydelig.

Endelig viser fig. 4 den kurve som er oppnådd med massen i henhold til eksempel 2, nemlig fin grafitt 18 pst., grov grafitt 42 pst. og kjønnrøk 40 pst., alt regnet i vekt.

Rør fremstilt av dette material med en vegg-tykkelse på 12,8 mm ble på forhånd impregnert to ganger med furfurylalkohol og ble så under-kastet en slutt-varmebehandling ved 2000° C i argon ved atmosfæretrykk. Det viste seg at im-pregneringen ble foretatt tilfredsstillende og den samlete endelige gjennomtrengelighet for kryp-ton ved romtemperatur viste seg å være IO-7 cmVsek.

Det er verd å angi tettheter og porøsiteter for grafitten.

Disse tall fremhever den omstendighet at fordelingen av porestørrelsen, porøsiteten og tettheten ikke nødvendigvis avhenger av hver-andre.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av grafittlegemer hvor en blanding av tre komponenter, som omfatter grovkornet kunstig grafitt, finkornet kunstig grafitt og kjønrøk, blandes med et bindemiddel som kan forkulles, og derpå eks-truderes, slik at det dannes et presset råemne, som så forkulles slik at det dannes et karbonlegeme som grafittiseres, karakterisert v e d at begynnelsesblandingen består av 42 pst. kunstig grafitt med partikkelstørrelse fra 50 til 100 mikron, 18 pst. kunstig grafitt med partik-kelstørrelse fra 5 til 20 mikron og 40 pst. kjønrøk med en partikkelstørrelse på omtrent 0,4 mikron.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at blandingen også inneholder fin kjønrøk med en gjennomsnittlig par-tikkelstørrelse på 0,02 mikron.