- 130 TRANSFORMACE UBANU DO BETA FXZE FÍÍI J I H O TVLŘEHÍ V HORKÍ OBLASTI TEPLOT ALFA MODIFIKACE
Ing.fi.Václavík CSc. - VZUP.ÓJP Zbraslav,pracovi Stě MuíStk Při výtlačném lisování uranu v horní oblezlí teplot alfa modifikace bylo pozorováno /I,2,3/, i* atruktura vytlačených uranových polotovarů neodpovídá struktuře alfa tsiřeného uranu, ala při normálních poásínkách vytlačování je možné pozorovat strukturu a beta transformovaným zrnem. Ne obr.l je uvedena typicko mikroatruktura vylisovaného uranového prutu v horní oblaati teplot alfa mc4i~ fikace. Všechny získané struktury při normálním napěloveB stavu měly plné bet*-transformované zrno. Z praxe tváření kovů je dobře znána akuteč uat, že tváření je velmi obtížné, dochézí-li během tváření k transformaci, zejména v případech kdy se jednotlivé fáze značně liší svými vlastnostmi. V případe uranu přicházejí v úváhu alfa a beta fáze, které ae z hlediska svých vlaatnoati podstatně liSÍ. Jestliže dochází při tváření uranu k jeho alfa "••• i ' » beta transformaci, vznikají v tvářeném uranu trhliny v důsledku vysokých deformací v základní plastické matrici /alfa uranu/. Tato akutečnoat nedovoluje vysvětlit přechod do beta fáze přímo během proceau tvářeni. Jíěkterými autory /!/ bylo přijato vyevětlanl přechodu uranu do beta fáze následujícím způsobem: v důsledku přeměny části energie /dodávané lisem/ na teplo ae v procesu vytlačování ohřívá uranový Cep nač teplotu, při které byl zakládán do nástroje. Teplota uranu při vytlačování může stoupnout i nad teplotu alfa » beta transformace. Protoža proces vytlačováni probíhá při vysokém v&e-
- 331 stranné* tlako /6000 - 10 000 at*./, doehásí ke «výaení teploty «lfs — — • b«t» transformace. Pomocí rovnic* ClauaiueClepayrona bylo spočítáno, že svýiení teploty alfa-beta trensformace v podmínkách vytlačování uranu maže dosáhnout 30°C. Při vytlačování ae ívyáuje teplota uranu n»d teplotu alfa — — * beta tranaforaace, ale k samotné treneforsaci nedoebáaí. 0r»n tranaforauje do beta t&z* až po výstupu a průtlačnice, kdy ae anižuje Tieatswnné napětí. Uvedené vysvětlení by mohlo vyhovovat pro poaérnô úské teplotní podaínky tváření uranu. N&které naáe předenásající práce /4,5/ ukáaely, ie struktury výlisů s beta transformovaný* xrne* se sískávájl ve velmi širokém rosaahu te= plorních podmínek, pro které výše uvedené vyavétlení vyhovovat nemohlo. tysvětlení příčin alfa » beta transformace uranu, tvářeného v horal oblasti teplot alfa modifikace by mohlo umožnit rísení atruktury po vytlačování. Za účelem vyavětlení příčin alfa » beta transformace byly sledovaný teploty a tlaky při vytlačováAÍ uranaíých prutů. Zařízení Pro vytlačování uranu v horní oblasti teplot alfa modifikace byl námi použit vertikální hydraulický lis s přlqýs pohonem čerpadlem. Základní parametry lisu jsou uvedeny v tabulce 1. Tabulka I
Základní parametry použitého lisu
Maximální výtlačná aíla Rychlost beranu při najíždění fíycblost beranu při lisování max. Bychloat beranu spétná Maximální spětná síla Pohyb beranu
250 Mp 160 mm/sec. 20 mm/sec.
100 mm/eee. 50 Mp
600 ms
- 132 Teploty vytlačovaného prutu byly smlsány pomoci bezdotykevéno čidla typu UPYB?OT a •fiřlcíffi rozaehes 400 «• 850°C. čidlo bylo zaměřeno výřeze* klíaovťho závoru průtlačnice do prostoru 30 o& pod končen pracovního platu průtlačniee a mohlo zachycovat teplotu prutu, jestliže procházel osou nástroje nebo při jeho 3 wa výchylce od osy. Výtlačná sila byla měřena manometrem, který byl vybaven potenciometrem. Manometr byl zapojen na pracovní válec lieu. Také pohyb beranu byl mechanicky propojen a potencionetrcm. Pro registraci hodnot teploty, tlaku a pohybu beranu byl použit trojitý zapisující nilivoltmetr. Pro vytlačováni bylo použito uranových čepu o JĎ 31 •» a délky 200 mm. čepy byly připraveny z nelagovaného uranu čistoty lepáí než 99,8 % U. Ohřev čepů ae prováděl v solné lázni složené z uhličitanů lithia, Na a K. Výsledky měřeni
^ J\
Měřeni bylo provedeno při lisování 10 čepů* Pro vytlačování byl volen obvykle námi používaný teplotě nopětový režim /tabulka č.2/. Tabulka č.2 Použitý teplotně-napěčový režim vytlačování Teplota kontejneru Teplota čepu Doba ohřevu čepu Bychlost beranu při vytlačování Prodloužení
480°C 585°C 40 mic.
5 mm/sec. 30
Typický záznam z vytlačováni čepu č.3 je uveden na obr.2. Záznamy charakterizující pohyb beranu a vytlačující síly umožňují r OÍ'li š i t jednotlivé fáze vytlačování.
- 133 Ne počátku je rozlisován uranový čep po dobu asi 2,5 sec. Po rozlisování stoupá výtlačná sila na hodnotu 62 Mp, na které ae udržuje až do koňce vytlačování. Seaotaé vytlačování trvalo 34 s e c , což znamoná, že rychlost beranu dosáhla 5,9 ma/sec* Záznam teploty ukazuje,, že teplota se nezvyšuje hned po výstupu prutu z průtlačnice, ale až po třech vteřinách. Toto zpoždění je způsobeno zaměřením čidla 30 mm pod průtlačniei a také častým zakřivením začátku výlisku. Déle teplota aa§ření čidlem stoupá na hodnotu 565°C» od které m během celého vytlačování jen málo odlišovala. Po skončení vytlačování ae neotvíraly nástroje, ale byla déle pozorována teplota uranového prutu. Ze 2 sec. dochází k postupnému zvyšováni teploty až ne hodnotu 637 C. Dal Si snížení tejaloty na zésnemu je způnobeno vytlačením nedolisku z nastrojo. Véechna ostatní aěření svým charakterem se neodlišují od tohoto zéznamiu; lisí se pouae velikostí nadřených parametrů A/iz tab»3/» Tsbulke j Naoôŕené teploty při vytlačování U prutů Střední hodnoty teploty uranových prutů,naměřené po výstupu z průtlačnice
1 3 4
5 6 7 S
9
10
560 550 560 520
550
520 555 560
' 565 -
C
po skončení vytlačování
615
620 610 580
600 605
628
632 63? 630
- 154 Posouzeni výsledků Měření teploty uranového výlisku po jeho výstupu z průtlačniee ukazuje, že uranový čep je trářen při teplotách okolo 55O°C. Tato měřeni ukazuji, že v průběhu vytisřovéní nedochází ke zvýšeni teploty uranu, ale naopak k mírnéau sníženi teploty uranového čepu. Mírné snížení teploty uranového čepu během lisováni je výsledkem dvou procesů při vytlačování: a/ odvodem tepla studenějším nástrojem b/ ohřevem čepu od tepla vzniklého přemenou práce při vytluč ování Správnost měření teplot výlisků potvrzuje průběh výtlačné síly při lisování. Celková výtlačná síla zůstává prakticky konstantní po celý průběh vytlačování. Běňem vytlačování £fj však zmenšuje složka třecí síly čepu c stěnu kontejneru. Z tohoto hlediska by muselo dojít ke snižování celkové výtlačné síly. Protože ostatní složky třecích sil se nemění v procesu vytlačování, musí během vytlačování arénu docházet ke zvyšování napěti lisování, které může být způsobeno pouze snižováním teploty čepu. Zvýšení teploty uranových výlisků áo teplot b«ts fáz« nemá ž lidnou souvislcet s procesem tváření, ale je druhotný* proceseimf který mé své místo až po výstupu uranu z cest roje. Povrch vytláčaných uranových prutů vzhledem k vysoké deformaci je kovově čistý a zahřátý na značnou teplotu, což způsobuje rychlou oxidaci uranu, která způsobuje vzestup teploty uranového prutu nud transformační teplotu. Tuto tiváhu potvrzuje množství okují, které při vytlačováni uranu vznikají. Při vytlačováni velkého množství urenu jsme naměřili váhovou ztrátu 1,1 % ve formě okuji a 0„4 % {nenávratné straty. Zjednoduftenou úvahou platí:
« 155 /-AH/ s
kde: M^ M2 AH cp 4t
~ • -
U
2
Množství oxidovaného U; množství ohřívaného materiálu; ©ntalpie reakce tvorby U 0 2 ; střední specifické teplo uranu; rozdíl-mezi teplotou prutu vystupujícího s průdu&nice a teplotou, na kterou ae prut ohřeje oxidací»
2 uvedané rovnice vyplývá, že pouase 0,5 % oxidovaného ursau stačí ohřát ebbvající uran na teplotu 68Q°C» Potvrzení nového vysvětlení příčin transformace uranu do beta fáze bylo vytlačování uranových čepů se stejných podmíneko Pouze po výstupu z průtlečnice bylo zebráněno oxidaci, urqnu tím, že prut byl prudce zacnieš en vodou nebo vycházel do ochranné atmosféry. Ve všech těchto případech bylo dosaženo struktury charakteristické pro vysoký stupeň deformace v oblasti teplot elfa modifikace /obr.3/. i
Vysvětlení alfa •*> beta transformace uranových prutů oxidací povrchu dobře souhlasí a průběhem teplot uranového prutu po vytlačení /obr.2/» Teplota prutu začíná stoupat až po výstupu z prutlačnice a teprve sa nějaký čas dosahuje Příčinou proč nebyly v žádném případě po zastavení vytlačování naměřeny hodnoty vyšší než teplota alfa — — • " ta transformace /tab.3/ je tvorba silné vrstvy oxidů na povrchu uranového prutu* Závěr Měření© teploty a tlaku při vytlačování uranu v horní oblasti teplot elfa modifikace bylo ááno nové vysvětlení příčin transformace uranových prutů do beta fáze. Příčinou tniasfor»aee je oxidace nově tvořeného povrchu výlisku.
- 136 Literatura /!/ Donaldson B.I. ,Isaerow S. ,Busaell R*B.: Journal of the Nuclear Materials 22, 1967, 5.1, e. /2/ Václavik E. s Vývoj technologie ^roby elementu A 2, ÔIS JP Zbraslav, 1969 o /3/ Chisvick H.H.tLloyd L.T.; Aregone National Laboratory Report, AUL - 577? / 4 / Véclavlk E.: Výzkumná zpráva Vťfc 2.29/6$, 1965 /5/ Vóclavlk E., Kamlach J.: Rudy, 1969, 9.
Obr.l - Uikrootruktura uranovéba prutu, vytláčaného v horní oblaati teplat alfa modifikace. 100 s.
- 137 -
I
•
j
M
• 1 í
s*
1
i
!
Si
II
r
'
!
t
1
!
i
t
t
'
!
• 1
f ! j • •- -*
f 1
i
t—*•
: i
1
•
r
•
•J
1
J^-4í
i,
! íl \ú Obr.2 - Zŕisnan teploty prutu, v^tleCné sily a zdvihu beranu.
Otep. 3 - Mikrostruktuzw příčného i*«su U-prutu, který nemohl po výstupu z prútiačaic# oxidovat. Zvôtieno 100 z.
