CN102080151B

CN102080151B - 井式真空充气保护Nb3Sn线圈热处理炉系统

Info

Publication number: CN102080151B
Application number: CN 201010588529
Authority: CN
Inventors: 匡光力; 陈文革; 陈灼民; 陈治友; 何鹏; 黄鹏程
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2030-12-15
Also published as: CN102080151A

Abstract

本发明公开了一种井式真空充气保护Nb₃Sn线圈热处理炉系统，该系统分为机械部分和电气控制部分，其中机械部分主要由炉体、可升降炉盖、真空系统、工艺气源及进排气体管路、冷却水系统组成；所述的炉体、可升降炉盖均为双层水冷结构，外接冷却水系统；炉体与炉盖内壁采用反射屏；炉体内设有匀热筒，匀热筒四周开有进风孔，匀热筒内部设有导风筒，匀热筒底部设有工件支架；炉盖下方连接有匀热筒上盖，匀热筒上盖上安装有搅拌风机，所述的炉体上设有多个真空接口。整个井式真空充气保护Nb₃Sn线圈热处理系统能够满足Nb₃Sn超导线圈热处理工艺要求，可靠实用。

Description

井式真空充气保护Nb3Sn线圈热处理炉系统

技术领域

本发明涉及一种Nb₃Sn线圈热处理炉，是大型管内电缆超导导体Nb₃Sn超导线圈研制过程中必不可少的工艺设备。

背景技术

随着科学技术的发展，一些大的科学研究平台，如高能加速器、受控热核聚变装置以及核磁共振成像等，都将对超导磁体的技术参数：磁场强度和口径提出很高的要求。同时，随着我国的国民经济的加速发展，在国家大科学工程和国际合作项目的带动下，加速了大型高场超导磁体及其相关关键技术研发。通常磁场超过10T以上大口径超导磁体均采用Nb₃Sn CICC型超导线圈，而Nb₃Sn超导线圈制作工艺必须对含有Nb、Sn等组分的导体绕成线圈后经过固态扩散反应热处理才能形成超导Nb₃Sn。

Nb₃Sn超导线圈是由CICC超导导体绕制而成，而导体是由许多根超导线经多级绞缆后封装在导管内制成的；Nb₃Sn CICC型超导线圈的反应热处理工艺技术要求严格：线圈绕组匝间、层间包缠或垫的玻璃丝绝缘材料参与热处理，导体的温度均匀性如何是决定绕组热处理制度的关键。此外，在热处理过程中对炉体和导体电缆区要求有惰性气体保护，对惰性气氛的参数控制要求严格。Nb₃Sn CICC型超导线圈热处理制度的两个基本参量是热反应的最高温度和在这个温度下的持续时间，最高温度影响着Nb₃Sn产物的平均晶粒度分布，温度过高形成的晶粒粗大，导致体钉扎力密度下降；热处理的持续时间影响着Nb₃Sn生成物的厚度。为此，需要研制和建立一个能满足Nb₃Sn CICC型超导线圈热处理要求的热处理炉系统的重大科研设备。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，建立一套井式真空充气保护Nb₃Sn线圈热处理炉系统。该热处理炉系统在真空和保护气氛条件下炉体工作区的温度均匀性达到要求，能够满足Nb₃Sn线圈反应热处理的工艺要求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种井式真空充气保护Nb₃Sn线圈热处理炉系统，该系统分为机械部分和电气控制部分，其中机械部分主要由炉体、可升降炉盖、真空系统、工艺气源及进排气体管路、冷却水系统组成；电气控制部分主要由电控柜、电源柜以及分布在炉子各部分的传感器、仪表和联线组成；其特征在于：所述的炉体、可升降炉盖均为双层水冷结构，外接冷却水系统；炉体与炉盖内壁采用反射屏；炉体内设有匀热筒，匀热筒四周开有进风孔，匀热筒内部设有导风筒，匀热筒底部设有工件支架；炉盖下方连接有匀热筒上盖，匀热筒上盖上安装有搅拌风机，搅拌风机形成匀热筒与炉体之间的热气流流通，匀热筒内壁从上至下分区安装有功率梯度改变的加热器；所述的炉体上设有多个真空接口。

所述的井式真空充气保护Nb₃Sn线圈热处理炉系统，其特征在于所述的加热器采用镍烙带加热器。

所述的井式真空充气保护Nb₃Sn线圈热处理炉系统，其特征在于搅拌风机的转轴从炉盖伸出，通过安装于炉盖上的电机驱动，转轴与炉盖之间通过磁流体密封。

所述的井式真空充气保护Nb₃Sn线圈热处理炉系统，其特征在于匀热筒底部设有底板，底板周边与匀热筒内壁之间具有间隙。

所述的井式真空充气保护Nb₃Sn线圈热处理炉系统，其特征在于匀热筒壁体外设了预加热段，进风孔处设有导流板。

由于Nb₃Sn超导线圈热处理制度的严格要求，需要保证热处理炉炉室有效工作区(即放置Nb₃Sn超导线圈区域)的温度均匀性，特别在温度210℃、400℃和650℃台阶的温度均匀性不大于±5℃(注：Nb₃Sn超导线圈采用内锡法RRP工艺生产的Nb₃Sn线作为基本线材，其最佳性能的热处理制度由三个温度台阶及保温过程组成，每个台阶的升温速率为5℃/hr，三个典型的温度台阶和保温时间是：210℃/48hr，400℃/48hr，650℃/50hr)。

为了解决Nb₃Sn超导线圈热处理工艺要求的这个关键问题，本发明的井式真空充气保护热处理炉系统在充气条件下进行热处理时，其加热器设计为炉体内圆周纵向四区对匀热筒进行多分区的加热，通气管道在匀热筒外壁盘绕预热段，使匀热筒的温度达到均匀；同时，匀热筒与最内层反射屏形成热风风道，匀热筒上盖上的风机驱动炉内保护气体流过加热器，加热后的气体经匀热筒壁上的进风孔流入工作区。在各进风孔处设有导流板，保证风量的分配。气流由炉盖反射屏流出工作区，被风机吹回热风风道。如此循环，最终使匀热筒内工作区的温度达到均匀。此外，在炉体内有效工作区增设导风筒，可加速热风的流动，减少了工作区底部与上部的温差，同时管道预热段能使进入的气体与导体温度一致，大大改善了炉体充氩气保护气氛的工作模式下工作区的温度均匀性。

本发明的井式真空充气保护Nb3Sn线圈热处理系统可通过多个真空接口，分别连接炉体真空系统与CICC超导导体真空系统或保护性气体充气系统，可采用真空和充气两种工作模式；在真空下进行也可在充气条件下(指炉体内部)进行工作，热处理工件-Nb₃Sn线圈CICC超导导体内始终通以保护性气体。鉴于Nb₃Sn线圈热处理工艺的严格要求，在充有保护性气体下进行热处理时，需要对通入炉体和导体电缆区的惰性气体纯度(即99.9995％高纯氩气)进行控制。为了对热处理工艺气(氩气)的杂质成分达到可控，在系统的氩气纯化机输出端接入了露点仪、氧分析仪；在炉体真空接口和热处理工件(Nb₃Sn线圈CICC超导导体)的排气口接入了露点仪、氧分析仪和总碳氢含量分析仪，用于监测炉体内和CICC超导导体进、排气口的氩气杂质成分。

为了防止CICC导体铠甲和内部导线(超导线和分离铜线)在650℃高温热处理过程中与工艺气中的杂质成分发生化学作用而改变材料和导线表面的性质，降低铠甲表面与VPI(真空压力浸渍)工艺环氧树脂粘结力及改变导线之间的横向电阻率，影响磁体的整体机械性能和超导性能，热处理炉系统对工艺气(氩)中的几种主要杂质成分(O₂，H₂O，CH)含量进行多点实时监测。对工艺气杂质成分及含量的限制为O₂＜10ppm，H₂O＜10ppm，CH＜2ppm，针对CICC导体铠甲常用不锈钢316LN材料，对氩气源除了限制O₂和H₂O含量外，增加了对N2成分含量的限制(≤2ppm)，通过氩气纯化机选型来保证。为了确保热处理在纯净的气氛下进行，严格监测炉室和导体排出气体的杂质含量，系统配置了在线监测仪表。

本发明的井式真空充气保护Nb₃Sn线圈热处理系统，在所述的自动化程度高。整个系统工作以自动运行为主：关闭炉门后无异常情况下，启动自动运行可以自动按照设定的Nb₃Sn线圈热处理制度完成热处理过程。此外，手动状态下也可对各泵、阀及加热分别操作，具有能够满足工艺(安全)要求的互锁保护功能，手动状态下可选择用温控器控温还是手调电位器控温。自动与手动可以转换，处理异常情况方便。升温过程中真空度和加热过程互锁。整个控制系统采用总线通讯方式，实现数据采集和操作的高度集成化。同时，具有强大的计算分析、数据处理能力。能够及时的判断设备的工作状态，可以根据设备的各项参数，准确判断工艺执行状况，如可以根据工件各段的进气、出气流量计算各段工件中的工艺气流量等。

针对热处理制度的两个最重要参数，本发明热处理炉设计的最高温度可达700℃，无故障持续时间≥30天，为便于热处理工件(线圈绕组)在炉内安装和通气管道焊接，炉体采用井式结构，工件置于炉体下方工件支架上，工件总重可达6500kg。对于不同工艺制作的超导线热处理和用户需求，该设备的突出特点是具备可给CICC导体内电缆区空隙通氩气。

制定严格的热处理制度对实现线圈超导性能的最佳化至关重要，210℃、400℃、650℃是热处理中三个重要的温度台阶，确保在这三个温度台阶热处理炉工作区的温度均匀性。为了使通入的常温气体与炉内导体温度一致，气体达到导体前端前先经过预热。大型超导磁体导体长度常在几千米长，导体的通气利用了液氦冷却进出口构筑起并联支路系统，每个支路装有质量流量计和压力表观察各支路的气流分配。

Nb₃Sn超导线圈热处理炉系统是大规模超导技术研发不可或缺的实验平台，目前国内尚无此类实验设施。本发明成为我国第一台用于大型Nb₃Sn超导线圈热处理的真空气体保护热处理炉系统，它将对我国超导技术研究方面的发展起到重要的推动作用，在超导磁体关键技术研发上提供了重要的平台。

附图说明

图1是本发明井式真空充气保护Nb₃Sn线圈热处理系统主体部分示意图。

图2是为本发明井式真空充气保护Nb₃Sn线圈热处理系统的炉体热风风道流向示意图。

图3是本发明井式真空充气保护Nb₃Sn线圈热处理系统流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例子对本发明作进一步的说明：

实施例1：一种井式真空充气保护Nb₃Sn线圈热处理系统，

一种井式真空充气保护Nb₃Sn线圈热处理炉系统，该系统分为机械部分和电气控制部分，其中机械部分主要由炉体3、可升降炉盖1、真空系统、工艺气源及进排气体管路2、冷却水系统组成；电气控制部分主要由电控柜、电源柜以及分布在炉子各部分的传感器、仪表和联线组成；所述的炉体3、可升降炉盖1均为双层水冷结构，外接冷却水系统；炉体3与炉盖1内壁采用反射屏；炉体3内设有匀热筒4，匀热筒4四周开有进风孔，匀热筒4内部设有导风筒6，匀热筒4底部设有工件支架5从匀热筒4底部底板7上伸出，底板7周边与匀热筒4内壁之间具有间隙；炉盖1下方连接有匀热筒8上盖，匀热筒4上盖8上安装有搅拌风机9，搅拌风机9的转轴从炉盖1伸出，通过安装于炉盖1上的电机驱动，转轴与炉盖1之间通过磁流体密封10；搅拌风机9形成匀热筒4与炉体3之间的热气流流通，匀热筒4内壁从上至下分区安装有功率梯度改变的镍烙带加热器11；所述的炉体3上设有多个真空接口17外接真空系统12。工件13放于工件支架5上。反射屏包括上反射(隔热)屏14、下反射(隔热)屏15、筒体反射(隔热)屏16。

匀热筒4壁体外设了预加热段，进风孔处设有导流板。

在所述的热处理炉体在保护气氛下进行热处理时，其炉体内加热分区增设匀热筒和

内导风筒，能使炉体内工作区域的温度均匀的性得到改善。具体实施是：本发明的井式真空充气保护热处理炉系统的加热器设计为炉体内圆周纵向四区对匀热筒进行多分区的加热，通过控制4个独立的磁调系统的加热功率，使匀热筒的温度达到均匀；同时，通气管道在匀热筒外壁盘绕预热段，加热后匀热筒与炉内最内层反射(隔热)屏形成热风风道，炉顶上的搅拌风机驱动炉内保护气体流过加热器。加热后的气体：一方面经匀热筒壁上的风孔流入工作区，为了保证热风量的分配，在各组进风孔处设有导流板；另一方面通过在炉内有效工作区增设

的内导风筒，加速热风的流动，从而减少了工作区低部与上部的温差。气流由上反射(隔热)屏流出工作区，被风机吹回热风风道，形成一个热风循环(参见附图2箭头所示)，最终使匀热筒内有效工作区的温度达到均匀，即满足Nb₃Sn线圈热处理工艺所要求的在210℃、400℃和640℃温度台阶的温度均匀性不大于±5℃。

实施例2：一种井式真空充气保护Nb₃Sn线圈热处理系统，在所述的为了在充有保护性气体下进行热处理时对热处理工艺气(氩气)的杂质成分达到可控(Nb₃Sn线圈热处理工艺要求：在相当于1个大气压力下，氧＜10ppm，水＜10ppm，碳氢杂质＜2ppm)，在系统的氩气纯化机输出端接入了露点仪、氧分析仪(参见附图3)；在炉体排气口和热处理工件(磁体CICC导体)的排气口接入了露点仪、氧分析仪和碳氢分析仪(参见附图3)，用于监测炉腔和CICC导体进、排气口的氩气杂质成分。具体实施如下：若氧、水和碳氢杂质含量较大，此时测量仪表发出杂质含量超标的警告信号时应人工采取措施，加大管道阀门(参见附图3)开度，增大气流速率，使杂质水平降低到规定值以下。若上述措施仍不能使杂质水平降下来，可直接从备用口有节制的通入99.9995％高纯氩气(钢瓶)，增大气流速率，同时启动炉体真空泵(参见附图3)(抽气不必过大)，增大排气速率以达到以新换旧目的。

实施例3：一种井式真空充气保护Nb₃Sn线圈热处理系统，在所述的自动化程度高。其具体实施是：热处理系统电气控制系统主要由上位工控机(IPC)、可编程控制器(PLC)、智能控制仪表、专业传感探头等组成，并采用总线通讯方式，实现数据采集和操作的高度集成化。(1)上位工控机(IPC)显示屏上，使用绘图界面将控制命令和操作程序存储于程序控制器中，显示屏采用彩色界面，具有防水防尘功效。操作员界面操作简单，以人为本。每一个功能和操作都可在专用的界面上显示，如主机界面、工艺曲线编辑界面、特征记录界面、报警界面、技术界面等。控制程序具有以下功能和特征：通过图形显示操作状态、可视元器件状态、显示技术参数、工艺曲线编辑、操作监控(如设备的启动、停止)、数据记录、报警显示/记录以及热处理系统主要参数显示等。(2)可编程控制器(PLC)可根据外部的信号，执行整个设备的工作过程和必要的程序自锁、互锁等保护动作；防止人员误操作，在有故障报警的情况下执行相应的保护措施，以保证设备和相关人员的安全。(3)智能仪表实现各种真空、压力、流量、温度、气体含量等数据的测量和现实，并能通过通讯接口将数据传到上位工控机和可编程控制器，以便数据的集中采集和记录，及根据该数据控制设备的工作过程。(4)专业传感器探头实时测量各种真空、压力、流量、温度、气体含量等数据，避免了在设备工作过程中的取样等人为操作，减少了人工干扰环节，设备做到更高的智能化和自动化。

本发明的真空排气系统、冷却水系统、炉内加热装置与常规的真空热处理炉相同。

Claims

1.一种井式真空充气保护Nb₃Sn线圈热处理炉系统，该系统分为机械部分和电气控制部分，其中机械部分主要由炉体、可升降炉盖、真空系统、工艺气源及进排气体管路、冷却水系统组成；电气控制部分主要由电控柜、电源柜以及分布在炉子各部分的传感器、仪表和联线组成；其特征在于：所述的炉体、可升降炉盖均为双层水冷结构，外接冷却水系统；炉体与炉盖内壁采用反射屏；炉体内设有匀热筒，匀热筒四周开有进风孔，匀热筒内部设有导风筒，匀热筒底部设有工件支架；炉盖下方连接有匀热筒上盖，匀热筒上盖上安装有搅拌风机，搅拌风机形成匀热筒与炉体之间的热气流流通，匀热筒内壁从上至下分区安装有功率梯度改变的加热器；所述的炉体上设有多个真空接口；搅拌风机的转轴从炉盖伸出，通过安装于炉盖上的电机驱动，转轴与炉盖之间通过磁流体密封；匀热筒底部设有底板，底板周边与匀热筒内壁之间具有间隙；匀热筒壁体外设了预加热段，进风孔处设有导流板。

2.根据权利要求1所述的井式真空充气保护Nb₃Sn线圈热处理炉系统，其特征在于所述的加热器采用镍铬带加热器。