CN102603300A

CN102603300A - 高温气冷堆用炭砖及其制备方法

Info

Publication number: CN102603300A
Application number: CN2012100830041A
Authority: CN
Inventors: 霍炳哲; 王万平; 梁峰
Original assignee: Fangda Carbon New Materials Technology Co Ltd
Current assignee: Fangda Carbon New Materials Technology Co Ltd
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明涉及一种高温气冷堆用炭砖及其制造方法。一种高温气冷堆用炭砖，其主要特点在于原料配比重量百分比为石油焦和沥青焦68～78％，碳化硼粉0～8％，粘结剂18～32％；所述的石油焦与沥青焦配比重量百分比为10％-80％比20％-90％。本发明原材料来源广泛，工艺路线突破常规炭砖生产工艺，产品质量稳定，体密密度、抗压强度、抗拉强度以及产品内部结构有较大改善；采用了钢制匣钵装产品、降低焙烧温度的工艺，大大地提高了产品的成品率。

Description

高温气冷堆用炭砖及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高温气冷堆用炭砖及其制造方法。

背景技术

高温气冷堆与其他反应堆相比，具有以下优良特性：1、高度的固有安全性：由于堆芯功率密度低，热容量大，并具有负反应性温度系数，因此即使在反应堆冷却剂流失事故的情况下，堆芯余热也可依靠自然对流、热传导和辐射传出。同时冷却剂氦气是惰性气体，与结构材料相容性好，氦气中子吸收截面小，难于活化，因此在正常运行时，氦气的放射性水平很低，有利于运行和维修。2、燃料循环灵活，转换比高和燃耗深，不仅可以使用低浓铀燃料，也可以使用高浓铀和针燃料，实现钍一铀燃料循环。燃料的燃耗深度可高达100000MW·d/tU，提高了燃料的经济性。3、热效率高：由于高温气冷堆出口温度高，可以产生19.0MPa，535℃的高温高压过热蒸汽，配以常规汽轮机组，热效率可达40％，如果采用高温氦气轮机的直接循环，热效率更可提高到50％～60％。4用途广泛：高温气冷堆还可提高900～950℃以下的高温工艺气体，用于炼钢、黑色金属生产、煤的气化和液化、氨和甲醇的生产以及轻纺、海水淡化等工业。

高温气冷堆按照燃料元件形状和堆芯结构布置特点可分为两类，一类是球床堆，另一类是柱状堆。本发明涉及的炭砖适用于球床堆。

高温气冷堆球床型反应堆采用全陶瓷包覆颗粒燃料球形元件，反应堆堆芯为圆柱形，堆芯四周为石墨炭砖，炭砖与石墨炭砖通过燕尾键连接位于石墨外面和压力壳之内。其堆芯主体炭素设备为石墨炭砖(反射层)和炭砖(中子吸收层)。炭砖安装于石墨反射层和压力壳中间，含有一定配比的硼，其作用是吸收从反射层中泄露出来的中子和隔热，防止压力壳遭受辐照损伤和高温的作用而使性能过早地退化。

核反应堆以往使用的炭素制品大部分为三高石墨，即高密度、高强度、高纯度石墨，此类产品的生产多数采用等静压的方式，使用这种方式进行生产时存在原料制备复杂，焙烧成品率较低的缺点。自1998年清华核能研究院10MW高温气冷试验堆使用炭砖以来，到如今的商业示范堆，对炭砖的性能指标要求和尺寸要求明显提高，尤其对高温气冷堆商业堆提出的技术指标来看，无论是尺寸、物理机械性能指标都有了明显的提高。使用现有炭砖生产工艺，显然无法无法满足要求，即无法克服产品不均质的问题和中细结构产品对工艺的适应性。另外由于产品尺寸大，无疑给制品成型、焙烧及加工等均增加了不少困难，尤其是强度、均匀性等性能很高外，产品焙烧后出现裂纹导致成品率极低是关键问题。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种高温气冷堆用炭砖及其制备方法。提供的这种炭砖，其体积密度≥1.60g/cm³，导热系数≤5.0w/m·k，热膨胀系数≤5.0×10^-6/℃，各向异性比≤1.2，抗拉强度≥10MPa，抗压强度≥50MPa。因此本发明避免了产品非均质、成品率低、强度低的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高温气冷堆用炭砖，其主要特点在于原料配比重量百分比为石油焦和沥青焦68～78％，碳化硼粉0～8％，粘结剂18～32％；所述的石油焦与沥青焦配比重量百分比为10％-80％比20％-90％。

所述的高温气冷堆用炭砖，所述的原料配比还包括所述的石油焦或沥青焦的粒度组成为：1.6～1.0mm是10～20％；1.0～0.5mm是8～14％；≤0.075mm是30～40％，其余为0.5mm～0.075mm。

所述的高温气冷堆用炭砖，所述的原料配比还包括碳化硼粉粒度为40～80μm。

所述的高温气冷堆用炭砖，粘结剂为煤沥青。

一种高温气冷堆用炭砖的制备方法，其主要特点包括有如下步骤：

(1)原料破碎：将石油焦或沥青焦破碎；

(2)筛分：将破碎的石油焦或沥青焦按粒度筛分；

(3)配料：

A.按重量百分比原料配比石油焦或/和沥青焦68～78％、碳化硼粉0～8％、粘结剂18～24％；所述的石油焦与沥青焦配比重量百分比为10％-80％比20％-90％；

B.按石油焦或沥青焦的粒度组成为：1.6～1.0mm是10～20％；1.0～0.5mm是8～14％；≤0.075mm是30～40％；其余为0.5mm～0.075mm

碳化硼粉粒度：40～80μm；

(4)混捏：主要设备使用混捏机；使用混捏机对石油焦或/和沥青焦、碳化硼粉进行均匀性混合，混合温度100～120℃，混合时间20～30分钟；再加入粘结剂，混合温度135～165℃，混合时间40～60分钟；

(5)挤压成型/振动成型，对混捏糊料给予一定的压力，挤压成型：压力范围为：8-20MPa；振动成型：0.4-1.0公斤/平方厘米，使其具有外形形状；

(6)焙烧：焙烧采用环式炉进行，产品置于钢制匣钵中，在保温段，温度达到1150～1200℃，保温时间15～25小时；

(7)浸渍：在浸渍罐中，加煤沥青；压力为：1.2～1.8MPa保持1～4小时，充氮气；

(8)二次焙烧：焙烧采用环式炉进行，产品置于钢制匣钵中，温度达到1150～1200℃，保温时间15～25小时。

(9)机械加工：主要使用机械加工组合机床进行加工。

所述的高温气冷堆用炭砖的制备方法，所述的振动成型重锤配重为10～30T。

所述的高温气冷堆用炭砖的制备方法，所述的焙烧时将毛坯产品放入钢质匣钵中，并在匣钵中填充焦粒后装入焙烧炉室中进行焙烧。

所述的填充焦粒的粒度为0.075mm-10mm。

本发明中使用碳化硼的目的是为了吸收从反射层中泄露出来的中子和隔热，防止压力壳遭受辐照损伤和高温的作用而使性能过早地退化。

本发明的有益效果是：

1、原材料来源广泛，工艺路线突破常规炭砖生产工艺，质量稳定，产品密度、抗压强度、抗拉强度以及产品内部结构有较大改善；

2、采用了钢制匣钵装产品、降低焙烧温度的工艺，大大地提高了产品的成品率。

具体实施方式

结合以下所示之实施例作进一步详述：

实施例1：一种高温气冷堆用炭砖，原料配比重量百分比为石油焦和沥青焦68％，粘结剂32％；所述的石油焦与沥青焦配比重量百分比为10％比90％。

所述的原料配比还包括所述的石油焦或沥青焦的粒度组成为：1.6～1.0mm是10％；1.0～0.5mm是8％；≤0.075mm是30％，其余为0.5mm～0.075mm。

所述的原料配比还包括碳化硼粉粒度为40μm。

所述的粘结剂为煤沥青。

实施例2：一种高温气冷堆用炭砖，原料配比重量百分比为石油焦和沥青焦78％，碳化硼粉8％，粘结剂14％；所述的石油焦与沥青焦配比重量百分比为80％比20％。

所述的高温气冷堆用炭砖，所述的原料配比还包括所述的石油焦或沥青焦的粒度组成为：1.6～1.0mm是20％；1.0～0.5mm是14％；≤0.075mm是40％，其余为0.5mm～0.075mm。

所述的原料配比还包括碳化硼粉粒度为80μm。

所述的粘结剂为煤沥青。

实施例3：一种高温气冷堆用炭砖，原料配比重量百分比为石油焦和沥青焦72％，碳化硼粉5％，粘结剂23％；所述的石油焦与沥青焦配比重量百分比为60％比40％。

所述的高温气冷堆用炭砖，所述的原料配比还包括所述的石油焦或沥青焦的粒度组成为：1.6～1.0mm是15％；1.0～0.5mm是12％；≤0.075mm是35％，其余为0.5mm～0.075mm。

所述的高温气冷堆用炭砖，所述的原料配比还包括碳化硼粉粒度为60μm。

所述的粘结剂为煤沥青。

实施例4：一种高温气冷堆用炭砖的制备方法，其主要特点包括有如下步骤：

(1)原料破碎：将石油焦或沥青焦破碎；

(2)筛分：将破碎的石油焦或沥青焦按粒度筛分；

(3)配料：

A.按实施例1原料配比：

B.按实施例1石油焦或沥青焦的粒度组成；

碳化硼粉粒度：40～80μm；

(4)混捏：主要设备使用混捏机；使用混捏机对干料、粘结剂、添加剂进行均匀性混合，干混温度110±3℃，干混时间20分钟；湿混温度150±3℃，湿混时间45分钟；

(7)浸渍：在浸渍罐中，加煤沥青；压力为：1.5MPa保持2小时，充氮气；

(8)二次焙烧：焙烧采用环式炉进行，产品置于钢制匣钵中，温度达到1150℃，保温时间25小时。

(9)机械加工：主要使用机械加工组合机床进行加工。

所述的填充焦粒的粒度为0.075mm-10mm。

实施例5：一种高温气冷堆用炭砖的制备方法，其主要特点包括有如下步骤：

(3)配料：

A.按实施例2原料配比：

B.按实施例2石油焦或沥青焦的粒度组成；

碳化硼粉粒度：40～80μm。

(6)焙烧：焙烧采用环式炉进行，产品置于钢制匣钵中，在保温段，温度达到1200℃，保温时间15小时；

(7)浸渍：在浸渍罐中，加煤沥青；压力为：1.2MPa保持4小时，充氮气；

其余与实施例4相同。

实施例6：一种高温气冷堆用炭砖的制备方法，其主要特点包括有如下步骤：

(3)配料：

A.按实施例3原料配比：

B.按实施例3石油焦或沥青焦的粒度组成；

碳化硼粉粒度：40～80μm；其余与实施例4相同。

实施例7：一种高温气冷堆用炭砖的制备方法，其主要特点包括有如下步骤：

1)将原料骨料进行破碎

2)筛分(按照粒度分布筛分)

3)配料：

A按其原料配比(重量百分比)石油焦或/和沥青焦72％、碳化硼粉7％、粘结剂21％。

B按其干料粒度组成(重量百分比)为：1.6～1.0mm 17％；1.0～0.5mm 10％；≤0.075mm 35％。

4)混捏：使用混捏机对干料、粘结剂、添加剂进行均匀性混合，干混温度105±3℃，干混时间30分钟；湿混温度145±3℃，湿混时间55分钟；

5)成型：使用成型设备对混捏糊料给予一定的压力，使其具有固有的外形形状。

6)一次焙烧：焙烧采用环式炉进行。产品置于钢制匣钵中，焙烧炉最高焙烧温度为温度达到1180℃，保温时间25小时；

7)浸渍：在浸渍罐中，加入浸渍沥青；压力为1.8MPa，保持3小时，充氮。

8)二次焙烧：焙烧采用环式炉进行。产品置于钢制匣钵中，焙烧炉最高焙烧温度为温度达到1180℃，保温时间25小时。

通过上述实施例达到的物理机械性能指标如下表：

测试项目	要求值	实施例1	实施例2	实施例3	实施例7
						体积密度g/cm³	≥1.60	1.64	1.66	1.65	1.68
导热系数w/m·k	≤8.0	4.5	4.2	3.9	4.1
						抗拉强度MPa	≥10	11	13	13	14
抗压强度MPa	≥32	75	77	73	74
						热膨胀系数10-6/℃	≤5.0	4.78	4.36	4.52	3.79
各向异性比	≤1.2	1.1	1.1	1.1	1.1
						成品率％		79.81	80.22	80.58	80.47

从表中可以看出，炭砖的导热系数≤5.0w/m·k；抗压强度≥70MPa，成品率均达到80％以上，效果极为显著。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高温气冷堆用炭砖，其特征在于原料配比重量百分比为石油焦和沥青焦68～78％，碳化硼粉0～8％，粘结剂14～32％；所述的石油焦与沥青焦配比重量百分比为10％-80％比20％-90％。

2.如权利要求1所述的高温气冷堆用炭砖，其特征是所述的原料配比还包括所述的石油焦或沥青焦的粒度组成为：1.6～1.0mm是10～20％；1.0～0.5mm是8～14％；≤0.075mm是30～40％，其余为0.5mm～0.075mm。

3.如权利要求1和2所述的高温气冷堆用炭砖，其特征是所述的原料配比还包括碳化硼粉粒度为40～80μm。

4.如权利要求1至3所述的高温气冷堆用炭砖，其特征是粘结剂为煤沥青。

5.一种高温气冷堆用炭砖的制备方法，其特征是包括有如下步骤：

(1)原料破碎：将石油焦或沥青焦破碎；

(2)筛分：将破碎的石油焦或沥青焦按粒度筛分；

(3)配料：

碳化硼粉粒度：40～80μm；

(4)混捏：主要设备使用混捏机；

(5)挤压成型/振动成型；

(6)焙烧：在保温段，温度达到1150～1200℃，保温时间为15～25小时；

(8)二次焙烧：温度达到1150～1200℃，保温时间为15～25小时；

(9)机械加工。

6.如权利要求5所述的高温气冷堆用炭砖的制备方法，其特征是所述的振动成型重锤配重为10～30T。

7.如权利要求5所述的高温气冷堆用炭砖的制备方法，其特征是所述的焙烧时将毛坯产品放入钢质匣钵中，并在匣钵中填充焦粒后装入焙烧炉室中进行焙烧。

8.如权利要求7中所述的高温气冷堆用炭砖的制备方法，其特征是所述的填充焦粒的粒度为0.075mm-10mm。