CN104567401B - 熔融物中频感应高温加热装置 - Google Patents

Abstract

一种核工业领域的熔融物中频感应高温加热装置，包括：带有加热系统和水冷系统的真空室，该真空室设有测温装置、充、放气装置、以及真空发生装置，其中：真空发生装置、水冷系统、测温装置和加热系统分别与控制台相连，输出温度反馈信号、水量分配信号并分别接收功率控制信号和真空控制信号。本发明可以有效实现公斤量级熔融物的熔化并达到所需温度，从而为实验研究公斤级高温熔融物与冷却剂相互作用机理提供了切实可行的方法，为大型安全分析程序开发和验证实验的开展提供技术支持。

Description

熔融物中频感应高温加热装置

技术领域

本发明涉及的是一种核工业领域的超高温加热装置，具体是一种用于高温熔融物与冷却剂相互作用实验研究中为公斤级熔融物提供2000℃左右的远程可调高温加热装置。

背景技术

高温熔融物与冷却剂相互作用可能发生在核反应堆严重堆芯熔化事故中、冶金工业炼钢炉事故中、液化天然气制备与运输意外事故中以及自然界火山爆发时熔融岩浆冲出地表过程中等等。在核反应堆中，燃料与冷却剂相互作用(FCI)引起蒸汽爆炸的事故可能导致放射性物质向环境释放，严重威胁公众安全。尽管在过去半个世纪里对核反应堆中的FCI问题进行了大量研究，然而目前对一些关键物理机理和演化过程仍然没有弄清楚，其中公斤量级熔融物与冷却剂的相互作用机理就是其中遗留问题之一。现有的研究结果对小量级FCI作用机理基本可以进行正确的解释和预测，然而根据国外进行的公斤级FCI实验结果发现，小量级FCI机理与模型不能很好地预测公斤级实验结果，由此暗示公斤级FCI的机理将更加复杂，需要进一步深入观察和分析。为了完善高温熔融物与冷却剂相互作用的机理，填补国内对于这一现象公斤级研究的空缺，需要合理设计一套行之有效的实验装置，其中一个关键问题在于大量熔融物平稳安全的加热。快速而无危险的加热时开展本实验的重要保证。

经过对现有技术的检索发现，德国FZK的ECO、QUEOS，美国ANL的ZREX等在内的公斤级熔融物加热装置都具备功率高、可靠的冷却系统、较理想的真空氛围、精确的测温装置和放爆破装置等。特别是由于加热这种超高温熔融物增加了实验的危险性，需要通过远程操作以减少对实验人员的生命威胁，为了利用国内现有资源解决这一难题，创造性地开发远程操作式高温熔融物与冷却剂相互作用的公斤级熔融物中频感应高温加热装置，弥补了国内相关领域相关苛刻工况下的技术空白。

中国专利文献号CN102183144A公开(公告)日2011.09.14，公开了一种带有能量束辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，其包括一真空室、一冷坩埚、一感应圈、一给该感应圈提供电能的高频或中频感应电源、一真空‐充氩系统、一控制柜、一用来冷却该冷坩埚的冷却系统、一能量束发射头和一能量束发生器；该冷坩埚安装在该真空室内部，该感应圈安装在该真空室的内部，该感应圈环绕地安装在该冷坩埚的外部；该能量束发射头安装在该真空室的顶部，并位于该冷坩埚的上方；该能量束发生器连接该能量束发射头，该能量束发生器产生能量束并传输到该能量束发射头。但该技术存在测温装置安装及有效测量炉温的不准确问题，水冷铜坩埚 水路系统布置复杂的问题，不具备智能水量分配器的水冷系统，特别是坩埚底部的支撑部件需要合理设计，否则将极大助长坩埚的散热，造成熔融物温度偏离实验要求，以上问题都严重制约感应加热技术的发展和应用。

中国专利文献号CN1414146公开(公告)日2003.04.30，公开了一种氢气氛中使用感应加热钼坩埚提拉法生长蓝宝石晶体包括如下步骤：a、设置一个高温、恒温环境的保护和与晶体生长相适应的气体气氛环境保护的晶体生长真空室；b、中频感应加热钼坩埚的温场装置；c、使用还原性气氛保护气体—氢气；d、晶体生长的提拉装置；e、控制生长晶体等径的电子秤测量系统；f、使用由电子束提纯后的Al₂O₃原材料。但该技术加热过程中采用了还原性气氛氢气，但由于氢气是可燃性气体，易于出现操作不当而致爆炸的风险；由于其中心插有提拉棒，势必使得其测量的炉温出现不准确问题；另外该加热装置同样不具备有PID控制的水量分配功能，以实时满足不同热构建的冷却需要。为了满足高温熔融物与冷却剂相互作用实验的研究需要，还需要使原始感应加热装置具备添加释放装置的可能，因此在空间布置和结构选取方面均需要考虑一定的释放要求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种熔融物中频感应高温加热装置，可以有效实现公斤量级熔融物的熔化并达到所需温度，从而为实验研究公斤级高温熔融物与冷却剂相互作用机理提供了切实可行的方法，为大型安全分析程序开发和验证实验的开展提供技术支持。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：带有加热系统和水冷系统的真空室，该真空室设有测温装置、充、放气装置、以及真空发生装置，其中：真空发生装置、水冷系统、测温装置和加热系统分别与控制台相连，输出温度反馈信号、水量分配信号并分别接收功率控制信号和真空控制信号。

所述的加热系统用于熔融物的熔化及保温过程，包括：带有电源的电极以及设置于真空室内部的带有线圈的保温坩埚。

所述的电源为该超高温加热装置提供功率支持，保证该加热装置能够在1～1.5h内升温到2000℃左右。

所述的水冷系统位于真空室旁，用于提供感应线圈、真空机组、加热装置壳层间以及电源的冷却水，根据实际运行情况由PID调节水量，以保证各部件的正常运转并节约水源。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过远程控制，实现对公斤量级熔融物的加热熔化并较为准确地测量实际炉温；通过三层支撑结构的结合使用保证了坩埚底部散热的最小化；PID水量分配器的使用使得水冷系统在满足冷却要求的同时，避免了浪费；该装置同公斤级高温熔融物释放 装置配合，可以共同完成高温熔融物与冷却剂相互作用实验的研究工作，为核电厂安全分析奠定基础。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图中：放气装置1、测温装置2、电极3、充气装置4、真空发生装置5、控制台6、电源7、真空室8、带有保温材料的坩埚9。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：带有加热系统的真空室8，该真空室8设有电极2、测温装置2、充、放气装置4、1以及真空发生装置5，其中：真空发生装置5、测温装置2和电极2分别与控制台6相连，输出温度反馈信号、水量分配并分别接收功率控制信号和真空控制信号。

所述的加热系统包括：设置于坩埚9外部的感应线圈和与电源相连的电极3。

由于交流电的集肤效应，必须考虑感应电流的透入深度以保证热量能顺利传导，因此石墨坩埚的壁厚优选为2～5mm，进一步优选为3mm。

所述的坩埚9采用圆柱形坩埚，按照装料量为其总体积的1/3原则进行设计，为减少热损耗中很重要的两项即坩埚口向外的热辐射损耗功率和坩埚底向外热传导损耗功率，综合设计出石墨坩埚外径为80mm，高度为300mm，有效装料体积为859.732mL。

最后计算保温层厚度。保温层承担着保护感应器不被熔毁和为熔融物保温的作用。由于加热温度最高可达2000℃，通过查阅耐火材料的熔点，选择氧化铝包裹石墨毡作为保温层。采用300～2000℃平均热导率代入计算公式计算得保温层厚度为50～60mm。

所述的真空室为熔融物受加热的场所，由于加热装置内部工作温度仍然较高，为了防止真空室材料发生热应力变形或由于外部摩擦、撞击等造成的该装置损坏，并且预防实验中出现突发事故，如实验人员必须接触炉体时烫伤危险的发生，真空室均为双层壳体结构，内外壳层之间设计冷却水循环管道，用以进一步冷却加热装置真空室，有关冷却水的设计在水冷系统的设计小节会进行介绍。由于内壁需要具有一定耐高温能力且具有较好耐腐蚀的性能，因此初步采用成本较低廉且较通用的304不锈钢，其一般使用温度极限不超过650℃。对于外壁，用于工作环境为日常环境，则采用更为通用的优质碳钢即可。

真空室设计采用圆筒型结构，在真空室顶部设有放气系统接口，红外测温孔和观察孔、 表压计以及机械防爆装置，真空室侧壁设计有充气系统接口、抽真空接口以及电极引出接头。

放气系统接口设计在真空室顶部，用以连接废气收集装置，负责当实验中加热装置内产生少量气体后导致的系统压力略高于一标准大气压下后的排气。充气系统接口设计在真空室侧壁位置，用以连接氩气瓶，保证整个实验装置在实验过程中维持惰性环境。该充放气系统包括：QD‐10隔离阀、GM‐25隔膜阀、充气接管和DG1/4”电磁阀。

由于加热装置内工作温度达到2000℃，已经超过常用热电偶的温度使用范围，因此采用非接触式测温方式——红外测温。将红外测温仪对准即坩埚中心处(即加热装置内温度最高点)，以实时观测高温熔融物的温度是否达到实验工况要求。观察孔用石英玻璃覆盖，用以实验人员观测加热装置内的熔化状态、估测熔化温度与仪表显示温度的差距以及作为红外信号射出加热装置的通道，石英玻璃需要定期擦拭，以防止覆盖灰尘后影响测温效果以及可视化观察。

所述的机械防爆装置位于真空室顶部(图中未示出)用以执行一旦炉膛出现快速过压，排气系统排气效果不能满足要求，且抽真空泵不能正常运转时的应急保护。设计模式如下：阀体通过铰链连接在炉体顶端，当产生压力足以推动阀体时，阀体通过阀杆绕铰链旋转冲开，待工作环境正常后，可由实验人员手动旋闭。设计机械防爆装置开启值为0.2MPa，即炉膛内压力由于任何原因超过0.2MPa时，进行紧急卸压。

所述的真空发生装置包括：2X‐30旋片式真空泵及压差阀、真空计、波纹管、真空接管，其抽气速率为30L/s，极限压力小于6×10^{‐ 2}Pa，电机功率为3kW，泵转速为450rpm，冷却方式为水冷，冷却水用量大于1L/min。

电极引出接头设计在与真空接口相对的另一个侧面，用以连接中频电源。

加热装置真空室采用侧开门形式，真空室尺寸设计时要将方便实验人员更换料、清理加热装置内部与维修人员更换线圈的要求考虑在内，因此确定真空室内径为600mm，高度约为800mm，内外壳间距为50mm。炉门的功能是开关，便于样品存放及取出，要求保温及密封，且厚度及材料要求和炉壁一样。炉门为手动开合型，即一边用铰链与炉身相连，另一边通过加装密封条与真空室相接，炉门同样为双层设计，内部通以水冷管道，降低炉门温度防止炉门烧坏的情况发生，炉门设计尺寸约为700mm*800mm。

所述的电源为保证一次性熔化公斤级熔融物且使加热温度能快速达到2000℃，需采用可控硅中频电源。分别基于工业上进行的加热装置理论功率计算的面积负荷法和容积负荷法与热平衡法进行电源功率估算，最终，综合考虑电源使用寿命最高、电容器效率、中频感应器效率以及输电线路效率等，由市面电源选型，宜选择功率为50kW的电源。

所述的水冷系统位于真空室旁，具体包括：冷却水箱、管路以及设备中相对应的管接头，其中：冷却水箱中应具有冷却水量分配器，由自动控制系统形成反馈电路，当电源输出功率提 升或真空机组转速提高或炉内工作温度增加时，通过管道上的电接点水温表可以读取回水温度，进而通过PID调节，形成反馈信号输送给配水管的阀门，依次增大或减小对应于提供给电源冷却、真空机组冷却和加热装置壳层冷却的水量。特别地，对于中频电源，对于冷却水有严格的要求，水的杂质不能超标(无色、透明、无颗粒，中性水，可是弱碱性)，进水有严格的要求，水温不高于35℃，压力约0.25～0.3MPa，以充分保证冷却效果等。为保证中频电源的水质要求，设计用35℃的水，流量为0.59m³/h去冷却中频电源，其温升不高于41℃。

所述的红外测温装置主要采用美国RAYTEK品牌的红外测温仪，型号为MA2SC，测温范围为350℃～2000℃，距离系数D:S(测温仪探头到目标间距离D与被测目标直径比)＝300:1，精度为±{测量值*0.3％+1℃}。

所述的控制系统需主要完成四件工作：1.控制中频电源，即发送功率控制信号，通过远程操作，控制加热装置以何种功率进行加热，并可以通过自稳自调功能，实现熔融物的保温；2.控制真空泵，即发送抽真空开始与停止指令，以满足真空室内环境满足加热要求；3.控制水冷系统，即发送水冷系统主管路进水和关闭指令，保证加热装置在正常工作时具备适量的冷却水量，满足换热要求；4.反馈炉温信号，即接收红外测温装置发出的加热装置中心的温度信号，实时显示，以保证实验人员实时掌控加热炉内熔融物的温度信息，及时调整加热过程。

本装置的具体加热步骤为：

1)首先由控制台发出水冷系统总阀门打开命令，保证冷却水流经全部待冷却回路；

2)接着由控制台发出抽真空指令，待真空室达到真空度要求后，向真空室内第一次充入氩气，压力重新回升；待压力略高于1atm后，进行第二次抽真空，待再次达到真空度要求后，准备加热工序；

3)由控制台设置加热温度、功率等参数，熔融物开始受热，此时实验人员需密切关注加热装置内的温度值和压力值，当压力超过允许限制，立即进行抽真空操作或充放气操作；当温度达到实验要求，加热命令停止；

借助上述超高温装置，通过上述具体释放步骤，可实现大量高温熔融物快速稳定的达到2000℃左右超高温，为反应堆严重事故下高温熔融物与冷却剂相互作用实验研究的开展做好准备。

Claims (1)

1.一种熔融物中频感应高温加热装置，其特征在于，包括：带有加热系统和水冷系统的真空室，该真空室设有测温装置、充气装置、放气装置以及真空发生装置，其中：真空发生装置、水冷系统、测温装置和加热系统分别与控制台相连，输出温度反馈信号、水量分配信号并分别接收功率控制信号和真空控制信号；

所述的加热系统用于熔融物的熔化及保温过程，包括：带有电源的电极以及设置于真空室内部的带有线圈的保温坩埚；

所述的保温坩埚的保温层为氧化铝包裹的石墨毡；

所述的真空室为圆筒型双层壳体结构；

所述的水冷系统位于真空室旁边，包括：冷却水箱、PID控制的水量分配器、管路以及设备中相对应的管接头；当电源输出功率提升或真空机组转速提高或炉内工作温度增加时，通过管道上的电接点水温表读取回水温度，进而通过PID调节，形成反馈信号输送给配水管的阀门，依次增大或减小对应于提供给电源冷却、真空机组冷却和加热装置壳层冷却的水量；

对于中频电源，用35℃的水，流量为0.59 m³/h去冷却中频电源，其温升不高于41℃；

所述的保温坩埚的壁厚为2~5mm；

所述的坩埚采用圆柱形石墨坩埚，外径为80mm，高度为300mm，有效装料体积为859.732mL；

所述的保温层厚度为50~60mm；

所述的测温装置为对中式红外温度感应装置；

所述的真空室的顶部设有机械防爆装置，其开启值为0.2mPa；

所述的熔融物中频感应高温加热装置的具体加热过程为：

1)首先由控制台发出水冷系统总阀门打开命令，保证冷却水流经全部待冷却回路；

2)接着由控制台发出抽真空指令，待真空室达到真空度要求后，向真空室内第一次充入氩气，压力重新回升；待压力高于1atm后，进行第二次抽真空，待再次达到真空度要求后，准备加热工序；

3)由控制台设置加热温度、功率，熔融物开始受热，当压力超过允许限制，立即进行抽真空操作或充放气操作；当温度达到实验要求，加热命令停止。