CN104805506A - 一种基于液态金属强化换热控制坩埚热应力的方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于液态金属强化换热控制坩埚热应力的方法，是将坩埚壁制成双层结构，内外坩埚壁之间留有间隙，在间隙中填充液态金属；通过液态金属强化壁面的温度传递，降低坩埚壁面温度梯度，减小坩埚壁面热应力。本发明不需要改变外部加热条件的情况下来达到控制坩埚壁热应力，为不同热环境下结构热应力的控制提供了一种新的方法。

Description

一种基于液态金属强化换热控制坩埚热应力的方法
技术领域
本发明涉及一种基于液态金属强化换热控制坩埚热应力的控制方法，具体地说，是通过对坩埚内部注入液态金属的方法进行强化换热，以削弱坩埚壁面的温度梯度，从而达到减弱热应力的目的。
背景技术
热应力，又称变温应力，它是由于构件受热不均匀而存在着温度差异,各处膨胀变形或收缩变形不一致,相互约束而产生的内应力。其广泛存在于坩埚、锅炉、汽轮机等设备和过程中，是结构应力的一种存在形式。其存在的环境及特点可概括如下：
在晶体生长系统中，坩埚在使用过程中受到长时间周期性加热、冷却作用，坩埚轴向和径向都存在温度梯度，在晶体生长过程中在晶体生长过程中坩埚内壁所受应力，热辐射边界和热对流边界发生变化，引起体积的不均匀膨胀和收缩，在坩埚内部产生了相应的循环热震冲击产生微裂纹。在长期循环使用过程中，微裂纹在冷热交换冲击作用下不断产生、扩展。当到达一定程度后，会使坩埚产生贯穿整个壁厚的大裂纹而彻底报废。
由于锅炉在启动过程中各个部件以及管道的温度和热应力都要发生很大的变化。热应力随着温差的变化使金属产生疲劳。当热应力超过允许的极限值时，会使部件产生裂纹乃至造成的损坏。
火力发电厂的功率不断符合电网的需要，汽轮机的负荷要随之频繁变化，这将导致汽轮机转子中的瞬态温度分布，从丽引起瞬态热应力，导致转子金属材料的热疲劳。
正因为以上特性，热应力是坩埚、锅炉及汽轮机系统的不利因素之一，通常是通过减小温度梯度方法来减弱热应力，而大多数场合和时间外部的温度场是很难控制或改变的，因而并不能够对热应力进行有效控制。
可以看出，对热应力控制的方法是一种被动的方法，目前还没有有效的方法对热应力进行控制。为了尽量缓解或控制热应力的影响，必须通过其他技术手段来控制热应力的强度。
发明内容
本发明的目的是给出一种基于液态金属强化换热的方法控制坩埚热应力的方法，其可以有效地减小坩埚壁的热应力。
为实现上述目的，本发明提供的基于液态金属强化换热控制坩埚热应力的方法，是将坩埚壁制成双层结构，内外坩埚壁之间留有间隙，在间隙中填充液态金属；通过液态金属强化壁面的温度传递，降低坩埚壁面温度梯度，减小坩埚壁面热应力。
所述的方法中，液态金属的膨胀系数与坩埚壁相当。
本发明的优点在于：
1)通过对液态金属的引入，坩埚壁面的温度梯度得到削弱，在相同加热条件下，坩埚壁面最大热应力从120kPa减小到95kPa，减小幅度达到21％；
2)不需要改变外部加热条件的情况下来达到控制坩埚壁热应力，为不同热环境下结构热应力的控制提供了一种新的方法。
附图说明
图1A是典型坩埚结构剖面结构示意图。
图1B是本发明的坩埚剖面结构示意图。
图2是本发明坩埚与典型坩埚沿周向温度分布对比示意图。
图3是本发明坩埚与典型坩埚沿周向热应力分布对比示意图。
附图中符号说明
1坩埚外壁，2坩埚内壁，3液态金属。
具体实施方式
本发明的基于液态金属强化换热控制坩埚壁面热应力的控制方法，是在坩埚内部填充液态金属，强化坩埚壁的换热效率，减小坩埚壁面存在的温度梯度；由于坩埚壁面温度梯度减小，因而减小了坩埚壁面存在的热应力。更进一步的是，本发明的坩埚是双层壁面结构，且内部存在间隙。液态金属的熔点较低，且膨胀系数与坩埚壁相当。
本发明提供的基于液态金属强化换热技术控制坩埚热应力方法，使坩埚壁面除了本身的导热外，还通过坩埚壁内部的液态金属的对流进行强化换热，以消除坩埚表面的温度梯度。此温度梯度的减弱能够减小坩埚的热应力大小，从而有效延长坩埚的使用寿命。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参见图1A，典型坩埚(本实施例是以半椭圆形坩埚为例)是一个单层壁面结构，典型坩埚沿周向温度分布和热应力分布如图2和图3所示。
请结合图1B，本发明是在典型坩埚1基础上，坩埚壁制作成双层结构，且在坩埚外壁1和坩埚内壁2之间留有间隙，在间隙中填充液态金属3。通过液态金属的引入能有效强化壁面的温度传递，降低坩埚壁面温度梯度，从而有效减小坩埚壁面热应力，通过基于液态金属强化换热的坩埚壁面温度和热应力分布图2和图3所示。
通过对典型的铁坩埚填充液态金属镓基合金进行强化换热，坩埚壁面的温度梯度减小，其坩埚壁面热应力与不采用控制时相比降低达21％(在相同温度分布条件下热应力的最大值从120(kPa)减小为95(kPa))。
该基于液态金属强化换热法并没有通过传统的改变外围环境温度的方法来控制热应力，为控制热应力大小提供了一种新的方法。

Claims (2)

1.一种基于液态金属强化换热控制坩埚热应力的方法，是将坩埚壁制成双层结构，内外坩埚壁之间留有间隙，在间隙中填充液态金属；通过液态金属强化壁面的温度传递，降低坩埚壁面温度梯度，减小坩埚壁面热应力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，液态金属的膨胀系数与坩埚壁相当。
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