CN105132841A - 一种CICC型RRP Nb3Sn超导线圈的热处理工艺技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CICC型RRP？Nb₃Sn超导线圈的热处理工艺技术，包括：（1）提供了一种CICC型RRPNb₃Sn超导线圈在热处理前布置与安装测温热电偶的工艺方法，能够完全实时地反映出该超导线圈整体在热处理过程中真实的温度状态；（2）提出了一种RRP？Nb₃Sn超导股线制成CICC型超导线圈最佳热处理工艺制度，解决了大型CICC型Nb₃Sn超导磁体在热处理过程中各保温平台温度不均匀性和时间不一致性的关键工艺技术问题；（3）给出了一种CICC型RRP？Nb₃Sn超导线圈在长时间热处理过程可能发生的各种故障的工艺处理措施，完善了该超导线圈最佳热处理工艺制度。

Description

一种CICC型RRP Nb3Sn超导线圈的热处理工艺技术

技术领域

本发明涉及一种CICC型RRP Nb₃Sn超导线圈的热处理工艺技术，具体的是采用RRP（Restack-Rod Process）Nb₃Sn超导股线制成CICC导体（Cable-in-Conduit Conductor,管状电缆超导体）连续绕制而成超导线圈的热处理工艺技术。

背景技术

国内最高稳态磁场装置—40T级混合磁体采用了产生33-34T中心场强内插水冷磁体和提供中心场强11T外超导磁体组合的技术方案，其外超导磁体由A、B、C和D线圈组合而成，各线圈由CICC导体绕制而成。CICC导体是一种把多级扭绞的超导电缆穿入不锈钢管道内的结构方式，它具有良好的自支撑、较低的交流损耗、所含低温冷却介质少以及超导股线与氦能够得到充分的换热等优点，是目前大型超导磁体中导体设计首选方案。为了减少超导接头的数量，外超导磁体中各超导线圈采用CICC导体连续绕制技术，即由一根CICC导体连续绕制而成，导体的两端将伸出作为进/出电流的引线。CICC导体内的冷却采用4.5K超临界氦进行迫流冷却，为了减少压降（即减少导体内部液氦的管路的长度）一般在超导线圈的外表面导体上开凿若干孔以安装液氦短管，这样可把由一根导体绕制的线圈分成若干段并联的液氦管路且长度不超过200m。

通常磁场强度超过10T以上的低温超导磁体需要使用Nb₃Sn超导材料。40T级混合磁体外超导磁体所有线圈采用的是一种RRP Nb₃Sn超导股线，它是采用内锡法工艺生产的高临界参数股线，用它制成CICC导体绕成的线圈需经过最高温度为640℃固态扩散反应热处理工艺，使得Nb-Sn合金组分生成超导Nb₃Sn化合物。

CICC型RRPNb₃Sn超导线圈的性能参数，如：临界电流密度（Jc）、临界磁场与温度（Bc与Tc）、RRR值以及n值等都与热处理工艺有关，对Nb₃Sn超导线圈的性能有影响的热处理工艺参数也有多个，其中热处理最高反应温度和持续的时间对Nb₃Sn的形成和磁体超导性能的影响最为显著。CICC型RRP Nb₃Sn超导线圈热处理环境条件比Nb₃Sn超导股线要复杂得多，一方面，Nb₃Sn超导线圈具有一定的质量和体积，线圈上任何部位的温度均匀性和温度持续的时间决定了线圈整体超导性能的好坏；另一方面，Nb₃Sn超导线圈需要经过时间长达500hr的热处理过程，意外事件的出现，如：热处理系统设备断电或故障等，是不可避免的，这需要在热处理工艺上有补救措施；再者，Nb₃Sn超导线圈中由超导线经多股绞缆后封装在导管内形成的CICC导体，导体的匝间与层间以及线圈的整体都包缠了玻璃丝绝缘材料，它们都要参与整个热处理过程。由于热处理过程中Nb₃Sn超导线圈中CICC导体的温度变化将直接影响到超导磁体热处理后的整体性能，为了能够全面地掌握在热处理过程中超导磁体中Nb₃Sn导体每部分的温度变化情况，在热处理前需要布置若干测温热电偶，所布置的热电偶不但需要能够准确地测量出超导磁体中Nb₃Sn导体上的温度值，而且能够准确地反映出整个超导磁体中Nb₃Sn导体温度分布情况。因此，针对外表面包缠了玻璃丝绝缘材料的Nb₃Sn超导线圈，如何准确地监测超导磁体中Nb₃Sn导体的温度变化情况是热处理工艺过程中的主要关注点。

CICC型RRPNb₃Sn超导线圈的研制在国内尚属首次，所牵涉到热处理工艺是保证该线圈的超导性能重要环节。发明专利 CN 201010588529.1公开了一种井式真空充气保护Nb₃Sn 线圈热处理炉系统，该套系统能够满足CICC型RRP Nb₃Sn超导线圈热处理工艺要求。本发明是结合该设备的使用性能提出的一种CICC型RRP^@ Nb₃Sn超导线圈的热处理工艺技术，很好地解决了大尺寸的Nb₃Sn超导线圈在热处理过程中所出现的各种工艺问题，并通过模索和积累获得了线圈最佳的热处理工艺制度，确保了Nb₃Sn超导线圈具有良好整体性能，可为对以后采用不同类型Nb₃Sn超导材料，如青铜法、内锡法以及管装粉末法等，制成的大型超导Nb₃Sn线圈开展热处理工艺研究和设计提供有价值参考。

发明内容：

由于Nb₃Sn超导材料是脆性材料，同时对应力应变具有敏感性，通常大型Nb₃Sn超导线圈都采用先绕制后反应的工艺制作路线，既先采用特殊结构的Nb-Sn合金组分的复合线材制成CICC型导体后绕制成磁体，再通过固态扩散反应热处理使Nb-Sn合金组分的结构形成具有超导电性的金属间化合物Nb₃Sn超导层，因此Nb₃Sn超导线圈的热处理工艺直接影响超导磁体的性能。本发明提供一种CICC型Nb₃Sn超导线圈的热处理工艺技术，很好地处理大尺寸CICC型Nb₃Sn超导线圈在热处理过程中所出现的各种工艺问题，如：热处理过程中线圈上温度监测、线圈上温度均匀性以及温度平台持续的时间等，确保了大质量的Nb₃Sn 超导线圈的热处理后整体超导性能，即在获得较高的临界电流密度等性能参数同时，又确保了该超导线圈具有一定的稳定裕度。

本发明采用的技术方案是：

一种CICC型RRPNb₃Sn超导线圈的热处理工艺技术，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在CICC型 RRP Nb₃Sn超导线圈热处理前布置与安装测温热电偶：

1）选取热电偶的布置点：a、在超导线圈（2）的重要部位，如：线圈导体引/出线（3）和（5）、线圈的液氦短管（4）上布置测点；b、在超导线圈（2）底部托架（1）上验证样品放置处布置测点；c、在超导线圈（2）上、中、下部位的内/外表面三个不同方位上布置测点；

2）各个温度测点的热电偶的安装工艺要求：a、在线圈导体引/出线（3）和（5）、线圈的液氦短管（4）部位安装测点时，热电偶传感部位直接与裸露在外的CICC超导导体和与导体相通的液氦短管接触并进行固定；b、在验证样品放置处安装测点时，热电偶传感部位直接与超导线圈底部托架（1）（金属材料）表面不同位置（即放置测试样品附近）接触并进行固定；c、在超导线圈的内外表面不同位置安装测点时，热电偶传感部位通过金属过渡件与CICC超导导体相接触但不能破坏超导线圈的绝缘结构；

3）各个温度测点的热电偶的具体安装方法是：先在超导线圈内外表面不同位置处附近的热处理夹具中金属夹板（6）上焊上开凿有Ø3 mm、深20 mm沉孔的圆柱形金属过渡件（9），该金属过渡件（9）的一端侧面焊有长为5 mm锥形尖刺，锥形尖刺能透过线圈绝缘结构（即包绕的玻璃丝布带）（8）与线圈CICC超导导体（7）接触，后在金属过渡件（9）的Ø3 mm沉孔里紧紧地插入热电偶传感部位（10）；

（2）利用RRP Nb₃Sn超导股线制成CICC型超导线圈的最佳热处理工艺制度：

210℃/48hr ^(a) + 400℃/48hr ^(a) + 570℃/4hr ^(b) + 640℃/60hr^(c)，升温速率是10℃/hr,热处理完成后以10℃/hr降温到低于500℃，然后随炉冷却；其中，（a）表示在210℃和400℃这两个保温平台，Nb₃Sn超导线圈温度最低部位可以延迟到100hr以上以确保在两个平台要求的48hr反应持续时间内磁体上所有部位温度的一致性，即210℃±2.5℃和400℃±2.5℃；（b） 表示为了减少640℃保温平台的延迟时间和防止线圈上最高温度超过640℃，预先增加的570℃/4hr保温平台；（c）表示当超导线圈所有部位温度应在635-640℃范围时可认为进入640℃保温平台，其温度最高部位在640℃保温平台的持续时间应控制在70hr以内而温度最低部位在640℃保温平台的持续时间超过50hr以上；

（3）CICC型 RRP Nb₃Sn超导线圈在长时间热处理过程可能发生的各种故障的工艺处理措施，完善了该超导线圈最佳热处理工艺制度：

当发生了最严重的故障，一时没有排除的对策，立即中止热处理，并以较快速率降到室温，同时记下中止热处理那个时刻的状态，如：热处理温度以及在该温度下持续反应时间量，待故障排除后可重新恢复热处理，具体做法是以快的速度升至到发生热处理中断时刻的状态，并按最佳热处理制度继续进行下去。

这些故障包括外部的电网故障引起的热处理炉系统断电以及热处理炉及其附属设备，如：真空系统、控制系统以及加热系统等的机械与电器元件所产生的故障等。

作为CICC型RRP Nb₃Sn超导线圈的热处理工艺技术中的一个组成部分，即在热处理过程中控制热处理炉膛内和导体电缆空间内杂质气体含量（如：H₂O、O₂、CH）的工艺方法，这部分技术内容已在发明专利 CN 201010588529 .1的“一种井式真空充气保护Nb₃Sn线圈热处理炉系统”已描述。

本发明提出一种CICC型 RRP Nb₃Sn超导线圈的热处理工艺技术，很好地解决了大型CICC型RRP Nb₃Sn超导磁体在热处理过程中各保温平台温度不均匀性和时间不一致性的关键技术问题，保证了超导磁体热处理后的整体超导性能。实践证明：采用本发明的热处理工艺技术，通过对40T级混合磁体外超导磁体各级线圈进行热处理，热处理后所有线圈的主要性能指标达到或超过了设计指标，即在12T，4.2K下其临界电流≥540A，RRR值≥100。

本发明的优点是：

本发明提供了一种CICC型RRP Nb₃Sn超导线圈在热处理前布置与安装测温热电偶的工艺方法，能够完全实时地反映出该超导线圈整体在热处理过程中真实的温度状态，这为该超导线圈的热处理工艺过程提供准确的温度参数。

本发明提出了一种RRP Nb₃Sn超导股线制成CICC型超导线圈最佳热处理工艺制度，很好地解决了大型CICC型RRP Nb₃Sn超导磁体在热处理过程中各保温平台温度不均匀性和时间不一致性的关键工艺技术问题，能够确保了该大质量超导线圈的热处理后整体超导性能，即获得较高的临界电流密度等性能参数，同时又确保了该超导线圈具有一定的稳定裕度。

本发明给出了一种CICC型RRP Nb₃Sn超导线圈在长时间热处理过程可能发生的各种故障的工艺处理措施，可以保证该超导线圈热处理后整体超导性能，一方面完善了该超导线圈最佳热处理工艺制度，同时也避免了不必要的损失。

附图说明：

图1为热处理前CICC型RRP Nb₃Sn超导线圈（含热处理工装夹具）的结构示意图。

图2 为图1 的A部线圈截面放大结构示意图。

图3 为本发明对CICC型RRPNb₃Sn超导线圈提出的最佳热处理工艺制度示意图。

图4为40T级混合磁体外超导磁体B线圈在热处理期间断电事件发生前后的热处理过程曲线图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

（1）在CICC型 RRP Nb₃Sn超导线圈热处理前布置与安装测温热电偶：

在CICC型RRPNb₃Sn超导线圈的热处理进行之前，对超导线圈表面需要布置若干温度测点（热电偶），各温度测点（热电偶）的布置与安装工艺将非常关键。热电偶布点原则是：所布置的有限测点应完全实时地反映出超导线圈整体在热处理过程中真实的温度状态。图1为热处理前CICC型RRPNb₃Sn超导线圈（含热处理工装夹具）。温度测点（热电偶）的布置工艺要求是：（1）在超导线圈2的重要部位，如：线圈导体引/出线3和5、线圈的液氦短管4上布置测点；（2）在超导线圈底部托架1上验证样品放置处布置测点；（3）在超导线圈2上、中、下部位的内/外表面三个不同方位上应布置测点。温度测点（热电偶）的安装工艺要求是：（1）在线圈引出线、液氦短管等部位安装测点时，热电偶传感部位可直接与裸露在外的CICC超导导体和与导体相通的液氦短管接触并进行固定；（2）在验证样品放置处安装测点时，热电偶传感部位可直接与超导线圈底部托架1（金属材料）表面不同位置（即放置测试样品附近）接触并进行固定；（3）在超导线圈的内外表面不同位置安装测点时，热电偶传感部位通过金属过渡件与CICC超导导体相接触但不能破坏超导线圈的绝缘结构，具体做法如图2所示是：先在超导线圈内外表面不同位置处附近的热处理夹具中金属夹板6上焊上开凿有Ø3 mm深20 mm沉孔的园柱形金属过渡件9，该过渡件9的一端侧面焊有长为5 mm锥形尖刺，锥形尖刺能透过线圈绝缘结构（即包绕的玻璃丝布带）8与线圈CICC超导导体7接触，后在金属过渡件9的Ø3 mm沉孔里紧紧地插入热电偶传感部位10。

（2）利用RRP Nb₃Sn超导股线制成CICC型超导线圈的最佳热处理工艺制度：

CICC型RRPNb₃Sn超导线圈的热处理工艺关键是确定合适的热处理工艺制度。一般而言，股线供货商会提供RRP Nb₃Sn股线短样的最优化热处理工艺制度，它不能直接作为大质量Nb₃Sn超导磁体进行热处理的工艺制度，但它是制定的该超导磁体热处理工艺制度的依据和基础。RRP Nb₃Sn股线供货商OST提供的最优化热处理工艺制度（见图1）是：210℃/48hr + 400℃/48hr + 640℃/60hr，升温速率是10℃/hr,热处理完成后以10℃/hr降温到低于500℃，然后随炉冷却。由于Nb₃Sn超导线圈具有大质量和大尺寸，线圈在热处理过程中很难做到其各个部位温度同时达到210℃、400℃和640℃这三个温度平台点。为了获得较高的各项超导性能参数，CICC型RRPNb₃Sn超导线圈热处理遵循的原则是热处理制度尽量接近超导线生产厂家提供的最优热处理制度，即在保证210℃和400℃两个平台上线圈内温度均匀度同时，640℃平台上线圈最高反应温度不能超出640℃且持续的时间不能过长。根据多次实践，本发明对CICC型RRP Nb₃Sn超导线圈提出的最佳热处理工艺制度，如图2所示，即：210℃/48hr ^(a) + 400℃/48hr ^(a) + 570℃/4hr ^(b) + 640℃/60hr^(c)，升温速率是10℃/hr,热处理完成后以10℃/hr降温到低于500℃，然后随炉冷却。在最佳热处理工艺制度中，（a）表示在210℃和400℃这两个保温平台，Nb₃Sn超导线圈温度最低部位可以延迟到100hr以上以确保在两个平台要求的48hr反应持续时间内磁体上所有部位温度的一致性，即210℃±2.5℃和400℃±2.5℃；（b） 表示为了减少640℃保温平台的延迟时间和防止线圈上最高温度超过640℃，预先增加的570℃/4hr保温平台；（c）表示当超导线圈所有部位温度应在640℃（+0℃，-5℃）范围时可认为进入640℃保温平台，其温度最高部位（即640℃）在640℃保温平台的持续时间应控制在70hr以内而温度最低部位（即635℃）在640℃保温平台的持续时间应超过50hr以上。

（3）CICC型 RRP Nb₃Sn超导线圈在长时间热处理过程可能发生的各种故障的工艺处理措施，完善了该超导线圈最佳热处理工艺制度：

CICC型RRPNb₃Sn超导线圈的热处理过程是一个长时间的过程，在这个过程中热处理炉系统各设备很可能发生故障，有的故障不能及时地排除或修复，则需要中止热处理。为了保证超导线圈热处理后的性能参数，本发明给出了这种状况下热处理补救工艺，即当发生了最严重的故障，一时没有排除的对策，可立即中止热处理，并以较快速率降到室温，同时记下中止热处理那个时刻的状态，如：热处理温度以及在该温度下持续反应时间量等，待故障排除后可重新恢复热处理，具体做法是以快的速度升至到发生热处理中断时刻的状态，并按最佳热处理制度继续进行下去。图3为40T级混合磁体外超导磁体B线圈在热处理期间断电事件发生前后的热处理过程曲线。实际证明：热处理过程发生的各种故障，如：断电等，采用本发明的热处理补救工艺措施是可以保证CICC型RRPNb₃Sn超导线圈热处理后整体超导性能。

Claims (1)

1.一种CICC型RRP Nb₃Sn超导线圈的热处理工艺技术，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在CICC型RRP Nb₃Sn超导线圈热处理前布置与安装测温热电偶：

1）选取热电偶的布置点：a、在超导线圈（2）的重要部位，如：线圈导体引/出线（3）和（5）、线圈的液氦短管（4）上布置测点；b、在超导线圈（2）底部托架（1）上验证样品放置处布置测点；c、在超导线圈（2）上、中、下部位的内/外表面三个不同方位上布置测点；

2）各个温度测点的热电偶的安装工艺要求：a、在线圈导体引/出线（3）和（5）、线圈的液氦短管（4）部位安装测点时，热电偶传感部位直接与裸露在外的CICC超导导体和与导体相通的液氦短管接触并进行固定；b、在验证样品放置处安装测点时，热电偶传感部位直接与超导线圈底部托架（1）表面不同位置接触并进行固定；c、在超导线圈的内外表面不同位置安装测点时，热电偶传感部位通过金属过渡件与CICC超导导体相接触但不能破坏超导线圈的绝缘结构；

3）各个温度测点的热电偶的具体安装方法是：先在超导线圈内外表面不同位置处附近的热处理夹具中金属夹板（6）上焊上开凿有Ø3 mm、深20 mm沉孔的圆柱形金属过渡件（9），该金属过渡件（9）的一端侧面焊有长为5 mm锥形尖刺，锥形尖刺能透过线圈绝缘结构（8）与线圈CICC超导导体（7）接触，后在金属过渡件（9）的Ø3 mm沉孔里紧紧地插入热电偶传感部位（10）；

（2）利用RRP Nb₃Sn超导股线制成CICC型超导线圈的最佳热处理工艺制度：

210℃/48hr ^(a) + 400℃/48hr ^(a) + 570℃/4hr ^(b) + 640℃/60hr^(c)，升温速率是10℃/hr,热处理完成后以10℃/hr降温到低于500℃，然后随炉冷却；其中，（a）表示在210℃和400℃这两个保温平台，Nb₃Sn超导线圈温度最低部位可以延迟到100hr以上以确保在两个平台要求的48hr反应持续时间内磁体上所有部位温度的一致性，即210℃±2.5℃和400℃±2.5℃；（b） 表示为了减少640℃保温平台的延迟时间和防止线圈上最高温度超过640℃，预先增加的570℃/4hr保温平台；（c）表示当超导线圈所有部位温度应在635-640℃范围时可认为进入640℃保温平台，其温度最高部位在640℃保温平台的持续时间应控制在70hr以内而温度最低部位在640℃保温平台的持续时间超过50hr以上；

（3）CICC型RRP Nb₃Sn超导线圈在长时间热处理过程可能发生的各种故障的工艺处理措施，完善了该超导线圈最佳热处理工艺制度：

当发生了最严重的故障，一时没有排除的对策，立即中止热处理，并以较快速率降到室温，同时记下中止热处理那个时刻的状态，如：热处理温度以及在该温度下持续反应时间量，待故障排除后可重新恢复热处理，具体做法是以快的速度升至到发生热处理中断时刻的状态，并按最佳热处理制度继续进行下去。