CN105276979B - 一种实验用真空电阻炉 - Google Patents

Abstract

本发明实验设备涉及一种耐高速流液态金属腐蚀实验用真空电阻炉，该电阻炉由控制柜、炉体系统、真空系统三大部分组成。本发明设备工作温度为500±50℃，最高工作温度为600℃。坩埚及搅拌件的材料采用具有优越耐蚀性能的316L合金制成，炉体材料用普通的碳钢制成，坩埚可容纳170kg的液态金属液，该电阻炉设计结构科学且合理，可在工作温度内实现0.6Pa的真空度；叶轮可实现叶片边缘处液态金属3‑5m/s的流速，空炉压升率<5Pa/h。本发明可对核工业领域高速流液态金属对核反应设备冷却的过程进行模拟，解决了核工业领域研究实验化的难题，为科研的进行提供了有力保证。

Description

一种实验用真空电阻炉

技术领域

本发明涉及核反应堆，特指一种实验型真空电阻炉，采用电阻丝加热，用于教学实验环境中模拟核反应堆液态金属冷却循环回路中的一个过程，为核工程领域的研究提供了好的平台。

背景技术

在核工程领域，使用传统的液态水对装置进行冷却越来越不能满足要求，由于液态金属具有良好导热性能，常被用作原子能反应堆的冷却剂；但液态金属长时间的运转会对核设备造成一定程度的腐蚀，其腐蚀剂里至今尚不明确，因此研究液态金属腐蚀对材料的腐蚀机制具有重要意义，为提高核反应堆过流部件的耐腐蚀性能及服役寿命提供理论依据；本发明真空电阻炉根据核反应设备中液态金属循环冷却过程设计，模拟核反应堆液态金属冷却循环回路环境进行科研实验，为核工程领域的研究提供了可靠的数据。

发明内容

本发明实验设备涉及一种耐高速流液态金属腐蚀实验用真空电阻炉，该电阻炉由控制柜、炉体系统、真空系统三大部分组成。本发明设备工作温度为500±50℃，最高工作温度为600℃。坩埚及搅拌件的材料采用具有优越耐蚀性能的316L合金制成，炉体材料用普通的碳钢制成，坩埚可容纳170kg的液态金属液，该电阻炉设计结构科学且合理，可在工作温度内实现0.6Pa的真空度；叶轮可实现叶片边缘处液态金属3-5m/s的流速，空炉压升率<5Pa/h。本发明可对核工业领域高速流液态金属对核反应设备冷却的过程进行模拟，解决了核工业领域研究实验化的难题，为科研的进行提供了有力保证。

一种实验用真空电阻炉，能够模拟核工业领域高速流液态金属对核反应设备冷却的过程，包括控制柜、炉体系统、真空系统和水冷系统组成；所述控制柜通过电缆与炉体系统和真空系统相连，使得炉体系统中的温度、搅拌速度和真空系统的真空度都能够在控制柜上显示。

所述炉体系统包括炉体，炉体上方设有炉盖，炉体内壁由加热用电阻丝、保温加热层和埋入式热电偶测温装置组成，加热用电阻丝和埋入式热电偶测温装置都位于保温加热层内部，炉体内设有坩埚并被保温加热层包围，坩埚底部由石英板固定，其特征在于：坩埚采用具有优越耐蚀性能的316L合金制成；炉盖上设有插入式测温装置，搅拌系统、试样台和能够使得搅拌系统和试样台上下升降的升降机构，搅拌系统位于炉盖中心位置；所述搅拌系统包括配有减速器的搅拌电机，与搅拌电机相匹配的带有密封圈的搅拌轴，搅拌轴通过炉盖上的通孔伸入到坩埚内部，位于试样台上方，搅拌轴下方配有叶轮，所述搅拌轴密封圈采用双层密封模式；叶轮采用三叶片形式，三个叶片处于同一平面，三个叶片平均分布在转动轴上，叶片之间程120°角（见图4），避免引起金属腐蚀液的严重飞溅；叶轮叶片上沿径向均匀分布有4个试样槽，试样槽呈梯形（见图5），利用盖面板机械固定梯形试样，方便实验者操作；试样台位于坩埚底部，由316L合金制成，试样台呈内十字环形，由试样台提升轴固定，试样台提升轴通过炉盖上的通孔与搅拌系统的搅拌电机机械固定，能够跟随搅拌系统一起实现上下升降运动；所述升降机构包括提升电机，提升电机固定在搅拌电机上方。

所述试样台提升轴位于坩埚内，距坩埚侧壁5mm。

所述真空系统包括配有真空管道的2×70旋片式真空泵和ZJP-150罗茨泵，罗茨泵通过管道与炉体相连，管道上设有压力表和能够向炉内充气的阀门，能够向炉内充保护气。

旋片式真空泵的功率为5.5KW，泵转速420r/min，极限压力5×10^-2Pa；罗茨泵的功率2.2KW，泵转速2900r/min，极限压力5×10^-2Pa；炉内真空度达到了0.6Pa，压升率为3.2Pa/h。

所述水冷系统包括炉体、搅拌系统的搅拌轴和真空系统上设置的循环水冷装置，为常规技术手段，这里不再详细介绍。

所述搅拌系统中叶轮转速连续可调，使搅拌叶边缘处液态金属腐蚀液的流速达到3~5m/s。

测温系统包括插入式热电偶测温装置和埋入式热电偶测温装置。

炉盖上设有真空照明装置和装有6个旋转型镜片的视察窗。

所述搅拌轴密封圈，其特征在于：上层采用耐磨性能较好的丁晴橡胶，下层采用耐高温的氟橡胶；耐磨和耐高温本是橡胶使用过程中程对立状态，传统的丁晴胶耐磨，但使用温度一般不超过100℃，而氟橡胶恰好相反，它的使用温度可以提高到200℃以内，但是耐磨性相对较差，为了使设备能够长时间的正常运行，加强密封效果，本发明真空电阻炉采用双密封模式，两层密封圈共同作用，弥补了彼此的不足，同时，在转轴处设有循环水冷装置，有效的保护了炉体的密封性。

所述试样台表面开有均匀分布的燕尾槽，用于固定试样，可测一定流速下的腐蚀情况实验。

所述升降机构有限位，防止过度提升导致滑脱；转动轴上标有标准刻度，以便读出升降的位置。

所述炉体系统中的测温系统，其特征在于采用双测温模式，炉体内壁的埋入式热电偶测温装置和炉盖上插入式热电偶测温装置共同作用完成测温模式；由于埋入式热电偶感应的是坩埚壁的温度，而不是液态金属的温度，故埋入式热电偶在实验过程中反馈的数据会有一定的误差，此时的插入式热电偶就很好的弥补这一不足，本设计发明可以有效的矫正这一误差。

本发明的优点为：本发明设计与现有技术相比，具有的有益效果如下：本发明是建立在熔炼炉的基础上，结合搅拌叶轮动力学和流体力学的原理，创造发明了这一可提供高速旋转模式的真空电阻炉，它有效模拟了核反应设备冷却过程的复杂环境，为科研的进行提供了有效的实验数据。

为了实现上述目的，本新型真空电阻炉采取以下设计方案：

1、真空电阻炉采用电阻丝加热，最高工作温度可达600℃。

2、真空系统（7）由JZP-150罗茨泵作为前级泵和2×70旋片式真空泵作为次级泵共同作用达到工作状态下0.6Pa的真空度。

3、测温系统采用埋入式热电偶测温装置和插入式热电偶测温装置共同作用完成测温模式，弥补了单一使用埋入式热电偶在测温过程中产生的温差，保证了温度的可靠性。

4、坩埚、搅拌叶，搅拌抽，试样台采用耐腐蚀性能良好的316L合金制成。

5、叶轮采用三叶片形式，叶片程平面式无倾斜角度，平均分布在搅拌轴上，叶片相互之间呈120°，见附图4；叶轮上分布有试样槽，利用盖面板机械固定试样，盖面板见附图5；三个叶片一次可放12个试样，其次还设计了可随搅拌电机上下提升的试样台，可获得不同深度的实验数据，同时减少了实验的重复性。

6、搅拌电机采用高功率（2800W）的电机，使得叶轮可产生较大的转速，电机转速连续可调。

遇到的问题及解决方法

本实验设备要求搅拌电机长时间高速运行，过程中会产生大量的热能，使密封圈很难长时间使用，导致实验装置的密封性得不到保证。

耐磨和耐高温本是橡胶使用过程中程对立状态，传统的丁晴胶耐磨，但使用温度一般不超过100℃，而氟橡胶恰好相反，它的使用温度可以提高到200℃以内，但是耐磨性相对较差，为了使设备能够长时间的正常运行，加强密封效果，本真空电阻炉采用双密封模式，两层密封圈共同作用，弥补了彼此的不足，同时，在转轴处设循环水冷装置，有效地保护了炉体的密封性；为了得到在工作温度下有较高的真空度，要求炉体结构、密封结构、法兰连接设计要合理、科学；设备验收实现了极限真空度≤6.67×10-1Pa，工作真空度<1Pa，压升率空炉≤5Pa/h。

传统的搅拌叶片，在高速旋转的情况下，会产生很大的离心力，使得液态金属产生严重的飞溅，不能达到预期的实验效果，所以要求搅拌叶轮的特殊设计，利用叶轮与液态金属的相对速度。叶片采取平面式，可放试样见附图4，试样由盖板机械紧固；叶片焊接在搅拌轴上，使其无松动、无摇摆、不会脱落，安全可靠。

附图说明：

图1 本发明真空电阻炉的主视图，

图2 本发明真空电阻炉的俯视图，

图3 本发明真空电阻炉的左视图。

图4 本发明的叶轮示意图

图5 叶轮盖面板示意图

图6 试样台示意图

1、控制柜；2、电缆；3、升降机构；4、炉体；5、插入式测温装置；6、炉盖；7、真空系统；8、保温加热装置；9、坩埚；10、搅拌系统；11、视察窗；12、炉盖密封圈；13、工作台；14、试样台提升轴；15、真空照明装置；16、水冷系统；17、锁攀；18、挡板机构；19、铭牌；20、试样台；21、提升电机；22、搅拌电机；23、减速器；24搅拌轴密封圈；25、搅拌轴；26、叶轮；27、试样槽；28、燕尾槽。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进一步进行阐述和说明。

在附图中，本发明实验型真空电阻炉主要由控制柜1、升降机构3、炉体4、测温系统、炉盖6、保温加热装置8、坩埚9、搅拌系统10、试样台20、水冷系统16等组成，安全合理有效的模拟了核工业领域利用液态金属冷却设备的过程。

使用上述设备的方法为：

检查炉体4上的搅拌轴密封圈24和炉盖密封圈12以及水冷系统16的水冷管道等设备完好；开启炉盖6；放入坩埚9；将样品放在叶轮26及试样台20上；在坩埚9内放入实验的金属锭；放入试样台20和叶轮26至金属上方；炉盖6下降至与炉体紧密贴合，关上锁攀17；打开控制柜1的总电源开关，开启水冷装置16后依次开启真空系统7中的旋片泵和罗茨泵抽至需要的真空度后，依次关闭罗茨泵和旋片泵；向炉内充保护气至实验所需压力；在控制柜1上温度显示仪a上设置加热保温温度曲线，加热升温至工作温度后保温；摇动手柄将插入式热电偶5插入液态金属中，温度显示仪b上显示出液态金属液的实际温度，矫正埋入式显示的误差；将搅拌系统10中的搅拌电机22通过升降机构3将叶轮26降至距试样台上方3cm处；通过升降机构3将试样台20下降至坩埚9底部；调整控制柜1中搅拌电机显示仪至合适的频率后，启动搅拌电机22；实验过程中操作者可站在工作台13上通过视察窗11观察炉内运行情况；运行试验所需时长后，关闭搅拌电机22，提升叶轮26至液面上，待冷却至室温后，关闭水冷系统16，打开锁攀17开启炉盖6，拿出试样，关闭炉盖6和总开关，实验结束，研究分析实验后获得的样品。

Claims (7)

1.一种实验用真空电阻炉，能够模拟核工业领域高速流液态金属对核反应设备冷却的过程，包括控制柜、炉体系统、真空系统和水冷系统；所述控制柜通过电缆与炉体系统和真空系统相连，使得炉体系统中的温度、搅拌速度和真空系统的真空度都能够在控制柜上显示；

所述炉体系统包括炉体，炉体上方设有炉盖，炉体内壁由加热用电阻丝、保温加热层和埋入式热电偶测温装置组成，加热用电阻丝和埋入式热电偶测温装置都位于保温加热层内部，炉体内设有坩埚并被保温加热层包围，坩埚底部由石英板固定，其特征在于：坩埚采用具有优越耐蚀性能的316L合金制成；炉盖上设有插入式测温装置，搅拌系统、试样台和能够使得搅拌系统和试样台上下升降的升降机构，搅拌系统位于炉盖中心位置；所述搅拌系统包括配有减速器的搅拌电机，与搅拌电机相匹配的带有密封圈的搅拌轴，搅拌轴通过炉盖上的通孔伸入到坩埚内部，位于试样台上方，搅拌轴下方配有叶轮，所述搅拌轴密封圈采用双层密封模式；叶轮采用三叶片形式，三个叶片处于同一平面，三个叶片平均分布在转动轴上，叶片之间程120°角，避免引起金属腐蚀液的严重飞溅；叶轮叶片上沿径向均匀分布有4个试样槽，试样槽呈梯形，利用盖面板机械固定梯形试样，方便实验者操作；试样台位于坩埚底部，由316L合金制成，试样台呈内十字环形，由试样台提升轴固定，试样台提升轴通过炉盖上的通孔与搅拌系统的搅拌电机机械固定，能够跟随搅拌系统一起实现上下升降运动；所述升降机构包括提升电机，提升电机固定在搅拌电机上方。

2.如权利要求1所述的一种实验用真空电阻炉，其特征在于：所述试样台提升轴位于坩埚内，距坩埚侧壁5mm。

3.如权利要求1所述的一种实验用真空电阻炉，其特征在于：所述真空系统包括配有真空管道的2×70旋片泵和ZJP-150罗茨泵，罗茨泵通过管道与炉体相连，管道上设有压力表和能够向炉内充气的阀门，能够向炉内充保护气。

4.如权利要求1所述的一种实验用真空电阻炉，其特征在于：所述搅拌系统中叶轮转速连续可调，使搅拌叶边缘处液态金属腐蚀液的流速达到3~5m/s。

5.如权利要求1所述的一种实验用真空电阻炉，其特征在于：炉盖上设有真空照明装置和装有6个旋转型镜片的视察窗。

6.如权利要求1所述的一种实验用真空电阻炉，其特征在于：所述搅拌轴密封圈，上层采用耐磨性能较好的丁晴橡胶，下层采用耐高温的氟橡胶；耐磨和耐高温本是橡胶使用过程中程对立状态，传统的丁晴胶耐磨，但使用温度一般不超过100℃，而氟橡胶恰好相反，它的使用温度可以提高到200℃以内，但是耐磨性相对较差，为了使设备能够长时间的正常运行，加强密封效果，本发明真空电阻炉采用双密封模式，两层密封圈共同作用，弥补了彼此的不足，同时，在转轴处设有循环水冷装置，有效的保护了炉体的密封性。

7.如权利要求1所述的一种实验用真空电阻炉，其特征在于：所述试样台表面开有均匀分布的燕尾槽，用于固定试样，可测一定流速下的腐蚀情况实验。