CN105510210B - 一种实验型金属溶液空泡腐蚀装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核工业领域，特指一种实验型金属溶液空泡腐蚀装置，主要由超声波细胞波粉碎机和真空电阻炉构成。超声波粉碎机主要由超声波变幅杆，换能器，控制箱及压缩制冷机四部分构成，超声功率3000W，确保可以在金属溶液里产生空泡，超声频率20KHz，振幅50±5%μm，最高工作温度550℃,且在此温度下可连续工作10‑15h。真空电阻炉主要由控制柜、炉体系统、真空系统、水冷系统四部分构成，工作温度400‑600℃，坩埚采用304不锈钢合金制成，炉体材料采用普通碳钢。本发明可对核工业领域高速流液态金属对核反应设备造成的空泡腐蚀进行模拟，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

一种实验型金属溶液空泡腐蚀装置

技术领域

本发明涉及核工业领域，特指一种实验型金属溶液空泡腐蚀装置，由超声细胞波粉碎机和真空电阻炉构成，用以教学实验环境中模拟核工业领域高速流液态金属对核反应设备造成的空泡腐蚀，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，由于核反应堆放热量巨大，使用传统的液态水对装置进行冷却根本不能满足要求，由于液态Pb-Bi合金(LEB)具有低熔点、高沸点，良好导热性、反应活性低和高的中子产量等优点，使其成为一种安全高效的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，其腐蚀机理至今尚不明确，尤其是核主泵叶轮及过流部件与液态金属做高速相对运动时会产生局部区域的涡流，形成一个压力突变区，在低压区会引起溶解气体的析出和介质的气化，遂有气泡在叶片及管件表面形成，这些气泡的生成与溃灭就会对叶轮表面造成空泡腐蚀，但是具体腐蚀机理尚未研究，因此研究高速流液态金属对材料产生的空泡腐蚀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，本实验型金属溶液空泡腐蚀装置，采用大功率超声波作用在金属溶液里，在金属溶液里产生空泡，实现模拟高速流液态金属对核反应设备产生的空泡腐蚀。

发明内容

本实验装置为实验型金属溶液空泡腐蚀装置，主要包括大功率超声波细胞粉碎机和真空电阻炉。

超声波粉碎机主要由超声波变幅杆，换能器，控制箱及压缩制冷机四部分构成，超声功率3000W，确保可以在金属溶液里产生空泡，超声频率20KHz，振幅50±5%μm，最高工作温度550℃，且在此温度下可连续工作10-15h。

真空电阻炉主要由控制柜、炉体系统、真空系统、水冷系统四部分构成，工作温度400-600℃，极限真空度低于8Pa，压升率低于30Pa/h，且可以通入保护气体，坩埚采用304不锈钢合金制成，炉体材料采用普通碳钢。

本实验装置目的是为了模拟高速流液态金属对核反应设备产生的空泡腐蚀，解决了核工程领域研究实验化的问题，为科研的进行提供了保证。

一种实验型金属溶液空泡腐蚀装置，主要包括大功率超声波细胞粉碎机和真空电阻炉；超声波细胞粉碎机主要由超声波变幅杆，换能器，超声波控制柜及压缩制冷机四部分构成，真空电阻炉主要由电阻炉控制柜、炉体系统、真空系统三部分构成；所述超声波变幅杆顶端通过螺纹与位于超声波变幅杆上方的换能器连接，换能器通过软管和电缆与压缩空气制冷机和超声波控制柜连接，超声波控制柜显示屏上可随时观测超声波振幅和变幅杆阻抗，便于随时调节超声参数；所述电阻炉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和真空系统的真空度都能够在电阻炉控制柜上显示；所述炉体系统主要包括炉体与炉盖，炉体内部设有坩埚，坩埚采用304不锈钢制成，外壁缠有加热电阻丝，并被炉体保温层包围，铠装热电偶镍络镍硅从炉体外部插入炉体内，与坩埚外壁接触，铠装热电偶镍络镍硅测量的是坩埚外壁的温度，经检测温差不超过2 ℃，可满足实验要求，坩埚通过通孔及管道与真空系统相连相连，实现抽取真空及通入保护气体；其特征在于：炉盖为凹坑式结构，主要由大法兰盘、焊接波纹管、压板机构和变幅杆法兰盘组成；焊接波纹管底座固定在炉体上方，焊接波纹管顶端通过螺柱螺母与位于焊接波纹管上方的大法兰盘连接，大法兰盘为凹形设计，超声波变幅杆通过变幅杆法兰盘和压板机构与大法兰盘底部固定连接，并伸入坩埚内，大法兰盘底部内壁通过螺纹杆及螺母与试样台连接，且通过调节试样台处的螺母，使得试样台在螺纹杆上下移动，使试样台与变幅杆末端距离控制在5-7mm；通过调节焊接波纹管与大法兰盘连接处的螺母，使大法兰盘与焊接波纹管在螺纹杆上上下移动，进而带动与大法兰盘固定连接的变幅杆和试样台上下移动，以满足实验要求。

变幅杆法兰盘通过压板机构与大法兰盘连接， 大法兰盘通过螺柱螺母与焊接波纹管连接，一起构成了炉盖部分，此外在大法兰盘和焊接波纹管的闭合处、变幅杆法兰盘与大法兰盘连接处分别设有密封圈和密封机构，起到密封作用，因为焊接波纹管的使用使得炉盖部分带动变幅杆可以上下移动。

试样台通过螺纹杆及螺母大法兰盘底部内壁连接，并在连杆中间处设有保温层盒，阻碍热量上传，使得超声波变幅杆自身吸热量达到最少；试样台与超声波变幅杆在焊接波纹管的带动下可上下移动，移动行程为80mm，取代了传统意义的升降系统，既节省了实验成本，又简化了实验操作的繁琐；试样台通过螺母移动可在连杆上上下移动，用以调节试样台上试样与变幅杆末端试样之间的距离，使空泡效果达到最佳，大法兰盘侧壁设有冷却水水管接口，通入冷却水后用以冷却密封圈与密封机构。

所述超声波细胞粉碎机主要包括超声波控制柜，换能器，超声波变幅杆，空气压缩制冷机，在传统意义上的超声波细胞粉碎机的基础上大幅度提高功率及输出振幅，超声功率为3000W，频率为20KHz，振幅50±5%μm，以保证可以在金属溶液中超声产生空泡，达到模拟空泡的目的；超声功率为最大值3000W，可通过超声波控制柜按10%上下调节，以达到实验最佳功率；超声波变幅杆与传统超声波变幅杆相比做了很大调整，其特征在于：超声波变幅杆材料由传统的钢改为为高温钛合金，使得超声波变幅杆可以在高温环境下正常工作，超声波变幅杆通过螺纹与位于变幅杆上方的换能器连接，超声波变幅杆上设置变幅杆法兰盘，使超声波变幅杆通过压板机构，密封机构与大法兰盘连接，并伸向炉内；大法兰盘通过螺柱螺母与焊接波纹管连接，使得超声波变幅杆在焊接波纹管的作用下可以上下移动，以满足实验要求；变幅杆最末端通过螺纹与末端试样连接，末端试样充当变幅杆的一部分，这大大提高了实验效率。

所述换能器为常规设计，起到电能转声能的作用，换能器通过气管与空气压缩机连接，使其工作温度不超过150℃，换能器通过电缆与超声波控制柜连接，超声波控制柜显示屏上可随时观测超声波振幅和变幅杆阻抗，便于随时实验过程中控制及调节调节超声参数；控制柜面板上有自动/手动、时间设定、功率调节、音波检测等按键，音波检测功能可随时检测变幅杆是否正常工作，为实验安全提供有力保障。

所述真空电阻炉控制柜通过电缆与炉体系统连接，控制柜面板上设有插入式热电偶温度显示仪，气压显示仪，加热电流表，加热电压表，电源开关，真空泵开关等电子元件构成，便于操作人员安全又方便的使用装置，真空电阻炉控制柜内部设有报警系统，用于警报是否通入冷却水，为实验安全提供了有力保障。

所述真空系统包括旋片式直连真空泵、压力表、管道、氩气瓶、保护气体薄膜阀、高真空薄膜阀，炉体内的坩埚通过三通结构分别与旋片式直连真空泵、氩气瓶连接，管道上设有保护气体薄膜阀、高真空薄膜阀和压力表，起到抽真空，冲惰性保护气体的作用。

所述水冷系统主要水冷各个密封圈，由于本实验所需炉内空间很小，且炉体自身冷却方式为自然冷却，水冷系统也为常规设计，此处不详细介绍。

所述试样台为鱼网状，试样台表面设有多个小圆孔，以满足上下移动时不沾有金属溶液，中间设有圆形凹槽，位置与变幅杆末端相对应，通过两侧螺纹连接固定于连杆上。

本发明的优点：

本发明与现有设计比，具有以下有益之处：在此之前空泡腐蚀的研究基本上都是在水里进行，本发明装置是在传统真空加热炉的基础上，结合空化及空泡理论，创造性的引入大功率耐热型超声波细胞粉碎机，通过超声波作用在金属溶液中产生空泡，有效模拟了核反应设备冷却过程的复杂环境下金属溶液对设备造成的空泡腐蚀，为科研的进行提供了有效的实验数据。

为实现上述目的，本实验装置做出了以下设计方案：

（1）超声波细胞粉碎机采用自主设计大功率耐热型超声波细胞粉碎机，最大

功率可达到3000W，输出振幅可达到50μm，超声波变幅杆采用钛合金制成，最终实现通过超声波变幅杆在金属溶液中产生空泡。

（2）真空电阻炉通过优质加热电阻丝加热，最高加热温度600 ℃，且通过控

制柜可调节炉内温度，实现不同温度下空泡腐蚀，为实验提供很大便利。

（3）真空电阻炉炉盖采用非常规设计，为凹坑式结构，使得变幅杆深入炉内

部分达到最少，保证变幅杆在高温环境下可以正常工作，且实现带动变幅杆及试样台上下移动，以满足实验要求。

（4）变幅杆末端通过螺纹连接一个试样，此试样组成变幅杆的一部分，加之

试样台的试样，使得空泡腐蚀实验由传统的一次一个试样优化为一次两个试样，提高了空泡腐蚀实验效率。

（5）试样台采用优质耐腐蚀型316L不锈钢制成。

遇到的问题及解决方法：

（1）液态金属溶液空泡试验必须在真空条件下进行，这就要求变幅杆也必须处在炉内高温密封环境下，但是超声波变幅杆若在高温环境下变幅杆材料性能发生变化，导致超声传不出来；为此本装置1）炉盖采用凹坑式结构，使得变幅杆深入炉内部分达到最少，使得热量传递较少；2）配合空气压缩制冷及风冷双重制冷；3）在变幅杆伸入炉内部分上方设有保温盒，阻止热量上传，使变幅杆热量传递较少。

（2）由于阻抗的影响，要严格控制变幅杆末端进入金属溶液的深度，要控制在2~4mm，但炉内空间属于密闭空间，加之本炉体很小无法设置孔镜观测，导致变幅杆末端进入液面高度很难控制，为此采用控制好液面高度（计算出所需液态金属的质量，控制好加入金属的质量既控制液面高度），测量变幅杆深入炉内时距离液面的高度，通过控制调节焊接波纹管的距离来控制变幅杆末端深入液面的高度。

附图说明。

图1 本发明空泡腐蚀装置主视图。

图2 本发明空泡腐蚀装置俯视图。

图3炉体部分结构图。

图4.变幅杆与炉盖连接部分示意图。

图5. 本发明的试样台示意图。

1.炉体保温层2.电阻加热丝3.坩埚4.试样台5.保温盒6.压板机构7超声波变幅杆8.换能器9.焊接波纹管10.大法兰盘11.高真空薄膜阀12.密封机构13.变幅杆末端试样14超声波粉碎机控制箱接口15.空气压缩制冷机接口16.压力表17.密封圈18.电阻炉控制柜19. 旋片式直连真空泵20.底座21.保护气体薄膜阀22.铠装热电偶镍络镍硅23.冷却水水管接口.24变幅杆法兰盘。

具体实施方式

附图中，本装置主要由炉体保温层1、电阻加热丝2、坩埚3、超声波变幅杆7、换能器8、焊接波纹管9、大法兰盘10、电阻炉控制柜18、旋片式直连真空泵19等构成，科学合理的模拟了高速流液态金属对核反应设备产生的空泡腐蚀。

下面结合附图对本发明进一步进行阐述和说明：

具体实施步骤如下:

检查各装置，控制箱，密封机构等是否完好；将试样放于试样台4上，通过调节连杆上螺母控制好试样台与变幅杆末端试样13的距离，并锁紧位置；将超声波变幅杆7通过变幅杆法兰盘24与密封机构12及压板机构6紧密连接后，将计算好量的金属放于坩埚内（液态金属的量要控制在刚好没过变幅杆末端试样5~10mm）；将焊接波纹管9与大法兰盘10通过螺柱紧密连接，保证完全密封；通过调节焊接波纹管9与大法兰盘10连接处的螺母，将超声波变幅杆调节到最高位置；打开电阻炉控制柜18总电源开关，依次打开水泵开关、旋片式直连真空泵19开关，将炉内空气抽取干净后关掉真空泵开关，打开保护气体薄膜阀21，往炉内冲入保护气体，通过观测压力表，保持炉内处于负压状态；打开电阻炉控制柜18加热开关，开始对坩埚3加热；加热到炉内金属全部熔化后保温，此时，调节焊接波纹管9，使超声波变幅杆7下移至液面以下；保温10分钟左右，使变幅杆达到谐振点的温度，打开超声波粉碎机控制柜面板上的“音波检测”按键，通过声波检测时声音判断变幅杆末端试样13是否在液面以下，如果在空气中，声音为尖锐的刺耳声，若到液面以下，声音为低沉的气泡声；若没有听到尖锐的刺耳声，代表变幅杆末端试样13已在液面以下，此时打开超声波粉碎机控制柜面板上的超声开关，开始对试样空泡腐蚀，实验过程中通过调节真空泵和保护气体，随时调整炉内气压，使其保持在负压状态；完成空泡腐蚀后，关闭超声波粉碎机控制柜电源开关，调节焊接波纹管9，使超声波变幅杆7及试样台4上升到液面以上，然后关掉电阻炉控制柜18加热开关，开始降温，待降到室温后，打开保温炉，取出试样，实验完毕，研究分析实验后获得的样品。

Claims (7)

1.一种实验型金属溶液空泡腐蚀装置，主要包括大功率超声波细胞粉碎机和真空电阻炉；超声波细胞粉碎机主要由超声波变幅杆，换能器，超声波控制柜及压缩制冷机四部分构成，真空电阻炉主要由电阻炉控制柜、炉体系统、真空系统三部分构成；所述超声波变幅杆顶端通过螺纹与位于超声波变幅杆上方的换能器连接，换能器通过软管和电缆与压缩空气制冷机和超声波控制柜连接，超声波控制柜显示屏上可随时观测超声波振幅和变幅杆阻抗，便于随时调节超声参数；所述电阻炉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和真空系统的真空度都能够在电阻炉控制柜上显示；所述炉体系统主要包括炉体与炉盖，炉体内部设有坩埚，坩埚采用304不锈钢制成，外壁缠有加热电阻丝，并被炉体保温层包围，铠装热电偶镍络镍硅从炉体外部插入炉体内，与坩埚外壁接触，铠装热电偶镍络镍硅测量的是坩埚外壁的温度，经检测温差不超过2℃，坩埚通过通孔及管道与真空系统相连，实现抽取真空及通入保护气体；其特征在于：炉盖为凹坑式结构，主要由大法兰盘、焊接波纹管、压板机构和变幅杆法兰盘组成；焊接波纹管底座固定在炉体上方，焊接波纹管顶端通过螺柱螺母与位于焊接波纹管上方的大法兰盘连接，大法兰盘为凹形设计，超声波变幅杆通过变幅杆法兰盘和压板机构与大法兰盘底部固定连接，并伸入坩埚内，大法兰盘底部内壁通过螺纹杆及螺母与试样台连接，且通过调节试样台处的螺母，使得试样台在螺纹杆上下移动，使试样台与变幅杆末端距离控制在5-7mm；通过调节焊接波纹管与大法兰盘连接处的螺母，使大法兰盘与焊接波纹管在螺纹杆上上下移动，进而带动与大法兰盘固定连接的变幅杆和试样台上下移动。

2.如权利要求1所述的一种实验型金属溶液空泡腐蚀装置，其特征在于：在大法兰盘和焊接波纹管的闭合处设有密封圈、变幅杆法兰盘与大法兰盘连接处设有密封机构，起到密封作用。

3.如权利要求1所述的一种实验型金属溶液空泡腐蚀装置，其特征在于：大法兰盘底部内壁通过螺纹杆及螺母与试样台连接，并在螺纹杆中间处设有保温层盒，阻碍热量上传，使得超声波变幅杆自身吸热量达到最少；试样台与超声波变幅杆在焊接波纹管的带动下可上下移动，移动行程为80mm。

4.如权利要求1所述的一种实验型金属溶液空泡腐蚀装置，其特征在于：大法兰盘侧壁设有冷却水水管接口，通入冷却水后用以冷却密封圈与密封机构。

5.如权利要求1所述的一种实验型金属溶液空泡腐蚀装置，其特征在于：所述超声波细胞粉碎机的超声功率为3000W，频率为20KHz，振幅50±5％μm，以保证可以在金属溶液中超声产生空泡，达到模拟空泡的目的；超声功率为最大值3000W，可通过超声波控制柜按10％上下调节，以达到实验最佳功率；超声波变幅杆材料由传统的钢改为为高温钛合金，使得超声波变幅杆可以在高温环境下正常工作，变幅杆最末端通过螺纹与末端试样连接，末端试样充当变幅杆的一部分。

6.如权利要求1所述的一种实验型金属溶液空泡腐蚀装置，其特征在于：所述真空系统包括旋片式直连真空泵、压力表、管道、氩气瓶、保护气体薄膜阀、高真空薄膜阀，炉体内的坩埚通过三通结构分别与旋片式直连真空泵、氩气瓶连接，管道上设有保护气体薄膜阀、高真空薄膜阀和压力表，起到抽真空，充惰性保护气体的作用。

7.如权利要求1所述的一种实验型金属溶液空泡腐蚀装置，其特征在于：所述试样台为鱼网状，试样台表面设有多个小圆孔，以满足上下移动时不沾有金属溶液，中间设有圆形凹槽，位置与变幅杆末端相对应，通过两侧螺纹连接固定于连杆上。