CN108362735B - 一种高温熔融金属与水爆炸反应的测试装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高温熔融金属与水爆炸反应的测试装置及测试方法，包括熔融炉、反应槽、导流槽、导水管以及数据采集系统，导流槽倾斜设置在熔融炉与反应槽之间，导水管出水端贴合于反应槽上边缘，数据采集系统包括：采集反应槽周围自由场温度变化并将采集信号传输至温度采集模块的若干个热电偶、采集反应槽周围空间场压力并将采集数据传输至高频数据采集仪的自由场压力传感器。本发明可以更好地测得高温熔融金属与水反应发生爆炸时周围空间场的温度、压力变化以及飞溅物的飞溅轨迹，并反应爆炸对周围环境及构件的损坏程度，满足进行高温熔融金属进入水中、或水进入高温熔融金属的实验研究要求，操作简单且节约了空间和成本。

Description

一种高温熔融金属与水爆炸反应的测试装置及测试方法
技术领域
本发明涉及冶金行业蒸汽爆炸技术领域，尤其是一种高温熔融金属与水爆炸反应的测试装置及测试方法。
背景技术
众所周知，当水与高温熔融物接触时，水会处于过热状态，或者是快速的热传递而引起激烈的沸腾，最终导致蒸汽爆炸(物理爆炸)。蒸汽爆炸发生在很多行业中，如在核电站事故中，堆芯熔化后与水接触产生蒸汽爆炸；在金属熔炼过程中，高温熔融金属流入水的瞬间发生爆炸事故等。同样的在自然界中也有可能发生蒸汽爆炸，如火山喷发出来的高温岩浆流入河流中发生爆炸。在一定条件下，熔融物团块碎化成粉末状颗粒，使得高温介质与低温介质的传热面积急剧增大，并且该过程在系统中迅速传播，在极短时间内引起整个系统的爆炸性膨胀。尽管蒸汽爆炸不产生火焰，但形成的冲击波会对安全壳的完整性产生威胁，此外高温熔融金属与水反应时喷溅出来的高温液滴会引起周边可燃物质的燃烧，形成多米诺效应，危及周围结构物。
由于蒸汽爆炸是一个多相流作用过程，其影响因素众多，过程较为复杂，涉及到多种热物理现象，这些极端条件下热工水力现象给研究者们带来了极大的困难，被认为是严重事故中不确定性最高的研究。尽管近些年许多研究机构对该问题进行了大量实验和理论研究，且对整个过程的爆炸机理有了一定的了解，并取得了非常瞩目的研究成果，但就蒸汽爆炸事故对于周围物质产生的后果以及对周围介质所产生的破坏和危害的研究还远远不够；另外广大学者在研究高温熔融金属进入水中和水进入高温熔融金属中的实验平台均是分别搭建的，不仅占用空间，而且需要两套实验器材，耗时耗力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种高温熔融金属与水爆炸反应的测试装置及测试方法，以实现高温熔融金属与水爆炸反应时对周围环境及构件产生危害的研究，并通过该测试装置来实现高温熔融金属进入水中和水进入高温熔融金属中两种工况的爆炸反应测试。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高温熔融金属与水爆炸反应的测试装置，整体置于将测试区域与周围环境隔离的防护装置内，具有熔融炉、反应槽、导流槽、导水管以及数据采集系统，所述的导流槽倾斜设置在熔融炉与反应槽之间，导流槽高端位于熔融炉倾倒口下方，导流槽的低端位于反应槽上方，所述的导水管进水端连接水箱，导水管出水端贴合于反应槽上边缘，所述的数据采集系统包括：采集反应槽周围自由场温度变化并将采集信号传输至温度采集模块的若干个热电偶、采集反应槽周围空间场压力并将采集数据传输至高频数据采集仪的自由场压力传感器，所述热电偶设在反应槽四周，热电偶旁设有配合热电偶记录空间场温度分布及变化的红外摄像仪，正对热电偶的反应槽一侧设有收集反应过程中飞溅物喷溅轨迹的标靶、拍摄反应过程中结构变化以及飞溅物飞溅轨迹的高速摄影仪，所述的温度采集模块和高频数据采集仪通过网端接口连接对采集数据进行整合处理的计算机。
所述的防护装置具有供实验人员出入的门，所述的门上设有可视窗口，便于实验人员观察防护装置内部的测试状况。
为防止熔融炉在倾倒高温熔融金属时发生晃动和倒塌，所述的熔融炉通过支架固定在地面上，导流槽通过固定片固定在支架上。
具体说，所述的反应槽四周设有热电偶支架，热电偶安装在热电偶支架上且位于反应槽水平位置上方，所述的热电偶支架上布置有线槽，用于传输采集数据的传输线放置于线槽内。
同时在所述的导水管上设有控制水流速度的自动控制开关。
一种使用上述测试装置进行高温熔融金属与水爆炸反应测试的方法，具有如下步骤：
(a)、将实验区域的设备进行干燥处理；
(b)、设置好熔融炉所需的加热温度及持续加热时间，将测试所用金属放至可远程遥控的熔融炉内，测试人员撤离实验区域，关闭防护装置上的门窗，启动熔融炉熔化金属；
(c)、熔融金属进入水中的爆炸实验：先通过导水管向反应槽中注水，待金属完全熔融后，控制熔融炉倾倒，熔融金属通过导流槽流至反应槽中与水发生爆炸反应，同时启动数据采集系统进行测试数据的采集；水进入熔融金属中的爆炸实验：待金属加热完成后，先控制熔融炉倾倒，熔融金属通过导流槽流至反应槽中，熔融金属倾倒完毕后立即通过导水管向反应槽中注水，同时启动数据采集系统采集水与熔融金属在反应槽内爆炸反应的测试数据；
(d)、爆炸反应结束十分钟后实验人员对实验设备进行清理；
(e)、对采集的实验数据进行处理分析。
本发明的有益效果是：本发明与现有测试装置相比，可以更好地测得高温熔融金属与水反应发生爆炸时周围空间场的温度、压力变化以及飞溅物的飞溅轨迹，进而得出高温熔融金属与水反应爆炸对周围环境及构件的损坏程度，开展高温熔融金属与水接触爆炸后果分析方面的研究；此外该装置既能进行高温熔融金属进入水中的实验研究，亦能进行水进入高温熔融金属的实验研究，操作简单且节约了空间和成本；本发明可以很好的应用于教学演示和实验研究。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明所述防护装置的结构示意图。
图中：1.防护装置2.熔融炉3.反应槽4.导流槽5.导水管6.数据采集系统7.温度采集模块8.热电偶9.高频数据采集仪10.自由场压力传感器11.红外摄像仪12.标靶13.高速摄影仪14.计算机15.门16.可视窗口17.支架18.固定片19.热电偶支架20.线槽21.传输线
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1、图2所示的一种高温熔融金属与水爆炸反应的测试装置，整体置于将测试区域与周围环境隔离的防护装置1内，该防护装置1具备一定的防爆、耐高温和抗冲击能力，以保证实验的安全性。所述的防护装置1还具有供实验人员出入的门15，门15上设有用于观察防护装置1内部实验状况的可视窗口16。
所述的测试装置，具有熔融炉2、反应槽3、导流槽4、导水管5以及数据采集系统6，其中熔融炉2为远程控制式，为防止炉体在倾倒高温熔融金属时发生晃动和倒塌，所述的熔融炉2通过支架17固定在地面上。
所述的反应槽3用于试验高温熔融金属与水爆炸反应的过程，反应槽3与熔融炉2相距设置且其上平面低于熔融炉2的出料倾倒口，为了观察到高温熔融金属整个过程的微观结构与温度变化，反应槽3宜选用高耐压红外玻璃制作。
所述的导流槽4通过固定片18固定在支架17上，该导流槽4呈倾斜状设在熔融炉2与反应槽3之间，其中流入熔融金属液体的导流槽4的高端位于熔融炉2的倾倒口下方，流出金属液体的导流槽4的低端位于反应槽3的上方，高温熔融金属通过导流槽4从熔融炉2输送至反应槽3，导流槽4内壁面光滑且涂有耐高温保温材料，以减少高温熔融金属流动时的能量损失和热量的散失。
所述的导水管5进水端连接水箱，导水管5出水端贴合于反应槽3上边缘，防止进水时发生飞溅，所述的导水管5上设有控制水流速度的自动控制开关。为保证每次反应都能发生爆炸反应，每次测试所需水的体积根据以下公式计算：
Figure BDA0001555657890000051
其中：m金属—为每次实验所用的金属量，Kg；
λmax—高温熔融金属与水反生爆炸时所用金属与水质量比的最大值；
λmin—高温熔融金属与水反生爆炸时所用金属与水质量比的最小值；
ρH2O—水的密度
所述的数据采集系统6包括：采集反应槽3周围自由场温度变化并将采集信号传输至温度采集模块7的若干个热电偶8、采集反应槽3周围空间场压力并将采集数据传输至高频数据采集仪9的自由场压力传感器10，所述的温度采集模块7和高频数据采集仪9通过网端接口连接对采集数据进行整合处理的计算机14。
在反应槽3四周均设有热电偶支架19，所述的热电偶支架19上布置有线槽20，所述的热电偶8安装在热电偶支架19上且位于反应槽3水平位置上方，为方便采集到整个自由场温度的变化，所述的热电偶8朝自由场各个方向分布。热电偶8采集到的信号通过传输线21与温度采集模块7相连，为便于整理热电偶8的传输线21以及避免飞溅出来的液滴对传输线21造成损坏，所述的传输线21排列放置于线槽20中。
位于热电偶8旁设有配合热电偶8记录空间场温度分布及变化的红外摄像仪11，红外摄像仪11距反应槽3有一定的距离，为便于观察到整个反应空间场和飞溅物的温度变化，整个红外热像仪11视角范围内避免有物体遮挡。红外热像仪11与热电偶8共同记录高温熔融金属与水接触爆炸空间场的温度分布及变化。
所述的自由场压力传感器10用于采集反应槽3周围空间场的压力，其采集到的数据通过传输线21与高频数据采集仪9相连，为及时采集到空间自由场的压力变化过程，自由场压力传感器10谐振频率要达到100kHz以上。
正对热电偶8的反应槽3一侧设有收集反应过程中飞溅物喷溅轨迹的标靶12、拍摄反应过程中结构变化以及飞溅物飞溅轨迹的高速摄影仪13，其中高速摄影仪13放置在实验区域的边缘，用于拍摄高温熔融金属与水反应过程中的结构变化以及反应飞溅物的飞溅轨迹，要求高速摄影仪13的拍摄帧速及分辨率较高且镜头前没有物体遮挡。
上述温度采集模块7、高频数据采集仪9和计算机14均放置在防护装置1外部，与实验区域隔离开。温度采集模块7用于将热电偶8采集到的信号进行转换调节，具体选用型号和通道数根据热电偶8的数量和参数进行确定。高频数据采集仪9用于将自由场压力传感器10采集到的信号进行转换、调理，响应频率需满足自由场压力传感器10的需求。温度采集模块7和高频数据采集仪9将所采集数据通过传输线21传输至计算机14，计算机14用于对采集到的数据进行整合处理。
一种使用上述测试装置进行高温熔融金属与水爆炸反应测试的方法，具有如下步骤：
(a)、将实验区域的设备进行干燥处理；
(b)、设置好熔融炉2所需的加热温度及持续加热时间，将测试所用金属放至可远程遥控的熔融炉2内，测试人员撤离实验区域，关闭防护装置1上的门窗，启动熔融炉2熔化金属；
(c)、熔融金属进入水中的爆炸实验：先通过导水管5向反应槽3中注水，待金属完全熔融后，控制熔融炉2倾倒，熔融金属通过导流槽4流至反应槽3中与水发生爆炸反应，同时启动数据采集系统6进行测试数据的采集；水进入熔融金属中的爆炸实验：待金属加热完成后，先控制熔融炉2倾倒，熔融金属通过导流槽4流至反应槽3中，熔融金属倾倒完毕后立即通过导水管5向反应槽3中注水，同时启动数据采集系统6采集水与熔融金属在反应槽3内爆炸反应的测试数据；
(d)、爆炸反应结束十分钟后实验人员对实验设备进行清理；
(e)、对采集的实验数据进行处理分析。
本发明可以更好地测得高温熔融金属与水反应发生爆炸时周围空间场的温度、压力变化以及飞溅物的飞溅轨迹，进而得出高温熔融金属与水反应爆炸对周围环境及构件的损坏程度，开展高温熔融金属与水接触爆炸后果分析方面的研究；此外该装置既能进行高温熔融金属进入水中的实验研究，亦能进行水进入高温熔融金属的实验研究，操作简单且节约了空间和成本；本发明可以很好的应用于教学演示和实验研究。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种高温熔融金属与水爆炸反应的测试装置，整体置于将测试区域与周围环境隔离的防护装置(1)内，包括熔融炉(2)、反应槽(3)、导流槽(4)、导水管(5)以及数据采集系统(6)，其特征是：所述的导流槽(4)倾斜设置在熔融炉(2)与反应槽(3)之间，导流槽(4)高端位于熔融炉(2)倾倒口下方，导流槽(4)的低端位于反应槽(3)上方，所述的导水管(5)进水端连接水箱，导水管(5)出水端贴合于反应槽(3)上边缘，所述的数据采集系统(6)包括：采集反应槽(3)周围自由场温度变化并将采集信号传输至温度采集模块(7)的若干个热电偶(8)、采集反应槽(3)周围空间场压力并将采集数据传输至高频数据采集仪(9)的自由场压力传感器(10)，所述热电偶(8)设在反应槽(3)四周，热电偶(8)旁设有配合热电偶(8)记录空间场温度分布及变化的红外摄像仪(11)，正对热电偶(8)的反应槽(3)一侧设有收集反应过程中飞溅物喷溅轨迹的标靶(12)、拍摄反应过程中结构变化以及飞溅物飞溅轨迹的高速摄影仪(13)，所述的温度采集模块(7)和高频数据采集仪(9)通过网端接口连接对采集数据进行整合处理的计算机(14)；所述的反应槽(3)四周设有热电偶支架(19)，热电偶(8)安装在热电偶支架(19)上且位于反应槽(3)水平位置上方，所述的热电偶支架(19)上布置有线槽(20)，用于传输采集数据的传输线(21)放置于线槽(20)内。
2.如权利要求1所述的高温熔融金属与水爆炸反应的测试装置，其特征是：所述的防护装置(1)具有供实验人员出入的门(15)，所述的门(15)上设有用于观察防护装置(1)内部测试状况的可视窗口(16)。
3.如权利要求1所述的高温熔融金属与水爆炸反应的测试装置，其特征是：所述的熔融炉(2)通过支架(17)固定在地面上，导流槽(4)通过固定片(18)固定在支架(17)上。
4.如权利要求1所述的高温熔融金属与水爆炸反应的测试装置，其特征是：所述的导水管(5)上设有控制水流速度的自动控制开关。
5.一种使用权利要求1所述的测试装置进行高温熔融金属与水爆炸反应测试的方法，其特征是：具有如下步骤：
(a)、将实验区域的设备进行干燥处理；
(b)、设置好熔融炉(2)所需的加热温度及持续加热时间，将测试所用金属放至可远程遥控的熔融炉(2)内，测试人员撤离实验区域，关闭防护装置(1)上的门窗，启动熔融炉(2)熔化金属；
(c)、熔融金属进入水中的爆炸实验：先通过导水管(5)向反应槽(3)中注水，待金属完全熔融后，控制熔融炉(2)倾倒，熔融金属通过导流槽(4)流至反应槽(3)中与水发生爆炸反应，同时启动数据采集系统(6)进行测试数据的采集；水进入熔融金属中的爆炸实验：待金属加热完成后，先控制熔融炉(2)通过导流槽(4)流至反应槽(3)中，熔融金属倾倒完毕后立即通过导水管(5)向反应槽(3)中注水，同时启动数据采集系统(6)采集水与熔融金属在反应槽(3)内爆炸反应的测试数据；
(d)、爆炸反应结束十分钟后实验人员对实验设备进行清理；
(e)、对采集的实验数据进行处理分析。
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