CN109440037A - 一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺 - Google Patents

一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺 Download PDF

Info

Publication number
CN109440037A
CN109440037A CN201811358819.XA CN201811358819A CN109440037A CN 109440037 A CN109440037 A CN 109440037A CN 201811358819 A CN201811358819 A CN 201811358819A CN 109440037 A CN109440037 A CN 109440037A
Authority
CN
China
Prior art keywords
temperature
superconducting coil
heat treatment
hours
treatment process
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201811358819.XA
Other languages
English (en)
Inventor
宋健
武玉
秦经刚
于敏
王维俊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Original Assignee
Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hefei Institutes of Physical Science of CAS filed Critical Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority to CN201811358819.XA priority Critical patent/CN109440037A/zh
Publication of CN109440037A publication Critical patent/CN109440037A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/02—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working in inert or controlled atmosphere or vacuum

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Abstract

本发明公开了一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺，将Nb3Sn超导线圈密封放置在马氟罐中，采用工业炉对马氟罐进行热处理，整个热处理过程中向马氟罐中及Nb3Sn超导线圈中通入保护气体，并采用测量仪器监控出现的气体杂质。本发明使用氩气环境保护热处理工件，相较于真空热处理，炉体结构较为容易实现，实验成本较低。

Description

一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺
技术领域
本发明涉及超导线圈热处理方法领域，具体是一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺。
背景技术
以开展聚变能，为人类解决干净、丰富能源为研究目标的可控热核聚变，是当代自然科学中一项具有战略意义的前沿学科。核聚变能是资源无限、清洁安全的理想能源，是目前认识到的最终解决人类能源问题的最重要的途径之一。聚变反应堆本身是安全的，没有核泄漏、核辐射等潜在威胁。因此，核聚变能源被认为是人类未来的永久能源，研究核聚变、开发核聚变能具有极其重大的科学意义和战略意义。
20世纪下半叶，聚变能的研究取得重大进展，托卡马克(Tokamak)类型的磁约束研究领先于其他途径而被认为是最富有成效且最有希望的。托卡马克是一种环形强磁场装置，其特殊的构造而产生的磁场位形可以使等离子体得到稳定的约束。中国在聚变研究领域处于领先的地位，等离子体所的EAST装置是目前国际上运行参数最高的装置，在参与国际最大的合作项目ITER国际热核聚变实验堆)计划的同时，为了实现聚变堆的商业运行，我们的科学家开始了中国聚变工程实验堆(CFETR)的工程设计与预研。磁体是聚变堆的关键核心部件，它的工程技术代表着聚变堆的最高工程技术水平。
CFETR中心螺管模型线圈项目是在国家磁约束聚变能发展研究专项支持下，消化、吸收ITER的技术，为中国建造CFETR奠定工程基础。
CFETR CS模型线圈设计采用混合磁体结构，内侧高场区域用Nb3Sn线圈，外侧 低场区域用NbTi线圈的形式。两种线圈均采用管内电缆(CICC)结构的导体绕 制而成。Nb3Sn线圈在成型后需要经过一定的热处理以发生反应生成超导态 Nb3Sn线圈，热处理是线圈制造的关键工艺过程，直接决定未来线圈的超导性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺，以实现对 CFETR中Nb3Sn超导线圈的热处理。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺，其特征在于：将Nb3Sn超导线圈密封放置在马氟罐中，采用工业炉对马氟罐进行加热升温，然后再使马氟罐降温，完成对马氟罐内的Nb3Sn超导线圈的热处理，整个热处理过程中对马氟罐及 Nb3Sn超导线圈的温度进行测量，整个热处理过程同时向马氟罐中及Nb3Sn超导线圈中通入保护气体，并采用测量仪器监控出现的气体杂质，其中：
加热过程为：20℃-210℃加热时间38小时，210℃保温50小时；210℃-340℃加热时间26小时，340℃保温25小时；340℃-450℃加热时间22小时，450℃保温25小时；450℃-575℃加热时间25小时，575℃保温100小时；575℃-650℃加热时间15小时，650℃保温100小时；升温过程中升温速率为5℃/hr
降温过程为：650℃-500℃降温时间30小时，降温速率为5℃/hr，500℃-20℃随炉冷却；
整个热处理过程中，Nb3Sn超导线圈围成的空间内的气体杂质要求： O2<10ppm、H2O<10ppm、碳氢化合物<10ppm；
Nb3Sn超导线圈与马氟罐之间空间内的气体杂质要求：温度<450℃时， O2<30ppm、H2O<30ppm、碳氢化合物<30ppm；温度450℃-650℃时，O2<30ppm、 H2O<30ppm、碳氢化合物因为全部分解因此没有含量要求。
所述的一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺，其特征在于：在热处理过程前，需对马氟罐内重复进行多次抽真空-充气过程，其中充入的气体为高压氩气，多次抽真空-充气过程后要求马氟罐内O2含量小于10ppm。
所述的一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺，其特征在于：所述保护气体为浓度为99.999％的高纯氩气。
所述的一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺，其特征在于：整个热处理过程中，Nb3Sn超导线圈的温度均匀性要求如下：
(1)当<450℃温度均匀性要求为±15℃；
(2)当450℃-500℃温度均匀性要求为±10℃；
(3)当>500℃温度均匀性要求为±5℃；
在210℃、340℃、450℃、575℃、650℃这5个温度点，Nb3Sn超导线圈上的温度均匀性要求为±5℃。
所述的一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺，其特征在于：由于线圈整体热处理后无法直接测试其性能，还需要经过绝缘包绕，VPI，最终装配等工艺后才能进行最终的性能测试，因此对于安装在线圈上的样品进行电物理性能测试可以对整体线圈的热处理结果做出相应评估。
将样品放置于密闭容器内，向密闭容器内注入液氦，测试是在4.2K温度下的横向磁场中进行，在样品两端接上电源，测量临界电流为Im，通过公式可以计算样品的失超电流Ic，其中Ic是在4.22K下的临界电流，Im是在测量温度下测量的临界电流；4K＜Tm＜4.4K。该方程仅在背场等于12T时有效。
与现有技术相比，本发明的优点为：
1、使用氩气环境保护热处理工件，相较于真空热处理，炉体结构较为容易实现，实验成本较低。
2、工艺完整性较强包含整体实验过程及结果校验方法。
附图说明
图1是本发明热处理炉设计总图。
图2是本发明线圈装配示意图。
图3是热处理保护气体管路图。
具体实施方式
一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺方法：
1、如图1所示，热处理前准备方法
1)将热处理炉底座(7)安装在地坑(8)中间位置；
2)将线圈如图2所示夹紧，先使用线圈夹具(9)夹紧线圈(4)，使用Tension Link板夹具(15)夹紧Tension Link板(11)，使用上出线头夹具(12)夹紧上出线头(10)，使用下出线头夹具(14)夹紧下出线头(13)。
3)在热处理炉底座上安装支撑(6)，然后将夹紧的线圈(4)吊放在支撑(6) 上；
4)依次安装马氟罐(3)，炉体(5)，炉顶盖(2)，热风循环机(1)，完成热处理炉的整体安装。
5)如图3所示，将线圈的保护气路进行连接，此时保持气路上所有截止阀，减压阀为关闭状态；
6)开启图2上的截止阀JZ1，减压阀DPZ进气口压力表显示读数为1.0MPa，出气口压力表显示读数为0.6MPa；打开截止阀JI1，JI2，JI3，JM1，调整减压阀 DP1，DP2，DP3进气口压力表显示读数为0.6MPa，出气口压力表显示读数为 0.6MPa，DP4进气口压力表显示读数为0.6MPa，出气口压力表显示读数为 0.105MPa；打开截止阀JM2，JM3；打开截止阀JO1，JO2，JO3，JO4。
通气15分钟后，打开截止阀JE6，JE7，JE2，测量线圈C1支路排出气体内的气体杂质；关闭JE2，打开JE3测量线圈C2支路排出气体内的气体杂质，关闭JE3，打开JE4测量线圈C3支路排出气体内的气体杂质；关闭JE4，打开JE5 测量马氟排出气体内的气体杂质。该过程为线圈及马氟内气体置换，气体置换要求为：Nb3Sn超导线圈内的气体杂质要求：O2<10ppm、H2O<10ppm、碳氢化合物<10ppm；Nb3Sn超导线圈与马氟罐之间空间内的气体杂质要求：O2<30ppm、 H2O<30ppm。
7)安装测温热电偶及测试样品
线圈4分上、中、下三层，每层内外侧各4个温度测量点(90°一个测量点)；上出线头(10)和下出线头(13)，每个接头的两端头侧安装一个温度测量点；三个圆柱状支撑腿(6)(任选一个安装)；线圈夹具(9)安装一个；
8)样品安装
将样品盒(17)安装在线圈夹具(9)上，并将样品(16)安放在样品盒(17) 内；线圈夹具(9)共6个，每隔1个线圈夹具(9)安装一组，共三组。
2、热处理的工艺制度
加热过程为：20℃-210℃加热时间38小时，210℃保温50小时；210℃-340℃加热时间26小时，340℃保温25小时；340℃-450℃加热时间22小时，450℃保温25小时；450℃-575℃加热时间25小时，575℃保温100小时；575℃-650℃加热时间15小时，650℃保温100小时；升温过程中升温速率为5℃/hr
降温过程为：650℃-500℃降温时间30小时，降温速率为5℃/hr，500℃-20℃随炉冷却；
温度均匀性要求：
1)当<450℃温度均匀性要求为±15℃，
2)当450℃-500℃温度均匀性要求为±10℃，
3)当>500℃温度均匀性要求为±5℃，
在210℃、340℃、450℃、575℃、650℃这5个温度平台上线圈上的温度均匀性要求为±5℃。
整个热处理过程中，Nb3Sn超导线圈围成的空间内的气体杂质要求： O2<10ppm、H2O<10ppm、碳氢化合物<10ppm；
Nb3Sn超导线圈与马氟罐之间空间内的气体杂质要求：温度<450℃时， O2<30ppm、H2O<30ppm、碳氢化合物<30ppm；温度450℃-650℃时，O2<30ppm、 H2O<30ppm、碳氢化合物因为全部分解因此没有含量要求。
3、后处理
由于线圈整体热处理后无法直接测试其性能，还需要经过绝缘包绕，VPI，最终装配等工艺后才能进行最终的性能测试，因此对于安装在线圈上的样品进行电物理性能测试可以对整体线圈的热处理结果做出相应评估。
将样品(16)放置于密闭容器内，向密闭容器内注入液氦，测试是在4.22K 温度下的横向磁场中进行，在样品两端接上电源，测量临界电流为Im。通过公式可以计算样品的失超电流Ic。(其中Ic是在4.22K下的临界电流，Im是在测量温度下测量的临界电流；4K＜Tm＜4.4K。该方程仅在背场等于12T时有效)。

Claims (5)

1.一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺，其特征在于：将Nb3Sn超导线圈密封放置在马氟罐中，采用工业炉对马氟罐进行加热升温，然后再使马氟罐降温，完成对马氟罐内的Nb3Sn超导线圈的热处理，整个热处理过程中对马氟罐及Nb3Sn超导线圈的温度进行测量，整个热处理过程同时向马氟罐中及Nb3Sn超导线圈中通入保护气体，并采用测量仪器监控出现的气体杂质，其中：
加热过程为：20℃-210℃加热时间38小时，210℃保温50小时；210℃-340℃加热时间26小时，340℃保温25小时；340℃-450℃加热时间22小时，450℃保温25小时；450℃-575℃加热时间25小时，575℃保温100小时；575℃-650℃加热时间15小时，650℃保温100小时；升温过程中升温速率为5℃/hr
降温过程为：650℃-500℃降温时间30小时，降温速率为5℃/hr，500℃-20℃随炉冷却；
整个热处理过程中，Nb3Sn超导线圈围成的空间内的气体杂质要求：O2<10ppm、H2O<10ppm、碳氢化合物<10ppm；
Nb3Sn超导线圈与马氟罐之间空间内的气体杂质要求：温度<450℃时，O2<30ppm、H2O<30ppm、碳氢化合物<30ppm；温度450℃-650℃时，O2<30ppm、H2O<30ppm、碳氢化合物因为全部分解因此没有含量要求。
2.根据权利要求1所述的一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺，其特征在于：在热处理过程前，需对马氟罐内重复进行多次抽真空-充气过程，其中充入的气体为高压氩气，多次抽真空-充气过程后要求马氟罐内O2含量小于10ppm。
3.根据权利要求1所述的一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺，其特征在于：所述保护气体为浓度为99.999％的高纯氩气。
4.根据权利要求1所述的一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺，其特征在于：整个热处理过程中，Nb3Sn超导线圈的温度均匀性要求如下：
(1)当<450℃温度均匀性要求为±15℃；
(2)当450℃-500℃温度均匀性要求为±10℃；
(3)当>500℃温度均匀性要求为±5℃；
在210℃、340℃、450℃、575℃、650℃这5个温度点，Nb3Sn超导线圈上的温度均匀性要求为±5℃。
5.根据权利要求1所述的一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺，其特征在于：由于线圈整体热处理后无法直接测试其性能，还需要经过绝缘包绕，VPI，最终装配等工艺后才能进行最终的性能测试，因此对于安装在线圈上的样品进行电物理性能测试可以对整体线圈的热处理结果做出相应评估；将样品放置于密闭容器内，向密闭容器内注入液氦，测试是在4.22K温度下的横向磁场中进行，在样品两端接上电源，测量临界电流为Im，通过公式可以计算样品的失超电流Ic，其中Ic是在4.22K下的临界电流，Im是在测量温度下测量的临界电流；4K＜Tm＜4.4K，该方程仅在背场等于12T时有效。
CN201811358819.XA 2018-11-15 2018-11-15 一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺 Pending CN109440037A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811358819.XA CN109440037A (zh) 2018-11-15 2018-11-15 一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811358819.XA CN109440037A (zh) 2018-11-15 2018-11-15 一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109440037A true CN109440037A (zh) 2019-03-08

Family

ID=65552893

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811358819.XA Pending CN109440037A (zh) 2018-11-15 2018-11-15 一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109440037A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110029298A (zh) * 2019-03-19 2019-07-19 中国科学院合肥物质科学研究院 Nb3Sn线圈热处理气氛保护系统及控制与检测方法
CN110066973A (zh) * 2019-03-29 2019-07-30 中国科学院合肥物质科学研究院 大型Nb3Sn线圈热处理多级均温系统及其控温方法
CN110953889A (zh) * 2019-12-12 2020-04-03 中国科学院合肥物质科学研究院 一种大型Bi-2212超导线圈热处理炉系统及其控压方法
CN111540598A (zh) * 2020-05-08 2020-08-14 中国科学院合肥物质科学研究院 一种大孔径高场磁体Nb3Sn密绕线圈热处理装置
CN115527766A (zh) * 2022-11-24 2022-12-27 中国科学院合肥物质科学研究院 一种线圈绕组套装设备

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1972758A (zh) * 2004-02-19 2007-05-30 牛津超导技术公司 提高Nb3Sn超导线材中的临界密度
CN101888026A (zh) * 2010-06-30 2010-11-17 中国科学院电工研究所 一种青铜工艺Nb3Sn超导体多芯线接头及其制备方法
CN102254621A (zh) * 2011-04-07 2011-11-23 西部超导材料科技有限公司 一种内锡法Nb3Sn超导线的热处理方法
CN105132841A (zh) * 2015-09-17 2015-12-09 中国科学院合肥物质科学研究院 一种CICC型RRP Nb3Sn超导线圈的热处理工艺技术

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1972758A (zh) * 2004-02-19 2007-05-30 牛津超导技术公司 提高Nb3Sn超导线材中的临界密度
CN101888026A (zh) * 2010-06-30 2010-11-17 中国科学院电工研究所 一种青铜工艺Nb3Sn超导体多芯线接头及其制备方法
CN102254621A (zh) * 2011-04-07 2011-11-23 西部超导材料科技有限公司 一种内锡法Nb3Sn超导线的热处理方法
CN105132841A (zh) * 2015-09-17 2015-12-09 中国科学院合肥物质科学研究院 一种CICC型RRP Nb3Sn超导线圈的热处理工艺技术

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110029298A (zh) * 2019-03-19 2019-07-19 中国科学院合肥物质科学研究院 Nb3Sn线圈热处理气氛保护系统及控制与检测方法
CN110066973A (zh) * 2019-03-29 2019-07-30 中国科学院合肥物质科学研究院 大型Nb3Sn线圈热处理多级均温系统及其控温方法
CN110953889A (zh) * 2019-12-12 2020-04-03 中国科学院合肥物质科学研究院 一种大型Bi-2212超导线圈热处理炉系统及其控压方法
CN111540598A (zh) * 2020-05-08 2020-08-14 中国科学院合肥物质科学研究院 一种大孔径高场磁体Nb3Sn密绕线圈热处理装置
CN115527766A (zh) * 2022-11-24 2022-12-27 中国科学院合肥物质科学研究院 一种线圈绕组套装设备

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109440037A (zh) 一种大型Nb3Sn超导线圈的热处理工艺
Zheng et al. Overview of the design status of the superconducting magnet system of the CFETR
CN209728136U (zh) 一种锂离子电池热失控实验装置及其监控系统
Kuang A 40 T hybrid magnet under construction in China
CN102915777A (zh) 液态金属钠沸腾两相热工水力实验回路系统及其实验方法
Zhai et al. Conceptual magnet design study for fusion nuclear science facility
CN110957053B (zh) 一种模拟燃料包壳高燃耗工况试验系统
Wu et al. Basic design and progress of central solenoid model coil for CFETR
Heller et al. Overview of JT-60SA HTS current lead manufacture and testing
Jacquinot Recent developments in steady-state physics and technology of tokamaks in Cadarache
Diev et al. HTS current leads for the NICA accelerator complex
Fang et al. Laboratory and field tests of movable conduction-cooled high-temperature SMES for power system stability enhancement
Miyoshi et al. HTS coil test facility in a large bore 20 T resistive magnet at LNCMI
Garnier et al. Design and initial operation of the LDX facility
Yoshida et al. Conceptual design of superconducting magnet system for JT-60SA
CN102998245A (zh) 网状多孔电热材料气氛相容性实验设备及其方法
Yuanxi et al. First engineering commissioning of EAST tokamak
Fietz et al. Status of HTS current leads for WENDELSTEIN 7-X and JT-60SA
Du et al. Test Facility and Results of ITER PF4 Current Leads
Chaumette et al. A large 1.8 K facility for magnet tests
Fuchs et al. Facility status and results on ITER full-size conductor tests in SULTAN
Ding et al. Test system upgrade for ITER current lead series production at ASIPP
Piec et al. Superconducting feeder system for ITER central solenoid module final test facility
CN109003687A (zh) 一种模拟核电站事故工况下安全壳内蒸汽环境的装置及方法
Wang et al. Numerical Simulation and Experimental Validation of Internal Heating in Vacuum Pressure Impregnation Process for High Field Coil

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190308

RJ01 Rejection of invention patent application after publication