CN110274932A - 一种应用于中尺度熔融铁液柱与水接触爆炸实验的装置 - Google Patents

一种应用于中尺度熔融铁液柱与水接触爆炸实验的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用于中尺度熔融铁液柱与水接触爆炸实验的装置，包括：立式实验装置、中频电源、氮气保护罐、瞬态压力测量装置、高速摄像机以及控制箱；通过本发明可以获得高温熔融铁与水反应的压力峰值特征及爆炸点图像信息，帮助实现研究高温熔融铁与水接触爆炸参数变化规律和物理爆炸、物理－化学耦合爆炸理论，以及研究开放/受限环境中高温熔融铁与水接触爆炸过程的关键灾变参数变化规律，建立高温熔融铁与水接触爆炸事故后果预测模型，有助于实现对高温熔融铁与水接触爆炸事故的有效控制。

Description

一种应用于中尺度熔融铁液柱与水接触爆炸实验的装置
技术领域
本发明涉及熔融铁液柱与水接触实验领域，特别涉及了一种应用于中尺度熔融铁液柱与水接触爆炸实验的装置。
背景技术
在冶金行业，熔融金属液与冷却水非正常接触引起的蒸汽爆炸会造成重大人员伤亡和财产损失，是工业生产中的严重危害；冶金行业生产安全事故中可能存在的蒸汽爆炸现象引起了国际安全领域学者的关注，但由于爆炸现象复杂，也成为了目前安全领域研究的难点和热点。
目前熔融金属与水接触爆炸实验机理研究主要依靠低温小尺度（金属质量500g以下）熔融金属液滴与水接触实验；但是存在很多局限性，同种温度下金属液滴实验与金属液柱实验现象就存在较大差异，如何让实验与现实情况更加相符，研究应用型实验数据为现实冶金事故提供更合理的实验数据，这就需要对更大尺度实验展开更深一步的研究。
国内对大尺度（10kg以上）高温熔融金属与水接触实验研究展开了一系列研究，最常用的方法是通过熔炼炉将金属加热至实验温度后，再使熔融金属液经导流系统流入带提塞的锥形漏斗中，再打开提赛使金属液落入反应容器内与水接触爆炸，爆炸产生的冲击波超压由固定位置的数字压力记录仪（DPR）组成的爆炸超压测试系统测定；运用普通录像记录爆炸的全景过程对整个爆炸的发生过程进行监控录像。
熔融金属与水爆炸实验根据实验尺度及实验材料的不同，其实验现象千差万别，国内的熔融金属实验尚未发现有用于金属铁液柱的入水爆炸实验装置，熔融铁液柱与水接触实验研究对熔融铁需要的温度较高，液柱直径难以精确控制，也很难对其爆炸超压做出精准测量；熔融铁液柱与水接触实验研究由于熔融铁需要的温度较高，液柱直径难以精确控制，也很难对其爆炸超压做出精准测量；导流槽实验中熔融物在经过导流槽后温度降低速率较快，实验时熔融铁温度可能会远低于实验记录温度；普通录像记录爆炸现象具有明显局限性：无法精确观察爆炸触发关键帧，对实验机理研究造成阻碍。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种应用于中尺度熔融铁液柱与水接触爆炸实验的装置。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种应用于中尺度熔融铁液柱与水接触爆炸实验的装置，包括：
立式实验装置，该立式实验装置包括升降平台，固定于升降平台上的中频炉，以及位于升降平台下方的反应容器；
所述中频炉包括支撑骨架，所述支撑骨架内部设有炉腔，所述炉腔内设置有石墨坩埚和热电偶，所述石墨坩埚的周圈环绕有感应线圈，石墨坩埚的底部设有下料孔一，所述炉腔底部设有与所述下料孔一相接的下料通道；所述炉腔的顶部设有与所述石墨坩埚连通的进料管道，所述进料管道的顶部管口安装有密封盖，进料管道上设有充气接口；所述炉腔上方设置有电动推杆，所述电动推杆的杆端连接有石墨塞棒，所述石墨塞棒穿过炉腔顶部将所述的下料孔一封堵；所述支撑骨架上于炉腔的下方设置有滑轨，所述滑轨内安装有石墨板，所述石墨板与下料通道的下端口相接，石墨板表面设有至少两个孔径互不相同的通孔，滑轨的一端设有用于驱动石墨板沿滑轨运动的蜗轮蜗杆减速机；
所述升降平台的表面设有下料孔二，所述下料孔二位于下料通道的正下方；
所述反应容器的顶部敞口且位于下料孔二的正下方；
中频电源，所述中频电源通过水冷电缆与所述的感应线圈连接；
氮气保护罐，所述氮气保护罐通过阀门及管路与所述的充气接口连接；
瞬态压力测量装置，用于接收反应容器内部产生的瞬态压力波形；
高速摄像机，所述高速摄像机正对反应容器；
控制箱，所述控制箱用于控制立式实验装置工作。
进一步，所述电动推杆固定于进料管道上。
进一步，所述热电偶为二硼化锆复合陶瓷热电偶。
进一步，所述升降平台由液压装置驱动升降。
进一步，所述石墨板的表面由左至右依次设置五个通孔，五个通孔的上端孔径与下料通道的下端孔径一致，五个通孔的下端孔径由左至右依次缩小。
进一步，所述瞬态压力测量装置包括设置在反应容器侧壁上的PCB瞬态压力传感器，与PCB瞬态压力传感器连接的信号适调器，以及与信号适调器连接的存储记录仪。
进一步，所述反应容器为有机玻璃材质的正方体容器。
本发明的有益效果在于：
本发明适用于中尺度铁液柱与水接触爆炸实验，铁金属由进料管道送入炉腔内的石墨坩埚，由中频电源供给石墨坩埚外围的感应线圈中频交变电流，在感应线圈中产生高密度的磁力线，切割石墨坩埚里盛放的铁，产生很大的涡流，利用电磁感应原理加热金属铁成铁液；加热温度由炉腔内的热电偶检测，到达实验温度时调低中频电源的功率实现炉腔内的保温；石墨坩埚的底部是由石墨塞棒封堵的下料口一，当电动推杆驱动石墨塞棒上升时，下料口一打孔，铁液会流入下料通道，下料通道的下端衔接具有不同孔径通孔的石墨板，通过石墨板上通孔的铁液会形成一定直径的铁液柱，铁液柱自升降平台上的下料孔二落入下方的反应容器内，与反应容器内的水接触爆炸，爆炸形成的瞬态压力波形会由瞬态压力测量装置识别记录，同时由高速摄像机记录铁液柱入水时的图像视频；铁液柱下落高度可以通过调节升降平台的高度来调整，本装置适用于10kg以下（中尺度）熔融铁液柱与水接触的爆炸实验，实现1800摄氏度以上金属铁熔融、落水、观测及记录反应瞬时压力波形，人员可处于安全距离外操作实验。
爆炸反应后保存在反应容器中的反应物，可以进一步分析产物成分；结合瞬态压力波形图及高速摄像图像分析结果，进而可以获得高温熔融铁与水反应的压力峰值特征及爆炸点图像信息，帮助实现研究高温熔融铁与水接触爆炸参数变化规律和物理爆炸、物理－化学耦合爆炸理论，以及研究开放/受限环境中高温熔融铁与水接触爆炸过程的关键灾变参数变化规律，建立高温熔融铁与水接触爆炸事故后果预测模型，有助于实现对高温熔融铁与水接触爆炸事故的有效控制。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是中频炉的剖面示意图；
图3是石墨板的俯视结构示意图；
其中：1-立式实验装置、100-升降平台、101-中频炉、102-反应容器、103-液压装置、104-下料孔二、105-支撑骨架、106-炉腔、107-石墨坩埚、108-热电偶、109-感应线圈、110-下料孔一、111-下料通道、112-进料管道、113-密封盖、114-充气接口、115-电动推杆、116-石墨塞棒、117-滑轨、118-石墨板、119-通孔、120-蜗轮蜗杆减速机、121-螺杆、2-中频电源、3-氮气保护罐、4-瞬态压力测量装置、41-PCB瞬态压力传感器、42-信号适调器、43-存储记录仪、5-高速摄像机、51-电脑、6-控制箱、61-显示屏。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例来对本发明做进一步说明。以下所述的实施例及说明书附图仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
参照图1所示的一种应用于中尺度熔融铁液柱与水接触爆炸实验的装置，包括：立式实验装置1、中频电源2、氮气保护罐3、瞬态压力测量装置4、高速摄像机5以及控制箱6。
立式实验装置1包括升降平台100，固定于升降平台100上的中频炉101，以及位于升降平台100下方的反应容器102。
本实施例的升降平台100为由液压装置103驱动的钢板，钢板表面中心开设下料孔二104。
参照图2所示，所述中频炉101包括支撑骨架105，支撑骨架105内部设有炉腔106，所述炉腔106内设置有石墨坩埚107和热电偶108，本实施例中的热电偶108采用二硼化锆复合陶瓷热电偶，用以检测炉腔106内部温度，热电偶108固定在炉腔106顶部伸入石墨坩埚107内。
所述石墨坩埚107的周圈环绕有感应线圈109，感应线圈109通过水冷电缆与中频电源2连接，另有独立的水冷装置分别对中频炉及中频电源进行循环水冷却，具体的，本领域技术人员可以参照现有中频炉及中频电源的设计原理设计，本实施例图中仅为示意。
石墨坩埚107的底部设有下料孔一110，所述炉腔106底部设有与所述下料孔一110相接的下料通道111，所述炉腔106的顶部设有与所述石墨坩埚107连通的进料管道112，所述进料管道112的顶部管口通过螺纹安装有密封盖113，进料管道112上设有充气接口114。
于进料管道112上通过卡箍固定有电动推杆115，电动推杆115的杆端朝下并连接有石墨塞棒116，所述石墨塞棒116穿过炉腔106顶部将所述的下料孔一110封堵，下料孔一110与石墨塞棒116的下端为相互配合的楔形。
支撑骨架105上于炉腔106的下方设置有滑轨117，所述滑轨117内安装有石墨板118，石墨板118嵌入滑轨117内滑动配合。
石墨板118与下料通道111的下端口相接，参照图3所示，本实施例中的石墨板118表面由左至右依次设置五个通孔119，五个通孔119的上端孔径与下料通道111的下端孔径一致，五个通孔119的下端孔径由左至右依次缩小，以适应实验对不同铁液柱的直径要求。
滑轨117的外端设有蜗轮蜗杆减速机120，涡轮蜗杆减速机120通过螺杆121与石墨板118连接，可以驱动石墨板118沿滑轨117左右移动，以调节不同孔径的通孔119与下料通道111相对。
上述升降平台100的下料孔二104则位于下料通道111的正下方。
本实施例的反应容器102为顶部敞口的正方体容器，采用有机玻璃制成，
反应容器102位于下料孔二104的正下方。
所述氮气保护罐3通过阀门及管路与所述的充气接口114连接，为炉腔106内提供惰性气氛。
所述瞬态压力测量装置4包括设置在反应容器侧壁上的PCB瞬态压力传感器41，与PCB瞬态压力传感器41连接的信号适调器42，以及与信号适调器42连接的存储记录仪43；用于接收反应容器102内部产生的瞬态压力波形；
所述高速摄像机5正对反应容器102，距离在10米左右，高速摄像机5连接电脑51，记录铁液柱入水时的图像视频。
所述控制箱6分别通过信号线连接液压装置103、热电偶108、电动推杆115，用于远程控制立式实验装置1的工作过程，控制箱6上安装温度显示屏61实时显示热电偶108反馈的温度。
本发明的实验过程如下：
初始状态：
升降平台100承载将中频炉101在合适高度（根据实验需要高度可调），反应容器102内加入蒸馏水且液面在PCB瞬态压力传感器41的上部，石墨板118表面的通孔119不与下料通道111连通，即下料通道111下端封闭；瞬态压力测量装置4、高速摄像装置5调试完毕，中频电源2开关与控制箱6开关闭合，瞬态压力测量装置4开关闭合、高速摄像机5开关闭合。
准备阶段：
打开中频电源2工作总开关、控制箱6开关、瞬态压力测量装置4、高速摄像机5，确认各设备正常工作。
打孔密封盖113通过进料管112道将金属铁放入石墨坩埚107内，再旋紧关闭密封盖113。
通过控制箱5选择为实验铁液柱直径，控制蜗轮蜗杆减速机120驱动石墨板118沿滑轨117移动，将选择的通孔119与下料通道111对接。
控制箱5控制电动推杆115动作，驱动石墨塞棒116提升，石墨塞棒116与石墨坩埚107底部的下料孔一110分离。
打开氮气保护罐3的阀门开关，氮气通过充气接口114向炉腔106内部排入氮气，排出炉腔106内的空气后（沿下方的通孔119排出），关闭氮气保护罐3阀门开关；控制电动推杆115驱动石墨塞棒116下降，石墨塞棒116与石墨坩埚107底部的下料孔一110接触将下料孔110封堵。
打开中频电源箱2功率开关，调节熔融功率，中频电源箱将380v交流电整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由感应线圈109里流过的中频交变电流，在感应线圈109中产生高密度的磁力线，切割石墨坩埚107里盛放的金属铁材料，在金属铁中产生很大的涡流，利用电磁感应原理加热金属铁成熔融状态。
实时观察控制箱5上的温度显示屏51，到达实验温度时调低中频电源2的功率，炉腔106内保温状态。
实验阶段：
控制电动推杆115驱动石墨塞棒116提升，熔融铁水通过石墨坩埚107底部的下料孔一110流出，依次经过下料通道111，石墨板118上的通孔119改变直径，最终形成一定直径的铁液柱自下料孔二104穿过落入下方的反应容器102中，与反应容器102内的水接触发生爆炸。
瞬态压力测量装置8记录铁液柱入水时产生的瞬态压力波形，高速摄像装置9记录铁液柱入水时的图像视频。
整理及数据阶段：
待爆炸反应完全结束后，控制电动推杆115驱动石墨塞棒116下降，石墨塞棒116与石墨坩埚107底部接触再次将下料孔一110封堵；控制蜗轮蜗杆减速机120驱动石墨板118沿滑轨117移动，将下料通道111下端封闭，以待下一次实验操作。
将反应容器102内残留的反应物取出，可以进一步分析产物成分；结合瞬态压力波形图及高速摄像图像分析结果，进而可以获得高温熔融铁与水反应的压力峰值特征及爆炸点图像信息，可以用于研究高温熔融铁与水接触爆炸参数变化规律和物理爆炸、物理－化学耦合爆炸理论；研究开放/受限环境中高温熔融铁与水接触爆炸过程的关键灾变参数变化规律，建立高温熔融铁与水接触爆炸事故后果预测模型，帮助实现对高温熔融铁与水接触爆炸事故的有效控制。

Claims (7)

1.一种应用于中尺度熔融铁液柱与水接触爆炸实验的装置，其特征在于：包括：
立式实验装置，该立式实验装置包括升降平台，固定于升降平台上的中频炉，以及位于升降平台下方的反应容器；
所述中频炉包括支撑骨架，所述支撑骨架内部设有炉腔，所述炉腔内设置有石墨坩埚和热电偶，所述石墨坩埚的周圈环绕有感应线圈，石墨坩埚的底部设有下料孔一，所述炉腔底部设有与所述下料孔一相接的下料通道；所述炉腔的顶部设有与所述石墨坩埚连通的进料管道，所述进料管道的顶部管口安装有密封盖，进料管道上设有充气接口；所述炉腔上方设置有电动推杆，所述电动推杆的杆端连接有石墨塞棒，所述石墨塞棒穿过炉腔顶部将所述的下料孔一封堵；所述支撑骨架上于炉腔的下方设置有滑轨，所述滑轨内安装有石墨板，所述石墨板与下料通道的下端口相接，石墨板表面设有至少两个孔径互不相同的通孔，滑轨的一端设有用于驱动石墨板沿滑轨运动的蜗轮蜗杆减速机；
所述升降平台的表面设有下料孔二，所述下料孔二位于下料通道的正下方；
所述反应容器的顶部敞口且位于下料孔二的正下方；
中频电源，所述中频电源通过水冷电缆与所述的感应线圈连接；
氮气保护罐，所述氮气保护罐通过阀门及管路与所述的充气接口连接；
瞬态压力测量装置，用于接收反应容器内部产生的瞬态压力波形；
高速摄像机，所述高速摄像机正对反应容器；
控制箱，所述控制箱用于控制立式实验装置工作。
2.根据权利要求1所述的一种应用于中尺度熔融铁液柱与水接触爆炸实验的装置，其特征在于：所述电动推杆固定于进料管道上。
3.根据权利要求1所述的一种应用于中尺度熔融铁液柱与水接触爆炸实验的装置，其特征在于：所述热电偶为二硼化锆复合陶瓷热电偶。
4.根据权利要求1所述的一种应用于中尺度熔融铁液柱与水接触爆炸实验的装置，其特征在于：所述升降平台由液压装置驱动升降。
5.根据权利要求1所述的一种应用于中尺度熔融铁液柱与水接触爆炸实验的装置，其特征在于：所述石墨板的表面由左至右依次设置五个通孔，五个通孔的上端孔径与下料通道的下端孔径一致，五个通孔的下端孔径由左至右依次缩小。
6.根据权利要求1所述的一种应用于中尺度熔融铁液柱与水接触爆炸实验的装置，其特征在于：所述瞬态压力测量装置包括设置在反应容器侧壁上的PCB瞬态压力传感器，与PCB瞬态压力传感器连接的信号适调器，以及与信号适调器连接的存储记录仪。
7.根据权利要求1所述的一种应用于中尺度熔融铁液柱与水接触爆炸实验的装置，其特征在于：所述反应容器为有机玻璃材质的正方体容器。
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