CN111640521A - 一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置及其预成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置及其成型方法，包括上梁、工作台和多个加压工位，每个加压工位的电缸固定设置在上梁的底部，上压头通过压力传感器与电缸底部伸出的电缸活塞杆连接，模具钢套通过钢套拉杆与上压头连接，下压头固定设置在工作台上，模具放置在下压头上。该装置采用多个加压工位的设计，一次可以预成型多个球形燃料元件燃料区，大大提高产品的生产效率。采用电缸作为加压系统，可有效防止因采用液压系统产生的漏油和噪音问题，简化设备结构，节省空间；电缸的电缸活塞杆直线移动通过上压头对球形燃料元件燃料区施压，移动的距离和施加的压力可以精确控制，因此可以精确控制球形燃料元件燃料区的压制尺寸和压制压力。

Description

一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置及其预成型方法

技术领域

本发明涉及核燃料制备技术领域，尤其涉及一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置及其预成型方法。

背景技术

球床式高温气冷堆是世界公认、中国有自主知识产权的最先进的核反应堆之一，所采用的燃料直径约为60mm、内部均匀分布一定数量包覆颗粒的球形燃料元件，其中球体中心含有燃料的部位为燃料区，燃料区外围不含燃料的区域称为无燃料区。其成型过程：首先将包覆颗粒与基体石墨粉混合后在一定的压力下进行压制形成具有一定强度的芯球，然后与无燃料区的石墨粉一起再在高压条件下压制成型，经过低温、高温热处理后形成球形燃料元件的燃料区。目前燃料区预成型采用的压制系统为油压系统，预成型工艺为：加压--保压--泄压，整个周期不少于45s；加压过程存在压力上冲现象，保压时间不能调整；泄压时间长且泄压时间不能设置；冲头和冲头上升/回程速度不能调节；设备产能不能满足球形燃料元件规模化生产的需要，存在漏油风险，噪音大，需要配置冷却系统和压空系统，维修、维护困难。

因此，需要提供一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置及其预成型方法，为了提高设备的生产效率和改善产品的成型质量，实现燃料区预成型工艺参数可控和多工位工艺参数的最优化，并简化设备结构、降低设备的噪音和耗能，消除液压设备存在的漏油问题，便于设备的维护维修，营造更好的车间生产环境，以满足球形燃料元件规模化生产和高温气冷堆推广应用的需要。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置及其预成型方法，采用电能驱动电缸的电缸活塞杆对工件施压，代替油压设备的液压系统和液压控制系统，无需液压系统的冷却系统、液压执行元件、液压控制元件和液压辅助元件，设备结构简单，消除漏油问题，大幅度降低噪音，节省设备的安装空间。

为解决以上技术问题，本发明采用下述技术方案：

一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置，该装置包括上梁、工作台和多个加压工位，每个加压工位包括电缸、压力传感器、上压头、模具钢套、钢套拉杆、下压头和模具，所述电缸固定设置在上梁的底部，所述上压头通过压力传感器与电缸底部伸出的电缸活塞杆连接，所述模具钢套通过钢套拉杆与上压头连接，所述下压头固定设置在工作台上，所述模具放置在下压头上。所述下压头在工作台上的位置可调。

优选地，所述压力传感器与电缸活塞杆之间采用螺纹连接，所述压力传感器与上压头之间采用法兰连接。上压头和压力传感器的作用是给球形燃料元件燃料区加压和压力信号反馈。压力传感器可以通过压力控制球形燃料元件燃料区的成型压力，压力控制精度在0.05MPa。压力传感器也可以由光栅尺来代替，通过测量电缸活塞杆移动的距离精确控制球形燃料元件燃料区的压制尺寸，尺寸偏差控制在0.02mm。

优选地，所述钢套拉杆外套设有弹簧。每个模具钢套用两套钢套拉杆与上压头连接，模具钢套的作用是模具定位和给球形燃料元件燃料区施压。钢套拉杆外的弹簧可以实现模具钢套与上压头之间可以相对移动。

优选地，所述预成型装置还包括框架，所述上梁和工作台分别固定设置在框架上，所述框架的底部固定设有地脚盘。框架起支撑作用，所述框架包括上梁框架、工作台框架和侧框架，所述上梁固定设置在上梁框架上，所述工作台固定设置在工作台框架上，两套侧框架固定连接上梁框架和工作台框架。

优选地，所述上梁和工作台之间垂直固设有立柱。立柱支撑上梁和工作台。

优选地，所述多个加压工位分别独立运行控制或同步运行控制。多个加压工位运行的周期基本一致，运行时间最长的工位与运行时间最短的工位，运行时间差小于2s。

利用上述的一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置的预成型方法，其特征在于，该预成型方法包括如下步骤：

步骤一，将模具内装入体积比为4：1-5：1的基体石墨粉和穿衣颗粒后，放置在工作台上的下压头内；

步骤二，启动电缸，电缸活塞杆下移，上压头带动模具钢套下移，模具钢套套住模具并定位，上压头继续下移对模具加压至设定压力，并保压至设定时间；

步骤三，保压结束后，电缸活塞杆上移，上压头带动模具钢套上移，根据设定的泄压时间和泄压速率进行泄压；

步骤四，泄压结束后，电缸活塞杆继续上移，上压头带动模具钢套上移至脱离模具，将模具移出下压头内，完成球形燃料元件燃料区的预成型。

优选地，所述步骤二中，加压速率为1mm/s-20mm/s，优选5mm/s-10mm/s，成型压力为0.3MPa-2.2MPa，优选0.3MPa-2.0MPa，保压的时间不超过10s，优选不超过5s；所述步骤三中，泄压速率为0.1mm/s-15mm/s，优选 0.2mm/s-5mm/s，泄压时间不超过20s，优选不超过15s。每个工位的运行参数都可以独立设置，且成型压力在0MPa-2.2MPa连续可调，保压时间任意可调，泄压时间在0s-45s连续可调。

优选地，所述泄压包括慢速泄压和快速泄压，所述慢速泄压时间不超过10s，所述快速泄压时间不超过5s。

优选地，所述加压、保压和泄压的总时间为25s-40s，优选28s-33s。

利用上述装置的一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置的预成型方法，该预成型处理方法包括如下步骤：

本发明的有益效果如下：

本发明由于采用了以上技术方案，用于球形燃料元件燃料区的预成型装置及其预成型方法，采用多个加压工位的设计，一次可以预成型多个球形燃料元件燃料区，大大提高产品的生产效率。采用电缸作为加压系统，可有效防止因采用液压系统产生的漏油和电机产生的噪音问题，同时省去配套复杂的冷凝系统，大大简化设备的结构，节省大量的空间；电缸的电缸活塞杆直线移动通过上压头对球形燃料元件燃料区施压，移动的距离和施加的压力可以精确控制，因此可以精确控制球形燃料元件燃料区的压制尺寸和压制压力。

上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1示出本发明的一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置的主视方向结构示意图。

图2示出本发明的一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置的侧视方向结构示意图。

主要附图标记说明：

1-上梁，2-电缸，3-立柱，4-压力传感器，5-上压头，6-模具钢套，7- 下压头，8-模具，9-工作台，10-框架，11-地脚盘，12-钢套拉杆。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。

在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在所述元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。

如图1和图2所示，一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置，该装置包括框架10、上梁1、工作台9和多个加压工位。所述上梁1和工作台9分别固定设置在框架10上，所述框架10的底部固定设有地脚盘11。框架10起支撑作用，所述框架10包括上梁框架、工作台框架和侧框架，所述上梁1固定设置在上梁框架上，所述工作台9固定设置在工作台框架上，两套侧框架固定连接上梁框架和工作台框架。所述上梁1和工作台9 之间垂直固设有立柱3。立柱3支撑上梁1和工作台9。

每个加压工位包括电缸2、压力传感器4、上压头5、模具钢套6、钢套拉杆12、下压头7和模具8，所述电缸2固定设置在上梁1的底部，所述上压头5通过压力传感器4与电缸2底部伸出的电缸活塞杆连接，所述模具钢套6通过钢套拉杆12与上压头5连接，所述下压头7固定设置在工作台9上，所述模具8放置在下压头7上。所述下压头7在工作台9上的位置可调。该预成型装置采用多个加压工位的设计，在相同的工艺条件下，一次可以压制多个球形燃料元件燃料区产品。为确保每个加压工位模具8 受力的一致性，每个加压工位单独使用一个电缸2，每个加压工位的工艺参数和运行状态可单独设置和控制，也可同步运行，同步运行时各工位运行的时间差小于2s。

所述压力传感器4与电缸活塞杆之间采用螺纹连接，所述压力传感器4 与上压头5之间采用法兰连接。上压头5和压力传感器4的作用是给球形燃料元件燃料区加压和压力信号反馈。压力传感器4可以通过压力控制球形燃料元件燃料区的成型压力，压力控制精度在0.05MPa。压力传感器4 也可以由光栅尺来代替，通过测量电缸活塞杆移动的距离精确控制球形燃料元件燃料区的压制尺寸，尺寸偏差控制在0.02mm。

所述钢套拉杆12外套设有弹簧。每个模具钢套6用两套钢套拉杆12 与上压头5连接，模具钢套6的作用是模具定位和给球形燃料元件燃料区施压。钢套拉杆12外的弹簧可以实现模具钢套6与上压头5之间可以相对移动。

所述多个加压工位分别独立运行控制或同步运行控制。多个加压工位运行的周期基本一致，运行时间最长的工位与运行时间最短的工位，运行时间差小于2s。

利用上述的一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置的预成型方法，其特征在于，该预成型方法包括如下步骤：

步骤一，将模具8内装入体积比为4：1-5：1的基体石墨粉和穿衣颗粒后，放置在工作台9上的下压头7内；

步骤二，启动电缸2，电缸活塞杆下移，上压头5带动模具钢套6下移，模具钢套6套住模具8并定位，上压头5继续下移对模具8加压至设定压力，并保压至设定时间；加压速率为1mm/s-20mm/s，优选5mm/s-10mm/s，成型压力为0.3MPa-2.2MPa，优选0.3MPa-2.0MPa，保压的时间不超过10s，优选不超过5s；

步骤三，保压结束后，电缸活塞杆上移，上压头5带动模具钢套6上移，根据设定的泄压时间和泄压速率进行泄压；泄压速率为0.1mm/s-15mm/s，优选0.2mm/s-5mm/s，泄压时间不超过20s，优选不超过15s。每个工位的运行参数都可以独立设置，且成型压力在0MPa-2.2MPa连续可调，保压时间任意可调，泄压时间在0s-45s连续可调。

步骤四，泄压结束后，电缸活塞杆继续上移，上压头5带动模具钢套6 上移至脱离模具8，将模具8移出下压头7内，完成球形燃料元件燃料区的预成型。

所述泄压可以是一段式泄压，也可以是多段式泄压，多段式泄压优选两段式泄压，两段式泄压包括慢速泄压和快速泄压，所述慢速泄压时间不超过10s，所述快速泄压时间不超过5s。

所述加压、保压和泄压的总时间为25s-40s，优选28s-33s。

本发明的说明书附图按照六个加压工位进行说明。六个加压工位的六个电缸2通过六个上压头5分别下行施压，六个模具8的成型压力可分别控制，且都控制在工艺要求的压力范围内，实现六个球形燃料元件燃料区同时压制成型。在压制过程中，如果有一个加压工位出现了问题，设备的控制系统可以自动隔离工位(人工设定)，保证设备其余五个加压工位继续正常工作。

每个加压工位的操作参数通过PLC、电缸2、伺服电机及编码器、压力传感器4或光栅尺对成型压力或尺寸、加压时间、保压时间、泄压时间、上压头5及模具钢套6运行的电信号等模拟量进行控制，实现工艺参数的连续可调和精确控制。

压力控制：通过加装压力传感器4，控制系统将压力传感器4输出的模拟量反馈到PLC，通过与设定值比较，电缸2根据反馈的信号，再驱动伺服电机正转或反转即加压或泄压，以此实现压力的控制。选择高精度的压力传感器4和精密的电缸活塞杆，通过伺服电机运行速度连续可调实现压力的精度控制和压力的可调。

加压时间和泄压时间控制以及多段加压、多段泄压的实现：在一定的压力下，通过设定伺服电机的旋转速度实现加压时间和泄压时间的控制；在加压和泄压过程，将伺服电机的转速设定为多段即可实现多段加压和泄压。

保压时间控制：在一定的压力和波动范围内，模拟量保压时间通过PLC 的继电器对电缸和伺服电机发出指令，通过编码器和压力传感器4的模拟量反馈PLC，再与设定值比较，实现保压时间的控制。

实验例1：基体粉和穿衣颗粒的体积比为4:1；设定成型压力2MPa；一段式加压，加压速率为7mm/s；保压4s；一段式泄压，泄压速率为3mm/s，泄压时间为5s；各个加压工位的压力及完成整个加压、保压、泄压的整个周期参数见表1。

表1压力为2MPa，保压4s，六个工位的压力和工作周期平均值、偏差及成品率

注：+代表上偏差，-代表下偏差。

实验例2：基体粉和穿衣颗粒的体积比为5:1；设定成型压力0.9MPa；一段式加压，加压速率为10mm/s；保压10s；两段式泄压，慢泄速率为1mm/s，慢泄时间为10s；快速泄压速率为5mm/s，快速泄压时间为1s；各个加压工位的压力及完成整个加压、保压、泄压的整个周期见表2。

表2压力为0.9MPa，保压10s，六个工位的压力和工作周期平均值、偏差及成品率

注：+代表上偏差，-代表下偏差。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置，其特征在于，该装置包括上梁(1)、工作台(9)和多个加压工位，每个加压工位包括电缸(2)、压力传感器(4)、上压头(5)、模具钢套(6)、钢套拉杆(12)、下压头(7)和模具(8)，所述电缸(2)固定设置在上梁(1)的底部，所述上压头(5)通过压力传感器(4)与电缸(2)底部伸出的电缸活塞杆连接，所述模具钢套(6)通过钢套拉杆(12)与上压头(5)连接，所述下压头(7)固定设置在工作台(9)上，所述模具(8)放置在下压头(7)上。

2.根据权利要求1所述的一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置，其特征在于，所述压力传感器(4)与电缸活塞杆之间采用螺纹连接，所述压力传感器(4)与上压头(5)之间采用法兰连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置，其特征在于，所述钢套拉杆(12)外套设有弹簧。

4.根据权利要求1所述的一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置，其特征在于，所述预成型装置还包括框架(10)，所述上梁(1)和工作台(9)分别固定设置在框架(10)上，所述框架(10)的底部固定设有地脚盘(11)。

5.根据权利要求4所述的一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置，其特征在于，所述上梁(1)和工作台(9)之间垂直固设有立柱(3)。

6.根据权利要求1所述的一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置，其特征在于，所述多个加压工位分别独立运行控制或同步运行控制。

7.利用权利要求1-6任一权利要求所述的一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置的预成型方法，其特征在于，该预成型方法包括如下步骤：

步骤一，将模具(8)内装入体积比为4：1-5：1的基体石墨粉和穿衣颗粒后，放置在工作台(9)上的下压头(7)内；

步骤二，启动电缸(2)，电缸活塞杆下移，上压头(5)带动模具钢套(6)下移，模具钢套(6)套住模具(8)并定位，上压头(5)继续下移对模具(8)加压至设定压力，并保压至设定时间；

步骤三，保压结束后，电缸活塞杆上移，上压头(5)带动模具钢套(6)上移，根据设定的泄压时间和泄压速率进行泄压；

步骤四，泄压结束后，电缸活塞杆继续上移，上压头(5)带动模具钢套(6)上移至脱离模具(8)，将模具(8)移出下压头(7)内，完成球形燃料元件燃料区的预成型。

8.根据权利要求7所述的一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置的预成型方法，其特征在于，所述步骤二中，加压速率为1mm/s-20mm/s，成型压力为0.3MPa-2.2MPa，保压的时间不超过10s；

所述步骤三中，泄压速率为0.1mm/s-15mm/s，泄压时间不超过20s。

9.根据权利要求7所述的一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置的预成型方法，其特征在于，所述泄压包括慢速泄压和快速泄压，所述慢速泄压时间不超过10s，所述快速泄压时间不超过5s。

10.根据权利要求7所述的一种用于球形燃料元件燃料区的预成型装置的预成型方法，其特征在于，所述加压、保压和泄压的总时间为25s-40s。

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