CN112229868A - 一种金属熔池顶部注水实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属熔池顶部注水实验装置及实验方法，本发明的装置包括熔炼盛装机构、气氛保护与蒸汽释放机构、顶部注水机构和测量机构；所述熔炼盛装机构为采用中频感应加热方式设计的熔炼炉，用于熔炼金属；所述气氛保护与蒸汽释放机构为金属熔炼以及骤冷实验阶段向上传热热流密度测量装置提供保护气氛；同时在骤冷实验开始后约束蒸汽释放以及疏导蒸汽爆炸能量；所述顶部注水机构用于以稳定流量向熔炼炉内熔池注水以在熔炼炉内进行注水骤冷实验；所述测量机构用于实现注水骤冷实验阶段的传热热流密度的测量。本发明的装置使得熔炼和顶部注水骤冷实验均在氧化镁坩埚内进行，简化了实验操作、增强了对原型工况的模拟程度、提升了测量精度。

Description

一种金属熔池顶部注水实验装置及实验方法

技术领域

本发明属于热工流体测试技术领域，具体涉及一种金属熔池顶部注水实验装置及实验方法。

背景技术

在热工流体实验和测试领域，核反应堆严重事故机理研究中，堆芯组件、结构件由于过热熔化，在压力容器下封头内形成熔池，液态熔池顶部冷却是实现反应堆熔融物堆内滞留的技术途径之一，但顶部注水冷却存在蒸汽爆炸风险，必须利用原型材料实验确认蒸汽爆炸触发概率、风险程度，以及冷却能力。

为了研究熔池在顶部注水条件下的骤冷特性，通常需要构建原型材料的熔池进行顶部注水骤冷实验。原型下封头熔池会在复杂物理化学作用下发生分层，由不锈钢组分为主的液态金属位于最顶层。顶部注水骤冷实验研究中，原型液态金属层材质的熔点高(≥1500℃)，还要在较高过热度下进行顶部注水骤冷实验，对熔池盛装设备的骤冷损伤大，热应力变化剧烈，熔炼控氧要求高；同时向液态金属熔池顶部注水存在很高的蒸汽爆炸风险，如果顶部注水动量大，冷却水“刺入”液态金属熔池内部，100％的概率发生蒸汽爆炸(爆炸烈度与液态金属熔池能量成比例)，顶部注水动量小的情况下也存在一定诱发分层蒸汽爆炸的可能性，骤冷实验的难度又体现在对蒸汽爆炸的安全防护上。

目前在核反应堆堆芯熔融物、熔池与冷却剂相互作用研究领域多采用低熔点合金、低熔点熔融氧化物进行模拟材料实验，规避原型材料实验中高温、高风险的特点。但模拟材料下的实验结果不能很好的反映真实条件下的物理化学特征，尤其是材料属性带来的影响。

发明内容

为了克服采用模拟材料进行实验无法很好的反映真实条件下的物理化学特征的技术问题，本发明提供了一种金属熔池顶部注水实验装置，实现了针对高温液态金属熔池进行顶部注水冷却的实验研究。

本发明通过下述技术方案实现：

一种金属熔池顶部注水实验装置及实验方法，该装置包括熔炼盛装机构、气氛保护与蒸汽释放机构、顶部注水机构和测量机构；

所述熔炼盛装机构为采用中频感应加热方式设计的熔炼炉，用于熔炼金属；

所述气氛保护与蒸汽释放机构为金属熔炼以及骤冷实验阶段向上传热热流密度测量装置提供保护气氛；同时在骤冷实验开始后约束蒸汽释放以及疏导蒸汽爆炸能量；

所述顶部注水机构用于以稳定流量向熔炼炉内熔池注水以在熔炼炉内进行注水骤冷实验；

所述测量机构用于实现注水骤冷实验阶段的传热热流密度的测量。

本发明的金属熔炼和注水骤冷实验均在同一盛装容器中进行，节省了传统技术需要将熔炼好的液态金属转移到试验盛装容器后进行注水骤冷实验的转移工序，实验操作更为简便，使得液态金属熔池的保温更加便利(通过中频加热炉的红外闭环控温)，同时液态金属熔池在中频磁场的搅拌下呈翻滚状，熔池内外无温差，更加符合实际事故条件下熔池顶部轻金属层被不断加热的状态，使得实验结果更加符合实际事故条件，为液态熔池顶部冷却研究提供更加准确可靠的数据支撑。

优选的，本发明的熔炼盛装机构包括由感应线圈和氧化镁坩埚构成的熔炼炉；

感应线圈与坩埚之间浇筑隔离防护墙，将氧化镁坩埚侧和感应线圈侧隔离开来，同时能够防御坩埚内发生蒸汽爆炸后的冲击波；

中频感应电源为感应线圈提供强交变电流，感应线圈内部空间产生的交变磁场用来加热氧化镁坩埚内的金属材料。

本发明为了配合液态熔池的顶部注水骤冷实验，采用特殊结构的中频感应炉，感应线圈和耐火衬里浇筑成一道结实的隔离防护墙将实验区侧和炉体侧隔离开来，同时能够防御坩埚内发生蒸汽爆炸后的冲击波。

优选的，本发明的气氛保护与蒸汽释放机构包括氩气扫气管路、蒸汽围筒和蒸汽释放管路；

所述蒸汽围筒安装在所述氧化镁坩埚的顶部；

所述蒸汽释放管路连接在所述蒸汽围筒侧壁上靠近顶部的位置；

所述氩气扫气管路连接在所述蒸汽围筒侧壁上靠近底部的位置；

在金属熔炼以及骤冷实验阶段通过氩气扫气管路持续向蒸汽围筒内充入氩气，保持蒸汽围筒内压力一直处于预设正压范围。

优选的，本发明的注水机构包括注水调节系统和注水直管；

所述注水直管的底部安装有注水喷嘴；

所述注水直管通过直线轴承安装在所述蒸汽围筒顶部中心并可沿所述蒸汽围筒轴向运动，从而在进行注水骤冷实验阶段，将带有注水喷嘴的注水直管向下移动使得注水喷嘴位于金属熔池的顶部目标位置；

所述注水调节系统能够将注入水流量调节到目标流量，然后通过注水直管以及注水喷嘴注入金属熔池内。

优选的，本发明的注水喷嘴外侧安装有注水隔离围筒，所述注水隔离围筒能够随着注水喷嘴同时升降，在注水骤冷实验阶段，注水隔离围筒能够将坩埚壁面和冷却水隔离开开，避免坩埚的骤冷碎裂。

优选的，本发明的注水调节系统包括注水箱、注水离心泵、第一电动流量调节阀、第一电磁流量计、气动快开阀、气动快关阀、第二电动流量调节阀和第二电磁流量计；

其中，所述注水离心泵的出口与注水箱连接构成注水回路，且所述注水离心泵的出口与注水箱之间的连接管路上依次设置有第一电动流量调节阀和第一电磁流量计；

所述注水离心泵的出口还与注水直管连接构成注水主路，且所述注水离心泵的出口与所述注水直管之间的连接管路上依次设置有第二电磁流量计、第二电动流量调节阀和气动快开阀；

所述第二电动流量调节阀与所述气动快开阀的公共连接端与注水箱连接构成注水支路，且所述第二电动流量调节阀与所述气动快开阀的公共连接端与注水箱之间的连接管路上设置有气动快关阀；

所述注水回路用于调节注水离心泵回水的流量；

所述注水主路用于调节注入水流量，实验准备阶段，注入水从注水支路流回注水箱，在此阶段将注入水流量调节到目标值，开始注水骤冷实验时，通过动作气动快关阀和气动快开阀将稳定流量注入水从注水支路切换到注水主路中来，通过注水喷嘴注入金属熔池内。

本发明通过注水调节系统可以提供流量可调、稳定流量的注水流；同时通过注水直管底部的喷嘴更换、调节阀调节实现不同注水方式、不同注水流量、不同注水流速的变换。

优选的，本发明的测量机构包括安装在注水直管上的热电偶和布置于蒸汽围筒侧壁中段位置的压力传感器；

所述热电偶能够与注水喷嘴跟随注水直管同时运动，开始注水前通过升降机构将注水直管降落到目标高度，热电偶能够插入金属熔池中采用“两点法”测量熔池向上的传热热流密度；

所述压力传感器用于监测发生蒸汽爆炸后的冲击波载荷。

优选的，本发明的坩埚为一次性使用，当注水骤冷实验之后则对坩埚进行更换；

在熔炼炉顶部设置坩埚开裂排泄口，该坩埚开裂排泄口在注水骤冷实验后取坩埚阶段作为电推杆入口，通过电推杆以及坩埚顶部起吊机构配合作用对坩埚进行更换。

优选的，本发明的熔炼盛装机构、气氛保护与蒸汽释放机构、顶部注水机构和测量机构均设置在实验台架内部，所述实验台架的四周均设置了安全防护钢板，进一步防御蒸汽爆炸对周围的溅射伤害。

另一方面，本发明还提出了一种基于上述金属熔池顶部注水实验装置的实验方法，该方法包括以下步骤：

金属熔炼开始：开启电气、测控系统，将特定质量和组分的金属熔料放入坩埚内，关闭蒸汽围筒的双层密封门，开启气氛保护系统向蒸汽围筒充氩气，由蒸汽释放管路处的氧浓度/氮气浓度传感器显示蒸汽围筒内的空气已经排完时，开启电磁感应加热器加热坩埚内的金属熔料；

金属熔炼阶段：为了防止高温熔料对周围设备的辐射传热，为坩埚盖上隔热盖，隔热盖上开设红外测温孔，在预设时间段内通过红外闭环控温将熔池温度保持在恒定目标温度；

注水开始：开启注水循环泵，将注水支路中的水流量调节为目标值；取下坩埚盖，使用升降机构将安装有热电偶和注水喷嘴的注水直管下降到目标高度，此时全部热电偶已插入到金属熔池中，注水喷嘴也位于熔池顶部目标位置，注水隔离围筒插入到熔池中将坩埚隔离开来；同时打开蒸汽围筒上的蒸汽释放管路的闸阀准备释放蒸汽；先后动作气动快开阀和气动快关阀，以恒定注水流量开启注水；

注水骤冷实验阶段：因为骤冷金属熔池产生的大量蒸汽从蒸汽围筒顶部的蒸汽释放管路进行排放，冷却水逐渐淹没注水隔离围筒后，蒸汽围筒中的水位也逐渐升高，当水位上升到预设警戒高度后停止注水；

当金属铸锭内的温度降到预设温度以内时开始排泄蒸汽围筒内的残水，松开热电偶和注水直管的连接，通过炉体底部推杆和顶部起吊机构将金属铸锭拿出炉外进行分析检测。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明针对高熔点液态金属熔池进行顶部注水骤冷实验过程中“设备骤冷损伤大、热应力变化剧烈、熔炼控氧要求高、蒸汽爆炸风险高”的困难以及现有技术采用低熔点模拟材料进行替代实验的短板，解决高熔点液态金属熔池熔炼、盛装、骤冷的设备难题，妥善防御蒸汽爆炸、液态金属泄漏带来的安全隐患，测量液态金属熔池在顶部注水下的冷却能力，降低蒸汽爆炸造成损伤的风险。

2、本发明实现了针对温度≤2000℃的液态金属熔池进行顶部注水冷却的实验研究；本发明特别适用于以核反应堆下封头熔池顶部金属层原型材料(1Cr18Ni9Ti、Zr；熔点约为1500℃)进行金属熔池顶部注水冷却实验。

3、本发明采用熔池内插入钨管铠装钨铼热电偶的方式，用“两点法”测量液态熔池注水骤冷过程中向上传热的热流密度；钨管铠装钨铼热电偶在保护气氛下测量≤2000℃的熔池内部温度测量具有精度高，响应快、测量后钨铼热电偶可回收等优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的金属熔池顶部注水试验装置内部结构示意图。

图2为本发明的金属熔池顶部注水试验装置外部结构示意图。

图3为本发明的金属熔池顶部注水试验装置控制原理示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-工字钢台架；2-二层平台；3-三层平台；4-中频熔炼炉体活动式台架；5-中频熔炼炉体；6-感应线圈；7-磁轭；8-坩埚开裂排水口/取放坩埚电推杆入口；9-金属熔池；10-氧化镁坩埚；11-坩埚盖；12-坩埚盖远程取放机构；13-蒸汽围筒；131-蒸汽围筒双层密封门；14-氩气充气管路；15-残水排放管路；16-顶部注水系统；17-热电偶安装盘；18-钨管铠装钨铼热电偶；19-加固孔板；20-注水喷嘴；21-注水隔离围筒；22-注水直管；23-直线轴承；24-热电偶补偿导线贯穿密封孔；25-红外测温仪；26-氧浓度&氮气浓度传感器；27-蒸汽释放管路；28-闸阀；29-闸阀提杆；30-顶层平台栏杆；31-顶部起吊机构；32-蜗杆升降机构；33-宝塔接头；34-C7-90°弯头；35-十字螺钉；36-顶层安全防护板；37-底层安全防护板；38-注水箱充/排水阀；39-注水箱；40-注水离心泵；41-第一电动流量调节阀；42-第一电磁流量计；43-第二电磁流量计；44-第二电动流量调节阀；45-气动快开阀；46-气动快关阀；47-电磁感应加热器；48-排水阀；49-排水槽；50-氩气扫气开启阀；51-氩气源；52-压电式压力传感器；53-压阻式压力传感器；54-压阻式压力传感器。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

相较于采用低熔点模拟材料进行替代实验的短板，解决高熔点液态金属熔池熔炼、盛装、骤冷的设备难题，妥善防御蒸汽爆炸、液态金属泄漏带来的安全隐患，测量液态金属熔池在顶部注水下的冷却能力，降低蒸汽爆炸造成损伤的风险，本实施例提出了一种金属熔池顶部注水实验装置。

如图1-3所示，本实施例的金属熔池顶部注水实验装置主要由熔炼盛装机构、气氛保护与蒸汽释放结构、顶部注水机构、测量机构以及安全防护设施等五部分组成。

其中，熔炼盛装机构为采用中频感应加热方式设计的熔炼炉，中频感应电源为感应线圈6提供强交变电流，感应线圈6内部空间产生的交变磁场用来加热氧化镁坩埚10内的金属材料至特定过热度。考虑到金属熔池温度高，向四周辐射传热热流大，采用熔炼和注水骤冷实验均在同一盛装设备(即氧化镁坩埚10)中进行的方案，便于金属熔池9的保温，使得熔池表面始终为液态，熔池内外无温差。

本实施例充分考虑了顶部注水骤冷对坩埚10的损伤，将坩埚10设计为可更换式，一次性使用，第二次实验采用新坩埚进行；同时考虑了可能的蒸汽爆炸对周围设备部件的破坏，故将坩埚10设计为敞口式，坩埚顶部设计较大空间的蒸汽围筒13，注水骤冷时发生蒸汽爆炸的能量大部分向上传递，并将感应线圈6和耐火衬里浇筑成一道较厚较结实的隔离防护墙(即如图1中所示感应线圈6与坩埚10之间的周面以及底面部分)，保护爆炸冲击波对炉体结构的破坏，隔绝坩埚在注水骤冷过程中出现破裂情况下的外泄液态金属和冷却水。

同时，整个装置为配合骤冷实验后坩埚的更换设计了顶部起吊机构31和底部电推杆；炉体底部设计坩埚10开裂排泄口。

气氛保护与蒸汽释放机构主要由氩气扫气管路14、蒸汽围筒13、蒸汽释放管路27组成。由于骤冷实验阶段熔池9向上传热的热流密度测量采用钨管铠装钨铼热电偶18，以及金属熔炼都需要在保护气氛下进行，故蒸汽围筒在初期为氩气气氛，且全程以小流量持续充氩气，保持蒸汽围筒内微正压(蒸汽围筒13顶部连接较粗管径的蒸汽释放管路27，管路27管径与坩埚10内径保持相当规模，蒸汽释放管路27上依次安装氧浓度/氮气浓度传感器26、手提式闸阀28；阀片与释放管间有间隙，实验全程持续充氩气，保持蒸汽围筒内微正压，多余的氩气从蒸汽释放管路27与闸阀28的间隙处流出)。骤冷实验开始后打开蒸汽围筒13顶侧部蒸汽释放管路27的闸阀28，排放骤冷熔池产生的巨量蒸汽。

顶部注水机构16主要由注水直管22和注水调节系统组成。考虑了注水泵需要起泵时间，注水调节系统采用一组快开阀和快关阀实现以稳定流量通过注水直管22向金属熔池9顶部注水。通过注水直管22底部的注水喷嘴20更换实现不同注水方式、不同注水流量、不同注水流速的更换。

具体如图1所示，本实施例的注水直管22通过直线轴承23安装在蒸汽围筒13顶部中心并可沿蒸汽围筒13轴向进行升降运动，从而在进行注水骤冷实验阶段，将带有注水喷嘴20的注水直管22向下移动使得注水喷嘴位于金属熔池9的顶部目标位置；

注水调节系统能够将注入水流量调节到目标流量，然后通过注水直管22以及注水喷嘴20注入金属熔池9内。

本实施例的注水喷嘴20外侧安装有注水隔离围筒21，所述注水隔离围筒21能够随着注水喷嘴20同时升降，在注水骤冷实验阶段，注水隔离围21筒能够将坩埚壁面和冷却水隔离开开，避免坩埚10的骤冷碎裂。

如图3所示，本实施例的注水调节系统包括注水箱39、注水离心泵40、第一电动流量调节阀41、第一电磁流量计42、气动快开阀45、气动快关阀46、第二电动流量调节阀44和第二电磁流量计43；

其中，注水离心泵40的出口与注水箱39连接构成注水回路，且注水离心泵40的出口与注水箱39之间的连接管路上依次设置有第一电动流量调节阀41和第一电磁流量计42；

注水离心泵40的出口还与注水直管22连接构成注水主路，且注水离心泵40的出口与注水直管22之间的连接管路上依次设置有第二电磁流量计43、第二电动流量调节阀44和气动快开阀45；

第二电动流量调节阀44与气动快开阀45的公共连接端与注水箱39连接构成注水支路，且第二电动流量调节阀44与气动快开阀45的公共连接端与注水箱39之间的连接管路上设置有气动快关阀46；

注水回路用于调节注水离心泵40回水的流量；

注水主路用于调节注入水流量，实验准备阶段，注入水从注水支路流回注水箱39，在此阶段将注入水流量调节到目标值，开始注水骤冷实验时，通过动作气动快关阀46和气动快开阀45将稳定流量注入水从注水支路切换到注水主路中来，通过注水喷嘴20注入金属熔池9内。

测控机构由注水水温、流量测量，围筒静压、动态压力、水位测量，以及金属熔池9骤冷阶段向上传热热流密度测量组成。具体主要完成围筒内动态压力的测量和熔池骤冷过程中向上的传热热流密度测量。以布置于蒸汽围筒13中段的压电式压力传感器52监测发生蒸汽爆炸后的冲击波载荷；以预先插入金属熔池中的钨管铠装钨铼热电偶18采用“两点法”测量熔池向上的传热热流密度，钨管铠装钨铼热电偶18安装在热电偶安装盘17上，安装盘17底部设置径向加固板19进一步约束钨管铠装钨铼热电偶18振动摇晃量；热电偶安装盘17安装在注水直管22底部，跟注水喷嘴20耦合成一体。

安全防护设施采用“纵深防御”、“多道屏障”等安全防御原则进行蒸汽爆炸的防护设计。在熔炼炉部位，氧化镁坩埚10、炉体内的隔离防护墙体、台架1底层安全防护板分别为三道防护屏障；在蒸汽围筒部位，蒸汽围筒筒体、台架顶层安全防护板分别为两道防护屏障；炉体底部排泄口处设置了河沙池，用以承接外泄的液态金属。

具体如图1-2所示，本实施例的安全防护设施具体包括：炉体内的隔离防护墙体隔离了氧化镁坩埚10侧和炉体内感应线圈6侧。蒸汽围筒13为方形结构，其中三面均为较厚的不锈钢钢板(钢板厚度与蒸汽爆炸能量规模相适应)，其中一面设计为可密封的双层门，内层为防爆钢化玻璃门，外层为防爆钢门，钢化玻璃门被用以可视化高速拍摄。实验台架1的底层和顶层四面均设置了安全防护钢板(36、37)，用以最后防御可能的蒸汽爆炸对周围的溅射伤害。

本实施例的注水骤冷实验原理为：金属熔池顶部注水骤冷实验主要通过以特定温度、流量、流速的冷却水向下冲击特定过热度的金属熔池，观测液液接触后的物理化学现象，以预先插入金属熔池中的钨管铠装钨铼热电偶测量熔池向上的传热热流密度，以布置于蒸汽围筒中段的压电式压力传感器监测发生蒸汽爆炸后的冲击波载荷；当蒸汽围筒内的液位达到一定预警水位后停止注水，取出骤冷的铸锭表面进行分析测量。

采用本实施例提出的金属熔池顶部注水实验装置进行实验研究，具体过程如下：

金属熔池顶部注水冷却实验首先以金属熔池的熔炼开始，开启电气、测控系统，将特定质量和组分的金属熔料放入氧化镁坩埚内，关闭蒸汽围筒的双层密封门，开启气氛保护系统向蒸汽围筒充氩气，由蒸汽释放管路处的氧浓度/氮气浓度传感器显示蒸汽围筒内的空气已经排完时开启电磁感应加热器熔化金属熔料。熔炼期间，为了防止高温熔料对周围设备的辐射传热，为坩埚盖上隔热盖(隔热盖通过球轴承杠杆机构实现取放)，盖子上开红外测温孔，通过红外闭环控温将熔池温度保持在恒定目标温度20min。

开启注水循环泵，将注水支路中的水流量调节为目标值；取下坩埚盖，使用蜗杆升降机构将安装有钨管铠装铼热电偶和注水喷嘴的注水直管下降到目标高度，此时全部钨管铠装钨铼热电偶已插入到金属熔池，喷嘴也已在熔池顶部一定高度就位，注水隔离围筒也插入钢水中将坩埚壁隔离开来；同时打开蒸汽释放管路的闸阀准备释放蒸汽。先后动作气动快开阀、气动快关阀，以恒定注水流量开启注水。如果在此时发生剧烈的蒸汽爆炸，台架底层有三层防护屏障，台架顶层有两层防护屏障，可以最大限度的卸载爆炸能量，防止爆炸冲击波造成的溅射对周围的设备人员造成伤害。熔炼炉的坩埚被设计为可更换式，故允许一次注水骤冷实验中坩埚发生破损开裂；如果爆炸冲击波毁损了隔离防护墙，可在下次试验前在新线圈的基础上重新强度更高的浇筑隔离防护墙。

骤冷金属熔池产生的大量蒸汽从蒸汽围筒顶部的蒸汽释放管路进行排放，冷却水逐渐淹没注水隔离围筒后，蒸汽围筒中的水位也逐渐升高，当水位上升到一定警戒高度后停止注水。等金属铸锭内的温度降到100℃以内时开始排泄蒸汽围筒内的残水，松开热电偶安装盘和注水直管的连接，通过炉体底部点推杆系统和顶部起吊机构将金属铸锭拿出炉外进行分析检测。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属熔池顶部注水实验装置，其特征在于，该装置包括熔炼盛装机构、气氛保护与蒸汽释放机构、顶部注水机构和测量机构；

所述熔炼盛装机构为采用中频感应加热方式设计的熔炼炉，用于熔炼金属；

所述气氛保护与蒸汽释放机构为金属熔炼以及骤冷实验阶段向上传热热流密度测量装置提供保护气氛；同时在骤冷实验开始后约束蒸汽释放以及疏导蒸汽爆炸能量；

所述顶部注水机构用于以稳定流量向熔炼炉内熔池注水以在熔炼炉内进行注水骤冷实验；

所述测量机构用于实现注水骤冷实验阶段的传热热流密度的测量。

2.根据权利要求1所述的一种金属熔池顶部注水实验装置，其特征在于，所述熔炼盛装机构包括由感应线圈和氧化镁坩埚构成的熔炼炉；

感应线圈与坩埚之间浇筑隔离防护墙，将氧化镁坩埚侧和感应线圈侧隔离开来，同时能够防御坩埚内发生蒸汽爆炸后的冲击波；

中频感应电源为感应线圈提供强交变电流，感应线圈内部空间产生的交变磁场用来加热氧化镁坩埚内的金属材料。

3.根据权利要求2所述的一种金属熔池顶部注水实验装置，其特征在于，所述气氛保护与蒸汽释放机构包括氩气扫气管路、蒸汽围筒和蒸汽释放管路；

所述蒸汽围筒安装在所述氧化镁坩埚的顶部；

所述蒸汽释放管路连接在所述蒸汽围筒侧壁上靠近顶部的位置；

所述氩气扫气管路连接在所述蒸汽围筒侧壁上靠近底部的位置；

在金属熔炼以及骤冷实验阶段通过氩气扫气管路持续向蒸汽围筒内充入氩气，保持蒸汽围筒内压力一直处于预设正压范围。

4.根据权利要求3所述的一种金属熔池顶部注水实验装置，其特征在于，所述注水机构包括注水调节系统和注水直管；

所述注水直管的底部安装有注水喷嘴；

所述注水直管通过直线轴承安装在所述蒸汽围筒顶部中心并可沿所述蒸汽围筒轴向运动，从而在进行注水骤冷实验阶段，将带有注水喷嘴的注水直管向下移动使得注水喷嘴位于金属熔池的顶部目标位置；

所述注水调节系统能够将注入水流量调节到目标流量，然后通过注水直管以及注水喷嘴注入金属熔池内。

5.根据权利要求4所述的一种金属熔池顶部注水实验装置，其特征在于，所述注水喷嘴外侧安装有注水隔离围筒，所述注水隔离围筒能够随着注水喷嘴同时升降，在注水骤冷实验阶段，注水隔离围筒能够将坩埚壁面和冷却水隔离开开，避免坩埚的骤冷碎裂。

6.根据权利要求4所述的一种金属熔池顶部注水实验装置，其特征在于，所述注水调节系统包括注水箱、注水离心泵、第一电动流量调节阀、第一电磁流量计、气动快开阀、气动快关阀、第二电动流量调节阀和第二电磁流量计；

其中，所述注水离心泵的出口与注水箱连接构成注水回路，且所述注水离心泵的出口与注水箱之间的连接管路上依次设置有第一电动流量调节阀和第一电磁流量计；

所述注水离心泵的出口还与注水直管连接构成注水主路，且所述注水离心泵的出口与所述注水直管之间的连接管路上依次设置有第二电磁流量计、第二电动流量调节阀和气动快开阀；

所述第二电动流量调节阀与所述气动快开阀的公共连接端与注水箱连接构成注水支路，且所述第二电动流量调节阀与所述气动快开阀的公共连接端与注水箱之间的连接管路上设置有气动快关阀；

所述注水回路用于调节注水离心泵回水的流量；

所述注水主路用于调节注入水流量，实验准备阶段，注入水从注水支路流回注水箱，在此阶段将注入水流量调节到目标值，开始注水骤冷实验时，通过动作气动快关阀和气动快开阀将稳定流量注入水从注水支路切换到注水主路中来，通过注水喷嘴注入金属熔池内。

7.根据权利要求4所述的一种金属熔池顶部注水实验装置，其特征在于，所述测量机构包括安装在注水直管上的热电偶和布置于蒸汽围筒侧壁中段位置的压力传感器；

所述热电偶能够与注水喷嘴跟随注水直管同时运动，开始注水前通过升降机构将注水直管降落到目标高度，热电偶能够插入金属熔池中采用“两点法”测量熔池向上的传热热流密度；

所述压力传感器用于监测发生蒸汽爆炸后的冲击波载荷。

8.根据权利要求2-7任一项所述的一种金属熔池顶部注水实验装置，其特征在于，所述坩埚为一次性使用，当注水骤冷实验之后则对坩埚进行更换；

在熔炼炉顶部设置坩埚开裂排泄口，该坩埚开裂排泄口在注水骤冷实验后取坩埚阶段作为电推杆入口，通过电推杆以及坩埚顶部起吊机构配合作用对坩埚进行更换。

9.根据权利要求1-7任一项所述的一种金属熔池顶部注水实验装置，其特征在于，所述熔炼盛装机构、气氛保护与蒸汽释放机构、顶部注水机构和测量机构均设置在实验台架内部，所述实验台架的四周均设置了安全防护钢板，进一步防御蒸汽爆炸对周围的溅射伤害。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述的金属熔池顶部注水实验装置的实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

金属熔炼开始：开启电气、测控系统，将特定质量和组分的金属熔料放入坩埚内，关闭蒸汽围筒的双层密封门，开启气氛保护系统向蒸汽围筒充氩气，由蒸汽释放管路处的氧浓度/氮气浓度传感器显示蒸汽围筒内的空气已经排完时，开启电磁感应加热器加热坩埚内的金属熔料；

金属熔炼阶段：为了防止高温熔料对周围设备的辐射传热，为坩埚盖上隔热盖，隔热盖上开设红外测温孔，在预设时间段内通过红外闭环控温将熔池温度保持在恒定目标温度；

注水开始：开启注水循环泵，将注水支路中的水流量调节为目标值；取下坩埚盖，使用升降机构将安装有热电偶和注水喷嘴的注水直管下降到目标高度，此时全部热电偶已插入到金属熔池中，注水喷嘴也位于熔池顶部目标位置，注水隔离围筒插入到熔池中将坩埚隔离开来；同时打开蒸汽围筒上的蒸汽释放管路的闸阀准备释放蒸汽；先后动作气动快开阀和气动快关阀，以恒定注水流量开启注水；

注水骤冷实验阶段：因为骤冷金属熔池产生的大量蒸汽从蒸汽围筒顶部的蒸汽释放管路进行排放，冷却水逐渐淹没注水隔离围筒后，蒸汽围筒中的水位也逐渐升高，当水位上升到预设警戒高度后停止注水；

当金属铸锭内的温度降到预设温度以内时开始排泄蒸汽围筒内的残水，松开热电偶和注水直管的连接，通过炉体底部推杆和顶部起吊机构将金属铸锭拿出炉外进行分析检测。

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