CN113178269B - 一种超高温熔融物的热释放及连通装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超高温熔融物的热释放及连通装置，包括设置在冷坩埚底部和承接容器顶部之间的加热管结构，所述冷坩埚位于冷坩埚加热炉内，释放控制感应线圈根据加热管顶部与冷坩埚底部对应位置的温度变化信号控制加热管的加热，高温加热管使所述冷坩埚内熔融物底部壳层结构发生热失效，从而使超高温熔融物流经加热管进入承接容器内。本发明避免了熔融物在释放管道内的凝固及堵塞,无需外部机械操作且结构简单。本装置可应用于核工业、冶金、铸造、化工等需要对高温熔融物受控释放的应用场景，有着重要的科学和工程意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种超高温熔融物的释放技术，具体涉及一种可将大质量的超高温熔融物(最高温度2600℃)由冷坩埚感应加热炉底部热释放装置，并作为熔融物向承接容器释放的高温连通管道。
背景技术
核电站发生严重事故时，堆芯融化形成高温熔融池，威胁压力容器的完整性。一旦发生压力容器破损，熔融物将泄漏至反应堆腔室内，可能发生熔融物与冷却剂相互作用引发蒸汽爆炸,亦可能发生熔融物与混凝土相互作用等复杂的物理及化学反应，严重威胁到安全壳的完整性。
当模拟熔融物释放后的流动过程和材料间相互作用现象时，需要先通过高温加热炉将物料由常温加热至高温熔融，然后通过有效且畅通的释放方式进入承接容器内。由于反应堆堆芯熔融物的温度在2000℃～2600℃，过高的温度限制了常规材料和常规释放方式的使用，从而使熔融物释放及引流过程变得非常困难。另外，在冶金、铸造、化工等领域，也涉及到与高温物料的高效熔化和可控释放相关的先进技术装备需求。
中国专利申请CN104575631A公开了一种高温熔融物释放装置，采用气动支撑机构及撞击机构，可实现公斤量级的熔融物的释放。此装置主要部件包括气动支撑板、快关阀、石墨锥等部件。实施熔融物释放的主要过程是：通过远程控制打开气动支撑板，石墨坩埚和熔融物下落，并由位于下落管道内的石墨锥将石墨坩埚底部破坏后高温熔融物流出。此种方式存在的问题是：(1)释放装置中石墨坩埚与熔融物在熔化过程中长期接触，高温条件下易发相互作用，从而改变熔融物原有成分；(2)石墨坩埚每次卸料后底部损坏，若开展大质量熔融物的高温释放，则对应于大容积的石墨坩埚，工况数量受成本限制。(3)石墨锥位于熔融物下落通道内，对熔融物下落过程中会发生飞溅且过热度快速降低，使得熔融物在释放管道内有滞留或堵塞的风险。
中国专利申请CN208093163U及CN108520787A采用坩埚堵塞向上提升的方式实现熔融物的释放。主要部件有坩埚堵塞、导向杆、钢丝绳、滑轮、固定支架等部件，其中坩埚堵塞为非导电性材料，防止被感应加热。此种方式结构相对简单，可实现熔融物的释放，但坩埚堵塞在熔融物升至高温的过程中长时间与熔融物接触，发生材料相互作用或堵塞损坏的机率增加，改变熔融物成分。
韩国的TROI实验通过在冷坩埚底部设置尖锥对熔融物池底部进行机械刺穿的方式开展释放(参见Application of cold crucible for melting of UO2/ZrO2mixture,2003)。需在冷坩埚底部开口区域布置电动执行机构，用于远程控制释放过程，此种方式与CN104575631A相近，同样存在刺穿锥在熔融物下落通道内，而导致熔融物在释放管道内发生飞溅且过热度快速降低的问题，使得熔融物在释放管道内有滞留或堵塞，且无法控制高温液态熔融物的出口状态。
以上几种方式均以施加机械外力方式将坩埚底部破坏后实现熔融物向承接容器的释放。在高温熔融物相关的应用场景中，由于熔融物温度过高且易与多种材料发生反应，且在释放过程中因温度快速降低而在释放机构或释放管线中凝固或堵塞。因此有必要设计一种结构及控制简单，并在释放过程中熔融物温度不降低、不凝固、不飞溅的释放装置，解决大质量熔融物释放及流动控制中的技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的是针对现在技术的不足，提供一种大质量的高温熔融物由冷坩埚感应加热炉底部释放，并沿指定流通路径后进行可控释放的装置，为反应堆熔融物行为、材料间相互作用现象的模拟和高温冶金、铸造和化工等相关工程领域应对类似难题提供可行的解决方案。
本发明的技术方案如下：一种超高温熔融物的热释放及连通装置，包括设置在冷坩埚底部和承接容器顶部之间的加热管结构，所述冷坩埚位于冷坩埚加热炉内，释放控制感应线圈根据加热管顶部与冷坩埚底部对应位置的温度变化信号控制加热管的加热，高温加热管使所述冷坩埚内熔融物底部壳层结构发生热失效，从而使超高温熔融物流经加热管进入承接容器内。
进一步，如上所述的超高温熔融物的热释放及连通装置，其中，在所述加热管顶部与冷坩埚底部对应位置设有牺牲性热电偶，根据所述牺牲性热电偶的温度信号开启所述释放控制感应线圈对应的感应电源将加热管加热。
进一步，如上所述的超高温熔融物的热释放及连通装置，其中，所述加热管上部设有外翻沿结构，外翻沿结构设置在加热管支撑板上，通过加热管支撑板固定。
更进一步，所述加热管支撑板为耐高温且低热导率的陶瓷环，加热管支撑板上表面采用环形开槽结构，使之与加热管外翻沿结构之间的接触方式为局部接触方式；加热管支撑板外边缘处设有定位格，用于保证加热管处于装置中心位置。
进一步，如上所述的超高温熔融物的热释放及连通装置，其中，所述加热管结构包括在加热管外侧依次设置的隔热石墨毡、保温层、密封连接壳，所述释放控制感应线圈设置在加热管底部外侧；所述隔热石墨毡、保温层、密封连接壳上设有与红外测温仪视窗对应的红外测温孔。
更进一步，所述保温层采用多层耐高温环形保温砖纵向叠放形成，加热管支撑板支撑在保温层上端；可通过改变环形保温砖叠放数量，调整加热管顶部与冷坩埚底部的相对高度位置。
所述密封连接壳连接在冷坩埚加热炉和承接容器之间；密封连接壳底部为T型外翻沿法兰结构，用于支撑隔热石墨毡和保温层。
进一步，如上所述的超高温熔融物的热释放及连通装置，其中，所述加热管为细长中空管，底部设置释放口，所述释放口为漏斗形结构，加热管底部采用收缩管径结构与所述释放口相适配；所述加热管的底部位于所述承接容器内。
更进一步，所述释放口上部纵向切缝或分瓣，下部出口形状、大小和方向根据需要设置。
进一步，如上所述的超高温熔融物的热释放及连通装置，其中，在所述冷坩埚外设有坩埚感应线圈，所述加热管顶部低于所述坩埚感应线圈底部；在所述冷坩埚加热炉和承接容器内通入保护气体。
本发明的有益效果如下：(1)本发明通过高温加热管使冷坩埚内熔融物底部壳层结构发生热失效，从而实现2600℃的超高温熔融物的可控释放及引流，无需借助外部机械结构装置；(2)熔融物通过加热管时，无飞溅、凝固、堵塞风险，有效连通冷坩埚加热炉和承接容器；(3)加热管底部熔融物释放口可控制熔融物的出口状态，亦可用于加热管延长及熔融物转向引流；(4)加热管与熔融物仅在释放过程中短暂接触，减少了材料间可能发生的相互反应时间，有利于保证熔融物材料成分可控。
附图说明
图1为本发明具体实施例中通过冷坩埚底部进行熔融物释放的装置结构示意图；
图2为本发明具体实施例中熔融物的热释放及连通装置结构示意图；
图3a为本发明具体实施例中加热管支撑板结构示意图；
图3b为图3a的俯视图；
图4为本发明具体实施例中加热管底部释放口的结构示意图。
图中，1.加热管、2.加热管支撑板、3.隔热石墨毡、4.保温层、5.密封连接壳、6.释放控制感应线圈、7.释放口、8.红外测温仪视窗、9.定位格、10.牺牲性热电偶、11.冷坩埚、12.坩埚感应线圈、13.高温熔融物、14.冷坩埚加热炉、15.承接容器、16.保护气接口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种超高温熔融物底部释放及连通装置，主要包括加热管、加热管支撑板、隔热石墨毡、保温层、密封连接壳、释放控制感应线圈、释放口、红外测温仪视窗等结构。
参见图2所示，加热管1为细长中空管，上部为外翻沿结构并由加热管支撑板2的定位格限定其位置，底部采用收缩管径结构，收缩口斜面与释放口7上部漏斗形结构倾斜角相同，用于放置释放口7。材质可选用高纯石墨或其它高熔点金属如钨、钼等。加热管1作为发热体，通过释放控制感应线圈6加热，在保护气氛条件下最高工作温度可达2600℃,使熔融物熔池底部与加热管外翻沿结构接触位置的壳层结构发生局部热失效，从而实现熔融物由冷坩埚加热炉底部的释放及熔融物引流两种功能,免了熔融物机械释放方式引起的高温熔融物在释放过程中的飞溅，以及在释放管道内的降温、凝固及堵塞。
加热管支撑板2用于支撑和固定加热管1，为耐高温且低热导率的陶瓷环，如氧化锆环、氧化镁环。参见图3a、图3b所示，加热管支撑板2表面采用环形开槽结构,且在外边缘处设有定位格9，用于支撑并固定加热管1的位置。
参见图4所示，加热管1底部出口处安装有释放口7，为漏斗形结构，释放口7上部外径与加热管1内径相同，释放口上部漏斗形结构外侧倾斜角与收缩口倾斜角相同，保证释放口外侧边缘与加热管收缩口相贴合。释放口7用于控制高温液态熔融物的出口状态，亦可用于加热管延长及熔融物转向引流。释放口材质可选用高纯石墨或其它高熔点金属如钨、钼等，且需纵向切缝或分瓣，防止释放口因靠近释放控制感应线圈而加热至局部温度过高。
隔热石墨毡3，保温层4由内向外依次位于加热管1外部。保温层4采用多层耐高温保温环形砖纵向叠放，材料可为氧化锆、氧化镁、氧化铝，用于对内部高温加热管的保温隔热，支撑加热管支撑板2及加热管1，亦可通过改变环形砖叠放数量，调整加热管1顶部与冷坩埚11的相对高度位置。
密封连接壳5位于保温层4外部，上下两端均采用法兰结构，配有密封垫及密封螺栓,用于将冷坩埚加热炉与承接容器在压力基本相同的条件下进行连通。密封连接壳5底部法兰为T型结构，T型法兰外侧通过螺栓与密封连接壳连接，内侧用于支撑保温层与隔热石墨毡。红外测温仪视窗8位于密封连接壳5侧壁，通过在视窗外部安装比色式红外测温仪测量加热管温度。在保温层4和隔热石墨毡3与红外测温仪视窗8对应位置上预留红外测温孔。
释放控制感应线圈6为中空螺旋铜管，位于加热管1底部，隔热石墨毡外部，与感应加热电源相连接,可将加热管通过感应加热方式加热至指定温度(最高加热温度至2600℃)。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种高温熔融物的热释放及连通装置，包括设置在冷坩埚11底部和承接容器15顶部之间的加热管结构，所述冷坩埚11位于冷坩埚加热炉14内，冷坩埚加热炉14和承接容器15均设有保护气接口16，用于向装置内通入保护气体。释放控制感应线圈6根据加热管1顶部与冷坩埚11底部对应位置的温度变化信号控制加热管1的加热，高温加热管1使所述冷坩埚11内熔融物底部壳层结构发生热失效，从而使超高温熔融物流经加热管1进入承接容器15内。
作为优选实施方式，加热管1为细长中空管，上部为外翻沿结构(见图3a)，底部收缩管径用于放置释放口7。图3a中，牺牲性热电偶10位于加热管外翻沿定位格处。当高温熔融物13液态区域到达加热管翻沿位置时，牺牲性热电偶10温度示数快速升高。此时通过释放控制感应线圈6将加热管在保护气氛条件下加热，最高加热温度可达2600℃。使熔融物熔池底部的壳层结构发生局部热失效，从而实现熔融物由冷坩埚加热炉14底部的释放及熔融物引流两种功能。
作为优选实施方式，加热管支撑板2用于支撑和固定加热管1，为耐高温且低热导率的氧化锆陶瓷环。加热管支撑板2表面采用槽形结构，如图3a、图3b所示，加热管由数个中间开槽的梁形结构支撑，梁形结构外边缘处为定位格9，使加热管之间的接触方式为局部接触方式，降低加热管高温对支撑板材料的影响，并保证加热管1处于装置中心位置。加热管底部出口处安装有释放口7，见图4所示，为漏斗形结构且需纵向切缝或分瓣，外部与加热管收缩口相贴合，用于控制液态熔融物的出口状态。
作为优选实施方式，加热管1外部为隔热石墨毡3和保温层4,保温层采用多层耐高温保温环形砖纵向叠放，材料可为氧化锆、氧化镁或氧化铝，用于对高温加热管的保温隔热，并同时支撑加热管支撑板2及加热管1，亦可通过改变环形砖叠放数量，调整加热管顶部与冷坩埚的相对高度位置。
作为优选实施方式，密封连接壳5位于保温层4外部，上下两端均采用法兰结构，配有密封垫及密封螺栓,用于将冷坩埚加热炉14与承接容器15在压力基本相同的条件下进行连通。密封连接壳5底部法兰为T型结构，T型法兰外侧通过螺栓与密封连接壳连接，内侧支撑保温层4与隔热石墨毡3。红外测温仪视窗8位于密封连接壳5上，通过在红外测温仪视窗8外部安装比色式红外测温仪测量加热管温度。在保温层4和隔热石墨毡3与红外测温仪视窗对应位置上预留红外测温孔。
具体应用中，冷坩埚11内加入物料前将本装置放置于冷坩埚11底部中心位置，如图1所示，加热管1顶部低于坩埚感应线圈12底部。待冷坩埚内的高温熔融物13区域逐渐向底部扩展并接近加热管1顶部时，牺牲性热电偶10温度飞升，开启释放控制感应线圈6对应感应电源将加热管1快速升温至接近高温熔融物13熔点，熔融物底部壳层结构将发生局部热失效，从而实现液态熔融物由冷坩埚11底部的释放。与此同时，加热管1作为高温熔融物的高温流通管道，可将高温熔融物13引流至承接容器15内，并通过释放口7实现控制液态熔融物的出口状态的功能,避免了高温熔融物在释放管道内的凝固及堵塞。由于加热管与熔融物仅在释放过程中短暂接触，减少了材料间可能发生的相互反应时间，有利于保证熔融物材料成分可控。
作为优选实施方式，承接容器15位于释放装置底部，大质量的高温熔融物13由冷坩埚11底部释放后，进入承接容器15内。承接容器15内需通入惰性气体，用来防止加热管1或熔融物中的金属成分在高温下的氧化。
对于本领域技术人员而言，显然本发明的结构不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种超高温熔融物的热释放及连通装置，其特征在于，包括设置在冷坩埚（11）底部和承接容器（15）顶部之间的加热管结构，所述冷坩埚（11）位于冷坩埚加热炉（14）内，释放控制感应线圈（6）根据加热管（1）顶部与冷坩埚（11）底部对应位置的温度变化信号控制加热管（1）的加热，高温加热管（1）使所述冷坩埚（11）内熔融物底部壳层结构发生热失效，从而使超高温熔融物流经加热管（1）进入承接容器（15）内；所述加热管结构包括在加热管（1）外侧依次设置的隔热石墨毡（3）、保温层（4）、密封连接壳（5），所述密封连接壳（5）连接在冷坩埚加热炉（14）和承接容器（15）之间，所述释放控制感应线圈（6）设置在加热管（1）底部外侧；所述隔热石墨毡（3）、保温层（4）、密封连接壳（5）上设有与红外测温仪视窗（8）对应的红外测温孔。
2.如权利要求1所述的超高温熔融物的热释放及连通装置，其特征在于，在所述加热管（1）顶部与冷坩埚（11）底部对应位置设有牺牲性热电偶（10），根据所述牺牲性热电偶（10）的温度信号开启所述释放控制感应线圈（6）对应的感应电源将加热管（1）加热。
3.如权利要求1所述的超高温熔融物的热释放及连通装置，其特征在于，所述加热管（1）上部设有外翻沿结构，外翻沿结构设置在加热管支撑板（2）上，通过加热管支撑板（2）固定。
4.如权利要求3所述的超高温熔融物的热释放及连通装置，其特征在于，所述加热管支撑板（2）为耐高温且低热导率的陶瓷环，加热管支撑板（2）上表面采用环形开槽结构，使之与加热管外翻沿结构之间的接触方式为局部接触方式；加热管支撑板（2）外边缘处设有定位格（9），用于保证加热管（1）处于装置中心位置。
5.如权利要求1所述的超高温熔融物的热释放及连通装置，其特征在于，所述保温层（4）采用多层耐高温环形保温砖纵向叠放形成，加热管支撑板（2）支撑在保温层（4）上端；可通过改变环形保温砖叠放数量，调整加热管（1）顶部与冷坩埚（11）底部的相对高度位置。
6.如权利要求1所述的超高温熔融物的热释放及连通装置，其特征在于，密封连接壳（5）底部为T型外翻沿法兰结构，用于支撑隔热石墨毡（3）和保温层（4）。
7.如权利要求1所述的超高温熔融物的热释放及连通装置，其特征在于，所述加热管（1）为细长中空管，底部设置释放口（7），所述释放口（7）为漏斗形结构，加热管底部采用收缩管径结构与所述释放口相适配；所述加热管（1）的底部位于所述承接容器（15）内。
8.如权利要求7所述的超高温熔融物的热释放及连通装置，其特征在于，所述释放口（7）上部纵向切缝或分瓣，下部出口形状、大小和方向根据需要设置。
9.如权利要求1所述的超高温熔融物的热释放及连通装置，其特征在于，在所述冷坩埚（11）外设有坩埚感应线圈（12），所述加热管（1）顶部低于所述坩埚感应线圈（12）底部；在所述冷坩埚加热炉（14）和承接容器（15）内通入保护气体。
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