CN116072348A - 一种提高传热效率的Bi-2212超导材料热处理方法及系统 - Google Patents

一种提高传热效率的Bi-2212超导材料热处理方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种提高传热效率的Bi‑2212超导材料热处理方法及系统，包括以下步骤：将Bi‑2212超导磁体置于热处理炉中，热处理炉膛为氦气的保护气氛，磁体中通入一定比例的氧‑氦混合气体；在风机的作用下，炉膛为强对流热风循环环境；开始升温对Bi‑2212进行高温高压热处理；停止向炉膛中通入气体并关闭强对流循环系统，待排气泄压后即可取出Bi‑2212超导磁体。本发明通过采用氧‑氦混合气体氛围和热风强对流传热两大途径可以有效解决传统热处理过程中存在的传热不均和温度滞后的问题。本发明公布的热处理方法将Bi‑2212超导材料的热处理效率提高了8倍以上。

Description

一种提高传热效率的Bi-2212超导材料热处理方法及系统
技术领域
本发明属于超导材料热处理方法领域，具体涉及一种提高传热效率的Bi-2212超导材料热处理方法及系统。
背景技术
可控核聚变是彻底解决未来人类社会能源短缺问题的重要途径，而超导托卡马克装置是最有希望实现核聚变可控利用的装置之一。超导磁体系统是托卡马克装置中必不可少的核心系统之一。目前，用于制造超导磁体的超导材料主要是低温超导材料NbTi和Nb3Sn。随着可控核聚变事业的不断突破，低温超导材料制备的超导磁体已逐渐逼近其性能上限，无法满足未来聚变堆大电流、强磁场的显著特点。实用化高温超导材料中，Bi-2212在4.2K温度下，其上临界磁场可达100T。此外，Bi-2212不仅具有优异的高场载流特性而且还是目前已知唯一的可以制备成各向同性圆线的高温超导材料，适合发展大型CICC(cablein conduit conductor)聚变堆用超导磁体。
Bi-2212超导股线内部为超导粉末，外层为银镁合金套管。对Bi-2212高温超导材料而言，高温高压热处理后形成的致密且均匀的陶瓷型晶体对超导线的载流特性有着举足轻重的影响。Bi-2212超导材料热处理具有升温速率快(160℃/h)、保温时间短(30min)、温度均匀性要求苛刻(±3℃)、高压富氧等特点。因此，Bi-2212的导体和磁体热处理技术难度极大，风险极高，最突出的问题主要体现在当前已有的技术难以满足未来导体特别是磁体的热处理要求，因为热处理传热效率极差，造成温度均匀性难以保证。
发明内容
为解决现有热处理制度下Bi-2212大尺寸超导磁体热处理温度均匀性差和温度滞后的问题，本发明提供一种提供传热效率的Bi-2212超导材料热处理方法及系统，提高炉内热传导效率，在炉内填充氦气，氦气的传热效率是其他气体的8倍，用氦气与氧气进行配比，既能满足Bi-2212超导材料成相对氧气的需求，又可以有效提高炉内温度均匀性。此外，在风机的搅拌作用下，炉内的传热效率将进一步提高，温度均匀性将更优。鉴于此，本发明将炉内的传热效率提高了8倍以上，经分析可以满足未来的Bi-2212超导磁体热处理需求。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种提高传热效率的Bi-2212超导材料热处理方法，包括以下步骤：
步骤(1)气体配置：将氧气和氦气两者气体按照98％氦气和2％氧气的比例进行混合，配成氧-氦混合气体；
步骤(2)增压及预抽真空：将超导磁体内部气体通过真空泵机组抽空至1×10-2atm以下，将混配好的气体通过增压泵，增压值5.5MPa以上；
步骤(3)校检：校正增压泵内的氧分压为2±0.1％，达标后通入抽好真空的超导磁体内部；
步骤(4)气体搅拌：启动热处理炉风机对热处理炉的炉膛内的保护气氛进行强对流循环；
步骤(5)超导磁体热处理；热处理工艺为：1、从室温升高至T1，800℃<T1<850℃，升温速率小于50℃/h；2、840℃保温，保温时间大于30min且小于2h；3、从840℃升高至最高温度Tmax，升温速率小于20℃/h，其中，880℃<Tmax<900℃；4、在最高温度Tmax保温时间大于30min且小于1h；5、从最高温度Tmax降至＝T2，其中870℃<T2<880℃，降温速率小于30℃/h；6、从T2降至T1，其中800℃<T1<850℃，降温速率小于5℃/h；7、从T1降至室温，随炉冷却。
进一步地，所述步骤(1)中的气体配置要求单组分的氦气与氧气纯度＞99.99％，设定氦气流量不小于10L/min，氧气流量不小于1L/min，按照氦气流量与氧气流量9760±100sccm：240±30sccm进行混配。
进一步地，所述步骤(4)中，为了增加传热效率，热处理炉的炉膛内为氦气保护气，热处理炉的炉内的气氛循环流速超过1m/s。
进一步地，所述步骤(5)中，整个热处理期间，超导磁体出气口排出的氦-氧混合气体流量不大于1L/min。
本发明还提供一种提高传热效率的Bi-2212超导材料热处理系统，包括氦气耐压罐、氧气耐压罐、二元气体混配仪、储罐、增压泵、真空泵机组、氧分析仪、流量控制器、热处理炉风机、超导磁体、整流罩、热处理炉和压力控制器；
所述氦气耐压罐、氧气耐压罐用来储存高压气体或液体，为混配系统提供充足气源；所述二元气体混配仪将氦气与氧气混合配置成热处理要求的气体比例；所述储罐储存按比例混配好的氦气和氧气；所述增压泵将混配好的气体增压至要求压力；所述真空泵机组将磁体内部空气抽空，保证混合气纯度；所述氧分析仪检测混配好的气体及出口气体氧分压；所述流量控制器控制并记录气体流量；所述热处理炉风机将炉体内气体搅拌，使其进行强对流换热，提高温度均匀性；所述整流罩使气体沿指定通道进行强对流循环；所述热处理炉风机转动带动气体在炉内循环，使炉内整体温度更均匀；所述压力控制器控制超导磁体内部压力稳定。
有益效果：
本发明采用氦气氧气混合气体作为加热介质是其他气体加热效率的多倍，极大降低了加热时工件的温度迟滞性——缩短了加热时长，提高了工件的温度均匀性。
附图说明
图1为本发明的一种提供传热效率的Bi-2212超导材料热处理方法采用的热处理系统示意图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明采用的热处理系统包括氦气耐压罐1、氧气耐压罐2、二元气体混配仪3、储罐4、增压泵5、真空泵机组6、氧分析仪7、流量控制器8、热处理炉风机9、超导磁体10、整流罩11、热处理炉12和压力控制器13。
所述氦气耐压罐1、氧气耐压罐2并联后连接二元气体混配仪3，所述二元气体混配仪3连接储罐4，所述储罐4连接阀门，所述阀门一端连接真空泵机组6，一端连接氧分析仪7，一端连接流量控制器8，所述流量控制8连接超导磁体10底部。所述超导磁体10设置在整流罩11中，整流罩11设置在热处理炉12中，热处理炉12顶部设置热处理炉风机9。超导磁体10另一端的顶部与压力控制器13、氧分析仪7、流量控制器8连接。
真空泵机组6在混合气体输入前首先对超导磁体10与热处理炉11进行抽真空处理。
所述氦气耐压罐1、氧气耐压罐2将氦气与氧气输送至二元气体混配仪3，二元气体混配仪3将气体充分混合后输送至储罐4，储罐4将气体稳定供应给增压泵5；增压泵5将气体输送至氧分析仪7与流量控制器8，流量控制器8将气体按照设定流量供应给超导磁体10与热处理炉11。热处理炉11压力稳定后流量阀，此时气体至输送给超导磁体10；超导磁体10内部气体通入压力控制器13，气体通过压力控制器13后通入流量控制器8。
所述氦气耐压罐1、氧气耐压罐2用来储存高压气体或液体，为混配系统提供充足气源；所述二元气体混配仪3将氦气与氧气混合配置成热处理要求的气体比例；所述储罐4储存按比例混配好的氦气和氧气；所述增压泵5将混配好的气体增压至要求压力；所述真空泵机组6将磁体内部空气抽空，保证混合气纯度；所述氧分析仪检测混配好的气体及出口气体氧分压；所述流量控制器控制并记录气体流量；所述热处理炉风机9将炉体内气体搅拌，使其进行强对流换热，提高温度均匀性；所述整流罩11使气体沿指定通道进行强对流循环；所述热处理炉12给超导磁体提供加热环境与温度控制；所述压力控制器13控制超导磁体10内部压力稳定。
为了达到高效热处理目的，本发明的一种提供传热效率的Bi-2212超导材料热处理方法包括如下步骤：
步骤(1)气体配置：将氧气和氦气两者气体按照98％氦气和2％氧气的比例进行混合配成氧-氦混合气体，要求氦气与氧气纯度＞99.99％，设定氦气最大流量不小于10L/min，氧气流量不小于1L/min，按照氦气流量与氧气流量9760±100sccm：240±30sccm进行混配；
步骤(2)增压及预抽真空：将超导磁体10内部气体通过真空泵机组6抽空至1×10- 2atm以下，将混配好的气体通过增压泵5增压值5.5MPa以上；
步骤(3、校检：校正增压泵5内的氧分压为2±0.1％，达标后通入抽好真空的超导磁体10内部；
步骤(4)气体搅拌：启动热处理炉风机9对炉膛内的氦气保护气进行强对流循环，炉内的气氛循环流速需要超过1m/s；
步骤(5)、打开加热程序；热处理工艺制度为：1、从室温升高至T1，800℃<T1<850℃，升温速率小于50℃/h；2、840℃保温，保温时间大于30min且小于2h；3、从840℃升高至最高温度Tmax，升温速率小于20℃/h，其中，880℃<Tmax<900℃；4、在最高温度Tmax保温时间大于30min且小于1h；5、从最高温度Tmax降至＝T2，其中870℃<T2<880℃，降温速率小于30℃/h；6、从T2降至T1，其中800℃<T1<850℃，降温速率小于5℃/h；7、从T1降至室温，随炉冷却。
具体地，根据图1所示的热处理系统，本发明优选提供一种提供传热效率的Bi-2212超导材料热处理方法，具体包括如下步骤：
步骤(1)将图1所示的超导磁体10两端用法兰封闭后由真空泵机组6对内部抽真空，真空度小于1×10-2atm；
步骤(2)开启氦气耐压罐1、氧气耐压罐2的阀门，将氦气和氧气导入二元气体混配仪3；
步骤(3)30min或更长时间后，关闭氦气耐压罐1、氧气耐压罐2的气体输入并将二元气体混配仪3内气体向空气中排空；
步骤(4)氧气含量达标后，气体导入增压泵5并使泵压力大于5.5MPa；
步骤(5)重新开启氦气耐压罐1、氧气耐压罐2的气阀，将氦气和氧气进行混配，打开氧分析仪7检测气体成分是否符合要求，即检测氧气含量是否为1.95％-2.05％；
步骤(6)氧气含量达到要求后，将增压泵5内气体导入热处理炉12的炉膛内部和超导磁体10内部。热处理炉12的炉膛内部为纯氦气，超导磁体10内部为氦-氧混合气，通过流量控制器8和压力控制器13使超导磁体10内部气压稳定在5±0.1MPa，热处理炉12的炉膛内部压力小于1MPa；
步骤(7)压力稳定后，流量控制器8控制超导磁体10内气体输入与输出流量，具体体现在流量微充微排，出口流量不大于1L/min，热处理炉12的炉内气体压力不变且不在进行充气放气；
步骤(8)打开热处理炉风机9，使气体在热处理炉12的炉体内部进行强对流循环，热处理炉12的炉内的气氛循环流速需要超过1m/s；
步骤(9)气体循环开始后，打开热处理炉12的加热系统，按照热处理工艺设置执行热处理工艺：1、从室温升至T1，其中800℃<T1<850℃，升温速率小于50℃/h；2、在840℃保温，保温时间大于30min小于2h；3、从840℃升至最高温度Tmax，其中880℃<Tmax<900℃，升温速率小于20℃/h；4、在最高温度Tmax保温时间大于30min小于1h；5、从Tmax～降至T2，其中870℃<T2<880℃，降温速率小于30℃/h；6、从T2降至T1，其中800℃<T1<850℃，降温速率小于5℃/h；7、从T1降至室温，随炉冷却。
步骤(10)热处理结束后关闭压力罐、混配仪、增压泵等，打开出口阀门排尽内部气体后取出。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (5)

1.一种提高传热效率的Bi-2212超导材料热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)气体配置：将氧气和氦气两者气体按照98％氦气和2％氧气的比例进行混合，配成氧-氦混合气体；
步骤(2)增压及预抽真空：将超导磁体内部气体通过真空泵机组抽空至1×10-2atm以下，将混配好的气体通过增压泵，增压值5.5MPa以上；
步骤(3)校检：校正增压泵内的氧分压为2±0.1％，达标后通入抽好真空的超导磁体内部；
步骤(4)气体搅拌：启动热处理炉风机对热处理炉的炉膛内的保护气氛进行强对流循环；
步骤(5)超导磁体热处理；热处理工艺为：1、从室温升高至T1，800℃<T1<850℃，升温速率小于50℃/h；2、840℃保温，保温时间大于30min且小于2h；3、从840℃升高至最高温度Tmax，升温速率小于20℃/h，其中，880℃<Tmax<900℃；4、在最高温度Tmax保温时间大于30min且小于1h；5、从最高温度Tmax降至＝T2，其中870℃<T2<880℃，降温速率小于30℃/h；6、从T2降至T1，其中800℃<T1<850℃，降温速率小于5℃/h；7、从T1降至室温，随炉冷却。
2.根据权利要求1所述的一种提高传热效率的Bi-2212超导材料热处理方法，其特征在于：所述步骤(1)中的气体配置要求单组分的氦气与氧气纯度＞99.99％，设定氦气流量不小于10L/min，氧气流量不小于1L/min，按照氦气流量与氧气流量9760±100sccm：240±30sccm进行混配。
3.根据权利要求1所述的一种提高传热效率的Bi-2212超导材料热处理方法，其特征在于：所述步骤(4)中，为了增加传热效率，热处理炉的炉膛内为氦气保护气，热处理炉的炉内的气氛循环流速超过1m/s。
4.根据权利要求1所述的一种提高传热效率的Bi-2212超导材料热处理方法，其特征在于：所述步骤(5)中，整个热处理期间，超导磁体出气口排出的氦-氧混合气体流量不大于1L/min。
5.实现根据权利要求1-4之一所述的一种提高传热效率的Bi-2212超导材料热处理方法的系统，其特征在于：包括氦气耐压罐、氧气耐压罐、二元气体混配仪、储罐、增压泵、真空泵机组、氧分析仪、流量控制器、热处理炉风机、超导磁体、整流罩、热处理炉和压力控制器；
所述氦气耐压罐、氧气耐压罐用来储存高压气体或液体，为混配系统提供充足气源；所述二元气体混配仪将氦气与氧气混合配置成热处理要求的气体比例；所述储罐储存按比例混配好的氦气和氧气；所述增压泵将混配好的气体增压至要求压力；所述真空泵机组将磁体内部空气抽空，保证混合气纯度；所述氧分析仪检测混配好的气体及出口气体氧分压；所述流量控制器控制并记录气体流量；所述热处理炉风机将炉体内气体搅拌，使其进行强对流换热，提高温度均匀性；所述整流罩使气体沿指定通道进行强对流循环；所述热处理炉给超导磁体提供加热环境与温度控制；所述压力控制器控制超导磁体内部压力稳定。
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