熔融物中頻感應(yīng)高溫加熱裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種核工業(yè)領(lǐng)域的超高溫加熱裝置，具體是一種用于高溫熔融物與冷卻劑相互作用實(shí)驗(yàn)研宄中為公斤級(jí)熔融物提供2000°c左右的遠(yuǎn)程可調(diào)高溫加熱裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]高溫熔融物與冷卻劑相互作用可能發(fā)生在核反應(yīng)堆嚴(yán)重堆芯熔化事故中、冶金工業(yè)煉鋼爐事故中、液化天然氣制備與運(yùn)輸意外事故中以及自然界火山爆發(fā)時(shí)熔融巖漿沖出地表過程中等等。在核反應(yīng)堆中，燃料與冷卻劑相互作用(FCI)引起蒸汽爆炸的事故可能導(dǎo)致放射性物質(zhì)向環(huán)境釋放，嚴(yán)重威脅公眾安全。盡管在過去半個(gè)世紀(jì)里對(duì)核反應(yīng)堆中的FCI問題進(jìn)行了大量研宄，然而目前對(duì)一些關(guān)鍵物理機(jī)理和演化過程仍然沒有弄清楚，其中公斤量級(jí)熔融物與冷卻劑的相互作用機(jī)理就是其中遺留問題之一?，F(xiàn)有的研宄結(jié)果對(duì)小量級(jí)FCI作用機(jī)理基本可以進(jìn)行正確的解釋和預(yù)測，然而根據(jù)國外進(jìn)行的公斤級(jí)FCI實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小量級(jí)FCI機(jī)理與模型不能很好地預(yù)測公斤級(jí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由此暗示公斤級(jí)FCI的機(jī)理將更加復(fù)雜，需要進(jìn)一步深入觀察和分析。為了完善高溫熔融物與冷卻劑相互作用的機(jī)理，填補(bǔ)國內(nèi)對(duì)于這一現(xiàn)象公斤級(jí)研宄的空缺，需要合理設(shè)計(jì)一套行之有效的實(shí)驗(yàn)裝置，其中一個(gè)關(guān)鍵問題在于大量熔融物平穩(wěn)安全的加熱?？焖俣鵁o危險(xiǎn)的加熱時(shí)開展本實(shí)驗(yàn)的重要保證。
[0003]經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，德國FZK的ECO、QUEOS,美國ANL的ZREX等在內(nèi)的公斤級(jí)熔融物加熱裝置都具備功率高、可靠的冷卻系統(tǒng)、較理想的真空氛圍、精確的測溫裝置和放爆破裝置等。特別是由于加熱這種超高溫熔融物增加了實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性，需要通過遠(yuǎn)程操作以減少對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的生命威脅，為了利用國內(nèi)現(xiàn)有資源解決這一難題，創(chuàng)造性地開發(fā)遠(yuǎn)程操作式高溫熔融物與冷卻劑相互作用的公斤級(jí)熔融物中頻感應(yīng)高溫加熱裝置，彌補(bǔ)了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域相關(guān)苛刻工況下的技術(shù)空白。
[0004]中國專利文獻(xiàn)號(hào)CN102183144A公開(公告)日2011.09.14，公開了一種帶有能量束輔助熱源的冷坩禍真空感應(yīng)熔煉設(shè)備，其包括一真空室、一冷坩禍、一感應(yīng)圈、一給該感應(yīng)圈提供電能的高頻或中頻感應(yīng)電源、一真空-充氬系統(tǒng)、一控制柜、一用來冷卻該冷坩禍的冷卻系統(tǒng)、一能量束發(fā)射頭和一能量束發(fā)生器；該冷坩禍安裝在該真空室內(nèi)部，該感應(yīng)圈安裝在該真空室的內(nèi)部，該感應(yīng)圈環(huán)繞地安裝在該冷坩禍的外部；該能量束發(fā)射頭安裝在該真空室的頂部，并位于該冷坩禍的上方；該能量束發(fā)生器連接該能量束發(fā)射頭，該能量束發(fā)生器產(chǎn)生能量束并傳輸?shù)皆撃芰渴l(fā)射頭。但該技術(shù)存在測溫裝置安裝及有效測量爐溫的不準(zhǔn)確問題，水冷銅坩禍水路系統(tǒng)布置復(fù)雜的問題，不具備智能水量分配器的水冷系統(tǒng)，特別是坩禍底部的支撐部件需要合理設(shè)計(jì)，否則將極大助長坩禍的散熱，造成熔融物溫度偏離實(shí)驗(yàn)要求，以上問題都嚴(yán)重制約感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
[0005]中國專利文獻(xiàn)號(hào)CN1414146公開(公告)日2003.04.30，公開了一種氫氣氛中使用感應(yīng)加熱鉬坩禍提拉法生長藍(lán)寶石晶體包括如下步驟:a、設(shè)置一個(gè)高溫、恒溫環(huán)境的保護(hù)和與晶體生長相適應(yīng)的氣體氣氛環(huán)境保護(hù)的晶體生長真空室；b、中頻感應(yīng)加熱鉬坩禍的溫場裝置；C、使用還原性氣氛保護(hù)氣體一氫氣；d、晶體生長的提拉裝置；e、控制生長晶體等徑的電子秤測量系統(tǒng)；f、使用由電子束提純后的Al2O3原材料。但該技術(shù)加熱過程中采用了還原性氣氛氫氣，但由于氫氣是可燃性氣體，易于出現(xiàn)操作不當(dāng)而致爆炸的風(fēng)險(xiǎn)；由于其中心插有提拉棒，勢必使得其測量的爐溫出現(xiàn)不準(zhǔn)確問題；另外該加熱裝置同樣不具備有PID控制的水量分配功能，以實(shí)時(shí)滿足不同熱構(gòu)建的冷卻需要。為了滿足高溫熔融物與冷卻劑相互作用實(shí)驗(yàn)的研宄需要，還需要使原始感應(yīng)加熱裝置具備添加釋放裝置的可能，因此在空間布置和結(jié)構(gòu)選取方面均需要考慮一定的釋放要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種熔融物中頻感應(yīng)高溫加熱裝置，可以有效實(shí)現(xiàn)公斤量級(jí)熔融物的熔化并達(dá)到所需溫度，從而為實(shí)驗(yàn)研宄公斤級(jí)高溫熔融物與冷卻劑相互作用機(jī)理提供了切實(shí)可行的方法，為大型安全分析程序開發(fā)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的開展提供技術(shù)支持。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明包括:帶有加熱系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)的真空室，該真空室設(shè)有測溫裝置、充、放氣裝置、以及真空發(fā)生裝置，其中:真空發(fā)生裝置、水冷系統(tǒng)、測溫裝置和加熱系統(tǒng)分別與控制臺(tái)相連，輸出溫度反饋信號(hào)、水量分配信號(hào)并分別接收功率控制信號(hào)和真空控制信號(hào)。
[0009]所述的加熱系統(tǒng)用于熔融物的熔化及保溫過程，包括:帶有電源的電極以及設(shè)置于真空室內(nèi)部的帶有線圈的保溫坩禍。
[0010]所述的電源為該超高溫加熱裝置提供功率支持，保證該加熱裝置能夠在I?1.5h內(nèi)升溫到2000°C左右。
[0011]所述的水冷系統(tǒng)位于真空室旁，用于提供感應(yīng)線圈、真空機(jī)組、加熱裝置殼層間以及電源的冷卻水，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況由PID調(diào)節(jié)水量，以保證各部件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)并節(jié)約水源。
技術(shù)效果
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)公斤量級(jí)熔融物的加熱熔化并較為準(zhǔn)確地測量實(shí)際爐溫；通過三層支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)合使用保證了坩禍底部散熱的最小化；PID水量分配器的使用使得水冷系統(tǒng)在滿足冷卻要求的同時(shí)，避免了浪費(fèi)；該裝置同公斤級(jí)高溫熔融物釋放裝置配合，可以共同完成高溫熔融物與冷卻劑相互作用實(shí)驗(yàn)的研宄工作，為核電廠安全分析奠定基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖中:放氣裝置1、測溫裝置2、電極3、充氣裝置4、真空發(fā)生裝置5、控制臺(tái)6、電源7、真空室8、帶有保溫材料的坩禍9。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
[0016]如圖1所示，本實(shí)施例包括:帶有加熱系統(tǒng)的真空室8，該真空室8設(shè)有電極2、測溫裝置2、充、放氣裝置4、1以及真空發(fā)生裝置5，其中:真空發(fā)生裝置5、測溫裝置2和電極2分別與控制臺(tái)6相連，輸出溫度反饋信號(hào)、水量分配并分別接收功率控制信號(hào)和真空控制信號(hào)。
[0017]所述的加熱系統(tǒng)包括:設(shè)置于坩禍9外部的感應(yīng)線圈和與電源相連的電極3。
[0018]由于交流電的集膚效應(yīng)，必須考慮感應(yīng)電流的透入深度以保證熱量能順利傳導(dǎo)，因此石墨i甘禍的壁厚優(yōu)選為2?5_，進(jìn)一步優(yōu)選為3_。
[0019]所述的坩禍9采用圓柱形坩禍，按照裝料量為其總體積的1/3原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，為減少熱損耗中很重要的兩項(xiàng)即坩禍口向外的熱輻射損耗功率和坩禍底向外熱傳導(dǎo)損耗功率，綜合設(shè)計(jì)出石墨坩禍外徑為80mm，高度為300mm，有效裝料體積為859.732mL。
[0020]最后計(jì)算保溫層厚度。保溫層承擔(dān)著保護(hù)感應(yīng)器不被熔毀和為熔融物保溫的作用。由于加熱溫度最高可達(dá)2000°C，通過查閱耐火材料的熔點(diǎn)，選擇氧化鋁包裹石墨氈作為保溫層。采用300?2000°C平均熱導(dǎo)率代入計(jì)算公式計(jì)算得保溫層厚度為50?60mm。
[0021]所述的真空室為熔融物受加熱的場所，由于加熱裝置內(nèi)部工作溫度仍然較高，為了防止真空室材料發(fā)生熱應(yīng)力變形或由于外部摩擦、撞擊等造成的該裝置損壞，并且預(yù)防實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)突發(fā)事故，如實(shí)驗(yàn)人員必須接觸爐體時(shí)燙傷危險(xiǎn)的發(fā)生，真空室均為雙層殼體結(jié)構(gòu)，內(nèi)外殼層之間設(shè)計(jì)冷卻水循環(huán)管道，用以進(jìn)一步冷卻加熱裝置真空室，有關(guān)冷卻水的設(shè)計(jì)在水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)小節(jié)會(huì)進(jìn)行介紹。由于內(nèi)壁需要具有一定耐高溫能力且具有較好耐腐蝕的性能，因此初步采用成本較低廉且較通用的304不銹鋼，其一般使用溫度極限不超過650°C。對(duì)于外壁，用于工作環(huán)境為日常環(huán)境，則采用更為通用的優(yōu)質(zhì)碳鋼即可。
[0022]真空室設(shè)計(jì)采用圓筒型結(jié)構(gòu)，在真空室頂部設(shè)有放氣系統(tǒng)接口，紅外測溫孔和觀察孔、表壓計(jì)以及機(jī)械防爆裝置，真空室側(cè)壁設(shè)計(jì)有充氣系統(tǒng)接口、抽真空接口以及電極引