一種基于液態(tài)金屬強化換熱控制坩堝熱應力的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于液態(tài)金屬強化換熱控制坩禍熱應力的控制方法，具體地說，是通過對坩禍內部注入液態(tài)金屬的方法進行強化換熱，以削弱坩禍壁面的溫度梯度，從而達到減弱熱應力的目的。
【背景技術】
[0002]熱應力，又稱變溫應力，它是由于構件受熱不均勻而存在著溫度差異，各處膨脹變形或收縮變形不一致，相互約束而產生的內應力。其廣泛存在于坩禍、鍋爐、汽輪機等設備和過程中，是結構應力的一種存在形式。其存在的環(huán)境及特點可概括如下:
[0003]在晶體生長系統(tǒng)中，坩禍在使用過程中受到長時間周期性加熱、冷卻作用，坩禍軸向和徑向都存在溫度梯度，在晶體生長過程中在晶體生長過程中坩禍內壁所受應力，熱輻射邊界和熱對流邊界發(fā)生變化，引起體積的不均勻膨脹和收縮，在坩禍內部產生了相應的循環(huán)熱震沖擊產生微裂紋。在長期循環(huán)使用過程中，微裂紋在冷熱交換沖擊作用下不斷產生、擴展。當?shù)竭_一定程度后，會使坩禍產生貫穿整個壁厚的大裂紋而徹底報廢。
[0004]由于鍋爐在啟動過程中各個部件以及管道的溫度和熱應力都要發(fā)生很大的變化。熱應力隨著溫差的變化使金屬產生疲勞。當熱應力超過允許的極限值時，會使部件產生裂紋乃至造成的損壞。
[0005]火力發(fā)電廠的功率不斷符合電網的需要，汽輪機的負荷要隨之頻繁變化，這將導致汽輪機轉子中的瞬態(tài)溫度分布，從麗引起瞬態(tài)熱應力，導致轉子金屬材料的熱疲勞。
[0006]正因為以上特性，熱應力是坩禍、鍋爐及汽輪機系統(tǒng)的不利因素之一，通常是通過減小溫度梯度方法來減弱熱應力，而大多數(shù)場合和時間外部的溫度場是很難控制或改變的，因而并不能夠對熱應力進行有效控制。
[0007]可以看出，對熱應力控制的方法是一種被動的方法，目前還沒有有效的方法對熱應力進行控制。為了盡量緩解或控制熱應力的影響，必須通過其他技術手段來控制熱應力的強度。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的是給出一種基于液態(tài)金屬強化換熱的方法控制坩禍熱應力的方法，其可以有效地減小坩禍壁的熱應力。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的基于液態(tài)金屬強化換熱控制坩禍熱應力的方法，是將坩禍壁制成雙層結構，內外坩禍壁之間留有間隙，在間隙中填充液態(tài)金屬；通過液態(tài)金屬強化壁面的溫度傳遞，降低坩禍壁面溫度梯度，減小坩禍壁面熱應力。
[0010]所述的方法中，液態(tài)金屬的膨脹系數(shù)與坩禍壁相當。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0012]I)通過對液態(tài)金屬的引入，坩禍壁面的溫度梯度得到削弱，在相同加熱條件下，坩禍壁面最大熱應力從120kPa減小到95kPa，減小幅度達到21% ；
[0013]2)不需要改變外部加熱條件的情況下來達到控制坩禍壁熱應力，為不同熱環(huán)境下結構熱應力的控制提供了一種新的方法。
【附圖說明】
[0014]圖1A是典型坩禍結構剖面結構示意圖。
[0015]圖1B是本發(fā)明的坩禍剖面結構示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明坩禍與典型坩禍沿周向溫度分布對比示意圖。
[0017]圖3是本發(fā)明坩禍與典型坩禍沿周向熱應力分布對比示意圖。
[0018]附圖中符號說明
[0019]I坩禍外壁，2坩禍內壁，3液態(tài)金屬。
【具體實施方式】
[0020]本發(fā)明的基于液態(tài)金屬強化換熱控制坩禍壁面熱應力的控制方法，是在坩禍內部填充液態(tài)金屬，強化坩禍壁的換熱效率，減小坩禍壁面存在的溫度梯度；由于坩禍壁面溫度梯度減小，因而減小了坩禍壁面存在的熱應力。更進一步的是，本發(fā)明的坩禍是雙層壁面結構，且內部存在間隙。液態(tài)金屬的熔點較低，且膨脹系數(shù)與坩禍壁相當。
[0021]本發(fā)明提供的基于液態(tài)金屬強化換熱技術控制坩禍熱應力方法，使坩禍壁面除了本身的導熱外，還通過坩禍壁內部的液態(tài)金屬的對流進行強化換熱，以消除坩禍表面的溫度梯度。此溫度梯度的減弱能夠減小坩禍的熱應力大小，從而有效延長坩禍的使用壽命。
[0022]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0023]請參見圖1A，典型坩禍(本實施例是以半橢圓形坩禍為例)是一個單層壁面結構，典型坩禍沿周向溫度分布和熱應力分布如圖2和圖3所示。
[0024]請結合圖1B，本發(fā)明是在典型坩禍I基礎上，坩禍壁制作成雙層結構，且在坩禍外壁I和坩禍內壁2之間留有間隙，在間隙中填充液態(tài)金屬3。通過液態(tài)金屬的引入能有效強化壁面的溫度傳遞，降低坩禍壁面溫度梯度，從而有效減小坩禍壁面熱應力，通過基于液態(tài)金屬強化換熱的坩禍壁面溫度和熱應力分布圖2和圖3所示。
[0025]通過對典型的鐵坩禍填充液態(tài)金屬鎵基合金進行強化換熱，坩禍壁面的溫度梯度減小，其坩禍壁面熱應力與不采用控制時相比降低達21% (在相同溫度分布條件下熱應力的最大值從120 (kPa)減小為95 (kPa))。
[0026]該基于液態(tài)金屬強化換熱法并沒有通過傳統(tǒng)的改變外圍環(huán)境溫度的方法來控制熱應力，為控制熱應力大小提供了一種新的方法。
【主權項】
1.一種基于液態(tài)金屬強化換熱控制坩禍熱應力的方法，是將坩禍壁制成雙層結構，內外坩禍壁之間留有間隙，在間隙中填充液態(tài)金屬；通過液態(tài)金屬強化壁面的溫度傳遞，降低坩禍壁面溫度梯度，減小坩禍壁面熱應力。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，液態(tài)金屬的膨脹系數(shù)與坩禍壁相當。
【專利摘要】一種基于液態(tài)金屬強化換熱控制坩堝熱應力的方法，是將坩堝壁制成雙層結構，內外坩堝壁之間留有間隙，在間隙中填充液態(tài)金屬；通過液態(tài)金屬強化壁面的溫度傳遞，降低坩堝壁面溫度梯度，減小坩堝壁面熱應力。本發(fā)明不需要改變外部加熱條件的情況下來達到控制坩堝壁熱應力，為不同熱環(huán)境下結構熱應力的控制提供了一種新的方法。
【IPC分類】C30B35-00
【公開號】CN104805506
【申請?zhí)枴緾N201510131718
【發(fā)明人】周小明, 淮秀蘭, 李勛鋒, 成克用
【申請人】中國科學院工程熱物理研究所
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年3月24日