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驗研宄中為公斤級熔融物提供2000°c左右的遠程可調(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輸意外事故中以及自然界火山爆發(fā)時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。盡管在過去半個世紀(jì)里對核反應(yīng)堆中的FCI問題進行了大量研宄，然而目前對一些關(guān)鍵物理機理和演化過程仍然沒有弄清楚，其中公斤量級熔融物與冷卻劑的相互作用機理就是其中遺留問題之一?，F(xiàn)有的研宄結(jié)果對小量級FCI作用機理基本可以進行正確的解釋和預(yù)測，然而根據(jù)國外進行的公斤級FCI實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小量級FCI機理與模型不能很好地預(yù)測公斤級實驗結(jié)果，由此暗示公斤級FCI的機理將更加復(fù)雜，需要進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理，填補國內(nèi)對于這一現(xiàn)象公斤級研宄的空缺，需要合理設(shè)計一套行之有效的實驗裝置，其中一個關(guān)鍵問題在于大量熔融物平穩(wěn)安全的加熱?？焖俣鵁o危險的加熱時開展本實驗的重要保證。
[0003]經(jīng)過對現(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驗的危險性，需要通過遠程操作以減少對實驗人員的生命威脅，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)遠程操作式高溫熔融物與冷卻劑相互作用的公斤級熔融物中頻感應(yīng)高溫加熱裝置，彌補了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域相關(guān)苛刻工況下的技術(shù)空白。
[0004]中國專利文獻號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，否則將極大助長坩禍的散熱，造成熔融物溫度偏離實驗要求，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]中國專利文獻號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寶石晶體包括如下步驟:a、設(shè)置一個高溫、恒溫環(huán)境的保護和與晶體生長相適應(yīng)的氣體氣氛環(huán)境保護的晶體生長真空室；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；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，以實時滿足不同熱構(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驗的研宄需要，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，可以有效實現(xiàn)公斤量級熔融物的熔化并達到所需溫度，從而為實驗研宄公斤級高溫熔融物與冷卻劑相互作用機理提供了切實可行的方法，為大型安全分析程序開發(fā)和驗證實驗的開展提供技術(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)分別與控制臺相連，輸出溫度反饋信號、水量分配信號并分別接收功率控制信號和真空控制信號。
[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、真空機組、加熱裝置殼層間以及電源的冷卻水，根據(jù)實際運行情況由PID調(diào)節(jié)水量，以保證各部件的正常運轉(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)明通過遠程控制，實現(xiàn)對公斤量級熔融物的加熱熔化并較為準(zhǔn)確地測量實際爐溫；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，避免了浪費；該裝置同公斤級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驗的研宄工作，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6、電源7、真空室8、帶有保溫材料的坩禍9。
【具體實施方式】
[0015]下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1
[0016]如圖1所示，本實施例包括: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6相連，輸出溫度反饋信號、水量分配并分別接收功率控制信號和真空控制信號。
[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原則進行設(shè)計，為減少熱損耗中很重要的兩項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]最后計算保溫層厚度。保溫層承擔(dān)著保護感應(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2000°C，通過查閱耐火材料的熔點，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)率代入計算公式計算得保溫層厚度為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)防實驗中出現(xiàn)突發(fā)事故，如實驗人員必須接觸爐體時燙傷危險的發(fā)生，真空室均為雙層殼體結(jié)構(gòu)，內(nèi)外殼層之間設(shè)計冷卻水循環(huán)管道，用以進一步冷卻加熱裝置真空室，有關(guān)冷卻水的設(shè)計在水冷系統(tǒng)的設(shè)計小節(jié)會進行介紹。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、表壓計以及機械防爆裝置，真空室側(cè)壁設(shè)計有充氣系統(tǒng)接口、抽真空接口以及電極引