熔融物中频感应高温加热装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种核工业领域的超高温加热装置，具体是一种用于高温熔融物与冷却剂相互作用实验研宄中为公斤级熔融物提供2000°c左右的远程可调高温加热装置。
【背景技术】
[0002]高温熔融物与冷却剂相互作用可能发生在核反应堆严重堆芯熔化事故中、冶金工业炼钢炉事故中、液化天然气制备与运输意外事故中以及自然界火山爆发时熔融岩浆冲出地表过程中等等。在核反应堆中，燃料与冷却剂相互作用(FCI)引起蒸汽爆炸的事故可能导致放射性物质向环境释放，严重威胁公众安全。尽管在过去半个世纪里对核反应堆中的FCI问题进行了大量研宄，然而目前对一些关键物理机理和演化过程仍然没有弄清楚，其中公斤量级熔融物与冷却剂的相互作用机理就是其中遗留问题之一。现有的研宄结果对小量级FCI作用机理基本可以进行正确的解释和预测，然而根据国外进行的公斤级FCI实验结果发现，小量级FCI机理与模型不能很好地预测公斤级实验结果，由此暗示公斤级FCI的机理将更加复杂，需要进一步深入观察和分析。为了完善高温熔融物与冷却剂相互作用的机理，填补国内对于这一现象公斤级研宄的空缺，需要合理设计一套行之有效的实验装置，其中一个关键问题在于大量熔融物平稳安全的加热。快速而无危险的加热时开展本实验的重要保证。
[0003]经过对现有技术的检索发现，德国FZK的ECO、QUEOS,美国ANL的ZREX等在内的公斤级熔融物加热装置都具备功率高、可靠的冷却系统、较理想的真空氛围、精确的测温装置和放爆破装置等。特别是由于加热这种超高温熔融物增加了实验的危险性，需要通过远程操作以减少对实验人员的生命威胁，为了利用国内现有资源解决这一难题，创造性地开发远程操作式高温熔融物与冷却剂相互作用的公斤级熔融物中频感应高温加热装置，弥补了国内相关领域相关苛刻工况下的技术空白。
[0004]中国专利文献号CN102183144A公开(公告)日2011.09.14，公开了一种带有能量束辅助热源的冷坩祸真空感应熔炼设备，其包括一真空室、一冷坩祸、一感应圈、一给该感应圈提供电能的高频或中频感应电源、一真空-充氩系统、一控制柜、一用来冷却该冷坩祸的冷却系统、一能量束发射头和一能量束发生器；该冷坩祸安装在该真空室内部，该感应圈安装在该真空室的内部，该感应圈环绕地安装在该冷坩祸的外部；该能量束发射头安装在该真空室的顶部，并位于该冷坩祸的上方；该能量束发生器连接该能量束发射头，该能量束发生器产生能量束并传输到该能量束发射头。但该技术存在测温装置安装及有效测量炉温的不准确问题，水冷铜坩祸水路系统布置复杂的问题，不具备智能水量分配器的水冷系统，特别是坩祸底部的支撑部件需要合理设计，否则将极大助长坩祸的散热，造成熔融物温度偏离实验要求，以上问题都严重制约感应加热技术的发展和应用。
[0005]中国专利文献号CN1414146公开(公告)日2003.04.30，公开了一种氢气氛中使用感应加热钼坩祸提拉法生长蓝宝石晶体包括如下步骤:a、设置一个高温、恒温环境的保护和与晶体生长相适应的气体气氛环境保护的晶体生长真空室；b、中频感应加热钼坩祸的温场装置；C、使用还原性气氛保护气体一氢气；d、晶体生长的提拉装置；e、控制生长晶体等径的电子秤测量系统；f、使用由电子束提纯后的Al2O3原材料。但该技术加热过程中采用了还原性气氛氢气，但由于氢气是可燃性气体，易于出现操作不当而致爆炸的风险；由于其中心插有提拉棒，势必使得其测量的炉温出现不准确问题；另外该加热装置同样不具备有PID控制的水量分配功能，以实时满足不同热构建的冷却需要。为了满足高温熔融物与冷却剂相互作用实验的研宄需要，还需要使原始感应加热装置具备添加释放装置的可能，因此在空间布置和结构选取方面均需要考虑一定的释放要求。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种熔融物中频感应高温加热装置，可以有效实现公斤量级熔融物的熔化并达到所需温度，从而为实验研宄公斤级高温熔融物与冷却剂相互作用机理提供了切实可行的方法，为大型安全分析程序开发和验证实验的开展提供技术支持。
[0007]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0008]本发明包括:带有加热系统和水冷系统的真空室，该真空室设有测温装置、充、放气装置、以及真空发生装置，其中:真空发生装置、水冷系统、测温装置和加热系统分别与控制台相连，输出温度反馈信号、水量分配信号并分别接收功率控制信号和真空控制信号。
[0009]所述的加热系统用于熔融物的熔化及保温过程，包括:带有电源的电极以及设置于真空室内部的带有线圈的保温坩祸。
[0010]所述的电源为该超高温加热装置提供功率支持，保证该加热装置能够在I?1.5h内升温到2000°C左右。
[0011]所述的水冷系统位于真空室旁，用于提供感应线圈、真空机组、加热装置壳层间以及电源的冷却水，根据实际运行情况由PID调节水量，以保证各部件的正常运转并节约水源。
技术效果
[0012]与现有技术相比，本发明通过远程控制，实现对公斤量级熔融物的加热熔化并较为准确地测量实际炉温；通过三层支撑结构的结合使用保证了坩祸底部散热的最小化；PID水量分配器的使用使得水冷系统在满足冷却要求的同时，避免了浪费；该装置同公斤级高温熔融物释放装置配合，可以共同完成高温熔融物与冷却剂相互作用实验的研宄工作，为核电厂安全分析奠定基础。
【附图说明】
[0013]图1为本发明结构示意图；
[0014]图中:放气装置1、测温装置2、电极3、充气装置4、真空发生装置5、控制台6、电源7、真空室8、带有保温材料的坩祸9。
【具体实施方式】
[0015]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
[0016]如图1所示，本实施例包括:带有加热系统的真空室8，该真空室8设有电极2、测温装置2、充、放气装置4、1以及真空发生装置5，其中:真空发生装置5、测温装置2和电极2分别与控制台6相连，输出温度反馈信号、水量分配并分别接收功率控制信号和真空控制信号。
[0017]所述的加热系统包括:设置于坩祸9外部的感应线圈和与电源相连的电极3。
[0018]由于交流电的集肤效应，必须考虑感应电流的透入深度以保证热量能顺利传导，因此石墨i甘祸的壁厚优选为2?5_，进一步优选为3_。
[0019]所述的坩祸9采用圆柱形坩祸，按照装料量为其总体积的1/3原则进行设计，为减少热损耗中很重要的两项即坩祸口向外的热辐射损耗功率和坩祸底向外热传导损耗功率，综合设计出石墨坩祸外径为80mm，高度为300mm，有效装料体积为859.732mL。
[0020]最后计算保温层厚度。保温层承担着保护感应器不被熔毁和为熔融物保温的作用。由于加热温度最高可达2000°C，通过查阅耐火材料的熔点，选择氧化铝包裹石墨毡作为保温层。采用300?2000°C平均热导率代入计算公式计算得保温层厚度为50?60mm。
[0021]所述的真空室为熔融物受加热的场所，由于加热装置内部工作温度仍然较高，为了防止真空室材料发生热应力变形或由于外部摩擦、撞击等造成的该装置损坏，并且预防实验中出现突发事故，如实验人员必须接触炉体时烫伤危险的发生，真空室均为双层壳体结构，内外壳层之间设计冷却水循环管道，用以进一步冷却加热装置真空室，有关冷却水的设计在水冷系统的设计小节会进行介绍。由于内壁需要具有一定耐高温能力且具有较好耐腐蚀的性能，因此初步采用成本较低廉且较通用的304不锈钢，其一般使用温度极限不超过650°C。对于外壁，用于工作环境为日常环境，则采用更为通用的优质碳钢即可。
[0022]真空室设计采用圆筒型结构，在真空室顶部设有放气系统接口，红外测温孔和观察孔、表压计以及机械防爆装置，真空室侧壁设计有充气系统接口、抽真空接口以及电极引