[發(fā)明專利]一種用于熔融金屬與水作用研究的可視化硅鉬棒爐膛裝置

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910550963.1
• 申請(qǐng)日: 2019-06-24
• 公開（公告）號(hào): CN110274473A
• 公開（公告）日: 2019-09-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王昌建;王晨曦;李滿厚
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): F27B17/02
• 分類號(hào): F27B17/02;F27D11/02;F27D21/02;F27D1/00;F27D25/00;F27D21/00
• 代理公司: 合肥天明專利事務(wù)所(普通合伙) 34115
• 代理人: 苗娟;奚華保

一種用于熔融金屬與水作用研究的可視化硅鉬棒爐膛裝置，可解決目前相關(guān)研究所用的實(shí)驗(yàn)裝置只能適用于低熔點(diǎn)的熔融金屬，適用范圍窄而且安全系數(shù)較低的技術(shù)問題。包括硅鉬棒加熱爐膛系統(tǒng)和注水裝置系統(tǒng)，硅鉬棒加熱爐膛系統(tǒng)包括坩堝，坩堝設(shè)置在配有硅鉬棒加熱裝置的爐膛內(nèi)部，爐膛頂部設(shè)置頂蓋，頂蓋為氧化鋁頂蓋；頂蓋上設(shè)置注水孔；注水裝置系統(tǒng)通過注水孔為硅鉬棒加熱爐膛系統(tǒng)提供水滴；還包括用于測(cè)量爐膛內(nèi)部溫度的熱電偶，熱電偶與變壓溫控裝置相連。本發(fā)明適用于研究不同的水滴溫度、水滴大小、水滴下落高度和熔融金屬溫度條件下兩者的相互作用，同時(shí)研究有無(wú)氧化層影響時(shí)兩者的相互作用過程,為實(shí)際中核電站以及金屬冶煉廠提供參考。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及能源安全技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于熔融金屬與水作用研究的可視化硅鉬棒爐膛裝置。

背景技術(shù)

在核反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，由于設(shè)備內(nèi)散熱不及時(shí)有可能導(dǎo)致高溫堆芯融化，而該熔融物與冷卻劑發(fā)生接觸，發(fā)生程度劇烈的傳熱過程，冷卻劑急劇的蒸發(fā)，并且伴隨著高溫液體的進(jìn)一步碎化，傳熱面積急劇增加，導(dǎo)致周圍液體大規(guī)模爆炸性沸騰，瞬間釋放巨大的壓力脈沖，有可能對(duì)周圍結(jié)構(gòu)材料行成損害，從而造成放射性物質(zhì)的泄露，對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染。這種熔融物與冷卻劑的相互作用過程被稱為蒸汽爆炸，由于該過程的復(fù)雜性，其過程機(jī)理至今仍缺乏較為清楚的認(rèn)識(shí)，尚無(wú)法對(duì)最終的事故后果進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，而工業(yè)上這種冷卻劑通常為水，因此對(duì)水與高溫熔融物相互作用過程的進(jìn)一步研究具有重要的安全意義。

國(guó)內(nèi)在熔融金屬與水相互作用領(lǐng)域的研究起步較晚，內(nèi)容還不夠深刻全面。目前在此領(lǐng)域的研究大多集中對(duì)高溫熔融金屬滴入冷卻劑(水)中的研究，而對(duì)水滴滴入熔融金屬的相互作用研究較少，且大多數(shù)集中在水滴滴入熔點(diǎn)較低的熔融金屬，如錫、鉛等。比如以下兩個(gè)例子：

上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院對(duì)水滴滴入熔融錫展開了較為深入的研究。他們把水滴從高溫水箱通過注水管滴入嵌有石英玻璃觀察窗的不銹鋼反應(yīng)容器中，該裝置通過反應(yīng)容器背部的加熱板對(duì)錫進(jìn)行加熱，并改變加熱功率來(lái)改變?nèi)廴诮饘馘a的溫度。并透過石英玻璃觀察窗用高速攝像機(jī)記錄水滴與熔融錫的接觸反應(yīng)過程現(xiàn)象，分別研究水滴溫度、水滴大小、水滴下落高度以及熔融金屬錫溫度的改變對(duì)兩者相互作用現(xiàn)象的影響，并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值模擬。

日本東京的核能科技研究實(shí)驗(yàn)室的Furuya和Arai深入的開展了水滴滴入不同低熔點(diǎn)熔融金屬(鉛-鉍合金，鉍，鉛，錫，銦和鋅)表面的相互作用實(shí)驗(yàn)，以研究熔融金屬池表面性質(zhì)對(duì)水滴碰撞觸發(fā)蒸汽爆炸的影響。實(shí)驗(yàn)在通有氬氣的安全殼內(nèi)進(jìn)行，水滴通過與加熱水箱相連的出水管滴入盛有熔融金屬的坩堝內(nèi)，并配有刮去熔融金屬表面氧化膜的裝置，來(lái)研究不同熔融金屬的類別、熔融金屬表面氧化層對(duì)水滴和熔融金屬接觸后發(fā)生的蒸汽爆炸現(xiàn)象的影響。

而要對(duì)水滴滴入熔融金屬的相互作用過程進(jìn)行研究，就必須在金屬熔化的前提下，對(duì)水滴滴入熔融金屬表面的短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行可視化記錄，再進(jìn)行后續(xù)的現(xiàn)象機(jī)理分析。而在極端高溫的情況下進(jìn)行可視化研究，是進(jìn)行水滴滴入熔融金屬實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)之一，故目前大多數(shù)該領(lǐng)域的研究，都是集中水滴與熔點(diǎn)較低的熔融金屬(錫、鉛等)相互作用的范圍內(nèi)，才方便對(duì)過程實(shí)現(xiàn)可視化。

而最常見的金屬如鋁、銅和鐵等，其熔點(diǎn)分別為660℃(由于表面容易生成氧化膜，現(xiàn)實(shí)中超過800℃才能完全融化)、1083℃和1535℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于錫的232℃和鉛的328℃，很難在將其熔化的情況下同時(shí)實(shí)現(xiàn)可視化記錄。而研究水滴與這些高熔點(diǎn)熔融金屬的相互作用機(jī)理，又對(duì)預(yù)防工業(yè)蒸汽爆炸事故有著極其重要的意義。

并且熔融金屬在熔化時(shí)，與空氣直接接觸，表面可能產(chǎn)生氧化膜，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)造成一定影響，而在高溫情況下去除熔融金屬表面氧化膜也是較為困難的一點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出的一種用于熔融金屬與水作用研究的可視化硅鉬棒爐膛裝置，可解決目前相關(guān)研究所用的實(shí)驗(yàn)裝置只能適用于低熔點(diǎn)的熔融金屬，適用范圍窄而且安全系數(shù)較低的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：