铅铋穿透凝固行为研究实验系统及方法

技术领域

本发明涉及实验装置技术领域，具体地，涉及一种铅铋穿透凝固行为研究实验系统及方法。

背景技术

铅铋冷却剂凝固与熔化是铅基快堆运行安全的重要科学问题。典型的铅铋快堆一回路采用高沸点的液态铅铋合金作为冷却剂。由于铅铋合金熔点高达125℃，远高于室温，导致铅铋快堆运行过程存在凝固风险。通过一回路换热器或压力容器壁的过度冷却和在停堆、维护、重新装料及应急冷却系统启动时，极易发生冷却剂凝固。液态铅铋冷却剂凝固与融化一方面对于反应堆系统管路形成额外应力，易造成管路损坏以及冷却剂泄漏；另一方面铅铋快堆自然循环对流动阻力的变化较为敏感，液态铅铋凝固导致的回路阻力增加甚至堵塞将显著地降低系统自然循环能力，极有可能导致铅基快堆自然循环能力以及反应堆系统核热传输能力降低，对铅铋快堆的安全运行形成极为不利影响。阿尔法级核潜艇K-45因铅基反应堆系统发生凝固事故，导致其反应堆报废退役。故铅基快堆稳态运行及事故下冷却剂过冷凝固造成的设备损坏及冷却系统失效为反应堆基准事故之一，是铅基快堆设计、建造与运行必须解决的关键难题。

现阶段针对铅铋金属凝固现象的试验研究开展几乎为空白，尚未发现国内研究者在该领域的试验研究报道。目前对于铅铋金属凝固行为的影响机理、传热传质机理等认知不足，缺乏专门的凝固行为预测模型与分析工具，在一定程度上制约了我国自主铅基反应堆的设计研发和安全水平提升。试验现象与数据的缺失制约了铅铋金属凝固过程中凝固机理的认知，造成对凝固模型和分析方法的建立和评价缺少充足的数据支撑，亟待针对该问题开展进一步的机理性试验研究。因此针对上述不足，有必要开展铅铋水平管穿透凝固机理试验。

公开号为CN201464394U的专利文献公开了一种研究合金快速凝固的简易实验装置,包括实验平台、真空泵、氩气瓶、气体控制装置以及感应熔炼装置；气体控制装置和感应熔炼装置设于实验平台上,真空泵和氩气瓶分别通过各自的通气管和气体控制装置与第三通气管相连通,第三通气管与设于感应熔炼装置内的熔炼接头相连；熔炼接头活动密封连接熔炼冷却装置的熔炼管上端。它利用高频感应加热装置进行实验合金的熔化,最后,通过控制通气阀施加压力,利用差压成型的方式并结合不同的冷却装置实现不同冷却速度的快速凝固实验。具有成本低廉、操作简单,便于推广,能通过连接不同的冷却装置实现不同冷却速度,并能满足不同非晶合金以及非晶复合材料的制备要求。特别适用于实验室进行合金快速凝固的研究。但是该装置无法调节入口速度，不适用于铅铋合金流体凝固特性的实验。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种铅铋穿透凝固行为研究实验系统及方法。

根据本发明提供的铅铋穿透凝固行为研究实验系统，包括熔化罐、恒温浴池以及入口管路，所述熔化罐用于熔化铅铋合金，所述恒温浴池用于冷却液相的铅铋合金；

所述恒温浴池内部水平设置有穿透管，所述熔化罐的下端连通入口管路的一端，入口管路的另一端连通穿透管的一端，穿透管的另一端连通有出口段，所述入口管路的一端高于其另一端，所述入口管路两端的高度差可调；

所述熔化罐的外侧设置有第一加热装置，入口管路的外侧设置有第二加热装置，所述铅铋合金在熔化罐中熔化成液相后，依靠重力注入穿透管，液相的铅铋在恒温浴池的冷却下凝固，从而获得铅铋合金流体的凝固特性。

优选地，所述第一加热装置包括熔化罐加热带与第一功率调节装置，所述熔化罐加热带呈螺旋状均匀设置在熔化罐的外壁上；

所述熔化罐加热带连接第一功率调节装置。

优选地，所述第二加热装置包括管道加热带与第二功率调节装置，所述管道加热带呈螺旋状均匀设置在入口管路的外侧；

所述管道加热带连接第二功率调节装置。

优选地，所述入口管路包括入口U形管段与入口水平管段；

所述入口U形管段包括第一端与第二端，所述第一端与熔化罐的下端连通，所述第二端连通入口水平管段的一端，入口水平管段的另一端连通穿透管，所述入口U形管段的第一端高于第二端，所述第一端与第二端之间的高度差能够调整。

优选地，还包括氩气瓶，所述氩气瓶连通熔化罐的上端，所述氩气瓶与熔化罐之间设置有止回阀；

所述氩气瓶用于在熔化铅铋合金及试验过程中持续注入氩气，阻止氧气进入熔化罐氧化铅铋合金。

优选地，所述熔化罐内部的下端设置有密封塞，所述密封塞上设置有推拉杆；

所述推拉杆的一端连接密封塞，推拉杆的另一端向上延伸直至位于熔化罐外部，从而方便在外部控制熔化罐密封。

优选地，所述恒温浴池的内部设置有温度调节器。

优选地，所述熔化罐底部，入口U形管段底部、入口水平管段内部以及穿透管内部均设置有热电偶；

所述入口水平管段内部的两端均设置单独的热电偶。

根据本发明提供的铅铋穿透凝固行为研究实验方法，采用所述的铅铋穿透凝固行为研究实验系统，包括如下步骤：

步骤1：打开氩气瓶与熔化罐之间的止回阀，使高压氩气进入入口管路与穿透管并冲洗5min，待入口管路与穿透管8内的空气完全排空后将熔化罐通过密封塞密封；

步骤2：从熔化罐的上端放入固相的铅铋合金，并通过高压氩气排出熔化罐内的空气，待空气充分排出后密封熔化罐的上端，并持续通入氩气，隔绝氧气进入熔化罐；

步骤3：打开熔化罐加热带与管道加热带，通过第一功率调节装置调节熔化罐加热带的功率，使固相的铅铋合金熔化，待铅铋合金完全熔化并达到第一预设温度后，调节熔化罐加热带的功率，使铅铋合金流体温度恒定并保持h，熔化罐加热带的升温速率<2℃/min；

步骤4：通过第二功率调节装置调节管道加热带的功率，使入口管路壁温达到第二预设温度并保持1h，管道加热带的升温速率<2℃/min；

步骤5：调节恒温浴池内温度调节器的功率，使恒温浴池内的水温达到第三预设温度并保持1h，温度调节器的升温速率<2℃/min；

步骤6：当整个铅铋穿透凝固行为研究实验系统内的温度稳定后，通过数据采集系统记录所有热电偶温度，打开密封塞，注入铅铋合金流体；

步骤7：当整个铅铋穿透凝固行为研究实验系统内的温度降低到室温后，切开穿透管，拍摄铅铋合金的凝固照片，测量铅铋合金的穿透距离并记录。

优选地，所述第二预设温度高于铅铋合金的凝固点温度。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明结构简单，操作方便，采用液相的铅铋位于水平的穿透管中并在恒温浴池的冷却下凝固的技术手段，从而获得铅铋合金流体的凝固特性

2、本发明采用熔化罐加热带、管道加热带以及恒温浴池的温度均可变的技术手段，能够研究不同初始温度和冷却温度条件下，铅铋合金流体的凝固特性。

3、本发明采用入口U形管段的第一端与第二端之间的高度差能够调整的技术手段，能够研究不同入口速度条件下，铅铋合金流体的凝固特性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中熔化罐与密封塞的连接关系示意图。

图中示出：

熔化罐1恒温浴池7

熔化罐加热带2穿透管8

密封塞3温度调节器9

管道加热带4出口段10

入口U形管段5 氩气瓶11

入口水平管段6

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明公开了一种铅铋穿透凝固行为研究实验系统及方法，结构简单，操作方便，能够获得铅铋合金流体的凝固特性，揭示了不同入口速度、初始温度和壁面冷却温度条件下的铅铋凝固机理，为研究铅铋合金的凝固特性，设计了如图1所示的铅铋穿透凝固行为研究实验系统。

根据本发明提供的铅铋穿透凝固行为研究实验系统，包括熔化罐1、恒温浴池7以及入口管路，所述熔化罐1用于熔化铅铋合金，所述恒温浴池7用于冷却液相的铅铋合金；所述恒温浴池7内部水平设置有穿透管8，所述熔化罐1的下端连通入口管路的一端，入口管路的另一端连通穿透管8的一端，穿透管8的另一端连通有出口段10，所述入口管路的一端高于其另一端，所述入口管路两端的高度差可调；

所述入口管路包括入口U形管段5与入口水平管段6；所述入口U形管段5包括第一端与第二端，所述第一端与熔化罐1的下端连通，所述第二端连通入口水平管段6的一端，入口水平管段6的另一端连通穿透管8，所述入口U形管段5的第一端高于第二端，所述第一端与第二端之间的高度差能够调整。入口U形管段5的作用为缓冲铅铋流体的速度，并且可以有效的控制初始铅铋流体液面与水平管的高度差，所述入口水平管段6的作用是为铅铋凝固提供恒定的壁面冷却温度。

所述熔化罐1的外侧设置有第一加热装置，入口管路的外侧设置有第二加热装置，所述铅铋合金在熔化罐1中熔化成液相后，依靠重力注入穿透管8，液相的铅铋在恒温浴池7的冷却下凝固，从而获得铅铋合金流体的凝固特性。该系统可以研究不同初始温度、入口速度(通过铅铋合金与水平的穿透管8初始高度差控制)和冷却温度条件下，铅铋合金流体的凝固特性。优选地，所述恒温水箱7内部设置有压力表。

所述第一加热装置包括熔化罐加热带2与第一功率调节装置，熔化罐加热带2呈螺旋状均匀设置在熔化罐1的外壁上；所述熔化罐加热带2连接第一功率调节装置。所述第二加热装置包括管道加热带4与第二功率调节装置，所述管道加热带4呈螺旋状均匀设置在入口管路的外侧；所述管道加热带4连接第二功率调节装置。所述恒温浴池7的内部设置有温度调节器9。

所述系统还包括氩气瓶11，所述氩气瓶11连通熔化罐1的上端，所述氩气瓶11与熔化罐1之间设置有止回阀；所述氩气瓶11用于在熔化铅铋合金及试验过程中持续注入氩气，阻止氧气进入熔化罐1氧化铅铋合金。优选地，所述氩气瓶11与熔化罐1之间还设置有减压阀。

所述熔化罐1内部的下端设置有密封塞3，所述密封塞3上设置有推拉杆；所述推拉杆的一端连接密封塞3，推拉杆的另一端向上延伸直至位于熔化罐1外部，从而方便在外部控制熔化罐1密封。优选地，所述密封塞3采用不锈钢金属等耐高温材料。

所述熔化罐1底部，入口U形管段5底部、入口水平管段6内部以及穿透管8内部均设置有热电偶；所述入口水平管段6内部的两端均设置单独的热电偶。管道内部的热电偶用于监测实验过程中铅铋流的问题，管壁上设置的热电偶用于监测管壁温度，并使管壁温度在实验开始前高于铅铋凝固点，以防止铅铋流体在入口段发生凝固。

其中，入口水平管段6两端设置的单独的热电偶，不仅用于监测铅铋流体入口温度，还用于测量铅铋流体入口速度。入口速度的测量方式为热电偶之间的距离除以热电偶的响应时间差。铅铋合金的最终穿透距离通过在试验完成后，并且等铅铋合金温度降低到室温后，利用切割级切开水平穿透管8，寻找凝固前沿，并测量穿透距离。

实施例1

本实施例公开了一种铅铋水平管穿透试验装置，该装置包括熔化罐1、熔化罐加热带2、金属的密封塞3、铅铋管道加热带4、入口U形管段5、入口水平管段6、恒温浴池7、水平设置的穿透管8、用于调节恒温浴,7温度的温度调节器9、出口段10、氩气瓶11，熔化罐1是直径为100mm，高100mm的圆柱形罐子，罐子上方连接有一个推拉式快速夹具，作为推拉杆，配合金属密封塞3用于密封熔化的铅铋流体，熔化罐1上方连接氩气,11，用于在熔化铅铋合金及试验过程中持续地注入保护气体氩气，阻止氧气进入熔化罐氧化铅铋合金。

入口U形管段5的作用为缓冲铅铋流体的速度，并且可以有效的控制初始铅铋流体液面与穿透管8的高度差，水平穿透管8由200mm的发展段和2000mm的凝固段组成，其与恒温浴池7直接通过焊接连在一起，管壁厚为2mm，恒温浴池7为直径300mm，长度2000mm的空心圆柱桶，其作用是为铅铋凝固提供恒定的壁面冷却温度；

熔化罐1外采用的加热带为316不锈钢金属加热带，因其具有加热快、导热和绝缘性好、耐高温等优点，本研究采用的金属加热带的额定功率为1000W/m。入口管路外采用的加热带为玻璃纤维加热带，主要是因为其足够柔软，可以紧密均匀的缠绕在管道外壁，使壁温均匀，本研究采用的玻璃纤维加热带的额定功率为100W/m。试验过程中所有温度均采用0.5mm直径的N型热电偶测量。

根据本发明提供的铅铋穿透凝固行为研究实验方法，采用所述的铅铋穿透凝固行为研究实验系统，包括如下步骤：

步骤1：打开氩气瓶11与熔化罐1之间的止回阀，使高压氩气进入入口管路与穿透管8并冲洗5min，待入口管路与穿透管8内的空气完全排空后将熔化罐1通过密封塞3密封；

步骤2：从熔化罐1的上端放入固相的铅铋合金，并通过高压氩气排出熔化罐1内的空气，待空气充分排出后密封熔化罐1的上端，并持续通入氩气，隔绝氧气进入熔化罐1；

步骤3：打开熔化罐加热带2与管道加热带4，通过第一功率调节装置调节熔化罐加热带2的功率，使固相的铅铋合金熔化，待铅铋合金完全熔化并达到第一预设温度后，调节熔化罐加热带2的功率，使铅铋合金流体温度恒定并保持1h，熔化罐加热带2的升温速率<2℃/min；

步骤4：通过第二功率调节装置调节管道加热带4的功率，使入口管路壁温达到第二预设温度并保持1h，管道加热带4的升温速率<2℃/min；所述第二预设温度高于铅铋合金的凝固点温度；

步骤5：调节恒温浴池7内温度调节器9的功率，使恒温浴池7内的水温达到第三预设温度并保持1h，温度调节器9的升温速率<2℃/min；

步骤6：当整个铅铋穿透凝固行为研究实验系统内的温度稳定后，通过数据采集系统记录所有热电偶温度，打开密封塞3，注入铅铋合金流体；

步骤7：当整个铅铋穿透凝固行为研究实验系统内的温度降低到室温后，切开穿透管8，拍摄铅铋合金的凝固照片，测量铅铋合金的穿透距离并记录。

在进行铅铋穿透凝固行为研究实验前，先对所述的铅铋穿透凝固行为研究实验系统进行调试，所述调试方法包括如下步骤：

检查熔化罐1密封性：关闭熔化罐1内与试验管道之间的密封塞3，然后将熔化罐1注满水，等待30min，观察熔化罐1水位是否发生变化。

检查熔化罐1热电偶：将熔化罐1注入20cm左右的水，使用熔化罐加热带2将水温缓慢加热到80℃，并维持30min，观察熔化罐1内热电偶温度差异，并记录。

检查入口U形管段6热电偶：调节管道加热带4功率，使管壁温度稳定在130℃，并维持30min，观察热电偶温度差异，并记录。

检查穿透管8内热电偶：将恒温浴池7的水箱内充满没过穿透管8 15cm左右的水，使用温度调节器9将水温缓慢加热到80℃，并维持30min，观察水箱内热电偶温度差异，并记录；检查完密封性与热电偶后，用常温水冲洗试验管道2次，并用高压氩气冲洗管道5min，并晾干。

实施例2

本实施例提供了一种铅铋穿透凝固行为研究实验方法，包括如下步骤：

将试验管道用高压氩气冲洗5min，使管内的空气完全排空，然后关闭熔化罐内与试验管道之间的金属密封塞3；

将预设质量的固体铅铋块放入熔化罐1中，然后用高压氩气充分排出熔化罐1内的空气，并盖上熔化罐1盖子；

将高压氩气连接到熔化罐盖子上方的氩气管道上，并持续通入氩气，隔绝氧气进入熔化罐1；

打开熔化罐加热带2和管道加热带4电源，并打开温度调节器9；

调节熔化罐加热带2功率，使固体铅铋合金块缓慢熔化，带铅铋合金完全熔化并达到预定试验温度后，调节加热带功率，使铅铋合金流体温度恒定并保持1h，控制回路升温速率<2℃/min；

调节管道加热带4功率，使壁温达到预定试验温度，并保持1h，控制回路升温速率<2℃/min；

调节温度调节器9功率，使水温缓慢达到预定试验温度，并保持1h，控制回路升温速率<2℃/min；

当整个系统所有温度均稳定后，采集系统开始记录所有热电偶温度；

再打开密封塞3，注入铅铋流体，并迅速远离试验装置；

试验过程中密切关注管内温度变化，当所有温度不再变化后再等15min，关闭数据采集系统；

等所有温度降低到室温左右后，切开试验管道，拍摄凝固照片，测量穿透距离，并记录。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。