李斌
广州塔祈巴那电器有限公司
摘要：本文主要使用不锈钢、紫铜、石英玻璃等不同的材料，用来制备实验装置核心设备。该设备的作用在于可以满足物料的填装、熔化、冷却以及取出。通过参考压力容器行业标准规范结构设计所规定的的强度等要求，自主设计感应线圈加热可视化设备，并概述在研究过程中多出现的困难以及解决措施。
关键词：设备研发；氧化锆；紫铜；石英玻璃套管；感应加热电源；应力分析计算
引言：在本文中，运用氧化锆（ZrO2）作为工质，并结合冷坩埚感应加热技术，以此来进行关于融物热工水力试验，实验目的在于以氧化锆(ZrO2)为工质，辅助冷坩埚感应加热技术，进行熔融物热工水力实验，研究物料熔化后，压力容器顶部注水，研究不同注水流量、不同注水方式下的冷却能力。
一、试验设备本体
其试验的具体过程为：首先，在石英玻璃围桶容器内放置氧化锆工质，运用加热的方式将固体粉末熔化形成液态熔融物，然后将水不断的加入熔融物池。目的在于降低熔融池温度，使其能够快速的冷却凝固形成稳定液位的水池。等到熔池稳固后，便可深入研究顶部注水方式的不同，对熔融物向上热流密度和冷却效果的影响。其中，注水方式可以使用喷淋式以及淹没式。试验完毕需分析取样固态氧化锆块，下表便是试验本体主要设计参数表，简称实验核心设备。
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试验本体结构，主要包含十大组成部分，分别为由外冷却盘、内冷却盘构成的冷坩埚、感应加热线圈、石英玻璃围筒、顶部封盖、顶部壳体、升降机构、支撑结构、保温机构，具体试验本体图如下图所示：
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图1试验本体
（一）冷坩埚
冷坩埚分为两部分，一为水冷不锈钢底盘，位于冷坩埚的底部；二为水冷套管。其中，水冷不锈钢底盘也一分为二，分为内盘跟外盘。内盘作为支撑氧化锆工质的主界面，是可以移动的，在分析取样时，升降机构会同时取出氧化锆块和内盘。对于冷坩埚的设计，可以从以下四点入手：
1.内冷却盘
受内盘内水流作用的影响，内盘顶部形成冷却边界，因此为保持完整的水冷边界，需要采取相应的设计举措，例如，一方面可以设计顶部排气工艺管，保证充足的初次进水量，二是加装排液口，有效排除内冷却盘内的冷却水。
冷却水流动阻力越大，会降低冷却能力，因此需要圆滑过渡内盘顶盖与圆筒两个部位的接点，具体示意图如图2。
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图2内冷却盘
2.外冷却盘
设计外冷却盘，首先需要在外盘的上下两层设计2个出口及入口，以此来满足冷却水进出水冷内套管、水冷外套管的需求；其次，通过螺纹外加O型圈的密封方式连接外盘顶板与水冷套管的外水冷管、中间隔板与内水冷管，可防治水溢出直接接触熔融氧化锆。其中，需要将顶板与隔板的螺纹孔做配钻处理，一方面可以保障流水的通畅性，另一方面也可以使内、外水冷套管保持较高的同心度。
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图3外冷却盘
3.水冷套管
内紫铜管以及外紫铜管互相搭配，通过套管式的组合方式形成水冷套管。水冷套管的作用在于通过与氧化锆介质接触并与铜管配合完成换热工作，水冷套管共分为27组。由于铜管具有较大的导热系数以及比热度，因此将铜管和水相互组合，用来控制熔融物冷却边界，可以产生良好的冷却效果。其次，采用螺纹以及O型圈将水冷外管和外冷却盘顶板连接并密封。除此之外，为了防止内外套管碰撞引发的震动，还需要在水冷内管上方约1.5毫米高度的位置，打磨圆滑并点焊三个焊点。
4.制造要求
所制造的冷坩埚在正式投入使用前，需以0.625MPa的水压试验压力开展需水压实验测试。目的在于测验水冷系统的强度、密封性，规避系统冷却水泄露所引发的安全事故。
（二）石英玻璃围桶
在本文当中，所选择的套管材料为石英玻璃，在紫铜套管的外部套上石英玻璃围桶，可充分借助石英玻璃良好的电绝缘性，耐热震性以及化学稳定性，一方面可以产生较小的热膨胀系数以及耐高温系数，另一方面也可以规避磁力线穿过所引发的涡流损耗现象，便于观察实验对象。
1.石英玻璃围桶的要求
首先，所设计的石英玻璃围桶设计压力和设计温度，分别需要达到0.5MP a以及1200℃；其次，玻璃围桶需可承受高温，且不易断裂。由于氧化锆融化后温度升高，玻璃围桶便会以（0.02～0.2） kg/s速度将95℃的去离子水通入2700℃氧化锆熔池，在蒸汽与振动下，水池形成；最后便是关于石英玻璃与不锈钢页盖的密封要求。石英玻璃的优势在于具有良好的机械性能，但却具有容易破碎、性能差的劣势，导致石英玻璃材料无法直接与钢材连接。针对此种问题的解决，需要采用轴向密封填料函密封形式，其密封结构图如下图3所示：
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图4 密封结构
（三）顶部壳体与顶部封盖
首先，玻璃围桶上部位安装顶部壳体与顶部封盖，并使用S30408不锈钢材质，开设试验所需的仪表口、注水口及蒸汽出口。设计温度以及设计压力为 600 ℃以及0.5 MPa。
1.顶部壳体
结构如下图所示，开设1个爆破片口、3个预留口，其中一个预留口的法兰盖上开设压力计口及温度计口。下端与玻璃围桶相连，上端接顶部封盖。
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图5 顶部壳体
2.顶部封盖
下图便是顶部封盖示意图，开设一个顶部注水口（J），蒸汽出口（K），红外测温口（I），动态压力传感器口（P1），顶盖热电偶棒测温口（T1），顶盖热流密度测量口（T2）。
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图 6顶部封盖
顶部封盖开孔较多，无法采用 GB150.3—2011进行计算。因此可从密封性与强度入手验证该非标结构。
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2.1密封性
按常规计算方法，计算满足垫片密封的最小压紧力，从而计算螺栓载荷，螺栓面积，考虑平盖特征系数K,最后求取保证垫片密封的平盖厚度。
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2.2强度
可使用应力分析法计算平盖强度，借助版本为10.0的ANSYS有限元分析软件建立关于顶部封盖结构几何模型及包含126299节点数、67980个单元的有限元模型。测试模型的载荷以及约束力，计算应力结果。第一，载荷：端盖下表面施加内压0.5 MPa,各开孔端部施 加端部等效拉力，垫片作用面施加垫片压紧力1.5 MPa；第二，约束：约束顶部封盖各螺栓孔内壁Z方向的位移；第三，彩色等级图的方式作为结构第三强度当量应力分布强度；最终测定结果为：顶部封盖由于开孔较多，结构形状复杂，应力
分布很不均匀。应力强度最大值出现在K口接管与封盖连接处，最大应力为32.885 MPa。查GB/T 150,S30408管材在600°C~下的许用应力为64 MPa,顶部端盖结构在内压下满足强度要求，该结构是安全的。
结束语
综上所述，文章在设计试验本体主体结构的过程中，主要注重设计结构细节以及相关要点，且所设计的试验设备，是一种非标设备，区别于传统的常规压力容器设备，相关零件不符合标准限制范畴，但是该试验设备经过4年的试运行后展现优质的使用效果，因此足以表明设计的合理性以及适用性。
参考文献：
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