一种高温控氧磁力驱动液态金属旋转腐蚀实验装置及方法与流程

本发明属于液态金属与聚变堆包层结构材料腐蚀相容性领域，具体涉及一种高温控氧磁力驱动液态金属旋转腐蚀实验装置及方法。

背景技术：

包层承担产氚、增殖中子、屏蔽高能辐照损伤及排热等功能，是国际热核聚变实验堆(iter)及未来商用聚变电站中关键部件。液态金属包层由于具有高氚增殖率、高热转换效率、堆外在线实时提氚以及对托卡马克装置的复杂几何形状具有很好的适应性等优点,具有巨大的研究与应用前景,成为近年来国际聚变研究机构主流设计方案之一。尽管液态金属包层优势明显，但从概念设计走向工程应用，还面临一系列问题，如氚渗透、强磁场下的mhd效应、化学活性导致的安全问题等。此外，考虑到包层部件的服役周期长达数年，液态金属很可能对包层结构材料产生腐蚀从而造成设备失效，因此，开展液态金属与包层结构材料及其焊缝的相容性研究，对于提高装置安全裕度具有重要意义。

目前，国际各聚变研究机构主要是通过液态金属实验回路来开展液态金属与结构材料的相容性研究。一个完整的液态金属实验回路，一般包括一个主回路和净化、充铅锂合金、排放铅锂合金、保护气体等辅助回路，实验系统复杂，建造与实验成本高，周期长。欧洲、美国、日本等在上世纪八十年代已建立了多个液态铅锂实验回路，如法国的alceste回路、意大利的lifusii回路、日本京都大学的实验回路，国内中科院核安全技术研究所的dragon系列回路等，开展了静态、半静态、动态等腐蚀实验，获得了一些液态金属与结构材料相容性的基础数据。然而，无论是开式、闭式、8字型还是双闭式液态金属实验回路，都不可避免地需要考虑驱动、腐蚀、净化、堵塞、热应力等问题。如在回路中让液态金属流动起来，特别是在复杂管路中需要消耗较大的驱动功率；回路运行过程中流动的高温液态金属对结构材料的腐蚀、杂质的控制与净化等无法回避；复杂的管路系统会带来焊接泄漏等安全风险。

为克服以上问题，本发明采用罐状结构，通过磁力耦合器驱动内磁转子，实现静密封结构的非接触力矩传递，根据相对运动原理，带动样品架在液态金属中旋转，开展低活化钢及其焊缝在液态金属中的持续流动腐蚀实验。相对于液态金属实验回路，本发明装置具有以下优点：1、结构紧凑，通过磁力驱动实现内罐体的完全静密封，避免了液态金属回路中存在的结构失效和管道泄漏等安全风险；2、本装置独特设计的圆盘形样品架，可同时容纳数十个样品开展不同流速的腐蚀实验，可同时获取不同工况下的腐蚀规律；3、通过翻转支承架实现液态金属在真空环境下的加料及回收，消除了空气、水分等杂质影响；4、根据相对运动原理，使驱动功率显著降低，在高温控氧工况下可开展长达数千小时的持续稳定腐蚀实验，极大提高了装置使用的可靠性和工作效率。本发明所涉及的实验方法具有操作简单，故障率低的显著优点，通过标准化操作可开展聚变堆材料如rafm钢、sic插件及其焊缝等，在不同液态金属中的多工况腐蚀实验，通过观测样品表面形貌并分析腐蚀机理，为液态金属与聚变堆结构材料的相容性研究提供基础数据。

基于以上背景技术，针对国家磁约束核聚变能发展研究专项项目课题(2013gb113004)研究的任务需求，特提出本发明专利。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有液态金属实验回路技术的不足，提供一种高温控氧磁力驱动液态金属旋转腐蚀实验装置及方法，解决了液态金属对聚变堆结构材料及其焊缝腐蚀实验难以解决的净化、密封、持续等难题，避免了管道回路复杂、液态金属驱动功率高、液态金属对装置本身腐蚀所导致的泄漏隐患等技术缺陷。

本发明采用的技术方案为：一种高温控氧磁力驱动液态金属旋转腐蚀实验装置，包括可翻转支承架、内罐体、外罐体、罐盖、密封组件、电机、减速器、外磁转子、内磁转子、夹壳联轴器、传动轴、圆盘形样品架、熔炼罐、进出气口、进气口针阀、进料口闸阀、压力表、减压阀、主加热器、备用加热器、保温层、温度传感器、总控制柜；所述的可翻转支承架与外罐体连接，内罐体通过罐盖分别与外磁转子和内磁转子连接，夹壳联轴器设在内磁转子下端，并通过传动轴与圆盘形样品架相连，外磁转子设在减速器下端，并通过传动装置与减速器上端的电机连接；电机通过支承杆与罐盖连接；内罐体底部设置一组主加热器、两组备用加热器和一个温度传感器，温度传感器及电源连接至总控制柜；内罐体侧壁设置一个减压阀；内、外罐体间填充保温层；罐盖上有锥形进料口、熔炼罐、进出气口和压力表，熔炼罐通过进料口闸阀与锥形进料口相连。

其中，所述的内罐体结构材料为钼合金、外罐体和罐盖结构材料为316l钢，保温层为聚氨酯。

其中，所述的内罐体直径为32cm，深为20cm，容积约16l。

其中，所述的外磁转子、内磁转子为磁力驱动旋转装置，电机通过减速器与外磁转子连接，内磁转子通过夹壳联轴器与圆盘形样品架连接，内磁转子和外磁转子之间安装绝磁的密封隔离套。

其中，所述的传动轴材质为钼合金，长度为13cm，直径为1cm。

其中，所述的密封组件采用铜质合金密封圈。

其中，所述的圆盘形样品架材质为钼合金，圆盘半径14cm，厚度5mm，在圆盘上下两个表面各设置两个圆环形样品槽，样品采用压紧螺母固定。

其中，所述的主加热器和备用加热器均为硅钼合金加热器，功率300w，在主加热器发生故障时，自动切换至第一备用加热器；第一备用加热器故障时，自动切换至第二备用加热器。

其中，所述的温度传感器为工业测温铠装热电偶，误差±1℃；所述的温控装置温控范围0℃～550℃，精度±1℃。

其中，所述的保温层为聚氨酯保温材料，导热系数<0.03w/(m.k)。

其中，所述的电机功率为1kw，减速器工作范围0～800rpm。

其中，所述的熔炼罐容积为8l，电阻式加热功率500w。

一种高温控氧磁力驱动液态金属旋转腐蚀实验方法，其实现步骤如下：

s1：将装好样品的圆盘形样品架安装到传动轴上，将传动轴置于内罐体中，通过密封组件与罐盖连接，将金属铅锂合金放进熔炼罐，打开进气口针阀与进料口闸阀，启动抽气泵，将内罐体及熔炼罐抽真空；

s2：关闭进气口针阀，启动熔炼罐加热电源，启动内罐体主加热器，保持温度传感器和总控制柜处于工作状态，待金属铅锂合金熔化后全部流进内罐体，关闭进料口闸阀；

s3：关闭熔炼罐加热电源，通过进出气口接上氩气瓶，打开进气口针阀，给罐体通入氩气作为保护性气体，当压力表显示0.2mpa时关闭进气口针阀；

s4：启动电机，通过减速器控制传动轴转速，加热液态铅锂合金至设定温度，实施腐蚀相容性实验；

s5：实验结束后关闭电机，将可翻转支承架转动180度，打开进料口闸阀，打开减压阀，液态金属通过锥形进料口流进熔炼罐并回收，关闭主加热器，待装置自然冷却至室温，打开内罐体，取出实验样品。

其中，加料时内罐体真空度维持约10^-5pa，实验中内罐体维持0.2mpa压力，内罐体内液态金属温度最高可达500℃。

其中，通过磁力驱动和温控辅热等手段，对多个实验样品可同步开展数百到数千小时高温控氧液态金属旋转腐蚀实验，为液态金属与聚变堆结构材料及其焊缝的相容性研究提供基础数据。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明一种高温控氧磁力驱动液态金属旋转腐蚀实验装置及方法，根据聚变堆结构材料及其焊缝与液态金属相容性的技术需求，采用该发明装置及实验方法，开展高温控氧持久的腐蚀实验，通过sem、xps、eds等技术分析，为研究液态金属与聚变堆结构材料的相容性提供基础性数据。本发明装置结构紧凑，通过磁力驱动实现内罐体的完全静密封，避免了管道材料高温蠕变、液态金属泄漏等风险。独特设计的圆盘形样品架，可同时容纳数十个样品开展不同流速的腐蚀实验。通过可翻转支承架实现液态金属在真空环境下的加料及回收，消除了空气、水分等杂质影响。根据相对运动原理，使驱动功率显著降低，在高温控氧工况下可开展长达数千小时的持续稳定腐蚀实验，极大提高了装置使用的可靠性和工作效率。本发明所涉及的实验方法具有操作简单，故障率低的显著优点，通过标准化操作对聚变堆材料如rafm钢、sic插件及其焊缝等，可开展在不同液态金属中的多工况腐蚀实验。

附图说明

图1为本发明中采用的一种高温控氧磁力驱动液态金属旋转腐蚀实验装置原理图；

图2为本发明中采用的圆盘形样品架示意图。

图中附图标记含义为：1为可翻转支承架，2为内罐体，3为外罐体，4为罐盖，5为密封组件，6为电机，7为减速器，8为外磁转子，9为内磁转子，10为夹壳联轴器，11为传动轴，12为圆盘形样品架，13为熔炼罐，14为进出气口，15为进气口针阀，16为进料口闸阀，17为压力表，18为减压阀，19为主加热器，20为备用加热器，21为保温层，22为温度传感器，23为总控制柜。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的具体实施方式，以详细说明本发明的技术方案。

本发明具体实施方式是采用附图1所示的一种高温控氧磁力驱动液态金属旋转腐蚀实验装置原理图。

本发明采用的一种高温控氧磁力驱动液态金属旋转腐蚀实验装置，由可翻转支承架1、内罐体2、外罐体3、罐盖4、密封组件5、电机6、减速器7、外磁转子8、内磁转子9、夹壳联轴器10、传动轴11、圆盘形样品架12、熔炼罐13、进出气口14、进气口针阀15、进料口闸阀16、压力表17、减压阀18、主加热器19、备用加热器20、保温层21、温度传感器22、总控制柜23等部件组成。

可翻转支承架1与外罐体3连接，内罐体2通过罐盖4分别与外磁转子8和内磁转子9连接，夹壳联轴器10设在内磁转子9下端，并通过传动轴11与圆盘形样品架12相连，外磁转子8设在减速器7下端，并通过传动装置与减速器上端的电机6连接；电机6通过支承杆与罐盖4连接；内罐体2底部设置一组主加热器19、两组备用加热器20和一个温度传感器22，温度传感器22及电源连接至总控制柜23；内罐体侧壁设置一个减压阀18；内、外罐体间填充保温层21；罐盖4上有锥形进料口16、熔炼罐13、进出气口14和压力表17，熔炼罐13通过进料口闸阀16与锥形进料口相连。

具体实现步骤如下：

s1：将装好样品的圆盘形样品架12安装到传动轴11上，将传动轴11置于内罐体2中，通过密封组件5与罐盖4连接，将金属铅锂合金约40kg放进熔炼罐13，打开进气口针阀15、进料口闸阀16，启动抽气泵，将内罐体2和熔炼罐13抽真空,真空度约10^-5pa；

s2：关闭进气口针阀15，启动熔炼罐13加热电源，启动主加热器19预热内罐体2，保持温度传感器22和总控制柜23处于工作状态，待金属铅锂合金熔化后全部流进内罐体2，关闭进料口闸阀16，关闭熔炼罐13加热电源；

s3：继续将金属铅锂合金约40kg放进熔炼罐13，打开进气口针阀15、进料口闸阀16，启动抽气泵，将内罐体2和熔炼罐13抽真空,真空度约10^-5pa；启动熔炼罐13加热电源，待金属铅锂合金熔化后全部流进内罐体2，关闭进料口闸阀16；

s4：关闭熔炼罐13加热电源，通过进出气口14接上氩气瓶，打开进气口针阀15，给罐体通入保护性气体，压力表17显示0.2mpa时关闭进气口针阀15；

s5：启动电机6，通过减速器7控制圆盘形样品架12转速,当转速约为40rpm，对应自外向内四个样品槽线速度分别约为50cm/s、42cm/s、33cm/s和25cm/s，开展不同流速工况下的旋转腐蚀实验；

s6：实验结束后关闭电机6，将可翻转支承架1转动180度，打开进料口闸阀16，打开减压阀18，液态金属通过锥形进料口流进熔炼罐13并回收处理，关闭主加热器19，待装置自然冷却至室温，打开内罐体2，取出实验样品。

所述步骤s1中，圆盘形样品架12上根据需要可同时至少放入16个样品开展实验。加料时内罐体2真空度维持约10^-5pa，主加热器19给内罐体2预加热到240℃。

所述步骤s2中，由于熔炼罐工作容积有限，为保证圆盘形样品架12完全浸没于液态金属中，熔炼罐13中分两批次熔炼液态金属，每次熔炼量约40kg，两次熔炼铅锂合金体积约8l。

所述步骤s3中，实验过程中内罐体2维持约0.2mpa氩气压力,定期开展巡检。