宋飛飛，劉馬林，牛小平，宋君武，程福林，劉 兵

(1.中核北方核燃料元件有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014035)(2.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，先進核能技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新技術(shù)中心，北京 100084)

高溫氣冷堆核電示范工程燃料元件生產(chǎn)線是國家重大專項之一，也是世界首條工業(yè)化規(guī)模高溫氣冷堆核燃料元件生產(chǎn)線。實驗線低溫炭化工藝使用原型低溫炭化爐為小規(guī)模實驗室型電阻加熱爐，生產(chǎn)能力低，操作復(fù)雜，不適合工業(yè)化規(guī)模的生產(chǎn)。為滿足工業(yè)化高溫氣冷堆核燃料元件生產(chǎn)需求，需要研制一臺適合于工業(yè)化規(guī)模的生產(chǎn)的低溫炭化爐。

低溫炭化工藝是高溫氣冷堆球形燃料元件熱處理的關(guān)鍵工藝之一。壓制后的球坯雖具有一定的尺寸和形狀，但只是通過酚醛樹脂的物理黏合作用而形成的整體，在機械強度與理化性能上達不到球形燃料元件的使用性能，因此必須將球坯在低溫炭化裝置內(nèi)按一定的升溫速率進行炭化處理，酚醛樹脂在炭化過程中形成的黏結(jié)劑焦，使石墨粉顆粒間連接成具有更高機械強度和理化性能的整體[1-3]。

1 設(shè)計目標

研制一臺工業(yè)化規(guī)模批次性低溫炭化裝置，用于高溫氣冷堆核電示范工程燃料元件生產(chǎn)線球形元件低溫炭化處理，最高工作溫度850 ℃，氬氣氣氛，帶尾氣燃燒罐，生產(chǎn)能力500球/爐，工作周期48 h。

2 基本原理及主要技術(shù)參數(shù)

2.1 基本原理

低溫炭化裝置采用為底裝式馬弗電阻爐結(jié)構(gòu)[4]，低溫炭化裝置料盤主要用于盛放毛坯球燃料元件，在低溫炭化裝置內(nèi)進行炭化處理。機器人將毛坯元件球放入料盤定位孔，裝滿料盤后機器人將料盤堆垛放在滿料區(qū)，17個料盤由叉車運輸?shù)降蜏靥炕b置，裝爐升溫至800 ℃進行炭化處理。處理完畢后由叉車將裝滿元件球的料盤運輸?shù)杰嚧策M行車削。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

低溫炭化裝置的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3 設(shè)計要求及具體結(jié)構(gòu)說明

設(shè)備主要由爐體、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、料盤、冷卻系統(tǒng)、裝卸料系統(tǒng)及尾氣處理系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成(見圖1)。

圖1 爐體結(jié)構(gòu)

3.1 爐 體

爐殼采用06Cr25Ni20不銹鋼板制成，爐殼內(nèi)是用耐火材料砌筑成的爐膛，耐火材料為固化陶瓷纖維成型磚，有多個圓弧磚拼接堆砌而成(見圖2)。下部保溫采用多層不銹鋼反射屏組成。爐內(nèi)裝有焊接成的爐罐，采用06Cr25Ni20不銹鋼氬弧焊焊接并通過嚴格檢漏。爐罐的壁厚在保證機械強度，同時利于加快熱平衡速度。爐罐下法蘭固定在升降機架上，在維修時可以將爐罐與機架的連接松開，爐罐可以隨爐底降下，達到在爐內(nèi)直接進行加熱器檢修的目的，免去了拆砌耐火材料的過程。爐罐下法蘭通水結(jié)構(gòu)，保證爐罐與爐底的密封[5-6]。

圖2 爐體

爐蓋由不銹鋼、高溫耐熱不銹鋼06Cr25Ni20以及高溫耐火材料組成。爐底采用雙層水冷結(jié)構(gòu)，爐底法蘭與爐罐進行真空密封，爐底設(shè)有真空口、進氣口、排氣口、排污口及工件熱偶口和爐罐壓力檢測口等。爐底可升降開啟，裝卸料裝置要確保料盤平穩(wěn)緩慢升降。爐底裝有可升降的裝料工作臺，裝料工作臺上放置料盤料架，升降裝料工作臺采用電動升降移動，爐底升降裝置要設(shè)有上升限位和下降限位。升降機構(gòu)由主機架、減速器底板、主動軸、傳動軸、導(dǎo)軌、提升機構(gòu)等部件組成。絲杠螺母傳動副使提升機構(gòu)中的橫梁上下運動。橫梁上裝有頂錐構(gòu)件，4個頂錐對應(yīng)于爐底底部支架上的4個定位孔，從而帶動爐底作升降運動。

3.2 供氣系統(tǒng)

保護氣體采用氬氣，氬氣微正壓，氬氣流速可控。有高壓、低壓聲光報警。氬氣從爐罐底部通入，上部排氣，進入爐膛內(nèi)的工作氣氛需預(yù)熱到與爐溫接近后通入(見圖3)。出現(xiàn)緊急情況時，可自動/手動切換到保護氣體管道。進入爐膛內(nèi)的工作氣氛需預(yù)熱到與爐溫接近后通入，流量控制采用質(zhì)量流量計，流量計能與PLC進行實時通信。該設(shè)計結(jié)構(gòu)具有可以實現(xiàn)爐內(nèi)恒壓或恒流量的控制方式，針對爐壓、氣源壓力、流量進行異常報警，當爐壓過高或過低時給出報警，尤其是爐壓過低時自動關(guān)閉排氣閥，防止空氣倒吸等優(yōu)點。

圖3 供氣系統(tǒng)

3.3 真空系統(tǒng)

設(shè)備帶預(yù)抽真空系統(tǒng)一套，抽真空時間小于30 min，真空度可達到10 Pa；配置德國萊寶D60C直聯(lián)泵及真空電磁閥一套，真空測量采用成都睿寶真空計及真空電阻規(guī)。

3.4 加熱元件

加熱元件采用螺旋鎳鉻絲嵌入固化在耐火磚內(nèi)，有效減少了表面負荷，增加了使用壽命，防止鎳鉻絲使用中變形，造成加熱器與爐罐的短路情況。加熱器沿高度方向分為三組，可以獨立控溫；每組均為三相加熱保證了電源的三相平衡；加熱器組成圓形，各方向距爐罐距離相等，保證了爐罐內(nèi)的溫度均勻性。通過降下爐罐，直接對加熱器進行維修和更換[7-8]。

3.5 測溫元件

控溫?zé)犭娕疾捎萌型鎧裝方式，每組加熱一支；另有5支K型鎧裝Φ3內(nèi)插式熱電偶通過爐底接入爐罐，用于溫度均勻性檢測或工件溫度測量，并且通過五支記錄儀顯示和記錄；該5支熱電偶在爐罐內(nèi)通過插座(進口耐高溫)進行連接，方便熱偶的更換。

3.6 水冷系統(tǒng)(封閉式)

冷卻水采用閉式循環(huán)，夾套材料選用321不銹鋼。冷卻水系統(tǒng)總進水有壓力、溫度檢測，各分支有進水壓力、出水流量及出水溫度的檢測，水路系統(tǒng)的壓力溫度檢測全部采用BIEN公司的高精度變送器測量數(shù)據(jù)送PLC處理，在觸摸屏上顯示。當出現(xiàn)緊急情況時，可自動切換到城市自來水直接排放的冷卻方式。

3.7 尾氣處理裝置

低溫炭化處理過程中產(chǎn)生廢水、廢氣，尾氣出爐后要通過尾氣冷凝器后進入尾氣冷凝液收集貯槽(貯槽由買方制作)，再經(jīng)尾氣處理裝置(尾氣處理方式為先冷凝，再在600、800、1 000 ℃通壓縮空氣進行氧化，可實現(xiàn)溫度自動設(shè)定調(diào)節(jié)，為了燃燒充分裝有空氣閥)后去排風(fēng)。

3.8 料 盤

料盤由1個底座、20層料盤、1個導(dǎo)氣柱組成。單層料盤尺寸高度78 mm，外徑810 mm ，中間由筋板隔開分成6個區(qū)域，每個區(qū)域有15個孔洞，用于放置壓制后的球坯。料盤總高約1 400 mm，最大裝球量為1 530球，單層需要承重約25 kg。裝料總質(zhì)量約420 kg。低溫炭化裝置料盤采用06Cr25Ni20(310S耐熱鋼)材質(zhì)焊接加工而成，厚度 3 mm(見圖4)。

圖4 料盤

3.9 電氣控制及報警系統(tǒng)

溫度控制采用三組獨立控制模式，每組都有塊0.1級溫控器控溫，采用熱電偶—溫控器—SCR—加熱器—熱電偶的PID閉環(huán)控溫模式。可以設(shè)定多條多段工藝曲線，曲線可以在觸摸屏中設(shè)定或選擇。這套設(shè)備的控制方式采用儀表+PLC+觸摸屏+無紙記錄儀的方式，保證設(shè)備可以實現(xiàn)自動和手動工作模式。為了保證控制系統(tǒng)在高溫環(huán)境下的正常工作，控制柜上裝有專用空調(diào)。預(yù)留遠程監(jiān)視通信口，支持以太網(wǎng)協(xié)議，可將PLC上采集的信號上傳上位機。本設(shè)備對于超溫、溫度偏差大、氣源不足、升降故障、水溫過高、真空度不足、氬氣壓力不足、水壓不足、爐壓異常等異常情況進行聲光報警， 并執(zhí)行相應(yīng)的保護措施。但對于超溫和缺水故障，不是馬上執(zhí)行保護措施，而是給予一定的預(yù)警時間，若在預(yù)警時間內(nèi)未能排除故障，設(shè)備就執(zhí)行保護措施。

4 運行效果

低溫炭化裝置經(jīng)過設(shè)計、安裝、調(diào)試和生產(chǎn)運行，各項參數(shù)和功能均達到了設(shè)計指標(見表2)，符合預(yù)期設(shè)計要求。該設(shè)備2015年8月正式已投入使用，經(jīng)過兩年的連續(xù)運行，該設(shè)備運行穩(wěn)定可靠，可以制備出合格的產(chǎn)品(見圖5)。

表2 設(shè)備運行實際參數(shù)

圖5 低溫炭化裝置

5 小 結(jié)

通過對低溫炭化裝置的設(shè)計、安裝、調(diào)試和運行，該設(shè)備具有以下優(yōu)勢：

(1)低溫炭化裝置各項參數(shù)和性能達到了設(shè)計指標；

(2)低溫炭化裝置可以制備出合格的產(chǎn)品；

(3)低溫炭化裝置操作簡單，滿足了高溫氣冷堆核電示范工程核燃料元件生產(chǎn)線工業(yè)化生產(chǎn)的要求；

(4)低溫炭化裝置研制成功后，填補了高溫氣冷堆核燃料元件低溫炭化工業(yè)化處理設(shè)備的空白。