低溫炭化裝置研制

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，內蒙古 包頭 014035)(2.清華大學 核能與新能源技術研究院，先進核能技術協同創新技術中心，北京 100084)

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

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 設計目標

研制一臺工業化規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，生產能力500球/爐，工作周期48 h。

2 基本原理及主要技術參數

2.1 基本原理

低溫炭化裝置采用為底裝式馬弗電阻爐結構[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，17個料盤由叉車運輸到低溫炭化裝置，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到車床進行車削。

2.2 主要技術參數

低溫炭化裝置的主要技術參數見表1。

表1 主要技術參數

3 設計要求及具體結構說明

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

圖1 爐體結構

3.1 爐 體

爐殼采用06Cr25Ni20不銹鋼板制成，爐殼內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。爐罐下法蘭通水結構，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構，爐底法蘭與爐罐進行真空密封，爐底設有真空口、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，爐底升降裝置要設有上升限位和下降限位。升降機構由主機架、減速器底板、主動軸、傳動軸、導軌、提升機構等部件組成。絲杠螺母傳動副使提升機構中的橫梁上下運動。橫梁上裝有頂錐構件，4個頂錐對應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

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，進入爐膛內的工作氣氛需預熱到與爐溫接近后通入(見圖3)。出現緊急情況時，可自動/手動切換到保護氣體管道。進入爐膛內的工作氣氛需預熱到與爐溫接近后通入，流量控制采用質量流量計，流量計能與PLC進行實時通信。該設計結構具有可以實現爐內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閉排氣閥，防止空氣倒吸等優點。

圖3 供氣系統

3.3 真空系統

設備帶預抽真空系統一套，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。

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，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

控溫熱電偶采用三支K型鎧裝方式，每組加熱一支；另有5支K型鎧裝Φ3內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(封閉式)

冷卻水采用閉式循環，夾套材料選用321不銹鋼。冷卻水系統總進水有壓力、溫度檢測，各分支有進水壓力、出水流量及出水溫度的檢測，水路系統的壓力溫度檢測全部采用BIEN公司的高精度變送器測量數據送PLC處理，在觸摸屏上顯示。當出現緊急情況時，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，可實現溫度自動設定調節，為了燃燒充分裝有空氣閥)后去排風。

3.8 料 盤

料盤由1個底座、20層料盤、1個導氣柱組成。單層料盤尺寸高度78 mm，外徑810 mm ，中間由筋板隔開分成6個區域，每個區域有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。裝料總質量約420 kg。低溫炭化裝置料盤采用06Cr25Ni20(310S耐熱鋼)材質焊接加工而成，厚度 3 mm(見圖4)。

圖4 料盤

3.9 電氣控制及報警系統

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閉環控溫模式。可以設定多條多段工藝曲線，曲線可以在觸摸屏中設定或選擇。這套設備的控制方式采用儀表+PLC+觸摸屏+無紙記錄儀的方式，保證設備可以實現自動和手動工作模式。為了保證控制系統在高溫環境下的正常工作，控制柜上裝有專用空調。預留遠程監視通信口，支持以太網協議，可將PLC上采集的信號上傳上位機。本設備對于超溫、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， 并執行相應的保護措施。但對于超溫和缺水故障，不是馬上執行保護措施，而是給予一定的預警時間，若在預警時間內未能排除故障，設備就執行保護措施。

4 運行效果

低溫炭化裝置經過設計、安裝、調試和生產運行，各項參數和功能均達到了設計指標(見表2)，符合預期設計要求。該設備2015年8月正式已投入使用，經過兩年的連續運行，該設備運行穩定可靠，可以制備出合格的產品(見圖5)。

表2 設備運行實際參數

圖5 低溫炭化裝置

5 小 結

通過對低溫炭化裝置的設計、安裝、調試和運行，該設備具有以下優勢：

(1)低溫炭化裝置各項參數和性能達到了設計指標；

(2)低溫炭化裝置可以制備出合格的產品；

(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線工業化生產的要求；

(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化處理設備的空白。