一种液态金属回路用熔化净化装置
阅读说明：本技术 一种液态金属回路用熔化净化装置 (Melting and purifying device for liquid metal loop ) 是由 徐敬尧 周小丽 史兵方 于 2020-11-01 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种液态金属回路用熔化净化装置,包括熔化净化罐、加热装置、储藏罐、管道一、高压气瓶、管道二和管道三；熔化净化罐的顶部设有端盖一或端盖二,端盖一为法兰一,端盖二包括磁体套筒、法兰二和法兰三；熔化净化罐的中下部外侧设有所述加热装置,加热装置包括加热装置罐体、加热棒和导热油；熔化净化罐的底部通过管道一与储藏罐的顶部相连；储藏罐的顶部通过管道二与主回路相连；管道二通过管道三与熔化净化罐的侧壁的上部相连通。本发明所述的液态金属回路用熔化净化装置,缩短了装料时间,提升了熔化装料效率,最大化利用熔化净化罐,熔化净化罐既具有熔化罐功能,又具有过滤器和磁阱净化功能或冷阱和磁阱净化功能。(The invention provides a melting and purifying device for a liquid metal loop, which comprises a melting and purifying tank, a heating device, a storage tank, a pipeline I, a high-pressure gas cylinder, a pipeline II and a pipeline III, wherein the pipeline I is connected with the high-pressure gas cylinder; the top of the melting and purifying tank is provided with a first end cover or a second end cover, the first end cover is a first flange, and the second end cover comprises a magnet sleeve, a second flange and a third flange; the heating device is arranged on the outer side of the middle lower part of the melting and purifying tank and comprises a heating device tank body, a heating rod and heat conducting oil; the bottom of the melting purification tank is connected with the top of the storage tank through a first pipeline; the top of the storage tank is connected with the main loop through a second pipeline; the second pipeline is communicated with the upper part of the side wall of the melting and purifying tank through a third pipeline. The melting and purifying device for the liquid metal loop shortens the charging time, improves the melting and charging efficiency, and maximizes the utilization of the melting and purifying tank, wherein the melting and purifying tank has the functions of a melting tank, a filter and a magnetic trap or a cold trap and a magnetic trap.)
技术领域
本发明属于液态金属熔化净化技术领域，尤其是涉及一种液态金属回路用熔化净化装置。
背景技术
液态金属主要有铅(Pb)、铅铋(PbBi)合金和铅锂(PbLi)合金等，液态金属因其熔点低、沸点高、热导率高、安全性高成为新一代核反应堆冷却剂的首选，如加速器驱动次临界系统(ADS)选用铅铋共晶体(LBE)作为反应堆冷却剂，铅基堆中选用铅作为冷却剂，聚变堆中使用铅锂合金作为冷却剂等。
为了研究液态金属铅铋合金(PbBi)和铅锂合金(PbLi)等各种服役性能，如腐蚀、热工等，需要建立大型回路进行研究。液态金属的大型回路按照功能分有材料腐蚀回路和热工回路等；按照运行的液态金属冷却剂分为铅锂回路、铅铋回路等；按照有无驱动泵可分为自然循环回路和强迫对流回路等。目前大型回路造价高昂，因为各液态金属冷却剂性质有差异，铅铋回路的一些装置适用不了铅锂回路，比如净化装置，导致同一大型回路无法运行不同液态金属冷却剂，增加了回路的建造与运行成本。
大型回路一般包括熔化罐、储藏罐、驱动泵、气体系统、加热保温系统、试验段、净化装置、换热器、膨胀罐、加热器、冷却系统等。目前熔化罐和净化装置一般为分体设计，现有的熔化罐一般是一个圆筒形罐体，主要功能是熔化PbBi和PbLi合金锭，合金锭一般为圆柱体，高为直径的2倍，熔化罐罐壁缠绕有加热丝，为了防止漏电，加热丝不能直接缠绕在熔化罐罐壁，需要在加热丝外面套上中空碗状绝缘陶瓷，罐体外壁设有热电偶，熔化罐的最外层为保温层。熔化罐内的铸锭加热熔化后流入储藏罐，然后通过高压气体压入回路。但目前存在的问题是熔化罐熔化完回路所需的合金后，熔化罐基本就弃之不用，而且熔化罐熔化铸锭的时间太长，效率低下。之所以熔化铸锭时间长，效率低下，一是铸锭为圆柱锭，放置于熔化罐主要是铸锭底部和熔化罐底部接触，与熔化罐侧壁一般不接触，即使接触也是线接触，而不是面接触；二是加热丝外部套有中空碗状陶瓷，陶瓷导热性能差，且外边套有的中空碗状陶瓷和熔化罐侧壁是点状接触，所以加热丝的热量传给铸锭的路径为通过导热性能差的陶瓷与熔化罐的接触点或者空气传给熔化罐罐壁，然后再通过罐体传至熔化罐罐底再传给铸锭或者通过熔化罐罐壁与铸锭的线接触传给铸锭，加热效率低。三是加热丝要缠绕在罐体或者管道外壁，其不能过粗，容易烧断；四是无论铅铋合金还是铅锂合金，铸锭热容大，需要的热量多；五是铸锭熔化流进储藏罐后，熔化罐要冷却至室温才能打开再次装料熔化；因为熔化罐外层固定包裹有加热丝和保温层，此时只能拿掉法兰上方的保温层进行降温，降温时间漫长；温度高打开熔化罐会导致残留在熔化罐内的液态金属氧化产生杂质。另外温度高，操作者的人身安全得不到保障。六是装料时间长，假如回路需要熔化的PbBi和PbLi的重量为3吨，约0.3m3，一个直径10cm，高度20cm铸锭的重量约为33kg，需要91个铸锭，即使按照最优的设计，一次装料14个铸锭，重复7次装料过程才能装完。
液态金属PbBi/PbLi作为冷却剂在使用过程会严重腐蚀结构材料并产生杂质，腐蚀的方式主要有氧化腐蚀、冲刷腐蚀、溶解腐蚀等，检修、装卸料和原料中也会有杂质的引入，这些杂质在回路中积累到一定程度，容易堵塞换热器流道和回路管道，改变液态金属的热导率，降低传热效率等，所以需要净化。目前的净化装置主要有磁阱、冷阱以及过滤器等，磁阱只能吸附铁磁性杂质，过滤器只能过滤比滤孔尺寸小的杂质，冷阱可以通过冷却析出部分杂质，并通过滤网过滤掉。目前液态PbBi系统中可以采用氧控的方式减少溶解腐蚀，主要杂质为氧化物，所以净化方式主要为磁阱和过滤器；而液态PbLi因为Li比较活泼，无法使用氧控系统，除了氧化腐蚀和冲刷腐蚀还有溶解腐蚀，主要使用冷阱和磁阱净化。
发明内容
针对上述技术问题，为了降低回路建造和运行成本，提高装料效率，本发明的目的在于提供一种液态金属回路用熔化净化装置，缩短装料时间，提升熔化装料效率，将熔化罐和净化罐一体设计，其既具有熔化罐熔化功能，又具有过滤器和磁阱净化功能或冷阱和磁阱净化功能，熔化净化装置既适用液态铅铋合金冷却剂又适用于液态铅锂合金冷却剂。
本发明采用的技术方案是：
一种液态金属回路用熔化净化装置，包括熔化净化罐、加热装置、储藏罐、管道一、高压气瓶、管道二和管道三；所述熔化净化罐的顶部设有端盖一或端盖二，所述端盖一为法兰一，所述端盖二包括磁体套筒、法兰二和法兰三、；所述熔化净化罐的顶部还设有液位计和气体管道一；
所述熔化净化罐的中下部外侧设有所述加热装置，所述加热装置包括加热装置罐体、加热棒和导热油，所述加热装置罐体套设于所述净化熔化罐外，所述加热棒设置于加热装置罐体的侧壁和熔化净化罐的外壁之间，所述导热油设置于所述加热装置罐体和所述熔化净化罐的外壁之间；
所述熔化净化罐的底部通过所述管道一与所述储藏罐的顶部相连，所述管道一上设有阀门一和流量计；所述储藏罐的顶部通过所述管道二与主回路相连，所述管道二通过所述管道三与所述熔化净化罐的侧壁的上部相连通，所述管道二的位于所述管道三和所述储藏罐顶部的管道上设有阀门二；所述管道三上设有阀门三；
所述熔化净化罐、所述加热装置、所述端盖一和所述端盖二均设有保温系统，所述储藏罐、所述管道一、所述管道二和所述管道三均设有加热保温系统。
本发明所述的液态金属回路用熔化净化装置，其中，所述法兰三上固定设有所述磁体套筒，所述磁体套筒的上端设有法兰二，所述磁体套筒的下端穿过所述法兰三伸入到所述熔化净化罐的底部，所述磁体套筒位于所述熔化净化罐内的部分设置在所述滤芯的中间，所述磁体套筒内部装设有永磁体磁铁。
本发明所述的液态金属回路用熔化净化装置，其中，所述净化熔化罐内填充有滤芯，所述滤芯为可拆卸的，所述滤芯为中空圆筒状，所述滤芯包括外层滤芯和内层滤芯，所述外层滤芯孔隙始终大于所述内层滤芯孔隙，所述外层滤芯的孔隙为20-500μm，所述内层滤芯的孔隙为2-50μm。
本发明所述的液态金属回路用熔化净化装置，其中，所述液位计和所述气体管道一设置在所述法兰一或所述法兰三上；所述储藏罐的顶部还通过气体管道二与高压气瓶相连。
本发明所述的液态金属回路用熔化净化装置，其中，所述加热装置罐体的侧部和底部分别设有热电偶一和热电偶二。
本发明所述的液态金属回路用熔化净化装置，其中，所述加热装置罐体的侧壁的上部设有导热油出口管，所述加热装置罐体的侧壁的下端设有导热油进口管，所述导热油进口管和所述导热油出口管与液态金属回路油冷系统相连通，所述导热油进口管上设有阀门四。
本发明所述的液态金属回路用熔化净化装置，其中，所述熔化净化罐的内径为铸锭直径奇数倍，所述熔化净化罐高度为1-5倍铸锭高度。
本发明所述的液态金属回路用熔化净化装置，其中，所述熔化净化罐的内径为3倍或5倍铸锭直径，所述熔化净化罐高度为2倍铸锭高度。
本发明所述的液态金属回路用熔化净化装置，其中，所述气体管道一上设有气体阀门一，所述气体管道一上端与真空和气体系统相连；所述气体管道二上设有气体阀门二；所述管道一和所述管道三之间设有压差计。
本发明所述的液态金属回路用熔化净化装置，其中，所述液态金属为液态铅铋合金或液态铅锂合金。
本发明有益效果：
1.熔化净化罐采用加热棒和导热油进行加热，导热油与熔化净化罐体之间为面接触，传热快，极大的缩短了熔化净化罐的熔化时间，导热油既可以作为传热的介质，还可以对熔化净化罐进行冷却，大大缩短了熔化净化罐的冷却时间，提升了熔化效率，降低了运行成本。另外导热油使用温度可达350℃，相对于水等介质，安全性更佳。
2.熔化净化罐将现有的熔化罐和净化罐分体设计改进为一体设计，滤芯可拆卸，熔化时滤芯取下，此时为熔化罐；熔化完成后，装填滤芯和更换含有磁体套筒的顶盖，熔化净化罐变成过滤器和磁阱，如果同时开动导热油冷却系统，那么熔化净化罐又成为了冷阱和磁阱，具有多功能性，降低了回路建造与运行成本。
3.本发明熔化净化装置既适用于以液态铅铋合金为冷却剂的回路，也适用于以液态铅锂合金为冷却剂的回路，从净化装置上解决了一个回路只能运行一种液态金属冷却剂的问题，降低了回路建造与运行成本。
4.装填滤芯后，在滤芯中间设有磁体套筒，而不是在滤芯和熔化净化罐壁之间设有磁体套筒，一是减少了磁体套筒的数量，提升了净化效果，二是滤芯中间是经过过滤净化后的液态金属，磁体套筒表面的杂质堆积速率会降低，从而提升了磁体套筒的使用寿命。
5.熔化净化罐的内径为奇数倍铸锭直径，熔化净化罐高度为1-5倍铸锭高度，这样可以使得铸锭最密排列，有限的设计体积装填最多的铸锭，提升铸锭装填效率。
附图说明
图1为用作熔化罐时的所述液态金属回路用熔化净化装置的结构示意图；
图2为用作净化罐时的所述液态金属回路用熔化净化装置的结构示意图。
图中，1-熔化净化罐、11-滤芯、12-法兰一、13-液位计、14-气体管道一、15-气体阀门一、16-压差计、17-磁体套筒，18-法兰二，19-法兰三，2-加热装置、21-加热装置罐体、22-加热棒、23-热电偶一、24-热电偶二、25-导热油出口管、26-导热油入口管、27-阀门四、3-储藏罐、4-管道一、41-阀门一、42-流量计、5-主回路、6-高压气瓶、61-气体管道二、62-气体阀门二、7-管道二、71-阀门二、8-管道三、81-阀门三。
下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或者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，而不是指示或者暗示所指的装置或者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。
如图1和2所示，一种液态金属回路用熔化净化装置，包括熔化净化罐1、加热装置2、储藏罐3、管道一4、高压气瓶6、管道二7和管道三8。
净化熔化罐1内填充有滤芯11，滤芯11为可拆卸的，滤芯11为中空圆筒状，滤芯11包括外层滤芯和内层滤芯，所述外层滤芯孔隙始终大于所述内层滤芯孔隙，所述外层滤芯的孔隙为20-500μm，所述内层滤芯的孔隙为2-50μm；；
熔化净化罐1的顶部设有端盖一或端盖二，所述端盖一为法兰一12；所述端盖二包括磁体套筒17、法兰二18和法兰三19，法兰三19上通过焊接固定设有磁体套筒17，磁体套筒17的上端设有法兰二18，磁体套筒17的下端穿过法兰三19伸入到熔化净化罐1的底部，磁体套筒17位于熔化净化罐1内的部分设置在滤芯11的中间，磁体套筒17内部装设有永磁体磁铁；
熔化净化罐1的顶部还设有液位计13和气体管道一14，液位计13和气体管道一14设置在法兰一12或法兰三19上，气体管道一14上设有气体阀门一15，气体管道一14上端与真空和气体系统相连；
熔化净化罐1的中下部外侧设有加热装置2，加热装置2包括加热装置罐体21、加热棒22和导热油，加热装置罐体21套设于净化熔化罐1外，加热棒22设置于加热装置罐体21的侧壁和熔化净化罐1的外壁之间，所述导热油设置于加热装置罐体21和熔化净化罐1的外壁之间；加热装置罐体21的侧部和底部分别设有热电偶一23和热电偶二24；加热装置罐体21的侧壁的上部设有导热油出口管25，加热装置罐体21的侧壁的下端设有导热油进口管26，导热油进口管26和导热油出口管25与液态金属回路油冷系统相连通，导热油进口管26上设有阀门四27；
熔化净化罐1的底部通过管道一4与储藏罐3的顶部相连，管道一4上设有阀门一41和流量计42；储藏罐3的顶部还通过气体管道二61与高压气瓶6相连，气体管道二61上设有气体阀门二62；
储藏罐3的顶部通过管道二7与主回路5相连，管道二7通过管道三8与熔化净化罐1的侧壁的上部相连通，管道二7的位于管道三8和储藏罐3顶部的管道上设有阀门二71，管道三8上设有阀门三81，管道一4和管道三8之间设有压差计16，压差计16设置在熔化净化罐1的进口和出口处；
熔化净化罐1、加热装置2、端盖一和端盖二均设有保温系统，储藏罐3、管道一4、管道二7和管道三8均设有加热保温系统。
熔化净化罐1的内径为铸锭直径奇数倍，熔化净化罐1高度为1-5倍铸锭高度，优选地，熔化净化罐1的内径为3倍或5倍铸锭直径，熔化净化罐1高度为2倍铸锭高度。
所述液态金属为液态铅铋合金或液态铅锂合金。
本实施例所述的液态金属回路用熔化净化装置的工作过程如下：
用作熔化罐熔化铸锭时：
打开法兰一12，取出滤芯11，放入铸锭，然后使用所述端盖一将熔化净化罐1密封，关闭阀门二71和阀门三81，打开阀门一41，打开气体阀门一15，使用回路的气体和真空系统通过气体管道一14对熔化净化罐1和储藏罐3以及管道一4抽真空，抽完真空放入少量惰性气体，然后关闭阀门一41。打开加热棒22加热至温度高于铅铋或铅锂熔点50-100℃，同时打开管道一4和储藏罐3的加热保温系统，使温度控制在高于铅铋或铅锂合金熔点30-50℃。待根据液位计13的读数计算出来的铸锭体积与加入铸锭体积相近时，保温30min后，打开阀门一41，使熔化的铅铋或者铅锂合金流入储藏罐3，然后关闭阀门一41，打开阀门四27，然后开启所述回路油冷系统对熔化净化罐1进行冷却至室温，关闭所述回路油冷系统，关闭阀门四27。然后打开法兰一12进行第二次装填铸锭，装填完毕后，用所述端盖一密封，开启回路气体与真空系统，打开气体阀门一15，抽真空，然后关闭气体阀门一15，开始进行下一轮开启加热棒22加热、熔化、打开阀门一41、流入储藏罐3，然后开启所述回路油冷系统冷却，冷却至室温再进行装料的循环过程，直至熔化完毕。
用作净化罐作为过滤器和磁阱净化时：
铸锭熔化完毕后，将熔化净化罐1降至室温，关闭阀门一41，打开所述端盖一，将滤芯11装入熔化净化罐1，使用所述端盖二密封。打开加热棒22，打开管道一4、管道二7、管道三8的加热保温系统，将整个熔化净化罐1和相关管道温度调至高于冷却剂熔点30℃以上，最高不超过350℃，关闭阀门二71，打开阀门一41和阀门三81，主回路5中的液态金属冷却剂经管道三8进入熔化净化罐1，经滤芯11净化后，再经磁体套筒17磁吸附净化后，经管道一4流进储藏罐3，完成一次过滤和磁阱净化。
用作净化罐作为冷阱和磁阱净化时：
铸锭熔化完毕后，将熔化净化罐1降至室温，关闭阀门一41，打开所述端盖一，将滤芯11装入熔化净化罐1，使用所述端盖二密封。打开加热棒22，打开管道一4、管道二7、管道三8的加热保温系统，将整个熔化净化罐1和相关管道温度调至冷却剂熔点加30℃以上，最高不超过350℃，关闭阀门二71，关闭阀门一41，打开阀门三81，主回路5中的液态金属冷却剂经管道三8进入熔化净化罐1，打开油冷系统，对进入熔化净化罐1的液态金属冷却剂进行降温，相对主回路5中液态金属的温度，最低温度降低50℃以上，溶解腐蚀杂质在液态金属冷却剂中过饱和析出，经滤芯11净化后，再经磁体套筒17磁吸附净化后，调节阀门一41开度，根据流量计42读数控制流量，经管道一4流进储藏罐3，完成一次冷阱和磁阱净化。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。