球形燃料元件连续低温炭化设备简述_陈文岩.pdf

Total No 280December 2022冶金设备METALLURGICAL EQUIPMENT总第 280 期2022 年 12 月第 6 期球形燃料元件连续低温炭化设备简述陈文岩1张宇1周湘文2刘兵2(1:中核北方核燃料元件有限公司内蒙古包头 014035;2:清华大学核能与新能源技术研究院北京 100084)摘要低温炭化是将压制球坯处于氩气气氛内缓慢升温，将基体石墨中的酚醛树脂等有机物裂解转化为具有较高机械强度的树脂炭，消除球形燃料元件压制过程中造成的内应力，初步加强球形燃料元件强度。本文研究设计了低温炭化设备的主要结构和功能参数，利用 ABAQUS 软件进行球形燃料元件温度的模拟计算。关键词球形燃料元件低温炭化ABAQUS 软件中图法分类号TG307TG155文献标识码ADoi:10.3969/j.issn.1001 1269.2022.06.002Brief Introduction of Continuous Low Temperature CarbonizationEquipment for Spherical Fuel ComponentsChen Wenyan1Zhang Yu1Zhou Xiangwen2Liu Bing2(1:China North Nuclear Fuel Co，Ltd，Baotou 014035;2:Institute of Nuclear and New Energy Technology，Tsinghua University，Beijing 100084)ABSTRACTLow temperature carbonization is the slow heating of pressed billet in argon atmosphere，thecracking of organic matter such as phenolic resin in matrix graphite into resin carbon with high mechanical strengthEliminate the internal stress caused by the pressing process of spherical fuel element and initially strengthen thestrength of spherical fuel element The ABAQUS software is used to simulate the temperature of spherical fuelelementKEYWORDSSpherical fuel elementLow temperature carbonizationABAQUS software1前言低温炭化是将压制球坯处于氩气气氛内缓慢升温，将基体石墨中的酚醛树脂等有机物裂解转化为具有较高机械强度的树脂炭，消除球形燃料元件压制过程中造成的内应力，初步加强球形燃料元件强度。在此过程中，有机物(气体、液体或固体)在隔绝空气且加热的条件下，从烃类化合物中生成炭保留下来，氢和其它元素通过受热分解被排除逸出1 3。连续低温炭化炉是在现有生产线批次炉基础上，实现连续进出物料，其控制系统配有装料卸料推动系统、供气系统、炉压自动调节系统、冷却系统、尾气加热系统、连锁报警系统、电气控制系统等。2主要结构连续低温炭化炉用于连续炭化压制完成的球01基金项目:国家科技重大专项“大型先进压水堆及高温气冷堆核电站专项”:高温堆燃料元件生产关键工艺和技术优化研究(2017ZX06901025)作者简介:陈文岩，男，1990 年生，硕士，工程师，现主要从事核燃料元件制造工作，邮箱:953010398 qq com坯，其示意图如图 1 所示。设备主要由 1)进料室、2)气氛保护加热炉、3)横移过渡室、4)水冷套机构、5)出料室、6)料车返回装置、7)推车机构、8)气氛保护装置、9)尾气处理装置、10)电控系统等组成。图 1连续低温炭化炉示意图3功能(1)连续低温炭化炉采用合理炉型和驱动方式，保证压制球坯热处理过程连续;采用推车结构，保证料车运行稳定、可靠。料车驱动采用推杆推动和销齿驱动相结合方式，保证运行可靠。在推车过程中，料车可以连续慢速前进，延缓炉内温度改变对球坯的影响。(2)针对压制球坯的加热，进行模拟计算，优化加热室设计。压制球坯放置于多层料盘中进行加热，采用软件对压制球坯温度均匀性进行模拟计算，分别计算自然对流、强制对流情况下球坯温度分布。低温(不大于 400)情况下，球坯断面温度差大于 10，低温阶段采用循环风机来保证球坯均匀升温，从而保证球坯顺利将酚醛树脂释放，保证加热质量。(3)针对炉内氩气流动情况，进行模拟计算，优化进气、排气口设计。由于加热室炉内有酚醛树脂分解，为防止酚醛树脂进入炉底和加热室相邻的区域，采用软件模拟计算，在加热室装出料炉门、炉侧和小车侧面结合处通入氩气，强制酚醛树脂分解产物进入加热室炉膛以外区域。同时在炉顶适当位置设置排气口，保证炉内气体顺利排出。(4)采用蓄热式氧化炉对炭化过程产生的尾气进行处理，转化率达 90%以上。单纯采用电加热来提高尾气氧化室的温度，氧化效果很差，尾气的氧化率较低。根据工程案例经验，并结合试验室试验，采用蓄热式催化氧化法，蓄热室保证了尾气转化的温度，缩短氧化时间，转化效率可达90%，同时降低了尾气的温度。(5)连续低温炭化设备具备自动、智能、全面一体化控制功能，控制界面如图 2 所示。实现数据管理和事件记录和管理，同时 L2 系统能够和装料、出料设备通讯，提高生产效率和自动化水平。图 2连续低温炭化炉的控制面板4验证通过冷炉启动和正常生产时各段热平衡计算，并与各加热保温段配置功率进行对比，如表 1和表 2 所示。从表中可以看出配置电加热功率满足工艺要求。表 1冷炉起动功率消耗名称单位段 1-2段 3-5段 6-8段 9-11 段 12-14段 15段 16段 17段 18段 19合计配置功率kW21 024 018 018 024 024 024 030 030 024 0240总消耗热量 kW20 120 519 018 422 522 723 225 326 117 5215 3功率占用率%95 597 590 587 493 994 696 784 387 172 989 7表 2正常连续生产功率消耗名称单位段 1-2段 3-5段 6-8段 9-11 段 12-14段 15段 16段 17段 18段 19合计配置功率kW24 024 018 018 024 024 024 030 030 024 0240总消耗热量 kW14 415 411 69 914 915 316 717 319 611 3147功率占用率%68 773 455 446 962 063 969 657 865 446 968 711陈文岩等:球形燃料元件连续低温炭化设备简述2022 年 12 月第 6 期5技术参数低温炭化炉的技术参数见表 3。表 3低温炭化炉的技术参数项目主要参数处理物料压制球坯(62 67 椭球)处理前尺寸62mm 67mm 椭球处理前重量252g 275g生产能力280 球/h(6720 球/天)工艺时长41h型式连续、卧式、推车、程控、马弗热处理炉，可连续进出物料。炉温最高温度 950;额定工作温度 800炉温精度1温度均匀性均匀区 10。(升温阶段和保温阶段截面宽度方向，加热过程要求可控)炉压控制保护气体采用恒流量方式通入炉内，炉内压力应自动调节保持在高于当地大气压 4 8kPa(本地大气压约为88kPa)工作气氛氩气，实际使用氩气流量约 15m3/h(015m3/h 可调)球坯表面温度60设备外表面温度60推车速度每 1h 进出一车，推车速度可调推车尺寸600mm(L)500mm(W)710mm(H)料车数量炉内 42 车(含装出料室 1 车)，炉外1 车占地尺寸要求22m(L)5m(W)5m(H)占地实际尺寸21 96m(L)4 96m(W)4 9m(H)其它要求炉体采用可便捷拆解多段式结构，方便检 维 修;设 备 表 面 温 度 不 超过 60。6过程模拟分析低温炭化是将压制球坯处于氩气气氛内缓慢升温，将酚醛树脂裂解转化为具有较高机械强度的树脂炭，消除压制过程中造成的内应力，初步加强球形燃料元件强度。炭化过程主要分为三个阶段。第一阶段:预热阶段，温度(球坯本身实际温度)为室温 200，酚醛树脂开始软化，球坯体积略有膨胀;第二阶段:缩水阶段，200 400，球坯通过脱氢缩聚和脱水反应而放出 H2O 和 CO2等气体;第三阶段:成焦阶段，400 800，酚醛树脂进行大量的分解、聚合、环化和芳构化反应，释放出 H2O、CO、CO2、C6H5OH、C6H6、H2等气体，使酚醛树脂基本上转变为树脂炭。61炉温制度的验证为保证压制球坯温升满足工艺要求，模拟炉内球坯的数学模型，建立炉温和球坯(表面球温)的关系曲线如图 3 所示。图 3炉温和球坯温度关系曲线62料盘加热升温模型在 ABAQUS 建立料盘加热升温三维模型(1/4 实体)如图 4 所示。图 4料盘三维模型63计算分析结果在自然对流的情况下，料盘外层球坯和中心球坯温度升温曲线，如图 5 所示。图 5自然对流升温曲线212022 年 12 月第 6 期总第 280 期冶金设备在强制对流下，外层球坯和中心球坯的温度升温曲线，如图 6 所示。图 6强制对流升温曲线通过模拟分析计算得出，在自然对流情况下，外层球坯和中心区域球坯的 温 差 为 80 100;在强制对流下，外层球坯和中心区域球的温差为 10 15，且低温时温差大于高温时温差。因此，采用强制对流换热是很有必要的。在进行出炉温度验证时，离开保温段温度为800，冷却时间 9h，出炉时球坯断面温度分布如图 7 所示。图 7球坯断面温度图为保证加热段炉温均匀性，采取下列措施:(1)炉内加热分段控制，保证炉温精确控制，从而保证温度均匀性;(2)炉内顶部设置循环风机，保证气体在炉内均匀快速流动，保证料盘外部球坯和中间球坯得到充分换热;(3)料盘侧面和底部开有小孔，保证炉内气体均匀通过;(4)料盘底部和侧墙有导流装置，保证气流分布均匀;(5)保护气体加热后，从料车侧面通入炉内;(6)料车侧面双层密封，密封效果良好。7结论(1)球形燃料元件连续低温炭化设备在冷炉启动和正常工作时的总消耗热量分别为 215 3kW和 147kW，功率占用率为 89 7%和 68 7%，配置电加热功率满足工艺要求。(2)自然对流和强制对流情况下，外层球坯和中心区域球坯的温差分别为 80 100 和10 15，采用强制对流换热能更好的实现低温炭化工艺。(3)炉内加热实行分段控制、提高炉内气流流速和分布的均匀性、增强炉体的密封性可保证加热段炉温的均匀性。参考文献 1 宋飞飞，刘马林，牛小平，等 低温炭化装置研制J 工业加热，2020，49(08):9 11+19 2 刘博，张宇，于文杰，等 连续低温炭化炉流场数值模拟 J 冶金设备，2020(06):18 20+14 3 宋飞飞，刘逸波，田久程，等 基于 SolidWorks 的碳/碳复合料盘设计研究C 中国核科学技术进展报告(第六卷)中国核学会 2019 年学术年会论文集第5 册，2019:14 19 4 谢林峰，赵刚，牛小平，等 基于 Abaqus 对27SiMn 管坯环形炉加热制度的优化J 热加工工艺，2013，42(11):81 84 5 王昊杰，李勇，王昭东，等 真空渗碳炉加热室温度场数值模拟与分析 J 热加工工艺 2016，45(24):172176+180 6 王先飞，王征远，杨钦，等 基于模拟仿真的铝合金铸件热处理过程温度均匀性控制 J 特种铸造及有色合金，2021，41(03):378 382 7 刘静，李家栋，王昊杰，等 真空渗碳炉加热系统结构优化数值模拟研究 J 东北大学学报(自然科学版)2019，40(05)