一种大型Bi-2212超导线圈热处理炉系统及其控压方法技术方案

本发明专利技术公开了一种大型Bi‑2212超导线圈热处理炉系统及其控压方法，包括有耐压炉壳、耐压炉盖、隔热层、加热室、均温辐射屏、气体管路和安全装置等。满足Bi‑2212超导线圈热处理高温、高压的系统设计要求。热处理炉内均温辐射屏的设计一方面提高了超导线圈热处理温度均匀性，另一方面保证了超导线圈的清洁度。该控压方法包括以下几个阶段：耐压炉壳内气体置换；均温辐射屏内气体置换；同步增压和气体微进微排阶段。本发明专利技术优点在于，系统采用本质安全化设计，安全可靠性高、性价比高。本系统适用于处理外径0.1‑3m，高0.1‑3m的大型Bi‑2212超导线圈。可以有效的对超导线圈热处理温度进行控制，超导线圈温度均匀度可达±5℃，提高Bi‑2212超导线圈的超导性能。

A large-scale Bi-2212 superconducting coil heat treatment furnace system and its pressure control method

【技术实现步骤摘要】
一种大型Bi-2212超导线圈热处理炉系统及其控压方法
本专利技术涉及大型Bi-2212超导线圈热处理
，尤其涉及一种大型Bi-2212超导线圈热处理炉系统及其控压方法。
技术介绍
随着技术和研究的发展，对磁场强度的要求也随之提高，如大型加速器磁体，聚变装置磁体等都需要提供超高的背景磁场。低温超导体Nb3Sn和NbTi等受其上临界场(Hc2)的限制，已经逐渐无法满足需求。因此，具有高临界场的高温超导材料才可以满足未来高场磁体发展的需求。Bi-2212高温超导材料临界温度为85K，其4.2K上临界磁场为100T具有优异的磁场载流性能，是大型超强磁场磁体的首选材料之一。Bi-2212是目前高温超导材料当中唯一可制备成各向同性圆线的材料，可以绞制成大电流的铠装管内电缆导体(CICC)。Bi-2212超导线圈在绕制成型后，需要经过一定的热处理从而生成Bi-2212超导相。热处理是Bi-2212超导线圈制造的关键技术，热处理的好坏将直接决定未来线圈的超导性能。Bi-2212超导线圈热处理需要解决以下两个关键技术问题。1、热处理温度及温度均匀性的问题。Bi-2212热处理制度为：从室温以160℃/h升至830℃，在830℃保温2h，从830℃以50℃/h升至888℃，在888℃保温0.5h，从888℃以10℃/h降至878℃，从878℃以2.5℃/h降至840℃，在840℃保温48h，之后以80℃/h的降温速率降至室温。热处理过程中Bi-2212超导线圈温度均匀性在±5℃以内。2、解决热处理炉内氧氩混合气的高压问题。Bi-2212超导线圈热处理过程中需要持续通入的氧氩混合气，氧气的比例在2％-3.4％之间，炉内压力维持在3-5Mpa之间。目前，在国内完全不存在如此大型的用于Bi-2212材料热处理的热处理炉，克服的难点主要有以下几个方面：(1)热处理炉需要承受高温、高压、富氧环境；(2)热处理炉建造选材与加工需要充分考虑安全和可靠性因素；(3)热处理过程中的设备及工艺控制存在复杂性。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术针对Bi-2212线圈首次设计的大型热处理系统，采用内热式热处理炉思路进行系统设计同时利用压力平衡的原理使得加热室内部不承压，保证了系统的安全性和材料热处理工艺的有效性。本专利技术的热处理系统为内热式加热炉，满足Bi-2212线圈热处理高温、高压的技术要求。热处理炉内均温辐射屏的设计一方面提高了超导线圈热处理温度均匀性，另一方面保证了超导线圈的清洁度，是一种高精度、高有效性、高可靠性的气氛供给和控压方法。本专利技术提出一种大型Bi-2212超导线圈热处理炉系统，包括：压炉壳、耐压炉盖、隔热层、加热室、均温辐射屏、均压管道、支撑工作台、液氩罐、氧氩混合气罐、气体管路和安全装置；在所述的耐压炉壳上设有气体管路预留口、冷却装置和热电偶预留口，所述的耐压炉盖上方设有吊环，耐压炉盖下方设有多组加强筋与上隔热层相连；所述的隔热层为夹层式结构，由不锈钢外屏、钼制内屏和夹在中间的隔热纤维组成，隔热层位于耐压炉壳内，隔热层厚度在100-250mm之间；所述的加热室包括固定在隔热层内屏上的加热带，所述均温辐射屏位于加热室内，由高温合金钢制成；均温辐射屏位于支撑工作台上方，均温辐射屏上预留气体管路进出口，Bi-2212超导线圈位于均温辐射屏内，所述的均压管道位于隔热层内，使加热室与隔热层外的耐压炉壳相通，使得隔热层内外的气压保持一致，所述的支撑工作台固定在耐压炉壳底部，穿过隔热层，是用于放置超导线圈的加热工作台，所述的氧氩混合气罐用于提供3-5Mpa的压力，其后依次设有第一截止阀、第一减压器、第一流量计，与气体管路进行螺纹连接；所述的液氩罐提供3-6Mpa的压力，其后依次设有第二截止阀、第二减压器、第二流量计、第三截止阀，与气体管路进行螺纹连接，所述的气体管路与耐压炉壳相连部位均有冷却装置，所述气体管路分为均温辐射屏进气管路、均温辐射屏出气管路、耐压炉壳进气管路和耐压炉壳出气管路，所述气体管路连接有安全装置，所述安全装置包括第一安全阀、第二安全阀、爆破片，第一压力表、第二压力表和控制装置。进一步的，所述的耐压炉壳为圆柱形不锈钢罐体，罐体厚度为5-30mm，圆盘底座直径为4-8m，高度为4-9m，利用焊接方式将耐压炉壳与预留管路进行密封。进一步的，所述的耐压炉盖为拱形设计，耐压炉盖采用不锈钢材料，厚度为10-30mm，耐压炉盖位于耐压炉壳上方，采用焊接方式进行密封连接。进一步的，所述的加热室，总功率为100-300KW，加热带采用钼材料制成，加热带与隔热层内屏之间的距离为50-150mm，每个加热区均设有备用加热带。进一步的，在所述均温辐射屏按照Bi-2212超导线圈的尺寸进行设计并与加热带间距为50-200mm，同时能够承受1MPa的压力。进一步的，在所述均压管道的孔直径为100-1500mm，壁厚为5-20mm，气体进出管路分别位于均压管道内。进一步的，在所述气体管路的孔直径为20-100mm，壁厚为2-10mm，均温辐射屏出气管路设有第三减压器和第一氧含量分析仪，耐压炉壳出气管路设有第四减压器和第二氧含量分析仪。进一步的，均温辐射屏出气管路和耐压炉壳出气管路连接，均温辐射屏出气管路设有第一安全阀、耐压炉壳出气管路设有第二安全阀，装有爆破片的管路桥接在两条出气管路之间；进一步的，所述安全阀额定工作压力为5.5MPa，爆破片额定工作压差为1Mpa。根据本专利技术的另一个方面，还提出一种大型Bi-2212超导线圈热处理炉系统的控压方法，具体包括如下步骤：步骤一、耐压炉壳内气体置换，将氩气进气管路的第二截止阀打开，第二减压器打开，排空耐压炉壳内的空气，监测耐压炉壳内压力，调节出气管路第四减压器，使耐压炉壳内压力维持在1Mpa以内；步骤二、均温辐射屏内气体置换，将氧氩混合气进气管路的第一截止阀打开，第一减压器打开，排空均温辐射屏内的空气，监测均温辐射屏内压力，调节出气管路第三减压器，耐压炉壳内气体置换和均温辐射屏内气体置换两者是同步进行，分别调节氧氩混合气管路进气流量与氩气管路进气流量使得均温辐射屏内压力与耐压炉壳内压力保持同步；步骤三、利用第二氧分析仪监测耐压炉壳内气体氧含量，待耐压炉壳气体氧含量低于10ppm，利用第一氧分析仪监测耐均温辐射屏内气体氧含量，待均温辐射屏内气体氧含量与氧氩混合气的氧含量保持一致时，停止气体置换；步骤四、炉内同步增压，调节耐压炉壳排气管路的第四减压器和均温辐射屏排气管路的第三减压器，使得均温辐射屏内压力与耐压炉壳内压力保持同步增高，当两个压力同时达到5Mpa时，增压结束；步骤五、气体微进微排，调节均温辐射屏与耐压炉壳进气管路的进气流量，使均温辐射屏与耐压炉壳内的气体微进微排，且压力保持同步，之后升温。本专利技术的优点是：(1)采用内热式热处理炉设计，将耐压炉壳作为承压部件，采用压力平衡的方法保证炉内部件不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型Bi-2212超导线圈热处理炉系统，其特征在于，包括：/n压炉壳、耐压炉盖、隔热层、加热室、均温辐射屏、均压管道、支撑工作台、液氩罐、氧氩混合气罐、气体管路和安全装置；/n在所述的耐压炉壳上设有气体管路预留口、冷却装置和热电偶预留口，所述的耐压炉盖上方设有吊环，耐压炉盖下方设有多组加强筋与上隔热层相连；/n所述的隔热层为夹层式结构，由不锈钢外屏、钼制内屏和夹在中间的隔热纤维组成，隔热层位于耐压炉壳内，隔热层厚度在100-250mm之间；/n所述的加热室包括固定在隔热层内屏上的加热带，所述均温辐射屏位于加热室内，由高温合金钢制成；均温辐射屏位于支撑工作台上方，均温辐射屏上预留气体管路进出口，Bi-2212超导线圈位于均温辐射屏内，所述的均压管道位于隔热层内，使加热室与隔热层外的耐压炉壳相通，使得隔热层内外的气压保持一致，所述的支撑工作台固定在耐压炉壳底部，穿过隔热层，是用于放置超导线圈的加热工作台，所述的氧氩混合气罐用于提供3-5Mpa的压力，其后依次设有第一截止阀、第一减压器、第一流量计，与气体管路进行螺纹连接；所述的液氩罐提供3-6Mpa的压力，其后依次设有第二截止阀、第二减压器、第二流量计、第三截止阀，与气体管路进行螺纹连接，所述的气体管路与耐压炉壳相连部位均有冷却装置，所述气体管路分为均温辐射屏进气管路、均温辐射屏出气管路、耐压炉壳进气管路和耐压炉壳出气管路，所述气体管路连接有安全装置，所述安全装置包括第一安全阀、第二安全阀、爆破片，第一压力表、第二压力表和控制装置。/n...

【技术特征摘要】
1.一种大型Bi-2212超导线圈热处理炉系统，其特征在于，包括：
压炉壳、耐压炉盖、隔热层、加热室、均温辐射屏、均压管道、支撑工作台、液氩罐、氧氩混合气罐、气体管路和安全装置；
在所述的耐压炉壳上设有气体管路预留口、冷却装置和热电偶预留口，所述的耐压炉盖上方设有吊环，耐压炉盖下方设有多组加强筋与上隔热层相连；
所述的隔热层为夹层式结构，由不锈钢外屏、钼制内屏和夹在中间的隔热纤维组成，隔热层位于耐压炉壳内，隔热层厚度在100-250mm之间；
所述的加热室包括固定在隔热层内屏上的加热带，所述均温辐射屏位于加热室内，由高温合金钢制成；均温辐射屏位于支撑工作台上方，均温辐射屏上预留气体管路进出口，Bi-2212超导线圈位于均温辐射屏内，所述的均压管道位于隔热层内，使加热室与隔热层外的耐压炉壳相通，使得隔热层内外的气压保持一致，所述的支撑工作台固定在耐压炉壳底部，穿过隔热层，是用于放置超导线圈的加热工作台，所述的氧氩混合气罐用于提供3-5Mpa的压力，其后依次设有第一截止阀、第一减压器、第一流量计，与气体管路进行螺纹连接；所述的液氩罐提供3-6Mpa的压力，其后依次设有第二截止阀、第二减压器、第二流量计、第三截止阀，与气体管路进行螺纹连接，所述的气体管路与耐压炉壳相连部位均有冷却装置，所述气体管路分为均温辐射屏进气管路、均温辐射屏出气管路、耐压炉壳进气管路和耐压炉壳出气管路，所述气体管路连接有安全装置，所述安全装置包括第一安全阀、第二安全阀、爆破片，第一压力表、第二压力表和控制装置。


2.根据权利要求1所述的一种大型Bi-2212超导线圈热处理炉系统，其特征在于：
所述的耐压炉壳为圆柱形不锈钢罐体，罐体厚度为5-30mm，圆盘底座直径为4-8m，高度为4-9m，利用焊接方式将耐压炉壳与预留管路进行密封。


3.根据权利要求1所述的一种大型Bi-2212超导线圈热处理炉系统，其特征在于：所述的耐压炉盖为拱形设计，耐压炉盖采用不锈钢材料，厚度为10-30mm，耐压炉盖位于耐压炉壳上方，采用焊接方式进行密封连接。


4.根据权利要求1所述的一种大型Bi-2212超导线圈热处理炉系统，其特征在于：所述的加热室，总功率为100-300KW，加热带采用钼材料制成，加热带与隔热层内屏之间的距离为50-150mm，每个加热区均设有备用加热带。


5.根据权利要求1所述的一种大型Bi-2212超导线圈热处理炉系统，其特征在于：在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王维俊，于敏，杨东昇，秦经刚，陈俊凌，武玉，李建刚，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34