尤亚飞

摘 要：通过对高温氢气炉结构和性能指标分析。在侧屏蔽屏层、上下屏蔽层等屏蔽辐射热损失热量、水冷电极传导热损失、热短路损失、其它热损失、加热氢气所需热量，加热料盘和料架所需热量、侧屏蔽层及加热体的热耗、上下屏蔽层热耗、加热样品需要热量、对流热损失、结构蓄热量等一系列计算的基础上，建立了热平衡方程。计算结果表名設备功率及加热体寿命设计合理，但屏蔽层变形严重。通过试验适当增加各屏蔽层厚度，减少屏蔽层间距等措施，基本消除了屏蔽层变形。

关键词：高温氢气炉 热工计算 屏蔽层

中图分类号：TK175 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（a）-0218-02

UO2芯块热稳定性试验用01WF8型高温氢气炉（简称高温氢气炉）由核工业第五设计研究院设计，功率为30 kW，工作温度1730 ℃，它通过辐射屏蔽达到隔热目的，也称屏蔽炉。由于钼的抗辐射性能极好，同时在任何温度时，纯氢作为烧结气氛对钼是惰性的，因此高温氢气炉屏蔽层和加热体均采用钼作为屏蔽和加热材料。高温炉的屏蔽层和加热体是十分重要的部件，它的设计与计算关系到设备功率的合理确定、加热体的寿命及各屏蔽层的耐温状况，从而影响到功率设计是否过剩、各屏蔽层的变形和寿命等。该设备自投入生产使用以来，存在变形严重，使用寿命短等问题。

结合该设备的实际运行情况，通过对屏蔽层和加热体的热工计算来探讨和解决发现的问题，从而保证设备的稳定运行和试验结果的可靠性。

1 设备结构及技术指标

01WF8型高温氢气炉该设备由侧屏蔽层、上屏蔽层、下屏蔽层、加热体、电极（3个）、料架、炉壳及电器系统组成。其中侧屏蔽层、上屏蔽层、下屏蔽层均为高温钼材和不锈钢组成，加热体为钼材，炉壳为不锈钢，电极为紫铜。

该设备设计时采用低电压大电流，设备工作时保护气氛为氢气。电极和加热体连在一起，电流通过电极使加热体发热，热量通过侧屏蔽层、上屏蔽层、下屏蔽层的反射和传导以及气体流动的对流发生热交换，保证炉膛温度，同时使用冷却水对炉壳和电极进行冷却，保证设备的正常运行。

高温氢气炉采用的屏蔽材料及层数是根据其结构、炉膛温度、电炉功率等参数确定的。本设备确定的侧、上、下屏蔽层均采用十层反射层。内三层采用高温钼材，中间四层为普通钼材。外三层反射屏采用不锈钢片制作。

侧屏蔽层采用十层反射层，每层皆为圆筒形，内侧反射屏直径为180 mm，外侧反射屏直径为270 mm。上下屏蔽层采用相同设计，每层为圆片状。加热体采用高温钼电加热体，把高温钼做成三相圆筒形片状。它由三片0.5 mm厚的高温钼片围成筒状，电热体由上部三个导电极引入。

2 热工计算

本次热工计算主要包括：屏蔽层辐射热损失Q屏蔽、水冷电极传导Q电极、热损失热短路损失Q短路、其它热损失Q其它、加热氢气所需热量Q氢、结构蓄热量Q蓄、加热样品需要的热量Q样、对流热损失Q对流。

2.1 屏蔽层辐射热损失Q屏蔽的计算

进行屏蔽辐射热损失的计算，是确定炉子功率的必要条件，也可用于各屏蔽层温度计算。用以确定各屏蔽层的材料，以免实际炉温超过屏蔽材料最高承受温。

首先对侧屏蔽层各层温度进行假设，包括热源和炉壳，若计算温度与假定温度的最大误差为小于5%，则假定温度成立。经计算，侧屏蔽层的计算温度与假定温度的最大误差为3.22%，因此假定温度成立。

3.4 屏蔽层

由理论计算可知，屏蔽层第8、9层温度都低于900 ℃，选不锈钢作为屏蔽材料是正确的，既可以节省贵重钼材，也可以增加屏蔽层强度。但侧面屏蔽层的第8、9层、上下屏蔽层的第8、9层变形严重，这主要是由于不锈钢选材偏薄造成。如果将1～7层钼片厚度改为0.5 mm，第8、9层不锈钢厚度改为1.0 mm，减小层间距，保持屏蔽层整体安装尺寸不变，屏蔽层变形的状况应可以得到极大改善。

3.4.1 变形情况

该屏蔽层易变形，使用寿命短，上下屏蔽层平均每年必须更换一次。

3.4.2 材质分析

对不锈钢材质进行溶解后光谱分析其化学成分，结果如表2。

根据分析结果，可以认为屏蔽层所用不锈钢的材质与设计要求是一致的，为：0Cr18Ni9。

3.4.3 设计温度

通过理论计算和实际测量，屏蔽层不锈钢层温度相差不大，说明其屏蔽层温度设计与分布是合理的。

3.4.4 材质选择

承受870 ℃以下的反复加热不锈钢的材质选择0Cr18Ni9，它的熔点是：由理论计算和实际测量可知，屏蔽层第8、9层温度都低于900 ℃，第8～10层选0Cr18Ni9不锈钢作为屏蔽材料是正确的，还可节省贵重钼材。

3.4.5 屏蔽层强度

由前面可以推测，不锈钢层变形严重主要是由于不锈钢选材偏薄造成，不排除热处理方式等其它原因，但可以尝试在保持屏蔽层总厚度不变情况下，通过减小层间距，将钼片厚度和不锈钢厚度适当加厚，增加其强度，来改善屏蔽层变形情况。

3.4.6 改进措施

考虑到屏蔽层的变形，在材质保持不变的基础上，经过试验，对屏蔽层的结构设计图纸做了修改，见表3。

在炉温1730 ℃运行时，其累计运行时间已超过1500 h，且加热体变形不大，由此可见做为加热体，其设计是合理的。

4 结语

（1）该设备功率设计过剩，通过理论计算和应用情况，设备设计功率23 kW即可满足使用要求。（2）该设备屏蔽层选材偏薄，导致部分反射层变形严重，通过增加反射层厚度和减小层间距，既可以保持整体安装，也可以延长反射层的使用寿命，可有效降低生产使用成本和维修次数。（3）该设备的加热体设计合理，在实际有效使用期内，其变形量可以接受，实际使用寿命和设计寿命基本吻合。

参考文献

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