способ плавки веществ повышенной огнеупорности

Формула изобретения

Способ плавки веществ повышенной огнеупорности, включающий контролируемый подвод электрической мощности, индукционную плавку шихты в тигле, измерение тепловых потоков, отводимых от расплава, и температуры расплава, отличающийся тем, что после достижения температуры плавления задают два стационарных дискретных значения подводимой мощности, превышающих уровень мощности, соответствующий образованию расплава, измерение тепловых потоков, отводимых от расплава, производят для двух указанных дискретных значений подводимой мощности, при этом тепловые потоки измеряют отдельно для боковой и торцевых частей тигля, а температуру расплава контролируют непрерывно в диапазоне изменения подводимой мощности между дискретными значениями.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к способам индукционной тигельной плавки шихты с произвольным содержанием огнеупорных материалов, обладающих радиоактивностью и химической агрессивностью.

Известны способы индукционной тигельной плавки веществ, включающие подведение электрической мощности, индукционное расплавление шихты и контроль температуры расплава (см. например, А.М. Вайнберг, Индукционные плавильные печи, М. Энергия, 1967 г. с. 158,159).

К недостаткам известных способов следует отнести отсутствие в процессе плавки информации о поведении расплава, позволяющей получать вещества с заданными свойствами.

Наиболее близким к предложению по технической сущности является способ плавки, реализованный в индукционной тигельной печи (см. например, а.с. СССР N 1814197 по кл. H 05 B 6/24 за 1990) и включающий контроль подводимой электрической мощности, индукционную плавку шихты, измерение тепловых потоков, отводимых от расплава, и температуры расплава.

Недостатком описанного способа является невозможность определения теплофизических свойств расплава огнеупорной шихты, знание которых может быть использовано при оценке состояния корпусов ядерных реакторов в условиях "тяжелой" аварии.

Задачей изобретения является устранение перечисленных недостатков и определение теплофизических свойств расплава веществ повышенной огнеупорности.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе, включающем контролируемый подвод электрической мощности, индукционную плавку шихты в тигле, измерение тепловых потоков, отводимых от расплава, и температуры расплава, после достижения температуры плавления задают два стационарных уровня подводимой мощности, превышающих уровень мощности, соответствующий образованию расплава, измерение тепловых потоков, отводимых от расплава, производят для двух указанных дискретных значений подводимой мощности, при этом тепловые потоки измеряют отдельно для боковой и торцевых частей тигля, а температуру расплава контролируют непрерывно в диапазоне изменения подводимой мощности между двумя дискретными значениями.

Решение поставленной задачи действительно возможно, т.к. введение двух дискретных уровней подводимой мощности и измерение стационарных температур и тепловых потоков, отводимых от расплава, позволяют определить поведение расплава между двумя уровнями подводимой мощности и получить исходные данные для решения обратной задачи свободной конвекции, связывающей поведение расплава с его теплофизическими свойствами, такими как коэффициент теплопроводности, коэффициент термического расширения, теплоемкость и т.п.

Последовательность операций по предлагаемому способу может быть проиллюстрирована примером плавки шихты, содержащей в произвольном соотношении UO₂, ZrO₂ и др.

Измельченную шихту известной массы размещают в изотермическом тигле известного объема и начинают контролируемый подвод электрической мощности к индуктору, окружающему тигель.

По достижении температуры плавления, например, 2000^oC фиксируют расплавление шихты, пирометром измеряют температуру на поверхности расплава и определяют тепловые потоки с боковой и торцевых поверхностей тигля, например, по изменению температуры и расхода воды, охлаждающей эти поверхности.

Затем дискретно увеличивают подводимую мощность до стационарного уровня, соответствующего температуре расплава, например 2100^oC, производят описанные измерения, после чего повышают температуру расплава с непрерывным контролем температуры на поверхности расплава, например, до 2150^oC и повторяют измерения.

В результате измеренные температуры и тепловые потоки являются исходными данными для решения обратной задачи свободной конвекции, при этом решением обратной задачи стационарной конвекции определяются значения Ra и (число Релея и коэффициент теплопроводности), при которых минимизируется невязка измеренных и расчетных значений распределений тепловых потоков и температуры. Затем решением обратной задачи нестационарной свободной конвекции определяются значения Gr и n (число Грасгофа и кинематическая вязкость), при которых минимизируется невязка изменения во времени измеренного и расчетного значения температуры.

Остальные теплофизические свойства определяются следующим образом:



где Pr число Прандтля;

C теплоемкость; r плотность расплава, определяемая по известной массе шихты и объему тигля.

Откуда

.

Коэффициент объемного расширения определяется выражением

,

где g ускорение силы тяжести;

L характерный размер тигля;

интегральный тепловой поток,

где V объем тигля;

q_i локальный тепловой поток;

S_i локальная поверхность.

Таким образом, реализация предлагаемого способа позволяет за одну плавку получить комплекс теплофизических свойств расплава огнеупорной шихты с произвольным содержанием входящих компонентов.