水与熔融金属相互作用动态过程可视化实验装置

技术领域

本发明涉及水与熔融金属相互作用实验并对实验过程进行同步观测技术领域， 具体是一种水与熔融金属相互作用动态过程可视化实验装置。

背景技术

高温难挥发性熔融物与低温易挥发性冷却剂相互作用产生爆炸破坏的现象可 能发生在核反应堆严重堆芯熔化事故中、也可能发生在冶金工业炼钢炉事故中。由 于熔融物与冷却剂相互作用可能引起巨大的经济损失和环境破坏，所以这一复杂的 物理现象是目前国际上安全研究领域里的一个重要研究对象。

通过水注入熔融金属的相互作用可视化实验，有助于对其相互作用发生机理和 反应过程进行更深入的研究。但是由于熔融金属的不透明性，以往的实验装置往往 只能观测到熔融金属液面以上的相互作用过程。本装置在水与熔融金属相互作用过 程中，可以同时对不透明的熔融金属液位上方与液位下方的反应过程进行观测，并 可根据实验需求调整和保持水与熔融金属温度，控制水注入量，改变水注入速率， 有助于对水与熔融金属相互作用类型和发生机理进行研究。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种水与熔融金属相互作用动态 过程可视化实验装置。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种水与熔融金属相互作用动态过程可视化实验装置，包括加热水箱、注水管以 及反应容器，其中：

-加热水箱，用于实验用水的存储以及保持所需温度；

-注水管，设置在加热水箱下端，并与加热水箱连接为一整体；用于引导水注 入反应容器，同时，用于调节水注入量和调整注入连续水柱或单个水滴的直径；

-反应容器，设置在注水管的下方，用于盛储熔融金属并对其加热；

所述反应容器包括反应容器基座及加热板，所述加热板设置在反应容器基座的 内部，所述反应容器基座上设有反应过程可视窗。

所述反应容器基座的侧内壁开有若干温度检测孔；所述反应容器基座的侧外 壁，顺着每个温度检测孔焊接有空心导管，所述空心导管与温度检测孔形成贯穿的 通道；所述反应容器基座上与注水管相对应处设有反应容器注入口。

所述温度检测孔内设有铠装热电偶，熔融金属在所述空心导管内逐渐冷却凝 固，自动形成密封。

所述空心导管长度为10cm至15cm。

所述反应过程可视窗前端设有玻璃盖板，所述玻璃盖板与反应容器基座固定连 接，玻璃盖板与反应过程可视窗之间加装有石墨垫片。

所述反应过程可视窗为石英玻璃材料，所述石英玻璃材料由15mm厚的石英玻璃 板在900℃经过退火处理得到。

所述反应容器基座的后部为加热板盖板，反应容器基座内部形成腔体，加热板 位于该腔体中；所述加热板与反应容器基座之间的缝隙内填充有导热胶。导热胶确保 加热板向熔融金属传热良好。

所述加热板采用电加热，其加热功率可调节。

所述加热水箱顶盖处设有注水口，所述加热水箱的侧内壁设有温度检测孔，所 述温度检测孔内设有热电偶，所述热电偶采用密封胶密封在温度检测孔内；所述加 热水箱内设有加热装置，所述加热装置为加热装置，并连接在水箱侧壁面；所述加 热装置功率可调节。所述注水口用于向水箱注水，同时保持水箱与大气相通维持水 箱常压。

所述注水管的出水口管嘴与出水管底端活动连接，所述注水管的底端出水口处 距离反应容器的高度可调节；所述注水管上设有阀门，所述阀门开度可调节。阀门 用于调节水注入量，可实现从大量连续水柱注入到单个水滴注入的转变；注水管出 水口管嘴与出水管底端活动连接，可更换管嘴直径尺寸以改变水柱或水滴直径；通 过调节注水管底端出水口处距离反应容器高度可以改变水注入速率。

本发明的提供的水与熔融金属相互作用动态过程可视化实验装置，其部件主要采 用不锈钢材料。本发明在水与熔融金属相互作用过程中，可以同时对不透明的熔融 金属液位上方与液位下方的反应过程进行观测的实验装置，另外，还可以根据实验 需求调整和保持水与熔融金属温度，控制水注入量，实现从大量连续水柱注入到单 个水滴注入的转变，改变水注入速率，从而更好的理解水与熔融金属相互作用规律。

附图说明

图1为本实验装置的整体示意图，其中，(a)为正视图，(b)为侧视图；

图2为反应容器基座，其中，(a)为正视图，(b)为剖视图，(c)为侧视 图；

图中：1为注水口，2为水箱温度检测孔，3为加热水箱，4为阀门，5为注水管 管嘴，6为注水管，7为反应容器，8为玻璃盖板，9为反应过程可视窗，10为反应 容器基座，11为石墨垫片，12为加热板，13为加热板盖板，14为反应容器注入口， 15为水箱加热装置，16为空心导管，17为反应容器温度检测孔。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进 行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。

如图1所示，本实施例包括加热水箱3、注水管6以及反应容器7，其中：

-加热水箱3，用于实验用水的存储以及保持所需温度；

-注水管6，设置在加热水箱3下端，并与加热水箱3连接为一整体；用于引 导水注入反应容器7，同时，用于调节水注入量和调整注入连续水柱或单个水滴的 直径；

-反应容器7，设置在注水管6的下方，用于盛储熔融金属并对其加热；

如图2所示，反应容器7包括反应容器基座10及加热板12，加热板12设置在 反应容器基座10的内部，反应容器基座10上设有反应过程可视窗9。

进一步地，反应容器基座10的侧内壁开有若干反应容器温度检测孔17；反应 容器基座10的侧外壁，顺着每个反应容器温度检测孔17焊接有空心导管16，空心 导管16与反应容器温度检测孔17形成贯穿的通道；反应容器基座10上与注水管6 相对应处设有反应容器注入口14。

进一步地，反应容器温度检测孔17内设有铠装热电偶，熔融金属在空心导管 16内逐渐冷却凝固，自动形成密封。

进一步地，空心导管16长度为10cm至15cm。

进一步地，反应过程可视窗9前端设有玻璃盖板8，玻璃盖板8与反应容器基 座10通过螺丝固定连接，也可以通过其他方式固定连接，玻璃盖板8与反应过程 可视窗9之间加装有石墨垫片11。

进一步地，反应过程可视窗9为石英玻璃材料，石英玻璃材料由15mm厚的石 英玻璃板在900℃经过退火处理得到。

进一步地，加热板12与反应容器基座10之间的缝隙内填充有导热胶。导热胶确 保加热板12向熔融金属传热良好。

进一步地，加热板12采用电加热，其加热功率可调节。

进一步地，反应容器基座10的后部设为加热板盖板13，使反应容器基座10内 部形成腔体，加热板12位于该腔体中。加热板盖板13通过螺丝固定连接在反应容 器基座10的基座壁上。

进一步地，加热水箱3顶盖处设有注水口1，加热水箱3的侧内壁设有水箱温 度检测孔2，水箱温度检测孔2内设有热电偶，热电偶采用密封胶密封在水箱温度 检测孔2内；加热水箱3内设有加热装置15，加热装置15为电加热器，并连接在 加热水箱3侧壁面；加热装置功率可调节。注水口1用于向加热水箱3注水，同时 保持加热水箱3与大气相通维持水箱常压。

进一步地，注水管6的出水口管嘴与出水管底端活动连接，注水管6的底端出 水口处距离反应容器7的高度可调节；注水管6上设有阀门4，阀门4开度可调节。 阀门4用于调节水注入量，可实现从大量连续水柱注入到单个水滴注入的转变；注 水管6出水口管嘴与出水管底端活动连接，可更换管嘴直径尺寸以改变水柱或水滴 直径；通过调节注水管底端出水口处距离反应容器高度可以改变水注入速率。

本实施例通过加热水箱顶盖处的注水口1向水箱注水，并保持水箱与大气相通 维持水箱常压。水箱的加热装置15用于加热水箱中实验用水，并保持实验用水所 需温度。水箱侧壁开有水箱温度检测孔2，用于安装热电偶，实时监测水箱中实验 用水温度。

当实验用水达到所需温度并稳定后，通过注水管注入反应容器注入口14，水注 入量通过开度可调的阀门4进行控制，可进行大量连续水柱注入和单个水滴注入。 水柱或水滴直径可由注水管管嘴5进行调整，注水管管嘴可拆卸更换。

水与熔融金属在反应容器7中进行反应，反应过程透过反应过程可视窗9进行 观测记录，熔融金属通过电加热板12进行加热，并维持实验所需温度。反应容器 基座10的内侧壁开有反应容器温度检测孔17，用于安装铠装热电偶，实时监测熔 融金属温度。在反应容器侧外壁的空心导管16和温度检测孔形成贯穿的通道，熔 融金属在导管内逐渐冷却凝固，自动形成密封。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质内容。