本发明专利技术公开了一种大型Nb3Sn线圈热处理多级均温系统及其温度控制方法，包含加热体、一级均温罐、二级均温筒、三级均温罩、风机子系统、PLC控制柜等其他相关部件。该控温方法包括以下几个阶段：①升温阶段，要求线圈升温速率为5℃/h，温度均匀性为±10℃以内；②保温阶段，要求各保温平台线圈的温度均匀性为±5℃以内。③降温阶段，要求线圈降温速率为5℃/h，降至500℃后随炉冷却。本发明专利技术优点在于，系统可靠、性价比高。适用于处理外径1‑3m，高0.5‑4米的大型Nb3Sn线圈。可以有效的对线圈热处理温度进行控制，保温阶段线圈温度均匀度可达±1℃，同时解决了线圈表面氧化的问题，提高磁体线圈的超导性能。
Multi-stage Homogenizing System for Large Nb3Sn Coil Heat Treatment and Its Temperature Control Method
【技术实现步骤摘要】
大型Nb3Sn线圈热处理多级均温系统及其控温方法
本专利技术涉及大型Nb3SnCICC超导线圈热处理
，尤其涉及一种大型Nb3Sn线圈热处理多级均温系统及其控温方法，提高热处理保温平台的温度均匀性和控温精度，同时解决了线圈热处理表面氧化、黑化的问题。涉及一种高精度、高有效性、高可靠性的控温方法。
技术介绍
CFETR是以运行EAST等多个托卡马克为经验，以加入ITER为基础，设计和建造的聚变工程实验堆。超导磁体是CFETR的关键核心系统，CFETR中心螺管内线圈采用Nb3Sn材料制造而成的中心螺线管超导磁体。Nb3Sn线圈在绕制成型后，需要经过一定的热处理以发生固态扩散反应，从而生成A15超导相。热处理是Nb3Sn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。Nb3Sn超导线圈热处理的温度和时间，这两个因素对Nb3Sn的超导性起着至关重要的作用。线圈热处理制度为，升温速率：5℃/h，降温速率℃/h，降到500度后，随炉温冷却；关键保温区间：210℃保温50小时，340℃保温25小时，450℃保温25小时，575℃保温100小时，650℃保温100小时。升温阶段，要求线圈温度均匀性为±10℃以内；保温阶段，要求各保温平台线圈的温度均匀性为±5℃以内。210℃保温50小时，主要作用是锡的扩散反应生产青铜的过程；340℃保温25小时，主要作用是避免反应生成Cu41Sn11，450℃保温25小时，主要作用是导体脱气，有助于减少磁滞损耗，575℃保温100小时，主要作用是锡更加均匀的扩散到铌中，650℃保温100小时，主要作用是生成Nb3Sn超导相。
技术实现思路
本专利技术目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种大型Nb3Sn线圈热处理多级均温系统及其控温方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种大型Nb3Sn线圈热处理多级均温系统，包括有一级均温罐、二级均温筒、三级均温罩和PLC控制柜，在所述的一级均温罐的内壁布置有加热电阻丝，一级均温罐的上端固定安装有风机，一级均温罐的下端焊接有炉底座，所述的二级均温筒的上端封口下端敞口，二级均温筒位于一级均温罐内侧，二级均温筒的外壁与一级均温罐的内壁采用螺杆固定连接，所述的风机的叶轮位于一级均温罐和二级均温筒的上端夹层内，所述的三级均温罩位于二级均温筒内侧，在所述的炉底座的上面设有支撑腿，所述的三级均温罩放在支撑腿的上面，在支撑腿与三级均温罩之间还设有线圈导热垫板，在三级均温罩内设有磁体线圈，在三级均温罩的上端面设有均温罩出气口和线圈上端子保护腔，在线圈上端子保护腔的顶端设有线圈排气预留口，在三级均温罩的下端面设有均温罩进气口、线圈下端子保护腔和均温罩热电偶预留管，在下端子保护腔的下端设有线圈进气预留口，在所述的一级均温罐的下端预留有三级均温罩进气管、线圈进气管、三级均温罩出气管、线圈出气管、均温罐进气管，在一级均温罐的上端设有均温罐出气管，所述的三级均温罩进气管、线圈进气管、三级均温罩出气管和线圈出气管分别与均温罩进气口、线圈进气预留口、均温罩出气口和线圈排气预留口连接，在所述的三级均温罩的下端面还设有均温罩热电偶预留管，在所述的磁体线圈的表面布置了多个线圈热电偶，所述的线圈热电偶是从所述的均温罩热电偶预留管内穿入的；在所述的三级均温罩内壁布置有均温罩热电偶，所述的PLC控制柜分别控制加热电阻丝、风机和均温罩热电偶的工作，在所述的线圈上端子保护腔上布置有上区控温热偶，在三级均温罩的内侧壁中间位置布置有中区控温热偶，在线圈下端子保护腔上布置有底区控温热偶，在PLC控制柜内分别安装有上区温度控制表、上区温度控制表和上区温度控制表，上区温度控制表、上区温度控制表和上区温度控制表分别控制上区控温热偶、中区控温热偶和底区控温热偶的工作。所述的一级均温罐采用圆柱形不锈钢罐体，罐体上端与风机盖板利用焊接方式进行密封，罐体下端与炉底座利用焊接方式进行密封；将罐体分为上区、中区和底区，在每个区均布置有加热电阻丝。所述的二级均温筒采用不锈钢圆柱形筒，二级均温筒外壁与一级均温罐内壁之间的夹层距离为25-80cm。所述的三级均温罩是由不锈钢薄板制成的带有上下端面的环形圆柱体腔，在三级均温罩的中心安装有导风筒，三级均温罩的内、外侧壁均采用波纹结构。在所述的三级均温罩的侧面焊接有多个加强筋。一种大型Nb3Sn线圈热处理多级均温系统的温度控制方法，具体步骤如下：A在温度控制表上设置210℃升温曲线，升温速率采用10-15℃/h，风机运行频率为30-50Hz，待磁体升温速率到达5℃/h时，重新设置温度控制表，改用5℃/h进行升温；B在温度控制表上设置210℃保温曲线，当线圈磁体均温达到200℃时，停止加热，待三级均温罩内温度达到210℃时，开始加热保温，上区、中区和底区加热功率限制在20KW，保温时间设置为3000min，风机运行频率为10-15Hz；C在温度控制表上设置340℃升温曲线，升温速率采用9-13℃/h，风机运行频率为28-40Hz，待磁体升温速率到达5℃/h时，重新设置温度控制表，改用5℃/h进行升温；D在温度控制表上设置340℃保温曲线，当线圈磁体均温达到333℃时，停止加热，待三级均温罩温度达到340℃时，开始加热保温，上区、中区和底区加热功率限制在24KW以内，保温时间设置为1500min，风机运行频率为10-15Hz；E在温度控制表上设置450℃升温曲线，升温速率采用8-10℃/h，风机运行频率为25-30Hz，待磁体升温速率到达5℃/h时，重新设置温度控制表，改用5℃/h进行升温；F在温度控制表上设置450℃保温曲线，当线圈磁体均温达到445℃时，停止加热，待三级均温罩温度达到341℃时，开始加热保温，上区、中区和底区加热功率限制在28KW以内，保温时间设置为1500min，风机运行频率为5-10Hz；G在温度控制表上设置575℃升温曲线，升温速率采用6-9℃/h，风机运行频率为18-24Hz，待磁体升温速率到达5℃/h时，重新设置温度控制表，改用5℃/h进行升温；H在温度控制表上设置575℃保温曲线，当磁体均温达到571℃时，停止加热，待三级均温罩温度达到570℃时，开始加热保温，上区、中区和底区加热功率限制在30KW以内，保温时间设置为6000min，风机停止运行；I在温度控制表上设置650℃升温曲线，升温速率采用6-8℃/h，风机运行频率为10-20Hz，待磁体升温速率到达5℃/h时，重新设置温度控制表，改用5℃/h进行升温；J在温度控制表上设置650℃保温曲线，当磁体均温达到648℃时，停止加热，待三级均温罩温度达到570℃时，开始加热保温，上区、中区和底区加热功率限制在35KW以内，保温时间设置为6000min，风机停止运行；K在温度控制表上设置降温曲线，降温速率采用5℃/h，风机运行频率为5-10Hz，待磁体温度降至500时，停加热、停风机，进行冷却。该系统包括加热体、一级均温罐、二级均温筒、三级均温罩、风机、PLC控制柜等其他相关部件。大型Nb3Sn线圈热处理采用的是井式电阻炉，适用于处理外径1-3m，高0.5-4米的大型Nb3Sn线圈。井式电阻炉的炉衬填充了保温棉进行隔热。热处理炉加热体分为三个区：上区、中区和底区。每个区均匀布置1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大型Nb3Sn线圈热处理多级均温系统，其特征在于：包括有一级均温罐、二级均温筒、三级均温罩和PLC控制柜，在所述的一级均温罐的内壁布置有加热电阻丝，一级均温罐的上端固定安装有风机，一级均温罐的下端焊接有炉底座，所述的二级均温筒的上端封口下端敞口，二级均温筒位于一级均温罐内侧，二级均温筒的外壁与一级均温罐的内壁采用螺杆固定连接，所述的风机的叶轮位于一级均温罐和二级均温筒的上端夹层内，所述的三级均温罩位于二级均温筒内侧，在所述的炉底座的上面设有支撑腿，所述的三级均温罩放在支撑腿的上面，在支撑腿与三级均温罩之间还设有线圈导热垫板，在三级均温罩内设有磁体线圈，在三级均温罩的上端面设有均温罩出气口和线圈上端子保护腔，在线圈上端子保护腔的顶端设有线圈排气预留口，在三级均温罩的下端面设有均温罩进气口、下端子保护腔和均温罩热电偶预留管，在下端子保护腔的下端设有线圈进气预留口，在所述的一级均温罐的下端预留有三级均温罩进气管、线圈进气管、三级均温罩出气管、线圈出气管和均温罐进气管，在一级均温罐的上端设有均温罐出气管，所述的三级均温罩进气管、线圈进气管、三级均温罩出气管和线圈出气管分别与均温罩进气口、线圈进气预留口、均温罩出气口和线圈排气预留口连接，在所述的三级均温罩的下端面还设有均温罩热电偶预留管，在所述的磁体线圈的表面布置了多个线圈热电偶，所述的线圈热电偶是从所述的均温罩热电偶预留管内穿入的；在所述的三级均温罩内壁布置有均温罩热电偶，所述的PLC控制柜分别控制加热电阻丝、风机和均温罩热电偶的工作，在所述的线圈上端子保护腔上布置有上区控温热偶，在三级均温罩的内侧壁中间位置布置有中区控温热偶，在线圈下端子保护腔上布置有底区控温热偶，在PLC控制柜内分别安装有上区温度控制表、上区温度控制表和上区温度控制表，上区温度控制表、上区温度控制表和上区温度控制表分别控制上区控温热偶、中区控温热偶和底区控温热偶的工作。...
【技术特征摘要】
1.一种大型Nb3Sn线圈热处理多级均温系统，其特征在于：包括有一级均温罐、二级均温筒、三级均温罩和PLC控制柜，在所述的一级均温罐的内壁布置有加热电阻丝，一级均温罐的上端固定安装有风机，一级均温罐的下端焊接有炉底座，所述的二级均温筒的上端封口下端敞口，二级均温筒位于一级均温罐内侧，二级均温筒的外壁与一级均温罐的内壁采用螺杆固定连接，所述的风机的叶轮位于一级均温罐和二级均温筒的上端夹层内，所述的三级均温罩位于二级均温筒内侧，在所述的炉底座的上面设有支撑腿，所述的三级均温罩放在支撑腿的上面，在支撑腿与三级均温罩之间还设有线圈导热垫板，在三级均温罩内设有磁体线圈，在三级均温罩的上端面设有均温罩出气口和线圈上端子保护腔，在线圈上端子保护腔的顶端设有线圈排气预留口，在三级均温罩的下端面设有均温罩进气口、下端子保护腔和均温罩热电偶预留管，在下端子保护腔的下端设有线圈进气预留口，在所述的一级均温罐的下端预留有三级均温罩进气管、线圈进气管、三级均温罩出气管、线圈出气管和均温罐进气管，在一级均温罐的上端设有均温罐出气管，所述的三级均温罩进气管、线圈进气管、三级均温罩出气管和线圈出气管分别与均温罩进气口、线圈进气预留口、均温罩出气口和线圈排气预留口连接，在所述的三级均温罩的下端面还设有均温罩热电偶预留管，在所述的磁体线圈的表面布置了多个线圈热电偶，所述的线圈热电偶是从所述的均温罩热电偶预留管内穿入的；在所述的三级均温罩内壁布置有均温罩热电偶，所述的PLC控制柜分别控制加热电阻丝、风机和均温罩热电偶的工作，在所述的线圈上端子保护腔上布置有上区控温热偶，在三级均温罩的内侧壁中间位置布置有中区控温热偶，在线圈下端子保护腔上布置有底区控温热偶，在PLC控制柜内分别安装有上区温度控制表、上区温度控制表和上区温度控制表，上区温度控制表、上区温度控制表和上区温度控制表分别控制上区控温热偶、中区控温热偶和底区控温热偶的工作。2.根据权利要求1所述的一种大型Nb3Sn线圈热处理多级均温系统，其特征在于：所述的一级均温罐采用圆柱形不锈钢罐体，罐体上端与风机盖板利用焊接方式进行密封，罐体下端与炉底座利用焊接方式进行密封；将罐体分为上区、中区和底区，在每个区均布置有加热电阻丝。3.根据权利要求2所述的一种大型Nb3Sn线圈热处理多级均温系统，其特征在于：所述的二级均温筒采用不锈钢圆柱形筒，二级均温筒外壁与一级均温罐内壁之间的夹层距离为25-80cm。4.根据权利要求3所述的一种大型Nb3Sn线圈热处理多级均温系统，其特征在于：所述的三级均温罩是由不锈钢薄板制成的带有上下端面的环形圆柱体腔，在三级均温罩的中心安装有导风筒，三级均温罩的内、外侧壁均采用波纹结构。5....
【专利技术属性】
技术研发人员：王维俊，于敏，宋健，李童，秦经刚，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
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