摘要:溶膠凝膠工藝是高溫氣冷堆核燃料元件UO2核芯制備的關(guān)鍵工藝，硝酸鈾銑膠液流量是影響UO2核芯畸形顆粒和產(chǎn)品合格率的關(guān)鍵工藝參數(shù)。硝酸鈾銑膠液的流量控制要求十分嚴(yán)格，硝酸鈾銑膠液流量較低，控制精度為士1 g/min。因膠液勃度大、流量小，國內(nèi)現(xiàn)有調(diào)節(jié)閥和質(zhì)量流量計控制精度不能滿足要求。高溫氣冷堆核電示范工程燃料元件生產(chǎn)線在調(diào)試過程中，膠液實際流量控制精度達(dá)到士1 g/min十分困難，且設(shè)備故障率高。按照原設(shè)計手動調(diào)節(jié)閥門的生產(chǎn)方式，膠液流量波動大，無法實現(xiàn)士1 g/min的工藝要求，并需要一名操作人員不停的調(diào)整閥門才能盡量減小流量波動，同時功率放大器不能穩(wěn)定提供100 Hz的輸出頻率，生產(chǎn)出的凝膠球畸形顆粒多，批次合格率為80%左右甚至更低。針對以上問題，重新選擇調(diào)節(jié)閥和質(zhì)量流量計，并設(shè)計流量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實現(xiàn)膠液流量的自動調(diào)節(jié)控制，同時合并功率放大器和信號發(fā)生器的功能，重新設(shè)計一臺數(shù)字混合儀，從而實現(xiàn)硝酸鈾酞溶膠液的工業(yè)化控制。系統(tǒng)改造后，膠液流量控制精度在士0. 7 g/min以內(nèi)，凝膠球的直徑和球形度明顯優(yōu)于以前，批次產(chǎn)品平均合格率提高到83%左右。
    核芯制備采用溶膠凝膠工藝制備，工藝參數(shù)控制十分嚴(yán)格，控制精度高，這給工藝設(shè)備選型和調(diào)試帶來很大的困難。因高溫氣冷堆核電示范工程燃料元件生產(chǎn)線與清華大學(xué)實驗線生產(chǎn)方式不同，設(shè)備選型及結(jié)構(gòu)也與清華大學(xué)不同，如何將清華大學(xué)實驗室設(shè)備轉(zhuǎn)化為工業(yè)化設(shè)備，能夠滿足凝膠球的批量生產(chǎn)，提高UO2核芯的合格率，是高溫氣冷堆核燃料元件工業(yè)化生產(chǎn)的前提。
1、溶膠凝膠工藝：
1.1溶、膠凝膠原理：
    溶膠凝膠法是用含高化學(xué)活性組分的化合物做前驅(qū)體，在液相下將這些原料均勻混合，并進(jìn)行水解、縮合化學(xué)反應(yīng)，在溶液中形成穩(wěn)定的溶膠體系，溶膠經(jīng)陳化膠粒間緩慢聚合，形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，凝膠網(wǎng)絡(luò)間充滿了失去流動性的溶劑，從而形成凝膠。
1. 2、溶膠凝膠工藝：
    UO2核芯采用溶膠凝膠法制備，UO2核芯制備工藝過程主要包括溶解、溶膠凝膠、干燥、燒結(jié)等工藝，UO2核芯直徑工藝要求為0.45~0. 55 mm。將配制好的膠液以一定的流量、壓力輸送到分散器噴嘴上，噴嘴以一定的頻率振動將膠液滴人膠凝柱內(nèi)的濃氨水中，液滴在氨水內(nèi)反應(yīng)固化生成多鈾酸按凝膠球。溶膠凝膠工藝示意圖見圖1至圖3a    溶膠凝膠工藝參數(shù)控制十分嚴(yán)格。為控制凝膠球的尺寸和畸形顆粒，需嚴(yán)格控制膠液流量、溫度和壓力。凝膠液壓力和溫度要求恒定，凝膠液流量較小，控制精度要求為士1 g/min，要實現(xiàn)高豁度、小流量液體的高精度控制十分困難。

圖1溶膠凝膠工藝示意圖

圖2分散過程圖3凝膠球

2、溶膠凝膠使用設(shè)備：
2. 1、分散柱：
    分散柱為非標(biāo)設(shè)計設(shè)備，上部采用有機(jī)玻璃材質(zhì)，下部采用不銹鋼，雙柱結(jié)構(gòu)，中間聯(lián)通，氨水在柱內(nèi)循環(huán)，溶膠凝膠液經(jīng)激振器分散成凝膠球后，滴人分散柱內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。
2. 2、信號控制系統(tǒng)：
    信號控制系統(tǒng)包括激振器、功率放大器、示波器和信號發(fā)生器。信號控制系統(tǒng)主要作用是為激振器提供穩(wěn)定的100 Hz的振動頻率，由信號發(fā)生器發(fā)出100 Hz的頻率，再由功率放大器進(jìn)行放大到滿足激振使用要求的頻率，示波器用于顯示100 Hz的波形。控制系統(tǒng)設(shè)備型號及參數(shù)見下表。

2. 3、流量控制系統(tǒng)：
    流量控制系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)閥和質(zhì)量流量計。膠液從壓力罐中流出，經(jīng)質(zhì)量流量計計量流量，再經(jīng)調(diào)節(jié)閥門開度控制溶膠凝膠液的流量，調(diào)試過程中使用的閥門和質(zhì)量流量計見圖4至圖6。

圖4設(shè)計使用閥門 圖5清華調(diào)節(jié)閥 圖6質(zhì)量流量計
3、溶膠凝膠工藝存在的問題：
3. 1、膠液流量控制問題：
    原有溶膠凝膠工藝使用普通不銹鋼球閥和質(zhì)量流量計進(jìn)行膠液流量控制，調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，普通不銹鋼球閥無法精準(zhǔn)控制膠液流量，經(jīng)過反復(fù)更換各類針形閥和調(diào)節(jié)閥仍不能精準(zhǔn)控制膠液流量，無法制備出合格的凝膠球。更換清華大學(xué)現(xiàn)場使用調(diào)節(jié)閥和安徽天康的質(zhì)量流量計后(見圖5、圖6),膠液流量波動范圍控制在士5 g/min，個別時刻波動大于士16 g/min(見圖7)，基本滿足工藝技術(shù)的要求，但在實際操作中，需操作人員頻繁手動調(diào)節(jié)閥門才能將流量控制穩(wěn)定。膠液流量控制受操作人員操作水平的影響較大，操作人員控制較好的時候，產(chǎn)品成品率為80%左右，控制不好的時候只有70%左右(見圖8)，甚至?xí)?dǎo)致整個批次生產(chǎn)不合格，這嚴(yán)重制約了UO2核芯的合格率，無法實現(xiàn)UO2核芯的工業(yè)化生產(chǎn)。

圖7   09 :58- 10 : 38膠液流量統(tǒng)計圖

圖8畸形凝膠球 圖9溶膠凝膠系統(tǒng)
    根據(jù)膠液流量統(tǒng)計圖(見圖7)中的數(shù)據(jù)顯示，膠液瞬時流量偏差在士16 g/min內(nèi)，膠液流量偏差大使得凝膠球尺寸偏差較大、畸形顆粒多，產(chǎn)品合格率低(見圖8)。膠液流量控制不穩(wěn)主要產(chǎn)生以下幾個問題: 
  (1)調(diào)節(jié)閥和質(zhì)量流量計調(diào)節(jié)精度不夠，膠液流量波動大; 
  (2)手動調(diào)節(jié)膠液流量波動大，引起凝膠球直徑偏差大; 
  (3)膠液流量控制受操作人員技術(shù)水平的限制，需要一名操作人員時刻緊盯質(zhì)量流量計，根據(jù)瞬時流量時刻調(diào)節(jié)閥門，從而使流量穩(wěn)定在目標(biāo)值上; 
  (4)膠液流量受鋼平臺振動影響大，即使人在鋼平臺上走動，也會影響流量。
3. 2、振動頻率控制問題：
    振動頻率控制系統(tǒng)主要為分散頭提供穩(wěn)定的100 Hz的振動頻率，使膠液在經(jīng)過分散頭后變成一顆顆的凝膠球。振動頻率控制系統(tǒng)主要包括激振器、功率放大器、示波器和信號發(fā)生器。在調(diào)試和生產(chǎn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)功率放大器頻率波動大，不能穩(wěn)定在100 Hz的情況，使得凝膠球直徑偏差過大。功率放大器一旦出現(xiàn)頻率不穩(wěn)現(xiàn)象，就需要將功率放大器返廠維修，因該功率放大器輸出功率小，國內(nèi)暫時未找到能替換現(xiàn)有功率放大器的設(shè)備。在調(diào)試和生產(chǎn)的4個月內(nèi)，已返廠維修超過3次，返廠設(shè)備數(shù)量超過6臺。
4、膠液流量自動化控制：
4. 1、膠液流量系統(tǒng)的控制：
4.1.1、質(zhì)量流量計和調(diào)節(jié)閥選型：
   膠液流量調(diào)節(jié)閥須具有手動和自動兩種控制形式，既可以通過手動微調(diào)實現(xiàn)膠液流量的控制，也可通過自動控制來實現(xiàn)膠液流量的調(diào)節(jié)。經(jīng)過調(diào)研，國內(nèi)沒有滿足工藝要求的質(zhì)量流量計和調(diào)節(jié)閥。為滿足工藝要求，調(diào)節(jié)閥和質(zhì)量流量計的選型十分困難，經(jīng)過反復(fù)與Fisher調(diào)節(jié)閥工程師更換調(diào)節(jié)閥和現(xiàn)場試驗，F(xiàn)isher提供的微型調(diào)節(jié)閥滿足了工藝要求。質(zhì)量流量計選用橫河rotamass 3系列質(zhì)量流量計，并經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)試驗和更換不同型號的測量管，橫河質(zhì)量流量計可以滿足小流量膠液的控制。
4. 1. 2、設(shè)計安裝支架：
    根據(jù)溶膠凝膠工藝現(xiàn)場設(shè)備管道安裝情況，重新設(shè)計質(zhì)量流量計和調(diào)節(jié)閥的安裝支架，***大限度的減小因鋼平臺振動、設(shè)備運行振動等因素引起的流量波動。利用10號槽鋼制作一個安裝支架，固定在屋頂?shù)臋M梁上，要求垂直安裝。
4.1.3、設(shè)計膠液流量控制程序：
    常用PID控制程序控制精度不高，比例、微分和積分參數(shù)調(diào)節(jié)較慢，且波動較大，無法滿足膠液流量要求控制精度為士1 g/min的要求。重新設(shè)計一套步進(jìn)調(diào)節(jié)程序，要求實測流量值與設(shè)定流量值時刻做比較，如果小于設(shè)定值則按照一定的調(diào)節(jié)開度打開調(diào)節(jié)閥，如果大于設(shè)定值，則按照一定的開度關(guān)閉調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥的控制精度為1/1 000，將以上程序與現(xiàn)場DCS連接，利用現(xiàn)場DCS實現(xiàn)控制。經(jīng)實驗驗證，此控制程序符合控制要求。
4. 2、振動頻率系統(tǒng)的控制:
    自行設(shè)計制作一臺小功率型數(shù)字混合儀，該設(shè)備同時具備信號發(fā)生器和功率放大器的功能，設(shè)備上的操作按鈕按照工藝操作要求進(jìn)行設(shè)置，該設(shè)備投人使用后，對于促進(jìn)溶膠的均勻分散起到了重要作用，頻率振動系統(tǒng)將減少一臺設(shè)備，振動頻率控制穩(wěn)定，不會出現(xiàn)頻率波動問題，也不會出現(xiàn)頻繁損壞的現(xiàn)象。目前，該設(shè)備已制作完成，經(jīng)過工藝試驗，數(shù)字混合儀頻率控制穩(wěn)定且符合工藝使用要求，該設(shè)備在生產(chǎn)線上投人使用后，至今未出現(xiàn)異常現(xiàn)象。
5、膠液流量工業(yè)化控制效果：
    膠液流量穩(wěn)定的才能獲得理想的凝膠球形狀和性能，包括膠滴的自由成形與預(yù)膠凝以及準(zhǔn)膠凝的穩(wěn)態(tài)流化與深度膠凝。膠液流量實現(xiàn)工業(yè)化自動控制后，將膠液通人流量計和調(diào)節(jié)閥進(jìn)行試驗，時間段15:43-16:29，按照每分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，每十分鐘記錄一組數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果統(tǒng)計在圖10中。

圖1.0  15:43一16:29膠液流量統(tǒng)計圖
    根據(jù)圖10中膠液的瞬時流量統(tǒng)計，膠液瞬時流量值***大偏差在士0. 7 g/min以內(nèi)，較以前的膠液流量士16 g/min大幅縮小，滿足工藝要求的士1 g/min。根據(jù)投濃料生產(chǎn)若干批次的結(jié)果，通過顯微鏡觀察凝膠球的直徑和球形度，膠球的直徑和球形度均明顯優(yōu)于以前，Un:核芯平均合格率較以前的80%左右提高到90%左右。膠液流量實現(xiàn)工業(yè)化控制后，膠液瞬時流量控制更加精準(zhǔn)，膠液流量不再受崗位人員操作水平的限制，也不需要崗位人員時刻緊盯質(zhì)量流量計的顯示值調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥，設(shè)備操作更加單，節(jié)省了一名操作員工，可以滿足凝膠球的批量化工業(yè)生產(chǎn)的要求。