CN110316940B - 用于玻璃固化的鼓泡搅拌式冷坩埚及鼓泡搅拌方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于玻璃固化的鼓泡搅拌式冷坩埚及鼓泡搅拌方法。该用于玻璃固化的鼓泡搅拌式冷坩埚包括埚底和鼓泡管，所述鼓泡管数量不少于4根，各鼓泡管均穿过冷坩埚埚底并伸入冷坩埚内部，各鼓泡管在冷坩埚内部的开口距冷坩埚中心线的距离不唯一。本发明的鼓泡搅拌式冷坩埚采用了特殊鼓泡管开口布置方式，其鼓泡搅拌方法采用了脉冲式鼓泡，能够使冷坩埚玻璃固化熔体内温度场分布更为均匀，不会产生明显的搅拌死角，对熔体内部的扰动效果良好，达到预设搅拌效果所需时间短，需要设置的鼓泡管数量少，减少了对冷坩埚玻璃固化工艺的影响。

Description

用于玻璃固化的鼓泡搅拌式冷坩埚及鼓泡搅拌方法

技术领域

本发明属于放射性废液处理领域，特别涉及一种用于玻璃固化的鼓泡搅拌式冷坩埚及鼓泡搅拌方法。

背景技术

冷坩埚玻璃固化技术是目前国际上用于放射性废物处理的新一代玻璃固化技术，其利用感应线圈将高频电流转换成电磁流，通过电磁流在物料中形成的涡流产生热量，实现待处理物料的加热熔融。

冷坩埚玻璃固化装置主要由高频感应电源、冷坩埚炉体和其它辅助***组成，其中冷坩埚炉体是由通冷却水的金属弧形块或管组成的圆形或椭圆形容器。工作时，金属管内连续通冷却水，坩埚内熔融物的温度可高达2000℃以上，但坩埚壁仍保持较低温度(一般小于200℃)，此时坩埚壁附近低温区域形成一层2-3cm厚的固态玻璃壳(即冷壁)，因此这种玻璃固化装置被称为“冷坩埚”。与其它玻璃固化技术相比较，冷坩埚技术最主要的优点是熔制温度高，可处理废物类型广，熔炉寿命长(大于20a)，退役容易，是一种更为先进的玻璃固化技术，更适合后处理厂长期连续运行的需要。目前，世界上开展冷坩埚玻璃固化技术研发的国家有法国、英国、美国、印度、韩国和中国等。法国高放废液冷坩埚玻璃固化技术发展最快，已于2012-2013年实现U-Mo高放废物的两步法冷坩埚玻璃固化工业运行生产。

冷坩埚熔炉是冷坩埚玻璃固化工艺中用于物料熔融的关键设备，其最大直径目前已经做到1000mm。但是，随着熔炉直径的增大，已有的高频电磁场搅拌技术已不能满足使熔炉内物料均化的要求，因此搅拌技术的研发已经成为制约冷坩埚玻璃固化技术工业化的关键技术之一。

具体技术层面，韩国原子力研究院于2002-2009完成了550mm直径商用冷坩埚的建造和运行，并成功开发了空气鼓泡搅拌***。黄维琳、顾斌等人在普通玻璃窑炉工艺中对于鼓泡方法进行了研究，主要研究了压力同鼓泡泡径大小的关系以及鼓泡频率同泡径大小的关系等。然而，目前的鼓泡搅拌方法仍然存在鼓泡管设置等方面的问题，即鼓泡管设置较多会对冷坩埚玻璃固化工艺产生负面影响，鼓泡管设置较少则会使冷坩埚玻璃固化熔体内温度场分布不均匀。

发明内容

为了解决现有冷坩埚玻璃固化工艺鼓泡搅拌方法中存在的鼓泡管设置等方面的问题，本发明提供了一种用于玻璃固化的鼓泡搅拌式冷坩埚及鼓泡搅拌方法。

该用于玻璃固化的鼓泡搅拌式冷坩埚包括埚底和鼓泡管，所述鼓泡管数量不少于4根，各鼓泡管均穿过冷坩埚埚底并伸入冷坩埚内部，各鼓泡管在冷坩埚内部的开口距冷坩埚中心线的距离不唯一。

根据一个实施例，所述鼓泡管分为两组，每组内的鼓泡管在冷坩埚内部的开口分布在以冷坩埚中心线为轴的圆上。

根据一个实施例，所述每组内的鼓泡管在冷坩埚内部的开口在所述圆上均匀分布。

根据一个实施例，所述分为两组的鼓泡管两组间数量相等；且其中一组鼓泡管中的每一鼓泡管在冷坩埚内部的开口，与相邻的另一组中的两个鼓泡管在冷坩埚内部的开口之间的距离相等。

根据一个实施例，所述分为两组的鼓泡管，其中一组鼓泡管在冷坩埚内部的开口距冷坩埚中心线的距离为冷坩埚内径的1/4，另一组鼓泡管在冷坩埚内部的开口距冷坩埚中心线的距离为冷坩埚内径的1/3。

采用上述鼓泡搅拌式冷坩埚的鼓泡搅拌方法，该鼓泡搅拌方法包括如下步骤：当冷坩埚埚体中的熔体熔融后，通过各鼓泡管向熔体内通入气体脉冲进行脉冲式鼓泡。

根据一个实施例，所述脉冲式鼓泡的方式为：所述分为两组的鼓泡管间隔鼓泡。

根据一个实施例，对于粘度为400-600dpa的熔体，所述脉冲式鼓泡的时间控制方式为：鼓泡0.01-0.03秒，停止2-4秒。

根据一个实施例，对于粘度为40-60dpa的熔体，所述脉冲式鼓泡的时间控制方式为：鼓泡0.1-0.3秒，停止2-4秒。

本发明的鼓泡搅拌式冷坩埚采用了特殊鼓泡管开口布置方式，其鼓泡搅拌方法采用了脉冲式鼓泡，能够使冷坩埚玻璃固化熔体内温度场分布更为均匀，不会产生明显的搅拌死角，对熔体内部的扰动效果良好，达到预设搅拌效果所需时间短，需要设置的鼓泡管数量少，减少了对冷坩埚玻璃固化工艺的影响。

附图说明

图1为根据本发明实施例的鼓泡搅拌式冷坩埚结构示意图。

图2为根据本发明实施例的鼓泡管在冷坩埚内部的开口布置方式示意图。

图3为根据对比例的鼓泡管在冷坩埚内部的开口布置方式示意图。

图4为根据本发明实施例的鼓泡搅拌方式测得的熔体内温度场分布图。

图5为根据对比例的鼓泡搅拌方式测得的熔体内温度场分布图。

附图标记：1.鼓泡管，2.鼓泡管在冷坩埚内部的开口，3.埚底，4.冷坩埚，5.冷坩埚中心线。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。

在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。为了清楚地示出各个部件的细节，附图中的各个部件并不是按比例绘制的，所以附图中的各个部件的比例也不应作为一种限制。

如附图1所示，本发明的用于玻璃固化的鼓泡搅拌式冷坩埚包括埚底3和鼓泡管1，所述鼓泡管1数量不少于4根，各鼓泡管均穿过冷坩埚埚底3并伸入冷坩埚4内部，各鼓泡管在冷坩埚4内部的开口2距冷坩埚中心线5的距离不唯一，即鼓泡时产生的气泡距冷坩埚中心线5的距离不相等。在设置各种搅拌方式时，操作人员通常会倾向于选择更为对称的搅拌结构以获得更优的搅拌效果。而本发明所选择的搅拌结构布置方式(即各鼓泡管在冷坩埚4内部的开口2距冷坩埚中心线5的距离不唯一)打破了上述观念，未将所有鼓泡管开口布置在同圆位置上。然而在面对冷坩埚玻璃固化熔体搅拌时，由于玻璃固化熔体具有高温、高粘度、成分差异显著等诸多较为特殊的特性，采用此种鼓泡搅拌方式能够使熔体内温度场分布总体上更为均匀，减少搅拌死角，对提升最终获得的玻璃固化体性能具有显著意义。

根据一个示例，所述鼓泡管1的数量优选为4-8根。为减少对冷坩埚玻璃固化工艺的影响，鼓泡管1的数量以较少设置为佳。对于当前主流尺寸的冷坩埚来说，在保证搅拌效果的前提下，鼓泡管1的设置数量可以减少为4-8根左右。

根据一个示例，所述鼓泡管1分为两组，每组内的鼓泡管在冷坩埚内部的开口分布在以冷坩埚中心线为轴的圆上。此种鼓泡管开口布置方式能够进一步提升鼓泡搅拌时熔体内温度场的均匀度，更有利于减少搅拌死角。

根据一个示例，所述每组内的鼓泡管在冷坩埚内部的开口在所述圆上均匀分布。此种鼓泡管开口布置方式能够进一步提升鼓泡搅拌时熔体内温度场的均匀度，更有利于减少搅拌死角。

根据一个示例，所述分为两组的鼓泡管两组间数量相等；且其中一组鼓泡管中的每一鼓泡管在冷坩埚内部的开口，与相邻的另一组中的两个鼓泡管在冷坩埚内部的开口之间的距离相等。此种鼓泡管开口布置方式能够进一步提升鼓泡搅拌时熔体内温度场的均匀度，更有利于减少搅拌死角。

根据一个示例，如附图2所示，所述分为两组的鼓泡管，其中一组鼓泡管在冷坩埚内部的开口距冷坩埚中心线的距离为冷坩埚内径的1/4，另一组鼓泡管在冷坩埚内部的开口距冷坩埚中心线的距离为冷坩埚内径的1/3。此种鼓泡管开口布置方式是进一步提升鼓泡搅拌时熔体内温度场的均匀度，减少搅拌死角的较佳方式。

采用上述鼓泡搅拌式冷坩埚的鼓泡搅拌方法，该鼓泡搅拌方法包括如下步骤：当冷坩埚埚体中的熔体熔融后，通过各鼓泡管向熔体内通入气体脉冲进行脉冲式鼓泡。由于玻璃固化熔体具有高温、高粘度、成分差异显著等诸多较为特殊的特性，普通的鼓泡搅拌方式效果不佳，为了提高鼓泡搅拌效果，一些其它领域可以选择增加鼓泡管的数量，然而在冷坩埚玻璃固化工艺中并不允许设置过多的鼓泡管，防止对工艺产生显著的负面影响。为此，本发明采用了脉冲式鼓泡方式，即短时通气鼓泡和相对较长时间间歇的交替进行，显著增强了对熔体内部的扰动，扰动效果显著优于普通的鼓泡搅拌方式。

根据一个示例，所述脉冲式鼓泡的方式为：所述分为两组的鼓泡管间隔鼓泡，有利于进一步提高对熔体内部的扰动效果。

根据一个示例，所述鼓泡搅拌方法以使熔体中心与熔体底部温度差小于200℃为达到搅拌效果。

根据一个示例，对于粘度为400-600dpa的熔体，所述脉冲式鼓泡的时间控制方式为：鼓泡0.01-0.03秒，停止2-4秒。根据熔体的粘度，采用该脉冲式鼓泡的时间控制方式能够在较短的时间内达到搅拌效果。

根据一个示例，对于粘度为40-60dpa的熔体，所述脉冲式鼓泡的时间控制方式为：鼓泡0.1-0.3秒，停止2-4秒。根据熔体的粘度，采用该脉冲式鼓泡的时间控制方式能够在较短的时间内达到搅拌效果。

实施例

采用本发明的用于玻璃固化的鼓泡搅拌式冷坩埚及鼓泡搅拌方法对某粘度为500dpa的熔体进行搅拌，所采用的冷坩埚高度为800mm，内径为500mm，鼓泡管数量为6根，其中3根鼓泡管在冷坩埚内部的开口距冷坩埚中心线的距离为冷坩埚内径的1/4，另3根鼓泡管在冷坩埚内部的开口距冷坩埚中心线的距离为冷坩埚内径的1/3，各鼓泡管***埚体内的高度为3cm，其主要过程如下：

用气体压缩泵通过各鼓泡管向熔体内通入气体脉冲进行脉冲式鼓泡，且距冷坩埚中心线近的鼓泡管与距冷坩埚中心线远的鼓泡管间隔鼓泡，鼓泡0.01秒，停止3秒。经过60分钟以上的鼓泡搅拌，熔体中心与熔体底部温度差在160℃-190℃范围内变化，达到预设的搅拌效果。

对鼓泡搅拌过程的监测结果表明：参见附图4，采用本发明的鼓泡搅拌式冷坩埚及鼓泡搅拌方法能够使冷坩埚玻璃固化熔体内温度场分布更为均匀，不会产生明显的搅拌死角，对熔体内部的扰动效果良好，达到预设搅拌效果所需时间短，需要设置的鼓泡管数量少，减少了对冷坩埚玻璃固化工艺的影响，最终获得的玻璃固化体性能超过检测标准。

对比例

在与上述实施例相同的条件下，仅改变3根鼓泡管在冷坩埚内部的开口，即6根鼓泡管在冷坩埚内部的开口距冷坩埚中心线的距离均为冷坩埚内径的1/4。相比于上述实施例，其鼓泡管在冷坩埚内部的开口在冷坩埚内分布更为均匀的布置方式，参见附图3。

将上述实施例的鼓泡搅拌过程监测结果(参见附图4)与对比例(参见附图5)相比，上述实施例所形成的冷坩埚玻璃固化熔体温度场核心区域明显向左右及上方延伸，鼓泡作用对冷坩埚壁面附近的熔体形成更为强烈的扰动，显著降低了搅拌死角的范围，从而有利于玻璃固化体性能的提高。

虽然根据本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，然而，本领域普通技术人员应理解，在不背离本发明的总体构思的原则和精神的情况下，可以对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于玻璃固化的鼓泡搅拌式冷坩埚，其特征在于：该用于玻璃固化的鼓泡搅拌式冷坩埚包括埚底和鼓泡管，所述鼓泡管数量不少于4根，各鼓泡管均穿过冷坩埚埚底并伸入冷坩埚内部，各鼓泡管在冷坩埚内部的开口距冷坩埚中心线的距离不唯一。

2.根据权利要求1所述的用于玻璃固化的鼓泡搅拌式冷坩埚，其特征在于：所述鼓泡管分为两组，每组内的鼓泡管在冷坩埚内部的开口分布在以冷坩埚中心线为轴的圆上。

3.根据权利要求2所述的用于玻璃固化的鼓泡搅拌式冷坩埚，其特征在于：所述每组内的鼓泡管在冷坩埚内部的开口在所述圆上均匀分布。

4.根据权利要求3所述的用于玻璃固化的鼓泡搅拌式冷坩埚，其特征在于：所述分为两组的鼓泡管两组间数量相等；且其中一组鼓泡管中的每一鼓泡管在冷坩埚内部的开口，与相邻的另一组中的两个鼓泡管在冷坩埚内部的开口之间的距离相等。

5.根据权利要求4所述的用于玻璃固化的鼓泡搅拌式冷坩埚，其特征在于：所述分为两组的鼓泡管，其中一组鼓泡管在冷坩埚内部的开口距冷坩埚中心线的距离为冷坩埚内径的1/4，另一组鼓泡管在冷坩埚内部的开口距冷坩埚中心线的距离为冷坩埚内径的1/3。

6.一种采用如权利要求1所述的用于玻璃固化的鼓泡搅拌式冷坩埚的鼓泡搅拌方法，其特征在于包括如下步骤：当冷坩埚埚体中的熔体熔融后，通过各鼓泡管向熔体内通入气体脉冲进行脉冲式鼓泡。

7.一种采用如权利要求2-5任一项所述的用于玻璃固化的鼓泡搅拌式冷坩埚的鼓泡搅拌方法，其特征在于包括如下步骤：当冷坩埚埚体中的熔体熔融后，通过各鼓泡管向熔体内通入气体脉冲进行脉冲式鼓泡。

8.根据权利要求7所述的鼓泡搅拌方法，其特征在于所述脉冲式鼓泡的方式为：所述分为两组的鼓泡管间隔鼓泡。

9.根据权利要求7所述的鼓泡搅拌方法，其特征在于：对于粘度为400-600dpa的熔体，所述脉冲式鼓泡的时间控制方式为：鼓泡0.01-0.03秒，停止2-4秒。

10.根据权利要求7所述的鼓泡搅拌方法，其特征在于：对于粘度为40-60dpa的熔体，所述脉冲式鼓泡的时间控制方式为：鼓泡0.1-0.3秒，停止2-4秒。