CN109734286A - 玻璃原料预热启熔方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种玻璃原料预热启熔方法和装置。所述预热启熔方法包括：将玻璃颗粒放置于冷坩埚炉体内部，再将导体加热体放置在玻璃颗粒上，以及将感应线圈套在冷坩埚炉体外侧；启动与感应线圈电连接的高频电源，以产生高频电磁场；逐渐增加高频电源的输出功率，以使得冷坩埚内的导体加热体在高频电磁场的作用下逐渐升温直至燃烧并释放大量的热量，从而使玻璃颗粒吸热后熔化并形成熔池，且所述熔池持续扩大直至冷坩埚内的玻璃颗粒全部熔化。本发明在冷坩埚内的玻璃颗粒上放置导体加热体作为启动材料，其在高频电磁场的作用下迅速升温直至燃烧，释放的热量不仅形成了玻璃熔池，还加速了整体启动的进程，而且不需要为冷坩埚增设额外的加热设备。
Description
技术领域
本发明涉及核应用技术领域，具体涉及一种玻璃原料预热启熔方法，以及一种玻璃原料预热启熔装置。
背景技术
在核能利用的过程中，需要对大量的放射性废物特别是高放射性废液进行妥善处置，使其对环境的影响降到最低。通常的做法是将这些放射性废物减容并固化处理后，埋藏在远离人类生活圈的深地质处置场。其中，冷坩埚玻璃固化技术是目前得到应用的固化技术之一，其基本原理是采用高频感应加热，将放射性废液煅烧物与玻璃物料熔融形成玻璃固化体。由于这种废物固化体具有良好的化学、机械稳定性及抗辐射性能，因而受到普遍重视。
冷坩埚玻璃固化技术的处理对象为放射性废液和玻璃，主要工作过程为：玻璃原料熔融后，将放射性废液煅烧物投入其中熔制一定时间，之后注入到产品容器中，经去污、检测等工序后，最终运送至处置场处置。在这一过程中，首先需要将玻璃原料熔融，以实现冷坩埚设备的启动。
由于玻璃在低温下的电导率较差，不能直接被高频电磁场感应加热。但随着温度的升高，其电导率也会相应提高，能够满足电磁感应加热对于物料电导率的要求。而当温度继续上升至其熔点以上时，其电导性基本能够达到与金属相同的水平。因此，为满足电磁感应加热的要求，需要对玻璃原料进行预热启熔。
然而，发明人发现，现有技术中对玻璃原料进行预热启熔需要为冷坩埚增设额外的加热设备，存在耗能高、耗时长、成本高等问题。
发明内容
为了至少部分解决现有技术中存在的技术问题而完成了本发明。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种玻璃原料预热启熔方法，其包括如下步骤：
将玻璃颗粒放置于冷坩埚炉体内部，再将导体加热体放置在玻璃颗粒上，以及将感应线圈套在冷坩埚炉体外侧；
启动与感应线圈电连接的高频电源，以产生高频电磁场；
逐渐增加高频电源的输出功率，以使得冷坩埚内的导体加热体在高频电磁场的作用下逐渐升温直至燃烧并释放大量的热量，从而使玻璃颗粒吸热后熔化并形成熔池，且所述熔池持续扩大直至冷坩埚内的玻璃颗粒全部熔化。
可选地，所述导体加热体的材质采用钛合金。
可选地，在导体加热体逐渐升温的过程中，向冷坩埚炉体内部持续通入氧气，直至导体加热体完全燃尽。
可选地，调节高频电源输出功率的方式采用阶梯式功率调节方式。
可选地，在启动高频电源的同时，启动套在冷坩埚炉体外侧的冷却水系统。
本发明还提供一种玻璃原料预热启熔装置，其包括：冷坩埚、导体加热体、感应线圈和高频电源；所述冷坩埚炉体内部容纳有玻璃颗粒；所述导体加热体放置在玻璃颗粒上；所述感应线圈套在冷坩埚炉体外侧；所述高频电源与感应线圈电连接，其启动时能够产生高频电磁场，用于逐渐增加自身输出功率，以使得冷坩埚内的导体加热体在高频电磁场的作用下逐渐升温直至燃烧并释放大量的热量，从而使玻璃颗粒吸热后熔化并形成熔池，且所述熔池持续扩大直至冷坩埚内的玻璃颗粒全部熔化。
可选地，所述导体加热体采用钛合金环。
可选地，所述钛合金环上设置有窄缺口。
可选地，所述钛合金环的外径占冷坩埚炉体内径的百分比为75％～85％。
可选地，所述玻璃颗粒在冷坩埚内的堆积高度与所述感应线圈沿冷坩埚炉体高度方向的中间位置距炉体底部的高度相同或略低。
可选地，所述预热启熔装置还包括：冷却水系统，其套在冷坩埚炉体外侧，用于在所述高频电源启动的同时启动。
有益效果：
1)本发明采用钛合金作为启动材料，其释热量大，产生的烟气少，同时兼具造价低、结构简单等特点；
2)本发明采用钛合金环来启动冷坩埚设备，其操作简单、安全可靠，而且启动材料可以完全燃尽，能够满足冷坩埚设备的启动要求。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的玻璃原料预热启熔方法的流程图；
图2为本发明实施例2提供的玻璃原料预热启熔装置的部分结构示意图。
图中：1－冷坩埚；2－感应线圈；3－导体加热体；4－玻璃颗粒。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种玻璃原料预热启熔方法，具体涉及一种用于放射性废液冷坩埚玻璃固化技术的新型启动方法，以实现冷坩埚设备的顺利启动，适用于利用冷坩埚玻璃固化技术处理放射性废液时，玻璃物料的熔融启动。
如图1所示，所述预热启熔方法包括如下步骤S101至S103。
S101.将玻璃颗粒均匀放置于冷坩埚炉体内部，再将导体加热体放置在玻璃颗粒上，以及将感应线圈套在冷坩埚炉体外侧；
S102.启动与感应线圈电连接的高频电源，以产生高频电磁场；
S103.逐渐增加高频电源的输出功率，以使得冷坩埚内的导体加热体在高频电磁场的作用下逐渐升温直至燃烧并释放大量的热量，从而使玻璃颗粒吸热后熔化并形成熔池，且熔池持续扩大直至冷坩埚内的玻璃颗粒全部熔化。
其中，设备规格不同，对应的高频电源的参数也不同。例如，直径为600mm左右的冷坩埚，其对应的高频电源的电源频率范围为300-600kHz、输出功率范围为100-400kW。
鉴于玻璃在低温下电导率较差，无法直接被高频电磁场感应加热的问题，本实施例所述预热启熔方法在冷坩埚内的玻璃颗粒上放置导体加热体作为启动材料，其在高频电磁场的作用下迅速升温直至燃烧，释放的热量不仅形成了玻璃熔池，还使玻璃的电导率升高至满足电磁感应加热对于其电导率的要求，从而加速了整体启动的进程，而且不需要为冷坩埚增设额外的加热设备，更适合放射性废液的玻璃固化技术，对冷坩埚设备的启动和运行有着重大意义。
具体地，导体加热体的材质应选择易于被感应加热的材料，例如石墨或钛合金等。经试验验证，钛合金是较为理想的启动材料，其释放热量大，产生的烟气少，同时兼具造价低、结构简单等特点，因此，导体加热体的材质优选采用钛合金。
该钛合金材质的导体加热体优选采用圆环状结构，即导体加热体优选采用钛合金环。采用钛合金环来启动冷坩埚设备，其操作简单、安全可靠，而且启动材料可以完全燃尽，能够满足冷坩埚设备的启动要求。
进一步地，为便于控制钛合金环的断裂燃烧位置，可在钛合金环上设置窄缺口，该窄缺口的具体尺寸为，长8-10mm，宽1-3mm。而且，钛合金环的尺寸越大，能量利用率越高，启动时间也越短，但考虑到冷坩埚的匹配性和操作等因素，钛合金环的外径占冷坩埚炉体内径的百分比优选为75％～85％，进一步优选为80％，即钛合金环的外径取冷坩埚炉体内径的80％左右比较适宜。
此外，玻璃颗粒在冷坩埚内的堆积高度与感应线圈沿冷坩埚炉体高度方向的中间位置距炉体底部的高度相同或略低，即玻璃颗粒在冷坩埚内的堆积高度等于或略低于感应线圈中间位置高度，以利于玻璃原料的熔融。至于玻璃颗粒在冷坩埚内的堆积高度可以比感应线圈中间位置的高度低多少，则由本领域技术人员根据实际情况进行设定。
在步骤S103中，为了加速钛合金环的燃烧速率，可在钛合金环逐渐升温的过程中，向冷坩埚炉体内部持续通入氧气，直至钛合金环完全燃尽。
在步骤S103中，调节高频电源输出功率的方式采用阶梯式功率调节方式，以缓慢调节高频电源的输出功率。
阶梯式功率调节方式具体为，设备启动后，缓慢线性升高电源输出功率，钛合金环沿径向由外向内逐渐升温并变炽热，当功率升至一定值时，钛合金环开始燃烧，保持功率不变，钛合金环继续燃烧放热直至玻璃熔化形成熔池。一段时间后，钛合金环燃烧产生的热量不足以增加玻璃熔池时，提高输出功率并维持一定值，直至玻璃全部熔化。
在步骤S102中，在启动高频电源的同时，启动套在冷坩埚炉体外侧的冷却水系统。
启动套在冷坩埚炉体外侧的冷却水系统之后，由于炉体外壁得以冷却，使得熔融体在炉体内壁温度较低区域(＜200℃)形成一层凝固壳层(可简称为凝壳)，凝壳可保护炉体免受熔融体的侵蚀，延长冷坩埚炉体的使用寿命。
本实施例中，采用在电磁场内易于被感应加热的导体加热体(如钛合金环)作为冷坩埚设备的启动物质，其放置于冷坩埚炉体内的玻璃颗粒上，在高频电磁场的作用下迅速升温，之后燃烧并释放大量的热量，而玻璃颗粒吸热后熔化并形成熔池。此时，玻璃的电导率因温升而得以提高，能够满足电磁感应加热对于其电导率的要求，而当玻璃温度继续上升至其熔点以上时，其电导性基本能够达到与金属相同的水平。然后，熔池持续扩大，直至冷坩埚内的玻璃颗粒全部熔化。在整个预热启熔过程中，钛合金环完全燃烧，释放的热量不仅为玻璃种区的形成提供了能量，同时加速了整体启动的进程。
实施例2：
本实施例提供一种玻璃原料预热启熔装置，具体涉及一种用于放射性废液冷坩埚玻璃固化技术的新型启动装置，以实现冷坩埚设备的顺利启动，适用于利用冷坩埚玻璃固化技术处理放射性废液时，玻璃物料的熔融启动。
如图2所示，所述预热启熔装置包括：冷坩埚1、导体加热体3、感应线圈2和高频电源(图中未示出)。冷坩埚1炉体内部容纳有玻璃颗粒4，且玻璃颗粒4均匀放置于冷坩埚炉体内部。导体加热体3放置在玻璃颗粒4上。感应线圈2套在冷坩埚1炉体外侧。高频电源与感应线圈2电连接，其启动时能够产生高频电磁场，用于逐渐增加自身输出功率，以使得冷坩埚1内的导体加热体3在高频电磁场的作用下逐渐升温直至燃烧并释放大量的热量，从而使玻璃颗粒4吸热后熔化并形成熔池，且熔池持续扩大直至冷坩埚1内的玻璃颗粒4全部熔化。
其中，设备规格不同，对应的高频电源的参数也不同。例如，直径为600mm左右的冷坩埚，其对应的高频电源的电源频率范围为300-600kHz、输出功率范围为100-400kW。
鉴于玻璃在低温下电导率较差，无法直接被高频电磁场感应加热的问题，本实施例所述预热启熔装置在冷坩埚内的玻璃颗粒上放置导体加热体作为启动材料，其在高频电磁场的作用下迅速升温直至燃烧，释放的热量不仅形成了玻璃熔池，还使玻璃的电导率升高至满足电磁感应加热对于其电导率的要求，从而加速了整体启动的进程，而且不需要为冷坩埚增设额外的加热设备，更适合放射性废液的玻璃固化技术，对冷坩埚设备的启动和运行有着重大意义。
具体地，导体加热体3的材质应选择易于被感应加热的材料，例如石墨或钛合金等，经试验验证，钛合金是较为理想的启动材料，其释放热量大，产生的烟气少，同时兼具造价低、结构简单等特点，因此导体加热体3的材质优选采用钛合金。
该钛合金材质的导体加热体3优选采用圆环状结构，即导体加热体3优选采用钛合金环。采用钛合金环来启动冷坩埚设备，其操作简单、安全可靠，而且启动材料可以完全燃尽，能够满足冷坩埚设备的启动要求。
进一步地，为便于控制钛合金环的断裂燃烧位置，钛合金环上设置有窄缺口，该窄缺口的具体尺寸为，长8-10mm，宽1-3mm。而且，钛合金环的尺寸越大，能量利用率越高，启动时间也越短，但考虑到冷坩埚1的匹配性和操作等因素，钛合金环的外径占冷坩埚炉体内径的百分比优选为75％～85％，进一步优选为80％，即钛合金环的外径取冷坩埚1炉体内径的80％左右比较适宜。
此外，玻璃颗粒4在冷坩埚1内的堆积高度与感应线圈2沿冷坩埚1炉体高度方向的中间位置距炉体底部的高度相同或略低，即玻璃颗粒4在冷坩埚1内的堆积高度等于或略低于感应线圈2中间位置高度，以利于玻璃原料的熔融。至于玻璃颗粒4在冷坩埚1内的堆积高度可以比感应线圈2中间位置的高度低多少，则由本领域技术人员根据实际情况进行设定。
为了加速钛合金环的燃烧速率，可在钛合金环逐渐升温的过程中，向冷坩埚炉体内部持续通入氧气，直至钛合金环完全燃尽。
调节高频电源输出功率的方式采用阶梯式功率调节方式，以缓慢调节高频电源的输出功率。
阶梯式功率调节方式具体为，设备启动后，缓慢线性升高电源输出功率，钛合金环沿径向由外向内逐渐升温并变炽热，当功率升至一定值时，钛合金环开始燃烧，保持功率不变，钛合金环继续燃烧放热直至玻璃熔化形成熔池。一段时间后，钛合金环燃烧产生的热量不足以增加玻璃熔池时，提高输出功率并维持一定值，直至玻璃全部熔化。
本实施例中，所述预热启熔装置还包括：冷却水系统(图中未示出)，其套在冷坩埚1炉体外侧，用于在高频电源启动的同时启动。
启动套在冷坩埚炉体外侧的冷却水系统之后，由于炉体外壁得以冷却，使得熔融体在炉体内壁温度较低区域(＜200℃)形成一层凝固壳层(可简称为凝壳)，凝壳可保护炉体免受熔融体的侵蚀，延长冷坩埚炉体的使用寿命。
所述冷却水系统可采用水冷套管，其内通过冷却水。较优地，水冷套管与感应线圈2由内至外依次套在冷坩埚炉体外侧。
下面结合图2详细描述本实施例所述玻璃原料预热启熔装置的工作原理：
首先将玻璃颗粒4均匀放置于冷坩埚1内，玻璃颗粒4在冷坩埚1内的堆积高度与感应线圈2中间位置高度相同或略低。之后，将钛合金环3放置在玻璃颗粒4上。启动冷却水系统和高频电源，采用阶梯式功率调节方式，缓慢调节高频电源的输出功率。随着高频电源输出功率的升高，钛合金环3沿径向由外向内逐渐升温。约几分钟后，钛合金环3开始燃烧，发出耀眼的白光，并产生大量的烟气，随即钛合金环3断裂，其燃烧释放的热量使周围的玻璃颗粒4逐渐熔化。继续增加高频电源的输出功率，钛合金环3在冷坩埚1内继续燃烧直至燃尽，使得玻璃颗粒4进一步熔化，之后保持此状态不变，即保持高频电源的输出功率不变，再持续一段时间后，玻璃颗粒4全部熔化，启动过程完成，可以进行后续放射性废液煅烧物的玻璃固化处理。
本实施例中，采用在电磁场内易于被感应加热的导体加热体(如钛合金环)作为冷坩埚设备的启动物质，其放置于冷坩埚炉体内的玻璃颗粒上，在高频电磁场的作用下迅速升温，之后燃烧并释放大量的热量，而玻璃颗粒吸热后熔化并形成熔池。此时，玻璃的电导率因温升而得以提高，能够满足电磁感应加热对于其电导率的要求，而当玻璃温度继续上升至其熔点以上时，其电导性基本能够达到与金属相同的水平。然后，熔池持续扩大，直至冷坩埚内的玻璃颗粒全部熔化。在整个预热启熔过程中，钛合金环完全燃烧，释放的热量不仅为玻璃种区的形成提供了能量，同时加速了整体启动的进程。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种玻璃原料预热启熔方法，其特征在于，包括如下步骤：
将玻璃颗粒放置于冷坩埚炉体内部，再将导体加热体放置在玻璃颗粒上，以及将感应线圈套在冷坩埚炉体外侧；
启动与感应线圈电连接的高频电源，以产生高频电磁场；
逐渐增加高频电源的输出功率，以使得冷坩埚内的导体加热体在高频电磁场的作用下逐渐升温直至燃烧并释放大量的热量，从而使玻璃颗粒吸热后熔化并形成熔池，且所述熔池持续扩大直至冷坩埚内的玻璃颗粒全部熔化。
2.根据权利要求1所述的预热启熔方法，其特征在于，所述导体加热体的材质采用钛合金。
3.根据权利要求2所述的预热启熔方法，其特征在于，在导体加热体逐渐升温的过程中，向冷坩埚炉体内部持续通入氧气，直至导体加热体完全燃尽。
4.根据权利要求1所述的预热启熔方法，其特征在于，调节高频电源输出功率的方式采用阶梯式功率调节方式。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的预热启熔方法，其特征在于，在启动高频电源的同时，启动套在冷坩埚炉体外侧的冷却水系统。
6.一种玻璃原料预热启熔装置，其特征在于，包括：冷坩埚、导体加热体、感应线圈和高频电源；所述冷坩埚炉体内部容纳有玻璃颗粒；所述导体加热体放置在玻璃颗粒上；所述感应线圈套在冷坩埚炉体外侧；所述高频电源与感应线圈电连接，其启动时能够产生高频电磁场，用于逐渐增加自身输出功率，以使得冷坩埚内的导体加热体在高频电磁场的作用下逐渐升温直至燃烧并释放大量的热量，从而使玻璃颗粒吸热后熔化并形成熔池，且所述熔池持续扩大直至冷坩埚内的玻璃颗粒全部熔化。
7.根据权利要求6所述的预热启熔装置，其特征在于，所述导体加热体采用钛合金环。
8.根据权利要求7所述的预热启熔装置，其特征在于，所述钛合金环上设置有窄缺口。
9.根据权利要求7所述的预热启熔装置，其特征在于，所述钛合金环的外径占冷坩埚炉体内径的百分比为75％～85％。
10.根据权利要求6所述的预热启熔装置，其特征在于，所述玻璃颗粒在冷坩埚内的堆积高度与所述感应线圈沿冷坩埚炉体高度方向的中间位置距炉体底部的高度相同或略低。
11.根据权利要求6-10中任一项所述的预热启熔装置，其特征在于，所述预热启熔装置还包括：冷却水系统，其套在冷坩埚炉体外侧，用于在所述高频电源启动的同时启动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190510 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |