CN113429115B - 坩埚及用于其腔体的感应线圈、物料处理设备 - Google Patents

Abstract

一种坩埚及用于其腔体的感应线圈、物料处理设备。腔体限定出加热腔，感应线圈环绕加热腔以产生对加热腔内的物料进行加热的磁场，其中，感应线圈具有沿竖直方向分布的第一线圈组、第二线圈组以及第三线圈组，第二线圈组位于第一线圈组以及第三线圈组之间，第一线圈组、第二线圈组以及第三线圈组均包括沿竖直方向分布的多匝子线圈，第一线圈组以及第三线圈组的匝距均小于第二线圈组的匝距。这种坩埚及用于其腔体的感应线圈、物料处理设备使得加热腔在竖直方向上的不同区域温度分布均匀。

Description

坩埚及用于其腔体的感应线圈、物料处理设备

技术领域

本申请涉及坩埚技术领域，具体涉及一种坩埚及用于其腔体的感应线圈、物料处理设备。

背景技术

坩埚可以对物料进行高温加热处理，例如，坩埚可以为冷坩埚。冷坩埚玻璃固化技术具有工作温度高、处理范围广、使用寿命长、熔体均一、设备体积小、退役容易等特点。冷坩埚玻璃固化技术不仅可用于核电站产生的固体废物、树脂、浓缩物等低、中水平放射性废物；还可用于高水平放射性废液及其它一些腐蚀性较强的难处理废物。因此，该技术的研究进展受到广泛关注。在核电运行中，势必产生大量放射性废物。其中，乏燃料后处理及其产生的高水平放射性废液，由于具有放射性比活度高、释热率高、并含有一些半衰期长、生物毒性高的核素等特点，其处理处置成为制约核电及核燃料循环工业可持续发展的关键问题之一。冷坩埚玻璃固化技术作为一种新的核废物处理技术，在核电废物和高水平放射性废液处理方面，有其独特的优势。

冷坩埚是由数个弧形块或管组成的圆形或椭圆形容器，弧形块或管内通入冷却水以保持冷壁，各个弧形块或管间缝隙充填绝缘物质，通过电磁场对其内部物料进行加热，冷坩埚外有由铜管绕制而成的水冷线圈。由于冷坩埚采用水冷结构，因而在靠近冷却管温度低的区域会形成一层固态玻璃壳层，避免了熔融物对冷坩埚的腐蚀。冷坩埚玻璃固化系统主要包括：冷坩埚、进料子系统、玻璃出料子系统、烟气净化子系统及仪表控制系统等。冷坩埚玻璃固化工艺主要有三种形式，分别为：两步法玻璃固化工艺、一步法玻璃固化工艺和一步法焚烧玻璃固化工艺。两步法玻璃固化工艺是先将废液在锻烧炉内煅烧后与玻璃基料混合，送人冷坩埚；一步法玻璃固化工艺是废液与玻璃基料直接送入冷坩埚；一步法焚烧玻璃固化工艺是将可燃固体废物与玻璃基料混合后，送入冷坩埚。前两种工艺主要用于处理废液，后一种工艺主要用于处理固体废物。

根据使用方式不同，可以把电磁冷坩埚分为间歇式和连续铸造式2种，但是基本原理一样，主要由水冷坩埚、电源和其它辅助设施组成。坩埚外绕有螺旋式感应线圈，感应线圈与电源相连，以产生交变电磁场。当线圈通入交变电流时，在线圈内部和周围产生1个交变电磁场。由于冷坩埚的每根金属管之间彼此绝缘，所以每根管内都产生感应电流。当感应线圈的瞬问电流为逆时针方向时，则在每根管的截面内同时产生顺时针方向的感生电流，相邻两管的截面上电流方向则相反，彼此在管问建立的磁场方向相同，向外表现为磁场增强效应。因此冷坩埚的每一缝隙处都是1个强磁场，冷坩埚如同强流器一样，将磁力线聚集到坩埚内的物料上，坩埚内的物料就被这个交变磁场的磁力线所切割。根据电磁场理论，坩埚内的物料中就产生感应电动势，由于感应电动势的存在，物料的熔体表面薄层内将形成封闭的电流回路。通常把这种电流称为涡流，涡流的大小服从欧姆定律。由于涡流回路的电阻通常很小，故能达到很高的值，使涡流回路产生大量的热，从而使金属熔化，其热量可由欧姆定律确定。

冷坩埚的电磁场由感应线圈产生，然而，相关技术中冷坩埚的感应线圈的匝距的分布相对比较均匀，这种匝距分布均匀的感应线圈在冷坩埚内产生的磁场会导致冷坩埚内温度分布确不是均匀的，具体地，会使得冷坩埚中部的温度高，而两端的温度较低，不便于冷坩埚对物料进行处理。

相关技术中，利用感应线圈来产生热量的坩埚由于其感应线圈包括竖直方向布置的多匝线圈，且匝距分布均匀，导致坩埚的加热腔内竖直方向上的温度不够均匀，影响坩埚对物料的处理效果，从而影响用户的使用体验。

发明内容

根据本申请的第一个方面，提供了一种用于坩埚的腔体的感应线圈，所述腔体限定出加热腔，所述感应线圈环绕所述加热腔以产生对所述加热腔内的物料进行加热的磁场，其中，所述感应线圈具有沿竖直方向分布的第一线圈组、第二线圈组以及第三线圈组，所述第二线圈组位于所述第一线圈组以及所述第三线圈组之间，所述第一线圈组、所述第二线圈组以及所述第三线圈组均包括沿竖直方向分布的多匝子线圈，所述第一线圈组以及所述第三线圈组的匝距均小于所述第二线圈组的匝距。

可选地，所述第一线圈组以及所述第三线圈组中位于所述第二线圈组上方的一个的匝距，大于，所述第一线圈组以及所述第三线圈组中位于所述第二线圈组下方的一个的匝距。

可选地，所述第一线圈组以及所述第三线圈组中位于所述第二线圈组下方的一个在竖直方向上的长度，大于，所述第一线圈组以及所述第三线圈组中位于所述第二线圈组上方的一个以及所述第二线圈组在竖直方向上的长度和。

可选地，所述第一线圈组以及所述第三线圈组中位于所述第二线圈组上方的一个在竖直方向上的长度，小于，所述第二线圈组在竖直方向上的长度。

可选地，位于最上方的所述子线圈以及位于最下方的所述子线圈与电源连接，且相邻的任意两匝所述子线圈电连接，以使所述电源输出的用于产生所述磁场的电能传递至任一匝所述子线圈。

可选地，任一匝所述子线圈与电源连接，以使所述电源输出的用于产生所述磁场的电能传递至任一匝所述子线圈。

可选地，任一匝所述子线圈位于同一方向的一端与所述电源连接。

可选地，所述磁场透过所述腔体后使所述物料产生所述加热的热量。

可选地，所述磁场使所述腔体产生所述加热的热量。

根据本申请的第二个方面，提供了一种坩埚，包括：腔体，所述腔体限定出用于对物料进行加热的加热腔；上述任一所述感应线圈，所述感应线圈环绕所述加热腔以产生对所述加热腔内的物料进行加热的磁场。

根据本申请的第三个方面，提供了一种物料处理设备，其中，包括：炉具，所述炉具将放射性物料加热成浆状或粉末状；上述的坩埚，用于接收并加热玻璃基料以及浆状或粉末状的所述放射性物料，以获得固化玻璃。

附图说明

通过下文中参照附图对本申请所作的描述，本申请的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本申请有全面的理解。

图1是根据本申请一个实施例的感应线圈与腔体的装配图；

图2是根据本申请一个实施例的感应线圈与电源的装配图；

图3是根据本申请另一个实施例的感应线圈与电源的装配图；

图4是根据本申请一个实施例的物料处理设备的结构示意图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本申请的实施例提供了一种用于坩埚的腔体200的感应线圈100，图1是根据本申请一个实施例的感应线圈100与腔体200的装配图。

腔体200限定出加热腔210，加热腔210可以具有开口，坩埚还可以包括用于开闭开口的盖体(图中未示出)，加热腔210用于将物料加热成熔体。

可以理解地，坩埚可以为冷坩埚，冷坩埚是利用电源产生高频电流，再通过感应线圈(可以为高频感应线圈)转换成电磁流透入待加热物料内部形成涡流产生热量，实现物料的直接加热熔融。冷坩埚的腔体200是由通冷却水的金属弧形块或管组成的容器，容器形状主要有圆形或椭圆形，冷坩埚工作时金属管内连续通冷却水，冷坩埚内熔融物的温度可高达2000℃以上，但腔体200的壁面仍保持较低温度(一般小于200℃)，使其在运行过程中物料在其内壁面形成低温区域形成一层固态的壳。冷坩埚不需要耐火材料，不用电极加热，形成的固态的壳可以减少物料对冷坩埚的腐蚀作用，延长冷坩埚的使用寿命，使得冷坩埚可以对腐蚀性物料进行处理，其中，冷坩埚的卸料口可以位于加热腔210的底部。

冷坩埚工作时，感应线圈通入交变电流，在感应线圈内部和周围产生一个交变电磁场。由于冷坩埚的每根金属管之间彼此绝缘，所以每根管内都产生感应电流，相邻两管的截面上电流方向则相反，彼此在管间建立的磁场方向相同，向外表现为磁场增强效应。因此冷坩埚的每一缝隙处都是一个强磁场，冷坩埚如同强流器一样，将磁力线聚集到坩埚内的物料上，坩埚内的物料就被这个交变的磁场的磁力线所切割，坩埚内的物料中就产生感应电动势，由于感应电动势的存在，物料的熔体表面薄层内将形成封闭的电流回路，由于涡流回路产生大量的热，从而使物料熔化。

其中，冷坩埚可以用于两步法玻璃固化工艺，两步法玻璃固化工艺中，先使放射性待处理物料在回转煅烧炉中经过预处理，转化为泥浆或者固体粉末状态，然后将预处理后物料与玻璃基料一起加入冷坩埚，并在冷坩埚内熔融成玻璃，由此，可以避免放射性物质对环境的危害。

如图1所示，感应线圈100环绕加热腔210以产生对加热腔210内的物料进行加热的磁场，由于对加热腔210内的物料进行加热的热量由感应线圈产生，因此，感应线圈100的具体构造对加热腔210内的温度分布具有较大的影响。相关技术中，感应线圈由多匝子线圈组成，且多匝子线圈间的匝距相同。然而，发明人发现这种感应线圈会使得加热腔与感应线圈中部对应的区域温度较高，而加热腔与感应线圈两端对应的区域温度较低，从而使得加热腔内温度分布不均。而加热腔内温度分布不均会产生各种问题。例如，当加热腔与感应线圈中部对应的区域温度正好满足坩埚使用需求时，加热腔与感应线圈两端对应的区域却无法满足坩埚的使用需求，从而可能会导致部分熔体温度过低，或者部分物料无法熔融成熔体等现象，进而可能会导致坩埚卸料困难；而当加热腔与感应线圈两端对应的区域却满足坩埚的使用需求时，加热腔与感应线圈中部对应的区域温度过高，从而会导致资源浪费的问题，导致坩埚对能量的利用率下降。

而发明人发现当改变感应线圈100的匝距分布时，可以有效解决加热腔210内温度分布不均的问题。

具体地，如图1所示，感应线圈100具有沿竖直方向分布的第一线圈组110、第二线圈组120以及第三线圈组130，第二线圈组120位于第一线圈组110以及第三线圈组130之间，第一线圈组110、第二线圈组120以及第三线圈组130均包括沿竖直方向分布的多匝子线圈，第一线圈组110以及第三线圈组130的匝距均小于第二线圈组120的匝距。由此，使得加热腔210在竖直方向上的不同区域温度分布均匀。

在一些实施例中，第一线圈组110以及第三线圈组130中位于第二线圈组120上方的一个的匝距，大于，第一线圈组110以及第三线圈组130中位于第二线圈组120下方的一个的匝距。

例如，当第一线圈组110位于第二线圈组120上方，且第三线圈组130位于第二线圈组120下方时，第一线圈组110的匝距大于第三线圈组130的匝距；又例如，当第一线圈组110位于第二线圈组120下方，且第三线圈组130位于第二线圈组120上方时，第三线圈组130的匝距大于第一线圈组110的匝距。

由于，物料在重力的作用下会沉积于底部，因此底部需要相对较多的热量，因此，本申请的实施例的这种设置使得底部的热量相对上部的热量较多，从而更加有效地对资源进行利用。

在本申请的其他实施例中，第一线圈组110以及第三线圈组130中位于第二线圈组120上方的一个的匝距，等于，第一线圈组110以及第三线圈组130中位于第二线圈组120下方的一个的匝距。例如，当第一线圈组110位于第二线圈组120上方，且第三线圈组130位于第二线圈组120下方时，第一线圈组110的匝距等于第三线圈组130的匝距；又例如，当第一线圈组110位于第二线圈组120下方，且第三线圈组130位于第二线圈组120上方时，第三线圈组130的匝距等于第一线圈组110的匝距。这种感应线圈100同样使得加热腔210在竖直方向上的不同区域温度分布均匀。

在一些实施例中，第一线圈组110以及第三线圈组130中位于第二线圈组120下方的一个在竖直方向上的长度，大于，第一线圈组110以及第三线圈组130中位于第二线圈组120上方的一个以及第二线圈组120在竖直方向上的长度和。

例如，当第一线圈组110位于第二线圈组120上方，且第三线圈组130位于第二线圈组120下方时，则第三线圈组130在竖直方向上的长度大于第一线圈组110以及第二线圈组120在竖直方向上的长度和；又例如，当第一线圈组110位于第二线圈组120下方，且第三线圈组130位于第二线圈组120上方时，则第一线圈组110在竖直方向上的长度大于第三线圈组130以及第二线圈组120在竖直方向上的长度和。

在坩埚的使用过程中，通常为了提高对坩埚的空间资源的利用率以及提高对能源的利用率，会使足够量的物料在坩埚内反应，而足够多的物料会在坩埚的加热腔210内堆积相对较长的竖直方向上的距离，因此，本申请实施例提供的这种感应线圈100适用于这类空间利用率高以及能源利用率高的工况。

在本申请的其他实施例中，第一线圈组110以及第三线圈组130中位于第二线圈组120下方的一个在竖直方向上的长度，等于，第一线圈组110以及第三线圈组130中位于第二线圈组120上方的一个以及第二线圈组120在竖直方向上的长度和。例如，当第一线圈组110位于第二线圈组120上方，且第三线圈组130位于第二线圈组120下方时，则第三线圈组130在竖直方向上的长度等于第一线圈组110以及第二线圈组120在竖直方向上的长度和；又例如，当第一线圈组110位于第二线圈组120下方，且第三线圈组130位于第二线圈组120上方时，则第一线圈组110在竖直方向上的长度等于第三线圈组130以及第二线圈组120在竖直方向上的长度和。这种感应线圈100同样使得加热腔210在竖直方向上的不同区域温度分布均匀。

在本申请的一些实施例中，第一线圈组110以及第三线圈组130中位于第二线圈组120上方的一个在竖直方向上的长度，小于，第二线圈组120在竖直方向上的长度。

例如，当第一线圈组110位于第二线圈组120上方时，第一线圈组110在竖直方向上的长度小于第二线圈组120在竖直方向上的长度；又例如，当第三线圈组130位于第二线圈组120上方时，第三线圈组130在竖直方向上的长度小于第二线圈组120在竖直方向上的长度。可以理解地，加热腔210的上部空间的利用率相对较低，当第一线圈组110以及第三线圈组130中位于第二线圈组120上方的一个在竖直方向上的长度过长时，则容易出现加热资源浪费的现象，因此，本申请实施例提供的这种感应线圈100能提高资源利用率。

在本申请的其他实施例中，第一线圈组110以及第三线圈组130中位于第二线圈组120上方的一个在竖直方向上的长度，等于，第二线圈组120在竖直方向上的长度。例如，当第一线圈组110位于第二线圈组120上方时，第一线圈组110在竖直方向上的长度等于第二线圈组120在竖直方向上的长度；又例如，当第三线圈组130位于第二线圈组120上方时，第三线圈组130在竖直方向上的长度等于第二线圈组120在竖直方向上的长度。这种感应线圈100同样使得加热腔210在竖直方向上的不同区域温度分布均匀。

图2是根据本申请一个实施例的感应线圈100与电源400的装配图，可以理解地，图2中仅示出了感应线圈100的第一线圈组110。在本申请的一些实施例中，位于最上方的子线圈以及位于最下方的子线圈与电源400连接，且相邻的任意两匝子线圈电连接，以使电源400输出的用于产生磁场的电能传递至任一匝子线圈。由此，减少了感应线圈100的装置过程，提升了用户体验。

图3是根据本申请另一个实施例的感应线圈100与电源400的装配图，可以理解地，图3中仅示出了感应线圈100的第一线圈组110。在本申请的另一些实施例中，任一匝子线圈与电源400连接，以使电源400输出的用于产生磁场的电能传递至任一匝子线圈。由此，可以避免其中一匝子线圈损坏时，整个感应线圈100全部无法产生热量，从而保证坩埚的正常运行，提升用户体验。

其中，任一匝子线圈位于同一方向的一端与电源400连接，从而避免感应线圈造成空间资源浪费的现象，并且便于与电源400间的走线。

在本申请的一些实施例中，磁场透过腔体200后使物料产生加热的热量，即物料本身可以在磁场的作用下产生热量，例如物料可以为具有放射性的碳等。在另一些实施例中，磁场使腔体200产生加热的热量，即腔体200在磁场的作用下产生热量。

本申请的实施例还提供了一种坩埚，坩埚包括腔体200以及上述任一感应线圈100。

腔体200限定出用于对物料进行加热的加热腔210，感应线圈100环绕加热腔210以产生对加热腔210内的物料进行加热的磁场。其中，坩埚的其他相关内容可以参照前述实施例，在此不再赘述。

本申请的实施例还提供了一种物料处理设备10，图4是根据本申请一个实施例的物料处理设备10的结构示意图，物料处理设备10包括炉具300以及上述坩埚。

炉具300将放射性物料加热成浆状或粉末状，坩埚用于接收并加热玻璃基料以及浆状或粉末状的所述放射性物料，以获得固化玻璃。

其中，炉具300可以为回转煅烧炉，回转煅烧炉传热过程主要包括炉内、炉壁和炉外三部分。回转炉内的温度依次分几个不同温度逐渐升高的区域，物料在炉内高温状态下持续时间长，炉内气体湍流程度高，搅拌效果好，且气、固体接触良好，物料在回转炉高温状态下持续时间长，有利于物料煅烧处理，炉内无移动的机械组件，操作稳定，控制方便，能实现连续出料，产生的二次废物较少，同时煅烧后的氧化物比表面积大，易于后续固化处理。

对于本申请的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于坩埚的腔体(200)的感应线圈(100)，所述腔体(200)限定出加热腔(210)，所述感应线圈(100)环绕所述加热腔(210)以产生对所述加热腔(210)内的物料进行加热的磁场，其中，

所述感应线圈(100)具有沿竖直方向分布的第一线圈组(110)、第二线圈组(120)以及第三线圈组(130)，所述第二线圈组(120)位于所述第一线圈组(110)以及所述第三线圈组(130)之间，所述第一线圈组(110)、所述第二线圈组(120)以及所述第三线圈组(130)均包括沿竖直方向分布的多匝子线圈，所述第一线圈组(110)以及所述第三线圈组(130)的匝距均小于所述第二线圈组(120)的匝距；

所述第一线圈组(110)以及所述第三线圈组(130)中位于所述第二线圈组(120)上方的一个在竖直方向上的长度，小于，所述第二线圈组(120)在竖直方向上的长度。

2.根据权利要求1所述的感应线圈(100)，其中，

所述第一线圈组(110)以及所述第三线圈组(130)中位于所述第二线圈组(120)上方的一个的匝距，大于，所述第一线圈组(110)以及所述第三线圈组(130)中位于所述第二线圈组(120)下方的一个的匝距。

3.根据权利要求1所述的感应线圈(100)，其中，

所述第一线圈组(110)以及所述第三线圈组(130)中位于所述第二线圈组(120)下方的一个在竖直方向上的长度，大于，所述第一线圈组(110)以及所述第三线圈组(130)中位于所述第二线圈组(120)上方的一个以及所述第二线圈组(120)在竖直方向上的长度和。

4.根据权利要求1所述的感应线圈(100)，其中，

位于最上方的所述子线圈以及位于最下方的所述子线圈与电源(400)连接，且相邻的任意两匝所述子线圈电连接，以使所述电源(400)输出的用于产生所述磁场的电能传递至任一匝所述子线圈。

5.根据权利要求1所述的感应线圈(100)，其中，

任一匝所述子线圈与电源(400)连接，以使所述电源(400)输出的用于产生所述磁场的电能传递至任一匝所述子线圈。

6.根据权利要求5所述的感应线圈(100)，其中，

任一匝所述子线圈位于同一方向的一端与所述电源(400)连接。

7.根据权利要求1所述的感应线圈(100)，其中，

所述磁场透过所述腔体(200)后使所述物料产生所述加热的热量。

8.根据权利要求1所述的感应线圈(100)，其中，

所述磁场使所述腔体(200)产生所述加热的热量。

9.一种坩埚，包括：

腔体(200)，所述腔体(200)限定出用于对物料进行加热的加热腔(210)；

如权利要求1至8中任一项所述感应线圈(100)，所述感应线圈(100)环绕所述加热腔(210)以产生对所述加热腔(210)内的物料进行加热的磁场。

10.一种物料处理设备(10)，其中，包括：

炉具(300)，所述炉具(300)将放射性物料加热成浆状或粉末状；

如权利要求9所述的坩埚，用于接收并加热玻璃基料以及浆状或粉末状的所述放射性物料，以获得固化玻璃。

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