CN114112078B - 玻璃熔体温度直接测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种玻璃熔体温度直接测量装置，该玻璃熔体温度直接测量装置由水冷部、连接部和测量部组成，测量部由耐腐蚀的铂金材料制成，水冷部和连接部通有冷却水，在外壁上形成一层玻璃凝壳，使水冷部和连接部不直接接触熔融态玻璃，使水冷部和连接部免受熔融态玻璃腐蚀，增加了玻璃熔体温度直接测量装置的使用寿命。在连接部和测量部连接的位置有测温热电偶，通过该处温度调整冷却水流量，保证连接部和测量部连接位置的充分冷却使该处形成玻璃凝壳以保护该处免受玻璃液腐蚀。优选测量部玻璃套管的长度和厚度，综合考虑连接部水冷、高频感应加热对测量部玻璃熔体测量点温度的影响，提高了玻璃熔体温度直接测量装置测量玻璃熔体温度精度。
Description
技术领域
本发明属于玻璃熔体温度直接测量装置，特别是高腐蚀性的放射性废物固化玻璃熔体温度的直接测量。
背景技术
放射性废物玻璃固化是目前唯一实现工程化应用的放射性废物固化方法。玻璃固化技术已经发展了四代玻璃固化熔炉：罐式法、感应加热金属热坩埚、焦耳加热陶瓷炉和冷坩埚。冷坩埚玻璃固化技术具有寿命长、处理温度高、退役简单等特点，逐渐成为玻璃固化技术的发展重点，并且该技术在法、俄等国已经得到了工程化应用。冷坩埚埚体由扇形板或者管组成，扇形板或者管之间填充绝缘材料，采用高频感应加热，扇形板或管内通冷却水，使埚体内壁覆盖一层玻璃凝壳，玻璃凝壳保护埚壁免受高温玻璃熔体腐蚀，从而延长冷坩埚使用寿命。
冷坩埚内的玻璃熔体温度控制是冷坩埚玻璃固化的关键技术。玻璃熔体电阻率变化将导致感应加热冷坩埚玻璃固化系统的阻抗匹配发生变化，影响感应加热电源的功率输出，进一步导致玻璃熔体温度的变化，而玻璃熔体的电阻率与熔体温度密切相关。因此准确测量温度并控制熔体温度是冷坩埚玻璃固化系统能否顺利进行玻璃熔炼的关键。
冷坩埚玻璃固化熔炉中的玻璃熔体有很强的腐蚀性，普通测温热电偶浸没到熔体中其热电偶套管很快被熔体腐蚀。在放射性废物玻璃固化的操作中，频繁的更换测温热电偶给玻璃固化操作带来诸多不便。因此，冷坩埚放射性废物玻璃固化的玻璃熔体温度测量需要一种能耐高温熔体腐蚀的温度测量装置，以提高熔体测温装置的使用寿命，减少放射性条件下的远程维修及更换温度测量装置次数。
为解决热电偶的高温耐腐蚀问题，目前主要采用选择高温耐腐蚀的材料制作热电偶套管及制作保护套管水冷的方式来增加热电偶的使用寿命。
中国专利CN203908697U公开了一种固定式耐腐蚀热电偶，该热电偶套管为钢管，钢管外设置保护层，保护层由硅酸铝毡和耐火水泥组成，硅酸铝毡包覆在钢管外壁，耐火水泥包覆在硅酸铝毡外。与普通热电偶相比，该专利热电偶在铝溶液中的寿命为普通热电偶的3倍。由于冷坩埚玻璃固化的处理对象是2-5mol/L的硝酸盐溶液，玻璃固化基材为硼硅酸盐，而硅酸铝毡及耐火水泥均为硼硅酸盐玻璃组分，故该专利热电偶不能用于冷坩埚玻璃固化的玻璃熔体温度测量。
法国原子能委员会专利US20090265131A1/CN101379002A提出一种测量水冷旋转机械搅拌器中冷却水从玻璃熔体中吸收的热量或电机转矩的方法来间接测量熔融玻璃的温度，水冷机械搅拌器在玻璃凝壳的保护下有较长的使用寿命，这种测量方式避免了测温热电偶套管直接接触玻璃熔体。但是该方法属于玻璃熔体温度间接测量，温度测量精确度不高。
英国专利GB1120547公开了一种温度测量装置，用于燃烧嘴的温度控制。该温度测量装置分为冷却段和测量段两部分。在冷却段，中心为通热电偶的孔，孔的外侧为冷却水回路，降低冷却段温度以提升抗腐蚀能力。测量段通过螺纹连接在冷却段上，由于测量段使用普通材质，在高温下仍然容易被腐蚀。
法国原子能委员会专利US8182146B2/CN101317077A提出一种温度测量测量棒，用于测量放射性玻璃固化工艺中玻璃熔体温度的直接测量。其结构包括水冷不锈钢套管和铂金套管，其中水冷不锈钢套管分成两部分，每一部分有一个独立的冷却回路，冷却回路有一根进水管和一根出水管，进水管和出水管通过楔形块压紧。两部分之间通过氧化铝绝缘垫片隔开防止在高温玻璃熔体中产生电化学腐蚀作用。在水冷不锈钢套管和铂金套管的结合部分，使用氧化铝衬垫将二者隔开防止电化学腐蚀作用。该方法可以实现玻璃熔体的直接测量，其缺点一是双冷却回路造成结构复杂且对不锈钢套管冷却不充分；二是水冷不锈钢套管和铂金套管之间的结合部不能充分冷却，影响该部分的耐腐蚀性；三是该设计未考虑在高频感应加热条件下结合部不锈钢和铂金之间产生电弧，影响铂金套管的使用寿命。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种玻璃熔体温度直接测量装置，适用于高温玻璃熔体温度的直接测量，尤其是玻璃熔体腐蚀性很强的放射性废物感应加热冷坩埚玻璃固化领域。该玻璃熔体温度直接测量装置主要包括三个部分，分别是水冷部、连接部和测量部。水冷部由内管、螺旋管、外管、冷却水进水管和冷却水出水管组成。连接部由水腔、陶瓷垫片及陶瓷套组成。测量部由铂金套管、陶瓷内衬和两对铂铑合金热电偶组成。该玻璃熔体温度直接测量装置通过水冷提高水冷部及连接部的抗腐蚀性，提高使用寿命，合理选取铂金套管的长度和厚度以尽量减少感应加热和水冷部对温度测量精度的影响，实时监控冷却水进水和回水温度监控熔体测温的准确性，连接部测温则确保连接部形成玻璃凝壳，防止在连接部产生电弧效应导致铂金套管损伤。
本发明所采用的技术方案如下：
一种玻璃熔体温度直接测量装置，包括依次连接的水冷部、连接部和测量部；
所述的水冷部包括内管、螺旋管、外管、冷却水进水管和冷却水出水管，所述的螺旋管缠绕在所述的内管上，所述的外管套设在所述的螺旋管外，所述的螺旋管上设有供所述的冷却水进水管穿过的进水口，以及供冷却水进入连接部水腔的出水孔；
所述的连接部为中空圆柱体，该连接部的一端焊接在所述的水冷部一端外，内部形成用于容纳冷却水的水腔，该连接部的另一端由固定瓣和可分离瓣拼装而成，所述的固定瓣和可分离瓣上分别设有凹槽，二者拼装后合并的凹槽可容纳陶瓷绝缘套组件，凹槽下端开有通孔；所述的陶瓷绝缘套组件由陶瓷垫片和陶瓷绝缘套组成，所述的陶瓷垫片的中央设有通孔，所述的陶瓷绝缘套的底部中央设有通孔；
所述的测量部包括铂金套管、第一热电偶和第二热电偶，所述的铂金套管的一端封闭，另一端具有凸缘，该凸缘的中央设有供所述的第一热电偶穿过的通孔，所述的凸缘放置在所述的陶瓷绝缘套组件内；
所述的第一热电偶通过所述的水冷部的内管依次穿过所述的陶瓷垫片通孔、测量部凸缘通孔至所述的铂金套管的封闭端，即玻璃熔体温度测量点，用于测量玻璃熔体温度；
所述的第二热电偶通过所述的水冷部的内管依次穿过所述的陶瓷垫片通孔、测量部凸缘通孔至所述的测量部凸缘通孔下端，用于测量连接部温度。
所述的测量部铂金套管内壁上设有陶瓷内衬。
所述的连接部陶瓷绝缘套及陶瓷垫片为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷或石英陶瓷。
所述的内管采用304或316不锈钢材料制成，内径为12-22mm，壁厚为1-2mm，长度视使用场景而定，所述的外管由304或316不锈钢材料制成，内径为22-35mm，壁厚为1-3mm，长度视使用场景而定；所述的螺旋管尺寸为矩形截面长10-20mm，宽10-20mm，壁厚0.6-2mm，下端开有5-8个出水孔，直径为3-6mm，使用材料为不锈钢304或316。
所述的连接部的外径为22-45mm，壁厚为1-3mm，高度为40-80mm，水腔高度为20-60mm，凹槽内径30-40mm，高度10-30mm，凹槽下端开孔内径为12-22mm。
所述的陶瓷绝缘套上端外径25-40mm，厚度1-3mm，高度9-15mm，下端通孔外径15-20mm，壁厚1-3mm，高度2-5mm，所述的陶瓷垫片外径为16-40mm，中央通孔直径10-16mm，厚度为2-4mm。
所述的铂金套管长度为60-150mm，外径8-12mm，壁厚为1-3mm，所述的凸缘直径20-38mm，厚度2-6mm，铂金套管内衬厚度为1-2mm的氧化铝陶瓷套。
所述的第一热电偶和第二热电偶为铂铑合金热电偶，采用氧化铝陶瓷套保护，该氧化铝陶瓷套外径为6-10mm。
所述的水冷部和连接部通过焊接连接；所述的连接部和测量部的安装方式为：铂金套管通过陶瓷套下端孔插入陶瓷套，使安装凸缘进入陶瓷套内，盖上陶瓷垫片，然后放入凹槽内，盖上可分离瓣并焊接，插入第二热电偶至测量部安装凸缘通孔的下端，插入第一热电偶至玻璃熔体温度测量点。
本发明的有益效果是：
1)水冷部及连接部水冷，测量部使用耐腐蚀的铂金材料，在测量玻璃熔体温度时在水冷部和测量部形成玻璃凝壳避免受到玻璃熔体腐蚀，延长使用寿命。
2)测量连接部的温度，以控制连接部形成的玻璃凝壳厚度，保护铂金套管和连接部之间的陶瓷套管，防止陶瓷套管开裂造成感应加热条件下连接部和铂金套管之间发生电弧而导致铂金套管损坏。
3)优选铂金套管的长度及厚度，使感应加热对铂金套管温度的升高作用和连接部水冷对铂金套管温度的降低作用相互抵消，增加了测量玻璃熔体温度的准确度。
附图说明
图1是玻璃熔体温度直接测量装置示意图
图2是玻璃熔体温度直接测量装置剖面图
图3是玻璃熔体温度直接测量装置的不锈钢内管和螺旋管结构示意图
图4是玻璃熔体温度直接测量装置测量部铂金套管结构示意图
图5是陶瓷绝缘套和垫片结构示意图
图6是玻璃熔体温度直接测量装置的测量部结构图
图7是玻璃熔体温度直接测量装置安装示意图
图8是本发明直接测量玻璃熔体温度和石英玻璃管插入热电偶直接测量玻璃熔体温度数据对比图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述：
参见如图1所示，由图可见，本发明玻璃熔体温度直接测量装置，包括水冷部1、连接部2、测量部3、冷却水进水管4、第一热电偶5、第二热电偶6和冷却水出水管7。
参阅图2，所述水冷部1由316不锈钢内管13、螺旋管8和316不锈钢外管14组成，所述316不锈钢内管13长度为1350mm，内径12mm，壁厚1mm；所述316不锈钢外管14长度为1300mm，内径34mm，壁厚2mm；螺旋管8矩形截面尺寸为10mm×10mm，壁厚1mm。所述连接部3由水腔9和安装凹槽11组成，所述的水腔9内部有效高度为24mm，水腔壁厚为3mm。所述安装凹槽11内径为36mm，高度为12mm。
所述凹槽内放有陶瓷套10、陶瓷垫片12和测量部3的铂金套管上端安装凸缘，第二热电偶6用于测量陶瓷测量部3和连接部2连接部位的温度，第一热电偶5用于测量反映玻璃液温度的测量部3铂金套管底端温度。
参见图3，所述螺旋管8下端开有7个直径为5mm的出水孔15，冷却水沿图示实线从螺旋管内部流动，经出水孔15进入连接部水腔，随后沿图示虚线在螺旋管8、不锈钢内管13和不锈钢外管14之间的通道流出。
参见图4，所述的连接部起到连接水冷部和测量部的作用，其上端与水冷部焊接，其下端分为固定瓣16和可分离瓣17，固定瓣16在连接部2上，可分离瓣17在安装测量部3之前与连接部2是分离的，固定瓣16和可分离瓣17均开有凹槽11和孔18，所述凹槽11内径36mm，高度为12mm，所述孔18内径为18mm，用于安装测量部3。
参见图5，所述陶瓷垫片12为氧化铝陶瓷，其外径为36mm，内部孔19-1直径为12mm，厚度3mm；所述陶瓷套10为氧化铝陶瓷，其上端外径为36mm，内径为32mm，高度为6mm，下端孔20外径为18mm，内径为14mm。
参见图6，所述测量部3铂金套管由安装凸缘21、铂金套22、铂金套内衬氧化铝陶瓷套23、玻璃熔体温度测量点24组成。所述安装凸缘21外径32mm，厚度6mm。所述铂金套管壁厚1mm，长度90mm，外径12mm，所述内衬氧化铝陶瓷套外径10mm，壁厚1mm。
参见图7，对本发明玻璃熔体温度直接测量装置的安装进行进一步描述。铂金套管22插入氧化铝陶瓷套10，使安装凸缘21进入氧化铝陶瓷套内，盖上氧化铝陶瓷垫片12，然后放入凹槽11内，盖上连接部可分离瓣17并焊接，插入第一热电偶5至玻璃熔体温度测量点24，插入第二热电偶6进入铂金套管22至凸缘21通孔19-2下端，用于监控测量部与连接部结合部位以保护测量部。
本发明玻璃熔体温度直接测量装置的玻璃熔体温度测量准确度验证过程说明如下：
为验证本发明玻璃熔体温度直接测量的准确性，特准备一对由氧化铝陶瓷套管保护的参考铂铑合金热电偶，该热电偶测量的玻璃熔体温度作为本发明玻璃熔体温度直接测量装置测量值的参考。为防止玻璃液腐蚀氧化铝陶瓷套管造成铂铑合金热电偶短路，将该参考热电偶插入一次性石英玻璃管内，石英玻璃管作为铂铑合金热电偶的保护层以保证该参考热电偶在整个实验过程中能正常工作。在实验前，将本发明玻璃熔体温度直接测量装置通入冷却水，随后将参考热电偶和本发明玻璃熔体温度直接测量装置同时放入已经熔化磷酸盐玻璃的高频感应加热冷坩埚内，并确保二者在冷坩埚玻璃熔体中的位置在同一高度上。将两个温度测量数据数显表显示并记录，实验中二者的测量温度数据对比见图8，由图8可以看出，本发明玻璃熔体温度直接测量装置显示数据和石英管保护的热电偶直接测温数据非常接近，证明本发明能够准确测量高频感应加热条件下玻璃熔体的温度测量。在实验结束后，取出本发明玻璃熔体温度直接测量装置和参考热电偶，本发明玻璃熔体温度直接测量装置的水冷部和连接部由于有冷却水冷却，在玻璃熔体中形成冷壳，有效的保护了本发明温度测量装置免受磷酸盐玻璃熔体的腐蚀。本发明温度测量装置的测量部由耐腐蚀的铂金材料制成，也未受到磷酸盐玻璃熔体的腐蚀。而参考热电偶在取出后，石英玻璃管有明显腐蚀且在玻璃液淹没部分炸裂。因此，本发明玻璃熔体温度直接测量装置和参考热电偶测量玻璃熔体温度的对比实验证明，本发明玻璃熔体温度直接测量装置能够准确测量玻璃熔体温度且能耐受玻璃熔体对本发明温度测量装置的腐蚀。
Claims (9)
1.一种玻璃熔体温度直接测量装置，其特征在于，包括依次连接的水冷部（1）、连接部（2）和测量部（3）；
所述的水冷部（1）包括内管（13）、螺旋管（8）、外管（14）、冷却水进水管（4）和冷却水出水管（7），所述的螺旋管（8）缠绕在所述的内管（13）上，所述的外管（14）套设在所述的螺旋管（8）外，所述的螺旋管（8）上设有供所述的冷却水进水管（4）穿过的进水口，以及供冷却水进入连接部水腔的出水孔（15）；
所述的连接部（2）为中空圆柱体，该连接部（2）的一端焊接在所述的水冷部（1）一端外，内部形成用于容纳冷却水的水腔（9），该连接部（2）的另一端由固定瓣（16）和可分离瓣（17）拼装而成，所述的固定瓣（16）和可分离瓣（17）上分别设有凹槽，二者拼装后合并的凹槽（11）可容纳陶瓷绝缘套组件，凹槽下端开有通孔（18）；所述的陶瓷绝缘套组件由陶瓷垫片（12）和陶瓷绝缘套（10）组成，所述的陶瓷垫片（12）的中央设有上通孔（19-1），所述的陶瓷绝缘套（10）的底部中央设有下通孔（20）；
所述的测量部（3）包括铂金套管（22）、第一热电偶（5）和第二热电偶（6），所述的铂金套管（22）的一端封闭，另一端具有凸缘（21），该凸缘（21）的中央设有供所述的第一热电偶（5）穿过的通孔（19-2），所述的凸缘（21）放置在所述的陶瓷绝缘套组件内；
所述的第一热电偶（5）通过所述的水冷部（1）的内管（13）依次穿过所述的测量部安装凸缘（21）通孔（19-2）至所述的铂金套管（22）的封闭端，即玻璃熔体温度测量点（24），用于测量玻璃熔体温度；
所述的第二热电偶（6）通过所述的水冷部（1）的内管（13）依次穿过所述的陶瓷垫片（12）上通孔（19-1）、测量部安装凸缘（21）通孔（19-2）的下端，用于测量连接部温度。
2.根据权利要求1所述的玻璃熔体温度直接测量装置，其特征在于，在所述的铂金套管（22）内壁上设有陶瓷内衬（23）。
3.根据权利要求1所述的玻璃熔体温度直接测量装置，其特征在于，所述的陶瓷绝缘套（10）及陶瓷垫片（12）为氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷或石英陶瓷。
4.根据权利要求1所述的玻璃熔体温度直接测量装置，其特征在于，所述的内管（13）采用304或316不锈钢材料制成，内径为12-22mm，壁厚为1-2mm，长度视使用场景而定，所述的外管（14）由304或316不锈钢材料制成，内径为22-35mm，壁厚为1-3mm，长度视使用场景而定；所述的螺旋管（8）尺寸为矩形截面长10-20mm，宽10-20 mm，壁厚0.6-2mm，下端开有5-8个出水孔（15），直径为3-6mm，使用材料为不锈钢304或316。
5.根据权利要求1所述的玻璃熔体温度直接测量装置，其特征在于，所述的连接部（2）的外径为22-45mm，壁厚为1-3mm，高度为40-80mm，水腔（9）高度为20-60mm，凹槽（11）内径30-40mm，高度10-30mm，凹槽（11）下端通孔（18）内径为12-22mm。
6.根据权利要求1所述的玻璃熔体温度直接测量装置，其特征在于，所述的陶瓷绝缘套（10）上端外径25-40mm，厚度1-3mm，高度9-15mm，下通孔（20）外径15-20mm，壁厚1-3mm，高度2-5mm，所述的陶瓷垫片（12）外径为16-40mm，上通孔（19-1）直径10-16mm，厚度为2-4mm。
7.根据权利要求2所述的玻璃熔体温度直接测量装置，其特征在于，所述的铂金套管（22）长度为60-150mm，外径8-12mm，壁厚为1-3mm，所述的凸缘（21）直径20-38mm，厚度2-6mm，铂金套管内衬（23）厚度为1-2mm的氧化铝陶瓷套。
8.根据权利要求1所述的玻璃熔体温度直接测量装置，其特征在于，所述的第一热电偶（5）和第二热电偶（6）为铂铑合金热电偶，采用氧化铝陶瓷套保护，该氧化铝陶瓷套外径为6-10mm。
9.根据权利要求1-8任一所述的玻璃熔体温度直接测量装置，其特征在于，所述的水冷部（1）和连接部（2）通过焊接连接；所述的连接部（2）和测量部（3）的安装方式为：铂金套管（22）通过下通孔（20）插入陶瓷套（10），使安装凸缘（21）进入陶瓷套（10）内，盖上陶瓷垫片（12），然后放入凹槽（11）内，盖上可分离瓣（17）并焊接，插入第二热电偶（6）至测量部安装凸缘（21）通孔（19-2）的下端，插入第一热电偶（5）至玻璃熔体温度测量点（24）。
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