CN115331861A - 一种放射性废金属去污熔炼再利用方法 - Google Patents

一种放射性废金属去污熔炼再利用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及放射性废金属处理技术领域，具体公开了一种放射性废金属去污熔炼再利用方法，包括以下步骤：步骤1：废金属预处理；步骤2：预去污；步骤3：废金属粉碎、打包；步骤4：放射性污染废金属熔炼；步骤5：产品加工。本发明方法去污效果好，无限制利用率高，打通了由放射性废金属熔炼到产品生产的一站式产品化工艺流程，实现了放射性废金属真正的循环利用。

Description

一种放射性废金属去污熔炼再利用方法
技术领域
本发明属于放射性废金属处理技术领域，具体涉及一种放射性废金属去污熔炼再利用方法。
背景技术
我国老旧核设施退役及核电站运行过程中产生大量放射性废金属，预计将达到2500t/年废金属需要处理。这些放射性废金属积压暂存占用了大量贮存空间，直接处置会产生高额费用，且浪费金属资源，违反废物最小化原则的同时也违背了国家绿色可持续发展的战略方针。
我国目前已建熔炼去污装置的核设施单位，采用的熔炼去污工艺主要是将放射性废金属熔炼出钢锭储存，从而减少废金属体积，但没有真正实现放射性废金属熔炼循环利用。目前的熔炼去污产业链不完整，缺少产品生产环节；且放射性废金属接收限值很低，大部分废金属不能进厂熔炼，生产智能化水平低，熔炼去污工艺需要升级优化。
因此，亟需设计一种放射性废金属去污熔炼再利用方法，以解决以上问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种放射性废金属去污熔炼再利用方法，形成熔炼前去污预处理、熔炼和熔炼后铸造机加工工艺。
本发明的技术方案如下：
一种放射性废金属去污熔炼再利用方法，包括以下步骤：
步骤1：废金属预处理
通过远程机械化、智能化操控，进行废金属预处理，具体包括以下步骤：
1.1对废金属进行分拣，首先按碳钢、不锈钢分类，然后按照形状尺寸分类；
1.2对不同形状尺寸的废金属进行切割处理，以热切割为主、冷切割作为补充；
1.3采用表面剂量监测仪，对切割后的废金属进行人工核素污染金属表面接触剂量率检测；
若表面接触剂量率＞15μSv/h，则传送至预去污厂房进行预去污，开始步骤2；
若表面接触剂量率≤15μSv/h，则无需预去污，直接传送至金属粉碎打包机进行打包，开始步骤3；
步骤2：预去污
在预去污厂房采用高温氧化去污、干冰-喷丸循环去污和可剥离膜去污方式对废金属、工器具进行预去污；
步骤3：废金属粉碎、打包
将预处理、预去污后的废金属通过传送带运输至金属粉碎打包机进行粉碎和打包，得到废金属包；
步骤4：放射性污染废金属熔炼
将废金属包送入熔炼炉的熔炼腔里，进行废金属熔炼；
步骤5：产品加工
熔炼后的金属液进入产品生产区，进行加工制造，实现再利用。
步骤1.2具体包括以下操作：
1.2.1对于长度大于等于1000mm的管材，采用火焰切割或者等离子切割方法，切割至长度小于1000mm；若管材端部有厚度超过10mm的法兰盘，则切下与管材分开处理；
1.2.2对于厚度大于10mm的板材，若径向最大外接圆直径大于400mm，则采用火焰切割或者等离子切割方法，切割至最大外接圆直径小于400mm；
1.2.3对于尺寸大于1000mm×1000mm的大型零部件，采用火焰切割方法，切割至尺寸达到1000mm×1000mm以下；
1.2.4其它废金属零件，无需切割。
步骤2中，包括分步骤2.1：
采用高温氧化去污方式，将碳钢材质的废金属加热到700～950℃，保温1.5～3.5小时；将不锈钢材质的废金属加热到950～1150℃，保温1.5～3.5小时；
保温以后自然冷却，在自然冷却过程中大部分表层氧化物自动脱落，对于部分未脱落的表层氧化物采用振动方式去除。
步骤2中，包括分步骤2.2：采用喷丸-干冰循环去污方式去除废金属表层的残存氧化膜；
首先使喷丸去污系统中的钢丸喷向废金属表面，将废金属表面的污渍、锈渍和放射性物质层等污物剥离；
然后使被污染的钢丸在负压作用下通过钢珠回收通道进入钢丸与污染物分离系统；在高压空气气流作用下，将钢丸与放射性污染物分离，其中钢丸进入干冰钢丸清洗系统，放射性污染物进入废物暂存与转动系统；
随后使钢丸在干冰钢丸清洗系统中进行干冰去污，清洗后的钢丸进入钢丸检验系统，洗出的放射性污染物进入废物暂存与转动系统；
在钢丸检验系统中检验钢丸，符合要求的钢丸进入到钢丸返回系统，钢丸返回系统利用空气压力作用将钢丸送回喷丸去污系统；不符合要求的废钢丸与放射性污染物分开暂存与转运，其中作为去污原料的废钢丸进入步骤3，放射性污染物返回来源地后续集中处理处置。
步骤2中，包括分步骤2.3：采用可剥离膜去污方式对生产过程中的工器具进行去污；
通过喷枪将可剥离膜去污剂涂抹在废金属表面；可剥离膜去污剂的涂抹量为0.04～0.25g/cm2，干燥时间为9～24小时。
分步骤2.3中，可剥离膜去污剂的配方为：聚乙烯醇浓度为5～20％，羧甲基纤维素作为增稠剂浓度为0.05～3％，硬质酸钠浓度为0.05～4％，乙二胺四乙酸二钠作为螯合剂浓度为0.05～3％，余量为水。
分步骤2.3中，当可剥离膜去污剂的涂抹量为0.2±0.05g/cm2时，去污率最高。
步骤4中，所述的熔炼炉采用感应熔炼、电弧熔炼、电渣熔炼、真空悬浮熔炼或等离子弧熔炼炉。
步骤5中，进行消失模技术适应性改造及辐射防护设计，将金属液铸造成屏蔽套筒、圆筒状铸件或平板状铸件；
所述的屏蔽套筒和圆筒状铸件用于替代铅屏蔽，平板状铸件焊接为钢箱产品。
步骤5中，采用旋转锥离心雾化法工艺并行辐射防护设计，制造出颗粒粒径尺寸为1～5mm钢丸实现循环利用。
本发明的显著效果在于：
(1)本发明方法去污效果好，无限制利用率高，总循环利用率达到90％，其中无限制利用率达到45％及以上。
(2)本发明方法在以前单一的熔炼去污工艺基础上，增加了预去污阶段，并协同采用了高温氧化去污、喷丸循环去污和剥离膜去污技术；通过废金属粉碎打包机，改变了过去散体上料的局面；通过传送带等自动进料方式，取代了人工上料。
(3)本发明方法提高了废金属接收限值和整体去污因子，改善了钢材质量，且可大幅降低能耗，能够显著提升产品品质和附加值，扩展产品种类，提高企业经济效益。
(4)采用本发明方法使可接收的放射性废金属表面接触剂量率由15μSV/h提高到400μSV/h以上，极大地提高了熔炼工艺可处理的放射性废金属量，打通了由放射性废金属熔炼到产品生产的一站式产品化工艺流程，实现了放射性废金属真正的循环利用。
附图说明
图1为方法流程示意图；
图2为干冰-喷丸循环去污装置示意图。
图中：1-废金属切割厂；2-预去污厂；3-废金属粉碎打包；4-一体化自动进料；5-熔炼炉；6-产品生产区。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示的一种放射性废金属去污熔炼再利用方法，其中的放射性污染废金属材料主要来源于铀矿冶项目、铀浓缩厂、燃料元件厂、部分研究单位的军工试验堆、老旧核设施退役、核电厂等不锈钢、碳钢、镍、铝、铜等废金属，污染形式包括表面松散污染、固定污染，污染核素为天然放射性核素或人工核素，表面接触剂量率为400μSV/h及以下；
方法包括以下步骤：
步骤1：废金属预处理
通过远程机械化、智能化操控，进行废金属预处理，具体包括以下步骤：
1.1对废金属进行分拣，首先按碳钢、不锈钢分类，然后按照形状尺寸分类；
1.2对不同形状尺寸的废金属进行切割处理，以热切割为主、冷切割作为补充，其中：
1.2.1对于长度大于等于1000mm的管材，采用火焰切割或者等离子切割方法，切割至长度小于1000mm；若管材端部有厚度超过10mm的法兰盘，则需切下与管材分开处理；
1.2.2对于厚度大于10mm的板材，例如厚度超过10mm的法兰盘，若直径大于400mm，则采用火焰切割或者等离子切割方法，切割至最大外接圆直径小于400mm；
1.2.3对于尺寸大于1000mm×1000mm的大型零部件，采用火焰切割方法，切割至尺寸达到1000mm×1000mm以下；
1.2.4其它废金属零件，无需切割；
1.3采用表面剂量监测仪对切割后的废金属进行人工核素污染金属表面接触剂量率检测；
若表面接触剂量率＞15μSv/h，则传送至预去污厂房进行预去污，开始步骤2；
若表面接触剂量率≤15μSv/h，则无需预去污，直接传送至金属粉碎打包机进行打包，开始步骤3；
步骤2：预去污
在预去污厂房采用高温氧化去污、干冰-喷丸循环去污和可剥离膜去污方式对废金属、工具进行预去污。根据废金属污染情况选定去污方式，以提高废金属接收限值及整体去污因子：
2.1采用高温氧化去污方式，将碳钢材质的废金属加热到700～950℃，保温1.5～3.5小时；将不锈钢材质的废金属加热到950～1150℃，保温1.5～3.5小时；
保温以后自然冷却，由于钢材与其氧化物热膨胀系统不同，在自然冷却过程中大部分表层氧化物自动脱落，对于部分未脱落的表层氧化物采用振动方式去除；
2.2采用喷丸-干冰循环去污方式去除废金属表层的残存氧化膜；
如图2所示，干冰-喷丸循环去污装置主要分六大部分：喷丸去污系统、钢丸与污染物分离系统、干冰钢丸清洗系统、钢丸检验系统、钢丸返回系统、废物暂存与转动系统；
首先使喷丸去污系统中的钢丸喷向废金属表面，将废金属表面的污渍、锈渍和放射性物质层等污物剥离；
然后使被污染的钢丸在负压作用下通过钢珠回收通道进入钢丸与污染物分离系统；在高压空气气流作用下，将钢丸与放射性污染物分离，其中钢丸进入干冰钢丸清洗系统，放射性污染物进入废物暂存与转动系统；
随后使钢丸在干冰钢丸清洗系统中进行干冰去污，清洗后的钢丸进入钢丸检验系统，洗出的放射性污染物进入废物暂存与转动系统；
在钢丸检验系统中检验钢丸的硬度、形状、污染程度等，符合要求的钢丸进入到钢丸返回系统，钢丸返回系统利用空气压力作用将钢丸送回喷丸去污系统；不符合要求的废钢丸与放射性污染物分开暂存与转运，其中作为去污原料的废钢丸进入步骤3，放射性污染物返回核电站等放射性污染废金属材料来源地后续集中处理处置；
2.3采用可剥离膜去污方式对生产过程中的工器具进行去污；
通过喷枪将可剥离膜去污剂涂抹在废金属表面；其中可剥离膜去污剂的配方为：聚乙烯醇浓度为5～20％，羧甲基纤维素作为增稠剂浓度为0.05～3％，硬质酸钠浓度为0.05～4％，乙二胺四乙酸二钠作为螯合剂浓度为0.05～3％，余量为水；
可剥离膜去污剂的涂抹量为0.04～0.25g/cm2，干燥时间为9～24小时；
当可剥离膜去污剂的涂抹量为0.2±0.05g/cm2时，去污率最高，可达到99.72％，对不锈钢、玻璃、陶瓷和塑料的去污率均达到99％以上；
步骤3：废金属粉碎、打包
将预处理、预去污后的废金属和废钢丸通过传送带运输至金属粉碎打包机进行粉碎和打包，得到尺寸为200×200×200mm的废金属包；
步骤4：放射性污染废金属熔炼
将废金属包送入熔炼炉的熔炼腔里，进行废金属熔炼；
所述的熔炼炉采用感应熔炼(空气感应、中频感应、真空感应)、电弧熔炼、电渣熔炼、真空悬浮熔炼或等离子弧熔炼等放射性废金属熔炼炉；
步骤5：产品加工
熔炼后的金属液进入产品生产区，进行加工制造：
5.1进行消失模技术适应性改造及辐射防护设计，将金属液铸造成屏蔽套筒、圆筒状铸件或平板状铸件等；屏蔽套筒和圆筒状铸件用于替代铅屏蔽，平板状铸件焊接为FA-Ⅳ等型钢箱产品；
5.2根据步骤2所需要的钢丸特点，采用旋转锥离心雾化法工艺并行辐射防护设计，制造出颗粒粒径尺寸为1～5mm钢丸实现循环利用。
本发明方法采用机械-物理-化学-熔炼协同去污循环再利用工艺技术，可大幅提高去污效果和循环再利用率，实现总循环利用率达到90％，其中无限制利用率同样达到45％及以上。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种放射性废金属去污熔炼再利用方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：废金属预处理
通过远程机械化、智能化操控，进行废金属预处理，具体包括以下步骤：
1.1对废金属进行分拣，首先按碳钢、不锈钢分类，然后按照形状尺寸分类；
1.2对不同形状尺寸的废金属进行切割处理，以热切割为主、冷切割作为补充；
1.3采用表面剂量监测仪，对切割后的废金属进行人工核素污染金属表面接触剂量率检测；
若表面接触剂量率＞15μSv/h，则传送至预去污厂房进行预去污，开始步骤2；
若表面接触剂量率≤15μSv/h，则无需预去污，直接传送至金属粉碎打包机进行打包，开始步骤3；
步骤2：预去污
在预去污厂房采用高温氧化去污、干冰-喷丸循环去污和可剥离膜去污方式对废金属、工器具进行预去污；
步骤3：废金属粉碎、打包
将预处理、预去污后的废金属通过传送带运输至金属粉碎打包机进行粉碎和打包，得到废金属包；
步骤4：放射性污染废金属熔炼
将废金属包送入熔炼炉的熔炼腔里，进行废金属熔炼；
步骤5：产品加工
熔炼后的金属液进入产品生产区，进行加工制造，实现再利用。
2.如权利要求1所述的一种放射性废金属去污熔炼再利用方法，其特征在于：步骤1.2具体包括以下操作：
1.2.1对于长度大于等于1000mm的管材，采用火焰切割或者等离子切割方法，切割至长度小于1000mm；若管材端部有厚度超过10mm的法兰盘，则切下与管材分开处理；
1.2.2对于厚度大于10mm的板材，若径向最大外接圆直径大于400mm，则采用火焰切割或者等离子切割方法，切割至最大外接圆直径小于400mm；
1.2.3对于尺寸大于1000mm×1000mm的大型零部件，采用火焰切割方法，切割至尺寸达到1000mm×1000mm以下；
1.2.4其它废金属零件，无需切割。
3.如权利要求1所述的一种放射性废金属去污熔炼再利用方法，其特征在于：步骤2中，包括分步骤2.1：
采用高温氧化去污方式，将碳钢材质的废金属加热到700～950℃，保温1.5～3.5小时；将不锈钢材质的废金属加热到950～1150℃，保温1.5～3.5小时；
保温以后自然冷却，在自然冷却过程中大部分表层氧化物自动脱落，对于部分未脱落的表层氧化物采用振动方式去除。
4.如权利要求3所述的一种放射性废金属去污熔炼再利用方法，其特征在于：步骤2中，包括分步骤2.2：采用喷丸-干冰循环去污方式去除废金属表层的残存氧化膜；
首先使喷丸去污系统中的钢丸喷向废金属表面，将废金属表面的污渍、锈渍和放射性物质层等污物剥离；
然后使被污染的钢丸在负压作用下通过钢珠回收通道进入钢丸与污染物分离系统；在高压空气气流作用下，将钢丸与放射性污染物分离，其中钢丸进入干冰钢丸清洗系统，放射性污染物进入废物暂存与转动系统；
随后使钢丸在干冰钢丸清洗系统中进行干冰去污，清洗后的钢丸进入钢丸检验系统，洗出的放射性污染物进入废物暂存与转动系统；
在钢丸检验系统中检验钢丸，符合要求的钢丸进入到钢丸返回系统，钢丸返回系统利用空气压力作用将钢丸送回喷丸去污系统；不符合要求的废钢丸与放射性污染物分开暂存与转运，其中作为去污原料的废钢丸进入步骤3，放射性污染物返回来源地后续集中处理处置。
5.如权利要求4所述的一种放射性废金属去污熔炼再利用方法，其特征在于：步骤2中，包括分步骤2.3：采用可剥离膜去污方式对生产过程中的工器具进行去污；
通过喷枪将可剥离膜去污剂涂抹在废金属表面；可剥离膜去污剂的涂抹量为0.04～0.25g/cm2，干燥时间为9～24小时。
6.如权利要求5所述的一种放射性废金属去污熔炼再利用方法，其特征在于：分步骤2.3中，可剥离膜去污剂的配方为：聚乙烯醇浓度为5～20％，羧甲基纤维素作为增稠剂浓度为0.05～3％，硬质酸钠浓度为0.05～4％，乙二胺四乙酸二钠作为螯合剂浓度为0.05～3％，余量为水。
7.如权利要求6所述的一种放射性废金属去污熔炼再利用方法，其特征在于：分步骤2.3中，当可剥离膜去污剂的涂抹量为0.2±0.05g/cm2时，去污率最高。
8.如权利要求1所述的一种放射性废金属去污熔炼再利用方法，其特征在于：步骤4中，所述的熔炼炉采用感应熔炼、电弧熔炼、电渣熔炼、真空悬浮熔炼或等离子弧熔炼炉。
9.如权利要求1所述的一种放射性废金属去污熔炼再利用方法，其特征在于：步骤5中，进行消失模技术适应性改造及辐射防护设计，将金属液铸造成屏蔽套筒、圆筒状铸件或平板状铸件；
所述的屏蔽套筒和圆筒状铸件用于替代铅屏蔽，平板状铸件焊接为钢箱产品。
10.如权利要求1所述的一种放射性废金属去污熔炼再利用方法，其特征在于：步骤5中，采用旋转锥离心雾化法工艺并行辐射防护设计，制造出颗粒粒径尺寸为1～5mm钢丸实现循环利用。
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