CN1203012C - 坩埚中熔融材料的泄流方法和装置 - Google Patents

Abstract

为了倒空盛在受冷却坩埚(10)中的熔融材料，例如玻璃，使用了泄流装置，此装置包含有长形的排放孔(30)，受冷却的滑动阀(32)和一个立条(36)，这个立条沿着排放孔(30)的一个端(30a)，在熔融材料(28)和坩埚(10)的底部(24)之间构成一个热桥。

Description

坩埚中熔融材料的泄流方法和装置

技术领域

本发明涉及坩埚中熔融材料例如玻璃的泄流方法，此坩埚的侧壁和底部至少都是被部分冷却的。

本发明还涉及使用这种方法的装置。

本发明可用于使坩埚中任何熔融材料泄流，而这种坩埚的侧壁和底部至少都是被部分冷却的。一种特殊的应用是使放射性很高的核废料玻璃化。

背景技术

已经知道，为了实现在坩埚中熔化像玻璃这样的材料，是把它以固态加入到坩埚中，然后用，例如，感应的方法，使其在坩埚中熔化。

而且也知道，为了让坩埚处于较低温度来增加坩埚的寿命，至少是部分地对此坩埚的侧壁和底部进行冷却。这种冷却特别是可以通过水的循环来实现。其结果是在与坩埚受到冷却的侧壁和底部相接触的地方形成一固态玻璃结层，把底部和侧壁与熔融材料隔离开来。也可以升高温度(高于1150℃)制造像玻璃这样的熔融材料，而不用过频地更换坩埚。

当把此已知技术用来对放射性很高的核废料进行玻璃化的时候，这种废料就被放进盛在坩埚中的熔融玻璃中。然后通过坩埚底部为此而设置的一个泄流装置，把含有此废料的玻璃炉料倒入位于坩埚下面的容器中。

通过对坩埚的侧壁和底部进行冷却来增加坩埚的寿命，这种增加方法在这种应用中特别有利。这是因为用过的坩埚成为辐射废料，必须把它包装并储存起来。

此外，当把侧壁和底部受到冷却的坩埚用来使核废料玻璃化时，这些坩埚就成为废料，其放射性比没有受到冷却的坩埚的要低。这是因为熔融玻璃在与冷侧壁相接触的地方会收缩，因而固化的玻璃不会沾连到侧壁上。因此，坩埚在寿命的最后可以很好地进行清理，这和不受到冷却的坩埚不同，在没有受到冷却的坩埚中，甚至是在清理以后，还总是会有辐射性高的结痂的固态玻璃颗粒。

已知有各种倒空技术，来对坩埚中熔融材料进行泄流。

按照第一种技术，使用了一个排放嘴(buse de coulée)，这个排放嘴竖直地穿过坩埚的底部，并在坩埚下面延伸一定高度。此排放嘴受到冷却能在其中形成一个玻璃堵头(bouchon)，通常这个堵头会阻止坩埚被倒空。当想进行泄流时，就通过辅助加热系统，例如感应的方法，对此排放嘴进行加热。

这种倒空技术有一些缺点：

-此排放嘴是寿命短的消耗部件；

-当为了泄流而对此排放嘴进行加热的时候，此堵头就整块地掉下来，导致液态玻璃溅出，当此玻璃包含有辐射性高的废料时，这不是一件好事。

-此排放嘴的冷却进行起来惯性很大，因而不可能很快地对泄流的流量进行控制以及使排放停止。

在FR-A-2,704,634中特别地介绍了另一种倒空技术。

在这种情况中，泄流装置包含有一个穿过坩埚底部的圆形排放孔，一个受到冷却的并以受控的方式关闭和打开此排放孔的滑动阀，以及一个插在此排放孔中而且也是圆形的金属套筒(manchon)。此装置中的金属套筒通常是用钼做的，其温度与坩埚底部的温度不同，它向上伸进坩埚中，因而穿过坩埚底部的固化玻璃层而进入熔融玻璃中。

当此阀门的滑块关闭时，就在此金属套筒中与该滑块受冷却的上表面相接触的地方，形成固态的玻璃堵头(bouchon)。因此，此阀门与熔融玻璃也是隔开的，因而其寿命大约与坩埚的寿命相同，而且阀门也可以被有效地清理。

当想进行泄流时，就把阀门的滑块打开。既然金属套筒和套筒中形成的固态玻璃堵头不再与受到冷却的滑块相接触，所以与套筒相接触的热玻璃的粘度就降低，直到能消除会因重力而掉下来的固态玻璃堵头。然后调整阀门滑块的位置，能通过或多或少地关闭排放孔来调节液体玻璃的流量。

这种排放装置也有某些缺点。

第一种缺点与排放套筒的氧化有关。人们确实发现，在倒空结束时与空气相接触的套筒表面被氧化了。这降低了套筒的寿命，这与使用冷坩埚所追求的目的相反，使用冷坩埚的目的正是要保证坩埚寿命的增加。

FR-A-2 704 634中介绍的泄流装置有另一个缺点，这就是在倒空结束时，经常滞留有玻璃。由于此套筒从坩埚底部向上伸出一段距离，所以倒空不完全。尤其是在坩埚中的熔融材料是具有高含量赛白金(platino

d)的玻璃的情况下，这倒成了问题。这是因为如果这些元素没有返回到悬浮状态，则它们将沉积在坩埚的底部上。最后，这可能造成电学故障，例如发生电弧，使构成坩埚底部的双壁结构中的上壁发生局部熔化。这种熔化使得该上壁穿透，造成坩埚中冷却水泄漏。

在这种情况中，唯一的解决方法是除掉放在排放孔中的套筒。然而这样就有不能进行泄流的可能。因此，当熔融材料是很不好的热导体而且熔点特别高时，例如像赛白金含量高的玻璃那样，在阀门打开以后，玻璃就很难开始排放。这是因为在堵头加热及坩埚中玻璃炉料的作用下，在处于阻止阀门滑块关闭的平衡位置以前，玻璃堵头发生了变形。

发明内容

本发明的目的是提供使盛在坩埚中的熔融材料，例如玻璃，泄流的方法和装置，设想使得没有已知泄流技术的缺点，特别是能使得排放开始和停止时刻以及流速能通过一些部件进行精确控制，而这些部件的寿命与冷坩埚的寿命差不多，同时确保排放工序有好的重复性，避免玻璃溅出并允许熔融玻璃流得到很好地控制和有好的稳定性，而不管此玻璃的性质如何，在倒空结束时却没有任何玻璃滞留的可能性。

本发明提供一种使盛在坩埚中的熔融材料(28)泄流的方法，这种坩埚至少是其底部部分地受到冷却，以便在与该底部接触的地方形成固化的材料层，所述方法包括：通过打开一个阀门来实现熔融材料的泄流步骤，这个阀门也受到冷却，最初这个阀门使得在坩埚底部加工出的排放孔关闭，其特征在于：使用了一个由上面看形状是长形的排放孔，和通过在该固化层上面，在限定排放孔的该第一端的那部分底部和坩埚中的熔融材料之间形成一个热桥，而在该排放孔的第一端处开始泄流的。

于是，用长形的排放孔代替通常圆形的排放孔，在此排放孔的一端和熔融材料之间形成热桥，就能确保开始对材料进行排放，而不管其性质如何，在倒空结束时不会有任何这种材料滞留的可能。

此外，由于此热桥是完全加工在坩埚内部的，所以它永远不会与空气相接触，因而降低了氧化的危险。所以其寿命与整个坩埚的寿命相同。

再者，在长形排放孔一个端部设置此热桥能可重复地对排放的开始进行很好地控制。尤其是，所形成的材料堵头是从这一端开始逐渐被熔化的，因此不会有因固态堵头掉落而引起溅出的可能，这与所有已有的技术不同。

通过把一个由导热材料制作的立条(barreau)，沿着此排放孔的第一端放入坩埚中与坩埚底部接触，这是有好处的。然而，排放玻璃的温度却被限制在构成此热桥的金属的熔化温度。

在本发明的一个优选实施例中，使用了一个包含有受冷却滑块的阀门，这个滑块在此排放孔的下面沿着此排放孔的纵向轴滑动。

最好是，通过把排放孔的第一端和受冷滑块的先导端分别做成凸形和凹形，并使其中心处在排放孔的纵向轴上，而把泄流的开始定位于沿着排放孔的纵向轴。于是，排放孔的第一端成大约V字形是利的。

在本发明的这个优选实施例中，还使用了一个在排放孔周围底部比较薄的坩埚。在打开阀门后，这个特点使排放孔中形成的堵头容易熔化。

由于同样的理由，坩埚的底部在排放孔最近邻没有冷却机构是有利的。

本发明的目的同时也提供一种使盛在坩埚中的熔融材料泄流的装置，此坩埚包括一个底部和至少使此坩埚部分地冷却以便在与此底部相接触的地方形成固化材料层的机构，此装置包括一个阀门，使此阀门冷却的机构和一个在坩埚底部加工的排放孔，这个孔通常由此阀门所关闭，此装置的特征在于：此排放孔的形状从上面看是长形的，其特征还在于：形成热桥的机构插入在限定排放孔第一端的那部分底部和盛在坩埚中的熔融材料之间，位于该结层的上面。

附图说明

参考附图，现在我们来对本发明的一个非限定性实施例作一介绍，在这些图中：

-图1是简略的剖面视图，它表示了冷坩埚熔化设施的一部分，它包含有本发明的泄流装置；

-图2是一个透视图，它详细地表示了图1中所示设施的泄流装置；以及

-图3A到图3D是与图1类似的简略剖面视图，它表示了本发明泄流方法中的四个相继阶段。

具体实施方式

如图1简略图示的那样，一种由冷坩埚组成的熔化设施被用于使放射性很高的核废料玻璃化，它包含有一个永远受到冷却的坩埚10，能分别把玻璃和核废料通入此坩埚10中的管道12和14，像感应圈这样的围绕着坩埚10的加热机构16，一个泄流装置18和一个在坩埚10下面设置的容器20，这个容器用于在此泄流装置工作时接收熔融玻璃。

此坩埚10包含有外围侧壁22，例如是圆柱状的，以及一个平的底部24，这个底部还叫作“埚底(sole)”。坩埚10的侧壁22和底部24至少部分地装有独立地冷却装置。在所示的实施例中，此冷却机构是在侧壁10和底部24内部的水循环系统，水温大约调节在，例如，20℃。此侧壁和底部为此而配备有图1所示的双壁结构。

当把玻璃以固体的形式通过管道12通入到埚10中时，就启动加热机构使之熔化，这里就是启动由感应圈16构成的加热机构。同时，持续使用坩埚侧壁22和底部24的冷却机构会在与此侧壁和底部相接触的地方生成固化的玻璃层26。因而盛在坩埚10中的熔融玻璃28就被固化玻璃层26与侧壁22和底部24分离开来。

在这一阶段，通过管道14把要包装的放射性非常高的核废料加入到熔融玻璃28中。

在希望把含有废料的熔融玻璃28倒入位于坩埚10下面的容器20中去的时候，就启动泄流装置18。

按照本发明，这个泄流装置18包含有一个穿过坩埚10的底部24的排放孔30，一个通常使这个孔关闭的滑动阀32以及一个构成热桥的机构；这个热桥的制作，设置和功能将在下面详细介绍。

在由坩埚10的底部24所构成的平面中，也就是说从上面看，排放孔30是长形的，而且尺寸较大。在图2所示更详细的实施例中，此排放孔30大约是长方形的，其第一端30a是凸形的，大约呈V字形，其尖端是做圆滑了的。更详细说，排放孔30的这个第一端30a的中心位于这个孔的纵向轴34上，也就是说，相对此轴是对称的。这个排放孔30的所有其他侧边都是直的。此排放孔30的尺寸，例如，是100毫米×60毫米。

在实践中，为了便于把阀门滑块32的引导和控制机构安装在此侧壁22的外面，此排放孔30加工在比较靠近坩埚10的侧壁22的地方是有利的。这就能避免此引导和控制机构受熔融玻璃所散逸热量的影响。因此降低了出故障的危险，这种危险像滑块32的卡住，之所以卡住，例如，是由于此引导机构的膨胀，或是由于控制机构的错误动作所造成的。

排放孔30的纵向轴34对于坩埚10的侧壁22来说是沿径向取向是有好处的。排放孔30的第一端30a于是就朝向此坩埚的中心，而排放孔30的相反一端则朝向侧壁22。

此外，使坩埚10的底部24冷却的机构，在这种情况中，是用双壁结构来实现的，这种结构没有延伸到排放孔30的各边处。因此这个孔的中心部分仍处在离冷却机构比较远的地方。这就使泄流装置的各个部件保持在足够低的温度，以便避免任何故障，同时避免了使固态玻璃堵头过度冷却，这里的堵头是在阀门关闭时在排放孔30中形成的。因此当此阀门打开时，来自于熔融玻璃28的大部分热流都传给了此堵头，而不是传给在坩埚底部24中循环的冷却水。这有助于对堵头进行开始排放所必须的加热。然而，排放玻璃的温度却局限于构成热桥的金属的熔化温度。

此外，特别如图1中所表示的，此排放孔30加工在坩埚10的底部24的厚度比较薄的那部分中。在所示实施例中，底部24的冷却是通过把此底部做成双壁结构的形式，并在其中建立水的循环而实现的，这个排放孔30加工在底部24中具有单壁结构的那部分中，此单壁结构与此双壁结构的上壁对准。此单壁的厚度大约，例如，为5毫米。

在实践中应该注意的是，底部24中包含有排放孔30的那部分可以加工在用来关闭此孔的阀门主体中。此阀门主体因而就形成了此坩埚底部的一个组成部分，此主体包含有具有上述特性的冷却机构。

和坩埚10的侧壁22和底部24一样，阀门的滑块32上设置有独立的冷却机构。当此阀门关闭时，此冷却机构就保证对坩埚底部24中加工有排放孔30的那部分进行冷却。此冷却机构尤其是有助于在此孔中形成固化的玻璃堵头。在所示实施例中，滑块32的冷却机构是位于此滑块内部的水循环冷却机构，滑块上为此而设置了双壁结构。

滑块32设置在坩埚底部24的下面，更精确说是设置在此底部中加工有排放孔30的那部分的下面，因此能够在滑块移动的时候，或多或少地关闭此孔或是打开此孔。滑块32比孔30稍稍大一些，因此当阀门关闭时，可以保证排放孔被完全关闭。

在电动提升机构35配合导向机构(未画出)的作用下，此滑块32能够在坩埚底部24的下面作平移运动。把排放孔30设置得靠近侧壁22就能把提升机构35和导向机构放置在坩埚10的外面，如上面所指出的那样。阀门滑块32的移动轴与排放孔30的轴34相重合。

滑块32有一个前端，也即先导端(extrémitéavant)32a，当向着关闭方向启动阀门时，此先导端就向排放孔30的第一端30a移动。当此阀门关闭时，此先导端32a就位于排放孔第一端30a的稍微外面一些，排放孔就被完全关闭了。

如图1和2所示，阀门滑块32的先导端32a是向下倾斜的，因此在与坩埚10的底部24齐平的部分中存在一个锐角。此外，从上面看，沿着此排放孔30的宽度方向，此滑块32的先导端32a的形状是凹形的，大约是圆的一段弧。这个凹形的中心位于排放孔30的纵向轴34上，也即相对于这根轴是对称的。

端部30a和32a相互对着的相应凸形和凹形形成一个中心在纵向轴34上的隔板，在向着打开方向启动滑块32时，此隔板逐渐地打开来。正如下面将会更好地理解的那样，这种安置能把堵头开始熔化的位置定位于排放孔端部30a一边，而此堵头最初是使排放孔关闭的。这种安置也能使熔化沿着其纵向轴34朝着排放孔相反的一端继续进行。于是实现了对此堵头进行受控制并可重复地熔化，而不会有没有熔化的堵头掉到容器20中的危险。

如图1和2所示，泄流装置18还包含有构成热桥的机构，这个热桥在所示实施例中具体化为一个立条36。这个立条36，例如是由不锈钢制作的，它在紧邻排放孔30的第一端32a的那部分底部处，保持着与坩埚10的底部24相接触。更精确地讲，这个立条36可以，例如，焊接在此底部24的上部表面上，处在形成单壁的那部分薄的底部处，沿着排放孔的形成了此孔的端部30a的尖端的那个边缘。从上面看，此立条36因此形成一个做圆滑了的V字形，它相对于排放孔30的纵向轴34是对称的。此外，此立条36向上伸入到坩埚10的内部一足够的高度，使得其上面部分与熔融玻璃28相接触。这个高度大约，例如，为30毫米。此立条36穿过覆盖底部的固化玻璃层26，因此在熔融玻璃28和坩埚10的底部24之间形成一个热桥。从排放孔30的边缘算起，此立条36的厚度，例如，大约是3毫米。

当滑块32打开时，由立条36所构成的此热桥，配合着排放孔30的长形形状，有助于在排放孔30的端部32a处开始泄流。

相继地参考图3A到3D，现在来介绍使用本发明泄流装置18的方法。

首先(图3A)，滑块32处在其最前面的位置。因而它完全地关闭了排放孔30。在坩埚底部24和阀门滑块32的冷却作用下，固化的玻璃层26覆盖了坩埚的底部，形成堵头，充满了排放孔30。

当控制打开阀门时，此滑块32就在提升机构35(图1)的作用下而缩回。其先导端32a因而就位于离开排放孔30的第一端30a70毫米处。

排放在三或四分钟以后开始。更详细说，由于使排放孔30关闭的固化玻璃堵头不再受到阀门滑块32的冷却，而且是在由立条36构成的热桥的作用下，所以此堵头在排放孔30的第一端30a处沿着其纵向轴34开始熔化。这一瞬间状态图示在图3B中。

一旦熔化开始了，玻璃堵头的熔化就很快地而且几乎是立刻就沿着排放孔30的纵向轴34传播，直传播到阀门滑块32的先导端32a，如图3C所示。结果是熔融玻璃的流量达到极大值，没有任何固态玻璃掉到位于排放孔下面的容器20中。

然后，排放玻璃的流量马上就受到阀门滑块32部分关闭的控制(图3D)，以便补偿坩埚10中玻璃高度的变化。

排放是由阀门滑块32的关闭而停止的。于是在与受冷却的滑块32相接触的地方立刻形成了玻璃堵头。这样，此设施就返回到图3A所示的初始状态。

符合本发明的泄流装置因而能精确地控制排放开始的时间以及其流速。

此外，由于构成热桥的立条36完全放置在坩埚10的内部，而且它是由不锈钢制作的，所以不会受到任何氧化。因此其寿命与坩埚整体的寿命相同。

而且，在坩埚完全倒空时，使用局部的热桥能防止任何玻璃滞留在坩埚10中。

再者，主要的是，由立条36构成的热桥与排放孔36具有的长形形状相配合，就能在阀门打开时，使玻璃堵头熔化，这种玻璃堵头完全阻塞了从排放孔的一端到另一端。这样就避免了固态玻璃掉入容器中形成溅出。

最后，已经使排放孔30和阀门滑块32的相互对着的端部30a和32a有特殊形状，当泄流时，这种特殊形状有利地确保熔融玻璃流的对中和稳定。

所做的介绍涉及到了含有放射性很高的核废料的玻璃的泄流。然而，本发明的泄流方法和装置可用于倒空盛在受冷坩埚中任何形式的熔融材料。

Claims (14)

1.一种使盛在坩埚(10)中的熔融材料(28)泄流的方法，这种坩埚至少是其底部(24)部分地受到冷却，以便在与该底部接触的地方形成固化的材料层(26)，所述方法包括：通过打开一个阀门来实现熔融材料的泄流步骤，这个阀门也受到冷却，最初这个阀门使得在坩埚底部(24)加工出的排放孔(30)关闭，其特征在于：使用了一个由上面看形状是长形的排放孔(30)，和通过在该固化层(26)上面，在限定排放孔的该第一端(30a)的那部分底部和坩埚(10)中的熔融材料之间形成一个热桥，而在该排放孔的第一端处开始泄流的。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：此热桥是通过沿着排放孔(30)的第一端(30a)，把一个由导热材料制作的立条(36)放置到坩埚(10)中与坩埚的底部(24)相接触而形成的。

3.按照权利要求1和2中的任一项所述的方法，其特征在于：使用了一个包括受冷却滑块(32)的阀门，这个滑块在排放孔(30)下面沿着此排放孔的纵向轴(34)滑动。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于：通过把排放孔(30)的第一端(30a)和受冷却滑块(32)的先导端(32a)分别做成凸形和凹形的，并使其中心在纵向轴上，而把泄流开始定位于沿着此排放孔的纵向轴。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：使排放孔(30)的第一端(30a)有V字形。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所使用坩埚(10)的底部(24)在排放孔(30)的周围的厚度是比较薄的。

7.按照前面权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于：所使用坩埚(10)的底部(24)在排放孔(30)的紧邻没有冷却机构。

8.一种使盛在坩埚(10)中的熔融材料泄流的装置(18)，此坩埚包括一个底部(24)和至少使此坩埚部分地冷却以便在与此底部(24)相接触的地方形成固化材料层(26)的机构，此装置包括一个阀门，使此阀门冷却的机构和一个在坩埚(10)底部(24)加工的排放孔(30)，这个孔通常由此阀门所关闭，其特征在于：此排放孔(30)的形状从上面看是长形的，和形成热桥的机构(36)插入在限定排放孔第一端的那部分底部(24)和盛在坩埚(10)中的熔融材料(28)之间，位于该结层的上面。

9.按照权利要求8所述的装置，其特征在于：构成热桥的机构括一个由导热材料制成的立条(36)，它沿着此排放孔(30)的该第一端(30a)，安装在坩埚(10)中与该部分底部(24)相接触。

10.按照权利要求8和9中的任一项所述的装置，其特征在于：此阀门包括受冷却的滑块(32)，这个滑块能够在排放孔(30)下面沿着排放孔的纵向轴(34)滑动。

11.按照权利要求10所述的装置，其特征在于：排放孔(30)第一端(30a)和受冷却滑块(32)的先导端(32a)的形状分别是凸形和是凹形的，它们的中心在该纵向轴(34)上。

12.按照权利要求11所述的装置，其特征在于：排放孔(30)的第一端(30a)是V字形。

13.按照权利要求8所述的装置，其特征在于：坩埚(10)的底部(24)在排放孔(30)周围的厚度是比较薄的。

14.按照权利要求8所述的装置，其特征在于：底部(24)在出口孔(30)的紧邻没有冷却机构。

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