DE3213764A1

DE3213764A1 - Verfahren und vorrichtung zum schmelzen und verarbeiten von metallabfaellen

Info

Publication number: DE3213764A1
Application number: DE19823213764
Authority: DE
Inventors: Minoru Matsudo Chiba Harada; Kazuo Kitagawa; Hiroshi Kobe Matsumoto; Ryukichi Mizuno; Atsuhiro Kobe Ochiai; Katsuyuki Mito Ibaragi Ohtsuka; Koji Naka Ibaragi Yanagida
Original assignee: Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan Tokyo; Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan; Kobe Steel Ltd
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 1981-04-14
Filing date: 1982-04-14
Publication date: 1982-11-04
Also published as: US4591454A; CA1183187A; FR2503598B1; GB2099340B; FR2503598A1; GB2099340A; DE3213764C2

Description

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IEDTKE - DUHLING --_:Ι\ΙΝΝΕ"_:: .-, .~_; Vertreter beim EPA

Gn a *"»* * Γ : "*:* · * ; „- Dipl.-Ing. H.Tiedtke
RUPE " rtLLMANN - läRAfoS ** Dipl.-Chem. G. Bühling

Dipl.-Ing. R. Kinne

3 2 1 3 7 6 k Dipl.-Ing. R Grupe

_ 5 _ Dipl.-Ing. B. Pellmann

Dipl.-Ing. K. Grams

Bavariaring 4, Poetfach 20 24 8000 München 2

Tel.: 089-539653

Telex: 5-24 845 tipat

cable: Germaniapatent München

14.April 1982

DE 2063

case 5634/H02614

Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho
Kobe 651, Japan

Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan
Tokyo, Japan

Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzen und Verarbeiten

von Metallabfällen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schmelzen und Verarbeiten von Metallabfällen wie beispielsweise radioaktiven Metallabfällen aus Kernkraftanlagen und Schrott aus verunreinigten Anlageteilen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf das Schmelzen und Verarbeiten zu dem Zweck, das Volumen verunreinigter Metallabfälle in einem geschlossenen System sicher und effektiv zu verringern.

Im Zuge der weiteren Verbreitung der Kerntechnik nimmt die Menge radioaktiver Metallabfälle und auch die Menge an Schrott aus verunreinigten Anlageteilen zu. Gegenwärtig werden diese Abfälle in Fässern, Behältern und dergleichen eingeschlossen und in der Anlage, in der sie entstehen,

VI/22

Deutsche Bank (Manchen) Kto. 51/61070 Dresdner Bank (München) Kto. 3939844

tOslscheck (München) KIo 670-43-804

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* gelagert. Die dort verfügbare begrenzte Lagerkapazität legt es nahe, das Abfallvolumen zu verringern.

Hinsichtlich der brennbaren radioaktiven Abfälle ist es bereits üblich, zur Verringerung des Volumens die Abfälle zu verbrennen bzw. zu veraschen. Verbrennungsanlagen für brennbare radioaktive Abfälle sind bereits in Kernkraftwerken und Kernforschungsanlagen eingebaut worden oder sind dort noch im Bau. Als Verfahren zur Verringerung des Volumens von unbrennbaren Materialien wie beispielsweise von radioaktiven Metallabfällen ist es bekannt, diese zu zerkleinern und zu komprimieren. Die dadurch erreichbare Volumenverringerung ist jedoch unzureichend.

■^ Bei verschiedenen Metallabfällen ist es bereits bekannt, zur Volumenverringerung diese einem Schmelz- und Verarbeitungsverfahren zu unterwerfen. Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, die Metallabfälle sehr stark zu verdichten und dadurch das Volumen stark zu verringern, wobei zugleich die hohe mechanische Festigkeit der abgekühlten, erstarrten Masse Vorteile hat, zu denen die einfache Handhabung und die stark verringerte Möglichkeit und Wahrscheinlichkeit für eine Rück-Diffusion gehören, d.h. für Ausströmen, Zerfall und Verbreitung usw. metallischer
Schadstoffe. Als Schmelz- und Verarbeitungsverfahren sind bekannt das Elektroschlackeschmelzverfahren, das Hochfrequenzschmelzverfahren, das Plasmalichtbogenschmelzverfahren, das Lichtbogenschmelzverfahren mit nichtverbrauchenden Elektroden, das Induktionsschlackeschmelzverfahren

usw.

Die Anwendung dieser Schmelz- und Verarbeitungsverfahren für radioaktive Metallabfälle kann daher in Erwägung gezogen werden. Für die praktische Anwendung dieser Verfahren 35

ist es jedoch notwendig, zu verhindern, daß es während

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* des Schmelz- und Verarbeitungsvorgangs zu einer radioaktiven Verunreinigung kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schmelzen und Verarbeiten von schädlichen Metallabfällen wie beispielsweise Abfällen, die radioaktive Elemente enthalten, zu schaffen, wobei das Verfahren und die Vorrichtung es ermöglichen sollen, die Behandlung durchzuführen, ohne daß eine Verunreinigung mit radioaktiven Stoffen erfolgt. Die zu schaffende Vorrichtung soll ein effektives Schmelzen und Verarbeiten der Metallabfälle in einem geschlossenen System ermöglichen und nach dem Elektroschlackeschmelzverfahren arbeiten. Der Zusammenbau einer Form, die einen Tiegel eines Schmelzofens bildet, das Beschicken der Form mit Metallabfällen und Schlacke sowie das Einführen zumindest einer nichtverbrauchenden Elektrode zu Erwärmungszwecken soll bei der zu schaffenden Vorrichtung möglichst einfach sein. Schließlich soll hinsichtlich des Verfahrens sicherge-

*® stellt sein, daß das Schmelzen der Schlacke schnell,

gleichmäßig und zuverlässig erfolgt, wenn mittels der zu schaffenden Vorrichtung Metallabfälle geschmolzen und verarbeitet werden sollen.

° Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens durch das in Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren und hinsichtlich der Vorrichtung durch die in Patentanspruch 5 gekennzeichnete Vorrichtung gelöst.

Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt und ergeben sich auch aus der folgenden Beschreibung. .

Bei dem in Patentanspruch 1 genannten Schlackeschmelzmit-

tel handelt es sich um ein Mittel, das das Einleiten des

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Schmelzens einer Schlacke ermöglicht bzw. unterstützt.

Die Erfindung ermöglicht es, Metalle, die radioaktive Stoffe enthalten, und radioaktiv verunreinigte Metallabfälle im vollständig abgeschlossenen Zustand zu schmelzen und zu be- bzw. verarbeiten. Da die Verunreinigungen während des Elektroschlackeschmelzens zur Schlacke wandern, kann die Radioaktivität der Metalle selber stark verringert werden, wobei zugleich die Handhabung und Lagerung aufgrund der Volumenverringerung erheblich vereinfacht wird. Die kompaktierte Metallmasse, deren Radioaktivität stark verringert ist, weil die radioaktiven Verunreinigungen von der Schlacke entfernt worden sind, ermöglicht eine Abfallbeseitigung ohne Versiegelung oder kann sogar in manchen Fällen Wiederverwendung finden. Die Erfindung erweist sich somit als äußerst nützlich bei der Vorrichtung zum Schmelzen und Verarbeiten von radioaktiven Metallabfällen. Es versteht sich jedoch, daß sie auch zur Volumenverringerung von anderen schadstoffhaltigen Metallabfällen geeignet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.

Es zeigen:
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, teilweise aufgebrochen, eines Beispiels für eine erfindungsgemäße Verarbeitungsvorrichtung;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung gemäß III-III in Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung gemäß II-II in Fig. 1;
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1 Fig. 4 eine perspektivische Ansicht, die zeigt, wie eine erstarrte Masse nach Beendigung der Schmelz- und Verarbeitungsbehandlung ausgeformt wird;

5 Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Einleitverfahrens, das zum Einleiten des Schmelzvorgangs von Schlacke dient;

Fig. 6 ein Zustandsdiagramm des Systems Ca-Al;

Fig. 7 eine schematische Schnittdarstellung zur Erläuterung eines weiteren Einleitverfahrens; und

Fig. 8 eine schematische Schnittdarstellung zur Erläute-15 rung eines weiteren Einleitverfahrens.

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Die in den Fig. 1 bis 3 erkennbare Vorrichtung umfaßt einen als Form dienenden Tiegel 1, der in Längsrichtung ungefähr in seiner Mitte in zwei Hälften la und Ib geteilt
ist, wobei jede Hälfte konische Innenseiten la¹ bzw. Ib¹ aufweist, deren Abstand voneinander in Richtung zur Teilebene größer wird, wie dies in Fig. 4 erkennbar ist. Die Hälften des Tiegels sind wassergekühlt, wie dies Fig. 2 erkennen läßt, und können mit Hilfe einer geeigneten Antriebseinrichtung in Richtungen von Pfeilen a und b zueinander und voneinander bewegt werden. An der offenen Unterseite des Tiegels 1 ist eine wassergekühlte, ebene Bodenplatte 2 angeordnet, die von einem Wagen 3 getragen wird. Der Tiegel 1 und die Bodenplatte 2 bestehen vorzugsweise aus Kupfer, und zwar wegen dessen hoher Wärmeleitfähig-

¹^ keit, hoher elektrischer Leitfähigkeit und hoher Beständigkeit. Bei manchen Anwendungsfällen ist auf dem Wagen 3 keine Bodenplatte angeordnet. In diesen Fällen kommt ein Bogenbildungsmittel zur Anwendung, um das Elektroschlackeschmelzen einzuleiten. Wenn jedoch auf dem Wagen 3 eine

²^ Bodenplatte angeordnet ist, kann die Bogenbildung direkt mit Hilfe der Bodenplatte ohne Benutzung eines Bogenbildungsmittels erfolgen. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, wenn die Bodenplatte aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff besteht. Oberhalb des Tiegels ist ein Kübel 4 zum Beschicken mit dem zu behandelnden Material angeordnet. Der Kübel 4 kann mit Hilfe eines Zylinders 5 nach unten zum Tiegel abgesenkt werden. Das zu behandelnde Material wird in den Kübel 4 mit Hilfe eines Schwingförderers 6 über eine Rutsche 7 eingeführt. Die Rutsche 7 ist mit

zumindest einer Klappe 7' versehen. Auf entgegengesetzten

Seiten des Kübels 4 sind nichtverbrauchende Elektroden 8a und 8b zum Elektroschlackeschmelzen angeordnet. Diese
Elektroden können angehoben und abgesenkt werden und werden von Zylindern 9a und 9b über Isolatoren getragen. Zwi-35

sehen dem Tiegel 1 und dem Kübel 4 sind als Klappen ausge-

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bildete Verschlüsse 10a und 10b angeordnet, die den Kübel 4 vom Tiegel 1 trennen und mit Hilfe von Zylindern 11a und 11b geöffnet und geschlossen werden. Unterhalb der Verschlüsse ist ein Zuführrohr 12 für Schutzgas angeordnet, das zum Tiegel gerichtet ist. Der Kübel 4 und die nichtverbrauchenden Elektroden 8a und 8b sind in einer Haube 13 angeordnet, die oberhalb des Tiegels angeordnet ist und die Atmosphäre, in der die Behandlung erfolgt, von der Umgebung trennt, wobei beim Schmelzen entstehender Staub und Abgase durch einen Kanal 14 aus dem System abgeführt werden.

Das Schmelzen und Behandeln von Metallabfällen mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Vorrichtung erfolgt auf folgende Weise.

Zunächst wird der Wagen mit der darauf angebrachten Bodenplatte 2 unmittelbar unterhalb der Behandlungs- bzw. Verarbeitungsvorrichtung angehalten und werden die Hälften la und Ib zum Tiegel zusammengebaut. Dabei wird dem Ausfließen von geschmolzenem Metall während des Schmelzens dadurch vorgebeugt, daß Klammern in der Teilebene des Tiegels 1 angeordnet werden oder daß die Hälften la und Ib

des Tiegels zusammengedrückt werden.
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Während dieses Zusammenbaus des Tiegels wird die benötigte Menge eines schlackebildenden Schmelzmittels oder der Rest des Schlackepulvers aus der vorangegangenen Bearbeitung in den Tiegel gefüllt. Dann werden die nichtverbrauchenden Elektroden 8a und 8b durch Löcher 8a¹ und 8b¹ , die in der Berührungsebene der Verschlüsse 10a und 10b ausgebildet sind, abgesenkt, bis .ihre vorderen Enden in die Schlacke tauchen, und wird die Schlacke elektrisch geschmolzen, so daß eine bestimmte Schlackemenge erzeugt wird, während ein Schutzgas, beispielsweise Stickstoff, durch das Zuführrohr

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12 zugeführt wird. Während dieses Vorgangs werden Staub und Abgase, die in der Verarbeitungsvorrichtung entstehen, durch den Kanal 14 abgesaugt und abgeführt. Während die Schlacke geschmolzen wird und während der Schwingförderer 6 arbeitet, wird die Klappe 7' der Rutsche 7 geöffnet, um auf diese Weise Metallabfälle in den Kübel 4 zu füllen. Wenn eine bestimmte Schlackemenge geschmolzen ist, werden die Verschlüsse 10a und 10b geöffnet und wird der Kübel 4 abgesenkt, bis er den unteren Bereich im Tiegel er-

reicht, wie dies gestrichelt in Fig. 2 gezeigt ist, wo

dann der Kübel 4 geöffnet wird, so daß die Metallabfälle zwischen den Elektroden 8a und 8b auf die geschmolzene
Schlacke geschüttet werden, was zur Folge hat, daß die Metallabfälle von der fühlbaren Wärme der Schlackeschmelze

¹^ geschmolzen werden. Das geschmolzene Metall sinkt durch die Schlacke nach unten und sammelt sich auf dem Boden, wo es ein Bad geschmolzenen Metalls bildet. Wie beim üblichen Elektroschlackeschmelzen werden diejenigen Bereiche der Schmelze, die sich am Boden und den Seiten des wasser-

^O gekühlten Tiegels befinden, gekühlt, so daß sie erstarren. Der Kübel 4 wird, wenn die Metallabfälle aus ihm entleert sind, mit Hilfe des Zylinders 5 in seine Ruhestellung angehoben, woraufhin die Verschlüsse 10a und 10b geschlossen werden, damit der Kübel und der übrige Aufbau vor Beschä- ° digungen durch Strahlungswärme von der Schmelze geschützt sind, während zu behandelndes Material aus der Rutsche in den Kübel 4 gefüllt wird. Wenn der Kübel 4 wieder mit einer gewissen Materialmenge gefüllt ist, wird die Klappe 7' der Rutsche 7 geschlossen und werden die Verschlüsse

10a und 10b geöffnet, damit der Kübel 4 abgesenkt werden kann und sein Inhalt in die geschmolzene Schlacke entleert werden kann.

Der vorstehend beschriebene Vorgang wird danach wiederholt, so daß die Menge des verarbeiteten Materials allmäh-

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lieh zunimmt und zugleich die Oberfläche der flüssigen
Schlacke steigt. Dabei werden die Elektroden 8a und 8b mit Hilfe der Zylinder 9a und 9b in ihre optimalen Stellungen nach oben gefahren, wobei die Oberfläche der flüssigen
Schlacke mit Hilfe geeigneter Mittel erfaßt wird.

Wenn das Schmelzen und Behandeln des Materials beendet
ist, werden die nichtverbrauchenden Elektroden 8a und 8b in ihre Ruhestellungen angehoben und wird die Schmelze ge-

kühlt, bis sie erstarrt. Die erstarrte Masse umfaßt das Metall M und die Schlacke S, die in Schichten erstarrt
sind, wie dies Fig. 4 schematisch zeigt. Wenn die Hälften la und Ib des Tiegels voneinander entfernt werden, kann dadurch die Masse auf der Bodenplatte 2 entformt werden.

Da die Hälften la und Ib des Tiegels die schräg verlaufenden Innenseiten la¹ und Ib¹ haben, deren Abstand voneinander in Richtung zur Teilebene zunimmt, kann die erstarrte Masse aus dem Tiegel auf einfache Weise dadurch entformt werden, daß die beiden Hälften la und Ib voneinander ent-

fernt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet nach einem Verfahren, wie es vorstehend beschrieben ist, wobei sämtliche Schritte vom Beginn des Einfüllens des zu behandelnden Materials bis zum Schmelzen und Behandeln des Materials in einem abgeschlossenen System durchgeführt werden, während die Abgase ständig durch den Kanal 14 zu einer geeigneten Gasbehandlungsvorrichtung abgesaugt werden, wo sie behandelt werden, so daß nicht die Gefahr besteht, daß Schad-30

stoffe aus dem System austreten. Da der Kübel 4 und die übrigen Bauteile mit Hilfe der Verschlüsse 10a und 10b vom Tiegel getrennt sind, .besteht während des Schmelz- und Behandlungsvorgangs nicht die Gefahr, daß diese Bauteile

durch die während des Schmelzens herrschende Wärme ver-35

formt oder beschädigt werden. Da die am Metall haftenden

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bzw. mit diesem verbundenen radioaktiven Stoffe während des Schmelz- und Behandlungsvorgangs von der Schlacke absorbiert werden, kann bei der Behandlung radioaktiver Metallabfälle die Stärke der Radioaktivität des erstarrten Metalls M stark veringert werden. Wenn der Grad der Schadstoff beseitigung dabei hoch ist, kann die erstarrte Masse an geeigneter Stelle als Abfall beseitigt werden, wobei es in manchen Fällen sogar möglich ist, die erstarrte Masse als Rohmaterial wieder zu benutzen.

Die konkrete konstruktive Ausbildung der beschriebenen
Vorrichtung kann hinsichtlich zahlreicher Einzelheiten geändert werden, sofern der vorstehend beschriebene Zweck erfüllt wird. In diesem Rahmen können auch zusätzliche

Vorrichtungen oder Bauteile vorgesehen sein. Bedarfsweise geändert und anders als dargestellt ausgebildet sein können beispielsweise die Formen der Klappe 7¹ und der Verschlüsse 10a und 10b sowie ihre Mechanismen zum Öffnen und Schließen, die Form des Kübels 4 und seines Mechanismus zum Öffnen und Schließen sowie sein Hebemechanismus, die Mittel zum Einfüllen des zu behandelnden Materials in den Kübel 4, die Anzahl der nichtverbrauchenden Elektroden und die Mechanismen zum Heben und Senken der Elektroden. Wenn die Erfindung eingesetzt wird zum Schmelzen und Behandeln von radioaktiven Metallabfällen, wie dies vorstehend beschrieben ist, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Vorgänge ohne eine Bedienperson bzw. ferngesteuert ablaufen können. Hierzu ist es zweckmäßig, eine Folgesteuerung vorzusehen, die es ermöglicht, zeitlich aufeinander abge-

stimmt das Offnen und Schließen der Klappe 7¹ und der Verschlüsse 10a und 10b, das Heben und Absenken sowie Öffnen und Schließen des Kübels 4, das Heben und Absenken der
nichtverbrauchenden Elektronden 8a und 8b sowie die Stromzufuhr zu diesen und die Bewegung der Hälften la und Ib des Tiegels zueinander und voneinander durchzuführen.

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Beim vorstehend beschriebenen Elekcroschlackeschmelzverfahren wird Schlacke benutzt, die Joulesche Wärme erzeugt, wenn elektrischer Strom durch die Schlacke fließt. Da jedoch feste Schlacke einen so hohen elektrischen Widerstand hat, daß sie praktisch keinen Strom durchläßt, ist es bei der praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendig, die Schlacke zunächst zu schmelzen, damit diese elektrisch leitfähig wird und dann ein ausreichend starker Strom durch die Schlacke fließen kann. Dieser Vorgang wird im allgemeinen als Einleitverfahren, nämlich als Verfahren zum Einleiten des Schmelzens der Schlacke, bezeichnet. Diese Einleitverfahren werden in warme Einleitverfahren und kalte Einleitverfahren eingeteilt, wobei die kalten Einleitverfahren unterteilt werden in Lichtbogeneinleitverfahren und Unterpulver-Einleitverfahren. Diese Verfahren hben ihre Vor- und Nachteile. Da das warme Einleitverfahren eine eigene bzw. getrennte Schmelzvorrichtung benötigt und aufweist, ermöglicht es ein allmähliches und einwandfreies Einleiten des Elektroschlackeschmelzverfahrens und somit gute Qualität des Sumpfes; nachteilig sind jedoch die verhältnismäßig hohen Anlagekosten und die Wartungserfordernisse. Außerdem bleibt das Problem zu lösen, wie der Beginn des Schmelzens in der Schmelzvorrichtung für die Schlacke zu bewirken ist. Beim Lichtbogeneinleitverfahren werden Elektroden in Metallspäne eingeführt und werden Lichtbogen erzeugt, wobei die dabei entstehende Lichtbogenwärme dazu benutzt wird, das Schmelzen der
Schlacke voranzubringen. Je nach der Art der Schlacke kann es jedoch vorkommen, daß die Lichtbogenwärme wegen des ho-

hen Schmelzpunktes der Schlacke nicht ausreicht, um diese fortlaufend bzw. allmählich und einwandfrei immer mehr zu schmelzen. Schließlich, wird beim Unterpulvereinleitverfahren ein spezielles selbstschmelzendes Schmelzmittel benutzt, was den Nachteil hat, daß die Zusammensetzung der

Schlacke für das Elektroschlackeschmelzverfahren verhältnismäßig kompliziert ist. Benötigt wird somit ein Einleit-

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verfahren zum Einleiten des Schmelzens der Schlacke, das die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht aufweist. Da die vorstehend beschriebene Schmelz- und Verarbeitungsvorrichtung, die insbesondere zur Verarbeitung von radioaktiven Abfällen bestimmt ist, unter erschwerten Einsatzbedingungen betrieben wird, ist es notwendig, daß das Einleiten des Schmelzens einschließlich aller Vorbereitungshandlungen auf einfache Weise durchgeführt werden kann und daß der Schmelzbeginn zuverlässig erfolgt. Wenn die geschmolzene Schlacke mehrfach verwendet wird, ist es ferner notwendig, daß die Zusammensetzung des Schlackesystems nicht jedesmal eine andere ist.

Die üblichste Form eines Einleitverfahrens, das diese An- !5 forderungen erfüllt, ist das sogenannte Bodenplatten-Einleitverfahren, das schematisch in Fig. 5 erläutert ist. Bei diesem Einleitverfahren wird die elektrisch leitfähige Bodenplatte 2 am Boden des Tiegels 1, d.h. auf der Oberseite des Wagens 3, angeordnet. Danach wird dann die
Schlacke S eingefüllt und werden die Elektroden 8 in die Schicht aus Schlacke eingesetzt und über eine Stromquelle 15 mit der Bodenplatte 12 verbunden. Für kurze Zeit werden dann die Elektroden 8 in Berührung mit der Bodenplatte 2 gebracht, so daß Lichtbogen entstehen, deren Wärme die
^ Schlacke schmilzt. Danach wird das Schmelzen der Schlacke mit Hilfe der Widerstandswärme der geschmolzenen Schlacke gleichmäßig forgesetzt.

Das Schmelzen der Schlacke kann gleichmäßig und schnell

auch dadurch eingeleitet werden, daß Schlacke und ein

Schlackeschmelzmittel in den Tiegel in Schichten bzw. Lagen eingebracht werden, und daß veranlaßt wird, daß das
Schlackeschmelzmittel Wärme abgibt. In diesem Zusammenhang ist das zweckmäßigste Schlackeschmelzmittel eine Ca-Al-Legierung. Fig. 6 zeigt das Standardzustandsdiagratnm für Ca

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und Al. Wenn die Metalle Ca und Aj. im Vakuum geschmolzen werden, werden Legierungen wie Al_?Ca und Al„Ca sowie Phasen mit zusätzlichem Ca und dergleichen erhalten, die
sämtlich als Schlackeschmelzmittel geeignet sind.
5

Diese Schlackeschmelzmittel werden bisweilen als kompakte Masse eingesetzt. Vorzugsweise werden sie jedoch in Pulverform eingesetzt, da es günstig ist, wenn sie eine möglichst große Oberfläche haben. Da die Ca-Al-Legierungen durch Lichtbogenwärme oder andere Wärme gezündet werden und dann zu Oxiden (CaO und A1₂O3) verbrennen, brennen sie um so leichter und ist die Gefahr, daß Ca und Al nach dem Schmelzen der Schlacke metallisch übrig bleiben, um so geringer, je größer die Oberfläche ist.

Die Schlackeschmelzmittel können zur Abgabe von Wärme dadurch verursacht werden, daß die Zündbarkeit von Ca und Al ausgenutzt wird, um sie direkt mittels einer geeigneten Zündquelle zu zünden und dann abbrennen zu lassen. Einfaeher ist es jedoch, ihre elektrische Leitfähigkeit auszunutzen und Lichtbogenwärme zu erzeugen. Im folgenden werden zwei konkrete Beispiele dafür erläutert. Das Verfahren gemäß einem ersten Beispiel läuft in der Weise ab, daß
zwei Elektroden in das Schlackeschmelzmittel so einge-

^5 taucht werden, daß ihre vorderen Enden durch das Schlackeschmelzmittel kurzgeschlossen sind, und daß ein elektrischer Strom hindurchgeleitet wird, um Lichtbogenwärme zu erzeugen und dadurch das Schlackeschmelzmittel zu zünden.

In diesem Fall wird keine Bodenplatte benötigt. Das Ver-

fahren gemäß dem zweiten Beispiel läuft in der Weise ab, daß eine elektrisch leitfähige Bodenplatte auf der Unterseite der Form bzw. des Tiegels, d.h. auf der Oberseite des Wagens, angeordnet wird, daß eine Elektrode oder mehrere Elektroden soweit eingeführt werden, bis ihre vorde-

ren Enden in das Schlackeschmelzmittel eintauchen, so daß

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dieses für Kurzschluß zwischen der Elektrode bzw. den

Elektroden und der Bodenplatte sorgt, und daß ein elektrischer Strom hindurchgeführt wird, durch den Lichtbogenwärme erzeugt wird, so daß das Schlackeschmelzmittel gezündet wird. Die Fig. 7 und 8 zeigen schematische Darstellungen zur Erläuterung der Verfahren gemäß den beiden vorstehend genannten Beispielen, wobei Fig. 7 einen Fall mit zwei
Elektroden und Fig. 8 einen Fall mit einer Elektrode
zeigt. Die Anordnung und Funktionsweise des Tiegels 1, der Bodenplatte 2, des Wagens 3 und der Elektroden 8 sowie das Vorgehen beim Einfüllen der Schlacke und des Schlackeschmelzmittels können wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den. Fig. 1 bis 4 sein. Das im folgenden beschriebene Einleitverfahren zum Einleiten des Schmelzens der Schlacke kann jedoch auch dort zur Anwendung kommen, wo das Elektroschlackeschmelzverfahren nicht mit dem Tiegel usw. gemäß den Fig. 1 bis 4 sondern mit Hilfe eines normalen Tiegels und eines normalen Schmelzofens durchgeführt wird.

Erfindungsgemäß werden die Schlacke S und das Schlackeschmelzmittel SS schichtweise in den Tiegel 1 eingebracht. Fig. 7 zeigt drei Schichten und Fig. 8 zeigt zwei Schichten, wobei jedoch keine Beschränkung auf diese Schichtsysteme, die Dicken der Schichten und die Anzahl der Schich- ° ten bezweckt ist. Beispielsweise können bei dem in Fig. 7 gezeigten System mit zwei Elektroden vier oder mehr
Schichten vorgesehen sein.

Um die Verbrennungswärme des Schlackeschmelzmittels SS

vollständig auszunutzen, ist es zweckmäßig, die oberste Schlackeschmelzmittelschicht ständig mit Schlacke S bedeckt zu halten, damit, die Wärmeverluste möglichst niedrig sind. Wenn jedoch im Gegensatz zu diesem Konzept die oberste Schicht selber aus Schlackeschmelzmittel SS besteht
(beispielsweise in Fig. 8 könnte auf der Schicht aus

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Schlacke S eine weitere Schicht aus Schlackeschmelzmittel angeordnet sein), ist bei der sich ergebenden Schichtanordnung mit einer Schlackeschicht zwischen Schichten aus Schlackeschmelzmittel die Schmelzgeschwindigkeit der

Schlacke S höher, obwohl diese Anordnung hinsichtlich der Material- und Wärmeausnutzung etwas ungünstiger ist.

In jedem Fall sind die Schlacke S und das Schlackeschmelzmittel SS abwechselnd übereinander geschichtet, wobei die Elektroden in das Schlackeschmelzmittel SS eingetaucht
werden.

Zwischen die Elektrode 8 und die Bodenplatte 2 (siehe Fig. 8) oder zwischen die Elektroden 8 (siehe Fig.7) ist die Stromquelle 15 geschaltet, die eine Gleichstromquelle oder eine Wechselstromquelle sein kann, wobei bei den dargestellten Ausführungsbeispielen eine-Wechselstromquelle
vorgesehen ist. Da das Schlackeschmelzmittel SS eine Ca-Al-Legierung mit ausreichender elektrischer Leitfähigkeit ist, kommt es zum Fließen eines Stromes zwischen der Elektrode 8 und der Bodenplatte 2 bzw. den Elektroden 8, so daß Lichtbogen entstehen. Bei dem Beispiel gemäß Fig. 8 könnte das elektrische Potential auch zwischen der Elektrode 8 und dem Tiegel 1 angelegt sein, wobei in diesem Fall die Schichtung der Schlacke S und des Schlackeschmelzmittels SS wie in Fig. 7 sein könnte. Zwar ist vorstehend im Zusammenhang mit der Schlacke S und dem Schlakkeschmelzmittel SS beschrieben, daß sie in getrennten

Schichten angeordnet sind; sie können jedoch auch mitein-

ander vermischt sein und eine einzige Schicht bilden, wenn der Abstand zwischen den Elektroden ausreichend klein ist oder wenn der relative Anteil des Schlackeschmelzmittels ausreichend groß ist.

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Wenn auf die vorstehend beschriebene Weise Lichtbogen erzeugt werden, wird das Schmelzen der Schlacke durch die Lichtbogenwärme eingeleitet. Wenn dabei die die Ca-Al-Legierung umgebende Atmosphäre eine oxidierende Atmosphäre ist, beginnt zugleich mit dem Zünden der Ca-Al-Legierung deren Verbrennung, so daß die Verbrennungswärme das Schmelzen der Schlacke unterstützt. Zu Beginn der Lichtbogenbildung fließt der elektrische Strom etwas instabil; sobald sich jedoch am vorderen Ende der jeweiligen Elektrode ein Schlackebad bzw. flüssige Schlacke gebildet hat, stabilisiert sich der Strom und schreitet das Schmelzen der Schlacke durch Joulesche Wärme fort, so daß der angestrebte Zweck erreicht wird. Da die Ca-Al-Legierung, wenn sie einmal gezündet ist, schnell abbrennt, selbst wenn es sich bei der oxidierenden Atmosphäre um eine solche handelt, deren Zusammensetzung praktisch gleich der von Luft ist, besteht nicht die Gefahr, daß Ca oder Al metallisch zurückbleiben, wenn die Schlacke geschmolzen ist. Ferner besteht nicht die Gefahr, daß die Eigenschaften der geschmolzenen Schlacke instabil werden. Ca und Al bilden aufgrund der Verbrennung CaO und AlpO3. Wenn es sich bei der Schlacke für das Elektroschlackeschmelzverfahren um ein System mit diesen Oxiden handelt, ergibt sich der Vorteil, daß keine Störung der Schlackezusammensetzung auftritt. Da das Schlackeschmelzmittel kein Si enthält, besteht nicht die Gefahr der Entstehung von S1O2, was die Basizität der Schlacke verringern würde. Demzufolge kann die Schlacke wiederholt benutzt werden. Beispielsweise

bei der Behandlung von radioaktiven Metallabfällen kann 30

dadurch die Erzeugung von Sekundärabfällen in erheblichem Ausmaß vermieden werden. Da Ca-Al-Legierungen wesentlich sicherer sind als Thermitmittel, ist das vorstehend beschriebene Einleitverfahren wesentlich weniger gefährlich,

das zudem eine höhere Vielseitigkeit bei der Anwendung 35

ermöglicht.

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Nachdem die Schlacke auf vorstehend beschriebene We ise geschmolzen worden ist, werden die Metallabfälle in den Tiegel gegeben, wobei sie aufgrund der unterschiedlichen spezifischen Gewichte zum Boden des Tiegels sinken. Die Elektroden werden von oberhalb des Tiegels in die geschmolzene Schlackeschicht abgesenkt, woraufhin dann elektrischer Strom durchgeleitet wird, so daß die Metallabfälle geschmolzen werden. Wenn eine große Menge an Metallabfällen auf einmal in den Tiegel gefüllt wird, könnte es geschehen, daß die flüssige Schlacke bis zur Erstarrung abgekühlt wird. Daher ist es zweckmäßig, die Metallabfälle in kleinen Chargen aufeinanderfolgend zuzugeben und nach jeder Zugabe zum Erwärmen Strom durchzuleiten, damit die flüssige Schlacke nicht erstarrt.

Bei den mit Hilfe der Erfindung erzielten Vorteilen handelt es sich somit im wesentlichen um folgende:

(1) Für den Menschen schädliche Metallabfälle können in einem geschlossenen System zur Verringerung des Volumens geschmolzen und verarbeitet werden.

(2) Da die Schadstoffe von der Schlacke festgehalten werden, ist die Giftigkeit des verarbeiteten bzw. behan-

^ delten Metalls stark verringert.

(3) Die Verwendung eines Schlackeschmelzmittels vereinfacht das Einleiten des Schmelzens der Schlacke und

erhöht dessen Zuverlässigkeit.
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Bei der Erfindung handelt es sich somit im wesentlichen um ein Verfahren und .eine Vorrichtung zum Schmelzen und Verarbeiten von Metallabfällen. Die Vorrichtung zum
Schmelzen und Behandeln von Metallabfällen, einschließlich radioaktiver Abfälle, umfaßt einen Schmelz- und Verarbeitungstiegel, der auf der Oberseite eines Wagens angeordnet

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ist und eine geteilte Form bildet. In einem geschlossenen System werden die Metallabfälle in den Tiegel gefüllt und nach dem Elektroschlackeschmelzverfahren unter Verwendung einer nichtverbrauchenden Elektrode geschmolzen. Gemaß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden ein Schlackeschmelzmittel und Schlacke in den Tiegel in Schichten gefüllt und wird mittels der nichtverbrauchenden Elektrode elektrischer Strom durchgeleitet, um dadurch das Schlackeschmelzmittel zu erwärmen.
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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Schmelzen und Verarbeiten von Metallabfällen durch Elektroschlackeschmelzen, dadurch gekennzeichnet,

a) daß auf der Oberseite eines Wagens eine wassergekühlte, zylindrische, am Boden offene Form zusammengesetzt wird, die im wesentlichen in ihrer Mitte in zwei Hälften geteilt ist, die relativ zueinander in Zusammenbau- und Öffnungsrichtung bewegbar sind,

b) daß ein Schlackeschmelzmittel, das zum Einleiten des Schmelzens von Schlacke dient, sowie Schlacke in die Form in Schichten eingebracht werden, wozu ein Kübel benutzt wird, der oberhalb der Form zum Einbringen des zu verarbeitenden Materials angeordnet ist,

c) daß der Kübel in seine Ruhestellung angehoben wird und daß der Kübel und die Form voneinander mit Hilfe von Verschlüssen getrennt werden,

d) daß eine vertikal bewegbare, nichtverbrauchende Elektrode, die oberhalb der Form angeordnet ist, durch ein Loch in den Verschlüssen abgesenkt wird, bis ihr
vorderes Ende das Schlackeschmelzmittel erreicht, daß
elektrischer Strom durchgeleitet wird, um das Schlackeschmelzmittel zu zünden, damit die Schlacke zu schmelzen

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beginnt, und daß zum weiteren Schmelzen der Schlacke die Stromdurchleitung fortgesetzt wird,

e) daß die nichtverbrauchende Elektrode in ihre Ruhestellung angehoben wird, daß die Verschlüsse geöffnet werden und daß mit Hilfe des Kübels Metallabfälle in die Form gefüllt werden, und

f) daß die Verschlüsse geschlossen werden, ein Schutzgas
in die Form geblasen wird, die nichtverbrauchende Elektrode abgesenkt wird, bis ihr vorderes Ende in die geschmolzene Schlackeschicht eintaucht, und daß elektrischer Strom durchgeleitet wird, um auf diese Weise die Metallabfälle durch Joulesche Wärme zu schmelzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schlackeschmelzmittel eine Ca-Al-Legierung benutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtverbrauchende Elektrode und die

^w Form kurzgeschlossen werden, um Lichtbögen zu erzeugen, die das Schlackeschmelzmittel zünden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen mehreren nichtverbrauchenden Elektroden elektrischer Strom durchgeleitet wird, um Lichtbogen zu erzeugen, die das Schlackeschmelzmittel zünden.

5. Vorrichtung zum Schmelzen und Verarbeiten von Me-

tallbfallen durch Elektroschlackeschmelzen, gekennzeichnet

durch

a) eine wassergekühlte, zylindrische, am Boden offene Form (1), die im wesentlichen in ihrer Mitte in zwei Hälften (la, Ib) geteilt ist, die in Richtung des Zusammenbaus

und des Öffnens der Form relativ zueinander bewegbar sind, 35

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b) einen unter der Form angeordneten Wagen (3), der in einer zur Zusammenbau- und Öffnungsrichtung der geteilten Form querverlaufenden Richtung bewegbar ist,

c) einen oberhalb der Form angeordneten Kübel (4)
zum Einfüllen des zu verarbeitenden Materials in die Form,

d) Verschlüsse (10a, 10b) zum Schließen und Öffnen des Durchlasses zwischen der Form und dem angehobenen Kübel in seiner Ruhestellung,

e) eine in senkrechter Richtung bewegbare, nichtverbrauchende Elektrode (8,8a,8b), die in die Form eingeführt werden kann, und

f) ein Zuführrohr (12) zum Zuführen eines Schutzgases in die Form.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesentlichen ebene Bodenplatte (2) am Wagen (3) angebracht ist, deren Oberseite in Berührung mit der offenen Unterseite der wassergekühlten Form (1)

steht.
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7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlüsse (10a,10b) synchron mit dem Heben und Absenken des Kübels (4) geschlossen und geöffnet werden.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch eine einzige nichtverbrauchende Elektrode (8).

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch mehrere nichtverbrauchende Elektroden (8a,8b).

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kübel (4), die Verschlüsse

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(10a, 10b), die zumindest eine nichtverbrauchende Elektrode (8,8a,8b) und das Zuführrohr (12) für Schutzgas innerhalb einer Haube (13) angeordnet sind, die die Oberseite der Form (1) so überdeckt, daß die genannten Elemente von der umgebenden Atmosphäre getrennt sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, gekennzeichnet durch einen an der Haube (13) angebrachten Kanal (14) für Abgas.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schlackeschmelzmittel (SS)

und Schlacke (S) in Schichten in die Form (1) eingebracht werden und daß die Schicht aus Schlackeschmelzmittel an derjenigen Stelle angeordnet ist, bis zu der sich die zumindest eine nichtverbrauchende Elektrode (8,8a,8b) erstreckt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn-

zeichnet, daß das Schlackeschmelzmittel (SS) eine Ca-Al-Legierung ist.