DE3213764C2

DE3213764C2 - Vorrichtung zum Schmelzen von Metallabfällen durch Elektroschlackeschmelzen

Info

Publication number: DE3213764C2
Application number: DE3213764A
Authority: DE
Inventors: Minoru Matsudo Chiba Harada; Shigeomi Naka Ibaragi Izuhara; Kazuo Kitagawa; Hiroshi Kobe Matsumoto; Ryukichi Mizuno; Atsuhiro Kobe Ochiai; Katsuyuki Mito Ibaragi Ohtsuka; Koji Naka Ibaragi Yanagida
Original assignee: DORYOKURO KAKUNENRYO KAIHATSU JIGYODAN TOKIO/TOKYO JP; DORYOKURO KAKUNENRYO KAIHATSU JIGYODAN TOKIO/TOKYO; Kobe Steel Ltd
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 1981-04-14
Filing date: 1982-04-14
Publication date: 1986-04-10
Also published as: US4591454A; CA1183187A; FR2503598B1; GB2099340B; FR2503598A1; DE3213764A1; GB2099340A

Abstract

Verfahren und 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 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. Gemäß 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.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Schmelzen von Metallabfällen durch Elektroschlackeschmelzen. Bei den Metallabfällen handelt es sich beispielsweise um radioaktive Metallabfälle aus Kernkraftanlagen und Schrott aus verunreinigten Anlageteilen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung dieser Art, die dsm Zweck dient, das Volumen verunreinigter Metailabfälle 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. Häufig werden diese Abfälle in Fässern, Behältern und dergleichen eingeschlossen und in der Anlage, in der sie entstehen, gelagert. Die dort verfügbare begrenzte Lagerkapazität legt es nahe, das Abfallvolumcn zu verringern.

Hinsichtlich der brennbaren radioaktiven Abfälle ist es bereits üblich, zur Verringerung des Volumens die Abfälle zu verbrennen bzw. zu veraschen. Verbrennungsanlagcn für brennbare radioaktive Abfälle sind bereits in Kernkraftwerken und Kernforschungsanlaecn eingebaut worden oder sind dort noch im Bau. Als Verfahren zum Verringern 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.

Ferner ist es an sich bekannt Metallabfälle zur Volumenverringerung einzuschmelzen. Als Schmelzverfahren ist an sich das Elektroschlackeschmelzen bekannt Durch Einschmelzen ist es möglich, Metallabfälle sehr

ίο 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 metallischer Schadstoffe.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Elektroschlackeschmelzens mit den Merkmalen des Ooerbegriffs von Patentanspruch 1 ist bekannt (DE-OS

23 13 081), wobei die bekannte Vorrichtung allerdings nicht zum Schmelzen von Metailabfälien, sondern zur Raffination dient. Die Elektrode der bekannten Vorrichtung ist dementsprechend eine selbstverbrauchende Elektrode.

Die bekannte Vorrichtung ist so, wie sie ist, zum Einschmelzen von Metallabfällen nicht geeignet, wenn eine Verunreinigung der Umgebung durch die Metallabfälle während des Schmelzens möglichst vermieden werden soll.

Der Erfindung lieg., die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Vorrichtung derart auszubilden, daß sie zum Schmelzen von Metallabfällen, und zwar insbesondere zum Schmelzen von schadstoffhaltigen, beispielsweise radioaktiven Abfällen geeignet ist. Dabei soll es die zu schaffende Vorrichtung ermöglichen, die Abfallbehandiung durchzuführen, ohne daß eine Verunreinigung mit beispielsweise radioaktiven Stoffen erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöai.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, Metallabfälle im vollständig abgeschlossenen Zustand zu schmelzen und zu verarbeiten. Da die Verunreinigungen der Metallabfälle während des Elektroschlackeschmelzens zur Schlacke wandern, kann der Schadstoffgehalt der Metalle, beispielsweise der Gehalt an radioaktiven Isotopen, selber stark verringert werden, wobei zugleich die Handhabung und Lagerung aufgrund der Volumenverringerung erheblich vereinfacht sind. Die kompaktierte Metallmasse ermöglicht eine Abfallbesei-

tigung ohne Versiegelung oder kann sogar in manchen Fällen Wiederverwendung finden. Die Erfindung erweist sich somit als äußerst nützlich zum Verarbeiten von radioaktiven Metallabfällen, jedoch auch zum Verarbeiten von anderen schadstoffhaltigen Metallabfällen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

bo Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, teilweise aufgebrochen, einer Vorrichtung zum Schmelzen von Metallabfällen,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung gemäß lll-lll in Fig. 1, Fig. 3 eine Schnittdarstellung gemäß H-Il in Fig. 1 und

F i g. 4 eine perspektivische Ansicht, die zeigt, wie eine erstarrte Masse nach Beendigung der Schmelz- und Vcrarbeitungsbehandlung ausgeformt wird.

Die in den Fig. 1 bis 3 erkennbare Vorrichtung umfaßt eine als Form dienende Kokille 1, die in Längsrichtung ungefähr in ihrer Mitte in zwei Hälften la und \b geteilt ist. wobei jede Hälfte konische Innenseiten la' bzw. Ιό'aufweist, deren Abstand voneinander in Riehtung zur Teilebene größer wird, wie dies in Fig.4 erkennbar ist. Die Hälften der Kokille 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. Am offenen Boden der Kokille 1 ist eine wassergekühlte, ebene Bodenplatte 2 angeordnet, die von einem Wagen 3 getragen wird. Die Kokille 1 und die Bodenplatte 2 bestehen vorzugsweise aus Kupfer, und zwar wegen dessen hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher elektrischer Leitfähigkeit und hoher Beständigkeit Bei manche η Anwendungsfällen ist auf dem Wagen 3 keine Bodenplatte angeordnet In diesen Fällen kommt ein Schlackeschmelzmittel zur Anwendung, um das Elektroschlackeschmelzen einzuleiten. Wenn jedoch auf dem Wagen 3 eine Bodenplatte angeordnet ist, kann die Lichtbogenbildung direkt mit Hilfe der Bodenplatte ohne Benutzung eines Schlackeschmelzmitteis erfolgen. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, wenn die Bodenplatte aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff besteht. Oberhalb der Kokille ist ein Kübel 4 zum Beschikken mit dem zu behandelnden Material angeordnet. Der Kübel 4 kann mit Hilfe eines Zylinders 5 nach unten zur Kokille 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 mi* zumindest einer Klappe T versehen. Auf entgegengesetzten Seiten des Kübels 4 sind nichtverbrauchende Elektroden 8a und Sb zum Elektroschlackeschmelzen angeordnet. Diese Elektroden können angehoben und abgesenkt werden und werden von Zylindern 9a und Sb über Isolatoren getragen. Zwischen der Kokille 1 und dem Kübel 4 sind als Klappen ausgebildete Verschlüsse 10a und 10Ί angeordnet, die den Kübel 4 von der Kokille 1 trennen und mit Hilfe von Zylindern 11a und lli> geöffnet und geschlossen werden. Unterhalb der Verschlüsse ist ein Zuführrohr 12 für Schutzgas angeordnet, das zur Kokille gerichtet ist. Der Kübel 4 und die nichtverbrauchenden Elektroden 8a und Sb sind in einer Haube 13 angeordnet, die oberhalb der Kokille angeordnet ist und die Atmosphäre, in der die Behandlung erfolgt, von der Umgebung trennt, wobei beim Schmelzen entstehender Staub und Abgase durch ein<*n 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 beschriebenen Vorrichtung angehalten und werden die Hälfien la und \b zur Kokille zusammengebaut. Dabei wird dem Ausfließen von geschmolzenem Metall während des Schmelzens dadurch vorgebeugt, daß Klammern in der Teilebcne der Kokille 1 angeordnet werden oder daß die Hälfien \a und Io der Kokille zusammengedrückt werden.

Während dieses Zusammenbaus der Kokille wird die benötigte Menge eines schlackebildenden Schmelzmittels oder der Rest der Schlacke aus der vorangegangenen Bearbeitung in die Kokille gefüllt. Dann werden die nichtverbrauchenden Flektroden 8a und Sb durch Öffnungen 8a' und Sb', die in der Berührungsebene der Verschlüsse 10a und 10£> ausgebildet sind, abgesenkt, bis ihre vorderen Enden in die Schlacke tauchen, und wird die Schlfcke elektrisch geschmolzen, so daß eine bestimmte Schlackemenge erzeugt wird, während ein Schutzgas, beispielsweise Stickstoff, durch das Zuführrohr 12 zugeführt wird. Während dieses Vorgangs werden Staub und Abgase, die in der Vorrichtung entstehen, durch den Kanal 14 abgesaugt und abgeführt. Während die Schlacke geschmolzen wird und während der Schwingförderer 6 arbeitet, wird die Klappe T der Rutsche 7 geöffnet, um auf diese Weise Metallabfälle in den Kübei 4 zu füllen. Wenn eine bestimmte Schlackemenge geschmolzen ist, werden die Verschlüsse 10a und Wb geöffnet und wird der Kübel 4 abgesenkt, bis er den unteren Bereich in der Kokille erreicht, wie die"¹ gestrichelt in F i g. 2 gezeigt ist. wo dann der Kübel 4 geöffnet wird, so daß die Metallabfälle zwischen den Elektroden 8a und Sb auf die geschmolzene Schlacke geschüttet werden, was zur Folge hat, daß die Metallabfälle von der Wänbe der Schlackenschmelze geschmolzen werden. Das geschmolzene Metall sin· ^: durch die Schlacke nach unten und sammelt sich auf dem !"öden, wo es ein Bad geschmolzenen Metalls bildet. Wie beim üblichen Elektroschlackeschmelzen werden diejenigen Bereiche der Schmelze, die sich am Boden und den Seiten der wasse gekühlten Kokille 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 10ό geschlossen werden, damit der Kübel und der übrige Aufbau vor Beschädigungen 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 T der Rutsche 7 geschlossen und werden die Verschlüsse 10a und 10ό 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 allmählich zunimmt und zugleich die Oberfläche der flüssigen Schlacke steigt. Dabei werden die Elektroden 8a und Sb mit Hilfe der Zylinder 9a und 9£> in ihre optimalen Stellungen nach oben gefahren, wobei das Niveau der Oberfläche der flüssigen Schlacke mit Hilfe geeigneter Mittel gemessen wird.

Wenn das Schmelzen und Behandeln des Materials beendet ist, werden die nichtverbrauchenden Elektroden 8a und Sb in ihre Ruhestellungen angehoben und wird die Schmelze gekühlt, bis sie erstarrt. Die erstarrte Masse umfaßt das Metall M und die Schlacke S, di? in Schichten erstarrt sind, wie dies F i g. 4 schematisch L'eig.. Wenn die Hälften la und lider Kokille voneinander entfernt werden, kann dadurch die Masse auf der Bodenplatte 2 entformt werden. Da die Häiften la und Ii) der Kokille die schräg verlaufenden Innenseiten la' und \b' haben, aeren Abstand voneinander in Richtung zur Teilebene zunimmt, kann die erstarrte Masse aus der Kokille auf einfache Weise dadurch entformt werden, daß die beiden Hälften la und \b voneinander entfernt werden.

Die Vorrichtung arbeitet nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren, wobei sämtliche Schritte vom Beginn des Einfülleis 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 Schadstoffe aus dem System austreten. Da der Kübel 4 und die übrigen Bauteile mit Hilfe der Verschlüsse 10a und 10i> von der Kokille getrennt sind, besteht während des Schmelz- und Behandlungsvorgangs nicht die Gefahr, daß diese Bauteile durch die während des Schmelzens herrschende Wärme verformt oder beschädigt werden. Da die am Metall haftenden bzw. mit diesem verbundenen radioaktiven Stoffe währe:id des Schmelz- und Behandlungsvorgangs von der Schlacke absorbiert werden, kann bei der Behandlung radioaktiver Metallabfälle die Stärke der Radioaktivität des erstarrten Metalls Mstark verringert werden. Wenn der Grad der Schadstoffbeseitigung 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 benut·

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Schmelzen von Metallabfällen durch Elektroschlackeschmelzen, mit einer am Boden offenen, gekühlten Kokille, die im wesentlichen in ihrer Längsmitte in zwei Hälften geteilt ist, die zum öffnen und Schließen der Kokille voneinander bzw. zueinander bewegbar sind, und mit mindestens einer in senkrechter Richtung bewegbaren, in die Kokille einfahrbaren Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Kokille (1) eine Haube (13) angeordnet ist, die den Raum über der Kokille von der umgebenden Atmosphäre trennt, daß die Kokille auf einem Wagen (3) steht, der im wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung der Hälften (la, 16) der Kokille bei deren Öffnen bzw. Schließen verfahrbar ist, daß innerhalb der Haube ein in senkrechter Pichtung bewegbarer Kübel (4) zum Füllen der Kc-kille mit den Metallabfällen angeordnet ist, daß Verschlüsse (10a, 106) unterhalb des angehobenen Kübels vorgesehen sind, um den Raum innerhalb der Haube (13) nach unten abzuschließen, und daß in den Verschlüssen Öffnungen (8a', 860 ^fur die zumindest eine sich nicht verbrauchende Elektrode (8,8a, 8i>) ausgebildet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine auf dem Wagen (3) angeordnete, im wesentlichen ebene Bodenplatte (2) zum Schließen der unteren öffnung der Kokille (1).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein in die Haube >3) hineinführendes Zuführrohr (12) zum Zuführen vor. Schutzgas zur Kokille (1).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen an der Haube (i3) angebrachten Kanal (14) zum Abführen von Abgas.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlüsse (10a, 10ό) synchron mit dem Heben und Absenken des Kübels (4) geschlossen und geöffnet werden.