一种用于高温玻璃固化熔炉的卸料装置的制作方法

本发明涉及一种熔炉卸料装置，具体涉及一种用于高温玻璃固化熔炉的卸料装置，可实现高温玻璃熔炉固化危险及放射性废物的可控卸料，本发明属于危险及放射性废物处理技术领域。

背景技术：

玻璃固化技术，又称高温熔融技术，是指将玻璃添加剂与危险或放射性废物混合，经高温(一般大于1100℃)熔融后浇铸成玻璃固化体的技术。危险或放射性废物中的有机毒害物经高温分解成小分子，而无机毒害元素在高温玻璃熔制过程中进入玻璃网络结构，对其实现原子尺度的固化，从而阻止毒害元素向外界环境迁移。经高温处理后，废物减容比大，同时无序的玻璃网络结构有利于包容不同种类元素，且最终玻璃体抗腐蚀、耐高温、化学性质稳定，因此玻璃固化是当前国际上处理危险或放射性废物的主要手段。危险废物经高温熔融无害化后的玻璃态渣，一般可实现建材资源化利用，而放射性废物玻璃固化体由于本身具有放射性，需做浅表或深地质处置，使其最大限度与生物圈隔绝。

陶瓷电熔炉是利用高温玻璃熔体的导电特性，依据焦耳加热原理，将金属电极浸入高温玻璃熔体内，产生热量，从而熔化熔池顶部玻璃配合料(冷帽)，炉膛内部由不同种类耐火陶瓷材料构成。陶瓷电熔炉废物处理量大、熔化效率高，且熔池顶部形成的冷帽具有抑制易挥发毒害元素挥发的作用，是当前玻璃固化的主流工艺。

陶瓷电熔炉一般可通过人工方式或冻融法卸出高温玻璃熔体。利用氢氧焰将卸料口玻璃熔化的人工方式，虽不需要特殊的卸料装置，但在危险或放射性废物玻璃固化运行过程中不可行。因此，当前主要采用冻融法，实现危险或放射性废物高温玻璃熔体的卸料。冻融法卸料由冻融阀卸料装置完成，主要包括卸料管和绕在卸料管四周的加热线圈。卸料时，通过线圈加热管内凝固态玻璃，使之逐渐熔化、出料。但该类卸料装置仅加热线圈包围区内凝固态玻璃，很难保证炉内底部出料口温度。为保证卸料顺利，一般需在炉底布置电极，提升出料口温度。线圈加热卸料装置通过热辐射由外向内，先加热卸料管，再熔化玻璃，卸料效率较低。此外，卸料管同时受高温和腐蚀性玻璃熔体的损害，严重影响其服役寿命，不利于玻璃固化设施的正常运行。

因此，针对危险及放射性废物玻璃固化过程中的卸料问题，设计一种安全可靠、高效稳定运行的玻璃固化熔炉卸料装置十分必要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于危险或放射性废物玻璃固化熔炉的冻融阀卸料装置。该装置操作简单、过程可控，能保证玻璃固化熔炉的高效稳定运行。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于高温玻璃固化熔炉的卸料装置，卸料装置至少包括金属卸料管和第一类型电极，金属卸料管连接在熔炉的底部，第一类型电极不与金属卸料管直接电连接。

当卸料装置工作时，第一类型电极的一部分或其全部位于熔炉下部的熔融态玻璃内，金属卸料管与第一类型电极通电后形成加热回路，使熔炉底部和金属卸料管内的凝固态玻璃熔化，以实现卸料。

在一些实施例中，还包括金属托盘和陶瓷绝缘垫，陶瓷绝缘垫使金属托盘与金属卸料管隔离；第一类型电极连接在金属托盘的边缘顶部，金属托盘和金属卸料管分别设有电源连接端。

在一些实施例中，金属托盘具有第一容腔，第一容腔底部设有第一通孔；陶瓷绝缘垫具有第二容腔，第二容腔底部设有第二通孔；陶瓷绝缘垫匹配安装在第一容腔内，金属卸料管匹配安装在第二容腔内，金属卸料管的下端从第二通孔穿出。

在一些实施例中，第一类型电极包括若干个第一条状电极，第一条状电极焊接在金属托盘的边缘顶部，每个第一条状电极的高度为1-5厘米。

在一些实施例中，金属卸料管的上部内侧为锥形坡面，锥形坡面的倾角为10-80度。

在一些实施例中，锥形坡面上连接有若干个第二类型电极。

在一些实施例中，第二类型电极包括若干个第二条状电极，第二条状电极竖直焊接在锥形坡面，每个第二条状电极高度为0.5-2.5厘米，各个相邻的第二条状电极的顶部呈梯度分布。

在一些实施例中，金属卸料管下部是由内管和外管组成的套管结构，外管设有冷却介质入口和冷却介质出口，内管和外管之间的空间内设有测温装置。

在一些实施例中，金属卸料管为镍铬铁合金材质，陶瓷绝缘垫为铬刚玉材质。

本发明还提供了一种高温玻璃固化熔炉，熔炉采用陶瓷电熔炉、等离子炬熔炉或电弧熔炉之中的一种，熔炉安装有上述卸料装置。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)卸料装置利用焦耳加热原理，通过卸料托盘和卸料管形成回路，直接加热熔化熔炉出料口与卸料管内的玻璃。热转换效率高，同时避免了外在热辐射对金属料管的损害，延长了卸料装置的使用寿命。

(2)卸料管设计成套管结构，可以在需要停止卸料时通入冷却介质，快速使高温熔体凝固。这样根据实际运行需求，实现通电卸料、通冷却介质停止放料的可控操作。

(3)该卸料装置可通过远程电气操控端，实现自动化卸料过程中的加热-出料-冷却环节，具有较好的安全性与稳定性，且更换便利。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中的卸料装置安装在玻璃固化熔炉底部的示意图。

图2是本发明一个较佳实施例中的卸料装置的剖面示意图。

图3是本发明一个较佳实施例中的卸料托盘的剖面示意图。

图4是本发明一个较佳实施例中的卸料托盘的俯视示意图。

图5是本发明一个较佳实施例中的绝缘垫的剖面示意图。

图6是本发明一个较佳实施例中的绝缘垫的俯视示意图。

图7是本发明一个较佳实施例中的金属卸料管的剖面示意图。

图8是本发明一个较佳实施例中的金属卸料管的俯视示意图。

以上各附图中的附图标记如下：

100熔炉

110凝固态玻璃

120熔融态玻璃

200卸料托盘

210容腔

220通孔

230突缘

240电极

250接线端

300绝缘垫

310容腔

320通孔

400卸料管

410凹陷部

411锥形坡面

412电极

413电极

414电极

420套管部

421内管壁

422外管壁

423管道区

424下料口

425管间区

426冷却介质入口

427冷却介质出口

430热电偶

440接线端

具体实施方式

除非另作定义，本专利的权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本专利所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本专利的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“横”、“纵”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

本发明公开了一种用于危险或放射性废物玻璃固化熔炉的冻融阀卸料装置，操作简单、过程可控，能保证危险或放射性废物玻璃固化熔炉高效稳定运行。该装置主要由金属卸料托盘、陶瓷绝缘垫和金属卸料管组成。金属卸料管置于卸料托盘内，二者被陶瓷绝缘垫隔离。卸料装置与炉底出料口相连，金属卸料托盘和金属卸料管通电形成回路后，逐渐加热出料口及卸料管内的玻璃，实现卸料。另外，金属卸料管内的套管可注入冷却介质，实现卸料过程的快速停止。

为对本发明作更为详细的解释，以下结合具体实施例进行进一步说明。

图1所示是冻融阀卸料装置安装在熔炉100底部出料口的示意图。图2所示是卸料装置单独的结构示意图。在本实施例中，卸料装置主要由卸料托盘200、绝缘垫300和卸料管400组成。卸料管400置于卸料托盘200内，为避免短路，二者被绝缘垫300隔离，且各自形状相互匹配。

图3所示是卸料托盘200的剖切示意图，图4所示是卸料托盘200的俯视示意图。卸料托盘200整体类似一个圆盆，其带有一个容腔210，容腔210的底部设有一个通孔220。卸料托盘200的边沿向外延伸出一圈突缘230，突缘230与熔炉底部出料口边缘连接并密封，这样使整个卸料装置安装在熔炉100的底部。卸料托盘200由金属制成，优选地，由镍铬铁合金制成，铬镍铁合金耐高温、耐腐蚀。

在卸料托盘200带有两个电极240，分别设置在卸料托盘200顶面的左右侧，如图3所示。卸料托盘200底部引出一个接线端250，如图1所示。这个接线端250连接在电源的一极后，电极240依靠金属卸料托盘200导电。

在另外的替代方案中，接线端250可以绕开卸料托盘与电极240直接连接，此时卸料托盘不必须由金属制成，采用耐高温并具有较高强度的材料即可。在一些更简化的方案中，甚至可以取消这个卸料托盘，但前提是要保证卸料装置和熔炉底部的密封。电极240也可以安装在熔炉的其他位置，在对底部凝固态玻璃进行通电加热熔融前，电极240的一部分位于熔融态玻璃120内，并且靠近凝固态玻璃即可。

在熔炉处于熔料工作阶段时，熔融态玻璃的导电性远大于凝固态玻璃，为了发挥焦耳加热效应，故要求电极240的至少一部分位于熔融态玻璃之中。本实施例中采用条状电极，这两个电极240的高度为1-5cm，以使电极顶端插入熔融态玻璃液中。从图4可知，本实施例采用了两个电极240，根据需要可以在卸料托盘200顶部加设更多电极，且使所有电极等间距排列。

出于综合性能考虑，卸料装置的结构如图2所示为最优。卸料托盘200和卸料管400都是金属材质，两者必须绝缘以防止短路。电极240不与卸料管400直接电连接，电极240的电流必须经由玻璃体传导至卸料管400形成回路。否则，当它们各自通过接线端250和接线端440连接至电源时，电流直接在卸料托盘200和卸料管400之间流动而不经过玻璃体，不对玻璃产生焦耳加热效应，凝固态的玻璃不能熔融。因此，使卸料托盘200和卸料管400本体之间完全绝缘十分必要。

为了达到上述绝缘目的，采用了一个经特殊设计的绝缘垫300，安装在卸料托盘200和卸料管400之间。绝缘垫300的剖面形状如图5所示，其俯视图如图6所示。绝缘垫300分为上下两部分，上半部分紧密安装在卸料托盘200的容腔210内，下半部分正好嵌合入通孔220内，如图2所示。绝缘垫300的上半部分也设有一个敞口的容腔310，下半部分设有一个通孔320，如图5所示，容腔310和通孔320用于安装卸料管400。绝缘垫300的壁厚较大，保证卸料托盘200和卸料管400相距较远，绝缘良好。绝缘垫300由陶瓷制成，优选地，采用铬刚玉材质制作绝缘垫300，铬刚玉绝缘性好、耐高温、耐腐蚀。

卸料管400主要由位于其上方的凹陷部410和其下方的套管部420组成。凹陷部410紧密安装在绝缘垫300的容腔310内，套管部420沿着通孔320穿出，套管部420的下端超出绝缘垫300的底面，使冷却介质入口426和冷却介质出口427外露，如图2所示。凹陷部410的上表面是一个锥形坡面411，此坡面的倾角为10-80度，即坡面与中轴线的夹角为10-80度。熔融的玻璃仍有较高粘度，这个倾角使熔融玻璃更易滑落至管道区423，最后从下料口424排出；更重要的是，锥形坡面上可以布置更多数量且不同高度的电极，使卸料管内凝固态玻璃从上到下逐渐熔化。

锥形坡面411上焊接有若干个条状电极，这些条状电极的顶面呈梯度分布，如图2中电极412、电极413和电极414所示。电极412、电极413、电极414各有一对，分别布置在锥形坡面411左右，如图8所示。上述每个电极的高度范围是0.5-2.5厘米。

在卸料装置不处于卸料工作时，锥形坡面411处的玻璃是凝固状态的。在开始熔融卸料时，金属卸料管400与电极240通电形成回路并加热。电极412和电极240之间有高度差，熔融态玻璃120和凝固态玻璃的大致分界面在这个高度差内。电极412和电极240之间大量发热，使此位置的凝固态玻璃熔融。刚开始熔融时，电极413距熔融玻璃较远，被封闭在凝固态玻璃内，几乎不参与加热。当熔融态玻璃逐渐变多时，电极413也进入了熔融态玻璃中并开始通电参与加热，更快熔融它附近的凝固态玻璃，此时如图1中所示的凝固态玻璃110。最后，电极414也进入了熔融态玻璃中开始参与加热，熔融它附近的凝固态玻璃。至此，锥形坡面411上的凝固态玻璃都被熔融了。玻璃的热量进一步传导至管道区423，使其中的凝固态玻璃体软化，受重力作用下落，从下料口424流出，这样就实现卸料了。

多个电极呈阶梯分布，能实现局部加热，节约了能源，提高了效率。如果金属卸料管400上仅设有单一高度的电极，例如设在外圈，那就是电极412(此时舍弃了电极413和电极414)。当电极412和电极240之间的熔融玻璃体融化后，还被继续加热，但它们之下方的玻璃受热较少，需要更长时间的导热才能熔化。若这一个高度的电极设在内圈，例如设在电极414处(此时，电极412和电极413不存在)。电极414的高度如果设置得很高，它与电极240之间的凝固态玻璃融化后，锥形坡面下部的熔融态玻璃同样很难融化。电极414的高度如果设置得很低，就如图2中电极414的高度，那么开始通电时，电极414和电极240之间的凝固玻璃体厚度太大，加热使其熔融需要非常长的时间和电能。基于上述这些理由，本实施例中电极412、电极413与电极414呈梯度分布，对凝固态玻璃体起到较好的加热熔融作用。

金属卸料管400下方的套管部420是由内管壁421和外管壁422组成的双层管结构，外管壁422设有冷却介质入口426和冷却介质出口427，如图7所示。内管壁421和外管壁422之间的管间区425内设有热电偶430用于测量温度，如图1所示。金属卸料管400为铬镍铁合金材质。卸料已完成，想要停止卸料时，不断从冷却介质入口426通入冷却介质，然后从冷却介质出口427排出。

以上详细阐述了本实施例卸料装置的结构。上述卸料装置安装在玻璃固化熔炉底部，熔炉采用陶瓷电熔炉、等离子炬熔炉或电弧熔炉之中的一种。下面以炉腔直径为300mm的实验级陶瓷电熔炉为例，再具体说明卸料装置的工作流程。

接线端250和接线端440接入电源并通电后，卸料托盘200顶端浸入熔炉内熔融态玻璃120的电极240与卸料管400顶端电极412形成回路，利用焦耳加热原理及热传导的方式，从上到下逐渐熔化锥形坡面411及管道区423内的凝固态玻璃，实现卸料。在此期间，电极412、电极413、电极414以及卸料管400本体依次参与加热。

卸料时，开启电源(电源功率约10kw)，首先按总功率30％运行，由于低温(<500℃)状态下玻璃呈凝固态，此时电导率较小，需逐步提升功率至90％左右，卸料管内玻璃缓慢加热。经长时间(>30min)通电后，锥形坡面411处的凝固态玻璃逐渐软化，玻璃电导率迅速上升，卸料管内温度也随之迅速上升，此时需降低功率至50％左右。

当热电偶430温度显示1050℃时，管道区423内玻璃开始软化，然后这些玻璃熔体依靠重力从下料口424流出，熔炉就开始卸料了。卸料管的管道区423直径为5mm，开始时卸料速率约为2kg/h，最大卸料速率可达20kg/h。

需要停止卸料时，切断加热电源，并向冷却介质入口426通入压缩氮气，最后氮气从冷却介质出口427排出，这样压缩氮气在管间区425流动，吸收管道区423内玻璃熔体的温度，使其快速冷却凝固，1-2min可停止卸料。

卸料装置通电加热后，依靠调节电流电压调节玻璃熔融速度。结束卸料时，依靠调节压缩氮气的流速，调节玻璃凝固的速度。这样就能通过远程电气操控端，实现自动化卸料过程中的加热-出料-冷却环节，具有较好的安全性与稳定性。卸料装置由多个零部件嵌套组装，某个零部件损坏后，维修更换很便利，卸料装置的综合使用成本降低。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

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