退火装置及熔融系统的制作方法

1.本发明涉及退火工艺技术领域，具体涉及一种退火装置及熔融系统。


背景技术：

2.目前，在核工业领域中，冷坩埚玻璃固化技术由于具有处理温度高、可处理废物类型广、熔炉使用寿命长、退役容易等优点，成为国内及国际上用于放射性废物处理采用的较为先进的工艺手段。由于冷坩埚的埚体的容积有限，在处理主要以液态存在的放射性废物(即放射性废液)时，可以通过配备一台煅烧炉(例如回转煅烧炉)提前对放射性废液进行预处理，将放射性废液煅烧转形至固体粉末状，再通入至冷坩埚中进行后续熔融固化，这种方式被称为两步法冷坩埚玻璃固化技术。
3.两步法冷坩埚玻璃固化技术的主要设备包括煅烧炉和冷坩埚。其中，冷坩埚是利用电源产生高频(105～106hz)电流，再通过感应线圈转换成电磁流透入待处理物料，形成涡流产生热量，实现待处理物料的直接加热熔融。冷坩埚主要包括冷坩埚埚体和熔融加热结构，冷坩埚埚体是由通冷却水的金属弧形块或管组成的容器(容器形状主要有圆形或椭圆形)，熔融加热结构包括缠绕在冷坩埚埚体的外侧的感应线圈和与感应线圈电性连接的高频感应电源。当待处理物料放置在冷坩埚埚体内后，打开高频感应电源向感应线圈通电，通过感应线圈将电流转换成电磁流并透过冷坩埚埚体的壁体进入待处理物料内部，从而在待处理物料内部形成涡流产生热量，进而实现对待处理物料的加热。冷坩埚工作时金属弧形块或管内连续通入冷却水，冷坩埚埚体内的熔融物的温度很高，一般可高达2000℃以上，但冷坩埚埚体的壁体仍保持较低温度，一般小于200℃，从而使熔融物靠近冷坩埚埚体的壁体的低温区域形成一层2～3cm厚的固态物(冷壁)，因此称为“冷”坩埚。
4.由于物料在冷坩埚内进行熔融的温度较高(以放射性废物基料和玻璃基料熔融形成熔融玻璃为例，熔融玻璃在熔融装置内温度可达1200℃)，熔融物由冷坩埚卸料进入容器后经过一段时间能够降至室温。在此过程中，为了保证最终产品不会开裂引起放射性核素迁移，需要进行退火处理，充分释放热应力。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的退火装置及熔融系统。
6.根据本发明的一个方面，提供了一种退火装置，包括：内容器，用于放置待退火物料；外容器，其内部空间形成退火腔，内容器放置于退火腔内，退火腔的腔壁设有储能部，储能部由储能材料制成，储能部与内容器的外壁相接触，以通过吸收待退火物料及内容器自身的热量对其进行保温。
7.进一步地，储能部与内容器的底壁及周向侧壁相接触。
8.进一步地，储能材料包括石英砂或氧化铝固体。
9.进一步地，外容器的容器壁包括保温部，保温部包裹至少部分退火腔。
10.进一步地，外容器包括容器主体和盖体，容器主体内部中空且具有开口，盖体盖设在容器主体上以封闭其内部空间，容器主体和盖体共同围成退火腔。
11.进一步地，盖体设有进口，进口与退火腔连通，当内容器由放置于退火腔内起持续预设时间后，通过进口向退火腔中通入冷却介质，以对内容器进行冷却。
12.进一步地，盖体还设有出口，出口与退火腔连通，冷却介质呈流体状，冷却介质由进口进入退火腔并由出口流出。
13.进一步地，还包括：提升装置，设置在盖体上，提升装置与内容器驱动连接，当内容器由放置于退火腔内起持续预设时间后，通过提升装置驱动内容器上移至预设高度，此时内容器与储能部相分离。
14.进一步地，内容器的周向侧壁呈锥状，储能部沿容器主体的内壁的周向方向延伸设置一周，储能部与内容器的周向侧壁完全贴合，当通过提升装置驱动内容器上移至预设高度时，内容器与储能部之间形成冷却通道。
15.根据本发明的另一个方面，还提供了一种熔融系统，包括熔融装置和退火装置，退火装置为上述的退火装置，由熔融装置卸出的熔融玻璃进入到内容器内以形成待退火物料。
16.应用本发明的技术方案，储能部由储能材料制成，储能材料的比热容较高，容易吸热但是不容易放热。将储能部与内容器的外壁相接触，由于储能材料的特性，储能部吸收待退火物料及内容器自身的热量储存起来并缓慢释放，无需额外设置加热装置，就能够实现对退火物料及内容器的保温。储能部与内容器的外壁相接触以进行接触传热，传热效果更好，热量利用率更高。
附图说明
17.通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
18.图1是根据本发明的实施例一的退火装置的纵向剖视示意图；
19.图2是根据本发明的实施例二的退火装置的纵向剖视示意图；
20.图3是根据本发明的实施例三的退火装置的纵向剖视示意图；
21.图4是图3的退火装置的内容器上移至预设高度时的纵向剖视示意图；
22.图5是根据本发明的一个实施例的退火装置的控制器、提升装置、内容器及定位装置的控制关系示意图。
23.需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。
24.附图标记说明：
25.10、内容器；20、外容器；21、退火腔；211、冷却通道；22、储能部；23、保温部；24、容器主体；25、盖体；251、进口；252、出口；30、提升装置；40、温度测量装置；50、控制器；60、定位装置。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，
对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.需要说明的是，除非另外定义，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。若全文中涉及“第一”、“第二”等描述，则该“第一”、“第二”等描述仅用于区别类似的对象，而不能理解为指示或暗示其相对重要性、先后次序或者隐含指明所指示的技术特征的数量，应该理解为“第一”、“第二”等描述的数据在适当情况下可以互换。若全文中出现“和/或”，其含义为包括三个并列方案，以“a和/或b”为例，包括a方案，或b方案，或a和b同时满足的方案。此外，为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等，仅用来描述如图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系，应当理解为也包含除了图中所示的方位之外的在使用或操作中的不同方位。
28.本技术提供了一种退火装置，该退火装置可用于各种领域涉及的待退火物料的退火处理，特别是用于由熔融装置卸出的熔融物的退火。例如，熔融装置可以为核工业领域的放射性废物处理工艺中所用到的熔融装置(即冷坩埚)，熔融装置用于熔融例如放射性废物(或经过预处理后)形成的基料和玻璃基料等需要熔融的物料，放射性废物(或经过预处理后)形成的基料和玻璃基料熔融形成的熔融物卸料并经过退火过程后，最终能够得到玻璃产品，该玻璃产品能够将放射性废物中的放射性核素有效地封存起来。当然，在其他实施方式中，熔融装置也可以为其他类型的熔融装置。
29.在本技术的一些实施例中，熔融装置(例如冷坩埚)包括熔融主体(例如冷坩埚埚体)和熔融加热结构，熔融主体的内部具有容置腔，熔融主体的壁体由金属材料制成并且壁体内具有冷却通道，熔融加热结构包括缠绕在熔融主体的外侧的感应线圈。当待处理物料放置在该容置腔内后，利用高频感应电源向感应线圈通电，通过感应线圈将电流转换成电磁流并透过熔融主体的壁体进入待处理物料内部，从而在待处理物料内部形成涡流产生热量，进而实现对待处理物料的加热。
30.由于待处理物料熔融过程需要较多的热量，熔融物本身的温度也会很高(例如，熔融物为放射性废物基料和玻璃基料熔融后形成的熔融玻璃时，其温度可高达1200℃以上)，为了防止熔融主体被高温腐蚀损坏、提高其使用寿命，熔融装置在工作时需要向冷却通道中通入冷却介质，从而使熔融主体的内壁保持较低温度(例如小于200℃)。由于熔融主体的内壁(即容置腔的内壁)的温度远低于熔融物的温度，紧贴熔融主体的内壁的熔融物会凝固形成固态物。一般情况下，熔融主体的容置腔的底壁和侧壁均需要通过冷却介质进行冷却，在这些部位均会形成固态物。
31.熔融装置还包括卸料结构，卸料结构通常具有两种形式。其中，一种包括卸料管和卸料加热结构，卸料管设置在熔融主体底部，卸料管的内部形成与熔融主体的卸料口连通的卸料通道，卸料管的壁体内部也具有冷却通道，卸料加热结构同样也包括缠绕在卸料管的外侧的感应线圈，在熔融装置进行熔融过程且无需卸料时，卸料管外侧的感应线圈不通电，卸料管的冷却通道通入冷却介质。此时，熔融物流到卸料管的卸料通道中也会形成固态物，当需要进行卸料时，向卸料管外侧的感应线圈通电，以同样的原理可知，卸料通道中的固态物被加热熔融呈流体流出，在此过程中，卸料管的冷却通道内停止通入冷却介质，从而
保证卸料通道内固态物的熔融效果；另一种包括卸料阀，卸料阀包括阀座、阀板以及冷却结构，阀座具有与熔融主体内部连通的卸料口，阀板可活动地设置在阀座上，阀板具有避让卸料口的打开位置以及封堵卸料口的关闭位置，当熔融装置进行熔融过程不需要卸料时，阀板处于关闭位置，从而将卸料口封堵住，当需要进行卸料时，控制阀板切换至打开位置，卸料口被让开，由于容置腔的底壁对应于卸料口位置的固态物的上方为高温的熔融物，下方为空气，在其两侧形成温度差，该部分固态物逐渐熔融，从而使容置腔内的熔融物由卸料口开始进行卸料。
32.实施例一
33.图1示出了本发明的实施例一的退火装置的纵向剖视示意图。如图1所示，在本技术的一些实施例(如实施例一)中，退火装置包括内容器10和外容器20。其中，内容器10用于放置待退火物料。以退火装置用于核工业领域的放射性废物处理工艺中为例，例如放射性废物(或经过预处理后)形成的基料和玻璃基料等物料经过熔融装置熔融后卸料至内容器10中以作为待退火物料进行后续退火处理。外容器20的内部空间形成退火腔21。内容器10放置于退火腔21内。退火腔21的腔壁设有储能部22。储能部22由储能材料制成，储能材料的比热容较高，容易吸热但是不容易放热。储能材料的类型不做限定，可以为石英砂、其他含有二氧化硅的固态制品、氧化铝固体、含有氧化铝的固态制品中的至少一种。将储能部22与内容器10的外壁相接触，由于储能材料的特性，储能部22吸收待退火物料及内容器10自身的热量储存起来并缓慢释放，无需额外设置加热装置，就能够实现对退火物料及内容器10的保温。储能部22与内容器10的外壁相接触以进行接触传热，传热效果更好，热量利用率更高。
34.需要说明的是，在通过退火装置进行退火处理时，需要将待退火物料周围的温度保持在一定温度并持续一定时间，从而使待退火物料的热应力能够充分释放。以对放射性废物形成的基料和玻璃基料形成的熔融物进行退火为例，待退火物料及其周围的温度需要保持在500℃左右并持续大约2h。根据待退火物料及其周围需要保持的温度值或温度范围、保温的时间、储能部22采用的储能材料的类型和特性等因素能够计算出储能部22实现在上述保温时间内维持上述温度值或温度范围的所需的尺寸。
35.如图1所示，在本技术的一些实施例中，储能部22与内容器10的底壁及周向侧壁相接触，也就是说，内容器10的底壁及周向侧壁全部被储能部22所包裹住，这样可以尽量增大储能部22与内容器10的接触面积，进一步增强传热效果、提高热量利用率。当然，储能部22与内容器10的接触方式不限于此，在图中未示出的其他实施方式中，也可以使储能部22仅与内容器10的底壁接触；或者使储能部22仅与内容器10的周向侧壁接触。
36.如图1所示，在本技术的一些实施例中，外容器20包括容器主体24和盖体25，容器主体24内部中空且具有开口，盖体25盖设在容器主体24上以封闭其内部空间，容器主体24和盖体25共同围成退火腔21。当内容器10接收待退火物料后，内容器10的开口可以进行封闭也可以不封闭，内容器10放置于容器主体24后，盖体25盖设在容器主体24上，盖体25能够对内容器10起到保护作用，同时如果内容器10内盛放的为具有放射性的物料，也可以起到一定的防止辐射核素污染外部环境的作用。此外，盖体25也可以使退火腔21相对密封，从而减少热量损失，盖体25上可以根据需要设置出气孔等结构，另外考虑到退火装置可能需要远程操作的问题，盖体25、内容器10或容器主体24上也可以设置能够由机械手远程操作的
抓取部。
37.如图1所示，在本技术的一些实施例中，外容器20的容器壁包括保温部23，保温部23包裹至少部分退火腔21，从而对退火腔21进行保温，进一步增强保温效果。保温部23由保温材料制成。优选地，保温部23包裹退火腔21的底壁和周向侧壁。在图1示出的具体实施例中，容器主体24包括壳体，壳体的壁体内也呈中空状。壳体由不易变形、耐高温、耐磨损的金属材料制成。保温部23由保温材料在壳体的壁体的中空腔内填充而成。需要说明的是，保温部23的具体结构不限于此，在图中未示出的其他实施方式中，保温部23可以包裹在容器主体24的最外侧；或者，保温部23可以设置在盖体25的内侧或外侧。
38.如图1所示，在本技术的一些实施例中，需要对待退火物料及其周围的温度进行实时监控。具体地，退火装置还包括温度测量装置40，温度测量装置40用于实时测量内容器10或退火腔21的当前温度，从而便于知晓退火装置内部的温度情况。其中，温度测量装置40的类型可以为多种，例如测温热电偶、红外测温传感器等。另外，温度测量装置40的设置位置也可以根据需要测量的位置进行合理设计。优选地，在图1所示的具体实施例中，温度测量装置40为非接触式红外测温传感器，其具体可设置在盖体25的内壁上。当然，在图中未示出的其他实施方式中，如果将温度测量装置40设置在内容器10以测量内容器10的温度，虽然能够更好地反映出待退火物料及其周围的温度，但是内容器10在接收待退火物料或将退火后的成品取出时，内容器10很可能会存在放入外容器20和由外容器20取出的操作(此种情况下内容器10与外容器20处于可分离的状态)，温度测量装置40设置在内容器10上较为不便。需要说明的是，内容器10并不限于能够放入外容器20和由外容器20取出，在一些其他的实施方式中，内容器10也可以固定设置在外容器20内，两者之间不可分离。
39.实施例二
40.图2示出了本发明的实施例二的退火装置的纵向剖视示意图。如图2所示，实施例二的退火装置与实施例一的主要区别在于，盖体25设有进口251，进口251与退火腔21连通。当内容器10由放置于退火腔21内起持续预设时间后，通过进口251向退火腔21中通入冷却介质，以对内容器10进行冷却。由于退火工艺中，在对待退火物料保温后还需要对待退火物料进行冷却，使其温度最终达到常温。现有的退火装置通常设置有保温室和冷却室，保温和冷却在这两个腔室中进行。在本技术的上述实施例中，可以通过向退火腔21通入流体介质的方式进行冷却，无需移动内容器10，整体结构更加紧凑，操作更加简单。其中，预设时间可以根据待退火物料需要保温的时间确定，例如，预设时间可以等于或略大于待退火物料需要保温的时间。以对放射性废物形成的基料和玻璃基料形成的熔融物进行退火为例，待退火物料需要保温的时间为2h，预设时间可以设定为2h或2.5h。此外，在其他好似是方式中，也可以不采用预设时间作为向退火腔21中通入冷却介质的时机判断方式，可以根据温度测量装置40实时测量的内容器10或退火腔21的当前温度来判断是否需要向退火腔21中通入冷却介质。例如，测量到当前温度小于待退火物料需要保持的温度值或温度范围时，认为保温过程可以结束，此时再向退火腔21中通入冷却介质。
41.需要说明的是，在一些实施例中，冷却介质可以为气体(如压缩空气)或液体，通过流体输送装置与进口251连通，流体输送装置可以具有恒温装置，以保持流体介质处于恒定温度，当然流体输送装置也可以不具备恒温装置。退火装置还可以包括控制器50，控制器50与温度测量装置40和流体输送装置通讯连接，利用控制器50的控制过程包括但不限于上述
根据温度测量装置40实时测量的内容器10或退火腔21的当前温度来判断是否需要控制流体输送装置向退火腔21中通入冷却介质。
42.此外，通过进口251向退火腔21中通入冷却介质的目的也不限于在保温阶段结束后对待退火物料进行降温冷却。在其他实施方式中，也可以用作在保温阶段若温度持续过高对退火腔21进行辅助降温。
43.如图2所示，在本技术的一些实施例中，盖体25还设有出口252，出口252与退火腔21连通，冷却介质呈流体状，冷却介质由进口251进入退火腔21并由出口252流出，以使冷却介质能够流动起来，从而有利于带走热量，提高冷却效果。优选地，出口252同样与流体输送装置连通以使冷却介质形成循环回路。当然，在其他实施方式中，也可以不设置出口252，冷却介质由进口251进入退火腔21后进行冷却等操作，例如，冷却介质为冷水、冷却液、甚至是固体的冷却物，通过覆盖或浸泡内容器10等方式进行冷却。
44.如图2所示，在本技术的一些实施例中，退火装置还包括提升装置30，提升装置30设置在盖体25上。提升装置30与内容器10驱动连接。当内容器10由放置于退火腔21内起持续预设时间后，通过提升装置30驱动内容器10上移至预设高度，此时内容器10与储能部22相分离。其中，“预设时间”即为前述的预设时间，“预设高度”则是能够使内容器10与储能部22相分离的内容器10所处的高度。当内容器10上移至预设高度后，内容器10与储能部22相分离，此时冷却介质由进口251进入退火腔21，冷却介质与内容器10的接触面积更大，能够更好地对内容器10进行冷却。
45.图5示出了本发明的一个实施例的退火装置的控制器50、提升装置30、内容器10及定位装置60的控制关系示意图。优选地，在一些实施例中，可以通过设置定位装置60来检测内容器10是否被上移至预设高度。具体地，控制器50与提升装置30和定位装置60通讯连接，当提升装置30驱动内容器10上移至预设高度时，内容器10能够触发定位装置60，定位装置60向控制器50发送触发信号，控制器50控制提升装置30停止驱动。定位装置60可以为任何类型的能够被触发并且能够发送给控制器50触发信号的装置，例如可以为微动开关。
46.需要说明的是，实施例二的退火装置的其他结构和工作原理与实施例一基本相同，在此不再赘述。
47.实施例三
48.图3示出了本发明的实施例三的退火装置的纵向剖视示意图；图4示出了图3的退火装置的内容器10上移至预设高度时的纵向剖视示意图。如图3和图4所示，实施例三的退火装置与实施例二的主要区别在于，内容器10的周向侧壁呈锥状，储能部22沿容器主体24的内壁的周向方向延伸设置一周，储能部22与内容器10的周向侧壁完全贴合。当通过提升装置30驱动内容器10上移至预设高度时，内容器10与储能部22之间形成冷却通道211。上述内容器10的周向侧壁设置为锥状，相应的储能部22围成的内部空间也呈锥形，在此设计下，只要内容器10被提升装置30驱动上移后，无论上移距离大小，内容器10与储能部22之间均能形成一定空间。因此，“预设高度”不用设计得太大，从而有利于减少退火装置的整体高度，进而减小占地空间。需要说明的是，实施例三的退火装置的其他结构和工作原理与实施例二基本相同，在此不再赘述。
49.本技术还提供了一种熔融系统，根据本技术的熔融系统的实施例包括熔融装置和退火装置，退火装置为上述的退火装置，由熔融装置卸出的熔融玻璃进入到内容器10内以
形成待退火物料。
50.本技术还提供了一种放射性废物处理系统，根据本技术的放射性废物处理系统的实施例包括煅烧装置、熔融装置及退火装置，退火装置为上述的退火装置，其中，放射性废物进入到煅烧装置中进行煅烧转形，得到的物料再与玻璃基料一同进入到熔融装置中进行熔融并形成熔融玻璃，由熔融装置卸出的熔融玻璃进入到内容器10内以形成待退火物料。在用于放射性废物处理的具体应用场景下，煅烧装置为回转煅烧炉，熔融装置为冷坩埚。回转煅烧炉包括支架、可转动地设置在支架上的炉管、用于加热炉管的加热部件、与炉管的第一端连通的进料管及与炉管的第二端连通的出料管，炉管可沿自身轴线转动。放射性废液及其他添加剂通过进料管进入到炉管中，通过加热部件对炉管进行加热，与此同时炉管沿自身轴线进行转动，放射性废液逐渐被煅烧转形至固体粉末状物料，并经由出料管进行出料。出料管与冷坩埚的埚体连通，由出料管出来的物料混合玻璃基料一同进入冷坩埚的埚体中，进行后续的熔融固化过程。当物料放置在冷坩埚埚体内后，打开高频感应电源向感应线圈通电，通过感应线圈将电流转换成电磁流并透过冷坩埚埚体的壁体进入待处理物料内部，从而在待处理物料内部形成涡流产生热量，进而实现对待处理物料的加热。熔融物由冷坩埚卸料进入退火装置的内容器后进行退火处理，充分释放热应力。
51.对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
52.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。