放射性核废金属熔炼上料总成的制作方法

1.本发明涉及核废金属处理技术领域，特别是一种放射性核废金属熔炼上料总成。


背景技术：

2.核电厂在运行期间，会产生大量的核废金属，包括废旧设备、管道和结构组件等。据统计，单台百万千瓦机组一年产生的核废金属约为4t-5t。截至2020年12月，我国已运行的18个核电厂，共48个反应堆，累计产生的核废金属质量约为10000t。这些核废金属出路不明，目前集中贮存在核电厂内，不仅存在辐射风险和交叉污染风险，而且还因尺寸规格不一，不易收集，导致核电站的库存压力越来越大。
3.国际原子能机构于1992年出版的技术文件《放射性废物最小化和分离》中，首次提出“放射性废物最小化”的概念。所述的“放射性废物最小化”是将放射性废物的数量和活度降低至可合理达到的水平，实现手段包含减少放射性源产生、预防核污染扩散、对核废料进行再循环和再利用、优化核废料管理等，从而达到降低核废料对环境造成的不良影响，降低核废料处置成本的目的。
4.针对核废金属进行放射性去污是满足“放射性废物最小化”的可行思路，一方面有助于减少放射性废物的数量，另一方面有助于实现放射性废物的循环再利用，另一方面可减少放射性废物的储存量和储存成本。
5.具体的放射性去污流程包含表面喷丸去污和熔炼去污两大步骤。表面喷丸去污可有效剥离核废金属表面的污渍、锈迹和放射性物质层，起到放射性去污的效果。熔炼去污可使核废金属内部留存的放射性核素释放出来，高温会使一部分易挥发的放射性核素直接变成气溶胶挥发，另外一部分放射性核素则会沉积在熔炼产生的炉渣中，将熔炼过程中挥发出的气体和产生的炉渣进行收集，起到放射性去污的效果。
6.但是现有的熔炼系统却不适用于核废金属的放射性去污流程，究其原因主要体现在以下几点：1、上料过程为人工上料，在待熔炼的金属为核废金属的前提下，对操作人员具有放射性损伤，且劳动强度大；2、核废金属在熔炼过程中会产生含有放射性的气溶胶，气溶胶的挥发会对操作人员的呼吸系统产生吸入式损害；3、在热炉投料过程中，钢水可能会从熔炼炉的投料口飞溅出来，存在安全隐患。综上所述，在核废金属的放射性去污流程中，提高熔炼过程的自动化程度，以降低操作人员的劳动强度，尽量避免操作人员接触核辐射，是必须解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种放射性核废金属熔炼上料总成，它应用于核废金属放射性去污的熔炼流程中，提高了熔炼过程的自动化程度，可较大程度上避免操作人员受到核辐射。
8.本发明的技术方案是：放射性核废金属熔炼上料总成，包括总框架、垂直提升机、熔炼炉组件、小车组件、投料对接机构、负压除尘机构和物料输送机构；
总框架从下至上依次设有一层底板和二层底板，一层底板与二层底板之间为一层空间，二层底板上端为二层空间，二层底板上设有连通一层空间与二层空间的连通口；垂直提升机固定安装在总框架上，并位于一层空间与二层空间之间，其下端设有连通至一层空间的物料入口，上端设有连通至二层空间的物料出口；熔炼炉组件包括倾翻平台、熔炼炉和翻转液压缸；倾翻平台铰接安装在二层底板的连通口处，并绕铰接处做竖直平面的转动；熔炼炉内部设有熔炼腔，熔炼炉上端设有连通至熔炼腔的投料口和连通至投料口的引流槽，熔炼炉在外壁上端与倾翻平台固定连接，并位于二层底板的连通口处，并位于一层空间与二层空间之间；翻转液压缸设置在一层底板与熔炼炉之间，其下端铰接在一层底板上，上端与倾翻平台的下表面铰接，其用于驱动倾翻平台绕其铰接处转动，进而带动熔炼炉转动，使熔炼炉在工作状态与倒料状态之间转换；熔炼炉在工作状态下呈竖直姿态，投料口竖直朝上；熔炼炉在倒料状态下呈倾斜姿态，熔炼腔中的液体可通过投料口和引流槽倒出；小车组件包括导轨和小车；导轨的数量为两条，两条导轨相互平行布置固定安装在二层底板上，并分布在熔炼炉的投料口的两侧；两条导轨均垂直于熔炼炉的引流槽布置，其中一条导轨相对靠近引流槽，另一条导轨相对远离引流槽；小车包括车体和电动轮；车体上设有镂空孔a和镂空孔b；电动轮安装在车体下端；小车通过电动轮活动安装在两条导轨上；投料对接机构包括外漏斗、内漏斗和行吊；外漏斗固定安装在车体的镂空孔a中，并呈上大下小的喇叭口形；内漏斗呈上大下小的喇叭口形，并与外漏斗的内孔形状吻合，其上端设有用于对接行吊的挂耳；行吊安装在二层空间内，其用于控制内漏斗移动，进而使内漏斗与外漏斗对接或分离；当内漏斗与外漏斗对接时，内漏斗的下端口通过熔炼炉的投料口伸入熔炼炉的熔炼腔中；负压除尘机构包括集尘罩和负压除尘器；集尘罩安装在小车上，并位于小车的镂空孔b中；集尘罩内部设有气路通道，气路通道在集尘罩的两端分别形成集尘口和排尘口，集尘罩位于小车的镂空孔b中，其上的排尘口和集尘口分别位于镂空孔b的上端和下端；负压除尘器上设有进气口和排气口，负压除尘器内部设有滤芯，负压除尘器的进气口与集尘罩的排尘口通过气管连接；物料输送机构包括支座、带式输送机a和上部牵拉组件；支座固定安装在二层空间内；带式输送机a铰接在支座上，并绕铰接处座竖直平面的转动，进而在输送状态与避让状态之间转换；输送状态下，其用于将垂直提升机排出的物料输送至熔炼炉内，避让状态下，其避开内漏斗的升降移动路径、熔炼炉的翻转路径和倾翻平台的翻转路径；上部牵拉组件与带式输送机a关联，以驱动带式输送机a绕其铰接处转动；小车沿导轨的移动路径上依次设有第一位置、第二位置和第三位置；当小车处在第一位置时，外漏斗的下端口与处在工作状态的熔炼炉的投料口上下正对；当小车处在第二位置时，集尘罩的下端口与处在工作状态的熔炼炉的投料口上下正对；当小车处在第三位置时，小车与倾翻平台的转动路径上下错开；仅当小车处于第一位置时，外漏斗与内漏斗可进行对接或分离。
9.本发明进一步的技术方案是：物料输送机构还包括下部支承部件；下部支承部件设置在二层底板与架体a之间，其上端与架体a的第二铰接处铰接，其下端悬空，其随着带式
输送机a的转动始终保持竖直；当带式输送机a处在输送状态时，下部支承部件的下端与二层底板相抵，从而为带式输送机a提供支承。
10.本发明再进一步的技术方案是：带式输送机a包括架体a和安装在架体a上的输送带a；带式输送机a沿输送带a输送方向的两端分别设有进料端a和排料端a；架体a从一端至另一端依次设有第一铰接处、第二铰接处和第三铰接处，架体a通过第一铰接处铰接安装在支座上，带式输送机a绕第一铰接处的转动路径位于竖直平面内；上部牵拉组件包括连接架、钢缆和卷扬机；连接架下端铰接在架体a的第三铰接处上；钢缆下端与连接架的上端连接，钢缆上端绕设在卷扬机上；卷扬机固定安装在支座上，卷扬机通过收放钢缆驱动带式输送机a绕第一铰接处转动，进而使带式输送机a在输送状态与避让状态之间转换，带式输送机a在输送状态下，其进料端a紧邻并正对垂直提升机的物料出口，排料端a位于熔炼炉的投料口的正上方，以实现物料的输送；带式输送机a在避让状态下，其避开内漏斗的升降移动路径、熔炼炉的翻转路径和倾翻平台的翻转路径。
11.本发明更进一步的技术方案是：小车组件还包括万向球座和钢球，万向球座下端固定安装在二层底板或倾翻平台上，并位于相对靠近引流槽的一条导轨的外侧，万向球座上端设有用于容纳钢球的球形凹坑，钢球活动安装在万向球座的球形凹坑中；万向球座的数量有多个，所有的万向球座间隔布置，并排成平行于导轨的一列；当小车沿导轨移动到任意位置时，至少有一个万向球座上的钢球与小车的车体下表面接触；相应的，小车的车体为具有四个顶角的矩形框架，电动轮仅设置在车体下端的三个顶角处，在车体相对靠近引流槽的一个顶角的下端未设置电动轮。
12.本发明更进一步的技术方案是：小车组件还包括电动推杆b和定位套筒；电动推杆b固定连接在在小车车体的一端，并做竖直方向的升降移动；定位套筒固定安装在倾翻平台上，并位于电动推杆b的下端；当小车位于第一位置时，电动推杆b与定位套筒上下正对，电动推杆b伸入定位套筒的内孔即将小车的位置锁定。
13.本发明更进一步的技术方案是：当内漏斗与外漏斗对接时，内漏斗的下端口与熔炼炉的熔炼腔的底面之间间距为0-5cm；内漏斗的下端口中设置有一次性的软垫，软垫的溶解温度处在200-500℃之间。
14.本发明再进一步的技术方案是：负压除尘机构还包括电动推杆a和连接架；电动推杆a固定安装在小车的车体上，其通过连接架与集尘罩固定连接，以驱动集尘罩做竖直升降移动。
15.本发明更进一步的技术方案是：垂直提升机包括电梯井、升降台、牵引驱动装置和传送带机构；电梯井下端设有连通至一层空间的物料入口，上端设有连通至二层空间的物料出口；升降台通过牵引驱动装置安装在电梯井内，其被牵引驱动装置带动做竖直方向的升降运动；传送带机构安装在升降台上，其上设有传送带，其随着升降台同步做升降移动，进而在上对接位置和下对接位置之间移动；当传送带机构处在上对接位置时，传送带正对物料出口以输出物料，当传送带机构处在下对接位置时，传送带正对物料入口以接收物料。
16.本发明与现有技术相比具有如下优点：1、其应用于核废金属放射性去污流程的熔炼步骤，提高了金属熔炼上料过程的自动化程度，可较大程度上避免操作人员受到核辐射，为实现核废金属的回收再利用提供了必要的支持；
所述核废金属大多收集于核电站或核工企业，除了一小部分金属(例如反应堆堆芯内部的金属)是整体受到放射性污染，大部分金属仅在表面受到放射性污染。所述核废金属放射性去污流程包含喷丸和熔炼两个步骤。可使核废金属中的放射剂量大幅度降低(可降至符合民用钢材要求的放射剂量)，后续可根据实际的应用需要将熔炼液铸造成不同的产品，使核废金属变废为宝，实现了核废金属的回收再利用，充分满足了“放射性废物最小化”的要求。
17.2、其具有非常高的自动化程度，上料-熔炼-倒出的整个过程基本无需人工干预，并且，在满足了各部件动作需求的同时，还针对各部件动作过程中的先后次序及相对位置关系，有针对性的设计了多处防干涉结构(避让结构)；a、为了避免小车移动过程中与熔炼炉的炉嘴(引流槽设在炉嘴上)发生干涉，一方面，去掉了小车相对靠近炉嘴的顶角下端的电动轮(即小车仅在下端三个顶角处设有电动轮)，另一方面，通过在二层底板上设置的万向球座和钢球，对小车进行辅助支承，保证了小车移动过程中的稳定性；b、为了避免内漏斗在对接或分离过程中与带式输送机a发生干涉，一方面，为带式输送机a设计了可整体转动的铰接结构，另一方面，通过上部牵拉组件为带式输送机a提供转动动力，确保了带式输送机a在转动过程中的稳定性和可靠性。
18.3、其具有良好的可靠性，充分考虑了其工作状态中存在的各种不利因素，有针对性的设计了多种有助于提升可靠性的结构；a、为了保证小车在第一位置时能与熔炼炉的投料口精准对位，并且不会因为物料的冲击而晃动或滑移，为小车设计了特定状态下的锁定结构，即在小车的一端设有电动推杆b，并在倾翻平台的相应位置设有定位套筒，当小车位于第一位置时，电动推杆b与定位套筒上下正对，电动推杆b伸入定位套筒的内孔即将小车的位置锁定；b、为了避免冷炉投料时，物料砸伤熔炼炉的熔炼腔底面，一方面，在内漏斗的下端口设置有一次性的软垫，另一方面，内漏斗在对接状态下，其下端口与熔炼腔底面之间的间距仅为0-5cm；可在冷炉投料时起到良好的缓冲作用，避免熔炼炉的熔炼腔底面被砸伤；c、为了便于熔炼过程中随时(通过投料口)观察熔炼炉内部的情况，将集尘罩设计成高度可调的结构样式。
19.以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。
附图说明
20.图1为本发明的结构示意图；图2为熔炼上料方法的s01步骤e分步骤完成时的状态图；图3为熔炼上料方法的s02步骤a分步骤完成时的状态图；图4为熔炼上料方法的s02步骤d分步骤完成时的状态图；图5为图2的a部放大图。
21.说明：垂直提升机仅在图1中示出，在图2-4中未示出。
22.图例说明：一层底板11；二层底板12；连通口13；垂直提升机2；物料入口21；物料出口22；倾翻平台31；熔炼炉32；投料口321；引流槽322；翻转液压缸33；导轨41；小车42；万向球座43；钢球44；电动推杆b45；定位套筒46；外漏斗51；内漏斗52；挂耳521；电动推杆a61；连
接架62；集尘罩63；支座71；架体a721；第一铰接处7211；第二铰接处7212；第三铰接处7213；输送带a722；连接架731；钢缆732；卷扬机733；下部支承部件74。
具体实施方式
23.实施例1：如图1-5所示，放射性核废金属熔炼上料总成，包括总框架、垂直提升机2、熔炼炉组件、小车组件、投料对接机构、负压除尘机构和物料输送机构。
24.总框架从下至上依次设有一层底板11和二层底板12，一层底板11与二层底板12之间为一层空间，二层底板12上端为二层空间，二层底板12上设有连通一层空间与二层空间的连通口13。
25.垂直提升机2固定安装在总框架上，并位于一层空间与二层空间之间，其下端设有连通至一层空间的物料入口21，上端设有连通至二层空间的物料出口22。
26.熔炼炉组件包括倾翻平台31、熔炼炉32和翻转液压缸33。倾翻平台31铰接安装在二层底板12的连通口13处，并绕铰接处做竖直平面的转动。熔炼炉32内部设有熔炼腔，熔炼炉32上端设有连通至熔炼腔的投料口321和连通至投料口321的引流槽322，熔炼炉32在外壁上端与倾翻平台31固定连接，并位于二层底板12的连通口13处，并位于一层空间与二层空间之间。翻转液压缸33设置在一层底板11与熔炼炉32之间，其下端铰接在一层底板11上，上端与倾翻平台31的下表面铰接，其用于驱动倾翻平台31绕其铰接处转动，进而带动熔炼炉32转动，使熔炼炉32在工作状态与倒料状态之间转换。熔炼炉32在工作状态下呈竖直姿态，投料口321竖直朝上。熔炼炉32在倒料状态下呈倾斜姿态，熔炼腔中的液体可通过投料口321和引流槽322倒出。
27.小车组件包括导轨41和小车42。导轨41的数量为两条，两条导轨41相互平行布置固定安装在二层底板12上，并分布在熔炼炉32的投料口321的两侧。两条导轨均垂直于熔炼炉32的引流槽322布置，其中一条导轨41相对靠近引流槽322，另一条导轨相对远离引流槽322。小车42包括车体和电动轮。车体上设有镂空孔a和镂空孔b。电动轮安装在车体下端。小车42通过电动轮活动安装在两条导轨41上。
28.投料对接机构包括外漏斗51、内漏斗52和行吊(图中未示出)。外漏斗51固定安装在车体的镂空孔a中，并呈上大下小的喇叭口形。内漏斗52呈上大下小的喇叭口形，并与外漏斗51的内孔形状吻合，其上端设有用于对接行吊的挂耳521。行吊安装在二层空间内，其用于控制内漏斗52移动，进而使内漏斗52与外漏斗51对接或分离。当内漏斗52与外漏斗51对接时，内漏斗52的下端口通过熔炼炉32的投料口321伸入熔炼炉32的熔炼腔中。
29.负压除尘机构包括集尘罩63和负压除尘器(图中未示出)。集尘罩63安装在小车42上，并位于小车42的镂空孔b中，其上的排尘口和集尘口分别位于镂空孔b的上端和下端。集尘罩63内部设有气路通道，气路通道在集尘罩63的两端分别形成集尘口和排尘口。负压除尘器上设有进气口和排气口，负压除尘器内部设有滤芯，负压除尘器的进气口与集尘罩63的排尘口通过气管连接。
30.物料输送机构包括支座71、带式输送机a和上部牵拉组件。支座71固定安装在二层空间内。带式输送机a包括架体a721和安装在架体a721上的输送带a722。带式输送机a沿输送带a722输送方向的两端分别设有进料端a和排料端a。架体a721从一端至另一端依次设有
第一铰接处7211、第二铰接处7212和第三铰接处7213，架体a721通过第一铰接处7211铰接安装在支座71上，带式输送机a绕第一铰接处7211的转动路径位于竖直平面内。上部牵拉组件包括连接架731、钢缆732和卷扬机733。连接架731下端铰接在架体a721的第三铰接处7213上。钢缆732下端与连接架731的上端连接，钢缆732上端绕设在卷扬机733上。卷扬机733固定安装在支座71上，卷扬机733通过收放钢缆732驱动带式输送机a绕第一铰接处7211转动，进而使带式输送机a在输送状态与避让状态之间转换，带式输送机a在输送状态下，其进料端a紧邻并正对垂直提升机2的物料出口22，排料端a位于熔炼炉32的投料口321的正上方，以实现物料的输送。带式输送机a在避让状态下，其避开内漏斗52的升降移动路径、熔炼炉32的翻转路径和倾翻平台31的翻转路径。
31.优选，垂直提升机2包括电梯井、升降台(图中未示出)、牵引驱动装置(图中未示出)和传送带机构(图中未示出)。电梯井下端设有连通至一层空间的物料入口21，上端设有连通至二层空间的物料出口22。升降台通过牵引驱动装置安装在电梯井内，并做竖直方向上的升降运动。传送带机构安装在升降台上，其上设有传送带，其随着升降台同步做升降移动，进而在上对接位置和下对接位置之间移动。当传送带机构处在上对接位置时，传送带正对物料出口22以输出物料，当传送带机构处在下对接位置时，传送带正对物料入口21以接收物料。
32.优选，负压除尘机构还包括电动推杆a61和连接架62。电动推杆a61固定安装在小车42的车体上，其通过连接架62与集尘罩63固定连接，以驱动集尘罩63做竖直升降移动。
33.优选，物料输送机构下部支承部件74。下部支承部件74设置在二层底板12与架体a721之间，其上端与架体a721的第二铰接处7212铰接，其下端悬空，其随着带式输送机a的转动始终保持竖直。当带式输送机a处在输送状态时，下部支承部件74的下端与二层底板12相抵，从而为带式输送机a提供支承。
34.优选，小车组件还包括万向球座43和钢球44。万向球座43下端固定安装在二层底板12或倾翻平台31上，并位于相对靠近引流槽322的一条导轨41的外侧，万向球座43上端设有用于容纳钢球的球形凹坑，钢球44活动安装在万向球座43的球形凹坑中。万向球座43的数量有多个，所有的万向球座43间隔布置，并排成平行于导轨41的一列。当小车42沿导轨41移动到任意位置时，至少有一个万向球座43上的钢球44与小车42的车体下表面接触。相应的，小车42的车体为具有四个顶角的矩形框架，电动轮仅设置在车体下端的三个顶角处，在车体相对靠近引流槽322的一个顶角的下端未设置电动轮。
35.优选，小车组件还包括电动推杆b45和定位套筒46。电动推杆b45固定连接在在小车42的车体的一端，并做竖直方向的升降移动。定位套筒46固定安装在倾翻平台31上，并位于电动推杆b45的下端。当小车42位于第一位置时，电动推杆b45与定位套筒46上下正对，电动推杆b45伸入定位套筒46的内孔即将小车42的位置锁定。
36.优选，当内漏斗52与外漏斗51对接时，内漏斗52的下端口与熔炼炉32的熔炼腔的底面之间间距为0-5cm。内漏斗52的下端口中设置有一次性的软垫(图中未示出)，软垫的溶解温度在200-500℃之间。
37.关于小车的状态描述如下：小车42沿导轨41的移动路径上依次设有第一位置、第二位置和第三位置。当小车42处在第一位置时，外漏斗51的下端口与处在工作状态的熔炼炉32的投料口321上下正对。
当小车42处在第二位置时，集尘罩63的下端口与处在工作状态的熔炼炉32的投料口321上下正对。当小车42处在第三位置时，小车42与倾翻平台31的转动路径上下错开。仅当小车42处于第一位置时，外漏斗51与内漏斗52可进行对接或分离。
38.简述本发明的工作过程：一种放射性核废金属熔炼上料方法，应用于上述的放射性核废金属熔炼上料总成，执行熔炼上料操作之前，放射性核废金属熔炼上料总成处在初始状态，在初始状态下：a、熔炼炉32处在工作状态；b、小车42处在第一位置；c、内漏斗52与外漏斗51对接；d、带式输送机a处在输送状态；e、电动推杆b45伸入定位套筒46的内孔。
39.所述熔炼上料的步骤如下：s01、冷炉投料：a、将金属块通过物料入口21送入垂直提升机2，垂直提升机2将金属块从一层空间提升至二层空间后，驱动金属块从物料出口22排出到垂直提升机2外部；b、金属块从物料出口22排出后，通过带式输送机a的进料端a进入输送带a722上，金属块随着输送带a722向带式输送机a的排料端a移动；c、金属块从带式输送机a的排料端a排出后，通过内漏斗52进入熔炼炉32的熔炼腔中；d、投料完成后，卷扬机733启动，拉动带式输送机a绕第一铰接处7211向上转动，使带式输送机a由输送状态转变为避让状态；e、通过行吊下端的吊钩勾住内漏斗52上端的挂耳，再操控行吊将内漏斗52向上提起，使内漏斗52与外漏斗51完全分离。
40.本步骤中，所述金属块由核废金属碎料经金属压缩打包机压缩打包而成。
41.本步骤中，当内漏斗与外漏斗对接时，内漏斗的下端口与熔炼炉的熔炼腔的底面之间间距为0-5cm；内漏斗的下端口中设置有一次性的软垫，软垫的溶解温度在200-500℃之间；软垫起到缓冲作用，避免熔炼炉的熔炼腔的底面被金属块砸伤。
42.s02、金属熔炼：a、电动推杆b45退出定位套筒46的内孔，以解除小车42的位置锁定，然后小车42由第一位置移动至第二位置，使集尘罩63的集尘口正对熔炼炉32的投料口321；b、启动熔炼炉的加热功能，对金属块进行熔炼；熔炼过程中，一方面，确保负压除尘器持续运行，使熔炼产生的挥发气体通过集尘罩63进入负压除尘器，气体中的放射性核素被截留在负压除尘器的滤芯中，过滤后的气体通过负压除尘器排放到大气中，另一方面，对熔炼产生的炉渣进行实时人工清理；c、熔炼完成后，驱动小车由第二位置移动至第三位置，使小车42与倾翻平台31的转动路径上下错开；d、控制翻转液压缸33动作，使熔炼炉32内的熔炼液依次通过投料口321和引流槽322排出，进入后续的铸造设备，以铸造所需的零部件。
43.本步骤中，在熔炼过程中，调节集尘罩63距离投料口321的高度以便于观察熔炼炉
32内的情况，若出现熔炼液结壳现象，则立即进行人工干预，以避免炸炉。