玻璃熔化炉的制作方法

1.本发明涉及玻璃熔化炉，特别是一种高纯度玻璃及高放废液固化玻璃熔炉。


背景技术：

2.传统的玻璃生产技术通常是玻璃配合料加入到焦耳加热陶瓷池炉中，采用电加热、燃气加热等对配合料加热熔化，经澄清、成型后形成玻璃制品。随着科技的发展，对玻璃材料的品质要求越来越高，而玻璃的品质与玻璃中的杂质含量密切相关。在玻璃的熔化过程中，池炉耐火材料在高温玻璃熔体的侵蚀作用下作为杂质进入到玻璃中，对玻璃材料的性能产生不利影响(例如耐火材料的侵蚀造成激光玻璃的光学损耗增加)。因此，解决玻璃熔炉的耐火材料侵蚀问题是进一步提高玻璃性能的关键环节。
3.焦耳加热陶瓷炉玻璃固化工艺是重要的乏燃料后处理高放废液固化技术，在美国、俄罗斯、德国和日本得到了工业化的应用。其优点是单位时间内玻璃产率高。焦耳加热陶瓷炉玻璃固化技术由商用玻璃生产技术演变而来，其缺点为由于耐火材料的侵蚀导致玻璃熔炉寿命受限。另一方面，为了增加玻璃产率，焦耳加热陶瓷炉的体积都比较大，退役废物多，造成退役困难。
4.为解决玻璃熔制过程中的耐火材料腐蚀造成熔炉寿命短和影响玻璃性能的问题，科学家们从冷坩埚高纯金属冶炼技术中得到启发，将冷坩埚技术应用到了高放废液玻璃固化和高纯玻璃的生产上。冷坩埚技术采用高频感应加热分瓣金属坩埚中的玻璃物料，在坩埚瓣中通冷却水使坩埚壁温度保持在100-200℃，在坩埚壁上形成一层5-10mm厚的玻璃凝壳，金属埚壁在凝壳的保护下不与熔融态玻璃直接接触，增强了坩埚的抗腐蚀性，延长了坩埚的使用寿命。由于没有耐火材料的腐蚀，玻璃保持了原有的成分，故具有更加优异的性能。
5.法国原子能委员会专利us6996153/cn1628233a公开了一种感应加热冷坩埚，坩埚分瓣采用弧形板，在弧形板中间钻孔形成冷却回路，加工安装工艺复杂。且弧形板容易产生尖端电压和局部过热，虽然该专利提出边倒圆、弧形板表面绝缘喷涂等措施，但和圆管冷坩埚相比，在高频电源的作用下，仍有较高的产生电弧和局部过热的风险。
6.俄罗斯专利ru2392675c1公开了一种感应加热冷坩埚熔炼装置，坩埚分瓣采用不锈钢管，若干不锈钢管为一组，并设有上下水冷环，上水冷环设有进出水管道，下水冷环将冷却水路导通。这种设计的坩埚底部是用不锈钢焊接，各瓣间没有绝缘，电磁感应损耗较大。
7.美国专利us20160091249a1公开了一种感应加热冷坩埚，坩埚分瓣采用不锈钢管，底部漏料采用闸板阀，漏料速率通过控制熔炉压力来实现。这种设计在关闭闸板阀时玻璃容易溅出，且很难控制玻璃流速和流向。
8.中国专利cn205048973 u公开了一种冷坩埚装置，坩埚分瓣采用不锈钢管，冷坩埚设计有上下水冷环，其中下水冷环为3根钢管为一组，连通为进水，相邻3根钢管连通为出水。该水冷环设计由于各瓣间没有绝缘措施，电磁感应损耗较大。另一方面，管间硬连接部
分为不锈钢管，软连接部分为pvc管，当冷坩埚用于高放废液玻璃固化时，pvc管在受到放射性辐照后容易老化，影响坩埚使用寿命。
9.中国专利cn106123588 a公开了一种冷坩埚高温熔体卸料装置，卸料管设计成套管形式，中频感应线圈绕在卸料管外，该设计在卸料管关闭时整个卸料管均被固态玻璃堵住，重新启动时需要把整个卸料管的玻璃熔化导致卸料费时，且再次启动卸料管时容易在关口形成玻璃拉丝，影响卸料流向。卸料管伸入坩埚内部2cm，不利于高放废液玻璃固化时底部沉积的贵金属的排出。


技术实现要素：

10.本发明所要解决的技术问题是提供一种玻璃熔化炉，适用于高纯玻璃生产和高放核废料玻璃固化领域。该玻璃熔化炉采用感应加热，炉体不直接接触熔融态玻璃，增加了熔炉使用寿命，提高了玻璃质量。熔炉由不锈钢套管组装而成，安装简单。玻璃漏料采用盘管冷却关闭、感应加热开启冻融阀漏料装置，避免了因玻璃拉丝造成玻璃流向变化。熔炉下端的不锈钢管之间绝缘，安装在耐火混凝土底座上，增强了感应加热的透磁率。本发明玻璃熔化炉能够实现高纯玻璃及高放废液玻璃固化的连续生产，操作简单可控，熔炉寿命长，生产成本低，且能够提升高纯玻璃质量。
11.本发明所采用的技术方案如下：
12.一种玻璃熔化炉，包括炉体和具有支撑脚的耐火混凝土底座，所述的炉体通过丝杆固定在底座上，所述的炉体的顶部设有炉盖、底部设有炉底，其特点在于，所述的炉盖为空腔结构，空腔内部焊接有截面为矩形的冷却通道，所述的炉盖上设有进气口和出气口分别与所述的冷却通道相连通，该炉盖的中心设有搅拌器安装口，供搅拌器伸入炉体内；在所述的炉盖上还设有液位测量口、视窗、尾气排放口、温度测量口和加料口；
13.所述的炉体是由多根不锈钢套管围绕而成的圆筒，顶面和底面由上圆环出水分配环和下圆环进水分配环焊接而成，每一根不锈钢套管由一根内管、套设在内管外的外管和覆盖在该外管底部的一盖板组成，所述的内管和外管之间通过支架连接，所述的内管的上端开有出水口，所述的外管的上端开有进水口；
14.所述的炉底呈分瓣放射状，每个瓣对应的圆心角为30-45
°
，分瓣开缝的长度为炉底半径的1/2～2/3，瓣间隙采用铝酸盐耐火水泥填充，每个分瓣上设置有一个鼓泡器，每个分瓣的下方焊接有一个水冷箱，该水冷箱内由金属板分隔为外进水箱和内出水箱，所述的进水箱的容积小于所述的出水箱，所述的进水箱和出水箱分别安装有进水管和出水管；所述的炉底的中心开有漏料孔，在炉底焊接有圆锥形冻融阀安装接口，用于连接冻融阀；
15.所述的框式搅拌器内部的冷却水流向为由上往下经搅拌杆的两侧进水管道、两侧搅拌框折回经搅拌杆中心管道向上后出水；
16.所述的底座内开有炉体的安装槽，所述的炉底安装在所述的安装槽上，所述的安装槽和炉底之间通过绝缘云母片绝缘；所述的炉体安装在所述的炉底上，所述的框式搅拌器的上端安装在所述的炉盖的中心的搅拌器安装口中，将所述的冻融阀的上端对准所述的漏料孔安装置于所述的底座之下；所述的炉盖通过所述的炉盖卡扣和所述的上圆环出水分配环的安装卡扣盖在所述的炉体上，使所述的不锈钢金属球在所述的炉底的漏料孔的上方，所述的框式搅拌器的对称轴、不锈钢金属球球心、漏料孔中心、冻融阀的对称轴在同一
条直线上。
17.所述的上圆环出水分配环和下圆环进水分配环均由隔板分为n个隔断，n的取值范围为8～16，每个隔断内将n根不锈钢套管连通，n的取值范围为6～8，相邻不锈钢套管之间的间隙填充云母片绝缘；所述的上圆环出水分配环和下圆环进水分配环之间距离为1-3cm，且上圆环出水分配环的腔内有效容积大于所述的下圆环进水分配环腔内有效容积。
18.所述的上圆环出水分配环由顶盖、外侧板、底板和内侧板焊接而成，由隔板分为n个隔断，每个隔断的外侧板上装有一出水管、泄压安全阀，在所述的底板上有不锈钢套管内管焊接开口，所述上圆环出水分配环的外侧板上装有两个安装卡扣；
19.所述的下圆环进水分配环由顶板、外侧板、底板和内侧板焊接而成，由隔板分为n个隔断，每个隔断的外侧板上焊接有一进水管，在所述的底板上有不锈钢套管外管焊接开口，在所述的顶板上有不锈钢套管内管焊接开口，不锈钢套管内的冷却水流向为：经进水口进入外管，沿外管向下、盖板折转、内管向上，由出水口流出。
20.所述的冻融阀为nicrfe合金或铂金制成，所述的冻融阀采用矩形截面螺旋管水冷或气冷，使用中频感应线圈加热，所述的冻融阀的上端接口的内锥面和炉底锥形接口相匹配，所述的冻融阀安装方式为螺栓顶紧凸耳安装或螺纹紧固安装：
21.所述的冻融阀为螺纹紧固安装方式时，冻融阀上端的螺纹接口旋入在炉底螺纹孔内，通过八角螺母拧紧，使冻融阀螺纹接口的内锥面和炉底锥形接口的外锥面紧密贴合；
22.所述的冻融阀为螺栓顶紧凸耳安装方式时，所述的冻融阀上端锥形接口处焊接有3个安装凸耳，所述的炉底上焊接有3个l型不锈钢块，l型不锈钢块开有螺纹孔，螺纹孔内有安装顶紧螺栓。
23.所述的框式搅拌器下端带的不锈钢金属球的直径为30～50mm。
24.所述的不锈钢套管的内管的直径8～18mm，壁厚1～2mm，外管的直径16～30mm，壁厚2～5mm。
25.所述炉体2相邻分瓣不锈钢套管之间间隙为1～2mm，间隙中填充云母片绝缘。
26.所述的鼓泡器位于以炉底5中心为圆心的同一圆周上。
27.所述的水冷箱离炉底圆心的距离为炉底半径的1/3～1/2。
28.所述的炉底的厚度3～4cm，中心漏料孔上端直径为20～30mm，并以10-15
°
的角度向下缩小，在炉底焊接圆锥形漏料接口，该接口同样以10～15
°
的角度向下缩小。
29.所述的炉体安装槽和炉底之间绝缘云母片的厚度为3～5mm。
30.本发明的有益效果是：
31.1)玻璃熔化炉炉体由不锈钢套管、上圆环出水分配环和下圆环进水分配环焊接而成，炉体安装在耐火水泥混凝土板上，结构坚固且安装工艺简单。上圆环出水分配环装有卸压安全阀，消除了出水温度过高导致上圆环出水环超压风险。
32.2)构成炉体的相邻不锈钢套管的下部、炉体和炉底之间通过云母片绝缘，降低了电磁感应损耗。
33.3)采用框式搅拌器的不锈钢球作为塞阀和冻融阀相结合的玻璃漏料方式，便于控制玻璃流速与流向且有利于排出炉底沉积的贵金属。采用矩形截面的风冷或水冷盘管冷却冻融阀，增加了热交换效率，使冻融阀中的玻璃很快凝固，降低了冻融阀的关闭时间。冻融阀采用螺纹或螺栓顶紧安装安装便于安装与维护。
附图说明
34.图1是本发明玻璃熔化炉的结构示意图
35.图2是玻璃熔化炉炉盖结构示意图
36.图3是玻璃熔化炉炉盖剖面图
37.图4是上圆环冷却水出水分配环结构示意图
38.图5是上圆环冷却水出水分配环剖面图
39.图6是下圆环冷却水进水分配环结构示意图
40.图7是下圆环冷却水进水分配环剖面图
41.图8是炉体分瓣不锈钢套管结构示意图。图8a不锈钢套管上部结构示意图，图8b不锈钢套管下部结构示意图
42.图9是不锈钢套管内部冷却水流向示意图
43.图10是不锈钢套管和上圆环冷却水出水分配环、下圆环冷却水进水分配环安装示意图
44.图11是炉底结构示意图
45.图12是炉底剖面图
46.图13是炉体与炉底安装示意图
47.图14是冻融阀安装实施例1示意图。图14a冻融阀安装实施例1炉底结构示意图，图14b安装实施例1冻融阀结构示意图，图14c安装实施例1安装过程示意图
48.图15是冻融阀安装实施例2示意图。图15a是冻融阀安装实施例2炉底结构示意图，图15b是安装实施例2冻融阀结构示意图，图15c安装实施例1安装过程示意图
49.图16是框式搅拌器结构示意图
50.图17是玻璃熔化炉安装完成后的剖面图
具体实施方式
51.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述：
52.参见如图1所示，由图可见，本发明玻璃熔化炉，包括炉盖10、炉体2、炉底5、框式搅拌器9、冻融阀62和耐火混凝土底座7，所述的炉盖10、炉体2、炉底5、带不锈钢球74的框式搅拌器9由不锈钢304或316加工而成，所述玻璃熔化炉通过带有铜排6的感应线圈3对炉体2内的玻璃物料进行加热。所述玻璃熔化炉1通过丝杆4固定在带支撑脚8的耐火混凝土底座7上，
53.参阅图2图3，所述的炉盖10为空腔结构，空腔内部焊接有截面为矩形的冷却通道25，炉盖上有所述的冷却通道25的进气口16和出气口19，该炉盖10的中心设有搅拌器安装口24，该炉盖10上还设有液位测量口17、视窗18、尾气排放口21、温度测量口22和加料口23，炉盖10的外侧壁上有与所述的炉体2安装的卡扣20；
54.所述的炉体2是由不锈钢套管14通过上圆环出水分配环12和下圆环进水分配环13焊接而成的圆筒，每一根不锈钢套管14(参阅图8a、图8b)包括一根内管43、一根外管42和一盖板47，所述的内管43和外管42之间通过支架44连接，底端由所述的盖板47覆盖，所述的内管43的上端开有出水口45，所述的外管42的上端开有进水口46，所述的上圆环出水分配环12和下圆环进水分配环13由隔板分为n个隔断，n的取值范围为8～16，每个隔断内将n根不
锈钢套管14连通，n的取值范围为6～8，相邻不锈钢套管14之间的间隙填充云母片绝缘，所述的不锈钢套管14上部焊接在上圆环出水分配环12和下圆环进水分配环13上，所述的上圆环出水分配环12和下圆环进水分配环13之间有一定距离1-3cm，且上圆环出水分配环12的腔内有效容积大于所述的下圆环进水分配环13腔内有效容积；
55.所述的上圆环出水分配环12由顶盖29、外侧板30、底板31和内侧板32焊接而成(参见图4、图5)，由隔板(33)分为n个隔断，所述隔断将n根不锈钢套管14连通，所述隔断的外侧板30上装有一出水管26、泄压安全阀27，所述底板31上有不锈钢套管内管焊接开口28，所述上圆环出水分配环12的外侧板上装有两个安装卡扣11；
56.参见图6、图7，所述的下圆环进水分配环13由顶板40、外侧板39、底板38和内侧板37焊接而成，由隔板(41)分为n个隔断，每个隔断的n根不锈钢套管14连通，每个隔断的外侧板39上焊接有一进水管36，在所述的底板38上有不锈钢套管外管焊接开口35，在所述的顶板40上有不锈钢套管内管焊接开口34，不锈钢套管14内的冷却水流向为：经进水口46进入外管42，沿外管42向下、盖板47折转、内管43向上，由出水口45流出，参见图8、图9；
57.参见图10，锈钢套管14通过图4所示的内管焊接开口28、图6所示的内管焊接开口34、外管焊接开口35焊接固定，相邻不锈钢套管14之间的间隙为1.5mm；
58.参见图11、12，所述的炉底5为分瓣48结构，每瓣对应的圆心角为40
°
，分瓣开缝52长度为炉底半径的3/5。瓣48上设置有鼓泡器49，每瓣上的鼓泡器49在以炉底5中心为圆心的圆周上。炉底中心开有漏料孔50，孔为锥形，上端直径为30mm，并以15
°
的角度向下缩小，在炉底焊接锥形接口51，该接口同样以15
°
的角度向下缩小；
59.参见图12，炉底分瓣48的下方焊接有水冷箱57，水冷箱57内有金属板55隔断为进水箱58和出水箱59，进水箱58的容积小于出水箱59。进水箱58和出水箱59分别安装有进水管53和出水管54。水冷箱57离炉底圆心的距离为炉底半径的2/5；
60.参见图13、17，所述的底座7内开有炉体2的安装槽60，所述的炉底5安装在所述的安装槽60上，所述的安装槽60和炉底5之间通过绝缘云母片61绝缘；所述的炉体2安装在所述的炉底5上，所述的框式搅拌器9的上端安装在所述的炉盖10的中心的搅拌器安装口24中，将所述的冻融阀62的上端对准所述的漏料孔50安装置于所述的底座7之下；将所述的炉盖10通过所述的炉盖卡扣20和所述的上圆环出水分配环12的安装卡扣11盖在所述的炉体2上，使所述的不锈钢金属球74在所述的炉底5的漏料孔50的上方，所述的框式搅拌器9的对称轴、不锈钢金属球74球心、漏料孔50中心、冻融阀62的对称轴在同一条直线上；
61.参见图14、15，冻融阀62在炉底5上的安装方式有两种：螺栓顶紧冻融阀凸耳安装和螺纹紧固安装，下面分别描述冻融阀62的两种安装实施例：
62.参见图14a、14b、14c安装实施例1，炉底5冻融阀安装接口51外部形状为锥形，焊接在炉底5上。炉底5上焊接有3个l型不锈钢块68，l型不锈钢块68开有螺纹孔，螺纹孔内有安装顶紧螺栓69，冻融阀62为铂金制成，其上端为锥形接口64，锥度和炉底锥形接口51相同。锥形接口64处焊接有3个安装凸耳63。冻融阀的下端为圆柱体67，内径16mm，圆柱体67上端焊接有截面为矩形截面的水冷或气冷螺旋管65，圆柱体67下端为中频感应线圈66，在安装时冻融阀凸耳63位于两个l型不锈钢块68之间，紧贴炉底，随后逆时针旋转，将凸耳63置于l型不锈钢块68上方，再将3个顶紧螺栓69拧紧使冻融阀锥形接口64的内锥面和炉底锥形接口51的外锥面紧密贴合，防止玻璃进入二者间隙。
63.参见图15a、15b、15c安装实施例2，以炉底5中心为圆心，焊接有圆形螺纹孔70。图15b为安装实施例2的冻融阀62结构图。冻融阀62为镍铬铁合金制成，其上端为螺纹接口64，外侧开有螺纹，和炉底5螺纹孔70匹配。螺纹接口64内侧为椎体，和炉底5锥形接口51相匹配。冻融阀62下端为圆柱体71，其上端焊接有截面为矩形截面的水冷或气冷螺旋管65，下端有中频感应线圈66，中间焊接有八角螺母72。在安装时将冻融阀62放在炉底螺纹孔70内通过八角螺母72拧紧，使冻融阀螺纹接口64的内锥面和炉底锥形接口51的外锥面紧密贴合，防止玻璃进入二者间隙。
64.参见图16，所述的框式搅拌器9为不锈钢水冷搅拌器，由搅拌杆77、搅拌框73和下端的不锈钢金属球74构成，该框式搅拌器9内部的冷却水流向为由上往下经搅拌杆的两侧进水管道75、两侧搅拌框73折回经搅拌杆中心管道76向上后出水。
65.本发明玻璃熔化炉的使用过程说明如下：
66.通过炉盖加料口23加入与目标产品成分相近的启动玻璃，待部分启动玻璃进入到漏料孔50及冻融阀62后下降框式搅拌器9，堵住漏料孔50。随后继续添加启动玻璃至熔炉启动位置，在启动玻璃上放置金属锆环。开启玻璃熔化炉冷却水、框式搅拌器冷却水、冻融阀冷却气体以及鼓泡器气体，接通高频电源，感应线圈3首先加热金属锆环，金属锆环将热量传递给启动玻璃使启动玻璃熔化，待启动玻璃完全熔化后开始经由加料口23加入产品玻璃原料(粉体原料、玻璃珠、泥浆或者废液)。由于炉体和炉底是水冷的，故在炉壁和炉底上分别形成5-10mm和15-30mm的玻璃凝壳，使得炉壁及炉底不直接接触熔融玻璃，对炉壁及炉体起到保护作用，延长玻璃熔化炉使用寿命，并维持玻璃原始成分不受影响，提高玻璃性能。通过液位测量口17测量液位，温度测量口22测量温度，视窗18监控炉内情况。
67.当玻璃熔化工艺参数达到目标值时提升框式搅拌器9到搅拌位置并启动旋转。当玻璃液位达到漏料液位时，停止冻融阀62的螺旋管冷却65，启动中频感应加热线圈66，玻璃开始漏料。当达到停止漏料液位时，开启螺旋管冷却65，停止并下降搅拌器9，使得搅拌器9的金属球74堵住炉底漏料孔50，逐步降低中频感应加热线圈66功率，将冻融阀口的玻璃流尽，同时玻璃在冻融阀的螺旋冷却管65处玻璃凝固，玻璃漏料停止。玻璃漏料停止后，提起搅拌器9，进入下一循环的玻璃熔化。