玻璃固化熔爐出料管預(yù)疏通

巫帥珍，周強(qiáng)，雷權(quán)鳴，樊浩，樊茂松

（中核四川環(huán)保工程有限責(zé)任公司，四川廣元 628000）

0 引言

高放廢液具有強(qiáng)放射性、高釋熱性和高毒性特點(diǎn)[1]，主要通過玻璃固化工藝進(jìn)行處理。工業(yè)應(yīng)用的玻璃固化工藝主要有第二代回轉(zhuǎn)爐煅燒/感應(yīng)加熱金屬熔爐工藝、第三代焦耳加熱陶瓷熔爐工藝及第四代冷坩堝感應(yīng)熔爐工藝[2]。

我國采用的焦耳加熱陶瓷熔爐工藝，熔爐內(nèi)的高放玻璃固化體依次通過底部電極（E7電極）、陶瓷磚和出料管（E8電極）澆注到接收容器內(nèi)[3]。E7電極和E8電極組成的電極對(duì)可對(duì)陶瓷流道內(nèi)的玻璃進(jìn)行加熱，中頻管可對(duì)E8電極進(jìn)行加熱。通過電極對(duì)和中頻管可控制玻璃出料和流速。執(zhí)行出料程序時(shí)，先提升中頻功率，加熱出料管，再啟動(dòng)E7-E8電極對(duì)，將陶瓷流道內(nèi)的玻璃熔化。熔爐底部結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)如圖1所示。

圖1 熔爐底部結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)

熔爐處理高放廢液前的調(diào)試期間發(fā)生3次卸料異常，通過熔池高溫保溫、出料管保溫方法加熱融化出料管內(nèi)堵塞物，結(jié)合人工疏通方式解決了堵塞問題。熔爐處理高放廢液運(yùn)行期間再次發(fā)生出料異常，在采取提升熔爐底部區(qū)域電流和出料管流道電流措施后，使用機(jī)械裝置對(duì)出料管進(jìn)行了探測，疏通桿穿透出料管下部堵塞層后，中部堵塞物黏附在疏通桿表面被帶出，對(duì)于出料管上部區(qū)域的硬質(zhì)堵塞物，采用保溫加熱與機(jī)械疏通手段仍不能實(shí)現(xiàn)疏通。出料管堵塞物及位置如圖2所示。

圖2 出料管中部堵塞物及堵塞位置示意圖

高硫高鈉高放廢液[4]玻璃固化過程中，玻璃固化體受核素溶解和工藝因素的限制，難以保證完全均勻的狀態(tài)，無法避免出現(xiàn)相分離和結(jié)晶現(xiàn)象[5]。在重力作用下，熔爐內(nèi)的晶體逐漸沉積到熔爐底部，最終造成出料管堵塞[6]。模擬高放廢液玻璃固化體析晶時(shí)的結(jié)晶相為透輝石相（CaMgSi2O6）[7-8]，分析調(diào)試期間生產(chǎn)的玻璃固化體，析晶率為5%以下的樣品在1000 ℃環(huán)境中保溫2 h，透輝石可復(fù)熔；析晶率為9%的樣品在1000 ℃環(huán)境中保溫2 h，透輝石仍有殘余，溫度達(dá)到1100 ℃時(shí)才能完全復(fù)熔。出料管內(nèi)堵塞物樣品中69.05%是玻璃，透輝石晶體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)31.95%，需要更高的溫度和更長的時(shí)間才能有效復(fù)熔。

出料管上部接近法蘭處為加熱盲區(qū)，熔爐底部電極和出料管外的中頻管均不能直接加熱該區(qū)域。由于強(qiáng)輻射因素，也不能進(jìn)入熱室對(duì)出料管進(jìn)行保溫，該區(qū)域難以升至足夠高的溫度。堵塞物不能充分熔化的條件下，基于擠壓和黏附方式的疏通裝置不能實(shí)現(xiàn)出料管疏通。結(jié)合民用玻璃窯爐疏通處理方法，確定采用預(yù)疏通方式清除流道內(nèi)的硬質(zhì)堵塞物。

1 預(yù)疏通裝置總體結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)平臺(tái)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

預(yù)疏通裝置主要由鉆削機(jī)構(gòu)和運(yùn)載機(jī)構(gòu)組成。鉆削機(jī)構(gòu)主要包含鉆機(jī)、鉆桿和冷卻系統(tǒng)，運(yùn)載機(jī)構(gòu)主要包含熱室內(nèi)的運(yùn)載小車。通過車體將裝置轉(zhuǎn)移至熔爐下方，絲桿升降機(jī)構(gòu)對(duì)鉆機(jī)平臺(tái)進(jìn)行升降，通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)和鉆桿的緩慢升降，鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)切削出料管內(nèi)硬質(zhì)堵塞物，供水泵將常溫水輸送至鉆桿內(nèi)對(duì)其進(jìn)行冷卻，預(yù)疏通過程中產(chǎn)生的廢水經(jīng)托盤收集后流至集水箱。裝置總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 預(yù)疏通裝置結(jié)構(gòu)示意圖

裝置除具有鉆桿旋轉(zhuǎn)、水平移動(dòng)、升降等功能外，還具有遠(yuǎn)距離操作功能，以便實(shí)現(xiàn)裝置在熱室內(nèi)的平移微調(diào)、升降微調(diào)、電氣連接和故障處理，裝置功能如表1所示。

表1 預(yù)疏通裝置功能

表2 鉆桿擺動(dòng)幅度

1.2 試驗(yàn)平臺(tái)

預(yù)疏通裝置工作過程中，鉆桿擺動(dòng)和運(yùn)載小車振動(dòng)均會(huì)影響預(yù)疏通效果。預(yù)疏通裝置所需運(yùn)載小車采用熱室內(nèi)已有小車，在熱室外搭建試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證預(yù)疏通方案可減少試驗(yàn)人員不必要的輻照傷害。

試驗(yàn)平臺(tái)主要由試驗(yàn)裝置和出料管臺(tái)架組成。試驗(yàn)裝置的鉆削機(jī)構(gòu)采用同型號(hào)鉆機(jī)、鉆桿、齒輪齒條機(jī)構(gòu)和供水泵等，采用液壓升降機(jī)替代運(yùn)載小車；出料管臺(tái)架包含導(dǎo)軌、立柱、模擬出料管等部件。平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)平臺(tái)

2 臺(tái)架試驗(yàn)

2.1 鉆桿擺動(dòng)試驗(yàn)

分別在熱室內(nèi)的運(yùn)載小車和熱室外的試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了鉆桿擺動(dòng)試驗(yàn)。選擇700×18規(guī)格鉆桿（直徑為18 mm，長度為700 mm），鉆機(jī)在1600 r/min額定轉(zhuǎn)速下，以鉆機(jī)安裝底座為基準(zhǔn)，測量鉆桿不同高度的擺動(dòng)幅度。鉆桿擺動(dòng)試驗(yàn)如圖5所示。

圖5 鉆桿擺動(dòng)試驗(yàn)

在熱室內(nèi)的運(yùn)載小車測試時(shí)，隨著測量高度的增加，鉆桿的擺動(dòng)幅度變化不大。在相同測量高度下，鉆桿在試驗(yàn)裝置上的擺動(dòng)幅度大于運(yùn)載小車上的擺動(dòng)幅度，主要原因是試驗(yàn)裝置基座采用液壓升降平臺(tái)，升降平臺(tái)加工精度和裝配精度低于絲桿升降機(jī)構(gòu)，穩(wěn)定性減弱。

在熱室外的試驗(yàn)裝置測試時(shí)，400 mm高度處的擺動(dòng)幅度為2.7 mm，鉆桿頂部擺動(dòng)幅度小于5 mm，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，鉆桿輪廓最大直徑為28 mm，小于出料管上部30 mm內(nèi)徑，鉆桿在試驗(yàn)裝置上的擺動(dòng)幅度可接受。

2.2 振動(dòng)試驗(yàn)

鉆桿通過螺紋與鉆機(jī)連接，鉆機(jī)安裝在試驗(yàn)平臺(tái)上，平臺(tái)的穩(wěn)定性對(duì)鉆桿的擺動(dòng)有一定影響。出料管疏通時(shí)，若鉆桿擺動(dòng)幅度過大，將引起出料管振動(dòng)，甚至導(dǎo)致內(nèi)壁受損。為評(píng)估預(yù)疏通過程中鉆機(jī)的穩(wěn)定性及鉆桿對(duì)出料管的影響。選用600×18和700×18兩種鉆桿，選擇50、100、150 mm等3種不同伸入深度，在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，鉆機(jī)和出料管振動(dòng)位移隨鉆桿伸入出料管深度變化趨勢如圖6和圖7所示。

圖7 出料管振動(dòng)位移隨伸入深度的變化

隨著鉆桿伸入出料管深度的增加，內(nèi)壁對(duì)鉆桿的約束加強(qiáng)，鉆桿的擺動(dòng)減小。鉆機(jī)振動(dòng)位移先減小，然后趨于穩(wěn)定。伸入出料管深度分別為100 mm和150 mm時(shí)，兩種規(guī)格鉆桿對(duì)鉆機(jī)的振動(dòng)位移無明顯影響。

隨著鉆桿伸入出料管深度的增加，鉆機(jī)與出料管之間的距離減小，鉆桿穩(wěn)定性增加，出料管振動(dòng)位移無明顯變化規(guī)律，振動(dòng)位移最大值為0.012 3 mm，振動(dòng)較小。

2.3 導(dǎo)向塊試驗(yàn)

出料管下端內(nèi)徑為20 mm，為保護(hù)出料管內(nèi)壁，防止鉆桿過度擺動(dòng)，設(shè)計(jì)了圖8 所示導(dǎo)向塊。將導(dǎo)向塊焊接在模擬出料管底部。

圖8 導(dǎo)向塊示意圖

鉆機(jī)上安裝700×18鉆桿，鉆桿穿過導(dǎo)向塊后伸入出料管，測量出料管的振動(dòng)值。出料管振動(dòng)值隨伸入出料管深度的變化趨勢如圖9所示。

圖9 導(dǎo)向塊對(duì)出料管振動(dòng)的影響

熱室環(huán)境下，通過機(jī)械手夾持導(dǎo)向塊方式將減小預(yù)疏通裝置工作空間，而固定安裝導(dǎo)向塊方式難度更大。安裝導(dǎo)向塊對(duì)出料管振動(dòng)位移的影響較小，預(yù)疏通時(shí)不使用導(dǎo)向塊。

2.4 模擬疏通試驗(yàn)

熔爐出料管內(nèi)需要預(yù)疏通的玻璃層厚度約為40 mm。為分析預(yù)疏通過程中出料管的振動(dòng)，通過中頻線圈將非放玻璃固化體加熱熔融，填充入模擬出料管后再自然冷卻。最終填充的玻璃厚度為180 mm。填充玻璃層的底部作為初始點(diǎn)，每30 mm玻璃層作為一段，測量各段疏通過程中出料管的振動(dòng)位移。模擬出料管和鉆機(jī)振動(dòng)位移變化趨勢，如圖10所示。

圖10 模擬出料管振動(dòng)位移

隨著鉆入玻璃層深度的增加，模擬出料管振動(dòng)位移先增大，隨后在0.01～0.019 mm范圍內(nèi)波動(dòng)。在第1段玻璃層，鉆桿進(jìn)給速度為10 mm/min時(shí)，出料管振動(dòng)位移最?。辉诘?段～第6段玻璃層，鉆桿進(jìn)給速度增加至15 mm/min，出料管振動(dòng)位移平均值為0.014 8 mm。試驗(yàn)過程中，出料管振動(dòng)位移不大于0.02 mm，試驗(yàn)裝置整體穩(wěn)定可靠，模擬疏通后出料管如圖11所示。

圖11 完成疏通后的模擬出料管（俯拍圖）

3 出料管預(yù)清理及預(yù)疏通

3.1 出料管預(yù)清理及裝置穩(wěn)定性檢查

硬質(zhì)堵塞物位于出料管上部位置，需使用500 mm以上長度的鉆桿才能實(shí)現(xiàn)疏通，預(yù)疏通裝置安裝現(xiàn)有的600 mm長度規(guī)格鉆桿后，鉆桿頂部高于熔爐出料管管口。鉆桿上端需先伸入出料管，然后再將鉆桿連接到鉆機(jī)上，預(yù)疏通前使用短鉆桿進(jìn)行預(yù)清理。

熔爐高溫保溫過程中，出料管內(nèi)堵塞物在高溫和重力作用下，可熔化玻璃沿著內(nèi)壁向下流動(dòng)，冷卻后凝固并殘留在出料管內(nèi)壁，檢查后發(fā)現(xiàn)，內(nèi)壁直徑小于18 mm。出料管內(nèi)壁除黏附有厚度相對(duì)均勻的玻璃外，還有凸起的難熔黏附物。為減少預(yù)疏通過程中鉆桿與出料管內(nèi)壁凸起物質(zhì)之間的接觸，降低出料管振動(dòng)，選擇16 mm直徑鉆桿進(jìn)行出料預(yù)清理和最終預(yù)疏通，出料管預(yù)清理深度為底部向上300 mm。

對(duì)出料管底部進(jìn)行預(yù)清理后，為進(jìn)一步驗(yàn)證預(yù)疏通裝置的整體穩(wěn)定性，在熔爐下進(jìn)行了裝置穩(wěn)定性測試。先將600×16鉆桿頂部伸入出料管，再將預(yù)疏通裝置移動(dòng)至熔爐下方，通過主從機(jī)械手夾持扳手并擰緊鉆桿和鉆機(jī)之間的連接螺栓，最后啟動(dòng)鉆機(jī)并使鉆桿在出料管內(nèi)升降。鉆桿與鉆機(jī)之間的連接如圖12所示。

圖12 鉆桿安裝拆除試驗(yàn)

通過遠(yuǎn)距離操作方式可將鉆桿安裝到鉆機(jī)上。現(xiàn)場測試表明，鉆機(jī)升降過程中，鉆桿無可見擺動(dòng)，預(yù)疏通裝置穩(wěn)定性優(yōu)于試驗(yàn)裝置。

3.2 出料管預(yù)疏通

預(yù)疏通過程中，采用常溫水冷卻鉆桿，為防止過大的溫差變化導(dǎo)致E7和E8之間的陶瓷磚損壞，確定預(yù)疏通深度為出料管上部端面以下10 mm，預(yù)疏通深度如圖13所示。

圖14 預(yù)疏通前后出料時(shí)間

4 預(yù)疏通后出料

出料管預(yù)疏通后，維持熔池在（1130±30）℃范圍內(nèi)進(jìn)行120 h高溫保溫，啟動(dòng)出料程序15 h后，爐內(nèi)料液順利流出。

預(yù)疏通前10桶平均出料時(shí)間為131 min，預(yù)疏通后10桶平均出料時(shí)間為79 min。第10桶用時(shí)為175 min，高于預(yù)疏通前10桶平均出料時(shí)間，主要原因是出料管出現(xiàn)部分堵塞物。由于出料管內(nèi)堵塞物的堆積和硬化，導(dǎo)致爐內(nèi)料液不能澆注到第11桶內(nèi)。出料管進(jìn)預(yù)疏通后，第11桶用時(shí)為892 min，主要原因是出料管內(nèi)徑為上大下小結(jié)構(gòu)，預(yù)疏通方式不能完全清除出料管內(nèi)堵塞物。預(yù)疏通后的第1～第3桶出料平均時(shí)間為63 min，用時(shí)較少，第4～第10桶平均用時(shí)平均時(shí)間為87 min，出料時(shí)間趨于穩(wěn)定。預(yù)疏通前后啟動(dòng)出料程序至料液流出時(shí)間統(tǒng)計(jì)如圖16所示。

5 結(jié)論

經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)后，預(yù)疏通裝置在不損傷熔爐條件下完成了出料管預(yù)疏通，為爐內(nèi)料液流出創(chuàng)造了有利條件。預(yù)疏通是一種解決熔爐出料異常的有效方式，針對(duì)出料管疏通裝置及方法有以下建議：1）出料管堵塞后，可先用加熱出料管和熱疏通相結(jié)合的方式清理出料管內(nèi)黏滯堵塞物；2）預(yù)疏通前出料管降溫及預(yù)疏通后熔爐升溫所需時(shí)間較長，冷鉆預(yù)疏通方式可作為出料堵塞后的最終處理手段；3）受熱室空間限制，可將熱疏通和冷疏通功能整合到同一裝置上，以簡化操作；4）出料管預(yù)疏通時(shí)應(yīng)盡量避免拆除熔爐組件，設(shè)計(jì)裝置時(shí)應(yīng)考慮易損、易耗件的遠(yuǎn)距離更換性。