淺談陶瓷電熔爐啟動

王琪 張偉超

摘要：陶瓷電熔爐作為高放廢液玻璃固化處理設施的核心設備，其運行技術難度較高，可供調試借鑒的經驗少。國內首座高放廢液玻璃固化處理設施中的陶瓷電熔爐首次啟動過程中，出現了熔爐烘烤升溫停止問題，影響了熔爐調試進度。鑒于此，簡要介紹了熔爐啟動過程，結合熔爐供電系統電控柜相關資料對熔爐啟動過程中升溫停止問題的原因進行了分析，最終通過修改ABB控制器內的控制參數解決了熔爐啟動過程中升溫停止的問題，旨在為后續玻璃固化項目陶瓷電熔爐的調試提供參考。

關鍵詞：玻璃固化；陶瓷電熔爐；啟動；調試

中圖分類號：TL941+.113? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）10-0066-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.10.018

0? ? 引言

放射性廢物的處置問題一直是核工業發展過程中不可忽視的關鍵環節。核燃料后處理循環過程中產生的高放廢液的安全處置是放射性廢物處理的關鍵，國際上比較成熟的高放廢液處理方法是玻璃固化[1]。

國內首座高放廢液處理設施引進了德國的陶瓷電熔爐玻璃固化技術，其運行技術難度較高，可供借鑒的調試經驗較少。

本文介紹了國內首座玻璃固化陶瓷電熔爐的首次啟動調試過程以及啟動過程中的問題處理，可為后續玻璃固化設施陶瓷電熔爐的調試提供參考。

1? ? 陶瓷電熔爐簡介

陶瓷電熔爐是用來處理高放廢液的核心設備，放置在封閉的熱室中，其結構簡圖如圖1所示。熔爐主體主要由三個部分組成：（1）熔爐內壁由極耐腐蝕的電熔鑄耐火陶瓷磚構成，以包容溫度在1 100～1 180 ℃的高溫熔融玻璃液；（2）耐火陶瓷磚外為多層絕熱材料，以減少熔爐的熱損失，同時起到多重屏障的作用，防止玻璃熔融體從耐火磚縫中滲出；（3）熔爐最外側是不銹鋼外殼，一方面可以減少熔爐與熱室間的空氣交換，防止放射性物質外泄，另一方面也方便了運輸和安裝過程中熔爐的轉運和吊裝[2]。熔爐頂部安裝有廢液和玻璃珠進料管、尾氣管、測溫裝置等關鍵部件。熔爐兩側是成對放置的加熱電極，用于熔爐運行時能量輸入，維持熔爐內玻璃焦耳加熱。熔爐底部安裝有一套中頻感應出料裝置，用于熔爐內玻璃定期下料。

2? ? 熔爐啟動

熔爐啟動是將熔爐在建造、運輸和存放期間電熔鑄耐火陶瓷磚內存留的水分烤干，最終向熔爐內部添加啟動玻璃使陶瓷電熔爐轉至焦耳加熱運行工況。熔爐啟動主要過程包括熔爐烘烤和熔爐啟動玻璃焦耳加熱運行兩個部分。

2.1? ? 熔爐烘烤

熔爐烘烤主要是通過安裝在熔爐頂部的硅碳加熱棒加熱從而實現熔爐內部升溫烘烤。烘烤過程中耐火陶瓷磚會受熱膨脹，為了避免熔爐內壁陶瓷磚在烘烤過程中由于溫度急劇變化產生裂紋，熔爐烘烤過程中要注意控制好升溫速度，同時考慮應急措施避免熔爐供電系統突然斷電。

熔爐烘烤的升溫過程主要分為低溫、中溫、高溫三個升溫階段[3]。階段一是通過硅碳加熱棒將熔爐內部溫度從環境溫度升溫至100 ℃，并維持當前溫度48 h；階段二是將熔爐溫度從100 ℃提升至600 ℃，并維持當前溫度48 h；階段三是將熔爐內溫度提升至1 050 ℃，并維持當前溫度48 h。

2.2? ? 熔爐啟動玻璃焦耳加熱

啟動玻璃焦耳加熱是熔爐啟動的第二個關鍵階段。通過熔爐頂部安裝的進料管分批向熔爐內部加入特定組分的啟動玻璃珠，啟動玻璃珠在硅碳加熱棒的熱源作用下逐漸軟化，然后利用玻璃在熔融狀態下具備導電性的特性，及時啟動熔爐內成對布置的電極對之間的供電，將電流通過電極對引入熔融玻璃中，使熔爐內的玻璃在電流作用下產生焦耳加熱，從而維持玻璃熔融狀態[4]。

在啟動熔爐電極對供電前，需要檢查各電極的對地絕緣，確保熔爐供電回路的絕緣符合要求，同時必須檢查熔爐內部的玻璃量，確定熔融玻璃淹沒電極對。熔爐焦耳加熱啟動初期，由于啟動玻璃剛具備導電性，玻璃電阻相對較高，從供電設備運行安全角度考慮，熔爐加熱電極對供電回路變壓器需要以高電壓、低電流方式運行；當玻璃完全熔化后，可以根據玻璃電阻情況將加熱電極對供電回路變壓器切換至低電壓、大電流方式運行。

3? ? 熔爐升溫停止問題分析及處理

熔爐升溫烘烤過程中，運行人員發現硅碳加熱棒測溫熱電偶反饋的測量溫度恒定不變，不隨目標溫度變化而變化。經過初步分析，造成上述問題的原因可能有以下兩點：（1）硅碳加熱棒對應的測溫熱電偶故障，控制畫面顯示的溫度為假值；（2）硅碳加熱棒輸出功率不足，導致實際溫度無法上升。根據分析結果對可能原因進行排查。

3.1? ? 硅碳加熱棒對應的測溫熱電偶故障

將硅碳加熱棒供電柜電源斷開，拆除硅碳加熱棒測溫熱電偶，根據硅碳加熱棒測溫熱電偶量程選取幾個不同的溫度點，使用熱電偶校驗平臺對熱電偶進行校驗，校驗結果如表1所示。經過檢查，硅碳加熱棒測溫熱電偶功能完好，排除該故障原因。

3.2? ? 硅碳加熱棒輸出功率不足

關于硅碳加熱棒輸出功率不足問題，經過理論計算，熔爐供電系統的最大電功率是滿足熔爐啟動需要，因而判斷造成硅碳加熱棒升溫停止的原因很可能是硅碳加熱棒輸出功率調節功能出現故障。硅碳加熱棒的輸出功率主要由ABB控制器和電控柜內的可控硅調壓器控制，控制原理如圖2所示。

硅碳加熱棒的輸出功率由電控柜上的ABB控制器根據預設目標溫度以及硅碳加熱棒測溫熱電偶反饋的實際溫度進行PID調節，工作過程如下：ABB控制器輸出4～20 mA的控制信號給可控硅調壓器，可控硅調壓器根據ABB控制器的輸出信號調節變壓器一次側電壓，變壓器一次側電壓變化會引起二次側電壓變化，從而實現加熱棒功率控制。

結合上述分析，硅碳加熱棒輸出功率調節故障的可能原因為可控硅調壓器故障或者ABB控制器內的PID控制程序故障，因此需要對這兩部分進行排查。

3.2.1? ? 電控柜內的可控硅調壓器故障

為排查該可能原因，將硅碳加熱棒電控制柜內電源切斷，拆除ABB控制器與可控硅調壓器之間的控制電纜，在可控硅調壓器的控制端接信號發生器，使用信號發生器模擬4～20 mA的控制信號給可控硅調壓器，用萬用表測量可控硅調壓器的輸出端電壓，經過測試確認可控硅調壓器可以根據控制信號調節變壓器一次側電壓，因此排除該原因。

3.2.2? ? 加熱棒控制程序故障

現場檢查過程中發現ABB控制器上顯示的硅碳加熱棒輸出功率為100%，而用實際測量得到的控制器輸出信號只有17%左右，實際輸出與顯示不一致。通過對ABB控制器內的控制程序邏輯圖進行檢查，發現如圖3所示一段控制邏輯：控制器內啟動加熱程序的PID輸出信號在輸出給可控硅調壓器前需要經過兩次修正，修正后輸出的信號最大只有17.857 5%，與實際測量的最大輸出信號一致，因此判斷控制程序存在問題。

3.3? ? 故障處理及結果

為解決ABB控制器輸出信號受限問題，需要對PID輸出信號的修正系數進行調整。在調整修正系數時，需要考慮供電設備的安全。為了確定合適的修正系數，現場使用信號發生器代替ABB控制器來控制可控硅調壓器，并使用萬用表測量變壓器二次側輸出電壓。

經過測試，當控制器輸出信號為71%時，變壓器輸出電壓為296.1 V，此電壓已經接近變壓器二次側輸出電壓上限300 V。為保障設備安全，避免超壓，最終決定在變壓器300 V檔位時，設置ABB控制器的輸出信號上限為70%。通過對ABB控制器中的修正系數進行修改，硅碳加熱棒的加熱控制功能恢復正常，熔爐啟動順利完成，未對設備造成損傷。

通過對熔爐啟動過程中升溫停止問題的處理，發現在陶瓷電熔爐啟動前，要對熔爐電控系統進行全面測試，及早發現問題并解決問題。熔爐啟動前要做好應急預案，確保出現突發情況時能夠及時處理，從而防止熔爐啟動過程中熔爐溫度突變，影響熔爐壽命。

4? ? 結語

陶瓷電熔爐的啟動是玻璃固化設施調試的關鍵，陶瓷電熔爐啟動前需要充分了解陶瓷電熔爐各部件功能，仔細分析陶瓷電熔爐啟動過程中的風險，提前做好防范措施。本文簡要介紹了玻璃固化陶瓷電熔爐啟動過程及一些注意事項，對熔爐烘烤過程中升溫停止問題的原因分析和處理過程進行了總結，可為后續玻璃固化項目陶瓷電熔爐的啟動提供參考。

[參考文獻]

[1] 劉麗君.我國高放廢液玻璃固化技術四十年的發展[C]//中國核科學技術進展報告（第四卷）——中國核學會2015年學術年會論文集第6冊（核化學與放射化學分卷、核化工分卷），2015：481-485.

[2] 張威，董海龍，阮苠秩.陶瓷電熔爐在動力堆高放廢液玻璃固化中適用性分析[J].輻射防護，2019，39（4）：322-330.

[3] 邱勇.玻璃全電熔窯的烤窯[J].玻璃與搪瓷，2007（S1）：46-48.

[4] 陳金方.玻璃電熔爐技術[M].北京：化學工業出版社，2013.

收稿日期：2023-02-06

作者簡介：王琪（1992—），男，江蘇泰興人，工程師，主要從事核工程調試工作。