玻璃固化熔爐出料管預疏通

巫帥珍，周強，雷權鳴，樊浩，樊茂松

（中核四川環保工程有限責任公司，四川廣元 628000）

0 引言

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

我國采用的焦耳加熱陶瓷熔爐工藝，熔爐內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[3]。E7電極和E8電極組成的電極對可對陶瓷流道內的玻璃進行加熱，中頻管可對E8電極進行加熱。通過電極對和中頻管可控制玻璃出料和流速。執行出料程序時，先提升中頻功率，加熱出料管，再啟動E7-E8電極對，將陶瓷流道內的玻璃熔化。熔爐底部結構及尺寸參數如圖1所示。

圖1 熔爐底部結構及尺寸參數

熔爐處理高放廢液前的調試期間發生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堵塞物，結合人工疏通方式解決了堵塞問題。熔爐處理高放廢液運行期間再次發生出料異常，在采取提升熔爐底部區域電流和出料管流道電流措施后，使用機械裝置對出料管進行了探測，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，對于出料管上部區域的硬質堵塞物，采用保溫加熱與機械疏通手段仍不能實現疏通。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，無法避免出現相分離和結晶現象[5]。在重力作用下，熔爐內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的結晶相為透輝石相（CaMgSi2O6）[7-8]，分析調試期間生產的玻璃固化體，析晶率為5%以下的樣品在1000 ℃環境中保溫2 h，透輝石可復熔；析晶率為9%的樣品在1000 ℃環境中保溫2 h，透輝石仍有殘余，溫度達到1100 ℃時才能完全復熔。出料管內堵塞物樣品中69.05%是玻璃，透輝石晶體的質量分數高達31.95%，需要更高的溫度和更長的時間才能有效復熔。

出料管上部接近法蘭處為加熱盲區，熔爐底部電極和出料管外的中頻管均不能直接加熱該區域。由于強輻射因素，也不能進入熱室對出料管進行保溫，該區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現出料管疏通。結合民用玻璃窯爐疏通處理方法，確定采用預疏通方式清除流道內的硬質堵塞物。

1 預疏通裝置總體結構與試驗平臺

1.1 總體結構

預疏通裝置主要由鉆削機構和運載機構組成。鉆削機構主要包含鉆機、鉆桿和冷卻系統，運載機構主要包含熱室內的運載小車。通過車體將裝置轉移至熔爐下方，絲桿升降機構對鉆機平臺進行升降，通過齒輪齒條機構實現鉆機和鉆桿的緩慢升降，鉆機帶動鉆桿旋轉切削出料管內硬質堵塞物，供水泵將常溫水輸送至鉆桿內對其進行冷卻，預疏通過程中產生的廢水經托盤收集后流至集水箱。裝置總體結構如圖3所示。

圖3 預疏通裝置結構示意圖

裝置除具有鉆桿旋轉、水平移動、升降等功能外，還具有遠距離操作功能，以便實現裝置在熱室內的平移微調、升降微調、電氣連接和故障處理，裝置功能如表1所示。

表1 預疏通裝置功能

表2 鉆桿擺動幅度

1.2 試驗平臺

預疏通裝置工作過程中，鉆桿擺動和運載小車振動均會影響預疏通效果。預疏通裝置所需運載小車采用熱室內已有小車，在熱室外搭建試驗平臺，驗證預疏通方案可減少試驗人員不必要的輻照傷害。

試驗平臺主要由試驗裝置和出料管臺架組成。試驗裝置的鉆削機構采用同型號鉆機、鉆桿、齒輪齒條機構和供水泵等，采用液壓升降機替代運載小車；出料管臺架包含導軌、立柱、模擬出料管等部件。平臺結構如圖4所示。

圖4 試驗平臺

2 臺架試驗

2.1 鉆桿擺動試驗

分別在熱室內的運載小車和熱室外的試驗平臺上進行了鉆桿擺動試驗。選擇700×18規格鉆桿（直徑為18 mm，長度為700 mm），鉆機在1600 r/min額定轉速下，以鉆機安裝底座為基準，測量鉆桿不同高度的擺動幅度。鉆桿擺動試驗如圖5所示。

圖5 鉆桿擺動試驗

在熱室內的運載小車測試時，隨著測量高度的增加，鉆桿的擺動幅度變化不大。在相同測量高度下，鉆桿在試驗裝置上的擺動幅度大于運載小車上的擺動幅度，主要原因是試驗裝置基座采用液壓升降平臺，升降平臺加工精度和裝配精度低于絲桿升降機構，穩定性減弱。

在熱室外的試驗裝置測試時，400 mm高度處的擺動幅度為2.7 mm，鉆桿頂部擺動幅度小于5 mm，旋轉狀態下，鉆桿輪廓最大直徑為28 mm，小于出料管上部30 mm內徑，鉆桿在試驗裝置上的擺動幅度可接受。

2.2 振動試驗

鉆桿通過螺紋與鉆機連接，鉆機安裝在試驗平臺上，平臺的穩定性對鉆桿的擺動有一定影響。出料管疏通時，若鉆桿擺動幅度過大，將引起出料管振動，甚至導致內壁受損。為評估預疏通過程中鉆機的穩定性及鉆桿對出料管的影響。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，在試驗平臺上進行振動試驗，鉆機和出料管振動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，內壁對鉆桿的約束加強，鉆桿的擺動減小。鉆機振動位移先減小，然后趨于穩定。伸入出料管深度分別為100 mm和150 mm時，兩種規格鉆桿對鉆機的振動位移無明顯影響。

隨著鉆桿伸入出料管深度的增加，鉆機與出料管之間的距離減小，鉆桿穩定性增加，出料管振動位移無明顯變化規律，振動位移最大值為0.012 3 mm，振動較小。

2.3 導向塊試驗

出料管下端內徑為20 mm，為保護出料管內壁，防止鉆桿過度擺動，設計了圖8 所示導向塊。將導向塊焊接在模擬出料管底部。

圖8 導向塊示意圖

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

圖9 導向塊對出料管振動的影響

熱室環境下，通過機械手夾持導向塊方式將減小預疏通裝置工作空間，而固定安裝導向塊方式難度更大。安裝導向塊對出料管振動位移的影響較小，預疏通時不使用導向塊。

2.4 模擬疏通試驗

熔爐出料管內需要預疏通的玻璃層厚度約為40 mm。為分析預疏通過程中出料管的振動，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，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位移。模擬出料管和鉆機振動位移變化趨勢，如圖10所示。

圖10 模擬出料管振動位移

隨著鉆入玻璃層深度的增加，模擬出料管振動位移先增大，隨后在0.01～0.019 mm范圍內波動。在第1段玻璃層，鉆桿進給速度為10 mm/min時，出料管振動位移最小；在第2段～第6段玻璃層，鉆桿進給速度增加至15 mm/min，出料管振動位移平均值為0.014 8 mm。試驗過程中，出料管振動位移不大于0.02 mm，試驗裝置整體穩定可靠，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 出料管預清理及預疏通

3.1 出料管預清理及裝置穩定性檢查

硬質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現疏通，預疏通裝置安裝現有的600 mm長度規格鉆桿后，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上，預疏通前使用短鉆桿進行預清理。

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

對出料管底部進行預清理后，為進一步驗證預疏通裝置的整體穩定性，在熔爐下進行了裝置穩定性測試。先將600×16鉆桿頂部伸入出料管，再將預疏通裝置移動至熔爐下方，通過主從機械手夾持扳手并擰緊鉆桿和鉆機之間的連接螺栓，最后啟動鉆機并使鉆桿在出料管內升降。鉆桿與鉆機之間的連接如圖12所示。

圖12 鉆桿安裝拆除試驗

通過遠距離操作方式可將鉆桿安裝到鉆機上。現場測試表明，鉆機升降過程中，鉆桿無可見擺動，預疏通裝置穩定性優于試驗裝置。

3.2 出料管預疏通

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

圖14 預疏通前后出料時間

4 預疏通后出料

出料管預疏通后，維持熔池在（1130±30）℃范圍內進行120 h高溫保溫，啟動出料程序15 h后，爐內料液順利流出。

預疏通前10桶平均出料時間為131 min，預疏通后10桶平均出料時間為79 min。第10桶用時為175 min，高于預疏通前10桶平均出料時間，主要原因是出料管出現部分堵塞物。由于出料管內堵塞物的堆積和硬化，導致爐內料液不能澆注到第11桶內。出料管進預疏通后，第11桶用時為892 min，主要原因是出料管內徑為上大下小結構，預疏通方式不能完全清除出料管內堵塞物。預疏通后的第1～第3桶出料平均時間為63 min，用時較少，第4～第10桶平均用時平均時間為87 min，出料時間趨于穩定。預疏通前后啟動出料程序至料液流出時間統計如圖16所示。

5 結論

經臺架試驗后，預疏通裝置在不損傷熔爐條件下完成了出料管預疏通，為爐內料液流出創造了有利條件。預疏通是一種解決熔爐出料異常的有效方式，針對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合的方式清理出料管內黏滯堵塞物；2）預疏通前出料管降溫及預疏通后熔爐升溫所需時間較長，冷鉆預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）出料管預疏通時應盡量避免拆除熔爐組件，設計裝置時應考慮易損、易耗件的遠距離更換性。