一種用於製備熔鹽的熔煉爐的製作方法
2023-10-04 08:26:19
一種用於製備熔鹽的熔煉爐的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用於製備熔鹽的熔煉爐。具體地，所述的熔煉爐包括可密封閉合的爐蓋和爐本體，還包括設於爐本體內部的加熱容器和產物收集器。本實用新型提供的熔煉爐結合熔鹽轉移技術、真空感應加熱熔煉技術、防腐蝕性技術、除水除氧技術，在一套真空系統、一個熔煉室以及產物收集器內實現上述諸多功能，從而製備出高純度核能用氟化物熔鹽。
【專利說明】一種用於製備熔鹽的熔煉爐
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於真空熔煉設備領域，具體地，涉及一種用於可提供真空條件下製備、收集熔鹽的熔煉爐。
【背景技術】
[0002]熔鹽核反應堆的冷卻劑為一種熔融鹽氟化物，其物理化學性質，如熔點、粘度、輻照穩定性、對燃料鹽的溶解能力等，在很大程度上受其純度的影響。且一些中子吸收截面大的金屬雜質以及一些腐蝕性很強的酸根離子在熔鹽中都有非常嚴格的限制。因此，適用於熔鹽堆的熔鹽對質量有著非常高的純度要求。熔鹽的製備條件非常苛刻，整個操作過程要求在無水、無氧、無汙染條件下進行。然而，氟化物熔鹽的高溫強腐蝕性與防腐材料局限性之間的矛盾，一直制約著熔鹽的製備與使用，也對熔鹽熔煉製備爐的設計製作構成很大挑戰。
[0003]目前，熔鹽的製備與純化包括熔煉、通氣除氧除雜、轉移儲存等一系列工藝過程，現有技術中，通常是將上述工藝過程在不同的真空系統和熔煉室進行，這增加了設備的部件數量、增大了結構的複雜程度。且熔鹽的轉移是在高溫條件下靠氣體壓注的方式，危險係數高。管路通常為純鎳或鎳基合金製成，長期高溫使用容易腐蝕、變形、洩露等，造成熔鹽汙染變質。
[0004]因此，本領域需要開發並設計一種系統結構簡單、安全，並能充分符合核工業熔鹽熔煉要求的熔煉裝置。
實用新型內容
[0005]本實用新型提供了一種用於熔煉核工業用熔鹽的、集真空系統、熔煉系統、和熔鹽收集、轉移系統為一體的熔煉裝置。
[0006]本實用新型的第一方面，提供了一種用於製備熔鹽的熔煉爐，所述熔煉爐包括可密封閉合的爐蓋和爐本體,還包括設於爐本體內部的加熱容器和產物收集器。
[0007]在另一優選例中所述的爐蓋和爐本體壁由外向內設有外壁層、冷卻液流動層、內壁層和防腐層。
[0008]在另一優選例中，所述的內壁層和外壁層均為不鏽鋼材質。
[0009]在另一優選例中，所述冷卻液流動層為內壁層與外壁層之間形成的空腔。
[0010]在另一優選例中，所述的冷卻液包括水。
[0011]在另一優選例中，所述的防腐層為氟聚合物塗層。
[0012]在另一優選例中，所述的氟聚合物塗層為聚四氟乙烯塗層。
[0013]在另一優選例中，所述的爐本體的還設有真空抽氣口。
[0014]在另一優選例中,所述的真空抽氣口的數量為2-4個,較佳地,為2個。
[0015]在另一優選例中，所述的真空抽氣口包括高真空大孔抽氣口和低真空小孔抽氣□。[0016]在另一優選例中，所述的爐本體的爐蓋還設有充氣口 ；較佳地，所述的充氣口與充氣裝置相連通。
[0017]在另一優選例中，所述的充氣裝置為充惰性氣體裝置，較佳地，為充氮氣裝置。
[0018]在另一優選例中，所述的加熱容器包括坩鍋和加熱裝置。
[0019]在另一優選例中，所述的加熱裝置為感應加熱裝置。
[0020]在另一優選例中，所述的加熱裝置包括纏繞於坩鍋外圍的發熱電線圈。
[0021]在另一優選例中，所述的樹禍為石墨樹禍；較佳地，為炭含量大於99.99%的石墨坩堝。
[0022]在另一優選例中，所述的發熱電線圈為紫銅管、黃銅管、繞制而成。
[0023]在另一優選例中，所述的發熱電線圈內還包括冷卻水通路，且所述的冷卻水通路還包括與爐外冷卻水相連通的聯接裝置。
[0024]在另一優選例中，所述的坩堝和加熱裝置之間還設有保溫層。
[0025]在另一優選例中，所述的保溫層為氧化鋁板、石棉板、或耐火水泥保溫層；較佳地，為雜質含量低於5%的氧化鋁板保溫層。
[0026]在另一優選例中，所述的加熱容器還設有將加熱容器旋轉、抬升、或傾倒的電動旋轉傾倒裝置。
[0027]在另一優選例中，所述的電動旋轉傾倒裝置以軸向轉動方式運作。
[0028]在另一優選例中，所述的爐蓋還包括在爐蓋關閉狀態下用於向爐本體內添加原料的加料口，和/或用於取樣的真空取樣裝置。
[0029]在另一優選例中，所述的真空取樣裝置包括真空取樣室，和/或真空翻板閥。
[0030]在另一優選例中，所述的真空取樣裝置還包括取液管。
[0031]在另一優選例中，所述的爐蓋還包括觀察窗；較佳地，所述觀察窗為氟化鈣玻璃觀察窗、氟化鎂玻璃、石英玻璃。
[0032]在另一優選例中，所述的爐蓋還包括防爆閥。
[0033]在另一優選例中，所述的爐蓋還包括充氣管；較佳地，所述的充氣管設於爐內的端部為鉬金管或高純石墨管。
[0034]在另一優選例中，所述的產物收集器與可拆卸的產物儲存容器相連通。
[0035]在另一優選例中，所述的產物儲存容器設於爐本體內部或外部。
[0036]在另一優選例中，所述的產物儲存容器與產物收集器之間設有可開啟/閉合的密封連接裝置。
[0037]在另一優選例中，所述的產物儲存容器與產物收集器均通過抽真空處理。
[0038]在另一優選例中，所述的產物收集器包括澆料漏鬥和注液管，澆料漏鬥與注液管相連通。
[0039]在另一優選例中，所述的澆料漏鬥還設有可密閉的漏鬥蓋。
[0040]在另一優選例中，所述的注液管的一端與澆料漏鬥相連通，另一端設於爐本體外部，注液管由爐本體內部伸向爐本體外部。
[0041]在另一優選例中，注液管的設於爐本體外部的端部伸入產物儲存容器以內。
[0042]在另一優選例中，所述的產物儲存容器包括防濺罩，和/或注液管所述產物儲存容器外圍的加熱裝置。[0043]在另一優選例中，所述的注液管伸入產物儲存容器以內且伸入產物儲存容器的防濺罩以內部分。
[0044]應理解，在本實用新型範圍內中，本實用新型的上述各技術特徵和在下文(如實施例)中具體描述的各技術特徵之間都可以互相組合，從而構成新的或優選的技術方案。限於篇幅，在此不再一一累述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0045]圖1顯示了本實用新型熔煉爐的結構示意圖。
[0046]圖2顯示了本實用新型熔煉爐產物儲存容器結構示意圖。
[0047]其中圖示為:11真空取樣裝置，10爐蓋啟閉結構，20高純石墨坩堝及保溫層，12觀察窗，13加料口，14充氣口，15充氣管，16高真空大孔抽氣口，17低真空小孔抽氣口，18熱電偶1，19上排氣口，21電動傾爐機構，22澆料漏鬥，23熱電偶，30注液管組件及升降裝置，40加熱裝置，41防濺罩，42保溫材料，43熱電偶2，44壓料出口，45倒料口。
【具體實施方式】
[0048]本發明人經過廣泛而深入的研究，首次設計、製造了一種將真空系統、熔煉系統、產物收集轉移系統合為一體的真空感應熔煉爐。本實用新型提供的熔煉爐結合防腐蝕性技術、除水除氧技術、熔鹽轉移技術、真空感應加熱熔煉技術，在一套真空系統和一個熔煉室和產物收集器內實現上述諸多功能，本實用新型熔煉爐可以嚴格控制熔鹽雜質，從而製備出高純度核能用氟化物熔鹽。在此基礎上，完成了本實用新型。
[0049]爐蓋
[0050]在本實用新型中，所述的爐蓋可分離地連接於爐本體上部，且當爐蓋閉合時，能與爐本體形成密閉的熔煉爐。
[0051]本實用新型爐蓋上可任選地設有各種熔煉領域常用的組件，包括觀察窗、取樣裝
置、充氣管等。
[0052]其中，所述的觀察窗可用於觀察爐內反應情況，觀察窗的材質優選耐高溫、耐腐蝕且不與爐內反應物反應的透明介質。通常，所述的觀察窗材質為氟化鈣玻璃。此外，所述的觀察窗優選為可旋轉式。
[0053]所述的取樣裝置用於爐蓋關閉狀態下，向爐本體內取出高溫熔融狀態下的熔鹽樣品；更佳地，所述的取樣裝置為真空取樣裝置，且包括真空取樣室，和/或真空翻板閥，所述的真空翻板閥用於分隔並密封真空取樣室，所述的真空取樣室內裝抽吸取液紫銅或黃銅長管，採用真空吸鑄法吸取液
[0054]體用於取樣檢測。由於熔鹽不能接觸空氣或水分，真空取樣室需先抽真空後，充入惰氣保護，從石墨坩堝抽取上來的熔融鹽樣品在真空取樣室冷卻後，取出到手套箱保存。
[0055]本實用新型的爐蓋還包括手動或自動升降的充氣管，用於向液體內部注入氮氣、氟化氫、氫氣等氣體進行除氧除雜；用於所述的充氣管的材料上段為不鏽鋼管，插入液體內的下段為鉬金管或高純石墨管。
[0056]此外，本實用新型爐蓋還可設有氫氣回收管路、安全防爆閥、電子點火器和放氣閥。其中，所述的氫氣回收管路由不鏽鋼材質製成，其管徑沒有特別限制，可以為1/4-1/2英寸；所述的安全防爆閥用於連接排氣裝置(上排氣口)，以排出反應後產生的廢氣；和/或所述的電子點火器和放氣閥用於排出並點燃反應後排出的氫氣。
[0057]本實用新型的爐蓋還可以採用蝶形封頭結構與不鏽鋼法蘭組焊成整體，內壁層為不鏽鋼，優選SUS316L不鏽鋼材質；內壁與外壁之間設有冷卻液流動層；外壁層為不鏽鋼材質，較佳地外壁層經過不鏽鋼亞光處理，優選為SUS304不鏽鋼；防腐層優選為特氟龍防腐材料。
[0058]本實用新型的爐蓋自動啟閉爐蓋，優選採用氣動頂升降機構啟閉爐蓋，頂起爐蓋一段距離可手動平移打開進行裝料，反之為爐蓋關閉。
[0059]爐本體
[0060]本實用新型的爐本體採用不鏽鋼法蘭組焊成整體，優選為筒形結構，所述爐本體的內壁層為不鏽鋼，優選SUS316L不鏽鋼材質；內壁與外壁之間設有冷卻液流動層；外壁層同樣為不鏽鋼材質，較佳地外壁層經過不鏽鋼亞光處理，優選為SUS304不鏽鋼材質；防腐層優選為特氟龍防腐材料。其中，所述的法蘭平面開設密封槽，所述密封槽中採用「O」圈真空密封，且設水冷裝置，用於防止因溫度過高「O」圈老化。
[0061]本實用新型的爐本體內部設有加熱容器和產物收集器。其中,所述的加熱容器包括坩堝和加熱裝置。所述的坩堝為石墨坩堝，其炭含量優選為大於99.99% ;所述的加熱裝置包括纏繞於坩堝外圍的發熱電圈。
[0062]通常，所述的發熱電圈還可包括冷卻水通路，並與爐外冷卻水相連通。
[0063]在另一優選例中，所述的發熱電圈為紫銅管或黃銅管繞制而成。
[0064]本實用新型的加熱容器優選連接設有電動旋轉傾倒裝置，由電極、彎電極等與感應線圈聯為一整體，用於將所述的加熱容器旋轉、抬升或傾倒。
[0065]此外，本實用新型的爐本體上還設有測溫裝置，通過熱電偶連續測溫配合數顯程序儀表自動控制，測控石墨坩堝底部溫度。本實用新型的坩堝和加熱裝置之間還優選設有保溫層；所述的保溫層為氧化鋁板、石棉板、或耐火水泥保溫層；較佳地，為雜質含量低於5%的氧化鋁板保溫層。
[0066]為防止抽真空時物料被抽出，本實用新型爐本體還設有真空抽氣口。所述的真空抽氣口的數量為2-4個，較佳地，在爐頸及近爐底處靠爐口處各設有一個所述的真空抽氣口。優選的，所述的在爐頸處的真空抽氣口為大孔，所述的在近爐底處的真空抽氣口為小孔，其中，所述大孔在連接擴散泵，用於抽高真空，所述小孔連接羅茨泵-水環泵機組，用於抽低真空。
[0067]本實用新型爐本體還設有充氣口，且所述的充氣口與充氣裝置相連通。通常，所述的充氣裝置可以包括各種充惰性氣體的裝置。所述的惰性氣體包括氮氣、氦氣、氬氣，且所述的惰性氣體用於保護熔鹽反應物，以防止摻入雜質。
[0068]產物收集器和儲存容器
[0069]在所述的爐本體底部，還設有產物收集器和產物儲存容器。其中，所述的產物收集器和產物儲存容器可嵌合併共同構成所述爐本體底部，且通過可拆卸連接互相連通；較佳地，所述的可拆卸連接為快卸法蘭和/或純鎳接管。所述的法蘭平面開設密封槽，採用「O」圈真空密封並設水冷裝置，快卸法蘭下端面連接SUS316L不鏽鋼真空插板閥及產物儲存容器，優選地，為真空熔鹽儲液罐。[0070]本實用新型的坩堝與產物收集器之間設有澆料漏鬥以及注液管，所述的澆料漏鬥優選為高純石墨漏鬥，用於接液並傳送熔鹽；所述漏鬥的外側卷設有加熱帶，加熱溫度保持在400度防止熔液凝固，所述漏鬥內側設有哈氏合金過濾篩網(網孔約0.5-5微米)。
[0071]為防止熔煉過程中氣體揮發物凝結在產品儲存容器內壁汙染熔鹽，澆料漏鬥上優選安裝漏鬥蓋以改善其密封性。熔煉過程中漏鬥蓋關閉，澆料時漏鬥蓋打開。從而隔斷「汙染源」(即原料粉塵、水分、或氟化氫銨凝結物)進入「成品熔鹽」產品儲存容器的通道。漏鬥(頭部呈尖形)長度應深入產品儲存容器密封圈以下，優選的深入5釐米以上，防止澆料時流出的熔鹽接觸燒壞密封圈，也利於澆料時產品儲存容器中的氣體排出。
[0072]所述真空插板閥打開後接液管通過升降裝置動作插入產物儲存容器內開始澆液，完成後接液管返回爐內，插板閥關閉後，真空儲液罐和插板閥一起取下移走。
[0073]此外，整個爐本體底部外壁焊有立柱用於支撐爐本體。本實用新型爐本體的側部還設有感應線圈主電極引出孔。
[0074]其他組件
[0075]可用於本實用新型的其他組件沒有特別限制，可以為任何適用於工業熔融、鑄鐵的其他組件，優選的組件如下:
[0076]電源:採用120Kw IGBT中頻電源。
[0077]真空系統JZJS150-211羅茨泵-水環泵機組(ZJP-150、ZJ-70羅茨泵、2SK-3A水環泵)、SUS316L冷凝捕集器；SUS316L真空過濾器、K-600擴散泵配SUS316L冷阱(防止油蒸汽進入爐內)、? 600氣動真空擋板閥、氣動真空小擋板閥、真空壓力表、充氣閥、放氣閥、SUS316L真空管道等，真空度測量由數顯複合真空計執行。
`[0078]水冷系統:由各種閥、不鏽鋼管道等相關裝置組成，並有聲光報警切斷加熱電源功倉泛。
[0079]此外，本實用新型在使用時，還可以輔助配加工作平臺，可由花紋鋼板、型鋼、上下扶梯、護欄等製造而成，方便人員操作。
[0080]實施例1使用本實用新型熔煉爐進行氟化氫銨除雜
[0081]1.清爐:爐體內揮發物雜質太多時，要打開爐蓋定期清理。兩人分工合作，穿戴好防護服，換專用鞋。鏟料時操作小心，用力均勻，以免劃破損傷聚四氟乙烯層。蓋上漏鬥蓋，漏鬥蓋固定在石墨材質漏鬥上，應小心抽拉，防止斷裂。
[0082]2.稱料加料:稱取高純 LiF 7.538Kg ；NaF 3.018Kg ；KF 15.25Kg;氟化氫銨
2.5Kg。確保配料和稱量的準確性。稱量完畢，密閉、混勻。將氟鹽混料通過加料漏鬥小心倒入坩堝。
[0083]3.擦拭目鏡:將三塊目鏡分別擦乾淨，方便觀察爐內物料情況。關閉所有出氣閥門，確保氣震閥打開，N2鋼瓶壓力足夠。
[0084]4.安裝熔鹽儲罐:不斷調整儲罐位置，保證儲罐倒料口和熔煉爐內部接口平行對齊，然後對緊、密封、鎖緊。
[0085]5抽真空除水:先打開水循環泵，當壓力降至3000Pa後開羅茨泵，小心逐漸打開抽氣閥門，以免造成噴料，影響熔鹽比例。當壓力降至IOOPa後繼續抽1.0小時。整個真空除水過程約2.0小時，須定時通過目鏡觀察檢查，真空度應接近20Pa。
[0086]6充惰氣至常壓加熱熔融:設置好程序:30分鐘加熱到300°C，2.0小時加熱到400°C，30分鐘加熱到650°C，保持2.0小時，降溫至580°C，準備倒料。
[0087]7.旋轉倒料:倒料前要擦淨觀察目鏡，切記打開漏鬥蓋，查看取樣坩堝位置，緩慢旋轉電極，觀察整個澆料過程，確保熔鹽完全倒入漏鬥，記錄該批料澆入的儲罐編號。倒完料後5分鐘將坩堝回位。
[0088]8.取樣檢測:冷卻2.5小時後，坩堝溫度約降至150°C，打開爐蓋，操作臺上備好自封袋(乾燥器保存)，迅速將小坩堝內的樣品取出密閉，寫上生產日期，放入乾燥瓶內。整個過程一定迅速，減少樣品接觸空氣的時間。
[0089]9.分析結果:所製備得到的熔鹽各項質量指標如下:
[0090]熔點:456-460O。
[0091]氧含量:150-200ppm。
[0092]金屬離子含量:各金屬雜質離子均小於5ppm。
[0093]陰離子含量:氯離子、磷酸根、硝酸根均低於30ppm，硫酸根離子低於50ppm。
[0094]實施例2使用本實用新型熔煉爐進行HF和H2除雜
[0095]1.清爐:爐體內揮發物雜質太多時，要打開爐蓋定期清理。兩人分工合作，穿戴好防護服，換專用鞋。鏟料時操作小心，用力均勻，以免劃破損傷聚四氟乙烯層。蓋上漏鬥蓋，漏鬥蓋固定在石墨材質漏鬥上，應小心抽拉，防止斷裂。
[0096]2.稱料加料:稱取LiF7.538Kg ；NaF3.018Kg ；KF15.25Kg ;確保配料和稱量的準確性。稱量完畢，密閉、混勻。將氟鹽混料通過加料漏鬥小心倒入坩堝。
[0097]3.擦拭目鏡:將三塊目鏡分別擦乾淨，方便觀察爐內物料情況。關閉所有出氣閥門，確保氣震閥打開，N2鋼瓶壓力足夠。
[0098]4.安裝熔鹽儲罐:不斷調整儲罐位置，保證儲罐倒料口和熔煉爐內部接口平行對齊，然後對緊、密封、鎖緊。
[0099]5抽真空除水:先打開水循環泵，當壓力降至3000Pa後開羅茨泵，小心逐漸打開抽氣閥門，以免造成噴料，影響熔鹽比例。當壓力降至IOOPa後繼續抽1.0小時。整個真空除水過程約2.0小時，須定時通過目鏡觀察檢查，真空度應接近20Pa。
[0100]6充惰氣至常壓加熱熔融:設置好程序:30分鐘加熱到300°C，2.0小時加熱到400°C, 30分鐘加熱到650°C熔融。
[0101]7.通HF和H2除雜:通入高純無水HF氣體，去除氟化鹽當中的水分，控制氧化物的生成。然後將溫度升到700-800°C，用H2鼓泡處理I小時，將硫化物還原為S2-，並將其它氧化物如Fe3+等還原到低價態。鼓泡速率參考值為3L/min，再用無水HF處理2_3小時，溫度控制在800°C，使H2S和HCl揮發。在此過程中，HF會將容器壁中的金屬鎳腐蝕產生NiF2，進入熔鹽中。最後在700-800°C用H2處理24-30小時，將NiF2和FeF2還原成金屬。金屬鎳和鐵留在製備罐中，或經過濾除去。然後降溫至580°C，準備倒料。
[0102]8.旋轉倒料:倒料前要擦淨觀察目鏡，切記打開漏鬥蓋，查看取樣坩堝位置，緩慢旋轉電極，觀察整個澆料過程，確保熔鹽完全倒入漏鬥，記錄該批料澆入的儲罐編號。倒完料後5分鐘將坩堝回位。
[0103]9.取樣檢測:冷卻2.5小時後，坩堝溫度約降至150°C，打開爐蓋，操作臺上備好自封袋(乾燥器保存)，迅速將小坩堝內的樣品取出密閉，寫上生產日期，放入乾燥瓶內。整個過程一定迅速，減少樣品接觸空氣的時間。[0104]10.分析結果:所製備得到的熔鹽各項質量指標如下:
[0105]熔點:456-460O。
[0106]氧含量:80-100ppm。
[0107]金屬離子含量:各金屬雜質離子均小於5ppm。
[0108]陰離子含量:氯離子、磷酸根、硝酸根均低於30ppm，硫酸根離子低於30ppm。
[0109]在本實用新型提及的所有文獻都在本申請中引用作為參考，就如同每一篇文獻被單獨引用作為參考那樣。此外應理解，在閱讀了本實用新型的上述講授內容之後，本領域技術人員可以對本實用新型作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。
【權利要求】
1.一種用於製備熔鹽的熔煉爐，其特徵在於，所述熔煉爐包括可密封閉合的爐蓋和爐本體,還包括設於爐本體內部的加熱容器和產物收集器,其中，所述的產物收集器設於爐本體底部。
2.如權利要求1所述的熔煉爐，其特徵在於，所述的爐蓋和爐本體壁由外向內設有外壁層、冷卻液流動層、內壁層和防腐層。
3.如權利要求1所述的熔煉爐，其特徵在於，所述的爐本體的還設有真空抽氣口。
4.如權利要求1所述的熔煉爐，其特徵在於，所述的加熱容器包括坩鍋和加熱裝置。
5.如權利要求4所述的熔煉爐，其特徵在於，所述的坩堝和加熱裝置之間還設有保溫層。
6.如權利要求1所述的熔煉爐，其特徵在於，所述的加熱容器還設有將加熱容器旋轉、抬升、或傾倒的電動旋轉傾倒裝置。
7.如權利要求1所述的熔煉爐，其特徵在於，所述的爐蓋還包括在爐蓋關閉狀態下用於向爐本體內添加原料的加料口，和/或用於取樣的真空取樣裝置。
8.如權利要求1所述的熔煉爐，其特徵在於，所述的產物收集器還與可拆卸的產物儲存容器相連通。
9.如權利要求8所述的熔煉爐，其特徵在於，所述的產物收集器包括澆料漏鬥和注液管，澆料漏鬥與注液管相連通。
10.如權利要求9所述的熔煉爐，其特徵在於，所述的產物儲存容器包括防濺罩，和/或注液管所述產物儲存容器外圍的加熱裝置。
【文檔編號】C01B9/08GK203440069SQ201320216709
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年4月25日 優先權日:2013年4月25日
【發明者】肖吉昌, 宗國強, 孫加宏, 孫曉剛, 李曉東, 葉新豔 申請人:中國科學院上海有機化學研究所