Способ слива расплава с разделением фаз при помощи расплавляемой пробки
METHOD FOR DISCHARGING A MELT WITH SEPARATION OF PHASES USING A MELTING PLUG

Изобретение относится к способам усовершенствования сливных устройств с расплавляемой пробкой.
Изобретение может быть использовано как в металлургии, так и пирохимических технологиях переработки нитридного отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), например при транспортировке расплавленных сред из аппарата в аппарат, разделение фаз в таких процессах как «мягкое хлорирование» и электролиз. При переработке «маловыдержанного» высокофонового отработавшего ядерного топлива вышеперечисленными технологиями требуется разделение фаз легкоплавкого металла и электролита, уменьшая время контакта персонала, участвующего в переработке ОЯТ с оборудованием для снижения дозовых нагрузок, и использование разделенных сред в дальнейшей технологической цепочке.
В практике известны способы слива расплавленных металлов и других расплавов (шлаков, штейна) с помощью вакуум-ковшей, шпуров и через летки (В.И. Береговский, Б.Б. Кистяковский. Металлургия меди и никеля. М.: Металлургия, 1972. С. 62, 82-83, 109, 288. А.И. Беляев. Металлургия легких металлов. М.: Металлургия, 1970. С. 228. В.В. Стендер. Прикладная электрохимия. Харьков: Изд-во Харьковского госуниверситета, 1961. С. 432, 439). Щель шпура заделывают огнеупорной глиной, иногда с вкладышами (ломками, втулками, пробками). Для выпуска расплава шпуры прожигают кислородом или пробивают вкладыши. Летки также закрывают огнеупорной массой, иногда с вкладышами. После выпуска металла шпуровые отверстия и летки заделываются вручную или с помощью пневматической пушки. Недостатками данного метода являются сложность в организационном и техническом отношениях, а как следствие применение их в крайне редких случаях или в аварийных ситуациях.
3
Известен способ передачи электролита в пирохимических методах (Патент US 6800262, опубл. 05.10.2004). Для переноса в рафинировочный электролизер расплавленную смесь LiCl-KCl-UCl (электролит), подготовленную в отдельном аппарате, охлаждали и гранулировали под атмосферой инертного газа или в вакууме (без доступа воздуха) для предотвращения ее загрязнения кислородсодержащими соединениями, затем в твердом виде транспортировали в рабочий аппарат электрохимической переработки загрязненного урана (аналога металлического ОЯТ). Как можно видеть, такой способ приготовления электролита является многоступенчатым, сложным в аппаратурном отношении, дорогим и плохо вписывающимся в схему замкнутого топливного цикла. Кроме того, при хранении и транспортировке электролита даже в герметичной таре полностью избежать его контакта с воздухом практически не удается.
В качестве прототипа выбран способ слива расплава с расплавляемой при специальном нагреве пробкой из вспомогательного материала с более высокой температурой плавления, описанный в «Устройстве для слива расплава» (АС СССР № 469872, опубл. 05.05.1975). Способ осуществляют следующим образом. После включения нагрева утоненная в месте проточки часть нагревателя разогревается быстрее, чем другие его части. Перед плавкой литейная форма, находящаяся в аппарате, располагается в нем так, что дно формы находится под проточкой в более холодной части нагревателя. После расплавления шихты подъёмник поднимает изложницу и тигель до совмещения проточки на нагревателе с дном формы. При этом пробка попадает в зону более высокой температуры, проплавляется, и расплав из тигля сливается в изложницу. Недостатком является то, что данный способ может быть реализован при полном сливе всего объема расплава и не может быть использован для слива части расплава, и как следствие не может применяться в качестве разделителя фаз на операциях переработки ОЯТ. Также недостатком является применение оснастки с определенными геометрическими размерами, подходящими для конкретного аппарата, так как проточка расположена на заданном расстоянии.
Задачей изобретения является разработка способа, позволяющего осуществить передачу расплавленной шихты из исходного тигля (аппарата) в приемный тигель (аппарат), а также разделение фаз металлического легкоплавкого металла и солевой фазы (электролита), тем самым убрать необходимость механического разделения остывших фаз, применимых, например, на пирохимических операциях переработки ОЯТ.
Поставленная задача решается тем, что в способе слива расплава, включающем нагрев шихты, расплавление стопорной пробки и слив расплава, расплавление стопорной пробки осуществляют перемещаемым вдоль вертикальной оси нагревателем, слив расплавленного металла осуществляют после кристаллизации солевой фазы, а пробку изготавливают из легкоплавкого металла.
Пробку изготавливают из кадмия.
Пробку изготавливают из свинца.
Способ осуществляют следующим образом.
По окончании процесса расплавления шихты в основной части реактора отключают нагрев и охлаждают до температуры кристаллизации расплавленного электролита, далее перемещают нагреватель с помощью подъёмника в область сливного патрубка и нагревают эту зону до температуры расплавления пробки из металлического кадмия или свинца. По достижении заданной температуры пробка расплавляется и стекает вместе с расплавленным металлом из реактора в приемную емкость, которую передают на дальнейшую переработку. Солевая фаза остается в реакторе для следующих операций, либо нагревается и сливается.
Пример 1
В реактор загружают предварительно подготовленную оснастку с патрубком донного слива, с наплавленной в нем пробкой из металлического кадмия. Далее подготовленную солевую фазу, состоящую из хлорида лития с заранее известными данными о количестве металлического кадмия, помещают в реактор и включают нагрев. При температуре 650°С производят выдержку в течение 6 часов, после чего реактор охлаждают, оснастку извлекают и констатируют расплавление хлорида лития и неизменное положение кадмиевой пробки. Далее оснастку заново загружают в реактор, перемещают нагреватель с помощью подъемника в область стопорной пробки и нагревают до температуры 350°С. Производят выдержку при данной температуре в течение 2 часов, в результате пробка из металлического кадмия расплавляется и стекает с основной массой расплавленного кадмия в приемную емкость. Нагрев отключают и охлаждают реактор до комнатной температуры, сборку извлекают, оценивают количество отделенного кадмия от массы хлорида лития. Процент отделения кадмия от электролита составляет 98%.
Пример 2
В реактор загружают предварительно подготовленную оснастку с патрубком донного слива, с наплавленной в нем пробкой из металлического свинца. Далее подготовленную солевую фазу, состоящую из хлорида лития с заранее известными данными о количестве металлического свинца, помещают в реактор и включают нагрев. При температуре 650°С производят выдержку в течение 6 часов, после чего реактор охлаждают, оснастку извлекают и констатируют расплавление хлорида лития и неизменное положение свинцовой пробки. Далее оснастку заново загружают в реактор, перемещают нагреватель с помощью подъемника в область стопорной пробки и нагревают до температуры 360°С. Производят выдержку при данной температуре в течение 2 часов, в результате пробка из металлического свинца расплавляется и стекает с основной массой расплавленного свинца в приемную емкость. Нагрев отключают и охлаждают реактор до комнатной температуры, сборку извлекают, оценивают количество отделенного свинца от массы хлорида лития. Процент отделения свинца от электролита составляет 96,3%.
Заявленный способ имеет преимущества перед прототипом: более простые конструкции аппаратов и менее сложное аппаратурно-техническое оформление делают процесс слива расплава более доступным; используется пробка из легкоплавкого материала, что в свою очередь снижает общие затраты на процесс; также способ позволяет разделить фазы легкоплавкого металла и солевой системы, уменьшая время контакта персонала, участвующего в переработке ОЯТ.