DE2842505B1

DE2842505B1 - Verfahren zum chargenweisen Ablassen einer Borosilikatglasschmelze aus einem keramischen Glasschmelzofen mit beheiztem Bodenauslauf und Einrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2842505B1
Application number: DE2842505A
Authority: DE
Inventors: Fred Holl; Hartmut Seiffert; Siegfried Dr Weissenburger
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 1978-09-29
Filing date: 1978-09-29
Publication date: 1979-11-08
Also published as: GB2035291B; JPS5547228A; GB2035291A; DE2842505C2; FR2437379A1; JPS5919884B2; US4402724A; FR2437379B1; BR7906268A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-AS 20 H 074 ist ein Verfahren zum Einschmelzen von Spallprodukten in eine Glasmasse bekannt, bei welchem vom Boden eines keramischen Glasschmelzofens periodisch ein Volumen des geschmolzenen Glases abgezogen wird, indem vorübergehend durch Induktion ein Stopfen der Glasmasse geschmolzen wird, der eine am Boden des Glasschmelzofens vorgesehene Ausflußdüse verschließt. Diese Ausflußdüse besteht aus einem metallischen Rohr und

ίο ist in den Boden des keramischen Glasschmelzofens eingelassen. Sie kann durch eine ebenfa'Is in den Ofenboden eingelassene Induktionsheizung beheizt werden. Obwohl das Beendigen des Ablassens einer Glasschmelzencharge in der Auslegeschrift nicht beschrieben ist, dürfte dies durch Ausschalten der Heizung am Auslauf und hierdurch bedingt durch langsames Abkühlen des den Auslauf umgebenden Keramikmaterials erfolgen. Dieses Verfahren weist folgende Nachteile auf:

1. Während des Aufschmelzen des Glasstopfens im Auslauf wird nicht nur die Ausflußdüse, sondern auch das diese umgebende Keramikmaterial bis nahezu auf die Schmelztemperatur des Glasstopfens erhitzt;

2. das Beendigen des Auslaufenlassens einer Charge benötigt eine verhältnismäßig lange Zeitdauer nach dem Abschalten der Heizung, bis sich durch Erkalten der weiter auslaufenden Glasschmelze ein Verschlußstopfen in der Auslaufdüse bildet;

3. die Bildung einer Glasnase bzw. eines Glasfadens am Ende der Auslaufdüse ist nicht zu vermeiden.

In der DE-OS 24 26 328 ist ein Wannenofen zum kontinuierlichen Schmelzen von Gläsern, keramischen Fritten, Mineralien, Glasuren und Emaillen beschrieben, bei welchem der Abzug des geschmolzenen Glases einfach durchführbar sein soll. Der Ausfluß aus dieser Wanne ist senkrecht nach unten gerichtet und am tiefsten Punkt der Wanne angeordnet. In der Öffnung des keramischen Auslaufsteines ist eine rohrförmige Elektrode angeordnet, durch deren Bohrung das Glas ausströmt. Die Elektrode ist auf einem ringförmigen, von Kühlwasser durchflossenen Kanal aufgesetzt, der die Aufgabe hat, die gesamte untere Fläche des Auslaufsteines zu kühlen. In der Offenlegungsschrift wird erwähnt, daß der Auslaufstein die schwache Stelle des Ofens bilde, da der gesamte Ausfluß durch eine relativ kleine Bohrung ausgetragen werden. Es sei daher erforderlich, ihn durch starke Kühlung gegen eine übermäßige Korrosion zu schützen. Eine zu starke Abkühlung der Schmelze oder der Zutritt von unerwünschter Luft zur austretenden Schmelze wird durch ein Keramikrohr verhindert, welches an dem Kühlkanal nach unten hin anschließt. Das Erhitzen der Schmelze selbst erfolgt durch weitere Elektroden innerhalb der Wanne. Ein chargenweises Ablassen einer Schmelze wird in der Offenlegungsschrift nicht erwähnt, ist wohl auch nicht vorgesehen, denn es wird betont, daß mit dieser Wanne der gewünschte Ausfluß konstant

hO gehalten werden kann, so daß eine zu schnelle Entleerung oder ein zu geringer Ausfluß vermeidbar ist. Es wird als Vorteil dargestellt, daß die vorhandene Schmelze quantitativ abgelassen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum chargenweisen Ablassen einer Glasschmelze aus einem keramischen Glasschmelzofen mit Elektrodenbeheizung der Glasschmelze und einem an der Unterseite des Ofens befindlichen, senkrechten

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Auslauf bereitzustellen, mit welchem beliebig grof3e Teilmengen der Glasschmelze schnell ausfließen gelassen werden können und eine erhebliche Verkürzung der Auslaufzeil nach der Abschaltung der Heizung erzielt wird. Außerdem soll eine Schonung des Auslaufsteines durch Einhalten einer möglichst niedrigen Temperatur des Steines erreicht werden. Dem Verfahren sollen die Nachteile der zum Stand der Technik gehörigen Verfahren nicht anhaften. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist gekennzeichnet durch das Aufschmelzen des den Auslauf des Schmelzofens verstopfenden Glaspfropfens nach den folgenden Verfahrensschritten

a) Vorwärmen des Auslaufes mit dem Glaspfropfen durch Induktionsheizung allein oder durch Induktionsheizung und eine Zusatzheizung bis zu einer unterhalb der Schmelztemperatur liegenden Temperatur, von der ab das Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeit des Glaspfropfens zur elektrischen Leitfähigkeit des Keramikmaterials des Auslaufes größer als eins ist,

b) weitere Erwärmung, unter Beibehaltung der Leistung der Induktionsheizung, durch Widerstandsheizung, wobei nur der Glaspfropfen und die Schmelze als Widerstand dienen, bis zum plötzlichen Herausdrücken des nahezu schmelzflüssig gewordenen Glaspfropfens aus dem Auslauf durch den hydrostatischen Druck der darüberstehenden Glasschmelze.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der Glasschmelzfluß durch Abschalten mindestens der Widerstandsheizung und Erstarrenlassen eines Glaspfropfens im Keramikauslauf als Verschluß des Auslaufs gestoppt und anschließend durch kurzzeitiges Wiedereinschalten der Induktionsheizung die (der) unterhalb des Keramikauslaufs während des Erstarrenlassens entstandene Glasnase (Glasfaden) abgeschmolzen wird.

Der Teil der Aufgabe, der sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht, wird durch eine Einrichtung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß unterhalb des im Boden eines keramischen, mittels Elektroden beheizbaren Glasschmelzofens befindlichen Auslaufsteines ein auswechselbar ausgebildetes metallisches, mit einer Heizung versehenes Rohrstück mit an seinem oberen Ende angesetztem Andrückflansch angeordnet ist, daß der Durchmesser der Innenwandung des Rohrstückes kleiner ist als die öffnung des Auslaufsteines, und daß der Andrückflansch als Elektrode ausgebildet ist. In einer vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist der Andrückflansch mit Rohrstück und Heizung an Befestigungssteinen an der Unterseite des Ofens wieder lösbar befestigt. Eine weitere Ausbildung der Einrichtung sieht vor, daß das Rohrstück in seiner Wandung mindestens zwei Längsbohrungen aufweist, die im unteren Teil des Rohrstückes nach innen geknickt sind und in den Rohrinnenraum münden.

Gegenüber den zum Stand der Technik gehörigen Verfahren zum chargenweisen Ablassen einer Glasschmelze weist das erfindungsgemäße Verfahren einige wesentliche Vorteile auf. Beispielsweise erreicht man ö5 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine verhältnismäßig große Abfüllgenauigkeit durch die erhebliche Verkürzung der Zeitdauer zwischen dem Abschalten der Heizung und dem Verschließen des Auslaufes durch den im Auslauf erstarrten Glaspfropfen. Beispielsweise kann bei einer Glasschmelzencharge von ca. 70 kg, die eine Auslaufzeit von ca. 30 bis 40 Minuten benötigt, innerhalb von 2 bis 3 Minuten nach dem Abschalten der Widerstandsheizung das Auslaufen vollständig gestoppt werden. Dies bedeutet eine weit genauere Dosierung der in einen Auffangbehälter auslaufenden Glasschmelze als bei den zum Stand der Technik gehörigen Verfahren. Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann somit eine Abfüllpräzision von weniger als ±1 kg erreicht werden. Dies ist ganz besonders dann wichtig, wenn hochradioaktive Abfälle aus einer Wiederaufarbeitungsanlage für bestrahlte Kernbrennstoffe verfestigt werden sollen und die Abfallradionuklide in eine Glasmatrix eingeschmolzen werden, wonach die Glasschmelze in eine für die Endlagerung bestimmte, metallische Kokille eingefüllt wird, die nicht überfüllt werden darf.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der keramische Auslaufstein im Boden des Glasschmelzofens eine weitgehende Schonung erfährt. Wird beispielsweise eine Borosilikatglasschmelze bei einer Temperatur von ca. 1200⁰C auslaufen gelassen und beträgt die Auslaufdauer ungefähr 40 Minuten, so kann der Temperaturunterschied zwischen Schmelze und Auslaufstein mehrere hundert Grad betragen. Hierdurch wird die Korrosion der mit der Glasschmelze in Kontakt kommenden Oberfläche des Auslaufsteines weitgehend verhindert oder zumindest stark verringert. Dies bedeutet eine erhöhte Lebensdauer des Auslaufsteines, eine bessere Verfügbarkeit des Glasschmelzofens und ein sichereres Arbeiten. Außerdem wird durch die Beibehaltung der Leistung der Induktionsheizung die sonst erforderliche Energiezufuhr verringert.

Die Erfindung wird erläutert durch die im folgenden beschriebenen, nur als Beispiele angegebenen Ausführungsformen der Einrichtung und deren Verwendung sowie durch die Zeichnungen.

F i g. 1 zeigt die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und den Teil eines bekannten, keramischen Glasschmelzofens, der dessen Auslauf umgibt, in schematischer Darstellung; in

F i g. 2 ist der untere Teil eines besonders ausgebildeten Rohrstückes der erfindungsgemäßen Einrichtung ohne Induktionsheizung schematisch dargestellt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist unterhalb des im Boden 2 eines keramischen Glasschmelzofens 3 befindlichen Auslaufsteines 4 angeordnet. Die aus einem geeigneten Edelstahl (z. B. Inconel 600 oder Inconel 690) hergestellte Einrichtung besteht im wesentlichen aus einem Rohrstück 5 mit einem an seinem oberen Ende angesetzten Andrückflansch 6 und einer das Rohrstück 5 umwindenden Heizung 7. Die Einrichtung ist mit Hilfe von Winkeleisen 8 und Schraubbefestigungen 9 an Befestigungssteinen 10 an der Unterseite des Glasschmelzofens 3 befestigt.

Während des Schmelzflüssighaltens und Homogenisierens der Glasschmelze 14 im Ofen 3, der durch Elektroden 13 beheizt wird, bleibt der den Auslauf verschließende Glaspfropfen 15 in der Öffnung 12 des Auslaufsteines 4 noch fest. Zum Abstich einer Glasschmelzencharge aus dem Ofen 3 wird gemäß dem Verfahren nach der Erfindung die Einrichtung 1 mit Hilfe der Heizung 7 beheizt und damit auch der Auslaufstein 4 mit dem Glaspfropfen 15 erwärmt. Die

Erwärmung wird durchgeführt bis zu einer Temperatur, bei welcher die elektrische Leitfähigkeit des Glaspfropfens 15 steiler ansteigt mit zunehmender Temperatur als die elektrische Leitfähigkeit des Auslaufsteines 4. Spätestens zu diesem Zeitpunkt, der beim Abstich beispielsweise einer Borsilikatglasschmelze bei ca. 500⁰C liegt, wird der als Elektrode ausgebildete Andrückflansch 6 gegen die Elektrode 13 in der Schmelze geschaltet und damit eine Widerstandsheizung in Betrieb gesetzt, wobei der Glaspfropfen 15 und die Glasschmelze 14 als Widerstand dienen. Hierzu ist wichtig, daß der Durchmesser der Innenwandung 11 des Rohrstückes 5 kleiner ist als die Öffnung 12 des Auslaufsteines 4, so daß der Andrückflansch 6 mit dem Glaspfropfen 15 Kontakt erhalten kann. Während die Leistung der Induktionsheizung 7 beibehalten wird und somit die Temperatur des Auslaufsteines 4 sich nur langsam erhöht, wird der Glaspfropfen 15 innerhalb von 3 bis 4 Minuten Aufheizzeit bis auf ca. 1200⁰C gebracht und bis zum plötzlichen Herausdrücken aus dem Auslauf durch den hydrostatischen Druck der darüberstehenden Glasschmelze erhitzt. Nach dem Auslaufen der gewünschten Menge der Glasschmelze 14 wird zumindest die Widerstandsheizung abgestellt, wonach sich innerhalb von 2 bis 3 Minuten wieder ein Glaspfropfen in der Öffnung 12 des Auslaufsteines 4 bilden kann. Sollte sich beim Erkalten des Glaspfropfens eine Glasnase bzw. ein Glasfaden innerhalb des Rohrstückes 5 ausgebildet haben, dies gilt insbesondere dann, wenn die Heizung 7 ebenfalls ausgeschaltet wurde, dann wird kurzzeitig die Induktionsheizung 7 zum Abschmelzen der Glasnasc bzw. des Glasfadens wieder eingeschaltet. Für, die Ausbildung des Rohrstückes 5 hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Verhältnis Länge zu innerem Durchmesser des Rohrstückes etwa 250:10 beträgt. Will man dieses Verhältnis verringern, beispielsweise

to um einen höheren Durchsatz zu erzielen mit einer größeren lichten Weite des Rohrstückes, so kann zwischen Heizung 7 und dem Rohrstück 5 eine Gaskühlung (in der Zeichnung nicht dargestellt) eingeschoben werden. Bei einem größeren Auslaufquerschnitt des Rohrstückes 5 ist eine Ausbildung des Rohrslückes, wie sie in I" i g. 2 dargestellt ist, vorteilhafter. Das Rohrstück 5.7 weist in seiner Wandung mindestens zwei Längsbohrungen 16 auf, die im unteren Teil 17 des Rohrstückes nach innen geknickt sind und in den Rohrinnenraum 18 münden. Durch die Längsbohrungen 16 wird ein kühlendes Gas gepreßt, beispielsweise Luft oder Stickstoff, das durch den sich aufbauenden Druck und die Abkühlung der Schmelze an dieser Stelle das Glas in diesem Rohrstück 5;/ erstarren läßt.

2^r> Hierdurch wird die Bildung eines erstarrten Glaspfropfens 15 im Auslaufstcin 4 auch bei größerem Auslaufquerschnilt des Rohrstückes 5<-j ermöglicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum chargenweisen Ablassen einer Glasschmelze aus einem keramischen Glasschmelzofen mit einer mittels Elektroden durchführbaren, zeitlich und örtlich begrenzbaren Wärmeenergiezufuhr in die Glasschmelze, bei welchem die Schmelze an der Unterseite des Ofens durch einen senkrechten, induktionsbeheizbaren Auslauf ausfließt, gekennzeichnet durch das Aufschmelzen des den Auslauf des Schmelzofens verstopfenden Glaspfropfens nach den folgenden Verfahrensschritten

a) Vorwärmen des Auslaufes mit dem Glaspfropfen durch Induktionsheizung allein oder durch Induktionsheizung und eine Zusatzheizung bis zu einer unterhalb der Schmelztemperatur liegenden Temperatur, von der ab das Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeit des Glaspfropfens· zur elektrischen Leitfähigkeit des Keramikmaterials des Auslaufes größer als eins ist,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasschmelzfluß durch Abschalten mindestens der Widerstandsheizung und Erstarrenlassen eines Glaspfropfens im Keramikauslauf als Verschluß des Auslaufs gestoppt und anschließend durch kurzzeitiges Wiedereinschalten der Induktionsheizung die (der) unterhalb des Keramikauslaufs während des Erstarrenlassens entstandene Glasnase (Glasfaden) abgeschmolzen wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des im Boden (2) eines keramischen, mittels Elektroden (13) beheizbaren Glasschmelzofens (3) befindlichen Auslaufsteines (4) ein auswechselbar ausgebildetes metallisches, mit einer Heizung (7) versehenes Rohrstück (5) mit an seinem oberen Ende angesetztem Andrückflansch (6) angeordnet ist, daß der Durchmesser der Innenwandung (11) des Rohrstückes (5) kleiner ist als die Öffnung (12) des Auslaufsteines (4), und daß der Andrückflansch (6) als Elektrode ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Andrückflansch (6) mit Rohrstück (5) und Heizung (7) an Befestigungssteinen (10) an der Unterseite des Ofens (3) wieder lösbar befestigt ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrstück (5a) in seiner Wandung mindestens zwei Längsbohrungen (16) aufweist, die im unteren Teil (17) des Rohrstückes nach innen geknickt sind und in den Rohrinnenraum (18) münden.