СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ И АГРЕГАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК C21B13/00 C22B7/00 

Изобретение относится к металлургии и к области переработки отходов сталей и сплавов, загрязненных радионуклидами, путем их дезактивации пирометаллургическими способами.

При выводе из эксплуатации и демонтаже оборудования предприятий атомной промышленности, ядерных реакторов различного назначения и других установок, использующих делящиеся материалы, образуется большое количество отходов металла, загрязненных радионуклидами, обычно называемых: металлические радиоактивные отходы (МРО).

Возможны два вида радиоактивного загрязнения металлических отходов: поверхностное загрязнение и загрязнение вследствие нейтронного облучения, приводящего к образованию радиоактивных изотопов элементов, входящих в состав металла, непосредственно в объеме металлического изделия.

В большинстве случаев МРО с обоими видами загрязнения утилизируются путем захоронения в специальных могильниках или хранятся на открытых площадках. Из-за малой насыпной плотности МРО при этом занимают значительные площади земной поверхности, и выводится из хозяйственного оборота большое количество дорогостоящего легированного металла.

МРО в местах хранения представляют значительную экологическую опасность. Количество МРО, находящихся в местах хранения, непрерывно растет. В настоящее время только в Российской Федерации хранится более 500000 тонн МРО. В связи с предстоящим в ближайшее время выводом из эксплуатации значительного количества ядерных реакторов количество непереработанных МРО в нашей стране может удвоиться.

Низкотемпературные способы дезактивации поверхностно загрязненных МРО (гидравлические, механические, химические и др.) не обеспечивают нужной степени очистки от поверхностных загрязнений, особенно для отходов сложной конфигурации, в результате их использования образуются новые радиоактивные отходы (загрязненные жидкости, пыль, осадки и т.д.), нуждающиеся в захоронении. Поэтому такие способы в настоящее время применяют в качестве вспомогательных, при проведении комплексной дезактивации МРО.

Наиболее перспективными вариантами переработки МРО являются способы пирометаллургической дезактивации с расплавлением МРО и переводом радионуклидов в шлак, обеспечивающие возможность уменьшения уровня радиоактивного загрязнения металла ниже допустимых пределов и возвращения металла в промышленный оборот [1-8 и др.]. Расплавление МРО в окислительных условиях позволяет окислить и перевести в окисленный активный жидкоподвижный шлак радиоактивные изотопы почти всех металлов, как находящиеся на поверхности МРО, так и присутствующие в объеме МРО.

Для глубокой (полной) дезактивации металла требуется обеспечить необходимые окислительные потенциалы металла и шлака, достаточную поверхность контакта металл-шлак и высокую ассимилирующую способность шлака по отношению к оксидам изотопов.

Для получения в конечном итоге кондиционного металла, пригодного к использованию в металлургии в качестве шихты, надо обеспечить возможно более полное отделение радиоактивного шлака от чистого дезактивированного металла во время плавки, выпуска или разливки металла. Соблюдение этих условий обеспечивается правильным выбором типа и конструкции плавильного агрегата и состава покровного шлака. Неправильно выбранный плавильный агрегат не дает возможности провести достаточно глубокую дезактивацию МРО.

Известны способы [1, 3], предусматривающие проведение пирометаллургической дезактивации проплавлением МРО в тигле индукционной сталеплавильной печи под слоем шлака.

Один из вариантов такой дезактивации МРО реализован в единственном в России комплексе ЗАО «Экомет-С» по переработке и утилизации металлических радиоактивных отходов, расположенном в г.Сосновый Бор на территории Ленинградской АЭС [9].

Тигельная индукционная печь как плавильный агрегат имеет ряд конструктивных и технологических недостатков, снижающих эффективность ее использования для дезактивации МРО. При работе такой печи тепло выделяется непосредственно в нагреваемом и плавящемся металле, а шлак нагревается и плавится за счет передачи тепла от нагретого металла [10]. Поэтому шлак в такой печи всегда недостаточно нагрет и имеет высокую вязкость, что затрудняет ассимиляцию радионуклидов шлаком.

Огнеупорная футеровка тигля индукционной печи имеет невысокую стойкость, срок ее службы ограничен. Это приводит к образованию значительного количества отходов огнеупоров, загрязненных радионуклидами и нуждающихся в утилизации.

Кроме того, тигель индукционной печи имеет сравнительно небольшой диаметр, что вызывает необходимость использования МРО небольших размеров и небольшой массы и, соответственно, требует значительных затрат на разделку и измельчение МРО. В случае дезактивации МРО проплавлением в индукционной печи затруднено разделение продуктов плавки: чистого дезактивированного металла и грязного радиоактивного шлака. Тигельная индукционная печь не дает возможности осуществить непрерывный процесс плавки.

Известен способ [4], предусматривающий дезактивацию МРО в установке электрошлакового переплава (ЭШП) с водоохлаждаемым кристаллизатором.

В соответствии с [4] в водоохлаждаемый кристаллизатор ЭШП заливают предварительно расплавленный во втором плавильном агрегате рафинирующий шлак и проплавляют МРО по стандартной схеме ЭШП в этом шлаке. Благодаря достаточно развитой поверхности контакта металл - рафинирующий шлак возможна глубокая дезактивация металла, кристаллизующегося в виде слитка в водоохлаждаемом кристаллизаторе.

Но этот способ имеет ряд существенных недостатков, ограничивающих сферу его практического применения [10]:

- для ЭШП в водоохлаждаемом кристаллизаторе применяют металл в виде штанг (электродов) кованых, литых, катаных или сборных (труба, заполненная металлом); производить такие электроды из МРО крайне затруднительно;

- в процессе кристаллизации слитка ЭШП между слитком и стенкой кристаллизатора образуется зазор, куда затекает рафинировочный шлак, образуя на поверхности слитка ЭШП шлаковую «рубашку»; при реализации способа [4] такая рубашка будет радиоактивной, отделить ее от чистого металла слитка достаточно сложно;

- ЭШП - малопроизводительный периодический процесс плавки, перерабатывать таким способом большое количество МРО невозможно;

для глубокой дезактивации МРО нужны окислительные условия, при ЭШП создать их можно, только используя окисленные (с большим содержанием оксидов железа) рафинировочные шлаки; такие шлаки имеют низкое электрическое сопротивление, ведение процесса ЭШП с такими шлаками сильно затруднено.

Известны и другие способы дезактивации МРО в жидком состоянии [2, 5-8]. Для всех этих способов характерны уже перечисленные недостатки: недостаточная степень дезактивации МРО, низкая производительность, сложность осуществления.

В качестве ближайшего аналога заявителем выбран известный способ дезактивации радиоактивных металлических отходов и композитный шлакообразующий состав для дезактивации радиоактивных металлических отходов методом плавки (патент RU 2066496) [3].

Ближайший аналог включает плавление в тигле частичной загрузки нерадиоактивных или радиоактивных металлических отходов без раскисления металла, после полного расплавления частичной загрузки - дозагрузку тигля и плавления в нем без раскисления радиоактивных металлических отходов и удаление шлака с содержащимися в нем радионуклидами в присутствии кислорода или воздуха над расплавом с внесением рафинирующих флюсов и отличается тем, что рафинирующие флюсы в порошкообразном состоянии перед загрузкой в тигель смешивают с минеральным вяжущим веществом с образованием композитного шлакообразующего состава, который наносят на металлические отходы перед их загрузкой в тигель до образования поверхностной пленки, полностью или частично покрывающей металлические отходы, а внесение рафинирующих флюсов при дозагрузках тигля осуществляют путем погружения в расплавленный металл отходов, покрытых пленкой из композитного шлакообразующего состава, при этом используемые для образования этого состава минеральные вяжущие вещества имеют температуру плавления, не превышающую температуру металла, и элементный состав, близкий по химическим свойствам к элементному составу рафинирующих флюсов.

Кроме того, в известном способе оговаривают порядок очередных дозагрузок тигля отходами, состав композитной добавки для различных составов перерабатываемых радиоактивных отходов.

Известный способ дезактивации радиоактивных металлических отходов имеет следующие недостатки:

1. В индукционной печи рафинирующий шлак всегда холоднее металла, так как шлак греется путем передачи тепла от металла. Холодный шлак имеет повышенную вязкость и вследствие этого пониженную рафинирующую дезактивирующую способность.

2. Огнеупорная футеровка тигля индукционной печи имеет низкую стойкость, ее приходится часто заменять, накапливается значительное количество радиоактивных огнеупорных отходов, нуждающихся в утилизации. Причем стойкость футеровки снижается с увеличением его размеров и емкости печи.

3. Тигельная индукционная печь имеет низкую производительность по проплавляемому металлу.

4. Порционная загрузка и порционное плавление МРО в тигельной индукционной печи затруднены из-за ее небольших размеров и требуют использования очень мелких кусков металла.

5. Нанесение композитного шлакообразующего сплава на поверхность МРО - весьма сложный и непроизводительный процесс, трудно осуществимый в производственных условиях.

6. Трудно отделить вязкий грязный шлак от чистого металла перед разливкой.

Задачей предлагаемого способа переработки металлических радиоактивных отходов является осуществление непрерывного процесса проплавления и дезактивации МРО в высокопроизводительном агрегате при высоких технико-экономических показателях процесса.

Техническим результатом предлагаемого способа переработки металлических радиоактивных отходов является устранение недостатков ближайшего и других аналогов, а именно:

- ведение процесса дезактивации МРО под хорошо нагретыми рафинирующими шлаками с температурой, превышающей температуру металла, и, соответственно, увеличение степени дезактивации металла;

- ведение процесса в условиях, обеспечивающих высокую стойкость огнеупорной футеровки металлической ванны, при минимальном выходе радиоактивных огнеупорных отходов;

- осуществление непрерывного проплавления МРО в ванне расплавленного металла и резкое увеличение производительности агрегата при высоких технико-экономических показателях процесса;

- уменьшение вероятности испарения радионуклидов;

- легкость отделения дезактивированного чистого металла от грязного радиоактивного шлака;

- возможность проплавления и дезактивации кусков МРО большой массы.

Известно большое количество агрегатов различной конструкции для переплава металлических отходов [10-13]:

- электрические дуговые, плазменно-дуговые, индукционные печи; установки электрошлакового переплава;

- мартеновские и двухванные пламенно-топливные печи;

отражательные пламенно-топливные печи цветной металлургии;

- шахтные печи, использующие в качестве топлива кокс и уголь.

Такие типы печей давно эффективно применяются для переплава металлических отходов, конструкции их достаточно хорошо отработаны. Применительно к переплаву металлических радиоактивных отходов эти плавильные агрегаты имеют ряд общих недостатков: все они периодического действия (процесс ведется отдельными плавками); все они не приспособлены для тщательного отделения грязного радиоактивного шлака от чистого металла; стойкость огнеупорной футеровки в них сравнительно невелика; они не приспособлены для переработки пыли из собственных газоочистных сооружений.

В качестве ближайшего аналога агрегата для осуществления предлагаемого способа заявителем выбрана стационарная отражательная печь [11, 12], применяемая для переплава медных отходов и производства сплавов меди.

В известной печи [11], включающей неохлаждаемый металлический кожух, футерованный огнеупорным кирпичом, для выполнения рабочего слоя футеровки используют хромомагнезитовый, магнезитохромитовый и динасовый кирпич, для выполнения теплоизоляционного слоя используют шамотный кирпич.

Для загрузки металлических отходов и шлакообразующих в печь используют загрузочные рабочие окна, расположенные в боковой стенке печи, которые закрывают подвижными, охлаждаемыми водой, заслонками.

Печь отапливают жидким или газообразным топливом при помощи топливовоздушной горелки, расположенной в торцевой стенке. Загрузку в печь шихты и флюсов производят напольной мульдозавалочной машиной, шлак с поверхности металла скачивают через рабочие окна в изложницы. Металл из печи выпускают из летки, расположенной на уровне огнеупорной футеровки пода печи. Отходящие газы из печи после предварительного охлаждения очищают от пыли и возгонов в рукавных фильтрах. Пыль не возвращают в печь. В отдельных случаях тепло отходящих газов используют в котлах-утилизаторах или воздухонагревателях.

Процесс плавки в известной печи ведется периодически отдельными плавками с полным опорожнением печи после каждой плавки.

Известная стационарная отражательная печь имеет следующие недостатки:

- процесс плавления в ней отходов ведется периодически, поэтому исключает возможность непрерывного проплавления загружаемых отходов в жидкой ванне расплавленного металла и резко снижается производительность печи;

- отсутствие системы охлаждения кожуха, вследствие этого сравнительно низкая стойкость футеровки, особенно при плавке черных металлов,

- необходимость периодической частой замены футеровки, снижение фактической производительности печи и образования большого количества огнеупорных отходов;

- отсутствие возможности подогрева отходов перед загрузкой в печь отходящими печными газами и поэтому увеличение расхода топлива, увеличение времени проплавления загруженных отходов и снижение производительности печи;

- единственная топливовоздушная горелка не обеспечивает быстрого нагрева и плавления отходов и хорошего перемешивания расплава;

- не обеспечена возможность полного разделения металла и шлака после окончания плавки, затруднено удаление шлака из печи;

- не обеспечена возможность переработки в печи пыли, уловленной газоочисткой.

Предлагаемое изобретение решает задачу улучшения конструкции агрегата для переплава металлических радиоактивных отходов, повышения его производительности, улучшения технико-экономических показателей процесса, облегчения выполнения технологических приемов.

Техническим результатом предлагаемого агрегата для осуществления способа переработки металлических радиоактивных отходов является устранение недостатков ближайшего аналога, а именно:

- осуществление процесса плавления загружаемых отходов непрерывно в жидкой ванне расплавленного метала и увеличение производительности печи;

- увеличение стойкости огнеупорной футеровки за счет охлаждения кожуха жидкометаллическим теплоносителем и уменьшение количества образующихся отходов огнеупоров;

- снижение расхода топлива и сокращение времени проплавления загружаемой шихты за счет подогрева отходов в шахтном подогревателе отходящими газами и рационального расположения горелок;

- полное отделение чистого металла от загрязненного радионуклидами грязного шлака.

Технический результат достигается следующими решениями, объединенными общим изобретательским замыслом.

Технический результат обеспечивается тем, что в способе переработки металлических радиоактивных отходов, включающем загрузку отходов в плавильную камеру плавильного агрегата, их плавление с переводом радиоактивных нуклидов в шлак, раздельный выпуск металла и шлака, согласно первому изобретению, плавление загружаемых металлических радиоактивных отходов ведут непрерывно в жидкой металлической ванне плавильной камеры, кожух которой охлаждают жидкометаллическим теплоносителем, отопление рабочего пространства плавильной камеры осуществляют топливокислородными горелками со сверхзвуковой скоростью истечения кислорода, удельная тепловая мощность которых равна 1,5-2,0 МВт на тонну проплавляемых отходов при избытке кислорода 5-7% к расчетному, расположенными в боковых и торцевой стенах плавильной камеры на высоте 0,8-1,4 м от уровня расплава под углом 35-55° к поверхности расплава, металлические радиоактивные отходы перед загрузкой в рабочее пространство плавильной камеры нагревают отходящими из плавильной камеры газами до 700-800°С в герметичном шахтном подогревателе, установленном над отверстием в верхней части кожуха плавильной камеры, загружают подогретые отходы в плавильную камеру порциями, масса которых равна 7,0-8,5% от массы жидкого металла, находящегося в камере, при максимальной массе одного куска 7% от массы жидкого металла, расплавляют под слоем кислого шлака с температурой 1600-1650°С, масса которого составляет 2-5% от массы жидкого металла, находящегося в агрегате, присадками флюсов, состав шлака поддерживают в пределах, %: 28-45 SiO₂; 20-35 Σ (FeO+Fe₂О₃); 2-8 СаО; 3-10 Al₂О₃; 5-12 MgO, дезактивированный металл с температурой 1500-1580°С сливают из агрегата непрерывно через летку, расположенную на высоте 100-200 мм от уровня огнеупорного пода и оборудованную обогреваемым сифонным желобом для лучшего отделения дезактивированного металла от радиоактивного шлака, загрязненный радионуклидами шлак по мере необходимости периодически сливают из агрегата через расположенную на противоположной стороне агрегата летку, расположенную на высоте 50-100 мм от границы раздела шлак-металл, непосредственно в контейнеры для захоронения отходов, пыль, уловленную в газоочистке агрегата, вдувают в расплавленный шлак в токе кислорода инжекторами.

Кроме того, выпуск чистого дезактивированного металла из агрегата могут производить периодически большими порциями в соответствии с показаниями устройства, замеряющего уровень жидкого металла в плавильной камере.

Технический результат обеспечивается также тем, что в агрегате для переработки металлических радиоактивных отходов, содержащем плавильную камеру с охлаждаемым жидкометаллическим теплоносителем кожухом, контур охлаждения жидкометаллического теплоносителя, системы загрузки отходов и флюсов, улавливания и очистки отходящих газов, раздельного выпуска металла и шлака, согласно второму изобретению, плавильная камера снабжена установленными в торцевой и боковой стенках на высоте 0,8-1,4 м от уровня расплава под углом 35-55° к поверхности расплава топливокислородными горелками со сверхзвуковой скоростью истечения кислорода, тепловая мощность которых составляет 1,5-2,0 МВт на тонну проплавляемых отходов при избытке кислорода 5-7% по отношению к расчетному, над отверстием в центральной части верхней поверхности кожуха установлен герметичный шахтный подогреватель для подогрева металлических отходов отходящими газами перед загрузкой в плавильную камеру до 700-800°С с удерживающими и дозирующими отходы устройствами и фурмами для дожигания СО отходящих газов, плавильная камера снабжена леткой для непрерывного выпуска металла, расположенной на высоте 100-200 мм от уровня огнеупорного пода, оборудованной обогреваемым сифонным желобом, причем сливной носок желоба расположен на 200-300 мм ниже поверхности раздела шлак-металл, на противоположной стороне плавильная камера снабжена леткой для периодического выпуска шлака с желобом, расположенной на 50-100 мм выше границы раздела шлак-металл и оборудованной запорным устройством, и на этой же стороне плавильной камеры в боковой стенке установлены инжекторы на высоте 50-100 мм от поверхности шлака под углом 45° к поверхности шлака для вдувания в шлак уловленной в системе очистки газов пыли.

Кроме того, плавильная камера оборудована устройством для замера уровня расплавленного металла, обеспечивающим возможность периодического выпуска металла большими порциями.

Непрерывное проплавление загружаемых металлических радиоактивных отходов в жидкой металлической ванне агрегата обеспечивает увеличение производительности агрегата за счет более быстрого расплавления отходов.

Использование для переработки отходов агрегата с кожухом, охлаждаемым жидкометаллическим теплоносителем (Na), позволяет осуществить длительный непрерывный процесс плавления отходов в жидкой металлической ванне благодаря значительному повышению стойкости футеровки и уменьшить образование радиоактивных огнеупорных отходов.

Отопление рабочего пространства топливокислородными горелками со сверхзвуковой скоростью истечения кислорода, удельная тепловая мощность которых равна 1,5-2,0 МВт на тонну проплавляемых отходов при избытке кислорода 5-7% к расчетному, позволяет быстро расплавлять загружаемые в жидкую ванну металлические радиоактивные отходы и окислять радиоактивные изотопы металлов благодаря большому избытку кислорода (5-7%) и сверхзвуковой скорости истечения кислорода из сопла горелки, обеспечивающей проникновение струи кислорода глубоко в расплав.

Расположение топливокислородных горелок в боковых и торцевой частях агрегата на высоте 0,8-1,4 м (в зависимости от емкости агрегата) от уровня расплава под углом 35-45° к поверхности расплава обеспечивает ускоренное расплавление загружаемых отходов металла благодаря более эффективной передаче тепла жидкой ванне и лучшему перемешиванию ванны.

Нагрев металлических радиоактивных отходов перед загрузкой отходящими газами в герметичном шахтном подогревателе, установленном над отверстием в верхней части кожуха, до температуры 700-800°С позволяет сократить время расплавления отходов, повысить производительность агрегата и уменьшить расход топлива и кислорода за счет использования тепла отходящих из агрегата газов. Удерживающие и дозирующие устройства нагревателя позволяют загружать отходы с необходимой скоростью.

Загрузка подогретой шихты в агрегате порциями, масса которых равна 7,0-8,5% (в зависимости от вида шихты) от массы жидкого металла, находящегося в агрегате при максимальной массе одного куска 7,0% от массы жидкого металла, позволяет обеспечить максимальную скорость расплавления шихты и максимальную производительность агрегата. При меньшей (7%) или большей (8,5%) массе порций шихты или массе одного куска шихты более 7% от массы жидкого металла производительность агрегата снижается.

Плавление загруженных металлических радиоактивных отходов под слоем кислого, окисленного шлака с температурой 1600-1650°С, масса которого составляет 2-5% (в зависимости от емкости агрегата и типа перерабатываемых отходов) от массы металла, находящегося в агрегате, позволяет ускорить окисление радиоактивных изотопов, загрязняющих металл, и полностью ассимилировать их в шлаке. Оговариваемый состав шлака, %: 28-45 SiO₂; 20-35 Σ (FeO+Fe₂О₃); 2-8 CaO; 3-10 Al₂О₃; 5-12 MgO обеспечивает хорошую ассимиляцию радионуклидов и облегчает утилизацию и захоронение радиоактивного шлака.

Слив дезактивированного металла с температурой 1500-1580°С (в зависимости от марки сплава или стали) из агрегата через летку, расположенную на высоте 100-200 мм (в зависимости от емкости агрегата) от уровня огнеупорного пода и оборудованную обогреваемым сифонным желобом, позволяет отделить чистый металл от грязного радиоактивного шлака, обеспечить за счет обогрева желоба возможность непрерывного выпуска металла и качественно разлить металл в изложницы.

Периодический выпуск загрязненного радионуклидами шлака через расположенную на противоположной стороне агрегата летку с желобом, расположенную на высоте 50-100 мм от границы раздела шлак-металл, непосредственно в контейнеры для захоронения радиоактивных отходов позволяет:

- разделить «чистую» и «грязную» часть плавильного отделения;

- выпускать по мере необходимости радиоактивный шлак без примеси металла в любой момент непосредственно в контейнеры, служащие для захоронения отходов, и уменьшить объем работ, проводимых в «грязной» части плавильной камеры;

- обновлять шлак в агрегате для лучшей ассимиляции радиоактивных нуклидов.

Вдувание уловленной в газоочистке радиоактивной пыли в расплавленный шлак в токе кислорода инжекторами позволяет уменьшить объем радиоактивных отходов, подлежащих захоронению и обеспечить утилизацию таких отходов.

При относительно небольшой емкости плавильного агрегата организационно и технологически удобнее чистый металл выпускать из агрегата периодически в соответствии с показаниями устройства, замеряющего уровень жидкого металла в агрегате, что и предлагается дополнительно.

Сущность заявленного способа и агрегата для его осуществления поясняется чертежами.

На фиг.1 приведен вид сверху агрегата для осуществления заявляемого способа переработки металлических отходов.

На фиг.2 показан разрез А-А на фиг.1.

На фиг.3 показан разрез В-В на фиг.1.

Способ переработки металлических радиоактивных отходов осуществляется следующим образом.

Загружают небольшими порциями металлические отходы и необходимое количество флюсов в плавильную камеру и, расплавляя их, полностью заполняют ванну плавильной камеры жидким металлом, на поверхности металла наплавляют слой шлака заявленного состава. В процессе наплавления жидкой ванны металлические отходы загружают порциями через шахтный подогреватель, к моменту наплавления полной жидкой ванны выходят на заданный режим нагревания отходов (700-800°С). Для нагрева и плавления загруженных в камеру материалов используют топливокислородные горелки, расположенные в стенках и торце камеры. Наполнив ванну жидким металлом и шлаком, продолжают загружать в камеру порциями нагретые металлические отходы. С момента наполнения ванны расплавленным металлом начинают сливать чистый дезактивированный металл из камеры через летку, оборудованную подогреваемым сифонным желобом в разливочный ковш. По мере накопления в камере шлака, сильно загрязненного радионуклидами, его периодически сливают через шлаковую летку непосредственно в контейнеры для захоронения радиоактивных отходов. Пыль, уловленную в газоочистке, инжекторами вдувают в шлаковый расплав. Далее процесс переработки металлических радиоактивных отходов ведется непрерывно в установившемся режиме.

Агрегат для осуществления способа переработки металлических радиоактивных отходов содержит плавильную камеру 1 с охлаждаемым жидкометаллическим теплоносителем кожухом 2, в рабочем пространстве которой находится расплавленный металл 3, рафинирующий шлак 4 и загруженные не расплавившиеся отходы 5, контур охлаждения металлического теплоносителя (на чертеже не показан), шахтный подогреватель металлических отходов 6 с удерживающими и дозирующими устройствами 7 и фурмами для дожигания СО отходящих газов 8.

Для плавления и нагрева металлических отходов и флюсов плавильная камера 1 снабжена установленными в боковых и торцевой стенках топливокислородными горелками 9 под углом 35-55° к поверхности расплава, на высоте 0,8-1,4 мм от уровня расплава. Уловленную в газоочистке (на чертеже не показана) пыль вдувают в шлаковый расплав инжекторами 10. Металл непрерывно сливают из камеры 1 через летку 11, снабженную сифонным подогреваемым желобом 12, в разливочный ковш 13. Загрязненный радионуклидами шлак периодически сливают из камеры 1 через шлаковую летку 14, снабженную желобом с запорным устройством 15 в контейнеры для захоронения радиоактивных отходов 16.

Флюсы по мере необходимости загружают в камеру 1 через отверстие 17 в кожухе камеры. Ванну камеры, в которой находятся расплавленный металл и шлак, футеруют глиноземистыми огнеупорами 18.

Примеры, подтверждающие возможность внедрения в производство предложенного способа и агрегата для его осуществления.

1. В 1,5-тонной дуговой электропечи с кислой (динасовой) футеровкой расплавили 0,5-тонных чистых отходов стали 12X18HH1OT. В образовавшийся металлический расплав, покрытый окисленным кислым шлаком, загрузили 1,5-тонных отходов стали 12X18HH1OT низкой степени загрязненности радионуклидами, после расплавления отходов шлак слили из печи в специальный шлакометаллический контейнер. Металл без шлака слили из печи и разлили в мелкие изложницы. После остывания слитков определили степень загрязнения металла радионуклидами. Она оказалась ниже допустимой нормы.

2. Работоспособность заявленного агрегата подтверждается опытом работы пламенных сталеплавильных мартеновских печей (скрап-процесс) [13] и отражательных стационарных медеплавильных печей [11].

3. Плавильные печи, работающие с охлаждаемым водой кожухом, опробованы и используются в металлургической практике: печь Ванюкова [12] и агрегат РОМЕЛТ [14].

4. Известен опыт работы дуговых электросталеплавильных печей, проплавляющих нагретый лом в жидкой металлической ванне (Consteel - процесс) [13].

Литература

1. Патент SU 1831879 «Способ утилизации отходов из черных сплавов, загрязненных радионуклидами, и установка для его осуществления». Авторы: Нестер А.Т.; Паранин А.А. Патентообладатель Нестер А.Т.

2. Патент RU 2159473 «Способ переработки металлических отходов, содержащих радионуклиды». Авторы: Лосицкий А.Ф.; Ганза Н.А.; Рождественский В.В.; Касимов Р.Н.; Зайков Ю.П.; Гончаров А.И.; Плеханов К.А.; Солобоев И.С. Патентообладатель ООО «Чистые технологии в промышленность плюс».

3. Патент RU 2066496 «Способ дезактивации радиоактивных металлических отходов и композитный шлакообразующий сплав для дезактивации радиоактивных металлических отходов методом плавки». Авторы: Симановский В.М.; Бочкарев В.А.; Дмитриев Е.Н.; Черниченко А.А.; Кинеров Л.В.; Ржевцев Н.П. Патентообладатель АО Инновационная компания «Панорама».

4. Патент RU 2249270 «Способ дезактивации радиоактивных металлических отходов электрошлаковым переплавом». Авторы: Бондин В.В.; Бычков С.И.; Кравченко Г.А. Патентообладатель: Горнохимический комбинат. ГХК.

5. Патент RU 2231843 «Способ дезактивации радиоактивных металлических отходов». Авторы: Петров Г.А.; Суворов И.С.; Соболев И.А.; Дмитриев С.А.; Тимофеев Е.М.; Майборода М.А. Патентообладатель: ГУЛ МосНПО «Радон».

6. Патент RU 2234154 «Способ переработки металлических отходов и печь для его осуществления». Авторы: Подойницын С.В.; Бычков С.И.; Кравченко Г.А.; Бахвалов С.Г.; Васильев М.Г.; Лапшин Б.М. Патентообладатель: Горнохимический комбинат.

7. Патент RU 2239248 «Способ утилизации поверхностно радиоактивно загрязненных элементов конструкций из нержавеющих сталей». Авторы: Гунгер Ю.Р.; Филиппов Г.А.; Южанинов Е.Г.; Иванов Р.В. Патентообладатель: Гунгер Ю.Р.; Шапов Р.В.

8. Патент RU 2249056 «Способ переработки радиоактивно загрязненного оборудования и способ производства сталей и сплавов с использованием лома металлических радиоактивных отходов». Авторы: Филиппов Г.А.; Иванова Т.П.; Иванов Р.В.; Южанинов Е.Г. Патентообладатель: Южанинов Е.Г.; Иванов Р.В.

9. М.Воронков. Цивилизованное обращение с радиоактивными отходами. Ежемесячный журнал атомной энергетики «Росэнергоатом». 2003. №9.

10. Д.Я.Поволоцкий, В.Е.Рощин, Н.В., Мальков. Электрометаллургия стали и ферросплавов. М. «Металлургия», 1995, 591 с.

11. И.Ф.Худяков, А.П.Дорошкевич, С.В.Карелов. Металлургия вторичных цветных металлов. М. «Металлургия». 1987, 525 с.

12. Н.И.Уткин. Производство цветных металлов. М. «Интермет Инжиниринг», 2004, 442 с.

13. В.А.Кудрин. Теория и технология производства стали. М. «Мир». 2003. 526 с.

14 Процесс РОМЕЛТ. Под ред. В.А.Роменца. М. МИСИС. 2005.

Изобретение относится к металлургии и к области переработки отходов сталей и сплавов, загрязненных радионуклидами, путем их дезактивации пирометаллургическими способами. Проплавление загружаемых отходов ведут непрерывно в жидкой металлической ванне агрегата, кожух которого охлаждают жидкометаллическим теплоносителем (Na). Отходы перед загрузкой в рабочее пространство нагревают отходящими из плавильной камеры газами до 700-800°С в герметичном шахтном подогревателе, установленном над отверстием в верхней части кожуха плавильной камеры. Подогретую шихту загружают в агрегат порциями, масса которых равна 7,0-8,5% от массы жидкого металла, находящегося в агрегате, при максимальной массе одного куска 7% от массы жидкого металла, расплавляют под слоем кислого шлака с температурой 1600-1650°С. Дезактивированный металл непрерывно сливают, отделяя от радиоактивного шлака, загрязненный радионуклидами шлак по мере необходимости периодически сливают из агрегата с противоположной стороны агрегата. Изобретение позволит увеличить степень дезактивации металла, уменьшить вероятность испарения радионуклидов, обеспечить легкое отделение дезактивированного чистого металла от грязного радиоактивного шлака, проплавлять и дезактивировать куски большой массы. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ переработки металлических радиоактивных отходов, включающий загрузку отходов в плавильную камеру плавильного агрегата, их плавление с переводом радиоактивных нуклидов в шлак, раздельный выпуск металла и шлака, отличающийся тем, что плавление загружаемых металлических радиоактивных отходов ведут непрерывно в жидкой металлической ванне плавильной камеры, кожух которой охлаждают жидкометаллическим теплоносителем, отопление рабочего пространства плавильной камеры осуществляют топливокислородными горелками со сверхзвуковой скоростью истечения кислорода, удельная тепловая мощность которых равна 1,5-2,0 МВт на тонну проплавляемых отходов при избытке кислорода 5-7% к расчетному, расположенными в боковых и торцевой стенках плавильной камеры на высоте 0,8-1,4 м от уровня расплава под углом 35-55° к поверхности расплава, металлические радиоактивные отходы перед загрузкой в рабочее пространство плавильной камеры нагревают отходящими из плавильной камеры газами до 700-800°С в герметичном шахтном подогревателе, установленном над отверстием в верхней части кожуха плавильной камеры, загружают подогретые отходы в плавильную камеру порциями, масса которых равна 7,0-8,5% от массы жидкого металла, находящегося в камере, при максимальной массе одного куска 7% от массы жидкого металла, расплавляют под слоем кислого шлака с температурой 1600-1650°С, масса которого составляет 2-5% от массы жидкого металла, находящегося в агрегате, присадками флюсов состав шлака поддерживают в пределах, %: 28-45 SiO₂; 20-35 Σ (FeO+Fe₂О₃); 2-8 CaO; 3-10 Al₂О₃; 5-12 MgO, дезактивированный металл с температурой 1500-1580°С сливают из плавильного агрегата непрерывно через летку, расположенную на высоте 100-200 мм от уровня огнеупорного пода и оборудованную обогреваемым сифонным желобом для лучшего отделения дезактивированного металла от радиоактивного шлака, загрязненный радионуклидами шлак по мере необходимости периодически сливают из агрегата через расположенную на противоположной стороне агрегата летку, расположенную на высоте 50-100 мм от границы раздела шлак-металл, непосредственно в контейнеры для захоронения отходов, пыль, уловленную в газоочистке плавильного агрегата, вдувают в расплавленный шлак в токе кислорода инжекторами.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выпуск чистого дезактивированного металла из плавильного агрегата производят периодически большими порциями в соответствии с показаниями устройства, замеряющего уровень жидкого металла в плавильной камере.3. Агрегат для переработки металлических радиоактивных отходов, содержащий плавильную камеру с охлаждаемым жидкометаллическим теплоносителем кожухом, контур охлаждения жидкометаллического теплоносителя, системы загрузки металлических отходов и флюсов, улавливания и очистки отходящих газов, раздельного выпуска металла и шлака, отличающийся тем, что плавильная камера снабжена установленными в торцевой и боковых стенках на высоте 0,8-1,4 м от уровня расплава под углом 35-55° к поверхности расплава топливокислородными горелками со сверхзвуковой скоростью истечения кислорода, тепловая мощность которых составляет 1,5-2,0 МВт на тонну проплавляемых отходов при избытке кислорода 5-7% по отношению к расчетному, над отверстием в центральной части верхней поверхности кожуха установлен герметичный шахтный подогреватель для подогрева металлических отходов отходящими газами перед загрузкой в плавильную камеру до 700-800°С с удерживающими и дозирующими отходы устройствами и фурмами для дожигания СО отходящих газов, плавильная камера снабжена леткой для непрерывного выпуска металла, расположенной на высоте 100-200 мм от уровня огнеупорного пода, оборудованной обогреваемым сифонным желобом, причем сливной носок желоба расположен на 200-300 мм ниже поверхности раздела шлак-металл, на противоположной стороне плавильная камера снабжена леткой для периодического выпуска шлака с желобом, расположенной на 50-100 мм выше границы раздела шлак-металл и оборудованной запорным устройством, и на этой же стороне плавильной камеры в боковой стенке установлены инжекторы на высоте 50-100 мм от поверхности шлака под углом 45° к поверхности шлака для вдувания в шлак уловленной в системе очистки газов пыли.4. Агрегат по п.3, отличающийся тем, что плавильная камера оборудована устройством для замера уровня расплавленного металла, обеспечивающим возможность периодического выпуска металла большими порциями.