一种用于球形颗粒的穿衣设备及其穿衣工艺

摘要

本发明公开了属于材料改性技术中的包覆技术及其设备领域的一种用于球形颗粒的穿衣设备及其穿衣工艺。所述穿衣设备主要由穿衣锅、酒精输送系统、给粉系统、排风罩及热风罩构成，并且都安装在一个带操作窗口的箱体内，窗口装有门，穿衣过程中所有物料可在密封状态中运动；粉从穿衣锅后轴中心通道输送至穿衣锅中；穿衣锅体均匀分布有网孔。穿衣时，先将包覆颗粒装入穿衣锅内，穿衣锅沿轴心线转动，带动锅内包覆颗粒运动，同时向包覆颗粒喷洒酒精和基体粉，包覆颗粒不断长大滚圆。本发明克服了现有设备的工艺不稳定、易粘锅、锅体难清洗等缺点，易于实现自动化操作，且能使工作环境得到改善。

说明书

技术领域

本发明属于材料改性技术中的包覆技术及其设备领域，特别涉及高温气冷堆燃料元件制造中的包覆颗粒穿衣工序的一种用于球形颗粒的穿衣设备及其穿衣工艺。

背景技术

我国球床式高温气冷堆所使用的陶瓷型燃料元件直径为60mm，结构为球形包覆颗粒(TRISO)弥散在燃料区的石墨基体中，采用准等静压成型制造工艺。由于压制过程中压力较高，如果包覆颗粒间直接接触易造成颗粒破碎，所以在压制前，需要在包覆颗粒外包裹一层厚0.25mm左右的石墨基体粉(俗称“穿衣层”)作为压制时球与球之间的缓冲，以保护包覆层，该工艺俗称“穿衣”(原子能科学技术，37卷，增刊，41-44)。

目前德国所制造的穿衣设备主体为一个通过电机驱动、形状为倒圆锥台形的穿衣锅，还包括一套螺旋给粉装置和一套酒精输送系统及一套热风系统。螺旋给粉装置在穿衣锅上方，将基体石墨粉通过管道送入穿衣锅中，撒在包覆颗粒表面；酒精输送系统是通过气压将酒精输送到位于包覆颗粒上方的雾化喷嘴，使酒精呈雾状喷到包覆颗粒表面；热风系统用于穿衣完毕后将穿衣颗粒烘干，该系统是通过管路将热风引入穿衣锅中的。穿衣时，穿衣锅以一定倾斜角沿轴旋转，包覆颗粒在穿衣锅内壁的摩擦作用下形成旋涡运动，同时在包覆颗粒上方喷淋酒精将颗粒润湿，并通过螺旋给粉装置将基体石墨粉喂入旋涡中，包覆颗粒在运动过程中不断被包裹上石墨基体粉而长大，直到穿衣颗粒达到合适大小。本设备是通过调节穿衣锅角度、转速以及加人基体粉料的速度、喷洒酒精速度和雾化面积等参数来控制穿衣质量的。该设备存在以下缺点：1.操作参数难控，稳定性差，合格率低，由于穿衣过程中，颗粒逐渐长大，颗粒的流动状态不断变化，所以在操作过程中，需要通过经验判断来调整穿衣锅倾角和转速，所以对不同的操作者或不同投料量，成品率相差很大，合格率低在60％～85％之间。2.锅底粘附基体石墨粉和包覆颗粒严重，当基体石墨粉撒到运动的颗粒表面，粉体会穿过颗粒间空隙中往下运动，在这个过程中，大部分基体粉会粘附到颗粒表面形成穿衣层，少部分会在锅底沉积，由于颗粒是在酒精润湿状态下，而基体石墨粉中含有醇溶性树脂，随穿衣过程进行，基体石墨粉和颗粒会逐渐粘附到锅底，越积越厚。粘锅不仅影响成品率，而且给穿衣锅的清洗带来不便，同时也要耗用大量酒精。3.操作窗口、给粉接入口、酒精接入口、热风管路入口都位于穿衣锅前面板，物料为开放式，穿衣时有基体粉和酒精逸出，造成工作环境恶化。

随着高温气冷堆的推广应用，其燃料元件的规模生产对设备的工艺稳定性、成品率、操作环境都提出了更高的要求，穿衣机作为元件生产的关键设备之一，在以上提及的各方面都需要得到改善。

发明内容

本发明的目的是提供能有效克服现有设备在生产时存在的工艺不稳的、产品合格率低、操作清洗繁杂、工作环境差等问题的一种用于球形颗粒的穿衣设备及其穿衣工艺；所述穿衣设备主要由穿衣锅、酒精输送系统、给粉系统、排风罩及热风罩构成。

所述穿衣锅锅体上均匀布有网孔，前面有操作窗口，后面为连接传动电机的后轴，穿衣锅的后轴与传动电机通过传动链条或齿轮连接，穿衣锅转速通过调节传动电机转速来控制。工作时，传动电机带动穿衣锅沿后轴轴心线旋转。

所述酒精输送系统包括酒精罐、流量控制阀、喷嘴和管道，喷嘴通过装在门上的定位杆固定在穿衣锅内，输送酒精的软管从门上穿孔进入穿衣锅与喷嘴连接；工作时，酒精罐中的酒精靠气压或蠕动泵，经流量控制阀输送至喷嘴雾化；酒精用于润湿颗粒表面，以使基体粉在颗粒上粘附。

所述给粉系统包括用于贮存基体石墨粉的料斗、给粉电机、螺旋给料器；螺旋给料器的管道从穿衣锅后轴轴心穿过进入穿衣锅，一端连接给粉电机，另一端优选为垂直弯管，料斗与给粉电机一端的管道相通，工作时，给粉电机带动螺旋给料器将料斗中的基体粉向穿衣锅推进，至弯管处落入穿衣锅；弯管可减少基体粉在穿衣锅中的扬尘。

所述排风罩扣于穿衣锅外壁左下方，即工作时颗粒运动的集中部位，排风罩通过管路与车间排风除尘系统相连，穿衣时排风系统开启能防止锅内产生扬尘。

所述热风罩扣于穿衣锅外壁右上方，位置与排风罩相对。热风罩可通过管路与车间热风系统相连。热风用于穿衣完成后颗粒的烘干，与排风系统共同作用，保证热气流穿过颗粒，充分传热。

上述穿衣机，穿衣锅、排风罩、热风罩都安装在一个带门的密封箱体内，穿衣锅操作窗口作为投卸料口，箱体上的门可将操作窗口密封，穿衣过程中所有物料在密封状态中运动。

所述穿衣锅为圆柱形或双锥台形，优选为双锥台形。

所述穿衣锅的内壁装有“人”字形斜向交错的导流板，当包覆颗粒随穿衣锅旋转运动时，导流板将锅底部包覆颗粒抄起后撒落在物料表面，同时，包覆颗粒还会随交错的导流板产生前后运动。包覆颗粒的这两种运动形式保证了包覆颗粒对酒精和基体粉的均匀受料。

所述穿衣锅的网孔为圆形、方形或长方形，优选为长方形，网孔的大小以保证包覆颗粒不漏出不卡壳以及基体粉能漏出为宜，圆孔的直径、方孔边长为0.3-0.65mm；长方形网孔短边长为0.3-0.65mm，长边为1-10mm。

所述穿衣锅的网孔在穿衣工艺中主要有三个作用：(1)落粉通道。采用上述德国设备穿衣时，粘锅主要是因为部分基体粉穿过包覆颗粒在锅底聚集而成，当采用有孔结构穿衣锅时，未被包覆颗粒粘附的基体粉会经过穿衣锅壁的网孔筛出落入位于穿衣锅正下方的接粉盘中，避免了基体粉在锅底的聚集，通过工艺控制能避免粘锅。(2)排风通道。紧扣在穿衣锅外的排风罩与排风除尘系统通过管道连接，它使被酒精雾化气吹起的基体粉随气流穿过包覆颗粒，大部分粉尘会被润湿的包覆颗粒粘附，未被粘附的基体粉则穿过穿衣锅网孔被排风除尘系统带走。(3)热风通道。穿衣完成后需要向穿衣锅中通入热风将颗粒烘干，热风是经管道从紧扣在穿衣锅外的风罩鼓入的，与排风除尘系统共同作用，使热气流穿过穿衣颗粒，这样，热空气与颗粒充分进行热交换，提高了干燥效率。

利用所述穿衣设备的穿衣工艺，其步骤如下：

a.向穿衣锅中装入包覆颗粒；

b.开启穿衣锅传动电机和排风系统，穿衣锅转速为8-18rpm，优选为12-15rpm；

c.开启给粉系统和酒精输送系统，给粉速度为60-120g/min，酒精流量为15-60ml/min；

d.待穿衣的包覆颗粒长1.2-1.6mm，关闭酒精输送系统、给粉系统；

e.开热风干燥，温度40-80℃，时间5～30min；

f.关闭热风、排风、停止穿衣锅传动电机。

本发明的有益效果是能有效解决现有设备生产中存在的问题，具有如下的优点：1.工艺参数设置简单，操作中不用人为调节，所以产品稳定且合格率高，一般都能达到90％以上。2.参数易于控制，能实现自动化操作。3.设备与工艺配套，能保证颗粒不粘锅，同时，从穿衣锅了漏出的粉体可回收使用。4.穿衣锅清洗时，通过喷嘴喷洒酒精对锅体进行清洗，清洗液从穿衣锅上网孔流出，在锅底进行收集，与德国穿衣机相比，清洗方便且能节约50％以上的酒精。5.整个穿衣过程都在密闭箱体中进行，能保证操作环境洁净环保。

附图说明

图1为穿衣机的示意性主视图。图2为图1的剖视图。

图3为穿衣机的工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

本发明提供能有效克服现有设备在生产时存在的工艺不稳的、产品合格率低、操作清洗繁杂、工作环境差等问题的一种用于球形颗粒的穿衣设备及其穿衣工艺。在图1和图2所示穿衣设备的结构示意图中，穿衣机包括有孔双锥台形穿衣锅1、酒精输送系统、给粉系统、排风罩16及热风罩4。穿衣锅1前面有操作窗口，操作窗口上设置门13，穿衣锅1后面与后轴3相连，传动电机8与后轴3通过链条连接，以带动穿衣锅1旋转。穿衣锅1锅体上分布的网孔10为长方形，短边长为0.55mm，长边为5mm；内壁装有“人”字形斜向交错的导流板2。给粉系统包括料斗5、给粉电机6、螺旋给料器7，螺旋给料器7的螺旋给料管从后轴3轴心穿过进入穿衣锅1内，一端连接给粉电机6，另一端为垂直弯管11，料斗5与给粉电机6一端的螺旋给料管相通，工作时，给粉电机6旋转带动螺旋给料器7旋转，将料斗5中的基体粉向穿衣锅1内推进，基体粉被推至弯管11处落入穿衣锅1内；酒精输送系统包括酒精罐、蠕动泵、流量控制阀、喷嘴15及管道，输送酒精的管道从门13上穿孔进入穿衣锅1与喷嘴15连接，喷嘴15通过装在门13上的定位杆14固定在穿衣锅1内，在蠕动泵的作用下，酒精从酒精罐中输出经管道和流量控制阀到达喷嘴15。穿衣锅1正下方放置有接粉盘9。

排风罩16扣于穿衣锅1外壁的左下方，排风罩16通过管路与车间排风除尘系统相连。热风罩4扣于穿衣锅外壁右上方，位置与排风罩相对。热风罩4通过热风管道与车间热风系统相连。

上述穿衣锅1、接粉盘9、排风罩16、热风罩4都安装在密封箱体12内。穿衣锅操作窗口装有门13，门13将操作窗口密封。工作时，所有物料都处于密封状态。

工作时(见图2和图3)，穿衣锅1由与后轴3连接的传动电机8带动旋转，穿衣锅1中的包覆颗粒17靠穿衣锅壁的摩擦作用和沿其中的导流板2的导流方向运动。料斗5中的基体粉通过螺旋给料器7送入穿衣锅1中，给粉速度靠给粉电机6转速控制。酒精流量可以通过调节酒精输送系统的流量控制阀开度控制。一定流量的酒精从喷嘴15呈雾状喷出，洒在包覆颗粒表面，使包覆颗粒表面润湿。随穿衣锅1的转动，润湿的包覆颗粒会沿锅中物料的倾斜面向下运动，在经过弯管11出口时，与下落的基体粉接触，将基体粉粘附。如此循环往复，包覆颗粒逐渐长大滚圆，最后成为所要求尺寸的穿衣颗粒。当包覆颗粒随穿衣锅转动运动时，导流板2将锅底部包覆颗粒抄起后撒落在物料表面，同时，包覆颗粒还会随交错的导流板2产生前后运动。包覆颗粒的两种运动形式保证了包覆颗粒对酒精和基体粉的均匀受料。

实施例2：

采用实施例1的穿衣机，所用穿衣工艺步骤如下：

1.在穿衣锅1中装入包覆颗粒5000g；

2.开启穿衣锅传动电机8和排风系统，穿衣锅转速为12rpm；

3.开启给粉系统和酒精输送系统，给粉速度为90g/min，酒精流量为28ml/min；

4.穿衣60min后关闭酒精输送系统、给粉系统，向穿衣锅1鼓入50℃热风对穿衣的包覆颗粒进行干燥，时间20min；

5.关闭热风、排风、停止穿衣锅转动。

采用实施例1的设备和实施例2的工艺所生产的三批穿衣颗粒经筛分后的各尺寸范围穿衣颗粒重量百分比结果如下表(单位：％)：

颗粒尺寸在1.2-1.6mm为合格，可见，成品率都在90％以上，高且稳定。