CN102304632B - 一种核反应堆用铅铋合金的制备方法 - Google Patents

一种核反应堆用铅铋合金的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种核反应堆用铅铋合金的制备方法，采用真空感应熔炼，1)将原料铅置于手套箱内的坩埚中，加热至450～800℃，通高纯氢气进行预处理；2)坩埚进行钝化处理；3)按设计成分装料，铅冷装于坩埚中，铋装于料斗；4)真空度0.1～10Pa充氩气和氢气的混合气体(氢气含量2～7v％)至0.01～0.5Mpa，熔化温度400～600℃；5)分批添加原料铋，并采取电磁搅拌与机械搅拌相结合的方式搅拌；6)直读光谱仪检测合金成分并依据测试结果增补合金元素；7)成分合格后在真空下浇注，浇注温度200～400℃。本发明生产出的铅铋合金成分、纯度满足设计要求，无成分和组织偏析，适用于核反应堆，并且工艺具有操作简单，生产时间短，可重复性好，生产成本低的特点。

Description

一种核反应堆用铅铋合金的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，涉及一种适用于核反应堆的铅铋合金的制备方法。
背景技术
铅铋合金是一种用于核反应堆冷却系统的金属合金，属于高纯合金，要求对杂质进行严格控制。
国内外均开展了高纯铅铋合金的制备研究，但均停留于实验室规模或半工业化规模。现有的冶金技术熔炼该类合金，其技术难点是：合金的成分控制不精确、合金熔炼过程中增氧、铸锭成分偏析、形成包晶或高熔点化合物以及生产过程产生有害的铅和铋的蒸汽；另外使用未钝化的坩埚，合金熔炼过程中会增碳或引入其他杂质。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种核反应堆用铅铋合金的制备方法，该方法制备高的纯铅铋合金，解决了合金熔炼过程中增氧、增碳问题，解决了目标产物成分偏析等问题，实现了对合金主要成分的精确控制，熔炼出成分合格的铅铋合金。
本发明的技术方案如下：一种适用于核反应堆的铅铋合金的制备方法，实现步骤如下：
(1)熔炼前对铅进行纯化处理；
(2)熔炼前对坩埚进行钝化处理；
(3)熔炼前对锭模进行加热烘烤除气，烘烤温度350～800℃；
(4)按照所设计的成分对纯铅和铋进行配料，将纯铅冷装于真空炉内的坩埚，将铋装入合金料斗中；
(5)将真空感应炉抽真空至0.1～10Pa后，升温至400～600℃，待铅熔化后，充入纯度为99.99～99.999％的氩氢混合气至0.01～0.5MPa，其中所述氩氢混合气中氢气的含量为2～7v％；
(6)通过合金料斗分批加入纯金属铋，保持温度在400～600℃，待熔化后，充分搅拌，然后真空感应炉抽真空至0.1～10Pa以下保持3～15分钟；最后充氩和氢的混合气体至0.01～0.5MPa，其中所述氩和氢的混合气体中氢气的含量为2～7v％；
(7)利用直读光谱仪在线检测合金元素成分并依据测试结果增补铅或铋元素，待成分测试结果合格后，冷却至200～400℃进行真空浇注，脱锭。
所述步骤(1)中对对铅进行纯化处理的过程为：将装有原料铅的坩埚置于手套箱内的马弗炉中，通入纯度为99.99～99.999％氢气，加热至450～800℃，保温4～8小时。
所述步骤(2)中对坩埚进行钝化处理的过程为：将坩埚涂刷耐高温封闭涂料，置于马弗炉中加热至800～1200℃，保温30～60分钟，冷却至室温。
所述步骤(6)中的搅拌可以采用电磁搅拌，如果是吨量级也可采用机械搅拌与电磁搅拌混合搅拌。
本发明的原理：采用真空感应熔炼的方式，熔炼前对铅进行前处理，坩埚进行钝化处理，熔炼时同时进行电磁搅拌与机械搅拌，并通氩气和氢气的混合气体进行保护，为确保生产过程的绝对安全性，氢气的含量控制在2～7v％，锭模系统采用快速冷却技术。对铸锭成分进行检测，若满足要求，即完成熔炼；否则添加合金元素直至成分合格，而后进行浇注、脱锭。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用真空感应熔炼方式制备高纯铅铋合金，在真空感应炉内对炉料进行熔炼，熔炼前对铅进行处理，熔炼过程中加氩气与氢气的混合气体保护；而且坩埚使用前进行钝化处理，并充分搅拌，以确保主要成分混合均匀；锭模系统采用快速冷却技术，这样解决了合金熔炼过程中增氧、增碳问题，解决了目标产物成分偏析等问题，实现了对合金主要成分的精确控制，熔炼出成分合格的铅铋合金。
(2)使用氩气与氢气的混合气体保护，抑制了铅和铋的挥发，降低了目标产物中氧含量；坩埚钝化处理，减少了杂质的引入，提高了目标产物的纯度；
(3)采用机械加电磁搅拌技术，铸锭时采取快速冷却技术，缩短了生产周期，制备的铅铋合金无成分和组织偏析；
(4)熔炼工艺可重复性高，制备的铅铋合金纯度高，达到了设计要求，可以实现大规模工业化生产。
具体实施方式
本发明以高纯铅和铋为原材料，在真空感应炉内对炉料进行熔炼。熔炼前对铅和铋进行处理，熔炼过程中加氩气与氢气的混合气体保护。坩埚使用前进行钝化处理，并采用电磁搅拌与机械搅拌相结合的方式进行充分搅拌，以确保主要成分混合均匀。锭模系统采用快速冷却技术。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
采用本发明的工艺，制备出了合格的铅铋合金，具体熔炼制备工艺流程如下。
1.熔炼前对铅进行处理：将原料铅置于密闭的坩埚中通入纯度为99.99～99.999％的氢气，加热至550～750℃，保温5～8小时；
2.熔炼前对坩埚进行钝化处理：将坩埚涂刷耐高温封闭涂料，置于马弗炉中加热至800～1000℃，保温30～50分钟，冷却至室温；
3.熔炼前对锭模进行加热烘烤除气，烘烤温度500～700℃；
4.按照设计成分进行配料，纯铅冷装于真空感应炉内的坩埚中，铋装入合金料斗；
5.抽真空至2～8Pa后，升温至450～550℃，待铅熔化后，充高纯氩和氢混合气体(氢气含量3～6v％)至0.08～0.3MPa；
6.待铅熔化后，通过料斗分批加入纯金属铋，保持温度在450～550℃，进行电磁搅拌，待熔化后，抽真空至2～8Pa以下保持5～10分钟；然后充氩+氢混合气体至0.08～0.3MPa；
7.直读光谱仪检测合金元素成分并依据测试结果增补合金元素，待成分合格后冷却至250～350℃进行真空浇注，脱锭。如不合格，则返回步骤6。
实施例2
1.熔炼前对铅进行处理：将原料铅置于密闭的坩埚中通入纯度为99.99％的氢气，加热至400～550℃，保温4～6小时；
2.熔炼前对坩埚进行钝化处理：将坩埚涂刷耐高温封闭涂料，置于马弗炉中加热至800～1000℃，保温30～40分钟，冷却至室温；
3.熔炼前对锭模进行加热烘烤除气，烘烤温度350～800℃；
4.按照设计成分进行配料，纯铅冷装于真空感应炉内的坩埚中，铋装入合金料斗；
5.抽真空至6～10Pa后，升温至400～550℃，待铅熔化后，充高纯氩和氢混合气体(氢气含量3～6v％)至0.08～0.3MPa；
6.待铅熔化后，通过料斗分批加入纯金属铋，保持温度在400～550℃，同时进行电磁搅拌与机械搅拌，待熔化后，抽真空至6～10Pa以下保持5～10分钟；然后充氩+氢混合气体至0.08～0.3MPa；
7.直读光谱仪检测合金元素成分并依据测试结果增补合金元素，待成分合格后冷却至250～350℃进行真空浇注，脱锭。如不合格，则返回步骤6。
实施例3
1.熔炼前对铅进行处理：将原料铅置于密闭的坩埚中通入纯度为99.99％的氢气，加热至450～500℃，保温4小时；
2.熔炼前对坩埚进行钝化处理：将坩埚涂刷耐高温封闭涂料，置于马弗炉中加热至800～900℃，保温30～40分钟，冷却至室温；
3.熔炼前对锭模进行加热烘烤除气，烘烤温度350～400℃；
4.按照设计成分进行配料，纯铅冷装于真空感应炉内的坩埚中，铋装入合金料斗；
5.抽真空至0.1～2Pa后，升温至450～500℃，待铅熔化后，充高纯氩和氢混合气体(氢气含量3～5v％)至0.03～0.05MPa；
6.待铅熔化后，通过料斗分批加入纯金属铋，保持温度在450～500℃，进行电磁搅拌，待熔化后，抽真空至2Pa以下保持5～8分钟；然后充氩+氢混合气体至0.03～0.05MPa；
7.直读光谱仪检测合金元素成分并依据测试结果增补合金元素，待成分合格后冷却至250～300℃进行真空浇注，脱锭。如不合格，则返回步骤6。
实施例4
1.熔炼前对铅进行处理：将原料铅置于密闭的中通入纯度为99.999％的氢气，加热至500～700℃，保温5～7小时；
2.熔炼前对坩埚进行钝化处理：将坩埚涂刷耐高温封闭涂料，置于马弗炉中加热至800～900℃，保温40～50分钟，冷却至室温；
3.熔炼前对锭模进行加热烘烤除气，烘烤温度600～700℃；
4.按照设计成分进行配料，纯铅冷装于真空感应炉内的坩埚中，铋装入合金料斗；
5.抽真空至5～8Pa后，升温至500～700℃，待铅熔化后，充高纯氩和氢混合气体(氢气含量3～4v％)至0.2～0.3MPa；
6.待铅熔化后，通过料斗分批加入纯金属铋，保持温度在500～700℃，同时进行电磁搅拌与机械搅拌，待熔化后，抽真空至5～8Pa以下保持5～10分钟；然后充氩+氢混合气体至0.2～0.3MPa；
7.直读光谱仪检测合金元素成分并依据测试结果增补合金元素，待成分合格后冷却至300～350℃进行真空浇注，脱锭。如不合格，则返回步骤6。
本发明具有工艺可重复性高，易于工业化生产、生产成本低、装备和工艺适用性强的特点，实施本发明专利生产出来的铅铋合金，其化学成分完全满足控制要求，合金中无成分偏析，夹杂物级别低，纯净度高，熔点低，可满足核反应堆冷却系统对液态金属冷却剂的要求。

Claims (2)

1.一种核反应堆用铅铋合金的制备方法，其特征在于实现步骤如下：
（1）熔炼前对铅进行纯化处理；
（2）熔炼前对坩埚进行钝化处理；
（3）熔炼前对锭模进行加热烘烤除气，烘烤温度350~800℃；
（4）按照所设计的成份对纯铅和铋进行配料，将纯铅冷装于真空感应炉内的坩埚，将铋装入合金料斗中；
（5）将真空感应炉抽真空至0.1~10Pa后，升温至400~600℃，待铅熔化后，充入纯度为99.99~99.999%的氩氢混合气至0.01~0.5MPa，其中所述氩氢混合气中氢气的含量为2~7v%；
（6）通过合金料斗分批加入纯金属铋，保持温度在400~600℃，待熔化后，充分搅拌，然后真空感应炉抽真空至0.1~10Pa以下保持3~15分钟；最后充氩和氢的混合气体至0.01~0.5MPa，其中所述氩和氢的混合气体中氢气的含量为2~7v%；
（7）利用直读光谱仪在线检测合金元素成分并依据测试结果增补铅或铋元素，待成分测试结果合格后，冷却至200~400℃进行真空浇注，脱锭；
所述步骤（1）中对铅进行纯化处理的过程为：将装有原料铅的坩埚置于手套箱内的马弗炉中，通入纯度为99.99~99.999%氢气，加热至450~800℃，保温4~8小时，
所述步骤（2）中对坩埚进行钝化处理的过程为：将坩埚涂刷耐高温封闭涂料，置于马弗炉中加热至800~1200℃，保温30~60分钟，冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的一种核反应堆用铅铋合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中的搅拌采用电磁搅拌，或采用机械搅拌与电磁搅拌混合搅拌。 
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