CN103831990A

CN103831990A - 一种将阿克蜡添加入uo2粉末压制芯块的装置及方法

Info

Publication number: CN103831990A
Application number: CN201210474314.6A
Authority: CN
Inventors: 廖宾; 王友良; 舒彬华; 姚登风
Original assignee: China Jianzhong Nuclear Fuel Co Ltd
Current assignee: China Jianzhong Nuclear Fuel Co Ltd
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2032-11-21
Also published as: CN103831990B

Abstract

本发明属核电站用核燃料元件制造技术领域，具体涉及一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制UO₂燃料芯块的方法。包括以下步骤：（1）通过吸料管将UO₂粉末输送至组合旋风分离器中分离，进入到单锥混料器；（2）当UO₂粉末进入总质量的50%时，再将阿克腊容器中的阿克腊按照UO₂粉末总质量的0.1wt.%的配比加入到单锥混料器中，将U₃O₈粉末料桶中的U₃O₈粉末加入到单锥混料器；（3）继续将剩下的50%UO₂粉末输送至单锥混料器；（4）当全部UO₂粉末、U₃O₈粉末和阿克腊进入单锥混料器后，充入一个大气压的氮气，然后混料；（5）制粒生产；（6）将阿克腊加入到双锥料桶中；（8）将双锥料桶放入到双锥混料器8中进行球化混合；（9）通过旋转压机压制生产出符合规格的UO₂芯块。

Description

一种将阿克蜡添加入UO2粉末压制芯块的装置及方法

技术领域

本发明属核电站用核燃料元件制造技术领域，具体涉及一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制芯块的装置及方法。

背景技术

UO₂燃料芯块是通过粉末冶金制造工艺生产，UO₂粉末必须经过压机压成生坯块后再经烧结、磨削生产成成品芯块。在压机上压制UO₂芯块的制造过程中，为减少UO₂粉末与模具表面及UO₂粉末颗粒之间的摩擦力，使生坯块的密度梯度分布均匀，减小生坯块脱模压力，降低设备损耗，就必须使用润滑剂。之前生产工艺中采用硬脂酸锌作为润滑剂，多年的生产实践表明，硬脂酸锌的润滑性能良好，产品性能优良。

在UO₂粉末中添加硬脂酸锌的主要问题是硬脂酸锌在芯块烧结过程中分解挥发，产生低熔凝聚物，在烧结炉低温区和过渡区上部凝结，形成“炉挂”。“炉挂”外观类似石钟乳，硬度很高，生产中多次造成卡舟的严重故障，不仅导致产品报废、损耗钼材、浪费能源，也影响生产进度，因此生产中必须密切关注炉挂的情况，及时停炉清理。烧结炉是芯块生产线的关键设备之一，烧结炉的安全稳定运行是生产的关键因素之一，因此寻找硬脂酸锌的替代物，减少炉挂的生成，延长烧结炉停炉检修周期，提高烧结炉产能，显得尤为迫切。

发明内容

本发明要解决的技术问题是采用阿克蜡代替硬脂酸锌作为芯块生产润滑剂，以解决现有硬脂酸锌产生烧结炉炉挂的问题。

为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：

一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制芯块的装置，其特征在于，包括以下部件：组合旋风分离器、单锥混料器、吸料管、制粒机、双锥料桶、中间容器、旋转压机、双锥混料器、阿克腊容器、UO₂粉末容器、U₃O₈粉末料桶和电子平台秤；

其中，UO₂粉末装在UO₂粉末容器中，阿克腊装在阿克腊容器中，U₃O₈粉末装在U₃O₈粉末料桶中；吸料管内为负压环境，一端连接UO₂粉末容器、阿克腊容器和U₃O₈粉末料桶，另一端连接组合旋风分离器；组合旋风分离器分离出的产物进入到单锥混料器中，单锥混料器和双锥混料器进行物料的混合；组合旋风分离器用来分离UO₂粉末，制粒机进行制粒生产，制粒后的粉末进入到双锥料桶中，电子平台秤用来称重，旋转压机用来压制UO₂芯块。

吸料管将UO₂粉末容器中的UO₂粉末输送至组合旋风分离器中，在组合旋风分离器中分离出UO₂粉末，进入到单锥混料器；同时，吸料管将阿克腊容器中的阿克腊和U₃O₈粉末料桶中的U₃O₈粉末通过组合旋风分离器中分离后加入到单锥混料器中；在单锥混料器中进行UO₂粉末、U₃O₈粉末和阿克腊粉末的混料；混合后的粉末进入制粒机进行制粒生产，制粒后的粉末进入到双锥料桶中，在双锥混料器中进行球化混合；球化后的粉末进入中间容器，再由中间容器进入旋转压机，通过旋转压机压制UO₂芯块。

一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制芯块的方法，具体包括以下步骤：

（1）操作人员通过吸料管内的负压将装在UO₂粉末容器中的UO₂粉末输送至组合旋风分离器中，在组合旋风分离器中分离出UO₂粉末，进入到单锥混料器；

（2）当UO₂粉末进入总质量的50%时，再通过吸料管内的负压将阿克腊容器中的阿克腊送至组合旋风分离器中，在组合旋风分离器中分离出阿克腊，按照UO₂粉末总质量的0.1wt.%的配比加入到单锥混料器中，再用同样的方法将U₃O₈粉末料桶中的U₃O₈粉末按照设定的比例加入到单锥混料器；

（3）继续将剩下的50%UO₂粉末输送至单锥混料器；

（4）当全部UO₂粉末、U₃O₈粉末和阿克腊进入单锥混料器后，在单锥混料器中充入一个大气压的氮气，然后进行UO₂粉末、U₃O₈粉末和阿克腊粉末的混料；

（5）混合后的粉末进入制粒机进行制粒生产，制粒后的粉末进入到双锥料桶中；保证每一个双锥料桶中制粒粉末的重量≤300kg；

（6）用电子平台秤称重每一个双锥料桶中制粒粉末的准确重量m1，根据这个重量和步骤（2）中阿克腊和U₃O₈的添加比例计算出每一个双锥料桶中UO₂粉末的质量m2，将质量为m2的0.3%的阿克腊加入到双锥料桶中；

（7）将双锥料桶放入到双锥混料器中进行球化混合；

（8）球化混合完成后的双锥料桶放入到中间容器上，将球化后的粉末进入中间容器，再由中间容器进入旋转压机，通过旋转压机压制生产出符合规格的UO₂芯块。

进一步的，如上所述的一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制芯块的方法，其中：步骤（1）和步骤（2）中吸料管内的负压为-30kPa。

进一步的，如上所述的一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制芯块的方法，其中：步骤（1）中UO₂粉末的松装密度为1.0g/cm³。

进一步的，如上所述的一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制芯块的方法，其中：通过吸料管内的负压将U₃O₈粉末料桶11中的U₃O₈粉末加入到单锥混料器2的比例为：U₃O₈是UO₂总质量的0～20%。

进一步的，如上所述的一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制芯块的方法，其中：步骤（4）中，进行UO₂粉末、U₃O₈粉末和阿克腊粉末的混料时，单锥混料器的公转转速为3rpm，自转转速为90rpm，混料时间是20min。

进一步的，如上所述的一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制芯块的方法，其中：步骤（8）中，将双锥料桶放入到双锥混料器中进行球化混合时，双锥混料器的转速为10rpm，球化混合时间为15min。

进一步的，如上所述的一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制芯块的方法，其中：步骤（9）中，通过旋转压机压制生产的的UO₂芯块规格为：密度为5.8g/cm³。

通过研究，在将UO₂粉末制造成UO₂芯块的生产工艺中添加0.4%的阿克蜡能够实现对芯块成型过程中良好地润滑，同时获得的对UO₂芯块的降密系数为3.0%T.D，可以确保生产出的芯块完全满足技术条件的要求。本发明采用阿克蜡作为润滑剂，一方面由于阿克蜡是一种有机蜡，分解产物全部为气体，能够随尾气排出，不会产生低熔凝聚物，从而减少了炉挂的形成；同时也改变了炉挂的形态，采用硬脂酸锌添加工艺时，炉挂的密度和硬度都非常大，采用阿克蜡添加工艺后，炉挂呈现为松散的海绵状，强度很小，不足以损坏钼舟而造成卡舟的故障，因此炉挂已经不再是停炉检修的主要原因。有效延长了烧结炉的运行周期，提高了烧结炉的产能，使烧结炉的运行周期由4个月延长到12个月，提高了3倍以上。

同时，阿克蜡的润滑性能优良，润滑效果和硬脂酸锌相当，添加阿克蜡的球化粉末完全能够满足生坯成型要求；采用阿克蜡作为润滑剂，芯块生产工艺过程稳定、受控，产品各项理化性能优良，成品率高，满足技术条件及用户要求。

附图说明

图1是UO₂芯块压制外润滑脱模压力试验曲线；

图2是UO₂芯块在不同阿克腊添加量下的内润滑脱模压力曲线图；

图3是阿克腊不同添加量下的UO₂粉末流动性曲线图；

图4是添加阿克腊用于UO₂芯块生产的装置结构示意图。

图中：1：组合旋风分离器；2：单锥混料器；3：吸料管；4：制粒机；5：双锥料桶；6：中间容器；7：旋转压机；8：双锥混料器；9：阿克腊容器；10：UO₂粉末容器；11：U₃O₈粉末料桶；12：电子平台秤。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体说明。

阿克蜡（Acrawax C）是一种有机润滑剂，常温下为干燥、易混匀的白色粉末，是粉末冶金中常用的润滑剂之一，化学分子式为H₃₅C₁₇COHNC₂NH₄COC₁₇H₃₅。阿克蜡裂解氨气氛中温度达到367℃时，完全分解挥发，没有残留物。

在UO₂粉末添加阿克蜡的工艺方式是分两次添加的方法，首先在单锥混料时先添加0.1%的阿克蜡，对阿克蜡和UO₂粉末使用单锥混料器进行30min的均匀化，随后在球化时添加0.3%的阿克蜡，使用双锥混料器进行15min的球化混合，确保两者充分地混合。

实施过程中首先进行参数试验：

1.外润滑试验

在模具的内表面分别涂抹相当量的阿克蜡，采用4.0T的压力在材料压机上压制，记录脱模压力，试验结果见图1。试验表明：无润滑时，生坯压制和脱模过程中会发出刺耳的摩擦声，采用阿克蜡外润滑时没有。从图1可以看出，无润滑时平均脱模压力为477kgf，而阿克蜡外润滑平均脱模压力为226kgf，远小于无润滑脱模压力，外润滑试验说明阿克蜡的润滑效果良好。

2.内润滑试验

内润滑效果能反应添加剂对生产的影响，试验按照不同的比例加入阿克蜡在材料压机上用4.0T的压力压制，记录脱模压力，添加量及试验结果见图2。通常润滑剂在模具内表面形成几个分子层的薄膜，润滑效果达到最佳状态，再增大添加量时，不会进一步改善润滑效果。从图2中可以看出，当添加量小于0.4%时，随着添加量的增大，脱模压力变小，润滑效果明显改善；当添加量大于0.4%时，增加添加量时润滑效果没有明显的改善，说明添加量为0.4%时，润滑效果已经达到了最佳状态，再增大添加量已经没有意义了。

3.球化粉末流动性实验

球化粉末的流动性对压制成型工艺有直接的影响。流动性差的粉末，填料量不稳定，影响压制工作的顺利进行，严重时导致生坯高度、密度达不到技术要求，芯块产生高低块、磨削余量过小等质量缺陷。球化时添加适量的润滑剂，能有效减小球化粉末之间的摩擦力，而且阿克蜡有一定的粘结作用，在球化过程中能够起到一定的聚团的作用，这些因素都是有利于改善粉末的流动性的。选取同一批次UO₂粉末添加阿克蜡制备球化粉末后，取50g样品测量流动性，结果见图3。结果显示，添加量不超过一定量时，添加阿克蜡的球化粉末流动性良好，增加阿克蜡添加量的粉末流动性有所改善。

进行参数实验后，确定的装置结构见图4。

一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制UO₂燃料芯块的装置，包括以下部件：组合旋风分离器1、单锥混料器2、吸料管3、制粒机4、双锥料桶5、中间容器6、旋转压机7、双锥混料器8、阿克腊容器9、UO₂粉末容器10、U₃O₈粉末料桶11和电子平台秤12；

其中，UO₂粉末装在UO₂粉末容器10中，阿克腊装在阿克腊容器9中，U₃O₈粉末装在U₃O₈粉末料桶11中；吸料管3内为负压环境，一端连接UO₂粉末容器10、阿克腊容器9和U₃O₈粉末料桶11，另一端连接组合旋风分离器1；组合旋风分离器1分离出的产物进入到单锥混料器2中，单锥混料器2和双锥混料器8进行物料的混合；组合旋风分离器1用来分离UO₂粉末，制粒机4进行制粒生产，制粒后的粉末进入到双锥料桶5中，电子平台秤12用来称重，旋转压机7用来压制UO₂芯块。

吸料管3将UO₂粉末容器10中的UO₂粉末输送至组合旋风分离器1中，在组合旋风分离器1中分离出UO₂粉末，进入到单锥混料器2；同时，吸料管3将阿克腊容器9中的阿克腊和U₃O₈粉末料桶11中的U₃O₈粉末通过组合旋风分离器1中分离后加入到单锥混料器2中；在单锥混料器2中进行UO₂粉末、U₃O₈粉末和阿克腊粉末的混料；混合后的粉末进入制粒机4进行制粒生产，制粒后的粉末进入到双锥料桶5中，在双锥混料器8中进行球化混合；球化后的粉末进入中间容器6，再由中间容器6进入旋转压机7，通过旋转压机7压制UO₂芯块。

一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制UO₂燃料芯块的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

（1）操作人员通过吸料管3内的负压将装在UO₂粉末容器10中的UO₂粉末输送至组合旋风分离器1中，在组合旋风分离器1中分离出UO₂粉末，进入到单锥混料器2；其中，UO₂粉末的松装密度为1.0g/cm³。

（2）当UO₂粉末进入总质量的50%时，再通过吸料管3内的负压将阿克腊容器9中的阿克腊送至组合旋风分离器2中，在组合旋风分离器2中分离出阿克腊，按照UO₂粉末总质量的0.1wt.%的配比加入到单锥混料器3中，再用同样的方法将U₃O₈粉末料桶11中的U₃O₈粉末按照设定的比例加入到单锥混料器2；具体比例为：U₃O₈是UO₂总质量的0～20%。

其中，步骤（1）和步骤（2）中吸料管3内的负压为-30kPa。

（3）继续将剩下的50%UO₂粉末输送至单锥混料器2；

（4）当全部UO₂粉末、U₃O₈粉末和阿克腊进入单锥混料器2后，在单锥混料器2中充入一个大气压的氮气，然后进行UO₂粉末、U₃O₈粉末和阿克腊粉末的混料，单锥混料器2的公转转速为3rpm，自转转速为90rpm，混料时间是20min。；

（5）混合后的粉末进入制粒机4进行制粒生产，制粒后的粉末进入到双锥料桶5中；保证每一个双锥料桶中制粒粉末的重量≤300kg；

（6）用电子平台秤12称重每一个双锥料桶中制粒粉末的准确重量m1，根据这个重量和步骤（2）中阿克腊和U₃O₈的添加比例计算出每一个双锥料桶中UO₂粉末的质量m2，将质量为m2的0.3%的阿克腊加入到双锥料桶5中；

（7）将双锥料桶5放入到双锥混料器8中进行球化混合，双锥混料器8的转速为10rpm，球化混合时间为15min。

（8）球化混合完成后的双锥料桶5放入到中间容器6上，将球化后的粉末进入中间容器6，再由中间容器6进入旋转压机7，通过旋转压机7压制生产出密度为5.8g/cm³的UO₂芯块。

Claims

1.一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制芯块的装置，其特征在于，包括以下部件：组合旋风分离器（1）、单锥混料器（2）、吸料管（3）、制粒机（4）、双锥料桶（5）、中间容器（6）、旋转压机（7）、双锥混料器（8）、阿克腊容器（9）、UO₂粉末容器（10）、U₃O₈粉末料桶（11）和电子平台秤（12）；

其中，UO₂粉末装在UO₂粉末容器（10）中，阿克腊装在阿克腊容器（9）中，U₃O₈粉末装在U₃O₈粉末料桶（11）中；吸料管（3）内为负压环境，一端连接UO₂粉末容器（10）、阿克腊容器（9）和U₃O₈粉末料桶（11），另一端连接组合旋风分离器（1）；组合旋风分离器（1）分离出的产物进入到单锥混料器（2）中，单锥混料器（2）和双锥混料器（8）进行物料的混合；组合旋风分离器（1）用来分离UO₂粉末，制粒机（4）进行制粒生产，制粒后的粉末进入到双锥料桶（5）中，电子平台秤（12）用来称重，旋转压机（7）用来压制UO₂芯块；

吸料管（3）将UO₂粉末容器（10）中的UO₂粉末输送至组合旋风分离器（1）中，在组合旋风分离器（1）中分离出UO₂粉末，进入到单锥混料器（2）；同时，吸料管（3）将阿克腊容器（9）中的阿克腊和U₃O₈粉末料桶（11）中的U₃O₈粉末通过组合旋风分离器（1）中分离后加入到单锥混料器（2）中；在单锥混料器（2）中进行UO₂粉末、U₃O₈粉末和阿克腊粉末的混料；混合后的粉末进入制粒机（4）进行制粒生产，制粒后的粉末进入到双锥料桶（5）中，在双锥混料器（8）中进行球化混合；球化后的粉末进入中间容器（6），再由中间容器（6）进入旋转压机（7），通过旋转压机（7）压制UO₂芯块。

2.使用如权利要求1所述的一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制芯块的装置的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

（1）操作人员通过吸料管（3）内的负压将装在UO₂粉末容器（10）中的UO₂粉末输送至组合旋风分离器（1）中，在组合旋风分离器（1）中分离出UO₂粉末，进入到单锥混料器（2）；

（2）当UO₂粉末进入总质量的50%时，再通过吸料管（3）内的负压将阿克腊容器（9）中的阿克腊送至组合旋风分离器（1）中，在组合旋风分离器（1）中分离出阿克腊，按照UO₂粉末总质量的0.1wt.%的配比加入到单锥混料器（2）中，再用同样的方法将U₃O₈粉末料桶（11）中的U₃O₈粉末按照设定的比例加入到单锥混料器（2）；

（3）继续将剩下的50%UO₂粉末输送至单锥混料器（2）；

（4）当全部UO₂粉末、U₃O₈粉末和阿克腊进入单锥混料器（2）后，在单锥混料器（2）中充入一个大气压的氮气，然后进行UO₂粉末、U₃O₈粉末和阿克腊粉末的混料；

（5）混合后的粉末进入制粒机（4）进行制粒生产，制粒后的粉末进入到双锥料桶（5）中；保证每一个双锥料桶中制粒粉末的重量≤300kg；

（6）用电子平台秤（12）称重每一个双锥料桶（5）中制粒粉末的准确重量m1，根据这个重量和步骤（2）中阿克腊和U₃O₈的添加比例计算出每一个双锥料桶（5）中UO₂粉末的质量m2，将质量为m2的0.3%的阿克腊加入到双锥料桶（5）中；

（7）将双锥料桶（5）放入到双锥混料器（8）中进行球化混合；

（8）球化混合完成后的双锥料桶（5）放入到中间容器（6）上，将球化后的粉末进入中间容器（6），再由中间容器（6）进入旋转压机（7），通过旋转压机（7）压制生产出符合规格的UO₂芯块。

3.如权利要求2所述的一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制UO₂燃料芯块的方法，其特征在于：步骤（1）和步骤（2）中吸料管（3）内的负压为-30kPa。

4.如权利要求2所述的一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制芯块的方法，其特征在于：步骤（1）中UO₍₂₎粉末的松装密度为1.0g/cm³。

5.如权利要求2所述的一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制芯块的方法，其特征在于：通过吸料管（3）内的负压将U₃O₈粉末料桶（11）中的U₃O₈粉末加入到单锥混料器（2）的比例为：U₃O₈是UO₂总质量的0～20%。

6.如权利要求2所述的一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制芯块的方法，其特征在于：步骤（4）中，进行UO₂粉末、U₃O₈粉末和阿克腊粉末的混料时，单锥混料器（2）的公转转速为3rpm，自转转速为90rpm，混料时间是20min。

7.如权利要求2所述的一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制芯块的方法，其特征在于：步骤（8）中，将双锥料桶（5）放入到双锥混料器（8）中进行球化混合时，双锥混料器（8）的转速为10rpm，球化混合时间为15min。

8.如权利要求2所述的一种将阿克蜡添加入UO₂粉末压制芯块的方法，其特征在于：步骤（9）中，通过旋转压机（7）压制生产的的UO₂芯块规格为：密度为5.8g/cm³。