CN106929731A - 一种U-10Zr合金熔炼工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属型合金熔炼和成型工艺技术领域，具体涉及一种U‑10Zr合金熔炼工艺。包括以下步骤：(1)制备U‑50wt.％Zr中间合金；(2)制备U‑10wt.％Zr合金；利用中频感应炉，在CaO陶瓷坩埚内将U‑50wt.％Zr中间合金和贫铀进行感应熔炼；控制中频感应炉的真空度小于10‑ 1Pa，熔炼温度为1500～1600℃；(3)浇铸U‑10wt.％Zr合金；将步骤(2)中得到的铀锆合金放入中频感应炉内，通过石墨坩埚底铸的方式进行浇铸，在石墨坩埚的底部设置浇杯，在浇杯与模具之间设置泡沫陶瓷过滤器，通过此步骤的浇铸得到去除杂质后的U‑10wt.％Zr合金。通过上述技术方案可以保证金属型燃料金属型芯坯U‑10％Zr合金的制备质量，为金属燃料元件的批量化生产提供有利的技术和装备支持。

Description

一种U-10Zr合金熔炼工艺
技术领域
本发明属于金属型合金熔炼和成型工艺技术领域，具体涉及一种U-10Zr合金熔炼工艺。
背景技术
快堆转换区金属型元件中的芯体材料为铀锆合金，其中U-10％Zr合金。在快堆金属燃料中，以铀锆合金性能为最好，其中锆含量为10wt.％的合金由于导热性能好、易裂变原子密度高、Zr热中子截面低，同时该合金在热循环中具有优良的耐腐蚀性能和尺寸稳定性，因此被认为是一种很有前途的金属块中子增值反应堆的核燃料。同时这种新燃料可以使反应堆在更高的输出功率下运行并延长运行周期，从而提高经济性、安全性和燃料性能。
但是，目前还没有一种专门用于解决金属型燃料元件芯坯制备问题的U-10％wtZr合金熔炼成型工艺，亟需开展相关研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种U-10Zr合金熔炼工艺，以保证U-10％wtZr合金制备的质量，为金属型燃料元件的批量化生产提供有利的技术和装备支持。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种U-10Zr合金熔炼工艺，包括以下步骤：
(1)制备中间合金
按等重量比配制U、Zr，通过非自耗电弧炉将合金反复熔炼5～8次，制备出以Zr为基体、铀固溶于基体中的U-50wt.％Zr中间合金；
(2)制备U-10wt.％Zr合金
根据中间合金成分，按照U-10wt.％Zr重量配比计算所需要添加的贫铀的质量；此处添加的贫铀是U235＜0.4wt.％的铀金属；
利用中频感应炉，在CaO陶瓷坩埚内将U-50wt.％Zr中间合金和贫铀进行感应熔炼；控制中频感应炉的真空度小于10-1Pa，熔炼温度为1500～1600℃；
U-50wt.％Zr中间合金和贫铀完全熔化后进行保温，然后采用倾注式浇注将熔炼后的合金倾注在模具中；
(3)浇铸U-10wt.％Zr合金
将步骤(2)中得到的铀锆合金放入中频感应炉内，通过石墨坩埚底铸的方式进行浇铸，在石墨坩埚的底部设置浇杯，在浇杯与模具之间设置泡沫陶瓷过滤器，通过此步骤的浇铸得到去除杂质后的U-10wt.％Zr合金。
进一步的，如上所述的一种U-10Zr合金熔炼工艺，在步骤(2)和步骤(3)中，中频感应炉的频率为1500～2000Hz；在步骤(2)中，CaO陶瓷坩埚与感应线圈之间的结合为打结方式，CaO陶瓷坩埚的尺寸与中频感应炉中感应圈尺寸相匹配，使用石英砂将CaO陶瓷坩埚与感应圈打结到一起。
进一步的，如上所述的一种U-10Zr合金熔炼工艺，步骤(2)中，U-50wt.％Zr中间合金和贫铀完全熔化后，进行保温时的保温温度为1500～1600℃，保温时间为60min。
进一步的，如上所述的一种U-10Zr合金熔炼工艺，步骤(2)中，熔炼温度和保温温度都是1550℃。
进一步的，如上所述的一种U-10Zr合金熔炼工艺，步骤(2)中模具的直径为90mm，步骤(3)中浇杯的孔径为10mm，泡沫陶瓷过滤器的孔径为5～20PPI。
本发明技术方案的有益效果在于：通过设计多次熔炼的专用工艺路线，制订中间合金熔炼工艺和合金化工艺以及除渣成型工艺，保证了金属型燃料金属型芯坯U-10％Zr合金的制备质量，为金属燃料元件的批量化生产提供有利的技术和装备支持。
附图说明
图1为CaO陶瓷坩埚打结示意图；
图2为中间合金U-50wt.％Zr合金铸锭的金相照片；
图3为U-50wt.％Zr合金铸锭的XRD图谱；
图4为U-10wt.％Zr合金的抛光态金相；
图5为U-10wt.％Zr合金的XRD曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例结合附图对本发明技术方案进行进一步详细说明。
本发明一种U-10Zr合金熔炼工艺，包括以下步骤：
(1)制备中间合金。
按等重量比配制U、Zr，通过非自耗电弧炉将合金反复熔炼5～8次，制备出以Zr为基体、铀固溶于基体中的U-50wt.％Zr中间合金；
图2为熔炼8次的U-50wt.％Zr中间合金金相，样品抛光处理，样品中未出现未溶物，图中黑色针状组织为第二相，且分布均匀，图3为样品U-50wt.％Zr的XRD图谱，经分析为第二相UZr2。
在本实施例中，合金铸锭制备采用的非自耗电弧炉设备主要技术指标如表1所示。
表1DHL-1型非自耗电弧炉主要性能参数
序号 项目 技术参数
1 最大铸锭重量 100g(以钢计)
2 熔炼电极尺寸 Ф10Χ200mm
3 坩埚内径尺寸 Ф50Χ300mm(3个)
4 熔炼电源参数 频率50Hz、输入380V、输出20～60V(直流)
5 极限真空度 1.0Χ10-3Pa
6 引弧方式 手动
7 工作气体 氩气
(2)制备U-10wt.％Zr合金
根据中间合金成分，按照U-10wt.％Zr重量配比计算所需要添加的贫铀的质量；此处添加的贫铀是U235＜0.4wt.％的铀金属；
利用中频感应炉，在CaO陶瓷坩埚内将U-50wt.％Zr中间合金和贫铀进行感应熔炼；控制中频感应炉的真空度小于10-1Pa，熔炼温度为1500～1600℃(优选温度为1550℃)；在本实施例中，CaO陶瓷坩埚与感应线圈之间的结合为如图1所示的打结方式，CaO陶瓷坩埚的尺寸与中频感应炉中感应圈尺寸相匹配，使用石英砂将CaO陶瓷坩埚与感应圈打结到一起。
U-50wt.％Zr中间合金和贫铀完全熔化后进行保温，进行保温时的保温温度为1500～1600℃(优选温度为1550℃)，保温时间为60min。然后采用倾注式浇注将熔炼后的合金倾注在模具中。
真空感应炉是基于电磁感应和电流热效应原理，当交变电流通过感应圈时,在线圈周围产生交变磁场，炉内导电材料在交变磁场的作用下产生感应电势，在炉料表面一定深度形成电流(涡流)。炉料靠涡流加热熔化，熔化后的金属材料在电磁力的作用下产生强烈的运动，达到搅拌的效果，从而使金属成分更均匀。真空感应炉在制备软磁合金、高阻合金、耐热耐蚀合金以及纯金属方面具有突出的优点，其具有加热速度快、生产效率高、节省材料与锻模成本、无污染、耗能低等优点，同时还具有加热均匀、控温精度高以及芯表温差小等优点。缺点是该设备的最高熔炼温度较低，一般为1600℃～1700℃，在制备高熔点、难熔合金方面存在一定难度。在本实施例中，真空感应炉选用感应频率为1500～2000Hz的中频感应炉。
(3)浇铸U-10wt.％Zr合金
将步骤(2)中得到的铀锆合金放入中频感应炉内，通过石墨坩埚底铸的方式进行浇铸，在石墨坩埚的底部设置孔径为10mm的浇杯，在浇杯与模具之间设置孔径为5～20PPI泡沫陶瓷过滤器，通过此步骤的浇铸得到去除杂质后的U-10wt.％Zr合金。
图4为U-10wt.％Zr合金的铸态抛光金相，基体上分布着条形的第二相。图5为U-10wt.％Zr合金的XRD图谱，主要为U和UZr2相的峰为主。

Claims (5)

1.一种U-10Zr合金熔炼工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备中间合金
按等重量比配制U、Zr，通过非自耗电弧炉将合金反复熔炼5～8次，制备出以Zr为基体、铀固溶于基体中的U-50wt.％Zr中间合金；
(2)制备U-10wt.％Zr合金
根据中间合金成分，按照U-10wt.％Zr重量配比计算所需要添加的贫铀的质量；此处添加的贫铀是U235＜0.4wt.％的铀金属；
利用中频感应炉，在CaO陶瓷坩埚内将U-50wt.％Zr中间合金和贫铀进行感应熔炼；控制中频感应炉的真空度小于10-1Pa，熔炼温度为1500～1600℃；
U-50wt.％Zr中间合金和贫铀完全熔化后进行保温，然后采用倾注式浇注将熔炼后的合金倾注在模具中；
(3)浇铸U-10wt.％Zr合金
将步骤(2)中得到的铀锆合金放入中频感应炉内，通过石墨坩埚底铸的方式进行浇铸，在石墨坩埚的底部设置浇杯，在浇杯与模具之间设置泡沫陶瓷过滤器，通过此步骤的浇铸得到去除杂质后的U-10wt.％Zr合金。
2.如权利要求1所述的一种U-10Zr合金熔炼工艺，其特征在于：在步骤(2)和步骤(3)中，中频感应炉的频率为1500～2000Hz；在步骤(2)中，CaO陶瓷坩埚与感应线圈之间的结合为打结方式，CaO陶瓷坩埚的尺寸与中频感应炉中感应圈尺寸相匹配，使用石英砂将CaO陶瓷坩埚与感应圈打结到一起。
3.如权利要求2所述的一种U-10Zr合金熔炼工艺，其特征在于：步骤(2)中，U-50wt.％Zr中间合金和贫铀完全熔化后，进行保温时的保温温度为1500～1600℃，保温时间为60min。
4.如权利要求3所述的一种U-10Zr合金熔炼工艺，其特征在于：步骤(2)中，熔炼温度和保温温度都是1550℃。
5.如权利要求1所述的一种U-10Zr合金熔炼工艺，其特征在于：步骤(2)中模具的直径为90mm，步骤(3)中浇杯的孔径为10mm，泡沫陶瓷过滤器的孔径为5～20PPI。
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