CN205603653U - 一种有效去除铀金属中杂质的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种有效去除铀金属中杂质的装置，所述装置包括电子束熔炼炉和设置在所述电子束熔炼炉的炉室中的熔炼坩埚，所述熔炼坩埚包括水冷铜坩埚和套装在所述水冷铜坩埚外周的石墨环，其中，所述水冷铜坩埚具有熔炼腔并且所述熔炼腔呈半球形。采用本实用新型的装置对铀金属进行熔炼后，铀金属中的夹杂物数量及尺寸明显减小，掺杂铀金属经电子束纯化后，掺杂元素Al含量降低至100μg/g以内，其余杂质去除率达到70％以上。

Description

一种有效去除铀金属中杂质的装置

技术领域

本实用新型涉及铀金属提纯的技术领域，更具体地讲，涉及一种有效去除铀金属中杂质的装置。

背景技术

铀及其合金由于其独特的物理化学性质使其在航空航天、能源、医学等领域中发挥越来越重要的作用。在能源方面，核能成为我国应对能源危机的重要解决方案之一，通过对核材料的深入研究成为支撑我国核能发展的重要保障。然而铀及其合金中的杂质元素会直接影响铀金属的性能，造成材料利用率低、性能不稳定、腐蚀加剧等现象。可查阅的大多数文献对铀及其合金的精炼提纯技术没有详细介绍，制备出的铀及铀合金存在杂质浓度高，性能不稳定等现象。目前，熔铸法是制备金属型核燃料的首选工艺，但一般的真空感应或电弧熔炼法受原料纯净度限制，且容易新引入杂质，已无法满足更高纯度铀金属的需求。

与真空感应熔炼等方法相比，电子束熔炼具有过热度高、真空度高、熔炼时间可控、无坩埚污染等特点。目前电子束熔炼主要针对钨、钼、钽、铌、锆、硅等金属。高温、低压条件为铀金属的脱气、夹杂物分解及上浮、元素挥发等物理化学过程创造了良好的热力学和动力学条件，从而可获得高纯铀金属。

虽然已有关于电子束熔炼铀金属的相关研究，但并没有精炼提纯工艺的详细报道，真空感应熔炼法制备的金属型核燃料中杂质含量较高，采用电子束精炼有望大幅降低杂质含量，提升合金质量，然而暂并未有相关研究。铀金属的电子束精炼提纯不同于常规金属，由于材料的特殊性亟需开发一种工艺周期短、杂质去除性强、产出投入比高的提纯装置。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型的目的是提供一种工艺周期短、杂质去除性强、产出投入比高的有效去除铀金属中杂质的装置。

本实用新型提供了一种有效去除铀金属中杂质的装置，所述装置包括电子束熔炼炉和设置在所述电子束熔炼炉的炉室中的熔炼坩埚，所述熔炼坩埚包括水冷铜坩埚和套装在所述水冷铜坩埚外周的石墨环，其中，所述水冷铜坩埚具有熔炼腔并且所述熔炼腔呈半球形。

根据本实用新型有效去除铀金属中杂质的装置的一个实施例，所述熔炼腔的深度为熔炼腔的半径的0.4～0.8倍，所述熔炼腔的内表面经抛光处理且表面粗糙度达到Ra 0.8。

根据本实用新型有效去除铀金属中杂质的装置的一个实施例，所述水冷铜坩埚的高度为熔炼腔的深度的1.5～2.5倍，所述水冷铜坩埚的外径与熔炼腔的直径的差值为20～50mm。

根据本实用新型有效去除铀金属中杂质的装置的一个实施例，所述水冷铜坩埚具有圆柱体的外形。

根据本实用新型有效去除铀金属中杂质的装置的一个实施例，所述石墨环包括若干层在高度方向上叠置的石墨圈并且所述石墨环高出水冷铜坩埚的上沿20～50mm，所述石墨圈由两个以上的扇形石墨块拼接而成，不同层石墨圈之间的扇形石墨块错位布置。

根据本实用新型有效去除铀金属中杂质的装置的一个实施例，所述石墨环的厚度为20～50mm，所述石墨环的内径与水冷铜坩埚的外径相同，所述石墨环的外径为石墨环的内径的2～5倍，所述石墨环的灰分含量不大于0.08％且气孔率不大于22％。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)除杂效率较高：本实用新型采用电子束过热熔炼来去除铀金属中的杂质，两次熔炼即可显著地减少杂质含量，缩短工艺时间并降低生产成本。其相比传统提纯工艺可减少工序2步以上，经过电子束熔炼提纯可降低铀中杂质70％以上，工艺重复性好、技术稳定性较高、材料的利用率高且各部分成分较均匀。

(2)应用面较广：本实用新型中的装置由水冷铜坩埚及石墨环组成，可根据实际情况配置不同直径多种规格的水冷铜坩埚及石墨环。利用本实用新型装置提高了铀熔体的流动性并改善了熔炼温度场，对纯化效果具有较大增益，不仅可满足铀金属的不同提纯要求，也适用于其它金属的提纯。

附图说明

图1示出了根据本实用新型示例性实施例的有效去除铀金属中杂质的装置中水冷铜坩埚的结构示意图，图1中未示出水冷铜坩埚中的环形冷却水通道。其中，φ1为水冷铜坩埚的熔炼腔直径，φ2为水冷铜坩埚的外径，H1为水冷铜坩埚的熔炼腔深度，H2为水冷铜坩埚的高度。

图2示出了根据本实用新型示例性实施例的有效去除铀金属中杂质的装置中石墨环的结构示意图。其中，R2为石墨环的内环半径，R3为石墨环的外环半径。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本实用新型实际上是采用电子束熔炼的方法来对铀金属进行熔炼，从而去除铀金属中的杂质。为了使电子束熔炼的工艺能够与铀金属提纯的目的相匹配，本实用新型提供了普适性更强且更适用于铀金属熔炼的装置，从而实现工艺周期短、杂质去除性强且产出投入比高的提纯目的。

下面先对本实用新型有效去除铀金属中杂质的装置的结构和原理进行详细的说明。

图1示出了根据本实用新型示例性实施例的有效去除铀金属中杂质的装置中水冷铜坩埚的结构示意图，图1中未示出水冷铜坩埚中的环形水冷通道；图2示出了根据本实用新型示例性实施例的有效去除铀金属中杂质的装置中石墨环的结构示意图。

如图1和图2所示，根据本实用新型的示例性实施例，所述有效去除铀金属中杂质的装置包括电子束熔炼炉(未示出)和设置在电子束熔炼炉的炉室中的熔炼坩埚，熔炼坩埚包括水冷铜坩埚1和套装在水冷铜坩埚1外周的石墨环4，其中，水冷铜坩埚1具有熔炼腔2并且熔炼腔2呈半球形。优选地，所述熔炼腔的内表面经抛光处理且表面粗糙度达到Ra 0.8，即至少达到Ra0.8，但本实用新型不限于此。

其中，本实用新型所采用的电子束熔炼炉可以采用现有的典型电子束熔炼炉，本实用新型不对此进行具体限制。电子束熔炼炉是在高真空下将高速电子束流的动能转换为热能作为热源来进行金属熔炼的设备，典型的电子束熔炼炉一般由6部分组成：1)电子枪：电子枪是电子束熔炼炉的心脏，它包括枪头(一般由灯丝、阴极、阳极等组成)、聚焦线圈和偏转线圈等，电子枪按其结构形式可分为轴向枪(或称皮尔斯枪)、非自加速环形枪、自加速环形枪及横向枪等，电子枪的数量有单枪、双枪和多枪等。2)进料系统：如果原料为预制好的自耗电极时，一般采用纵向或横向机械进料方式：如果原料为屑、块或颗粒状时，则采用给料仓的方式。3)铸锭系统：包括结晶器、拉锭机构和出锭机构筹。4)真空系统：包括真空机组、真空室、真空管道及阀门和真空测量系统等。5)电源系统：包括主电源(电子枪电源)及控制电源和操作电源等。6)冷却系统：包括全部冷却用水及管道阀门等。

本实用新型中主要的改进点是采用水冷铜坩埚1和石墨环4的组合结构来作为电子束熔炼炉的熔炼坩埚。其中，水冷铜坩埚1具有熔炼腔2并且熔炼腔2呈半球形，此种形状的坩埚弥补了传统圆柱形坩埚中熔体流动性差、料锭表面粗糙度较高以及容易断裂等缺陷，可实现铀金属原位熔炼且熔池均匀性更好的效果，更适用于铀金属的提纯，并且还可根据实际情况配置不同直径多种规格的水冷铜坩埚。其中，水冷铜坩埚1具有圆柱体的外形。根据本实用新型的优选实施例，熔炼腔2的深度H1为熔炼腔的半径的0.4～0.8倍，水冷铜坩埚1的高度H2为熔炼腔2的深度H1的1.5～2.5倍，水冷铜坩埚1的外径φ2与熔炼腔2的直径φ1的差值为20～50mm。

电子束熔炼的温度场分布从熔炼腔中心向边缘递减，因此本实用新型中熔炼腔的半球形的设计能够使熔池的温度均匀性更好。将熔炼腔2的深度H1设置为熔炼腔的半径的0.4～0.8倍，一方面为了使锭料出炉过程更加容易，另一方面由于电子束的加热深度有限，熔体表面到底部具有递减的温度场，若熔炼腔2的深径比过大(例如熔炼腔深度大于熔炼腔半径的0.8倍)，则处于半熔化状态的金属量将增多，这部分金属中夹杂物的挥发及上浮等作用将会减缓甚至消失。但若熔炼腔2的深径比过小(例如熔炼腔深度小于熔炼腔半径的0.4倍)，则金属液较浅，熔体在电子束作用下具有较多紊流，不利于粒径较小的夹杂物上浮，同时还大大降低了高纯铀金属的产量。在精炼时，利用铀与不挥发夹杂物的密度差以实现在熔体中的分离，通常希望无法挥发的夹杂物能够偏聚在熔体表层得以在出炉后切除，因此熔炼腔具有一定深度更加利于夹杂物的上浮及挥发，熔炼腔太浅或过深均不利于夹杂物的去除。

此外，水冷铜坩埚的高度和外径等限制主要是因为除了熔炼腔外还需满足环形冷却水的布置、力学性能及易操作性等要求，同时还需避免被电子束击穿以及过于笨重等不良技术效果。

此外，水冷铜坩埚1中还设置有环形冷却水通道，以实现对熔炼腔中金属液的冷却。

根据本实用新型，石墨环4可以包括若干层在高度方向上叠置的石墨圈并且石墨环高出水冷铜坩埚的上沿20～50mm，也即石墨环4可以仅包括一层石墨圈，也可以包括多层在高度方向上叠置的石墨圈，从而实现所需的高度要求。如图2所示，石墨环中的每个石墨圈可以由两个以上的扇形石墨块3拼接而成。优选地，不同层石墨圈之间的扇形石墨块3错位布置。在水冷铜坩埚1的外周套装铺设石墨环4可以有效缓解坩埚周围急冷急热、温差过大等现象，适当减缓电子束能量的流失并稳定熔体周围温度场，使得熔体表面受热更均匀并提高表面过热度。

根据本实用新型的优选实施例，石墨环4的厚度为20～50mm，石墨环4的内径与水冷铜坩埚1的外径φ2相同，石墨环4的外径为石墨环4的内径的2～5倍，其中，石墨环4的外径即为图2中所示石墨环的外环半径R3的两倍，石墨环4的内径即为图2中所示石墨环的内环半径R2的两倍。优选地，石墨环的灰分含量不大于0.08％且气孔率不大于22％。

石墨在高真空下是良好的耐火耐高温材料，易加工且成本低廉，热膨胀系数小且具有良好的抗热震性，水冷铜坩埚周围既有电子束的高温加热也有周围水冷装置，导致其温度场极不均匀，水冷铜坩埚套装石墨环后其尺寸相对稳定且不易因为温度剧变而崩裂。

石墨环的作用主要是：电子束熔炼提纯需要较好的熔体过热度，但由于铀的熔点较低，若电子束功率较大，熔体飞溅情况严重且耗能增加，在高真空高温下杂质挥发去除的同时铀也会发生挥发，电子束功率越大温度越高，则铀的损失也增加。加装石墨环后具有一定的保温作用，采用较低的电子束功率即可得到一定的熔体表面过热度，前面所述温度场分布从熔炼腔的中心向边缘递减，若不加装石墨环，则坩埚边缘的温度场较低，热损失增多且熔体温差更大，同样功率情况下有石墨环的熔体表面温度均匀性更高且过热度更高，大大增加了电子束的能量利用率。

石墨成分(包括灰分、气孔率)的限制主要是由于其中灰分较多时在高温高真空下这些灰分(比如SiO₂、Al₂O₃等)会被石墨还原而放出大量CO、Si和Al等的低价氧化物，多余气氛的产生不利于炉室真空的稳定及夹杂物的去除；而其气孔率较大，则会导致石墨表面容易吸附大量杂质气体，同样不利于提纯。

石墨环的分体设计主要是为了可根据实际工艺需要进行调整和加工，同时方便安装和拆卸。石墨环内径的设置主要是由于：石墨在液态铀中具有一定的溶解度，而碳属于杂质元素，若石墨环与熔体相距较近，则熔体中可能会引入石墨，若石墨环与熔体相距较远，则石墨环的有益作用将被削弱。石墨环外径的设置主要是由于：具有一定的宽度的石墨环的保温效果更好，并且石墨环能够限制熔体的飞溅范围，避免熔体溅射到炉体上。石墨环高出坩埚上沿的高度的设置是为了获得比较理想的熔体表面过热度，高度太高不利于熔炼过程中对熔体表面情况的观察，且石墨环也可能产生增多的挥发性气体释放；高度太低则熔体热量散失过快，效果不显著。

事实上，本实用新型的装置还可以包括设置在石墨环下方的石墨环底垫(未示出)，也即只需要通过石墨环底垫确保套装在水冷铜坩埚外周的石墨环能够高出水冷铜坩埚的上沿20～50mm即可，而不要求石墨环的整体高度高于水冷铜坩埚的上沿20～50mm。其中，所采用的石墨环底垫可以自由选择，本实用新型不对此进行具体限制，例如可以采用在高真空中挥发性较低及热稳定性较好的材料。

采用上述有效去除铀金属中杂质的装置进行熔炼时，可以包括装炉、预热、熔炼、出炉等多个步骤。

步骤A：装炉

将铀金属原料清洗后装入水冷铜坩埚1的熔炼腔2中并在水冷铜坩埚1的外周套装石墨环4。

其中，可以采用酒精对铀金属原料进行清洗，并且铀金属原料的形式可以为铀锭、铀块等常见料块形式。

步骤B：预热

将电子束熔炼炉抽真空，在真空条件下开启电子枪的高压和束流，调节电子枪功率和电子束的束斑直径并将电子束扫描铀金属原料表面进行预热，保持铀金属原料不被电子束熔化。

其中，抽真空后，控制炉室真空度达到5×10^-2Pa且电子枪室真空度达到2×10^-3Pa；并且在熔炼过程中，将炉室真空度保持在10^-2～10^-3Pa级且电子枪室真空度保持在10^-3～10^-4Pa级。

在本步骤中，以1～5kW/min的提升速率调节电子枪功率到10～30kW，并调整电子束的束斑直径使其与铀金属原料的边缘相切，均匀扫描铀金属原料表面并控制预热时间为2～5min。

步骤C：熔炼

逐步增加电子枪功率，待铀金属原料完全熔化后稳定电子枪功率并保温，保温结束后缓慢降低电子枪功率并停止电子束轰击。

在本步骤中，先控制电子枪功率(kW)与熔炼腔的半径(mm)的比值为1:1～2:1，待铀金属原料完全熔化后继续升高电子枪功率并控制电子枪功率(kW)与熔炼腔的半径(mm)的比值为3:1～4:1，保持2～10min后降低电子枪功率并调整电子枪功率(kW)与熔炼腔的半径(mm)的比值至2:1～3:1后，保温20～40min后以5～20kW/min的速率降低电子枪功率直至停止电子束轰击，其中，控制电子束的束斑直径为R/4～3R/4，R为水冷铜坩埚的熔炼腔的半径。

步骤D：出炉

向电子束熔炼炉中通入干洁空气并置换炉内气氛，待铀金属原料降温至室温后取出得到一次铀锭，去除一次铀锭的上端面表皮得到低杂质铀锭。

在本步骤中，打开炉室放气阀并向炉室内通入干洁空气，待炉室真空度为2～8×10³Pa后开启真空泵抽真空，待炉室真空度为50～80Pa后重新打开炉室放气阀并继续向炉室内通入干洁空气，反复2～4次后开炉取出一次铀锭，去除一次铀锭的上端面表皮1～5mm。

从开启电子枪加热开始，水冷铜坩埚中已通入冷却水，整个熔炼过程冷却水不间断，熔炼结束且停止电子束的轰击后，冷却水也持续开启，待熔体表面测温达到室温后方可关闭冷却水并出炉。

此外，本实用新型的方法还包括将低杂质铀锭底端朝上重新装炉并重复步骤A至D直至获得二次铀锭或多次铀锭的提纯步骤，去除二次铀锭或多次铀锭的上端面表皮和下端面表皮，得到更低杂质铀锭。优选地，去除二次铀锭或多次铀锭的上端面表皮和下端面表皮各1～5mm。

由此，采用上述装置后，两次熔炼即可显著减少铀金属中的杂质含量，缩短工艺并降低生产成本；相比传统提纯工艺可减少工序2步以上，经过电子束熔炼提纯可降低铀中杂质70％以上，工艺重复性好、技术稳定性较高、材料的利用率高且各部分成分较均匀。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种有效去除铀金属中杂质的装置，其特征在于，所述装置包括电子束熔炼炉和设置在所述电子束熔炼炉的炉室中的熔炼坩埚，所述熔炼坩埚包括水冷铜坩埚和套装在所述水冷铜坩埚外周的石墨环，其中，所述水冷铜坩埚具有熔炼腔并且所述熔炼腔呈半球形。

2.根据权利要求1所述的有效去除铀金属中杂质的装置，其特征在于，所述熔炼腔的深度为熔炼腔的半径的0.4～0.8倍，所述熔炼腔的内表面经抛光处理且表面粗糙度达到Ra 0.8。

3.根据权利要求1所述的有效去除铀金属中杂质的装置，其特征在于，所述水冷铜坩埚的高度为熔炼腔的深度的1.5～2.5倍，所述水冷铜坩埚的外径与熔炼腔的直径的差值为20～50mm。

4.根据权利要求1所述的有效去除铀金属中杂质的装置，其特征在于，所述水冷铜坩埚具有圆柱体的外形。

5.根据权利要求1所述的有效去除铀金属中杂质的装置，其特征在于，所述石墨环包括若干层在高度方向上叠置的石墨圈并且所述石墨环高出水冷铜坩埚的上沿20～50mm，所述石墨圈由两个以上的扇形石墨块拼接而成，不同层石墨圈之间的扇形石墨块错位布置。

6.根据权利要求5所述的有效去除铀金属中杂质的装置，其特征在于，所述石墨环的厚度为20～50mm，所述石墨环的内径与水冷铜坩埚的外径相同，所述石墨环的外径为石墨环的内径的2～5倍，所述石墨环的气孔率不大于22％。