一種核反應堆用鉛鉍合金的製備方法

2023-05-24 02:22:56

專利名稱:一種核反應堆用鉛鉍合金的製備方法
技術領域：
本發明屬於金屬材料加工技術領域：
，涉及ー種適用於核反應堆的鉛鉍合金的製備方法。
背景技術：
鉛鉍合金是ー種用於核反應堆冷卻系統的金屬合金，屬於高純合金，要求對雜質進行嚴格控制。
國內外均開展了高純鉛鉍合金的製備研究，但均停留於實驗室規模或半エ業化規摸。現有的冶金技術熔煉該類合金，其技術難點是合金的成分控制不精確、合金熔煉過程中增氧、鑄錠成分偏析、形成包晶或高熔點化合物以及生產過程產生有害的鉛和鉍的蒸汽；另外使用未鈍化的坩堝，合金熔煉過程中會增碳或引入其他雜質。

發明內容
本發明的技術解決問題克服現有技術的不足，提供ー種核反應堆用鉛鉍合金的製備方法，該方法製備高的純鉛鉍合金，解決了合金熔煉過程中增氧、增碳問題，解決了目標產物成分偏析等問題，實現了對合金主要成分的精確控制，熔煉出成分合格的鉛鉍合金。
本發明的技術方案如下ー種適用於核反應堆的鉛鉍合金的製備方法，實現步驟如下
(I)熔煉前對鉛進行純化處理；
(2)熔煉前對坩堝進行鈍化處理；
(3)熔煉前對錠模進行加熱烘烤除氣，烘烤溫度350 800°C ；
(4)按照所設計的成分對純鉛和鉍進行配料，將純鉛冷裝於真空爐內的坩堝，將鉍裝入合金料鬥中；
(5)將真空感應爐抽真空至O. I IOPa後，升溫至400 600°C，待鉛熔化後，充入純度為99. 99 99. 999%的氬氫混合氣至O. 01 O. 5MPa，其中所述氬氫混合氣中氫氣的含量為2 7v% ；
(6)通過合金料鬥分批加入純金屬鉍，保持溫度在400 600°C，待熔化後，充分攪拌，然後真空感應爐抽真空至O. I IOPa以下保持3 15分鐘；最後充氬和氫的混合氣體至O. 01 O. 5MPa，其中所述氬和氫的混合氣體中氫氣的含量為2 7v% ；
(7)利用直讀光譜儀在線檢測合金元素成分並依據測試結果增補鉛或鉍元素，待成分測試結果合格後，冷卻至200 400°C進行真空澆注，脫錠。
所述步驟(I)中對對鉛進行純化處理的過程為將裝有原料鉛的坩堝置於手套箱內的馬弗爐中，通入純度為99. 99 99. 999%氫氣，加熱至450 800°C，保溫4 8小時。
所述步驟(2)中對坩堝進行鈍化處理的過程為將坩堝塗刷耐高溫封閉塗料，置於馬弗爐中加熱至800 1200°C，保溫30 60分鐘，冷卻至室溫。
所述步驟出)中的攪拌可以採用電磁攪拌，如果是噸量級也可採用機械攪拌與電磁攪拌混合攪拌。
本發明的原理採用真空感應熔煉的方式，熔煉前對鉛進行前處理，坩堝進行鈍化處理，熔煉時同時進行電磁攪拌與機械攪拌，並通氬氣和氫氣的混合氣體進行保護，為確保生產過程的絕對安全性，氫氣的含量控制在2 7v%，錠模系統採用快速冷卻技術。對鑄錠成分進行檢測，若滿足要求，即完成熔煉；否則添加合金元素直至成分合格，而後進行澆注、脫錠。
本發明與現有技術相比的優點在於
(I)本發明採用真空感應熔煉方式製備高純鉛鉍合金，在真空感應爐內對爐料進行熔煉，熔煉前對鉛進行處理，熔煉過程中加氬氣與氫氣的混合氣體保護；而且坩堝使用前進行鈍化處理，並充分攪拌，以確保主要成分混合均勻；錠模系統採用快速冷卻技術，這樣解決了合金熔煉過程中增氧、增碳問題，解決了目標產物成分偏析等問題，實現了對合金主要成分的精確控制，熔煉出成分合格的鉛鉍合金。
(2)使用氬氣與氫氣的混合氣體保護，抑制了鉛和鉍的揮發，降低了目標產物中氧含量；坩堝鈍化處理，減少了雜質的引入，提高了目標產物的純度；
(3)採用機械加電磁攪拌技術，鑄錠時採取快速冷卻技術，縮短了生產周期，製備的鉛鉍合金無成分和組織偏析；
(4)熔煉工藝可重複性高，製備的鉛鉍合金純度高，達到了設計要求，可以實現大規模工業化生產。
具體實施方式
本發明以高純鉛和鉍為原材料，在真空感應爐內對爐料進行熔煉。熔煉前對鉛和鉍進行處理，熔煉過程中加氬氣與氫氣的混合氣體保護。坩堝使用前進行鈍化處理，並採用電磁攪拌與機械攪拌相結合的方式進行充分攪拌，以確保主要成分混合均勻。錠模系統採用快速冷卻技術。
下面結合實施例對本發明進行詳細說明。
實施例I
採用本發明的工藝，製備出了合格的鉛鉍合金，具體熔煉製備工藝流程如下。
I.熔煉前對鉛進行處理將原料鉛置於密閉的坩堝中通入純度為99. 99 99. 999%的氫氣，加熱至550 750°C，保溫5 8小時；
2.熔煉前對坩堝進行鈍化處理將坩堝塗刷耐高溫封閉塗料，置於馬弗爐中加熱至800 1000°C，保溫30 50分鐘，冷卻至室溫；
3.熔煉前對錠模進行加熱烘烤除氣，烘烤溫度500 700°C ；
4.按照設計成分進行配料，純鉛冷裝於真空感應爐內的坩堝中，鉍裝入合金料 鬥；
5.抽真空至2 8Pa後，升溫至450 550°C，待鉛熔化後，充高純氬和氫混合氣體(氫氣含量3 6v% )至0. 08 0. 3MPa ；
6.待鉛熔化後，通過料鬥分批加入純金屬鉍，保持溫度在450 550°C，進行電磁攪拌，待熔化後，抽真空至2 8Pa以下保持5 10分鐘；然後充氬+氫混合氣體至0. 08
0.3MPa ；[0032]7.直讀光譜儀檢測合金元素成分並依據測試結果增補合金元素，待成分合格後冷卻至250 350°C進行真空澆注，脫錠。如不合格，則返回步驟6。
實施例2
I.熔煉前對鉛進行處理將原料鉛置於密閉的坩堝中通入純度為99. 99%的氫氣，加熱至400 550°C，保溫4 6小時；
2.熔煉前對坩堝進行鈍化處理將坩堝塗刷耐高溫封閉塗料，置於馬弗爐中加熱至800 1000°C，保溫30 40分鐘，冷卻至室溫；
3.熔煉前對錠模進行加熱烘烤除氣，烘烤溫度350 800°C ；
4.按照設計成分進行配料，純鉛冷裝於真空感應爐內的坩堝中，鉍裝入合金料鬥；
5.抽真空至6 IOPa後，升溫至400 550°C，待鉛熔化後，充高純氬和氫混合氣體(氫氣含量3 6v% )至O. 08 O. 3MPa ；
6.待鉛熔化後，通過料鬥分批加入純金屬鉍，保持溫度在400 550°C，同時進行電磁攪拌與機械攪拌，待熔化後，抽真空至6 IOPa以下保持5 10分鐘；然後充氬+氫混合氣體至O. 08 O. 3MPa ；
7.直讀光譜儀檢測合金元素成分並依據測試結果增補合金元素，待成分合格後冷卻至250 350°C進行真空澆注，脫錠。如不合格，則返回步驟6。
實施例3
I.熔煉前對鉛進行處理將原料鉛置於密閉的坩堝中通入純度為99. 99%的氫氣，加熱至450 500°C，保溫4小時；
2.熔煉前對坩堝進行鈍化處理將坩堝塗刷耐高溫封閉塗料，置於馬弗爐中加熱至800 900°C，保溫30 40分鐘，冷卻至室溫；
3.熔煉前對錠模進行加熱烘烤除氣，烘烤溫度350 400°C ；
4.按照設計成分進行配料，純鉛冷裝於真空感應爐內的坩堝中，鉍裝入合金料鬥；
5.抽真空至O. I 2Pa後，升溫至450 500°C，待鉛熔化後，充高純氬和氫混合氣體(氫氣含量3 5v% )至O. 03 O. 05MPa ；
6.待鉛熔化後，通過料鬥分批加入純金屬鉍，保持溫度在450 500°C，進行電磁攪拌，待熔化後，抽真空至2Pa以下保持5 8分鐘；然後充氬+氫混合氣體至O. 03
O.05MPa ；
7.直讀光譜儀檢測合金元素成分並依據測試結果增補合金元素，待成分合格後冷卻至250 300°C進行真空澆注，脫錠。如不合格，則返回步驟6。
實施例4
I.熔煉前對鉛進行處理將原料鉛置於密閉的中通入純度為99. 999%的氫氣，カロ熱至500 700°C，保溫5 7小時；
2.熔煉前對坩堝進行鈍化處理將坩堝塗刷耐高溫封閉塗料，置於馬弗爐中加熱至800 900°C，保溫40 50分鐘，冷卻至室溫；
3.熔煉前對錠模進行加熱烘烤除氣，烘烤溫度600 700°C ；
4.按照設計成分進行配料，純鉛冷裝於真空感應爐內的坩堝中，鉍裝入合金料鬥；
5.抽真空至5 8Pa後，升溫至500 700°C，待鉛熔化後，充高純氬和氫混合氣體(氫氣含量3 4v% )至0. 2 0. 3MPa ；
6.待鉛熔化後，通過料鬥分批加入純金屬鉍，保持溫度在500 700°C，同時進行電磁攪拌與機械攪拌，待熔化後，抽真空至5 SPa以下保持5 10分鐘；然後充氬+氫混合氣體至0. 2 0. 3MPa ；
7.直讀光譜儀檢測合金元素成分並依據測試結果增補合金元素，待成分合格後冷卻至300 350°C進行真空澆注，脫錠。如不合格，則返回步驟6。
本發明具有工藝可重複性高，易於工業化生產、生產成本低、裝備和工藝適用性強 的特點，實施本發明專利生產出來的鉛鉍合金，其化學成分完全滿足控制要求，合金中無成分偏析，夾雜物級別低，純淨度高，熔點低，可滿足核反應堆冷卻系統對液態金屬冷卻劑的要求。
權利要求
1.ー種核反應堆用鉛鉍合金的製備方法，其特徵在於實現步驟如下 (1)熔煉前對鉛進行純化處理； (2)熔煉前對坩堝進行鈍化處理； (3)熔煉前對錠模進行加熱烘烤除氣，烘烤溫度35(T800°C； (4)按照所設計的成份對純鉛和鉍進行配料，將純鉛冷裝於真空感應爐內的坩堝，將鉍裝入合金料鬥中； (5)將真空感應爐抽真空至O.f IOPa後，升溫至40(T600°C，待鉛熔化後，充入純度為99. 99 99. 999%的IS氫混合氣至O. 01 O. 5MPa,其中所述IS氫混合氣中氫氣的含量為2 7v% ； (6)通過合金料鬥分批加入純金屬鉍，保持溫度在40(T60(TC，待熔化後，充分攪拌，然後真空感應爐抽真空至O. f IOPa以下保持3 15分鐘；最後充氬和氫的混合氣體至O. 01^0. 5MPa,其中所述IS和氫的混合氣體中氫氣的含量為2 7v% ； (7)利用直讀光譜儀在線檢測合金元素成分並依據測試結果增補鉛或鉍元素，待成分測試結果合格後，冷卻至20(T40(TC進行真空澆注，脫錠； 所述步驟(I)中對鉛進行純化處理的過程為將裝有原料鉛的坩堝置於手套箱內的馬弗爐中，通入純度為99. 99 99. 999%氫氣，加熱至450 800で，保溫4 8小時， 所述步驟(2)中對坩堝進行鈍化處理的過程為將坩堝塗刷耐高溫封閉塗料，置於馬弗爐中加熱至80(Tl20(TC，保溫30 60分鐘，冷卻至室溫。
2.根據權利要求
I所述的ー種核反應堆用鉛鉍合金的製備方法，其特徵在於所述步驟(6 )中的攪拌採用電磁攪拌，或採用機械攪拌與電磁攪拌混合攪拌。
專利摘要
一種核反應堆用鉛鉍合金的製備方法，採用真空感應熔煉，1)將原料鉛置於手套箱內的坩堝中，加熱至450～800℃，通高純氫氣進行預處理；2)坩堝進行鈍化處理；3)按設計成分裝料，鉛冷裝於坩堝中，鉍裝於料鬥；4)真空度0.1～10Pa充氬氣和氫氣的混合氣體(氫氣含量2～7v％)至0.01～0.5Mpa，熔化溫度400～600℃；5)分批添加原料鉍，並採取電磁攪拌與機械攪拌相結合的方式攪拌；6)直讀光譜儀檢測合金成分並依據測試結果增補合金元素；7)成分合格後在真空下澆注，澆注溫度200～400℃。本發明生產出的鉛鉍合金成分、純度滿足設計要求，無成分和組織偏析，適用於核反應堆，並且工藝具有操作簡單，生產時間短，可重複性好，生產成本低的特點。
文檔編號G21C3/07GKCN102304632 B發布類型授權 專利申請號CN 201110245323
公開日2012年9月12日 申請日期2011年8月25日
發明者劉少軍, 徐敬堯, 朱志強, 高勝, 黃群英 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (1), 非專利引用 (1),