Организация плавки на ШП-7,5

Расчётная шихта для получения 7200-7500 кг металла

UF₄ --- 8500 кг (насыпная плотность d=3,5 г/см³)

Ca --- 2400 кг (плотность ρ=1,54 г/см³)

т.е. избыток 10-12 %

оборотная стружка

и другие чистые

отходы --- 900-1100 кг

Σ = 11800-12000 кг

Хорошее смешение шихты – используют вращающиеся барабаны.

Схематическая конструкция шахтной печи ШП-7,5 представлена ниже.

Под реакционной зоной печи устанавливают графитовую изложницу.

В разрезе схематически устройство изложницы можно представить следующим образом.

Тепловыделение при плавке составляет Q_Σ ≈ 4 мегакал. (18150 МДж). Это эквивалентно сжиганию ~400 кг керосина за 1-2 мин. Печь при этом испытывает сильный термический удар.

Тепловой баланс ШП-7,5

Q_Σ ≈ 4 мегакал. (18150 МДж)

Тепло реакции – 100%

тепло в металле потери тепла

18% во время

реакции

~2%

тепло

шлак-металл

5%

Q_акк. + Q_расс.

23%

потери тепла

во время отстоя

~14%

потери тепла

через поддон

во время отстоя

12%

тепло в сливаемом

шлаке 61%

тепло в слитках

11%

Q_слттки + Q_шлак = 72%

Возможность расслаивания жидких и твёрдых продуктов реакции определяется разностью плотностей металлического урана, жидкого фторида кальция и диоксида урана:

Плотность урана ρ_U ≈ 16 г/см³,

при t ≈ 1600 ^оС ρ_CaF2 ≈ 2,7 г/см³,

ρ_UO2(ТВ.) ≈ 9,6 г/см³.

Диоксид урана (с плотностью, лежащей между ураном и шлаком) собирается на границе раздела расплавленного урана и жидкого фторида кальция и способствует более полному их разделению.

Извлечение металла 96-99 % среднее ~97%

Получаются 4 слитка чернового металла по 1,8 – 1,875 т.

Если, скажем, в сумме получается 7200 кг металла, то шлака будет 4800 кг (CaF₂ + 220-240 кг U (при 97% извлечении)).

Шлак разливают на конвейере в подвижные чаши. Развес чушки – 25-30 кг, получают 150-180 чушек.

Состав чернового металла (масс.%)

CaF₂ 0.2 ÷ 0.5

C 0.08 ÷ 0.1

O 0.01 ÷ 0.03

N 0.01 ÷ 0.03

H 80 ÷ 100 мл норм./кг

Са металлич. от 10^-5 до 10^-2

Металлотермическое восстановление тетрафторида урана можно проводить кальцием или магнием. Чему следует отдать предпочтение? Тепловой эффект реакций различен.

UF₄ + 2 Ca → U + 2 CaF₂ + Q=137,6 ккал-г атом U

UF₄ + 2 Mg → U + 2 MgF₂ + Q=84,0 ккал-г атом U

но и t_плавл. CaF₂ 1418 ^oC

MgF₂ 1262 ^оС

ρ_Са = 1,54 г/см³ t_{пл. Са} = 810 ^оС t_{кип. Са} = 1487 ^оС

ρ_Mg = 1,74 г/см³ t_{пл. Mg} = 650 ^оС t_{кип. Mg} = 1107 ^оС

Преимущества магния: в несколько раз дешевле кальция и его производят в больших количествах, легче измельчается (т.к. более устойчив на воздухе), атомный вес в 1,6 раза меньше атомного веса кальция (меньше удельный весовой расход).

Недостатки магния: меньше тепловой эффект реакции и несколько более высокое давление паров.

Электролитические и Mg и Са непригодны из-за недостаточной чистоты. Технология дистилляции кальция отработана (хотя и не совсем). Нужен дистиллированный магний.

Положение может (возможно?) измениться, когда будет освоен силикотермический процесс получения магния:

MgO + x Fe_nSi → x Fe_nSiO_1/x + Mg↑ (t > 1200 ^oC)

В этом процессе требуется строго избирательная конденсация.

Производство кальциетермического урана за рубежом.

На заводе в Спрингфилдз (Англия) используют реакторы из мягкой стали, по форме напоминающие перевёрнутый усечённый конус, футерованные внутри фторидом кальция.

По окончании реакции реактор охлаждают и переносят в камеру разгрузки, в которой продукты реакции и футеровку выбивают из реактора и разделяют. Выход урана в черновой слиток до 99%.

Восстановление UF₄ кальцием на заводе Буше (Франция) проводится в реакторе, показанном на рисунке.

Реактор для кальциетермического получения урана.

1 – футеровка приёмника металла из фтористого кальция, 2 – кожух приёмника металла, 3 – стойка печи, 4 – шихтовый объём печи, 5 – футеровка печи из фтористого кальция, 6 – крышка печи, 7 – запальное устройство.

Реактор футерован фторидом кальция. Открытый конец патрубка в реакторе позволяет проводить реакцию при атмосферном давлении. Получают слитки урана до 160 кг с выходом до 98-99%.

Содержание примесей:

Fe 0.005-0.02 %

Si 0.01-0.05 %

Ca 0.002-0.005 %

Mn 00005-0.001 %

H₂ 3-5 мл на 100 г урана.

Процесс в Бельгии проводят аналогично французскому.

На заводах в Швеции шихту загружают в графитовый футерованный тигель, имеющий вид опрокинутой воронки. Тигель помещают в нержавстальной реактор, заполненный аргоном до давления 0,8 атм. Получают слитки весом до 30 кг. Прямой выход урана 98%. Примеси: Fe – 0.005 %; Si – 0.008 %; W – 0.003 %; B – 0.000015 %; C – 0.01 %.

Типичный автоклав (бомба) для получения металлического урана путём восстановления (ёмкость на 109 кг)

После восстановительной плавки помимо урана образуется шлак. Рассмотрим основы методики переработки шлака на примере магнийтермического восстановления UF₄. Богатые шлаки восстановительной плавки содержат до 10 % урана в виде дисперсного металла, оксидов, твёрдых растворов оксидов урана и оксидов других металлов. Непосредственное выщелачивание урана из шлака затруднено по следующим причинам:

· диоксид урана плохо растворяется в обычных кислотах;

· при реакции с кислотами металлических урана и магния выделяется водород, что повышает опасность производства;

· из-за наличия металлических включений шлак трудно поддаётся мелкому измельчению.

Переработку шлака осуществляют по следующей схеме. Вначале проводят дробление и окислительный обжиг (при температуре 800 ^оС). При этом протекают следующие реакции:

4 U + 5 O₂ → UO₂ + U₃O₈

3 UO₂ + O₂ → U₃O₈

2 Mg + O₂ → 2 MgO

2 U + MgO + 3 O₂ → MgU₂O₇

2 UO₂ + MgO + O₂ → MgU₂O₇

2 U₃O₈ + 3 MgF₂ + O₂ + 3 H₂O → 2 MgU₂O₇ + 6 HF

MgF₂ + H₂O → MgO + 2 HF

Образующиеся при этом оксиды и уранаты легче растворяются в кислотах. После обжига проводят тонкое измельчение и затем выщелачивание соляной кислотой с добавкой хлорита натрия (NaClO₃). Получаемая пульпа сгущается и фильтруется. Из раствора осаждается аммоний-уранил фосфат NH₄UO₂PO₄. При этом достигается отделение урана от фтора. Для отделения от фосфора проводится щелочная репульпация раствором гидроксида натрия при температуре 30-40 ^оС:

2 NH₄UO₂PO₄ + 8 NaOH → Na₂U₂O₇ + 2 Na₃PO₄ + 2 NH₃ + 5 H₂O

Осадок диураната натрия отделяется и поступает на дальнейшую переработку.

Дата добавления: 2014-01-07