Индукционно-вакуумный переплав

Способы рафинирования урана

Все примеси, сопутствующие урану, обычно удаляют на предварительных стадиях обработки солей перед восстановлением. Однако в черновом слитке урана обычно содержится (в среднем):

· до 0,4 % шлака восстановительной плавки

· до 0,01 % азота

· до 0,05 % углерода

· до 0,01 % кислорода

· до 8-10 мл водорода на 100 г урана

· от 0,0001 до 0,001 % металлов.

Рафинирование чернового металла необходимо для:

· Наиболее полного удаления CaF₂ и др. «шлаков».

· Дегазации металла – удаления O, N, H.

· Удаления (снижения концентрации) углерода.

· Удаления остатков металла-восстановителя (например, Са).

· Удаление металлических загрязнений.

· Удаления «пустот» (раковин и пор) в металле.

В качестве методов рафинирования урана наибольшее распространение получили индукционно-вакуумный переплав, электролиз в солевых расплавах, зонная перекристаллизация.

В данном методе используется индукционный способ нагрева.

Вакуум в рабочем пространстве печи создаётся в две стадии:

1-я стадия - 0,2-0,3 мм рт.ст.

2-я стадия - 10^{-2 мм рт.ст. (т.е. 1-2 Па).}

Для оценки возможности и эффективности рафинирования чернового урана необходимо знать в каком виде загрязнения присутствуют в металле:

шлак – CaF₂ присутствует в виде дисперсионного и по границам зёрен металла;

кальций (металл-восстановитель) – сопутствует шлаковым включениям по границам зёрен. Следует учесть, что могут образовываться субфториды, т.е. вместо CaF₂ появится частично CaF₂-CaF;

углерод, кислород и азот образуют карбиды, оксиды, нитриды, точнее оксикарбонитриды;

водород – растворён в металле;

металлы-загрязнители – образуют сплавы с низкой концентрацией.

Индукционно-вакуумный переплав и индукционные печи обладают рядом преимуществ по сравнению с другими методами:

· тепло развивается в самом тигле (графит), что обеспечивает высокий термический коэффициент полезного действия печи

· черновой слиток может быть нагрет с предельной необходимой скоростью

· температура нагрева плавки не ограничена

· конструкция печи проста и внутри вакуумного пространства отсутствует арматура нагревателя

Печи со сливом из донной части нашли более широкое применение, нежели опрокидывающиеся, поскольку в данном случае металл, содержащий шлаковые примеси (обладающие более низкой плотностью и концентрирующиеся в верхней части жидкого металла) сливается в форму в последнюю очередь. Основная масса отливки получается чистой от шлаков.

Уран отливают в графитовые изложницы. Изложницы, подобно тиглю, обмазаны плавленой окисью магния для увеличения срока службы и получения болванок с хорошей поверхностью.

Схема конструкции индукционной печи, работающей при частоте f = 2500-4000 Гц с донным разливом металла.

Приёмно-распределительная чаша.	Изложница (вид сверху).

Условия переплава: t = 1380-1450 ^оС

продолжительность ~1,5 часа

На переплав поступают слитки металла Р_Σ = 1750-1800 кг. Поскольку извлечение составляет 92-96% то в шлак переходит 70-140 кг металла.

Разливка – 3 слитка х 600 (диаметр 200, h = 1300, 550-570 кг)

6 слитков х 300 (диаметр 160, h = 1000, 275-285 кг)

Изложница располагается под горячим тиглем и верхняя часть изложницы нагревается сильнее, чем нижняя. Это обуславливает направление кристаллизации металла снизу –вверх, т.к. верх лучше нагрет. Такое направление кристаллизации предохраняет отливки от образования раковин. Это также способствует ликвидации более лёгких примесей (вследствие ликвации).

Состав рафинированного металла:

Σ Са - 10^-4 масс.%

С - 0,04-0,06 масс.%

О - 0,002-0,005 масс.%

N - 0,002-0,005 масс.%

Н₂ - < 1 мл / кг

металлы без изменений

Плотность рафинированного урана 18,96 г/см³.

В процессе индукционно-вакуумного переплава возможно введение легирующих добавок (например, молибдена).

Схема устройства вакуумной индукционной печи для плавления урана:

1 – основание изложницы, 2 – нижняя часть изложницы, 3 – экраны, 4 – держатель изложницы, 5 – держатель огнеупорного экрана, 6 – кольцевое основание для тигля, 7 – ползун для поднятия пробки, 8 – кольцо для поддержки муфты из двуокиси циркония, 9 – внутренняя изоляционная муфта, 10 – опора тигля, 11 – индуктор, 12 – смотровое окно, 13 – верхняя изоляционная крышка, 14 – муфта, 15 – крышка тигля, 16 – тигель, 17 – пробка, 18 – изоляционное основание, 19 – верхняя часть изложницы, 20 – рычажное соединение, 21 – донная футеровка, 22 – рубашка изложницы.

Дата добавления: 2014-01-07