一種高純鈾金屬的制備裝置及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬鈾提純的技術(shù)領(lǐng)域，更具體地講，涉及一種可用于區(qū)域熔煉鈾金屬及其他難熔重金屬的制備裝置和制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈾金屬中的雜質(zhì)元素、夾雜物種類和含量會直接影響鈾金屬的力學(xué)性能和抗腐蝕性能。
[0003]區(qū)域熔煉是目前應(yīng)用較多的材料提純的方法，其原理是當(dāng)一狹窄的熔區(qū)緩慢地由一長的金屬料棒的一端移向另一端時(shí)，利用固液界面處溶質(zhì)在液、固界面處的濃度差，使得富集在熔區(qū)的雜質(zhì)被逐漸趕到金屬料棒的尾端，經(jīng)多次區(qū)域熔煉之后，金屬料棒的前端可達(dá)到較高的純度。
[0004]區(qū)域熔煉的加熱方式很多，主要包括感應(yīng)加熱、電阻加熱、激光加熱和電子束加熱等。激光加熱和電子束加熱可獲得較為理想的熔區(qū)寬度，但電子槍和激光器的價(jià)格較高；電阻加熱時(shí)，固液界面的形態(tài)難以控制，并且熔區(qū)寬度較大。
[0005]難熔重金屬鈾及其合金的單晶因具有許多獨(dú)特的優(yōu)異性能而被廣泛地應(yīng)用于航空航天、高能物理、武器、電子電氣、醫(yī)學(xué)等許多高科技領(lǐng)域，成為國防部門的重要材料。區(qū)域熔煉還可進(jìn)行金屬單晶的制備，對于區(qū)域提純來說，單晶體的生長并不是一個必要的產(chǎn)物，然而二者是可以同時(shí)完成的。因?yàn)榫w的完整性及可溶雜質(zhì)的控制往往是可以一起實(shí)現(xiàn)的，一些極為完善的半導(dǎo)體晶體也是利用區(qū)域熔煉法生長出來的。
[0006]因此，研制一種簡單、經(jīng)濟(jì)、有效的高純鈾金屬的制備裝置及制備方法，對制備獲得高純貧鈾金屬，不僅具有顯著的工程應(yīng)用價(jià)值，還具有重要的科學(xué)研宄意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便并且能夠用于金屬鈾提純、單晶制備、熔煉于一體的高純鈾金屬的制備裝置及制備方法。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一方面提供了一種高純鈾金屬的制備裝置，所述制備裝置包括爐體、區(qū)域熔煉坩禍、熔煉系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，所述爐體中設(shè)置有料棒固定單元，所述料棒固定單元包括分別位于爐體頂部和底部并且相對設(shè)置的上卡頭與下卡頭；所述區(qū)域熔煉坩禍放置于所述下卡頭上，鈾金屬料棒穿過所述區(qū)域熔煉坩禍而固定在上卡頭與下卡頭之間；所述熔煉系統(tǒng)包括中頻電源和感應(yīng)線圈，所述感應(yīng)線圈環(huán)繞在所述區(qū)域熔煉坩禍的外圍并能夠沿著鈾金屬料棒的長度方向移動，所述感應(yīng)線圈與中頻電源連接；所述抽真空系統(tǒng)通過管道與所述爐體連通；所述測溫系統(tǒng)設(shè)置在爐體上；所述伺服系統(tǒng)包括升降單元與旋轉(zhuǎn)單元，所述升降單元與所述感應(yīng)線圈連接以實(shí)現(xiàn)并控制感應(yīng)線圈的移動，所述旋轉(zhuǎn)單元與所述上卡頭或下卡頭連接以實(shí)現(xiàn)并控制固定在上卡頭與下卡頭之間的鈾金屬料棒的自轉(zhuǎn)。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的高純鈾金屬的制備裝置的一個實(shí)施例，所述制備裝置還包括控制柜以及與爐體連通的冷卻水系統(tǒng)。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的高純鈾金屬的制備裝置的一個實(shí)施例，所述爐體上還設(shè)置有安裝門和觀察窗。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的高純鈾金屬的制備裝置的一個實(shí)施例，所述區(qū)域熔煉坩禍為陶瓷坩禍并且為圓柱管結(jié)構(gòu)坩禍。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的高純鈾金屬的制備裝置的一個實(shí)施例，所述抽真空系統(tǒng)包括機(jī)械泵、分子泵、真空閥、真空計(jì)和排氣閥，所述分子泵與爐體直接連接，所述機(jī)械泵與分子泵連接，所述真空計(jì)和排氣閥設(shè)置在爐體上。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的高純鈾金屬的制備裝置的一個實(shí)施例，所述真空閥包括預(yù)真空閥、低真空閥和高真空閥，所述預(yù)真空閥和低真空閥并聯(lián)設(shè)置在分子泵與機(jī)械泵之間，所述高真空閥設(shè)置在分子泵上。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的高純鈾金屬的制備裝置的一個實(shí)施例，所述測溫系統(tǒng)包括測溫組件和溫度顯示組件，所述測溫組件伸入至爐體內(nèi)并且與設(shè)置在爐體上的溫度顯示組件電連接。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的高純鈾金屬的制備裝置的一個實(shí)施例，所述測溫組件為熱電偶，所述測溫系統(tǒng)還包括雙比色紅外測溫儀。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的高純鈾金屬的制備裝置的一個實(shí)施例，所述升降單元包括升降驅(qū)動電機(jī)、升降機(jī)構(gòu)和第一減速機(jī)，所述旋轉(zhuǎn)單元包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、傳動連桿和第二減速機(jī)。
[0017]本發(fā)明的另一方面還提供了一種高純鈾金屬的制備方法，采用上述高純鈾金屬的制備裝置進(jìn)行高純鈾金屬的制備，并且所述制備方法包括以下步驟:
[0018]將鈾金屬料棒裝入爐體并固定在料棒固定單元上；
[0019]封閉爐體并抽真空至預(yù)定真空度；
[0020]開啟中頻電源并向位于鈾金屬料棒的頂部處的感應(yīng)線圈送中頻電流，開始區(qū)域熔煉；
[0021]待鈾金屬料棒開始熔化后，開啟升降單元使感應(yīng)線圈向下移動至鈾金屬料棒的底部處，必要時(shí)開啟旋轉(zhuǎn)單元使鈾金屬料棒自轉(zhuǎn)，同時(shí)調(diào)整移動速度和自轉(zhuǎn)速度直至完成區(qū)域熔煉，得到高純鈾金屬。
[0022]本發(fā)明高純鈾金屬的制備裝置結(jié)構(gòu)緊湊合理，制備方法簡單，整個系統(tǒng)使用安全、操作方便且具有較好推廣應(yīng)用價(jià)值。具體來說，本發(fā)明具有以下幾方面的特點(diǎn):
[0023]I)采用陶瓷材料作為區(qū)域熔煉坩禍的材料，顯著減小了其與難熔重金屬鈾在區(qū)熔過程中發(fā)生反應(yīng)的可能性；并且，本發(fā)明的區(qū)熔坩禍材料的抗熱震性能好，可實(shí)現(xiàn)多次區(qū)域熔煉提純，大大提高了提純效率和產(chǎn)品產(chǎn)量；
[0024]2)本發(fā)明充分利用了感應(yīng)加熱線圈的中頻感應(yīng)加熱優(yōu)點(diǎn)和在感應(yīng)加熱線圈匝數(shù)可調(diào)整的獨(dú)特設(shè)計(jì)。當(dāng)鈾金屬置于中頻電流線圈中時(shí)，其表面產(chǎn)生渦流，該渦流與外磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，金屬棒表面張力與未熔化部分向上的支持力與電磁力相互作用，保證熔化區(qū)域形成并將其托起；并且，操作者可以從麥克斯韋電磁場理論出發(fā)計(jì)算電磁力隨熔化區(qū)域及線圈半徑的變化規(guī)律，從而設(shè)計(jì)合適的線圈匝數(shù)及具體尺寸，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)；
[0025]3)本發(fā)明的真空系統(tǒng)由機(jī)械泵和分子泵組成，可實(shí)現(xiàn)爐體的高真空要求。
【附圖說明】
[0026]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的高純鈾金屬的制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2a和圖2b分別示出了鈾金屬料棒在利用本發(fā)明的高純鈾金屬的制備裝置進(jìn)行區(qū)域熔煉提純前、后的微觀組織圖。
[0028]圖3a、圖3b、圖3c、圖3d分別示出了含1000 μ g/g雜質(zhì)元素Fe的鈾金屬料棒的微觀組織圖、含1000 μ g/g雜質(zhì)元素Fe的鈾金屬料棒在利用本發(fā)明的高純鈾金屬的制備裝置進(jìn)行區(qū)域熔煉提純后的鈾金屬料棒中部的微觀組織圖、含1000 μ g/g雜質(zhì)元素Fe的鈾金屬料棒在利用本發(fā)明的高純鈾金屬的制備裝置進(jìn)行區(qū)域熔煉提純后的鈾金屬料棒中尾部的微觀組織圖、含1000 μ g/g雜質(zhì)元素Fe的鈾金屬料棒在利用本發(fā)明的高純鈾金屬的制備裝置進(jìn)行區(qū)域熔煉提純后的鈾金屬料棒尾部的微觀組織圖。
[0029]附圖標(biāo)記說明:
[0030]1-爐體、2-區(qū)域恪煉纟甘禍、3-上卡頭、4-下卡頭、5_恪煉系統(tǒng)、6-抽真空系統(tǒng)、7-測溫系統(tǒng)、8-伺服系統(tǒng)、9-升降單元、10-旋轉(zhuǎn)單元、11-中頻電源、12-感應(yīng)線圈、13-機(jī)械泵、14-分子泵、15-排氣閥、16-安裝門、17-觀察窗、18-鈾金屬料棒、19-預(yù)真空閥、20-低真空閥、21-尚真空閥、22-控制柜。
【具體實(shí)施方式】
[0031]在下文中，將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的高純鈾金屬的制備裝置及制備方法。
[0032]在采用區(qū)域熔煉工藝進(jìn)行提純的過程中，使用感應(yīng)加熱并通過設(shè)置合適的參數(shù)可以獲得較小的熔區(qū)寬度，同時(shí)由