[go: up one dir, main page]

RU2705845C1 - Способ рафинирования чернового урана - Google Patents

Способ рафинирования чернового урана Download PDF

Info

Publication number
RU2705845C1
RU2705845C1 RU2019124615A RU2019124615A RU2705845C1 RU 2705845 C1 RU2705845 C1 RU 2705845C1 RU 2019124615 A RU2019124615 A RU 2019124615A RU 2019124615 A RU2019124615 A RU 2019124615A RU 2705845 C1 RU2705845 C1 RU 2705845C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
uranium
temperature
carried out
ingot
vacuum
Prior art date
Application number
RU2019124615A
Other languages
English (en)
Inventor
Евгений Константинович Лысенко
Дмитрий Валерьевич Марушкин
Сергей Иванович Мозжерин
Владимир Геннадьевич Небогин
Александр Сергеевич Черкасов
Олег Игоревич Федин
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ")
Priority to RU2019124615A priority Critical patent/RU2705845C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2705845C1 publication Critical patent/RU2705845C1/ru

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B5/00General methods of reducing to metals
    • C22B5/02Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes
    • C22B5/04Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes by aluminium, other metals or silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B60/00Obtaining metals of atomic number 87 or higher, i.e. radioactive metals
    • C22B60/02Obtaining thorium, uranium, or other actinides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)

Abstract

Изобретение относится к металлургии и атомной технике и может быть использовано для пирометаллургического рафинирования чернового урана, полученного кальциетермическим восстановлением тетрафторида урана. Рафинирование чернового урана, полученного кальциетермическим методом, включает термообработку слитка в вакуумной печи с последующим удалением неметаллических включений с поверхности металла. Термообработку слитка чернового урана проводят в несколько этапов. Сначала нагрев и выдержку проводят в атмосфере вакуума при температуре ниже точки плавления урана, но выше температуры плавления кальция. Затем меняют атмосферу на аргон, осуществляют нагрев до температуры выше точки плавления урана, но ниже точки кипения кальция и проводят выдержку при этой температуре. Затем атмосферу снова меняют на вакуум, осуществляют нагрев до температуры 1250-1300°С и проводят выдержку при указанной температуре. Изобретение позволяет сократить содержание примесей в рафинированном металле и увеличить выход урана в слиток до 91,1%. 4 з.п. ф-лы, 1 табл.

Description

Изобретение относится к металлургии и атомной технике и может быть использовано для пирометаллургического рафинирования чернового урана, полученного кальциетермическим восстановлением тетрафторида урана.
Слитки чернового урана не получаются достаточно чистыми. В нем остаются шлаковые включения, оксикарбонитриды и примеси металлов. Рафинирование чернового металла необходимо для:
- наиболее полного удаления CaF2, СаО и других «шлаков»;
- дегазации металла - удаление О, N, Н;
- удаления (снижения концентрации) углерода;
- удаления остатков металла-восстановителя (например, Са);
- удаления «пустот» (раковин и пор) в металле.
В качестве методов рафинирования урана применяют вакуумное рафинирование, электролиз в солевых расплавах и рафинирования расплавленного металла в поле центробежных сил.
Известен способ, по которому получение и рафинирование металлического урана осуществляют электролизом диоксида урана в расплаве хлоридов урана, лития и калия в электролизере с графитовым анодом. (Патент RU 2497979, МПК С25С 3/34, опубл. 10.11.2013). Недостатком этого способа является использование агрессивных расплавов хлоридов урана, лития и калия и низкий выход металлического урана.
Известен способ рафинирования расплавленного металла в поле центробежных сил (Авторское свидетельство SU 461647, МПК С22В 9/02, опубл. 12.08.1977). По этому способу под действием центробежных сил, жидкий металл продавливается через фильтрующую пористую перегородку ротора, а твердая фаза примесей остается внутри ротора. Несмотря на высокую эффективность этого способа, центробежное рафинирование требует применения сложных высокотемпературных устройств с возможностью вращения тигля с расплавленным металлом относительно горизонтальной или вертикальной осей.
Наибольшее распространение, как наиболее простой, получил способ вакуумного рафинирования. Известен способ рафинирования чернового урана, полученного металлотермическим восстановлением тетрафторида урана кальцием или магнием, путем плавки в вакуумных индукционных печах при температуре 1450-1500°С и остаточном давлении 0,1 мм.рт.ст.и последующим удалением примесных включений с поверхности металла (B.C. Емельянов, А.И. Евстюхин, «Металлургия ядерного горючего». Атомиздат, Москва, 1968, стр. 277).
Недостатком этого способа, взятого за прототип, является разбрызгивание расплавленного металла в процессе рафинирования и, как следствие этого, низкий выход урана в слиток и снижение степени очистки от примесей.
Задача изобретения и достигаемый при использовании изобретения технический результат - увеличение выхода урана в слиток с низким содержанием примесей без локальных включений шлака.
Поставленная задача решается тем, что в способе рафинирования чернового урана, полученного кальциетермическим методом, включающем термообработку слитка в вакуумной печи с последующим удалением неметаллических включений с поверхности металла, согласно изобретению, термообработку слитка чернового урана проводят в несколько этапов: сначала нагрев и выдержку проводят в атмосфере вакуума при температуре ниже точки плавления урана, но выше температуры плавления кальция, затем меняют атмосферу на аргон, осуществляют нагрев до температуры выше точки плавления урана, но ниже точки кипения кальция и проводят выдержку при этой температуре, затем атмосферу снова меняют на вакуум, осуществляют нагрев до температуры 1250-1300°С и проводят выдержку при указанной температуре.
В частных случаях осуществления изобретения:
- слиток чернового урана нагревают в атмосфере аргона до температуры 1135-1200°С и осуществляют выдержку в течение 0,5-1,0 час;
- выдержку на заключительном этапе термообработки при температуре 1250-1300°С осуществляют в течение 1,0-1,5 час;
- термообработку на начальном этапе рафинирования урана в атмосфере вакуума проводят при температуре 950-1030°С в течение 1,0-1,5 час;
- термообработку чернового урана проводят в тигле из оксида магния.
При получении чернового урана кальциетермическим восстановлением тетрафторида урана избыток кальция может составлять 20-30 масс. % от стехиометрически необходимого количества. В черновом слитке урана остаток непрореагировавшего кальция концентрируется на поверхности слитка. Температура кипения кальция при атмосферном давлении составляет 1480°С. В условиях вакуума (1.10-2-1.10- 3 мм рт.ст.) при 1450-1500°С (прототип) температура кипения кальция снижается, что приводит к бурному перемешиванию, вскипанию кальция и других легколетучих примесей и разбрызгиванию урана и снижению его выхода в рафинированный слиток, а также уменьшению эффективности очистки урана в процессе ликвации примесных включений.
Проведение рафинирования изначально в условиях вакуума при температуре ниже точки плавления урана (1132°С), но выше температуры плавления кальция (850°С), позволяет избежать вскипания кальция и других легколетучих примесей и разбрызгивания урана, которые являются причиной снижения его выхода в рафинированный слиток, а также уменьшения эффективности очистки урана в процессе ликвации примесных включений.
В условиях вакуума в результате вакуумной дистилляции происходит удаление основной массы кальция с поверхности слитка без вскипания кальция, перемешивания и разбрызгивания урана. Далее, при повышении температуры рафинирования выше точки плавления урана (1132°С), атмосферу вакуума меняют на аргон, что позволяет снизить упругость паров кальция и снизить риск разбрызгивания расплава.
Заключительную стадию рафинирования проводят при температуре 1250-1300°С с заменой инертной атмосферы опять на вакуум. При этом происходит удаление остатков кальция, а также очистка урана от углерода, азота и кислорода за счет ликвации (всплытия) на поверхность расплава «легкого» (CaF2) и «тяжелого» шлака в виде оксикарбонитрида урана (UOCN). Экспериментально установлено, что проведение заключительной стадии рафинирования ниже температуры 1250°С приводит к увеличению вязкости расплавленного урана и, как следствие этого, ухудшению ликвации (всплытию) тяжелого шлака (оксикарбонитрида урана) на поверхность расплава, что приводит к снижению эффективности очистки от кислорода, углерода и азота и других легковесных примесей. С другой стороны, при температуре выше 1300°С в условиях вакуума происходит взаимодействие материала тигля с расплавленным ураном и разбрызгивание расплавленного металла, приводящее к снижению выхода урана в слиток.
Высокая химическая активность урана и относительно высокая температура его плавки ограничивают круг материалов, из которых можно изготавливать тигли для его плавки и рафинирования. Тигли на основе оксидов металлов, как правило, обладают высокой температурой плавления, хорошей огнеупорностью и низким давлением пара в вакууме. Оксиды магния, циркония, бериллия и тория не смачиваются жидким ураном. Обычно тигли из оксидов циркония, тория и бериллия, а также из двуокиси урана применяют только в лабораторной практике при проведении плавок небольшой массы. Это объясняется дороговизной исходных материалов и сложностью изготовления керамических тиглей большого размера. Также применяются тигли из графита, покрытые оксидами кальция или магния.
Следует отметить, что поскольку в черновом уране углерод присутствует не только в виде (UOCN), но и карбидов урана (UC, UC2), представляется целесообразным проводить рафинирование чернового урана в тигле из оксида магния, так как это позволяет дополнительно снизить содержание примеси по углероду за счет протекания следующих реакций:
3MgO+UC→UO2+CO+3Mg
4MgO+UC2→UO2+2CO+4Mg
Кроме того, отличительной особенностью тиглей из оксида магния является их хорошая термостойкость, дешевизна и простота в изготовлении.
Осуществление изобретения.
Слитки чернового урана каждый весом 5,2+/-0,05 кг загружали в тигли из оксида магния (опыты №1-5) и тигель из оксида бериллия (опыт №6). Тигли помещали в вакуумную электропечь сопротивления и осуществляли термообработку в 3 этапа (по трем режимам):
1 - нагревали в вакууме до температуры ниже точки плавления урана, но выше температуры плавления кальция T1=850-1130°С и выдерживали при данной температуре в течение t1;
2 - заполняли печь аргоном, нагревали до температуры выше точки плавления урана, но ниже точки кипения кальция Т2=1135-1200°С и проводили выдержку при данной температуре в течение t2;
3 - вакуумировали печь, нагревали до температуры Т3=1250-1300°С и проводили выдержку при этой температуре в течение t3.
Термообработку при Т1 и Т3 проводили в вакууме при остаточном давлении Р=1.10-2-1.10-3 мм.рт.ст. (1 мм рт.ст=133,3 Па).
Термообработку при Т2 проводили в аргоне при давлении Р≥760 мм.рт.ст. (105 Па).
Режимы и результаты рафинирования чернового урана в соответствии с настоящим изобретением представлены в таблице (на примере опытов №1-6). Выход урана в слиток оценивали после удаления с верхней части слитка «тяжелого» шлака - оксикарбонитрида урана. Пример 7 относится к рафинированию чернового урана по прототипу.
Figure 00000001
Из данных таблицы видно, что в опытах по рафинированию урана №1-6, которые проводились по предложенным режимам рафинирования, были получены слитки рафинированного урана хорошего качества с низким содержанием примесей. Следует отметить, что при рафинировании в тигле из оксида магния (опыты №1-5) содержание примеси по углероду снижается в 2-3 раза. Таким образом, предложенный способ позволяет сократить содержание примесей в рафинированном металле и увеличить выход урана в слиток с 80,9% до 91,1%.

Claims (5)

1. Способ рафинирования чернового урана, полученного кальциетермическим методом, включающий термообработку слитка в вакуумной печи с последующим удалением неметаллических включений с поверхности металла, отличающийся тем, что термообработку слитка чернового урана проводят в несколько этапов, включающих сначала нагрев и выдержку, которые в атмосфере вакуума при температуре ниже точки плавления урана, и выше температуры плавления кальция, затем меняют атмосферу на аргон, осуществляют нагрев до температуры выше точки плавления урана и ниже точки кипения кальция и проводят выдержку при этой температуре, затем атмосферу снова меняют на вакуум, осуществляют нагрев до температуры 1250-1300°С и проводят выдержку при указанной температуре.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что слиток чернового урана нагревают в атмосфере аргона до температуры 1135-1200°С и осуществляют выдержку в течение 0,5-1,0 час.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выдержку на заключительном этапе термообработки при температуре 1250-1300°С осуществляют в течение 1,0-1,5 час.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термообработку на начальном этапе рафинирования урана в атмосфере вакуума проводят при температуре 950-1030°С в течение 1,0-1,5 час.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термообработку чернового урана проводят в тигле из оксида магния.
RU2019124615A 2019-08-02 2019-08-02 Способ рафинирования чернового урана RU2705845C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019124615A RU2705845C1 (ru) 2019-08-02 2019-08-02 Способ рафинирования чернового урана

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019124615A RU2705845C1 (ru) 2019-08-02 2019-08-02 Способ рафинирования чернового урана

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2705845C1 true RU2705845C1 (ru) 2019-11-12

Family

ID=68579721

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019124615A RU2705845C1 (ru) 2019-08-02 2019-08-02 Способ рафинирования чернового урана

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2705845C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116411186A (zh) * 2021-12-31 2023-07-11 中核北方核燃料元件有限公司 一种添加稀土元素纯化铀熔体的熔炼方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2960398A (en) * 1957-08-16 1960-11-15 William M Leaders Direct ingot process for producing uranium
RU2154691C1 (ru) * 1999-03-03 2000-08-20 Открытое акционерное общество "Новосибирский завод химконцентратов" Способ получения чернового обогащенного урана
RU2681331C1 (ru) * 2018-03-23 2019-03-06 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") Способ получения металлического урана

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2960398A (en) * 1957-08-16 1960-11-15 William M Leaders Direct ingot process for producing uranium
RU2154691C1 (ru) * 1999-03-03 2000-08-20 Открытое акционерное общество "Новосибирский завод химконцентратов" Способ получения чернового обогащенного урана
RU2681331C1 (ru) * 2018-03-23 2019-03-06 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") Способ получения металлического урана

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Громов Б.В. Введение в химическую технологию урана. М., Атомиздат, 1978, с. 303. *
Емельянов В.С. и др. Металлургия ядерного горючего. М., Атомиздат, 1968, с. 277. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116411186A (zh) * 2021-12-31 2023-07-11 中核北方核燃料元件有限公司 一种添加稀土元素纯化铀熔体的熔炼方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US2548897A (en) Process for melting hafnium, zirconium, and titanium metals
EP1409406B1 (fr) Silicium metallurgique de moyenne purete et procede d'elaboration
CN102719682B (zh) Gh901合金的冶炼方法
CN109844145B (zh) 生产富含pgm的合金的方法
BR112017009373B1 (pt) Processos para produção de ligas, e, ligas
RU2618038C2 (ru) Способ получения жаропрочного сплава на основе ниобия
RU2572117C1 (ru) Способ получения суперсплавов на основе никеля, легированных редкоземельными металлами
KR890003675B1 (ko) 규소분말의 용융응고법
RU2705845C1 (ru) Способ рафинирования чернового урана
EP2172424A1 (en) Method of solidifying metallic silicon
RU2507291C1 (ru) Способ получения лигатуры алюминий-скандий
CN113637860A (zh) 一种gh690合金的制备工艺
JPH10273311A (ja) 太陽電池用シリコンの精製方法及び装置
JPH05262512A (ja) シリコンの精製方法
RU2360014C2 (ru) Вакуумная дуговая гарнисажная печь
CN114134356A (zh) 一种锌合金生产工艺
RU2403299C1 (ru) Способ вакуумной очистки кремния и устройство для его осуществления (варианты)
US20180142328A1 (en) Process for the production of a pgm-enriched alloy
US20180142327A1 (en) Process for the production of a pgm-enriched alloy
Sidorov et al. Refining a complex nickel alloy to remove a sulfur impurity during vacuum induction melting: Part I
RU2392338C1 (ru) Способ получения литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе
RU2137857C1 (ru) Способ получения чистого ниобия
RU2407811C1 (ru) Способ переплавки лома меди и получения латунь и бронз и печь для осуществления способа
RU2807237C1 (ru) Способ выплавки жаропрочных сплавов на медной основе
JP2010208862A (ja) シリコン精製方法