的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種核工業(yè)用的鋰鉛合金Li17Pb83的制備方法。在高純氬氣環(huán)境中分別將原料Pb和Li加工成粒度為150～250目的粉末，再按設(shè)計(jì)成分配料混合均勻；將混合好的Pb粉和Li粉分批加入熔煉爐中加熱融化，同時(shí)進(jìn)行連續(xù)的電磁攪拌，控制溫度不超過470℃，維持?jǐn)嚢?5～25分鐘，隨后在400～450℃下將熔體靜置1～3小時(shí)，然后過濾，濾除高熔點(diǎn)的Li和Pb化合物；過濾后的鋰鉛合金Li17Pb83在270～320℃下使用獨(dú)特的鑄模真空熔鑄，獲得合金鑄錠。該方法解決了合金制備過程中成分偏析、溫度難以控制、Li的含量難以控制等關(guān)鍵問題。
【專利說明】—種核工業(yè)用的鋰鉛合金Li17Pb83的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種合金制備方法，具體涉及一種核工業(yè)用的高純鋰鉛合金Li17Pb83的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]聚變能是目前人類認(rèn)識(shí)到的可以最終解決人類能源危機(jī)和環(huán)境問題的重要途徑之一，是“安全、清潔、永久性”能源。
[0003]高純鋰鉛合金是核聚變反應(yīng)堆中的核心材料，是利用鋰在高能中子的轟擊下產(chǎn)生氫的同位素氚，氚與海水中提取的氘發(fā)生核聚變反應(yīng)產(chǎn)生巨大的能量，而合金在高溫下呈液態(tài)，經(jīng)循環(huán)冷卻將核聚變產(chǎn)生的巨大熱量帶出發(fā)電供人類使用。
[0004]鋰鉛合金作為氚增殖劑、冷卻劑及中子倍增劑，具有良好的抗輻照損傷能力，允許在真空容器之外在線提氚，與水和空氣沒有爆炸性反應(yīng)，是一種極具生命力的增殖劑和冷卻劑材料。
[0005]制備滿足核工業(yè)尤其是聚變堆工業(yè)所需的鋰鉛合金Li17Pb83 (摩爾比)，是研究聚變堆關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題的首要條件。各國均開展了實(shí)驗(yàn)規(guī)模和半工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的鋰鉛合金Li17Pb83的制備。但鋰鉛合金Li17Pb83制備存在諸多困難，如:金屬Li非?；顫?，易氧化，與水會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)；混合過程中Li與Pb合金化速率極快，同時(shí)釋放大量熱量，使制備過程中熔體的溫度控制變得困難；Li和Pb密度差別大，制備過程中可能由于攪拌不均勻、混合不充分而出現(xiàn)成分偏析或形成高熔點(diǎn)的化合物，LiPb (摩爾比)的熔點(diǎn)為482°C、Li7Pb2 (摩爾比)的熔點(diǎn)為726°C等。此外，合金制備過程中Li含量的控制也是一大難題。
[0006]中國專利CN101440437B介紹了一種鋰鉛合金制備方法，其沒有真正解決合金中出現(xiàn)宏觀偏析、高熔點(diǎn)化合物的形成等現(xiàn)象，以及成品合金中鋰含量的均勻性等問題，鋰鉛合金制備方法需要發(fā)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種核工業(yè)用的鋰鉛合金Li 17Pb83的制備方法，以解決合金中出現(xiàn)宏觀偏析、高熔點(diǎn)化合物的形成等問題，解決制備過程中局部的溫度控制困難的問題，解決合金中Li的含量難以控制，以及成品合金中鋰含量的均勻性等問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)合金成分的精確控制，高效熔煉出成分合格的核工業(yè)用的鋰鉛合金 Li17Pb83
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0009]一種核工業(yè)用的鋰鉛合金Li17Pb83的制備方法，包括以下步驟:
[0010]I)在高純氬氣環(huán)境中分別將原料Pb和Li加工成粒度為150?250目的粉末；
[0011]2)在高純氬氣環(huán)境中，按Pb和Li的設(shè)計(jì)成分進(jìn)行配料，將Pb粉和Li粉分別裝入各自的進(jìn)料斗，先將一部分Pb粉裝入攪拌池，啟動(dòng)機(jī)械攪拌，然后Li粉和Pb粉通過各自的進(jìn)料斗口進(jìn)入攪拌池混合均勻；
[0012]3)清洗熔煉爐和鑄模；
[0013]4)在高純氬氣環(huán)境中，將步驟2)混合好的Pb粉和Li粉分批加入熔煉爐中加熱融化，同時(shí)進(jìn)行連續(xù)的電磁攪拌，Li與Pb合金化并放出大量熱量，加料熔化吸熱，控制溫度不超過470°C，維持?jǐn)嚢?5?25分鐘，隨后在400?450°C下將熔體靜置I?3小時(shí)；
[0014]5)在高純氬氣環(huán)境中，將400?450°C的鋰鉛合金Li17Pb83通過過濾網(wǎng)進(jìn)行過濾，濾除高熔點(diǎn)的Li和Pb化合物；
[0015]6)將步驟5)過濾后的鋰鉛合金Li17Pb83在270?320°C下真空熔鑄，獲得合金鑄錠。
[0016]進(jìn)一步的，步驟4)中在線檢測(cè)合金的Li和Pb成分，并依據(jù)檢測(cè)結(jié)果返回步驟2)微調(diào)Li和Pb的配料比，將Li粉和Pb粉混合均勻后接著進(jìn)行步驟4)，待檢測(cè)成分合格后進(jìn)入步驟5)。
[0017]上述制備方法中，所述高純氬氣為99.99% -99.999%氬氣經(jīng)除水、除氧等雜質(zhì)處理后的氬氣；所使用的原料Li和Pb是高純鋰和高純鉛，即Li和Pb中的單個(gè)雜質(zhì)元素的含量< 5ppm,雜質(zhì)總含量小于300ppm。
[0018]在步驟2)按照 Pb 占 99.32% ±0.01%,Li 占 0.68±0.01 %進(jìn)行配料；Li 粉和 Pb粉通過各自的進(jìn)料斗口進(jìn)入攪拌池混合，攪拌20?30分鐘，讓Li和Pb充分接觸混合均勻。
[0019]步驟3)清洗熔煉爐的方法是:將熔煉爐加熱至400?450°C，抽真空至I?3Pa，保持3?5分鐘，然后充入0.08?0.3MPa的高純氬氣，保持4?6分鐘；再抽真空至I?3Pa，保持3?5分鐘，然后充入0.08?0.3MPa高純氬氣，保持4?6分鐘；如此重復(fù)處理2?3次，清除熔煉爐內(nèi)、熔煉爐內(nèi)表面及熔煉爐內(nèi)表面層廢氣。清洗鑄模的方法是:將鑄模加熱至450?550°C，保持20?30分鐘，烘烤清除鑄模內(nèi)、鑄模內(nèi)表面及鑄模內(nèi)表面層廢氣。
[0020]步驟6)真空熔鑄使用獨(dú)特的鑄造模具(簡(jiǎn)稱鑄模)，該獨(dú)特的鑄造模具是將模具設(shè)置在一個(gè)圓柱形空腔的中心，且在垂直于圓柱形空腔的軸線方向上有一水平軸，使得整個(gè)鑄造模具能繞該水平軸作緩慢的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)液態(tài)鋰鉛合金注入鑄造模具后，液態(tài)鋰鉛合金一邊隨鑄造模具緩慢地繞該水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，一邊冷卻成型，這樣減少鋰元素的重力偏析現(xiàn)象，進(jìn)一步保證鋰含量的均勻性，獲得符合要求的合金鑄錠。
[0021]本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:
[0022]1、Li和Pb密度差別大，合金易成分偏析和形成高熔點(diǎn)的化合物，因此，本發(fā)明在熔煉前采用固態(tài)粉末狀Pb和Li (粒度:Pb為150-250目、Li為150-250目)充分?jǐn)嚢杌旌瞎に?，熔煉中?yīng)用電磁攪拌工藝，從而確保了熔煉過程中鋰和鉛的接觸充分均勻，真正消除了宏觀偏析現(xiàn)象，避免了高熔點(diǎn)化合物的形成。
[0023]2,Li與Pb合金化時(shí)，熔體升溫速率極快，因此本發(fā)明讓混合均勻的Li和Pb分批進(jìn)入熔煉爐熔化吸熱，消解了 Li與Pb合金化放出的大量熱量，從而避免熔體升溫速率過快；在線溫度檢測(cè)與控制系統(tǒng)和電磁攪拌技術(shù)，可控制溫度不超過470°C，解決了合金制備過程中局部溫度難以控制的技術(shù)難題。
[0024]3、由于合金中Li含量很低，性質(zhì)非?；顫?，易氧化且與水會(huì)有劇烈反應(yīng)，熔煉Li損耗，Li的含量較難控制，所以，本發(fā)明在整個(gè)工藝過程中采用了高純氬氣保護(hù)，并對(duì)高純氬氣進(jìn)行凈化以去除其中的氧和水等雜質(zhì)。在氬氣保護(hù)下熔煉，大大降低熔煉Li損耗，解決了合金中Li的含量難以控制的問題，同時(shí)也降低了合金中雜質(zhì)含量，確保了熔煉的安全。
[0025]4、采用了高純鋰和高純鉛為原料，確保了合金中雜質(zhì)含量大大降低，雜質(zhì)含量小于 300ppm。
[0026]5、采用了鋰和鉛接觸充分均勻的工藝，熔煉中溫度不超過470°C，消除高熔點(diǎn)化合物形成的條件，最后采用過濾網(wǎng)的工藝，濾除高熔點(diǎn)的Li和Pb化合物，確保了合金中無高熔點(diǎn)的Li和Pb化合物。
[0027]6、采用了獨(dú)特鑄造模具，減少鋰元素的重力偏析，進(jìn)一步保證成品合金中鋰含量的均勻性。
[0028]7、制備過程中進(jìn)行在線成分檢測(cè)，保證獲得成分合格的鋰鉛合金鑄錠。

【具體實(shí)施方式】
[0029]以下通過【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但這并非是對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的基本思想，可以做出各種修改或改進(jìn)，但是只要不脫離本發(fā)明的基本思想，均在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
[0030]實(shí)施例一
[0031]根據(jù)下述步驟制備鋰鉛合金Li17Pb83:
[0032](I)氬氣(99.99% )使用前必須進(jìn)行除水、除氧等雜質(zhì)的處理。
[0033](2)采用高純鋰和高純鉛為原料，在高純氬氣環(huán)境中分別將原料Pb和Li加工成粉末狀，粒度:Pb為250目、Li為250目。
[0034](3)Pb粉和Li粉均勻混合:按照設(shè)計(jì)成分Pb:99.32 % ±0.01 %, Li:0.68±0.01%，進(jìn)行配料，Pb粉和Li粉分別裝入各自的進(jìn)料斗；進(jìn)入攪拌池進(jìn)行機(jī)械攪拌時(shí)，Pb粉先進(jìn)入一部分，啟動(dòng)機(jī)械攪拌機(jī)攪拌，然后Li粉和Pb粉通過各自的進(jìn)料斗口進(jìn)入攪拌池混合，攪拌20分鐘，讓Li粉和Pb粉充分接觸混合均勻。
[0035](4)清洗熔煉爐和鑄模:將熔煉爐加熱到400°C，抽真空至1.5Pa，保持5分鐘，充入0.1MPa高純氬氣，保持4分鐘；再抽真空至IPa，保持3分鐘，充入0.1MPa高純氬氣，保持4分鐘；重復(fù)2次，清除熔煉爐內(nèi)、熔煉爐內(nèi)表面及熔煉爐內(nèi)表面層廢氣。將鑄模加熱到450°C，保持30分鐘，烘烤清除鑄模內(nèi)、鑄模內(nèi)表面及鑄模內(nèi)表面層廢氣。
[0036](5) Li與Pb合金化:將混合均勻的鋰鉛粉分批進(jìn)入熔煉爐，加熱熔化，同時(shí)對(duì)熔體進(jìn)行連續(xù)電磁攪拌；Li與Pb合金化成Li17Pb83，并放出大量的熱量，加料熔化吸熱，觀察溫度的變化，控制溫度不超過470°C，維持?jǐn)嚢?0分鐘，隨后在400°C下將熔體靜置3小時(shí)。
[0037](6)在線檢測(cè)Li和Pb成分并依據(jù)檢測(cè)結(jié)果返回到步驟(3)微調(diào)Li和Pb的配料t匕,待熔煉合金成分合格后,將400°C鋰鉛合金Li17Pb83通過過濾網(wǎng)進(jìn)行過濾，濾除高熔點(diǎn)的Li和Pb化合物，雜質(zhì)含量小于290ppm。
[0038](7)真空熔鑄，當(dāng)270°C液態(tài)鋰鉛合金注入獨(dú)特鑄造模具后，液態(tài)鋰鉛合金一邊隨鑄造模具緩慢地繞該水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，一邊冷卻成型，這樣可減少鋰元素的重力偏析現(xiàn)象，進(jìn)一步保證鋰含量的均勻性，獲得符合要求的合金鑄錠。
[0039]以上過程都是在高純氬氣環(huán)境中進(jìn)行的。
[0040]實(shí)施例二
[0041]根據(jù)下述步驟制備鋰鉛合金Li17Pb83:
[0042](I)氬氣(99.995% )使用前必須進(jìn)行除水、除氧等雜質(zhì)的處理。
[0043](2)采用高純鋰和高純鉛為原料，在高純氬氣環(huán)境中分別將原料Pb和Li加工成粉末狀，粒度:Pb為200目、Li為200目。
[0044](3)Pb和Li固態(tài)粉末狀混合:按照Li和Pb的設(shè)計(jì)成分Pb:99.32% ±0.01%,L1:0.68±0.01%進(jìn)行配料，Pb粉和Li粉分別裝入各自的進(jìn)料斗；進(jìn)入攪拌池進(jìn)行機(jī)械攪拌時(shí)，Pb粉先進(jìn)入一部分，啟動(dòng)機(jī)械攪拌機(jī)攪拌，然后Li粉和Pb粉通過各自的進(jìn)料斗口進(jìn)入攪拌池混合，攪拌30分鐘，讓Li粉和Pb粉充分接觸混合均勻。
[0045](4)清洗熔煉爐和鑄模:將熔煉爐加熱至450°C，抽真空至1.8Pa，保持5分鐘，充入0.2MPa高純氬氣，保持5分鐘；再抽真空至1.5Pa，保持5分鐘，充入0.15MPa高純氬氣，保持5分鐘；重復(fù)2次，清除熔煉爐內(nèi)、熔煉爐內(nèi)表面及熔煉爐內(nèi)表面層廢氣。將鑄模加熱至500°C，保持20分鐘，烘烤清除鑄模內(nèi)、鑄模內(nèi)表面及鑄模內(nèi)表面層廢氣。
[0046](5) Li與Pb合金化:將混合均勻的鋰鉛粉分批進(jìn)入熔煉爐，加熱熔化，同時(shí)對(duì)熔體進(jìn)行連續(xù)電磁攪拌；Li與Pb合金化成Li17Pb83，并放出大量的熱量，加料熔化吸熱，觀察溫度的變化，控制溫度不超過470°C，維持?jǐn)嚢?5分鐘，隨后在420°C下將熔體靜置2小時(shí)。
[0047](6)在線檢測(cè)Li和Pb成分并依據(jù)測(cè)試結(jié)果返回到步驟(3)微調(diào)Li和Pb的配料t匕,待熔煉合金成分合格后,將420°C鋰鉛合金Li17Pb83通過過濾網(wǎng)進(jìn)行過濾，濾除高熔點(diǎn)的Li和Pb化合物，雜質(zhì)含量小于280ppm。
[0048](7)真空熔鑄，當(dāng)300°C液態(tài)鋰鉛合金注入獨(dú)特鑄造模具后，液態(tài)鋰鉛合金一邊隨鑄造模具緩慢地繞該水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，一邊冷卻成型，這樣減少鋰元素的重力偏析現(xiàn)象，進(jìn)一步保證鋰含量的均勻性，獲得符合要求的合金鑄錠。
[0049]以上過程都是在高純氬氣環(huán)境中進(jìn)行的。
[0050]實(shí)施例三
[0051]根據(jù)下述步驟制備鋰鉛合金Li17Pb83:
[0052](I)氬氣(99.999% )使用前必須進(jìn)行除水、除氧等雜質(zhì)的處理。
[0053](2)采用高純鋰和高純鉛為原料，在高純氬氣環(huán)境中分別將原料Pb和Li加工成粉末狀，粒度=Pb為150目、Li為150目。
[0054](3)Pb和Li固態(tài)粉末狀混合:按照設(shè)計(jì)成分基體為Pb ；L1:0.68±0.01%進(jìn)行配料，Pb粉和Li粉分別裝入各自的進(jìn)料斗；進(jìn)入攪拌池進(jìn)行機(jī)械攪拌時(shí)，Pb粉先進(jìn)入一部分，啟動(dòng)機(jī)械攪拌機(jī)攪拌，然后Li粉和Pb粉通過各自的進(jìn)料斗口進(jìn)入攪拌池混合，攪拌30分鐘，讓Li粉和Pb粉充分接觸混合均勻。
[0055](4)清洗熔煉爐和鑄模:將熔煉爐加熱至430°C，抽真空至2Pa，保持4分鐘，充入0.2MPa高純氬氣，保持6分鐘；再抽真空至3Pa，保持5分鐘，充入0.2MPa高純氬氣，保持6分鐘；重復(fù)2次，清除熔煉爐內(nèi)、熔煉爐內(nèi)表面及熔煉爐內(nèi)表面層廢氣。將鑄模加熱至550°C，保持20分鐘，烘烤清除鑄模內(nèi)、鑄模內(nèi)表面及鑄模內(nèi)表面層廢氣。
[0056](5) Li與Pb合金化:將混合均勻的鋰鉛粉分批進(jìn)入熔煉爐，加熱熔化，同時(shí)對(duì)熔體進(jìn)行連續(xù)電磁攪拌；Li與Pb合金化成Li17Pb83，并放出大量的熱量，加料熔化吸熱，觀察溫度的變化，控制溫度不超過470°C，維持?jǐn)嚢?5分鐘，隨后在450°C下將熔體靜置3小時(shí)。
[0057](6)在線檢測(cè)Li和Pb成分并依據(jù)測(cè)試結(jié)果返回到步驟(3)微調(diào)Li和Pb的配料t匕,待熔煉合金成分合格后,將430°C鋰鉛合金Li17Pb83通過過濾網(wǎng)進(jìn)行過濾，濾除高熔點(diǎn)的Li和Pb化合物，雜質(zhì)含量小于270ppm。
[0058](7)真空熔鑄，當(dāng)320°C液態(tài)鋰鉛合金注入獨(dú)特鑄造模具后，液態(tài)鋰鉛合金一邊隨鑄造模具緩慢地繞該水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，一邊冷卻成型，這樣減少鋰元素的重力偏析現(xiàn)象，進(jìn)一步保證鋰含量的均勻性，獲得符合要求的合金鑄錠。
[0059]以上過程都是在高純氬氣環(huán)境中進(jìn)行的。
【權(quán)利要求】
1.一種核工業(yè)用的鋰鉛合金Li17Pb83的制備方法，包括以下步驟: 1)在高純氬氣環(huán)境中分別將原料Pb和Li加工成粒度為150?250目的粉末； 2)在高純氬氣環(huán)境中，按Pb和Li的設(shè)計(jì)成分進(jìn)行配料，將Pb粉和Li粉分別裝入各自的進(jìn)料斗，先將一部分Pb粉裝入攪拌池，啟動(dòng)機(jī)械攪拌，然后Li粉和Pb粉通過各自的進(jìn)料斗口進(jìn)入攪拌池混合均勻； 3)清洗熔煉爐和鑄模； 4)在高純氬氣環(huán)境中，將步驟2)混合好的Pb粉和Li粉分批加入熔煉爐中加熱融化，同時(shí)進(jìn)行連續(xù)的電磁攪拌，Li與Pb合金化并放出大量熱量，加料熔化吸熱，控制溫度不超過470°C，維持?jǐn)嚢?5?25分鐘，隨后在400?450°C下將熔體靜置I?3小時(shí)； 5)在高純氬氣環(huán)境中，將400?450°C的鋰鉛合金Li17Pb83通過過濾網(wǎng)進(jìn)行過濾，濾除高熔點(diǎn)的Li和Pb化合物； 6)將步驟5)過濾后的鋰鉛合金Li17Pb83在270?320°C下真空熔鑄，獲得合金鑄錠。
2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟4)中在線檢測(cè)合金的Li和Pb成分，并依據(jù)檢測(cè)結(jié)果返回步驟2)微調(diào)Li和Pb的配料比，將Li粉和Pb粉混合均勻后接著進(jìn)行步驟4)，待檢測(cè)成分合格后進(jìn)入步驟5)。
3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述高純氬氣為99.99% -99.999%氬氣經(jīng)除雜處理后的氬氣；所使用的原料Li和Pb是高純鋰和高純鉛，即Li和Pb中的單個(gè)雜質(zhì)元素的含量彡5ppm,雜質(zhì)總含量小于300ppm。
4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟2)按照Pb占99.32% ±0.01%，Li占0.68±0.01 %進(jìn)行配料；Li粉和Pb粉通過各自的進(jìn)料斗口進(jìn)入攪拌池混合，攪拌20?30分鐘，讓Li和Pb充分接觸混合均勻。
5.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟3)清洗熔煉爐的方法是:將熔煉爐加熱至400?450°C，抽真空至I?3Pa，保持3?5分鐘，然后充入0.08?0.3MPa的高純氬氣，保持4?6分鐘；再抽真空至I?3Pa，保持3?5分鐘，然后充入0.08?0.3MPa高純氬氣，保持4?6分鐘；如此重復(fù)處理2?3次，清除熔煉爐內(nèi)、熔煉爐內(nèi)表面及熔煉爐內(nèi)表面層廢氣。
6.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟3)清洗鑄模的方法是:將鑄模加熱至450?550°C，保持20?30分鐘，清除鑄模內(nèi)、鑄模內(nèi)表面及鑄模內(nèi)表面層廢氣。
7.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟6)真空熔鑄使用的鑄模設(shè)置在一個(gè)圓柱形空腔的中心，且在垂直于圓柱形空腔的軸線方向上有一水平軸，使得整個(gè)鑄模能繞該水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)液態(tài)鋰鉛合金注入鑄模后，液態(tài)鋰鉛合金一邊隨鑄模緩慢地繞該水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，一邊冷卻成型。
【文檔編號(hào)】C22C1/02GK104328294SQ201410647654
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月15日
【發(fā)明者】章毛連, 吳宜燦, 黃群英, 許萬祥, 張永鋒, 馮捷, 何恩節(jié), 朱志強(qiáng), 高勝, 李春京 申請(qǐng)人:安徽科技學(xué)院