金属铀电子束熔炼实验及数值模拟研究①

2020-03-25陈道明李鱼飞王震宏

矿冶工程 2020年1期

吴健，宋虎，曾钢，陈道明，李鱼飞，王震宏，苏斌

（中国工程物理研究院材料研究所，四川绵阳621900）

金属铀具有高密度和独特核性能，是核工业中一种重要的结构与功能材料［1－3］。随着核工业技术发展，对铀材料综合性能提出了越来越高的要求。已有研究结果表明［4－5］，杂质元素、夹杂物等缺陷会严重影响材料力学性能、抗腐蚀性能等。提高铀金属的纯净度，是合理控制铀合金及其零件中杂质含量及夹杂物尺寸与分布的关键。因此，开展金属铀纯化技术研究具有重要意义。

电子束熔炼是用于高熔点合金熔炼的一种新型熔炼技术，目前已被广泛应用于难熔金属的提纯［6－7］。金属铀密度远大于非金属夹杂物的密度，也大于铀的氧化物、氮化物和碳化物等夹杂物的密度，可以采用电子束熔炼技术对铀金属中的夹杂物及杂质进行去除。

为进一步了解电子束熔炼过程的物理实质，认识工艺参数对贫化铀电子束熔炼过程的影响规律，本文采用有限元方法对贫化铀电子束熔炼过程进行建模仿真，结合试验结果分析，对熔炼工艺进行优化，为提高贫化铀铸锭质量提供依据。

1 模型建立

1.1 数学模型

电子束熔炼传热过程采用非稳态导热偏微分方程表示［7－8］：

式中T 为温度，K；t 为时间，s；ρ 为密度，kg／m3；c 为比热容，J／（kg·K）；λ 为材料的热导率，W／（m·K）；Qp为凝固潜热，J／g。

1.2 模型建立及网格划分

利用ProCAST 有限元软件对金属铀电子束熔炼过程进行数值模拟，该软件采用有限元网格，具有粒子追踪、氧化夹渣分析、成分偏析分析等功能。本文采用电子束池熔法制备贫化铀锭，熔炼示意图如图1 所示。

图1 电子束熔炼示意

利用UG 软件建立三维几何模型，并通过ProCAST网格划分程序（Visual-Mesh）对三维模型进行网格划分，网格为四面体网格，网格数量约为100 万，网格如图2所示。水冷铜坩埚尺寸为170 mm×170 mm×90 mm。其三维有限元模型见图2。

图2 有限元模型及网格划分

1.3 边界条件与参数设定

电子束熔炼在真空环境下进行，熔体与周围环境的对流换热非常微弱，可忽略不计。熔体上表面暴露在真空中，主要的换热方式是辐射换热，辐射系数为e＝0.88。熔池下表面与水冷铜坩埚接触，以对流换热方式进行，界面换热系数h1＝2 000 W／（m2·K）。铜坩埚采用循环水冷却，对流换热系数为h2＝5 000 W／（m2·K），环境温度、冷却水温度均为25 ℃，金属及铜坩埚初始温度为25 ℃。模拟使用的材料物性参数如表1 所示［9－11］。

表1 贫化铀及铜坩埚主要物性参数

2 模拟结果分析

将建立的模型进行计算模拟，并利用后处理软件（Visual-View）分析电子束熔炼贫化铀过程中的温度场分布。

2.1 功率对熔炼温度场的影响

分别设置电子束的功率P ＝15 kW、25 kW、35 kW，计算模拟得到电子束熔炼过程中熔池热平衡时的温度分布云图，如图3 所示。可以看出，熔池中的等温线近似呈半椭圆形，从坩埚心部到坩埚壁面，熔体的温度下降非常快，熔体中心的高温有利于加速杂质元素的挥发。随着电子束功率增加，金属液温度升高，坩埚中被熔化的金属增多。

图3 传热平衡时金属温度场分布

金属固相率如图4 所示。可以看出，坩埚中心及底部的金属熔化较多，四周区域的金属熔化较少，进一步增加电子束功率有可能损伤水冷铜坩埚，因此可以采用双电子束枪熔炼金属。

2.2 双电子束熔炼优化

图4 坩埚中金属固相率

采用两把电子束枪在坩埚直径三等分的位置对金属液进行熔炼。分别设定电子束枪的功率P ＝15 kW、25 kW、35 kW，熔池的温度分布及坩埚中金属固相率分别见图5 和图6。相比于单电子束枪熔炼，双电子束枪可使熔池温度分布更加均匀。随着功率增加，熔池温度升高、体积增大。两把电子束枪以25 kW 以上功率进行熔炼时，可保持较大的熔池宽度和深度。

图5 双电子束熔炼传热平衡时金属温度场分布

图6 双电子束熔炼坩埚中金属固相率

3 实验研究

在数值模拟分析的基础上，开展贫化铀电子束熔炼实验。研究所用原料为直径40 mm 的贫化铀锭，熔炼前清除原料锭表面的油渍以及粉尘。将原料锭放置于水冷铜坩埚中，当炉内真空达到0.05 Pa 后开始送电，使用两把电子束枪对水冷铜坩埚中的金属进行熔炼。根据数值模拟结果，电子束功率设定为25 kW，熔炼时间为15 min。

分别对原料锭及电子束铸锭取样，采用原子发射光谱法（ICP-AES）进行材料化学成分分析，结果见表2。可以看出，电子束纯化后主要杂质元素均一定程度去除，Al、Si、Mn、Fe 元素去除效果明显。