專利名稱：生產(chǎn)陶瓷制品的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷制品的生產(chǎn)，特別是但不僅限于、涉及陶瓷塊、例如核燃料塊的生產(chǎn)。
一般來說，當(dāng)顆粒材料在模具中被壓實時，由于顆粒與顆粒、模具壁與顆粒之間的摩擦作用，會造成施加于顆粒體上的壓力發(fā)生變化，壓實體則具有不均勻的壓縮密度。壓坯的壓縮密度不均勻，在隨后的燒結(jié)中會使差別收縮加大而導(dǎo)致陶瓷制品變形。即使在燒結(jié)中不收縮，密度不均仍會在燒結(jié)件中保留，并成為脆弱的根由。
核燃料塊是陶瓷的、基本上為園柱形實心或空心體，它主要是或全部是由鈾的氧化物、特別是UO2組成。把這種塊聚集在護套中一起使用，就提供出燃料棒。成套的這種燃料棒就被用作核反應(yīng)堆中的活性元件。
在傳統(tǒng)的生產(chǎn)核燃料塊的方法中，例如在EP0277708中所描述的生產(chǎn)狀態(tài)中，氧化鈾的粉末是在模具中壓實，然后通常是在低于大氣壓和高溫下、例如1500℃至1800℃下燒結(jié)幾個小時。
要求塊體的形狀為正圓形圓柱體。產(chǎn)品規(guī)格通常是要求這樣的形狀。但是，在上述傳統(tǒng)狀態(tài)下生產(chǎn)出的塊，在燒結(jié)后可能得不到正圓形圓柱體的形狀，雖然所用塊模具的型腔本身是完美的正圓形圓柱體。生產(chǎn)出的塊形狀常常是腰部具有麥捆似的外形，亦即其橫截面積(垂直于塊軸)在塊長度各點上不相同，在塊中部附近的橫截面積小于兩端附近的橫截面積，通常在燒結(jié)后須對塊進行研磨，以合乎產(chǎn)品規(guī)格。這樣的研磨即費時又費錢。
本發(fā)明的目的是要在燒結(jié)后能減少或消除進行研磨的需要。
本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)陶瓷制品的方法，它包括的步驟有將顆粒材料做成坯；在其端部進行壓制；以及將坯進行燒結(jié)；該方法的特征在于，在壓制前所做的坯是用顆粒松密度不同的幾層顆粒材料做成的。
陶瓷制品可包括基本上為圓柱體形狀的陶瓷塊。
陶瓷塊可包括核燃料塊，而顆粒材料可包括核燃料材料。
我們通過實驗分析已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)所制得的麥捆形外形，是因燒結(jié)其內(nèi)部密度小于端部密度的坯所引起的。這一不同密度外形是由下述途徑形成的。用通常方法壓制用粉末做成的坯時，是把粉末放入正圓形圓柱體的模具型腔中，并從端部壓縮粉末。由于粉末坯體內(nèi)部的摩擦效應(yīng)，在坯體內(nèi)部不同區(qū)域經(jīng)受著載荷的變化，因而在塊中部附近就出現(xiàn)了坯體的輕微鼓起。鼓起區(qū)域的密度較端部區(qū)域為低，因為同樣多的顆粒占據(jù)了較大的容積。
本發(fā)明借助于在壓制前使用具有不同密度的顆粒材料區(qū)域，就使得由于上述鼓脹效應(yīng)引起的在壓縮時的密度降低得以抵消，因而就獲得了密度分布更均勻的壓坯。壓坯均勻了，本身就保證了在燒結(jié)后，燒結(jié)塊具有更均勻的橫截面形狀。
按照本發(fā)明的方法，顆粒材料坯的制法是，將核燃料材料的粉末或顆粒放入具有基本上正圓形圓柱體形狀的模具型腔中來制造。
上述顆粒材料坯在壓制前可包括幾層不同密度的單獨層。這樣的分層可以有基本上平面的接界，亦即與坯體的軸正交的平面。另一種辦法是，層間接界面也可以是非平面的，即凸的或凹的，以提供適當(dāng)?shù)拿芏韧庑巍?br> 另外，上述顆粒材料坯在壓制前，其中的密度變化可以逐步實施，例如在坯體的一部分長度上與距離成線性關(guān)系的變化。
上述顆粒材料坯在壓制前要求坯體兩端區(qū)域的密度小于內(nèi)部區(qū)域即靠近坯體中部區(qū)域的密度。
為獲得顆粒材料坯中的不同密度，可從多個備有不同顆粒松密度的不同顆粒材料源，往模具型腔中送入顆粒材料。從兩個材料源泄放材料時須加以控制，以使坯體中的密度外形符合要求。不同的顆粒材料，舉例說可包括同一組成但經(jīng)不同處理過的，也可以是不同顆粒結(jié)構(gòu)的。不同的顆粒類型可包括例如(a)用同一種粉末但用不同壓力進行預(yù)處理而做成的不同密度的顆粒；(b)用同一種粉末做的顆粒，但有的是磨過的，有的沒有磨過；(c)有的是片狀結(jié)構(gòu)的顆粒，有的是球形結(jié)構(gòu)的顆粒；或者(d)這些不同類型的多種結(jié)合。
在使用?；夹g(shù)生產(chǎn)不同密度的顆粒時，有多種大家熟知的方法可用來生產(chǎn)一種或多種不同密度類型的顆粒。例如，先經(jīng)模具預(yù)壓，隨后打碎過篩的方法。另外可用輥子壓。
例如用上述方法之一生產(chǎn)的顆粒材料，可包括二氧化鈾，其中可含有任選的添加劑，如氧化鈮(niobia)或氧化釓，或二氧化钚(例如高達重量的6％)，以提供混合氧化物(MOX)燃料塊。顆粒上還可涂有少量的、例如小于重量的1％的固體潤滑劑，如硬脂酸鋅，這可在預(yù)處理過程中加入，或者在壓制步驟中使用，這樣來處理制坯的粉末(用以直接制坯或間接地用作預(yù)壓制顆粒)。
按照本發(fā)明的方法，預(yù)壓和燒結(jié)步驟可在類似于現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài)下進行，但壓制步驟中的壓力可以隨著時間逐步增高到最大值，例如每cm26-7噸。
最大壓制壓力可從1至10t/cm2。燒結(jié)步驟可象現(xiàn)有技術(shù)一樣在惰性氣體大氣中進行，或在低于大氣壓下進行，惰性氣體例如可為氫或氫與惰性氣體的混合物，其中氫的重量含量可高達99％。燒結(jié)步驟可在1500℃至1800℃溫度下進行至少1小時，優(yōu)選為數(shù)小時，例如＞5小時。在燒結(jié)步驟中采用高于1大氣壓的壓力是理想的。
本發(fā)明有利地并意想不到地使所生產(chǎn)的陶瓷塊、如核燃料塊在外形上的邊比現(xiàn)有技術(shù)燒結(jié)后所得到的塊邊要更直。因此費錢的燒結(jié)后研磨的需要就減少了或消除了。
雖然本發(fā)明主要打算是生產(chǎn)在軸向截面上為直邊的陶瓷塊、如核燃料塊，但特殊用途的在其曲面上帶有凹槽的塊或鼓形塊也可利用本發(fā)明來進行生產(chǎn)。
用本發(fā)明生產(chǎn)的塊可以是完全實心的。另一種辦法，塊也可帶有軸向的穿孔。塊的兩端可以是平的或曲面的、例如凸的。塊的確切形狀通常將按照核反應(yīng)堆的具體類型(例如改進型氣體冷卻反應(yīng)堆(AGR)或輕水反應(yīng)堆(LWR))所規(guī)定的形狀來做，在反應(yīng)堆中，這種塊是組裝成燃料棒使用的。
下面我們將用實例參照附圖來說明本發(fā)明的實施方案，附圖有

圖1為現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的坯(燒結(jié)前)的外形簡圖。
圖2為現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的燒結(jié)后塊的外形簡圖。
圖3為用本發(fā)明的方法生產(chǎn)的塊的外形簡圖。
圖4和圖5分別為實際測量按現(xiàn)有技術(shù)和按本發(fā)明制造的塊外形曲線圖。
如圖1所示，在上述傳統(tǒng)狀態(tài)下在正圓形圓柱體截面的模具型腔中，壓制均勻的UO2或UO2基的粉末所生產(chǎn)出的是鼓形1外形的塊。在壓制塊被燒結(jié)后，形成的是麥捆形2的塊，如圖2所示。形狀2的腰部直徑典型地例如要比尺寸為約6mm(直徑)和10mm(長)的塊兩端小50μm(亦即每邊小25μm)。
圖3示出用本發(fā)明的方法所制得的塊外形。壓制具有5、6、7三個區(qū)域的UO2或UO2基的粉末，做成了正圓形圓柱體塊形狀3。在塊兩端的區(qū)域5和7，顆粒的密度為d1，在塊中部的區(qū)域6，密度為d2。當(dāng)壓制壓力為2t/cm2時，對深度相等的區(qū)域5、6和7來說，密度d2可比d1大三倍。
當(dāng)把圖3所示的塊用傳統(tǒng)方法進行燒結(jié)時，例如象下述實施例所描述的那樣燒結(jié)時，燒結(jié)后所得到的坯外形基本上與形狀3是相同的。
下面的說明性實例展示出本發(fā)明比現(xiàn)有技術(shù)的效益。
試驗中使用了申請人生產(chǎn)的陶瓷級二氰化鈾粉末。用下法制備了A型和B型兩種類型的顆粒，顆粒是用同樣的UO2粉末制造的。
A型粉末被倒入直徑2.54cm的鋼模內(nèi)并用0.25t/cm2的壓力壓制成厚約1cm的圓盤形粉末壓坯。然后將壓坯打碎，穿過孔大小為1.2mm的#14篩孔的篩子做成顆粒。做好的顆粒被放入玻璃缸中，并加進0.2％(重量)的硬脂酸鋅。硬脂酸鋅在模壓時起潤滑作用。然后把玻璃缸放到滾子上翻滾10分鐘以增進顆粒的流動性并與硬脂酸鋅混合。
B型這些顆粒的制備狀態(tài)與A型完全相同，不同點是它們是在0.75t/cm2的壓力下壓制的。
此后，顆粒被用如下方法壓制成塊試驗1(現(xiàn)有技術(shù))用8gB型顆粒倒入直徑為11mm的正圓柱形的模具型腔中，然后用2t/cm2的壓力進行壓制。然后將壓坯進行燒結(jié)，其條件如下加熱速度是，以5℃/min的升溫速度升到300℃，然后以20℃/min的升溫速度升到1750℃，在1750℃下保持5小時，然后以20℃/min的速度進行冷卻。所用的大氣為純氫加上0.5％(體積)的二氧化碳，以10L/min的流量率通過爐膛。在燒結(jié)時沒有加壓。燒結(jié)后塊邊的外形隨后用觸針外形測量儀進行測量。外形測量結(jié)果示于圖4，該結(jié)果明顯地顯示出了前述的“麥捆”效應(yīng)。在圖4中，縱軸代表塊一邊測量到的塊半徑相對于一任選數(shù)據(jù)值的變化，橫軸則代表塊同一邊測量到的塊長度相對于一任選點的距離。
試驗2(本發(fā)明)首先用3gA型顆粒放入模具型腔中，輕敲模具以確保顆粒放平。再用2gB型顆粒放到A型顆粒的頂部并再次輕敲模具。最后用3gA型顆粒放到B型層的頂部。然后顆粒象上述試驗1一樣被壓制，燒結(jié)并測量。示于圖5的所得到的燒結(jié)后坯的外形，比之用現(xiàn)有技術(shù)程序所得到的示于圖4中的外形，已有了很大的改進。圖5中，縱軸代表塊半徑的變化，橫軸則代表沿塊的距離，兩者是沿塊的邊測出的外形情況。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)陶瓷制品的方法，它包括的步驟有做成顆粒材料坯；在其端部進行壓制；以及將坯進行燒結(jié)；該方法的特征在于，在壓制前所做的坯是用不同顆粒松密度的幾層顆粒材料做成的。
2.權(quán)利要求1的方法，其中陶瓷制品包括基本上為圓柱體形的陶瓷塊。
3.權(quán)利要求2的方法，其中陶瓷塊包括核燃料塊，而顆粒材料包括核燃料材料。
4.權(quán)利要求1、2或3的方法，其中顆粒材料坯是將顆粒材料的粉末或顆粒放入正圓形圓柱體形狀的模具型腔中做成的。
5.權(quán)利要求1至4之任一項的方法，其中所說的坯在壓制前包括有若干不同密度的單獨層。
6.權(quán)利要求5的方法，其中各層之間的交界面是基本上平的，該平面與坯體的軸正交。
7.權(quán)利要求5的方法，其中層間交界面是非平面的。
8.權(quán)利要求1至4之任一項的方法，其中在所說的坯在壓制前的密度變化，至少是在坯體長度的一部分上逐步實施的。
9.前述權(quán)利要求之任一項的方法，其中所說的坯在壓制前，坯體兩端區(qū)域的密度小于內(nèi)部區(qū)域即靠近坯體中部區(qū)域的密度。
10.前述權(quán)利要求之任一項的方法，其中所說的坯中的不同密度，是借助于從多個備有不同顆粒松密度的不同顆粒材料源往模具型腔中送入顆粒材料來實現(xiàn)的。
11.前述權(quán)利要求之任一項的方法，其中不同的顆粒材料包括組成相同但經(jīng)不同處理的材料，或具有不同顆粒結(jié)構(gòu)的材料。
12.權(quán)利要求1以及與本說明書中所述任一實施例中所述基本相同的方法。
全文摘要
這是一種生產(chǎn)陶瓷制品的方法,它包括的步驟有:用顆粒材料做成坯;從端頭壓制該坯;以及燒結(jié)該坯,坯體在壓制前是用不同顆粒松密度的顆粒材料層做成的。該陶瓷材料可包括基本上為圓柱體形狀的陶瓷塊,例如核燃料塊。
文檔編號C04B35/51GK1170473SQ9519683
公開日1998年1月14日 申請日期1995年12月14日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月16日
發(fā)明者A·P·布朗利 申請人:英國核子燃料公司