用真空电渣炉生产低放射性本底金属材料的方法及其应用技术

本发明专利技术提供一种用真空电渣炉生产低放射性本底金属材料的方法及其应用，包括：选取原材料，所述原材料中关键放射性核素的放射性分别小于等于50mBq/kg，所述原材料包括：待熔炼金属原材料和电渣原材料；利用所述电渣原材料制取低放射性本底电渣；采用有机溶剂清洗真空电渣炉的内壁，所用有机溶剂需要通过放射性检测且检测结果合格，并移除残余的所述有机溶剂；于清洗后的所述真空电渣炉中，将所述待熔炼金属原材料制作为电极，放置所述低放射性本底电渣和所述电极，熔炼后获得所述金属；其中，所述低放射性本底电渣萃取所述待熔炼金属原材料中的关键放射性核素。材料中的关键放射性核素。

【技术实现步骤摘要】
用真空电渣炉生产低放射性本底金属材料的方法及其应用


[0001]本专利技术涉及金属冶炼领域与粒子物理稀有事例探测领域，具体涉及一种用真空电渣炉生产低放射性本底金属材料的方法，特别是一种金属中极痕量放射性杂质去除的方法，用于降低金属放射性本底，为稀有事例探测实验提供物质保障。

技术介绍

[0002]中微子探测、暗物质探测为代表的稀有事例高能物理实验中，对所用材料的放射性本底要求极为苛刻，主要核素的放射性比活度不得超过1mBq/kg量级(Bq就是贝克勒尔(becquerel)，是放射性活度的国际单位；mBq对应为毫贝克)，无中微子双贝塔衰变甚至追求1μBq(微贝克)/kg的比活度，也就是需要把U(铀、Uranium)、Th(钍、Thorium)的质量分数控制在1ppb(part per billion，表达固体中成分含量时，1ppb对应为0.001μg/g)量级甚至1ppt(part per trillion)量级。U、Th在不锈钢钢材中的质量分数一般在1～100ppb量级，而目前通用的冶金工艺一般不考虑含量在1ppm(part per million，表达固体中成分含量时，1ppm即为1μg/g)量级或者含量更低的元素。
[0003]以往的稀有事例高能物理实验所需要的低本底材料，除去无氧铜、低本底不锈钢钢材外，很大程度上靠不可控的随机挑选获得，其质量、数量都难以保证，研究低本底金属材料的生产方法，是本领域亟待解决的技术问题。稀有事例高能物理实验对材料的本底放射性水平要求是无止境的，所以也是本领域存在的技术痛点。
[0004]目前，本领域容易获得的放射性本底最低的金属材料为无氧铜，主要放射性核素含量在1μBq/kg量级，但无氧铜力学性能及化学稳定性都较差，并且难以焊接，应用中受到很多限制；不锈钢钢材相对于无氧铜，其力学性能及耐蚀性较好，但放射性本底约为1mBq/kg量级，比无氧铜高约上千倍，这给物理探测器带来很多噪声信号，也严重限制了其应用。低本底不锈钢钢材的生产工艺，主要是靠严格控制材料来源，只使用原生料不使用回收废钢，从而减少了人造核素的污染，但对U、Th及其衰变产物尚无有效控制手段。且不锈钢钢材的合金元素较多，冶炼过程中的不均匀烧蚀也限制了冶炼工艺的选择。
[0005]ESR(Electroslag Remelting，电渣重熔)，电渣重熔冶金是利用电渣作为电阻和提纯剂，待熔炼的金属在电阻热的作用下融化，经过渣洗，凝固为质量优良的电渣锭。电渣重熔的金属
‑
电渣反应界面极大，可达32平方厘米/g，渣洗作用效果非常好。通过精确控制的凝固过程，使金属的结构完整。
[0006]有鉴于此，需要提出一种用真空电渣炉生产低放射性本底金属材料的方法，能够有效移除放射性核素，降低金属材料的放射性本底的水平。

技术实现思路

[0007]针对上述技术问题，本专利技术提供一种用真空电渣炉生产低放射性本底金属材料的方法，利用低放射性本底电渣的萃取作用，其可用于有效移除直接来源于矿石的金属原材料中放射性核素，降低冶炼后金属的放射性本底。
[0008]本专利技术提供一种用真空电渣炉生产低放射性本底金属材料的方法，所述方法包括：
[0009](a)选取原材料，所述原材料中关键放射性核素的放射性分别小于等于50mBq/kg，所述原材料包括：待熔炼金属原材料和电渣原材料；
[0010](b)利用所述电渣原材料制取低放射性本底电渣；
[0011](c)采用有机溶剂清洗真空电渣炉的内壁，所用有机溶剂需要通过放射性检测且检测结果合格，并移除残余的所述有机溶剂；
[0012](d)于清洗后的所述真空电渣炉中，将所述待熔炼金属原材料制作为电极，放置所述低放射性本底电渣和所述电极，熔炼后获得所述金属；
[0013]其中，所述(d)中，所述低放射性本底电渣萃取所述待熔炼金属原材料中的关键放射性核素。
[0014]作为可选的技术方案，所述(a)中，所述待熔炼金属原材料由矿石直接制取得到，所述矿石选自天然矿石，且所述金属原材料生产过程不得使用回收料。
[0015]作为可选的技术方案，所述(a)中，所述电渣原材料至少包括电渣类金属，所述电渣类金属由矿石直接制取得到，且所述矿石选自天然矿石，且所述电渣类金属生产过程不得使用回收料。
[0016]作为可选的技术方案，所述电渣类金属选自金属钙、金属镁、金属铝中的一种或者几种的组合；其中，金属钙、金属镁、金属铝的纯度分别不低于99.9％。
[0017]作为可选的技术方案，所述(a)中，所述电渣原材料还包括二氧化硅，所述二氧化硅为合成高纯石英。
[0018]作为可选的技术方案，所述(b)中，制取所述低放射性本底电渣包括：
[0019]由所述金属钙制取氧化钙、氟化钙；由所述金属铝制取氧化铝；由所述金属镁制取氧化镁；以及
[0020]混合所述氧化钙、所述氟化钙、所述氧化铝、所述氧化镁以及所述二氧化硅中的任意两种或者两种及以上形成混合物，熔炼所述混合物制取所述低放射性本底电渣。
[0021]作为可选的技术方案，所述(a)中还包括：
[0022]利用痕量检测设备，检测所述原材料中的关键放射性核素，所述关键放射性核素包括人造核素
60
Co、
137
Cs及天然核素
238
U、
232
Th、
40
K、
226
Ra、
228
Ra、
228
Ac、
210
Pb中的一种或者多种。
[0023]作为可选的技术方案，
60
Co、
137
Cs含量小于等于10mBq/kg，
40
K含量小于等于50mBq/kg，
238
U含量小于等于50mBq/kg、
232
Th含量小于等于15mBq/kg。
[0024]作为可选的技术方案，选取质量大于1kg的所述金属原材料进行所述关键放射性核素的放射性痕量检测。
[0025]本专利技术还提供一种上述的方法的应用，应用于电渣重熔工艺中萃取关键放射性核素。
[0026]与现有技术相比，本专利技术提供的用真空电渣炉生产低放射性本底金属材料的方法及应用，以低放射性本底的电渣和待熔炼的金属原料进行电渣重熔，有效吸附待熔炼金属原材料中的
238
U、
232
Th、
40
K、
226
Ra、
228
Ra、
228
Ac、
210
Pb等放射性核素，从而达到进一步降低金属原材料放射性本底的目的。进一步，本专利技术提供的用真空电渣炉生产低放射性本底金属材
料的方法，可以显著降低金属原材料的放射性本底，同时具有工艺重复性好的优势，可以把对低放射性本底金属的获得方法从不可控的随机挑选到根据需求生产，对生产的质量和时间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用真空电渣炉生产低放射性本底金属材料的方法，其特征在于，所述方法包括：（a）选取原材料，所述原材料中关键放射性核素的放射性分别小于等于50mBq/kg，所述原材料包括：待熔炼金属原材料和电渣原材料；（b）利用所述电渣原材料制取低放射性本底电渣；（c）采用有机溶剂清洗真空电渣炉的内壁，所用有机溶剂需要通过放射性检测且检测结果合格，并移除残余的所述有机溶剂；（d）于清洗后的所述真空电渣炉中，将所述待熔炼金属原材料制作为电极，放置所述低放射性本底电渣和所述电极，熔炼后获得所述金属；其中，所述（d）中，所述低放射性本底电渣萃取所述待熔炼金属原材料中的关键放射性核素。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述（a）中，所述待熔炼金属原材料由矿石直接制取得到，所述矿石选自天然矿石，且所述待熔炼金属原材料生产过程不得使用回收料。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述（a）中，所述电渣原材料至少包括电渣类金属，所述电渣类金属由矿石直接制取得到，且所述矿石选自天然矿石，且所述电渣类金属生产过程不得使用回收料。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电渣类金属选自金属钙、金属镁、金属铝中的一种或者几种的组合；其中，金属钙、金属镁、金属铝的纯度分别不低于99.9%。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述（a）中，所述电渣原材料还包括二氧化硅，所述二氧化硅为合成高纯石英。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述（b）中，制取所述低放射性本底电渣包括：由所述金属钙制取氧化钙、氟化钙...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，刘江来，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：