Особливості електронно-променевої гарнісажної плавки сплаву Zr–1 Nb і розробка технології виготовлення трубних заготовок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук україни

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОСОБЛИВОСТІ електронно-променевої гарнісажної плавки сплаву Zr-1 Nb І РОЗРОБКА ТехнологіЇ виготовлення трубних заготовок

Гладков Андрій Сергійович

Київ - 2009 р.

Анотація

Гладков А.С. Особливості електронно-променевої гарнісажної плавки сплаву Zr-1 Nb і розробка технології виготовлення трубних заготовок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.04 - “Ливарне виробництво”. - Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, 2009.

Дисертація присвячена розробці ливарних технологій виробництва трубних заготовок із сплаву цирконію з використанням електронно-променевих гар-нісажних установок.

Сплав Zr-1 Nb одержують шляхом плавлення електронним променем трьохкомпонентної шихти у гарнісажному тиглі з зливним отвором у дні та системою електромагнітного перемішування. Легуючий елемент вводять шляхом сплавлення електронним променем у розплав в тиглі. Формування заготовок здійснюється у кристалізаторі, який розташовано на однієї вісі з зливним отвором у дні плавильного тигля.

Обумовлені технічними вимогами механічні властивості сплаву забезпечує термочасова обробка розплаву на кінцевій стадії плавки.

Розроблено три способи одержання литих заготовок з цирконієвих сплавів у мідних кристалізаторах: заливкою у стаціонарний суцільний водоохолоджуваний кристалізатор, відцентровим литтям, заливкою у стаціонарний водоохолоджуваний розрізний кристалізатор з накладанням електромагнітних полів на розплав в процесі кристалізації.

За хімічним складом, структурою та механічними властивостями трубні заготовки із сплаву Zr-1 Nb, одержані вказаними способами, не поступаються заготовкам подвійного вакуумно-дугового переплаву та відповідають стандартам і технічним умовам на вироби з них.

Показано можливість виплавки складнолегованих сплавів цирконію в електронно-променевих гарнісажних установках.

Розроблено рекомендації по удосконаленню технології та обладнання для одержання литих трубних заготовок зі сплавів цирконію, в тому числі з використанням його губки.

Ключові слова: сплави цирконію, лита заготовка, електронно-променева гарнісажна плавка, тигель, розплав, електромагнітне перемішування.

Аннотация

Гладков А.С. Особенности электронно-лучевой гарнисажной плавки сплава Zr-1 Nb и разработка технологии изготовления трубных заготовок. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.04 - “Литейное производство”. - Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев, 2009.

Диссертационная работа посвящена разработке новых технологий производства трубных заготовок из сплавов циркония, которые используются для изготовления труб-оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. Рассмотрено современное состояние технологии получения металлического циркония, плавки и литья сплавов циркония, технологий изготовления трубных заготовок и труб-оболочек ТВЭЛ. Отмечены многостадийность и энергоемкость процесса изготовления трубной заготовки из слитка.

Предложены литейные технологии получения трубных заготовок с использованием метода электронно-лучевой гарнисажной плавки.

Сплав Zr-1 Nb получают путем плавления электронным лучом трехкомпонентной шихты в гарнисажном тигле со сливным отверстием в дне и системой электромагнитного перемешивания. Легирующий элемент вводится в расплав в тигле в жидком виде.

Обусловленные техническими требованиями механические свойства сплава обеспечиваются термовременной обработкой расплава на конечной стадии плавки при температуре нагрева в зоне фокального пятна 2800-2850 К и кратности прохождения расплава через высокотемпературную зону 6-7 раз. Указанные параметры обработки расплава достигаются при плотности мощности в фокальном пятне (4,5-5,0)·10⁸ Вт/м² и продолжительности его обработки 10 минут.

Получение химического состава, отвечающего техническим условиям на сплав КТЦ 110, достигается при использовании в исходной шихте йодидного циркония в количестве 13-15% от массы загрузки шихты в тигель и вводе порошка ниобия путем его сплавления электронным лучом в жидкометаллическую ванну за 30-40 с до слива расплава из тигля в кристаллизатор.

Изготовление трубных заготовок проводится заливкой в стационарный кристаллизатор, центробежным литьем и заливкой в стационарный разрезной кристаллизатор с наложением электромагнитных воздействий на расплав в процессе его кристаллизации.

Вывод усадочной раковины в заготовках, получаемых заливкой в стационарные кристаллизаторы, осуществляется путем обогрева лучом головной части заготовки через сливное отверстие в дне тигля при плавном снижении мощности нагрева с 35-40 кВт до нуля на протяжении 3-4 мин.

Изучение химического состава, физико-механических свойств и метал-лографические исследования сплава свидетельствуют, что разработанные технологии формирования заготовок всеми предложенными способами обеспечивают их получение с комплексом свойств, отвечающих предъявляемым требованиям. Поверхностные дефекты и дефекты усадочного происхождения в заготовках отсутствуют.

Горячепрессованные трубы, изготовленные из заготовок, полученных заливкой в стационарный медный водоохлаждаемый кристаллизатор и медный разрезной водоохлаждаемый кристаллизатор с наложением электромагнитных полей на расплав в процессе кристаллизации, по комплексу механических свойств отвечают техническим требованиям.

Предлагаемые технологии сокращают ряд операций, связанных с механической обработкой и ковкой слитка сплава циркония при производстве трубной заготовки.

Разработаны предложения по созданию технологий и оборудования для получения трубных заготовок из губки циркония.

Показана возможность выплавки сложнолегированных сплавов циркония в электронно-лучевых гарнисажных установках и получения слитков сплавов системы Zr-Nb в кристаллизаторе скольжения с электромагнитной системой.

Ключевые слова: сплавы циркония, трубная заготовка, электронно-лучевая гарнисажная плавка, тигель, электромагнитное перемешивание.

Abstract

Gladkov A.S. Peculiarities of electron-beam skull melting of Zr-1 Nb alloy and development of tube billets production technology. - Typescript.

Thesis for the scientific degree of the Candidate of Technical Science (Eng.) on specialty 05.16.04 - “Foundry”. - Physico-Technological Institute of Metals and Alloys, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2009.

Dissertation is devoted to the development of the new technologies of zirconium tube billets production with the use of electron-beam skull melting.

Zr-1 Nb alloy obtaining is provided by melting of multi-component charge in the skull crucible with electromagnetic stirring system and bottom pouring of melt. Cast billets forming takes place in a mould which located on the one axis with pouring hole in crucible bottom. The methods of casting into the stationary mould, centrifugal casting and casting into the stationary mould with electromagnetic action on melt during crystallization are used for tube billets forming.

The necessary complex of zirconium alloy mechanical and chemical properties provided by electron-beam treatment of melt at the final stage of melting process during thermal-time treatment.

In chemical composition, structure and complex of mechanical properties Zr-1 Nb alloy in the tube billets, which obtained with the use of the developed technologies, satisfy to the standard requirements on the tube billet and suitable for TREX production by method of hot deformation.

Recommendations for improvement of technology and equipment for of zirconium sponge melting are developed.

Possibility of ingots casting and multi-component zirconium alloy melting in the electron-beam skull installation are tested.

Key words: zirconium alloys, tube billet, electron-beam skull melting, crucible, electromagnetic stirring.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Атомні електростанції (АЕС) України виробляють близько половини електроенергії країни. Ядерне паливо для вітчизняних АЕС, складовою частиною якого є сплави на основі цирконію реакторної чистоти, постачає Російська Федерація. Спроби знайти альтернативне ядерне паливо поки що не дали позитивних результатів. Таким чином, працездатність українських АЕС повністю залежить від зовнішніх поставок. Тому проблема створення вітчизняного ядерного-паливного циклу (ЯПЦ) відноситься до числа найважливіших, які визначають енергетичну незалежність країни.

Одержання цирконію ядерної чистоти і виробництво з нього сплавів для виготовлення труб-оболонок тепловиділяючих елементів (ТВЕЛ), канальних труб, дистанціонуючих решіток і інших деталей, які експлуатуються в активній зоні атомних реакторів, є однією з задач в створенні ЯПЦ.

В світовій практиці для одержання металічного цирконію найбільш широко використовується метод магнійтермічного відновлення із тетрахлориду цирконію, при якому цирконій одержують у вигляді губки. В Росії для цієї мети застосовують метод електролітичного відновлення з одержанням цирконію у вигляді порошку. Для металургійної переробки та одержання зливків зі сплавів цирконію використовують вакуумно-дуговий переплав (ВДП). Для ВДП з губки або порошку разом з легуючими елементами виготовляють витратні електроди. Процес одержання цирконієвих зливків складається, щонайменше, з двох переплавів металу у вакуумі. Після переплаву зливки піддають куванню, механічній та термічній обробці для виготовлення трубних заготовок. З цих заготовок гарячим пресуванням виготовляють так звані TREX-труби, з яких холодною прокаткою одержують труби-оболонки ТВЕЛ. Така технологічна схема в даний час використовується всіма виробниками ядерного палива у світі.

В Україні є власні ресурси цирконію (циркон) і технологія виробництва металічного цирконію, яка реалізована на ДНВП “Цирконій” (м. Дніпродзержинськ). За вітчизняною технологією металічний цирконій виробляють методом кальційтермічного відновлення з його тетрафториду. При цьому одержують циліндричні зливки з малим (1:3) співвідношенням висоти до діаметра. Використовувати такий зливок як електрод, що витрачається, для ВДП практично неможливо. Для виготовлення з цих зливків електродів використовують рафінуючу електронно-променеву плавку (ЕПП). З електродів по відомій технологічній схемі можна виготовляти трубні заготовки для труб-оболонок ТВЕЛ. Проте така технологія одержання заготовок складна в реалізації, енергоємна і потребує використання дорогого обладнання.

Тому дисертаційна робота, пов'язана з дослідженнями процесів одержання в електронно-променевих гарнісажних установках ливарними способами трубних заготовок із сплаву Zr-1 Nb на основі цирконію кальційтермичного відновлення є актуальною, оскільки порівняно з традиційними способами, ливарні дозволяють спростити процес виготовлення заготовок, зменшити кількість задіяного обладнання та скоротити втрати металу на їх виробництво.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно з планами науково-дослідних робіт Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України за темою № 531 “Розробка технологічних процесів одержання в електронно-променевих установках литих виробів та зливків з використанням зовнішніх впливів на розплав, що кристалізується” (2004-2007 р.р. № ДР 0104U007753); г/д № 24 “Виробни-цтво партії зливків сплаву Zr1Nb з вітчизняної сировини для виготовлення твельних труб, стрічки та інших виробів для реакторів ВВЕР-1000” (2004 р., № ДР 0104U004885) згідно з Положенням про порядок формування цільових комплексних програм наукових досліджень НАН України (Розпорядження Президії НАН України від 25.11.2003 р. № 682); г/д № 264 “Видача вихідних даних для рафінування та виробництва зливків сплаву Zr1Nb з його губки методом електронно-променевої плавки” (2008 р., № ДР 01080008204) згідно з бюджетною цільовою програмою 11080 “Заходи по реалізації Комплексної програми створення ядерно-паливного циклу в Україні“, у виконанні яких дисертант брав безпосередню участь.

Мета та задачі досліджень. На підставі дослідження процесу електронно-променевої плавки сплаву Zr-1 Nb при електромагнітному перемішуванні розплаву в гарнісажному тиглі з використанням цирконію кальційтермічного відновлення та процесів кристалізації цього сплаву в мідних кристалізаторах, в тому числі з накладанням зовнішніх впливів на розплав, що кристалізується, розробити технологічний процес одержання якісних трубних заготовок.

Для досягнення поставленої мети було необхідно вирішити такі задачі:

- визначити раціональні технологічні параметри електронно-променевої плавки трьохкомпонентної шихти в гарнісажному тиглі з електромагнітним перемішуванням розплаву та дослідити хімічний склад, структуру і механічні властивості сплаву Zr-1 Nb в литих заготовках;

- дослідити розподіл електромагнітних полів в кристалізаторі, який оснащено електромагнітною системою, та встановити їх вплив на структуру і механічні властивості сплаву;

- розробити технології одержання литих трубних заготовок із сплаву Zr-1 Nb в електронно-променевих гарнісажних установках;

- встановити можливі напрями удосконалення технології і устаткування для одержання якісних цирконієвих трубних заготовок.

Об'єкт досліджень - електронно-променеві ливарні технології одержання трубних заготовок.

Предмет досліджень - сплав Zr-1 Nb для виготовлення конструкційних елементів тепловиділяючих систем атомних електростанцій.

Методи дослідження. Поставлені завдання досліджень вирішувались експериментальними методами. Електричні та магнітні параметри систем електромагнітного перемішування гарнісажних тиглів та електромагнітної системи кристалізатора вивчались стандартними методами вимірювання електричних параметрів.

Характеристики сплавів визначали методами: спектрального та хімічного аналізу; механічними випробуваннями; електронною, оптичною мікроскопією та просвічуючою електронною мікроскопією тонкої фольги за допомогою програми “Image-Pro Plus”. Розподіл легуючих елементів сплавів по висоті і перетину заготовок фіксували у рентгенівському випромінюванні на приладі “РЕММА-102”. Суцільність заготовок визначали методом ультразвукової дефектоскопії.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше в практиці одержання трубних заготовок для виготовлення труб-оболонок ТВЕЛ з цирконієвих сплавів використано електронно-променеву ливарну технологію - гарнісажну плавку з електромагнітним перемішуванням розплаву, введенням в ході плавки легуючого елемента у рідкому стані у ванну розплаву в тиглі, проведенням термочасової обробки розплаву перед зливанням його з тигля та литтям заготовок у мідні кристалізатори з накладанням зовнішніх впливів на розплав під час кристалізації.

Встановлено, що обумовлені технічними вимогами фізико-механічні властивості сплаву Zr-1 Nb досягаються при проведенні термочасової обробки розплаву на заключному етапі плавки з питомою потужністю нагріву розплаву у фокальній плямі (4,5-5,0)·10⁸ Вт/м² при кратності його високотемпературної обробки 6-7 разів. Збільшення значень вказаних параметрів нагріву супроводжується підвищеними втратами металу випаровуванням без помітного покращення властивостей сплаву.

Одержані литі заготовки з накладанням електромагнітних полів на розплав в кристалізаторі. Така технологія сприяє рівномірному розподілу елементів, подрібненню структури сплаву і підвищенню його механічних властивостей. Середній розмір пластин цирконію (б-фаза) в такому сплаві складає 1,81±1,19 мкм, в той час як в сплаві, одержаному без накладання електромагнітних полів, аналогічний розмір складає 2,29±1,6 мкм, а в сплаві, одержаному з накладанням відцентрових сил, - 6,5±1,5 мкм.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено технологічні процеси одержання трубних заготовок зі сплаву Zr-1 Nb в електронно-променевих гарнісажних установках різними способами лиття з використанням вітчизняної сировини. За хімічним складом та комплексом механічних властивостей сплав відповідає вимогам до металу, який використовується для виготовлення тепловиділяючих елементів атомних реакторів. Технології виплавки сплаву та лиття заготовок пройшли дослідну апробацію у ФТІМС НАН України (відцентрове лиття в мідний кристалізатор і лиття в мідний розрізний водоохолоджуваний кристалізатор з накладанням електромагнітних полів на розплав під час кристалізації) і промислову апробацію на ДНВП “Цирконій” лиття заготовок в стаціонарний мідний водоохолоджуваний кристалізатор.

З одержаних за розробленими технологіями заготовок на ДЗ ДП “НДТІ ім. Я.Є. Осади” виготовлено дослідну партію гарячепресованих труб та труб-оболонок тепловиділяючих елементів. Одержані труби за основними показниками відповідають технічним умовам на вироби. Видані вихідні дані для організації виробництва зливків сплаву Zr-1 Nb з губки цирконію з використанням електронно-променевої плавки.

Особистий внесок здобувача у виконанні роботи. Основні результати, які є суттю дисертаційної роботи, одержані здобувачем самостійно. У матеріалах, представлених до захисту, дисертанту належать: аналіз існуючих технологій виробництва трубних заготовок із сплавів цирконію [1-5]; розробка режимів виплавки цирконієвого сплаву у гарнісажному тиглі з системою електромагнітного перемішування [2]; розробка дослідного обладнання для лиття трубних заготовок в кристалізатор з накладанням електромагнітних полів на розплав в процесі кристалізації [1, 5]; експериментальне дослідження розподілу електромагнітної індукції в кристалізаторі і визначення доцільних напрямків циркуляції розплаву під дією електромагнітних сил під час кристалізації сплавів [3, 5]; участь у проведенні дослідних і промислових плавок по одержанню трубних заготовок із сплавів цирконію [2, 5]; участь в дослідженні структурних характеристик сплаву, одержаного за новими технологіями [4, 5].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнародних науково-технічних конференціях: “Спеціальна металургія: вчора, сьогодні, завтра” (м. Київ, жовтень 2002 р.); High-power Electron Beam Technology (“ebeam 2004”) (США, Ріно, Невада, жовтень 2004 р.); “Зварювання та суміжні технології” (м. Ворзель, травень 2005 р.); “Ті-2006 в СНГ” (РФ, м. Суздаль, травень 2006 р.); High-power Electron Beam Technology (“ebeam 2006”) (США, Ріно, Невада, жовтень 2006 р.); “Литье 2007” (м. Запоріжжя, березень 2007 р.); “Спеціальна металургія: вчора, сьогодні, завтра” (м. Київ, жовтень 2007 р.); “Литье 2008” (м. Запоріжжя, березень 2008 р.); “Ті-2008 в СНГ” (РФ, м. Санкт-Петербург, травень 2008 р.); High-power Electron Beam Technology (“ebeam 2008”) (США, Ріно, Невада, жовтень 2008 р.).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 4 статтях у виданнях, затверджених ВАК України, монографії, отримано 1 патент України.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти глав, загальних висновків, переліку використаної літератури з 134 найменувань. Основний зміст викладено на 206 сторінках, що включають 33 таблиці і 76 рисунків.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність і доцільність виконання досліджень, сформульовано мету і задачі роботи, визначено її наукову новизну і практичне значення, наведені дані щодо апробації і публікації результатів дисертаційної роботи, а також відомості про особистий внесок здобувача.

У першій главі розглянуто сучасні способи одержання трубних заготовок із сплавів на основі цирконію. Визначено недоліки відомих технологій. Показано, що більш перспективною для виготовлення трубних заготовок є електронно-променева плавка, яка характеризується високою ефективністю рафінування сплавів і дає нові можливості для підвищення якості литого металу. На підставі узагальнення літературних даних обґрунтовано доцільність розробки нових технологій одержання литих заготовок і проведення досліджень їх якості. Запропоновані технологічні схеми виробництва трубних заготовок для реалізації їх в промислових умовах України, в основу яких покладено використання губки цирконію і електронно-променевої плавки.

Більш перспективними є схеми, в яких відсутня операція кування, що супроводжується значними втратами металу та насиченням металу киснем. Найбільш доцільним здається використання ливарних технологій, які в комплексі з розробленою ДП “НДТІ ім. Я.Ю. Осади” технологією високотемпературного пресування литих трубних заготовок з високими ступенями деформації забезпечують ефективне виробництво TREX-труб з суттєвою економію ресурсів і матеріалів.

Сформульовано основні задачі роботи.

Глава друга включає опис матеріалів, технологічного обладнання і методик, які використано для проведення роботи.

Сплав Zr-1 Nb виплавляли з шихти, до складу якої входили: зливки цирконію марки КТЦ-100 (ТУ 95.2185-90); прутки йодидного цирконію (ТУ 95.46-82); порошок ніобію (ГОСТ 256252-84).

Трубні заготовки одержували в електронно-променевих ливарних уста-новках, створених на базі печей ХЕПП-1 (ФТІМС НАН України) та ЕМО-250 (ДНВП “Цирконій”). Установки оснащено гарнісажними тиглями, які являють собою мідні розрізні водоохолоджувані ємності з системами електромагнітного перемішування розплаву та зливними отворами у дні. Тиглі розроблялись спеціально для виплавки сплавів цирконію та лиття трубних заготовок і розраховані на одержання 30 кг розплаву сплаву Zr-1 Nb у печі ХЕПП-1 і 40 кг - у печі ЕМО-250.

Виплавку сплаву та його перегрів проводили при електромагнітному перемішуванні розплаву в тиглі. Рідкий метал зливали у кристалізатор через отвір у дні тигля. Така схема розливання у разі відцентрового лиття найбільш раціональна, а при литті у стаціонарні форми була вибрана з урахуванням можливості обігріву розплаву у формі електронним променем з метою виведення усадкової раковини. Коефіцієнт зливу розплаву з обох тиглів досягає значення 0,8, що свідчить про високу ефективність перемішування розплаву під впливом електромагнітних полів.

Для одержання литих заготовок використовували мідні кристалізатори: суцільний для відцентрового лиття, водоохолоджуваний для стаціонарного лиття та водоохолоджуваний розрізний з системою для накладання електромагнітних полів на розплав, що кристалізується.

Ливарні властивості сплаву (рідкоплинність, усадка, тріщиностійкість і т. ін.) вивчали за допомогою комплексної проби, а дефекти в заготовках - ультразвуковою дефектоскопією. Хімічний склад вивчали методами хімічного і спектрального аналізів, а рівномірність розподілу легуючих елементів - за допомогою приладу “РЕММА-102”. Дослідження мікроструктури проводили методами електронної і оптичної мікроскопії з використанням комп'ютерної програми “Image-Pro Plus”. Механічні характеристики сплаву визначали при температурах 293 і 653 К згідно з ГОСТ 1497-84 та ГОСТ 9454-78, твердість - за ГОСТ 90121-59.

Глава третя містить результати досліджень технології виплавки сплаву Zr-1 Nb (КТЦ110), в тому числі особливостей його термочасової обробки при різних потужностях нагріву в дослідній та промисловій електронно-променевих ливарних установках. Відомо, що термочасова обробка, яка представляє собою витримку протягом заданого часу перегрітого до фіксованої температури вище температури ліквідус розплаву з подальшим охолодженням його до температури розливання, є одним з ефективних методів підвищення механічних та експлуатаційних властивостей сплавів. При ЕПГП забезпечити потрібний перегрів всієї маси рідкого металу в тиглі неможливо. Тому використовували локальний перегрів розплаву в фокальній плямі з багатократним проходженням його через зону високотемпературного перегріву. Основними параметрами такого нагріву є потужність (Р) електронного променя та кратність (N) проходження розплаву через високотемпературну зону, які розраховували за рівняннями:

(1),

(2),

де: ДТ - температура перегріву розплаву, К;

R - радіус фокальної плями, м;

v - швидкість руху розплаву відносно променя, м/с;

л -ефективна теплопровідність сплаву, Вт/(м•К);

C - питома теплоємність сплаву,

Дж/(кг•К); с - густина розплаву, кг/м³;

з - ккд електронно-променевого нагріву;

- час обробки розплаву променем, с;

W - об'єм розплаву в тиглі, м³.

В моделі нагріву розплаву електронним променем прийняли, що за час його впливу на фіксовану точку поверхні глибина розповсюдження тепла не перевищує діаметр променя. Тому рівняння (1) і (2) справедливі за умови .

Розрахунковим шляхом встановили, що для забезпечення рівня властивостей сплаву, які обумовлені технічними вимогами, треба перегрівати рідкий метал в зоні фокальної плями на 700 градусів вище температури ліквідус сплаву (2120 К) при кратності проходження його крізь високотемпературну зону 6-7 разів. Вказана температура перегріву досягається при потужності променя ?160 кВт на дослідній установці та ?220 кВт на промисловій.

Необхідну кратність обробки розплаву в обох випадках забезпечували витримкою його при вказаних потужностях електронного променя впродовж 10 хвилин.

Визначили, що введення йодидного цирконію у вихідну шихту у кількості 13-15% від маси завантаження зменшує вміст кисню в сплаві до рівня, який передбачений ТУ 001.257-85. Введення порошку ніобію проводять шляхом його вміщення в трубку з цирконію і її сплавлення електронним променем безпосередньо у розплав за 30-40 с до його зливання. Інтенсивне перемішування розплаву забезпечує рівномірність хімічного складу сплаву.

Використання донного зливу розплаву дозволило одержувати трубні заготовки практично з однаковою масою завдяки більш стабільній товщині гарнісажу у тиглях з отворами у дні порівняно з тиглями, які оснащені зливними носками.

В установках ХЕПП-1 та ЕМО-250. Аналіз одержаних даних показує, що при перенесенні технологічних параметрів плавки з дослідної установки на промислову теплові навантаження на плавильні тиглі внаслідок збільшення маси розплаву та потужності електронно-променевого нагріву не впливають помітно на перерозподіл тепла. Різниця втрат потужності на стінки тиглів становить приблизно 1-2%. Тепловий ккд процесу виплавки сплаву - приблизно 40-45%.

Встановлено, що питомі витрати електроенергії на плавку в них складають 2,8 кВт•год./кг та 2,6 кВт•год./кг, відповідно, що дорівнює витратам електроенергії при електронно-променевій плавці сплавів цирконію у печах з проміжною ємністю, хоча і перевищує показники при ВДП.

Четверта глава містить результати вивчення структури і властивостей сплаву Zr-1 Nb, одержаного різними способами лиття в електронно-променевих ливарних установках. Визначено технологічні параметри розроблених процесів.

Наведено результати досліджень електричних та магнітних параметрів електромагнітної системи мідного розрізного кристалізатора, вивчення впливу накладання електромагнітних полів на структуроутворення металів-моделей на прикладі титану ВТ1-0 і сплаву титану ВТ5.

При використанні тиглів з донним зливом швидкість заповнення кристалізатора не регулюється і залежить тільки від металостатичного тиску розплаву в тиглі. Тому при всіх способах лиття швидкість заповнення кристалізатора розплавом була однаковою і складала 12,0-12,5 кг/с.

Температура заливки металу складає 2200-2220 К.

Експериментально визначили, що при відцентровому литті одержання якісних заготовок з рівномірною товщиною стінки забезпечується при вказаних температурах сплаву та частоті обертання кристалізатора ?20 с^-1.

Встановили, що при живленні електромагнітної системи струмом напругою 18-20 В, силі струму 600-610 А та частоті 50 Гц максимальне значення індукції у 0,007-0,01 Т спостерігається біля стінок кристалізатора, а по вісі воно не перевищує 0,003 Т.

Доцільним режимом циркуляції розплаву під дією електромагнітних полів при кристалізації заготовок є його рух від стінок кристалізатора до центру, що було визначено при моделюванні процесу кристалізації на прикладі сплаву титана ВТ5.

Визначили, що для повного видалення усадкової раковини з головної частини заготовок при кристалізації необхідно поступово знижувати потужність електронно-променевого нагріву з 35-40 кВт до нуля на протязі 34 хв. Обігрів заготовки здійснювали електронним променем через зливний отвір у дні тигля. Тому для попередження відхилення електронного променя, який поступає на нагрів заготовки, необхідно у верхній частині кристалізатора виключити дію електромагнітного поля на нього. Цього досягали встановленням на кристалізатор короткозамкнутого контуру у вигляді водоохолоджуваного фланця. Такий спосіб видалення усадочної раковини може бути здійснено тільки при умові, що електронно-променева гармата, плавильний тигель та кристалізатор розташовані на однієї вісі.

В одержаних розробленими способами лиття трубних заготовках дефекти газоусадкового походження були відсутні. Заготовки мали задовільну поверхню, причому більш якісна поверхня була у заготовок, одержаних з накладанням електромагнітних полів на розплав у кристалізаторі.

Встановили, що макроструктура заготовок, одержаних у стаціонарному кристалізаторі, має три характерних зони: поверхневу дрібнозернисту шириною 8 мм, середню (~40 мм), яка складається з стовпчастих зерен, орієнтованих під кутом 90° до стінки кристалізатора, та центральну (~170 мм) з крупними рівновісними зернами.

В структурі заготовок, одержаних з накладанням електромагнітних полів на сплав при кристалізації, поверхнева дрібнозерниста зона практично відсутня. На відстані 35-45 мм розташована зона стовпчастих зерен, які орієнтовані під кутом 130-140° до стінки кристалізатора. Центральна зона шириною 175-185 мм складається з крупних рівновісних зерен.

Структура заготовок, одержаних відцентровим литтям, рівномірна по всьому перерізу, а форма зерен з середнім розміром 5 мм близька до рівновісної.

Мікроструктури заготовок свідчать про те, що накладання електромагнітних полів на сплав у кристалізаторі сприяє подрібненню пластин цирконію (-фаза), середній розмір яких складає 1,81 мкм. У заготовках, одержаних у стаціонарному кристалізаторі і відцентровим литтям, середній розмір таких пластин зростає до 2,29 мкм і 6,5 мкм, відповідно.

Механічні властивості литих заготовок, які визначені при різних температурах випробувань, перевищують або знаходяться на рівні властивостей металу подвійного ВДП. Одержаний різними способами литий метал відповідає технічним вимогам на трубні заготовки із сплаву КТЦ110 для гарячого пресування.

З литих заготовок в умовах ДП “НДТІ ім. Я.Ю. Осади” виготовляли гарячепресовані TREX-труби з зовнішнім діаметром 48 мм та товщиною стінки 8,5 мм, а з них - труби-оболонки ТВЕЛ зовнішнім діаметром 9,13 мм і товщиною стінки 0,7 мм (рис. 10).

Встановили, що заготовки, одержані у кристалізаторі з накладанням електромагнітних полів на розплав, можна пресувати при більш низькій температурі нагріву (1320-1330 К) в порівнянні з заготовками ВДП, стаціонарного та відцентрового способів лиття (1370-1380 К). В результаті зменшення температури нагріву заготовок підвищується якість поверхні гарячепресованих труб і вихід придатних виробів. При цьому механічні властивості TREX-труб, які виготовлено з заготовок, одержаних заливкою у стаціонарний водоохолоджуваний кристалізатор та кристалізатор з накладанням електромагнітних полів на розплав під час кристалізації, відповідають технічним вимогам до них.

В п'ятій главі розглянуто переваги розроблених ливарних технологій одержання трубних заготовок із сплаву Zr-1 Nb та перспективи розвитку технології електронно-променевої гарнісажної плавки цирконію і сплавів на його основі.

Показано, що використання електронно-променевої гарнісажної плавки в комплексі з технологією гарячого пресування з високими ступенями деформації литої трубної заготовки забезпечує скорочення технологічного циклу виробництва заготовок і TREX- труб з одержанням сплаву, механічні властивості якого не поступаються сплаву, одержаному методом подвійної вакуумно-дугової плавки. На підставі результатів досліджень розроблені пропозиції по вдосконаленню технологій та електронно-променевих установок для одержання трубних заготовок із цирконієвих сплавів, в тому числі з використанням цирконієвої губки.

Для реалізації зазначених технологічних схем в електронно-променевих установках запропоновано використовувати проміжну ємність для рафінування губчастого металу, а введення легуючих елемен-тів здійснювати безпосередньо у ванну рідкого металу у гарнісажному тиглі або у кристалізаторі.

Запропоновано спосіб проведення попередньої дегазації компактних блоків цирконієвої губки шляхом їх нагріву індуктором або іншим джерелом нагріву в плавильній камері електронно-променевої установки при залишковому тиску ?13 Па.

Відповідно до запропонованих технологічних схем одержано напівбезперервнолиті зливки сплаву цирконію з ніобієм у кристалізаторі ков-зання діаметром 280 мм з системою електромагнітного перемішування розплаву.

Встановлено, що застосування електромагнітного перемішування забезпечує подрібнення кристалічної будови зливка та рівномірний розподіл ніобію по висоті і перерізу зливка.

Перевірено можливість одержання сплаву системи Zr-Nb-Sn-Fe (КТЦ 635) у гарнісажному тиглі з системою електромагнітного перемішування та зливним носком при введенні легуючих елементів у ванну рідкого металу під час інтенсивного електромагнітного перемішування розплаву на кінцевій стадії плавки при умові забезпечення стабільної роботи джерела електронно-променевого нагріву.

Загальні висновки

1. Проведено порівняльний аналіз існуючих технологій одержання трубних заготовок із сплавів цирконію для виготовлення труб-оболонок ТВЕЛ. Показано, що недоліком відомих процесів одержання цих заготовок є багатостадійність і трудомісткість. Обґрунтовано доцільність використання сучасних електронно-променевих технологій для одержання трубних заготовок з цирконієвих сплавів.

2. Розроблено технології одержання литих заготовок масою 30-40 кг сплаву Zr-1 Nb з трьохкомпонентної шихти з проведенням плавки в гарнісажному тиглі з електромагнітним перемішуванням розплаву і формуванням заготовок у мідних кристалізаторах, в тому числі з накладанням зовнішніх впливів на розплав при кристалізації. Встановлено, що додавання йодидного цирконію в ви-хідну шихту в кількості 13-15% від маси завантаження і введення порошку ніобію, який сплавляють електронним променем безпосередньо в тигель за 30-40 с до зливу розплаву, забезпечують хімічний склад, що відповідає ТУ 001.257-85 на сплав КТЦ110.

3. Встановлено, що температура нагріву розплаву в зоні фокальної плями 2800-2850 К та кратність проходження розплаву через високотемпературну зону 6-7 разів забезпечують механічні властивості сплаву Zr-1 Nb на рівні його властивостей при подвійній вакуумно-дуговій плавці. Вказані параметри досягаються при густині потужності у фокальній плямі (4,5-5,0)·10⁸ Вт/м² і тривалості обробки вказаної маси розплаву 10 хвилин.

4. При накладанні електромагнітних полів індукцією (3-7)·10^-3 Т спостерігається підвищення рівномірності розподілу структурних складових сплаву по перетину заготовки та зменшення середнього розміру пластин цирконію (б-фаза) до 1,81±1,19 мкм (в заготовках, одержаних в стаціонарному кристалізаторі і відцентровим литтям, аналогічні розміри 2,29±1,64 мкм і 6,5±1,5 мкм, відповідно), що дозволяє знизити на 50-60 градусів температуру нагріву заготовок перед пресуванням. Зменшення температури пресування приводить до підвищення якості поверхні гарячепресованих труб і збільшує вихід придатного.

5. Розроблені технології одержання литих трубних заготовок з цирконієвого сплаву в електронно-променевих гарнісажних установках мають значні переваги - є менш трудомісткими і дозволять знизити кількість необхідних технологічних операцій у порівнянні з традиційною технологією виробництва при забезпеченні одержання якісних виробів.

6. Запропоновано нові технологічні схеми одержання литих заготовок і зливків з цирконієвої губки з проведенням першої плавки в електронно-променевих установках з проміжною ємністю замість вакуумно-дугових печей.

плавка сплав кристалізація електромагнітний

Основні публікації за темою дисертації

1. Чернявский В.Б. Плавильные тигли и кристаллизаторы с системами электромагнитного перемешивания для электронно-лучевой плавки металлов и сплавов / В.Б. Чернявский, С.В. Ладохин, А.С. Гладков // Процессы литья. - 2005. - № 1. - С. 48-55.

2. Чернявский В.Б. Выплавка циркониевого сплава КТЦ110 с использованием комбинированной шихты и получение слитков в электронно-лучевых установках / В.Б. Чернявский, Т.В. Лапшук, А.С. Гладков, С.В. Ладохин [и др.] // Процессы литья. - 2005. - № 4. - С. 53-59.

3. Ладохин С.В. Экспериментальное исследование распределения электромагнитных полей в кристаллизаторе для получения слитков в электронно-лучевых установках / С.В. Ладохин, В.Б. Чернявский, А.С. Гладков // Процессы литья. - 2006. - № 1. - С. 17-22.

4. Ладохин С.В. Влияние электромагнитного поля на структуру литой заготовки при электронно-лучевой выплавке сплава Zr - 1% Nb / С.В. Ладохин, В.Б. Чернявский, А.С. Гладков [и др.] // Металл и литье Украины. - 2007. - № 9-10. - С. 31-35.

5. Электронно-лучевая плавка в литейном производстве / [Ладохин С.В., Левицкий Н.И., Чернявский В.Б., Лапшук Т.В., Шмигидин В.Г., Кравчук Л.А., Гладков А.С.]; под. ред. С.В. Ладохина. - К.: Изд. “Сталь”, 2007. - 626 с.

6. Пат. 79499 Україна. МПК С22В 9/22. Спосіб електронно-променевого переплаву губчастого активного металлу / Ладохін С.В., Чернявський В.Б., Тур О.О., Лапшук Т.В., Гладков А.С., Левицький М.І.; заявник та патентовласник Фізико-технологічний ін-т металів та сплавів НАН України. - заявл. 04.04.05; опубл. 25.06.07, Бюл. № 9.

Размещено на Allbest.ru

...