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.
Аннотация к работе
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. Тому дисертаційна робота, повязана 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. 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 “Виробництво 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. 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.У першій главі розглянуто сучасні способи одержання трубних заготовок із сплавів на основі цирконію. 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. Установки оснащено гарнісажними тиглями, які являють собою мідні розрізні водоохолоджувані ємності з системами електромагнітного перемішування розплаву та зливними отворами у дні. 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.Показано, що недоліком відомих процесів одержання цих заготовок є багатостадійність і трудомісткість. 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 вихідну 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.
План
2. Основний зміст роботи
Вывод
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 вихідну 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 (?-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
Список литературы
1. Чернявский В.Б. Плавильные тигли и кристаллизаторы с системами электромагнитного перемешивания для электроннолучевой 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 электроннолучевой 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.