Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения лигатуры цирконий-ниобий

Способ относится к области металлургии, в том числе к способам производства слитков циркониевых сплавов и может быть использован в атомной промышленности.

Известен способ получения слитка лигатурного сплава выполненного из секций, сопряженных друг с другом, в виде пирамид с сужающимся вниз сечением, с закругленными ребрами и вершиной и расположенным вверху ромбовидным плоским основанием (Патент RU 1390899 C, опубл. 26.06.1986).

Основной недостаток данного способа - трудность изготовления изложницы необходимой для выплавки пирамидального слитка с заданными размерами. Также недостатком данного способа является трудность механической обработки полученного слитка и изготовления из него компактной лигатуры, которую возможно ввести в состав шихты для выплавки слитков.

Известен способ получения лигатур непосредственным сплавлением металлов, при котором в специальном агрегате расплавляют основной компонент лигатуры и перегревают его. Затем в расплав вводят легирующие компоненты в твердом или жидком состоянии. Температуру сплава доводят до необходимого уровня, производят металлургическую обработку и затем расплав разливают в чушки или плиты (Андреев А.Л., Аношкин Н.Ф., Добаткин В.И. и др. Титановые сплавы. Плавка и литье титановых сплавов. - М.: Металлургия, 1978. - с. 95-96).

Недостатком данного способа является то, что в случае получения лигатуры цирконий-ниобий при подаче компактных кусков ниобия, имеющего температуру плавления 2693 К, в расплав циркония, температура плавления которого 2125 К, не обеспечивается полное растворение ниобия и возможно попадание в слиток лигатуры кусочков нерасплавленного ниобия, которые в дальнейшем дают локальные включения или области химической неоднородности в слитках циркониевых сплавов. В случае подачи ниобия в жидком состоянии в расплав циркония требуется применение специального плавильного агрегата для расплавления ниобия и системы подачи расплава в условиях вакуума.

Наиболее близким к заявляемому способу получению лигатуры цирконий-ниобий является способ, в котором цирконийсодержащий материал укладывают на дно кристаллизатора электронно-лучевой установки, на него загружают легирующий компонент - ниобий, лигатуру получают за счет расплавления электронным лучом сначала ниобия, после чего осуществляют расплавление цирконийсодержащего материала, перемешивание расплавленного металла происходит внешним электромагнитным полем (Патент RU 2313591 C2, опубл. 27.12.2007).

Главный недостаток данного способа - низкий выход в годное, обусловленный применением электронно-лучевой гарниссажной установки, особенностью выплавки слитков в которой, является неполный слив расплавленного металла в медную форму.

Также недостатком данного способа является невозможность его применения для получения лигатуры из порошка циркония и/или порошка ниобия, которые является основными исходными материалами для слитков циркониевых сплавов российского производства. Еще одним недостатком способа является необходимость применения электромагнитного перемешивания, что ограничивает применимость способа, так как не все типы электронно-лучевых печей оборудованы соленоидом, способным создавать электромагнитные поля.

Задача заключается в разработке универсального способа получения лигатуры цирконий-ниобий из компактного и порошкового исходного материала заданного химического состава и обладающим высоким выходом в годное.

Техническим результатом является получение лигатуры цирконий-ниобий с высокой однородностью химического состава и выходом в годное из компактного и порошкового исходного материала.

Технический результат в способе достигается получением лигатуры цирконий-ниобий путем выплавки лигатурного слитка, отличающийся тем, что формируют расходуемый электрод или расходуемую заготовку из цирконийсодержащего и ниобийсодержащего материалов в массовом соотношении циркония к ниобию:

где C_Zr - концентрация циркония, мас.%,

C_Nb - концентрация ниобия, мас.%,

а выплавку осуществляют двукратным переплавом.

В качестве цирконийсодержащего материала используют йодидный цирконий и/или слиток циркония и/или обороты циркониевого производства и/или проволоку циркония и/или губку циркония или порошок циркония и/или обороты циркониевого производства.

В качестве ниобийсодержащего материала используют слиток ниобия и/или полосы из ниобия и/или порошок ниобия.

В качестве оборотов циркониевого производства применяют обороты бинарных сплавов циркония с ниобием и/или обороты из циркония.

При использовании губки циркония или порошка циркония или порошка ниобия вначале прессуют из них брикеты с последующим формированием стержня электронно-лучевой сваркой.

Расходуемый электрод или расходуемую заготовку обвязывают циркониевой проволокой и/или соединяют электронно-лучевой сваркой.

Выплавку лигатурного слитка осуществляют двукратным вакуумно-дуговым переплавом.

Выплавку лигатурного слитка осуществляют по схеме первый электронно-лучевой второй вакуумно-дуговой переплав.

В процессе вакуумно-дуговой плавки применяют электромагнитное перемешивание.

При массовом соотношении циркония к ниобию в исходном шихтовом материале более 2,13 выплавка лигатурного слитка экономически нецелесообразна, так как затраты на выплавку лигатурного слитка будут превышать получаемый от них экономический эффект, из-за использования большого количества материала лигатурного слитка при выплавке слитков циркониевых ниобийсодержащих сплавов с его использованием.

При массовом соотношении циркония к ниобию в исходном шихтовом материале менее 0,45 температура плавления лигатуры превышает температуру плавления циркония на более чем 150 К, что может привести к не полному расплавлению лигатуры и образованию структурно-фазовых неоднородностей в виде областей с повышенным содержанием ниобия в слитках циркониевых ниобийсодержащих сплавов и изделиях из них, что не допустимо.

Двукратный переплав достаточен для обеспечения расплавления, усреднения состава и получения высокооднородного по химическому составу лигатуры цирконий-ниобий. Первый переплав проводится для расплавления исходных компонентов шихты, второй переплав - для однородного распределения элементов в объеме слитков. Из-за высокой активности циркония и ниобия, выплавку лигатурного слитка осуществляют в вакуумно-дуговых или электронно-лучевых установках.

Для обеспечения высокой однородности химического состава слитков при вакуумно-дуговых переплавах применяется электромагнитное перемешивание за счет применения соленоида.

Разработанный способ обеспечивает получение лигатуры цирконий-ниобий с высоким выходом в годное, что подтверждается примерами.

Данный способ осуществляли:

Пример №1

Брикеты прессовали из порошка ниобия диаметром 50 мм. Прессование брикетов проводилось на гидравлическом прессе с удельным давлением прессования не менее 1000 кг/см². Из спрессованных брикетов способом электронно-лучевой сварки сформирован стержень.

Расходуемую заготовку формировали путем обвязки стержня и прутков йодидного циркония циркониевой проволокой в массовом соотношении циркония к ниобию (69% ниобия и 31% циркония). Масса расходуемой заготовки составила 16,3 кг.

Лигатурный слиток диаметром 160 мм и весом 15,1 кг выплавляли последовательно электронно-лучевым переплавом в установке ES 60\1\3 и вакуумно-дуговым переплавом в печи ВДП 300. Результаты исследования содержания ниобия в экспериментальном лигатурном слитке приведены в таблице 1. Анализ результатов свидетельствует о достаточной однородности получаемых лигатурных слитков.

Исследование температуры плавления лигатуры цирконий-ниобий проводилось нагревом слитка в электронно-лучевой печи ES 60\1\3 (количество измерений 10 шт.). Измерения температуры плавления проводились инфракрасным пирометром марки IS 300 MB 25. Температура плавления лигатуры составила 2260-2268 К, максимальная разница в температуре плавления лигатуры и температуре плавления циркония составила не более 143 К, следовательно, при выплавке слитков циркониевых сплавов с использованием полученной лигатуры она полностью расплавится. Выход в годное составил 95,9%.

Пример №2

Брикеты прессовали из циркониевой губки циркония диаметром 50 мм. Прессование брикетов проводилось на гидравлическом прессе с удельным давлением прессования не менее 1000 кг/см². Из спрессованных брикетов способом электронно-лучевой сварки сформирован стержень.

Расходуемую заготовку формировали путем обвязки стержня и полос ниобия циркониевой проволокой в массовом соотношении циркония к ниобию (55% ниобия и 45% циркония). Масса расходуемой заготовки составила 17,3 кг.

Лигатурный слиток диаметром 160 мм и весом 16,0 кг выплавляли последовательно электронно-лучевым переплавом в установке ES 60\1\3 и вакуумно-дуговым переплавом в печи ВДП 300.

Результаты исследования содержания ниобия в экспериментальном лигатурном слитке приведены в таблице 2. Анализ результатов свидетельствует о достаточной однородности получаемых лигатурных слитков

Исследование температуры плавления проводилось нагревом слитка в электронно-лучевой печи ES 60\1\3 (количество измерений 10 шт.). Измерения температуры плавления проводились инфракрасным пирометром марки IS 300 MB 25. Температура плавления лигатуры составила 2133-2138 К, максимальная разница в температуре плавления лигатуры и температуре плавления циркония составила не более 13 К, следовательно, при выплавке слитков циркониевых сплавов с использованием полученной лигатуры она полностью расплавится. Выход в годное составил 96,4%.

Пример №3

Расходуемую заготовку формировали путем обвязки слитка ниобия диаметром 48 мм и слитка циркония диаметром 48 мм циркониевой проволокой в массовом соотношении циркония к ниобию (56% ниобия и 44% циркония).

Лигатурный слиток диаметром 160 мм и весом 17,7 кг выплавляли последовательно электронно-лучевым переплавом в установке ES 60\1\3 и вакуумно-дуговым переплавом в печи ВДП 300. Результаты исследования содержания ниобия в экспериментальном лигатурном слитке приведены в таблице 3. Анализ результатов свидетельствует о достаточной однородности получаемых лигатурных слитков.

Исследование температуры плавления проводилось нагревом слитка в электронно-лучевой печи ES 60\1\3 (количество измерений 10 шт.). Измерения температуры плавления проводились инфракрасным пирометром марки IS 300 MB 25. Температура плавления лигатуры составила 2128-2133 К, максимальная разница в температуре плавления лигатуры и температуре плавления циркония составила не более 8 К, следовательно, при выплавке слитков циркониевых сплавов с использованием полученной лигатуры она полностью расплавится. Выход в годное составил 97,0%.

Пример №4

Два расходуемых электрода формировали путем обвязки слитков ниобия диаметром 50 мм, йодидного циркония в виде прутков и оборотов бинарного сплава цирконий с 1% ниобия циркониевой проволокой в массовом соотношении циркония к ниобию (32% ниобия и 68% циркония). Вес электродов составил 14,8 и 14,9 кг.

Лигатурный слиток диаметром 160 мм и весом 26 кг выплавляли двукратным вакуумно-дуговым переплавом в печи ВДП 300. Электрод для второго вакуумно-дугового переплава формировали из двух слитков первого переплава способом электронно-лучевой сварки. Результаты исследования содержания ниобия в экспериментальном лигатурном слитке приведены в таблице 4. Анализ результатов свидетельствует о достаточной однородности получаемых лигатурных слитков.

Исследование температуры плавления проводилось нагревом слитка в электронно-лучевой печи ES 60\1\3 (количество измерений 10 шт.). Измерения температуры плавления проводились инфракрасным пирометром марки IS 300 MB 25. Температура плавления лигатуры составила 2110-2118 К, что ниже температуры плавления циркония - основы сплава, следовательно, при выплавке слитков циркониевых сплавов с использованием полученной лигатуры она полностью расплавится без образования структурно-фазовых неоднородностей. Выход в годное составил 98,1%.

Результаты анализа химического состава лигатур цирконий-ниобий, в том числе выплавленной по прототипу, а также рассчитанные выхода в годное приведены в таблице 5.

Таким образом, разработан способ получения лигатуры цирконий-ниобий, позволяющий получать однородные по химическому составу лигатуры сплава цирконий-ниобий, обладающие оптимальными технико-экономическими показателями и температурой плавления не более чем на 150 К выше температуры плавления циркония, из компактного и порошкового исходного материала с высокой однородностью химического состава и выходом в годное.