Способ получения сплавов на основе циркония

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в промышленном производстве высококачественных сплавов на основе циркония, в том числе для атомной промышленности. Способ включает прессование брикетов из смеси цирконийсодержащего материала и легирующих элементов, изготовление из брикетов заготовки, формирование расходуемого электрода из заготовки, иодидных прутков и циркониевой проволоки и выплавку слитка многократным вакуумным - дуговым переплавом, при этом часть заготовки, соответствующую донной части слитка первого переплава и/или литниковую часть слитка конечного переплава при изготовлении составляют из обедненных брикетов, в которые легирующие элементы вводят в количестве: C=K₁×C_p, где K₁ - коэффициент, учитывающий склонность легирующего элемента к ликвации K₁=0,5-1,0, С_р - расчетное содержание легирующего элемента в сплаве, причем суммарная масса обедненных брикетов составляет: где К₂ - коэффициент, учитывающий массу жидкого металла в начальный момент плавки в зависимости от длины наплавленного слитка К₂=0,04÷0,12 кг/мм, D - диаметр слитка конечного переплава, мм. Технический результат: повышение качества получаемых сплавов за счет повышения химической однородности слитка. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения сплавов на основе циркония, и может быть использовано для получения однородных по химическому составу слитков сплавов на основе циркония путем вакуумного дугового переплава (ВДП).

Известен способ получения сплавов на основе циркония, который включает прессование из смеси порошка циркония, легирующих элементов и кусочков йодидного циркония полых брикетов, в отверстия которых вставляют штанги оборотного металла, спекание в вакуумной печи собранных таким образом заготовок. Из полученных заготовок, йодидных прутков и циркониевой проволоки формируют расходуемый электрод и выплавляют слиток многократным вакуумным - дуговым переплавом (Шиков А.К., Никулин А.Д., Никулина А.В., Аржакова В.М., Безумов В.Н., Рождественский В.В., Лосицкий А.Ф., Штуца М.Г., Кузьменко Н.В. Перспектива развития и современное состояние производства циркония, его сплавов и изделий из них / Физика и химия обработки материалов, №1, 2003).

Недостатком данного способа является значительная неоднородность по химическому составу в литниковой части слитка второго переплава, связанная с опережающим плавлением порошковой основы сплава и, как следствие, обогащением донной части слитка первого переплава по содержанию легирующих компонентов.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение качества получаемых сплавов за счет повышения химической однородности слитка.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения сплавов на основе циркония, включающем прессование брикетов из смеси цирконийсодержащего материала и легирующих элементов, изготовление из брикетов заготовки, формирование расходуемого электрода из заготовки, йодидных прутков и циркониевой проволоки и выплавки слитка многократным вакуумно-дуговым переплавом, при изготовлении заготовки ту ее часть, которая соответствует донной части слитка первого переплава и/или литниковой части слитка конечного переплава, составляют из обедненных брикетов, в которые каждый из легирующих элементов вводят в количестве:

C=K₁×C_p,

где K₁ - коэффициент, учитывающий склонность легирующего элемента к ликвации, K₁=0,5-1,0;

С_р - расчетное содержание легирующего элемента в сплаве, причем суммарная масса обедненных брикетов составляет:

M=К₂×D,

где K₂ - коэффициент, учитывающий массу жидкого металла в начальный момент плавки в зависимости от длины наплавленного слитка,

К₂=0,04÷0,12 кг/мм;

D - диаметр слитка конечного переплава, мм.

В частном варианте выполнения способа смесь цирконийсодержащего материала и легирующих элементов готовят их порционным взвешиванием, а затем - усреднением.

В качестве цирконийсодержащего материала может быть использован порошок металлического циркония и/или измельченную циркониевая губка, кусочки йодидного циркония и оборотный цирконий в виде стружки.

В качестве цирконийсодержащего материала может быть использован порошок металлического циркония и/или циркониевая губка, кусочки йодидного циркония, причем брикеты прессуют с центральными отверстиями, в которые при изготовлении заготовки вставляют штангу оборотного циркония.

В частном варианте выполнения способа при изготовлении заготовки брикеты соединяют спеканием.

В частном варианте выполнения способа при изготовлении заготовки брикеты соединяют электронно-лучевой или плазменно-дуговой сваркой.

Примером осуществления предлагаемого способа является получение двукратным вакуумным дуговым переплавов слитков применяемых в атомной промышленности сплавов Zr-Nb - (0.9-1.2 мас.%) - Fe (0,30-0,47 мас.%) - Sn (1,10-1,42 мас.%) - О (0,05-0,12 мас.%). Для формирования расходуемого электрода первого переплава навески для брикетов, соответствующих донной части слитка первого переплава и литниковой части слитка второго переплава, содержали меньшее количество легирующих элементов, их содержание определяли из соотношения:

С=К₁×С_р,

где K₁ - коэффициент, учитывающий склонность легирующего элемента к ликвации, K₁=0,5-1,0, определяли экспериментально для каждого элемента;

С_р - расчетное содержание легирующего компонента в сплаве,

В результате, для обедненных брикетов, формирующих донную часть слитка первого переплава и литниковую часть слитка второго переплава расчетное содержание легирующих элементов составило:

C_Nb-0,97×C_pNb; C_Sn-0,95×C_pSn; C_Fe-0,94×C_pFe; C_O-1,0×C_pO

Суммарная масса обедненных брикетов определялась из соотношения:

M=K₂×D,

где К₂ - коэффициент, учитывающий массу жидкого металла в начальный момент плавки в зависимости от длины наплавленного слитка, К₂=0,04÷0,12 кг/мм;

D - диаметр слитка конечного переплава, мм.

В приводимом примере для слитка конечного переплава диаметром равным 450 мм и длиной наплавленного слитка 55 мм суммарная масса обедненных брикетов была 41,25 кг.

В отверстия брикетов вставляли штанги оборотного металла, проводили спекание в вакуумной печи, формировали расходуемый электрод из полученной заготовки, йодидных прутков и циркониевой проволоки и выплавляли слиток двукратным вакуумно-дуговым переплавом.

От литниковой, средней и донной части полученного слитка отбирали пробы для определения химического состава, результаты которого приведены в таблице 1.

Для получения сравнительных данных аналогично исследовали слиток сплава того же состава, полученный по наиболее близкому способу.

Сравнение химического состава слитков по предлагаемому и наиболее близкому способам (таблица 1) свидетельствуют о решении поставленной задачи повышения качества сплавов за счет повышения химической однородности слитка.

Предложенный способ может быть использован в промышленном производстве слитков из сплавов на основе циркония, применяемых в качестве конструкционных материалов ядерных реакторов.

Таблица 1
Способ получения сплава	Часть слитка для исследования состава	Содержание легирующих элементов, %
Nb	Sn	Fe	O
Предлагаемый	Литниковая	1,0	1,26	0,35	0,08
	Средняя	1,0	1,22	0,33	0,08
Донная	1,0	1,22	0,34	0,08
По наиболее близкому аналогу	Литниковая	1,2	1,4	0,42	0,08
	Средняя	1,03	1,22	0,35	0,08
Донная	1,03	1,24	0,34	0,08

1. Способ получения сплавов на основе циркония, включающий прессование брикетов из смеси цирконийсодержащего материала и легирующих элементов, изготовление из брикетов заготовки, формирование из упомянутой заготовки, иодидных прутков и циркониевой проволоки расходуемого электрода и выплавку слитка многократным вакуумно-дуговым переплавом, отличающийся тем, что при изготовлении заготовки ту ее часть, которая соответствует донной части слитка первого переплава и/или литниковой части слитка конечного переплава, составляют из обедненных брикетов, в которые каждый из легирующих элементов вводят в количестве

C=K₁×C_p,

где K₁ - коэффициент, учитывающий склонность легирующего элемента к ликвации K₁=0,5-1,0;

С_p - расчетное содержание легирующего элемента в сплаве, причем суммарная масса обедненных брикетов составляет

M=K₂×D,

где К₂ - коэффициент, учитывающий массу жидкого металла в начальный момент плавки в зависимости от длины наплавленного слитка, К₂=0,04÷0,12 кг/мм;

D - диаметр слитка конечного переплава, мм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь цирконийсодержащего материала и легирующих элементов готовят их порционным взвешиванием, а затем - усреднением.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве цирконийсодержащего материала используют порошок металлического циркония и/или измельченную циркониевую губку, кусочки иодидного циркония и оборотный металл в виде стружки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве цирконийсодержащего материала используют порошок металлического циркония и/или измельченную циркониевую губку, кусочки иодидного циркония, причем брикеты прессуют с центральными отверстиями, в которые вставляют штангу оборотного циркония.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при изготовлении заготовки брикеты соединяют спеканием.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при изготовлении заготовки брикеты соединяют электронно-лучевой или плазменно-дуговой сваркой.