Способ получения слитков цирконий-ниобиевого сплава, микролегированных железом и кислородом

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в промышленном производстве высококачественных слитков цирконий-ниобиевых сплавов, дополнительно микролегированных железом и кислородом, в том числе для атомной промышленности. Способ включает прессование брикетов из смеси порошков циркония и ниобия и легирующих элементов, изготовление из брикетов заготовки, формирование расходуемого электрода осуществляют из заготовки, йодидных прутков и циркониевой проволоки и выплавку слитка многократным вакуумно-дуговым переплавом. Для каждого брикета составляют отдельные порции кислородсодержащей легирующей добавки в виде пентаоксид ниобия или диоксид циркония и смеси порошков циркония и ниобия, при этом предварительно готовят смесь порошков железа и циркония с получением навески, заданной на общее количество брикетов с последующим ее делением на порции, соответствующие количеству брикетов, перемешивают порции и добавляют навеску кусочков йодидного циркония. Изобретение позволяет получить слитки из высококачественных цирконий-ниобиевых сплавов, дополнительно микролегированных железом и кислородом, с высокой химической однородностью путем переплава расходуемых электродов в вакуумных дуговых печах. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения однородных по химическому составу слитков цирконий-ниобиевых сплавов, микролегированных железом и кислородом методом 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 вакуумно-дуговым переплавом (Шиков А.К., Аржакова В.М., Рождественский В.В. Современное состояние производства циркониевых сплавов. // Титан, 2005, №1(16)).

Недостатком данного способа является сложность обеспечения однородности смеси в шихте при введении в состав порошков легирующих элементов в небольших количествах, значительно отличающихся от основы сплава не только по плотности, но и по фракционному составу. В этом случае требуется применение специальной технологии смешивания шихты, которая в данном способе не приводится.

Задачей, решаемой с помощью предлагаемого изобретения, является обеспечение высокого качества слитков цирконий-ниобиевых сплавов, дополнительно микролегированных железом и кислородом, а именно - однородного распределения легирующих компонентов в слитке сплава.

Технический результат достигается тем, что в способе получения слитков цирконий-ниобиевых сплава, микролегированных железом и кислородом, включающем прессование брикетов из смеси порошков циркония и ниобия и легирующих элементов, изготовление из брикетов заготовки, формирование расходуемого электрода из заготовки, йодидных прутков и циркониевой проволоки и выплавку слитка многократным вакуумно-дуговым переплавом, для каждого брикета составляют отдельные порции кислородсодержащей легирующей добавки в виде пентаоксида ниобия или диоксида циркония и смеси порошков циркония и ниобия, при этом предварительно готовят смесь порошков железа и циркония с получением навески, заданной на общее количество брикетов с последующим ее делением на порции, соответствующие количеству брикетов, перемешивают порции и добавляют навеску кусочков йодидного циркония.

Введение в брикеты микроколичества железа в составе предварительно приготовленной смеси порошков железа и циркония с получением навески, заданной на общее количество брикетов, с последующим ее делением на порции, соответствующие количеству брикетов, позволяет получить равномерное распределение железа в объеме одного брикета, и, как следствие, равномерное распределение в объеме слитка при вакуумно-дуговом переплаве.

Составление смеси порошка циркония и легирующих элементов из отдельных порций смеси порошков циркония и ниобия, кислородсодержащей добавки в виде пентаоксида ниобия или диоксида циркония, подготовленной в заявляемой последовательности смеси порошков железа и циркония, перемешивание порций и затем добавление йодидного циркония способствует равномерному распределению в объеме брикета всех компонентов сплава, что обеспечивает их равномерное распределение в объеме слитка и, таким образом, - однородность химического состава, а следовательно, и высокое качество слитков, что подтверждено экспериментально.

Смесь порошков циркония и железа предпочтительно формировать в следующем соотношении, зависящем от фактического содержания железа в цирконий-ниобиевом сплаве:

М_Zr:М_Fе≥1,

где M_Zr - масса навески порошка циркония;

М_Fe - масса навески порошка железа.

Примером осуществления предлагаемого способа является получение слитка сплава Э110 (сплав циркония с 0,9-1,1 мас.% ниобия, содержащий кислород в пределах 0,06-0,099 мас.% и железо в пределах 0,025-0,05 мас.%) путем двойного вакуумного дугового переплава расходуемого электрода.

Расходуемый электрод для вакуумной дуговой плавки формировали из брикетов массой 25 кг, состоящих из 53% смеси порошков ниобия и циркония с содержанием кислорода 0,05 мас.% и железа 0,007 мас.%, кислородосодержащей добавки в виде пентаоксида ниобия и порошка железа; 35% йодидного циркония, содержащего кислорода 0,007 мас.% и железа 0,0038 мас.%; 12% циркониевых оборотов, содержащих 1,0 мас.% ниобия, кислорода - 0,0395 мас.% и железа - 0,0087 мас.%.

Смеси на брикет готовили следующим образом:

1. С помощью гравитационного смесителя получали смесь порошков циркония и ниобия на 1 брикет.

2. Готовили навеску кислородосодержащей добавки в виде пентаоксида ниобия на 1 брикет.

3. Вручную готовили смесь порошков железа и циркония в соотношении М_н:М_Fе=1 общей массой 0,942 кг.

4. Делили смесь, полученную по п.3 на количество брикетов.

5. Вручную перемешивали подготовленные навески, полученные по пп.1, 2 и 4.

Из полученной таким образом смеси и кусочков йодидного циркония прессовали брикеты на прессе П-814 усилием 500 т для формирования расходуемых электродов для ВДП.

Полученные брикеты с центральным отверстием, в которое помещали штангу оборотного металла, укладывали в столбики по 10 штук и спекали при температуре 1050°С в вакууме, затем с помощью циркониевой проволоки обвязывали прутками иодидного циркония и подвергали двойному вакуумному дуговому переплаву в печи ДКВ-3,2. Масса выплавленных слитков диаметром 450 мм составила 1500 кг.

Проводили анализ содержания легирующих элементов в различных частях слитка: литниковой, средней и донной.

Для получения сравнительных данных был выплавлен слиток сплава Э110 идентичного химического состава по известному способу, с одновременным смешиванием легирующих компонентов.

Результаты анализа содержания легирующих элементов в слитках, полученных предлагаемым и известным способом, приведены в таблице. Они свидетельствуют о более равномерном содержании легирующих элементов в слитке, изготовленном предлагаемым способом.

Таким образом, предлагаемый способ позволил повысить однородность распределения легирующих компонентов по объему слитка.

Приведенные результаты свидетельствуют о решении поставленной задачи: обеспечение высокого качества слитков.

Предложенный способ может быть применен в промышленном производстве слитков циркония с ниобием, дополнительно легированных железом и кислородом, на основе электролитического порошка циркония, используемых в качестве конструкционных материалов ядерных реакторов.

Способ получения сплава	Часть слитка для исследования состава	Содержание легирующих элементов, %
Nb	Fe	O
Предлагаемый	Литниковая	1,03	0,038	0,076
	Средняя	1,01	0,037	0,075
Донная	1,02	0,038	0,076
Известный	Литниковая	1,06	0,045	0,081
	Средняя	1,03	0,033	0,073
Донная	0,98	0,035	0,062

1. Способ получения слитков цирконий-ниобиевого сплава, микролегированных железом и кислородом, включающий прессование брикетов из смеси порошков циркония и ниобия и легирующих элементов, изготовление из брикетов заготовки, формирование расходуемого электрода из заготовки, йодидных прутков и циркониевой проволоки и выплавку слитка многократным вакуумно-дуговым переплавом, отличающийся тем, что для каждого брикета составляют отдельные порции кислородсодержащей легирующей добавки в виде пентаоксид ниобия или диоксид циркония и смеси порошков циркония и ниобия, при этом предварительно готовят смесь порошков железа и циркония с получением навески, заданной на общее количество брикетов с последующим ее делением на порции, соответствующие количеству брикетов, перемешивают порции и добавляют навеску кусочков йодидного циркония.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь порошков циркония и железа формируют в следующем соотношении, зависящем от фактического содержания железа в цирконий-ниобиевом сплаве:
M_Zr:М_Fе≥1,
где M_Zr - масса навески порошка циркония;
М_Fе - масса навески порошка железа.