ТИГЕЛЬ ДЛЯ ПЛАВКИ РАДИОАКТИВНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Полезная модель относиться к области металлургии и может быть применена для плавки урана, плутония и сплавов на их основе.
Известны тигли, предназначенные для плавки радиоактивных металлов, изготовленные из керамических материалов на основе оксидов циркония, магния, иттрия, бериллия и тория. [«Теория и практика литья радиоактивных металлов и сплавов» С.И.Бирюков, Ю.А.Метелкин, С.И.Иванов, Э.Н.Шингарев. Москва, Энергоатомиздат, 1989 г, стр.125, «Плавка и литье урана и его сплавов», С.И.Бирюков, Ю.А.Метелкин, Москва, Энергоатомиздат, 1983 г., стр.21].
Такие тигли обладают высокой температурой плавления, хорошей огнеупорностью, низким давлением пара в вакууме, инертностью по отношению к расплавленным высокоактивным урану и плутонию и относительно недороги.
Основным недостатком тиглей из оксидных материалов, ограничивающим их применение для плавки радиоактивных металлов, является их низкая эксплуатационная стойкость. Стойкость тиглей из оксидных материалов составляет не более 5 операций. Это приводит к образованию большого количества отходов, загрязненных высокоактивными металлами, проникающими в поры в процессе плавки, и требующими дальнейшей переработки и утилизации, ухудшению экологической обстановки в заводских условиях и производственных помещениях и, как следствие, увеличение количества безвозвратных потерь дорогостоящих материалов.
Известны тигли, предназначенные для плавки радиоактивных металлов, изготовленные из графита [«Теория и практика литья радиоактивных металлов и сплавов» С.И.Бирюков, Ю.А.Метелкин, С.И.Иванов, Э.Н.Шингарев. Москва, Энергоатомиздат, 1989 г, стр.131, «Плавка и литье урана и его сплавов», С.И.Бирюков, Ю.А.Метелкин, Москва, Энергоатомиздат, 1983 г. стр.25]. Тигли, изготовленные из графита, также сравнительно недороги, термостойки и пригодны для многоразового использования.
Однако, учитывая характер взаимодействия радиоактивных материалов с графитом, графитовые тигли можно использовать для плавки урана и плутония только с нанесенным на их рабочую поверхность защитных покрытий на основе карбидных материалов. Основными недостатками графитовых тиглей являются низкая эксплуатационная стойкость (не более 50 операций) и загрязнение расплавленного материала углеродом. Кроме того, графитовые материалы обладают развитой пористостью, что способствует проникновению урана в графит и, как следствие, невозможность извлечения остатков радиоактивного материала из тигля. Переработка отходов тиглей из графита с целью извлечения дорогостоящих материалов сопровождается большими потерями радиоактивных металлов (до 20%) и имеет низкий процент извлечения.
Также известен тигель для плавки радиоактивных металлов, изготовленный из тантала [«Теория и практика литья радиоактивных металлов и сплавов» С.И.Бирюков, Ю.А.Метелкин, С.И.Иванов, Э.Н.Шингарев. Москва, Энергоатомиздат, 1989 г, стр.131, «Плавка и литье урана и его сплавов», С.И.Бирюков, Ю.А.Метелкин, Москва, Энергоатомиздат, 1983 г. стр.19], выбранный в качестве прототипа. Для защиты танталовых тиглей от воздействия расплава радиоактивных металлов на рабочую поверхность наносят специальное разовое защитное покрытие на основе оксидов магния, кальция. Стойкость тиглей из тантала при плавке урана и плутония составляет более 100 операций.
Существенным недостатком таких тиглей является высокая стоимость и дефицит тантала, а также необходимость нанесения разового защитного покрытия, которое предотвращает взаимодействие расплава радиоактивных металлов с материалом тигля. Кроме того, в процессе проведения плавок радиоактивных материалов происходит рост зерна тантала, которое приводит к образованию растягивающих напряжений на межзеренных границах, и как следствие, диффузия урана и плутония по границам зерен. Это в свою очередь, приводит к образованию большого количества высокоактивных отходов, требующих дальнейшей дорогостоящей операции переработки и утилизации.
Стоимость тантала составляет 25000 руб/кг, стоимость сплава - 4100 руб/кг.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является разработка тигля из материала относительно недорогого, стойкого к расплаву радиоактивных металлов и не требующего нанесения разовых защитных покрытий из других материалов.
Для решения поставленной задачи тигель для плавки радиоактивных металлов и сплавов состоит из корпуса и внутреннего защитного оксикарбидного слоя, причем корпус выполнен из сплава ниобия и титана с содержанием 40-60 мас.% ниобия, а защитный оксикарбидный слой, сформированный методом химико-термической обработки, содержит 1,5-4,0 мас.% углерода и 15,0-30,0 мас.% кислорода, причем глубина защитного оксикарбидного слоя составляет 70-150 Мкм, а размер зерна в защитном оксикарбидном слое составляет менее 0,1 Мкм.
Сочетание мелкокристаллической структуры и твердого износостойкого защитного оксикарбидного слоя позволяет полностью исключить взаимодействие расплава радиоактивных металлов с материалом тигля и повысить его ресурс работы.
3
Кроме того, сплав обладает температурой плавления - 1830°С, плотностью - 6,0 г/см. В температурном интервале 775-1100°С сплав образует ряд нестехиометрических окислов и карбидов с минимальной температурой плавления 1460°С. Данный сплав пластичен (коэффициент относительного удлинения - более 50%), позволяет изготавливать изделия сложной формы методами холодной и горячей (650-750°С) деформации.
Пример изготовления тиглей.
Для изготовления тигля использовали сплав с содержанием 45 мас.% ниобия. Заготовку из сплава подвергали осадке на прессе при температуре 650°С. Из полученной заготовки методом обратного выдавливания в специально сконструированной и изготовленной штамповой оснастке при той же температуре формировали тигель в форме стакана с допусками под механическую обработку резанием. После механической обработки рабочую поверхность тигля подвергали струйно-абразивной обработке с целью активации поверхности тигля. Затем поверхность тигля покрывали слоем коллоидного графита, тигель помещали в муфельную печь и проводили химико-термическую обработку (ХТО) при температуре 1100°С с последующей закалкой в масло (температура заготовки 1100°С) и отжигом в окислительной среде при температуре 750°С в течение 3 часов. В процессе ХТО происходило диффузионное насыщение поверхности тигля кислородом и углеродом.
В результате на рабочей поверхности тигля был сформирован твердый, однородный, плотно прилегающий к основе защитный оксикарбидный слой толщиной 120 Мкм со средним содержанием кислорода ~20% и углерода ~3%. Размер зерна в защитном оксикарбидном слое составил менее 0,1 Мкм. Проведенные исследования показали, что использование защитного слоя с содержанием кислорода более 30% и углерода более 4% приводит к охрупчиванию и разрушению слоя в процессе операции плавки. Содержание кислорода менее 15% и углерода менее 1,5% не обеспечивает надежную защиту материала тигля от воздействия расплава радиоактивного металла. Увеличение размера зерна в защитном оксикарбидном слое_выше 0,1 Мкм приводит к резкому увеличению межкристаллитной коррозии и улучшению смачиваемости материала тигля, что снижает ресурс работы тигля и приводит к загрязнению расплава материалом тигля.
Проведенные промышленные испытания тиглей из сплава с содержанием ниобия 45,0 мас.% с защитным оксикарбидным слоем глубиной 120 Мкм при плавке радиоактивных металлов показали отсутствие взаимодействия расплава радиоактивных металлов с материалом тигля. Химический состав радиоактивных материалов после плавки находится в пределах требований ОСТ, ТУ и ЧТД. Использование данного материала позволило повысить эксплуатационный ресурс тиглей в 1,5-2 раза, снизить стоимость тиглей в 4-5 раз, уменьшить количество отходов и безвозвратных потерь, улучшить экологическую обстановку в производственных помещениях.