СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛИТКОВ ЦИРКОНИЙ-НИОБИЕВОГО СПЛАВА, МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗОМ И КИСЛОРОДОМ
METHOD OF PRODUCTION OF INGOTS OF ZIRCONIUM-COLUMBIUM ALLOY MICROALLOYED WITH IRON AND OXYGEN

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:
Zr
Fе
М:М≥1,
Zr
где M - масса навески порошка циркония;
Fe
М - 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.
н
Fе
3. Вручную готовили смесь порошков железа и циркония в соотношении М:М=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