Наведено результати дослідження можливості отримання зливків цирконієвого сплаву системи Zr - Nb - Ti з використанням способу вакуумно-дугового переплаву (ВДП) з витратним електродом. Як витратні електроди використано зливки діаметром 50 мм, отримані способом переплаву з невитратним електродом у гарнісажній печі. Відпрацьовано технологію отримання цирконієвого сплаву заданого складу способом ВДП у мідний кристалізатор електрода, що витрачається. Вирішено комплекс технологічних і матеріалознавчих задач, проведено дослідження технологічних факторів, методів і процесів металургії, пов'язаних із вибором устаткування та оснащення для плавлення, розроблено технологічний процес отримання зливків із заданим гомогенним хімічним складом для подальшої деформаційної обробки та отримання вихідної заготовки. Виплавлено зливок діаметром 120 мм у вакуумно-дуговій печі. Визначено технологічні параметри виплавки при дуговому переплаві з витратним електродом у вакуумній дуговій печі. Дослідження металу зливка методом ультразвукової дефектоскопії дослідного сплаву системи Zr - Nb - Ti показало відсутність внутрішніх дефектів структури - несуцільностей, усадочних раковин, пористості, великих неметалевих включень.

Досліджено хімічний склад зливків цирконієвого сплаву системи Zr - Nb - Ti, виплавлених способом однократного вакуумно-дугового переплаву (ВДП) у мідний кристалізатор витратних електродів, що попередньо отримували способом ВДП із невитратним електродом у вакуумній дуговій гарнісажній печі. Оцінено вміст основних легуючих елементів та кисню. Встановлено коефіцієнти переходу елементів шихти при ВДП із витратним електродом. Установлено, що вміст основних легуючих елементів у зливках відповідає їх розрахунковому складу. Досліджено хімічний склад зливків сплаву системи Zr - Nb - Ti і показано, що матеріал характеризується досить високою однорідністю по всій структурі зливка без ознак зональної ліквації. Дослідження металу зливка методом ультразвукової дефектоскопії сплаву показало відсутність внутрішніх дефектів структури. Таким чином, комплексна технологія є ефективним способом отримання зливків цирконієвого сплаву системи Zr - Nb - Ti, усуває недоліки інших чинних технологій та забезпечує отримання якісних зливків.

Індекс рубрикатора НБУВ: К235.170.43 + К345.17 + В378.21

Рубрики:

Структурні та фазові перетворення у цирконії та його сплавах

Металургія цирконію

Структурний аналіз монокристалів металів

Шифр НБУВ: РА444698 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Наведено результати дослідження можливості отримання зливків цирконієвого сплаву (ЦС) системи Zr - Nb - Ti з використанням способу вакуумно-дугового переплаву (ВДП) шихтового матеріалу різного хімічного складу. Відпрацьовано технологію отримання ЦС заданого складу способом ВДП із невитратним електродом у вакуумній дуговій гарнісажній печі (ДГП). Вирішено комплекс технологічних і матеріалознавчих задач, проведено дослідження технологічних факторів, методів і процесів металургії, пов'язаних із вибором устаткування, оснащення та шихти для плавлення, розроблено технологічний процес отримання зливків із заданим гомогенним хімічним складом для подальшої деформаційної обробки з метою отримання вихідної заготовки. Вміст основних легуючих елементів оцінено за допомогою сканувального мікроскопа, а кисню - за допомогою газоаналізатора. Визначено технологічні параметри виплавки та встановлено коефіцієнти переходу елементів шихти при дуговому переплаві з невитратним електродом у вакуумній ДГП. Встановлено, що вміст цирконію та ніобію в зливках відповідає їх розрахунковому складу вихідної шихти, а вміст титану є нижчим. Виплавлено контрольні зливки діаметром 50 мм з урахуванням коефіцієнтів переходу способом ВДП із невитратним електродом у вакуумній ДГП.

Розглянуто питання розробки конструкційних матеріалів на основі цирконію для активних зон ядерно-енергетичних установок та інших застосувань. Наведено основні фізико-хімічні властивості цирконію та його сплавів. Значну увагу приділено методам отримання цирконію та особливостям процесів відновлення цирконію до металу. Висвітлено питання розробки процесів рафінування цирконію від домішок різними методами в високому вакуумі, отримання сплавів цирконію та дослідження їх властивостей.

Розглянуто можливість отримання методом вакуумно-дугового переплаву сплаву на основі цирконію для застосування в медицині як матеріалів для імплантатів. Досліджено макро- і мікроструктуру отриманого цирконієвого сплаву. Забезпечено якісний розподіл легуючих елементів в обсязі злитка і виготовленого з нього прутка. Визначено механічні властивості й модуль нормальної пружності.

Проведен сравнительный анализ перспектив использования в ядерно-топливном цикле Украины циркония, получаемого с помощью методов кальцийтермического и магнийтермического восстановления. Дано обоснование преимущества использования в условиях Украины циркония кальцийтермического восстановления. Показана необходимость проведения экспериментальных исследований по получению изделий из циркония магнийтермического восстановления в электронно-лучевых литейных установках.

Дано обоснование целесообразности использования в Украине технологий кальцийтермического восстановления циркония из тетрафторида циркония и последующего рафинирования этого металла способом электронно-лучевой плавки с промежуточной емкостью с дальнейшей выплавкой из него сплавов циркония электронно-лучевой гарнисажной плавкой с получением литых трубных заготовок для изготовления труб-оболочек тепловыделяющих элементов АЭС.

Рассмотрены схемы электронно-лучевых установок, обеспечивающих выплавку циркониевых сплавов для ядерно-топливного цикла. Предложено проводить плавление и предварительное рафинирование сплавов в среднем вакууме при обогреве пушками высоковольтного тлеющего разряда, а окончательное рафинирование сплавов и формирование из них слитков и литых заготовок - в высоком вакууме при обогреве термокатодными пушками.

Дано обоснование целесообразности использования при получении сплавов циркония для отечественного ядерно-топливного цикла электронно-лучевых металлургической и литейной технологий вместо вакуумно-дугового переплава. Приведены результаты получения литых трубних заготовок из сплава Zr 1 Nb на основе циркония кальцийтермического восстановления. Предложены схемы новых технологических решений и конструктивного исполнения электронно-лучевых установок для плавки и литья циркониевых сплавов.

Предложены и описаны металлотермическая и электронно-лучевая технологии получения конструкционного сплава цирконий - гафний с широким спектром физических свойств, пригодного для нейтронной защиты и термохимических катодов. Изложены результаты опытно-промышленных плавок совместного кальцийтермического восстановления фторидов циркония и гафния в присутствии железа в индукционной вакуумной печи типа ИСВ-1.0-ПХ-И1 и электронно-лучевого переплава слитков тройного сплава на установках УЭ-177РЛ, УЭ-178. Двойной сплав цирконий - 24 % гафния по химсоставу соответствует требованиям на материалы ядерной чистоты, пригодным для деформации их в изделия различного назначения (лист, пруток, проволока, труба).

Дана оценка качества литых заготовок из сплава системы Zr - 1Nb, полученных из литейных отходов в электронно-лучевой гарнисажной установке. Конкретизированы возможные области применения металла.

Розглянуто подальший розвиток методів оцінки екологічних ризиків на основі визначення єдиних ступенів небезпеки специфічних і неспецифічних з неканцерогенних ризиків для здоров'я людини, що обумовлено специфікою виробництва цирконію для ядерного паливного циклу України. Вперше досліджено екологічну небезпеку викидів забруднювальних речовин від цирконієвих підприємств України та за результатами моделювання просторового поширення рівнів екологічного ризику для населення, визначено зони неприйнятного забруднення атмосферного повітря. На підставі встановлених рівнів канцерогенних і неканцерогенних інгаляційних ризиків для людини, запропоновано науково обгрунтований перелік речовин, який рекомендовано для систематичного контролю їх вмісту в атмосферному повітрі в зонах дії підприємств з виробництва ядерно-чистого цирконію. Вперше визначено загальні принципи управління екологічними ризиками цирконієвої промисловості України й обгрунтовано технічні рішення щодо підвищення екологічної безпеки досліджуваних виробництв.

Для визначення складу, інтегральної і надлишкової величин енергії Гіббса утворення, а також активності компонентів у поверхневому шарі розплавів Ti - Cu і Zr - Cu застосовано термодинамічні теорії поверхневого натягу розчину, адсорбційне рівняння Гіббса, умову стійкості поверхні, а також експериментальні дані (концентраційні залежності поверхневого натягу і молярних об'ємів сплавів) і термодинамічні активності компонентів у об'ємі. Розчини, сформовані в поверхневому шарі й об'ємі, мають негативне відхилення від закону Рауля. Адсорбційна крива міді для сплавів має похилий максимум. Склад поверхневого шару мало відрізняється від складу об'єму. Енергії Гіббса утворення розчину й їх надлишкові величини за всіх концентрацій у поверхневому шарі негативні. Вони менші, ніж термодинамічні величини в об'ємі.

Встановлено, що сплав Zr-1 Nb одержують шляхом плавлення електронним променем трьохкомпонентної шихти у гарнісажному тиглі зі зливним отвором у дні та системою електромагнітного перемішування. Зазначено, що легувальний елемент вводять шляхом сплавлення електронним променем у розплав у тиглі. Проаналізовано, що формування заготовок здійснюється у кристалізаторі, що розташовано на одній вісі отвором у дні правильного тигля. Обумовлені технічними вимогами механічні властивості сплаву забезпечує термочасова обробка розплаву на кінцевій стадії плавки. Розроблено три способи одержання литих заготовок з цирконієвих сплавів у мідних кристалізаторах, а саме: заливкою у стаціонарний суцільний водоохолоджуваний кристалізатор, відцентровим литтям, заливкою у стаціонарний водоохолоджуваний розрізний кристалізатор з накладанням електромагнітних полів на розплав в процесі кристалізації. За хімічним складом, структурою та механічними властивостями трубні заготовки зі сплаву Zr-1 Nb, одержані вказаними способами, не поступаються заготовками подвійного вакуумно-дугового переплаву та відповідають стандартам і технічним умовам на вироби з них. Наведено можливість виплавки складнолегованих сплавів цирконію в електронно-променевих гарнісажних установках. Розроблено рекомендації з удосконалення технології й обладнання для одержання литих трубних заготовок зі сплавів цирконію, в тому числі з використання його губки.

Дан краткий анализ современного состояния технологий плавки циркония, изложены предложения по возможным направлениям циркониевого производства в Украине. Обоснована перспективность применения электронно-лучевых металлургической и литейной технологий для этой цели.

Основываясь на результатах получения циркония, предложен механизм восстановления металлического циркония.

Проанализировано современное состояние производства циркония, сплавов, проката и изделий на его основе для ядерного топливного цикла Украины. Представлена характеристика технологических этапов производства как факторов негативного воздействия на объекты окружающей природной среды и здоровье населения.

Розроблено технологічний процес виплавки сплаву цирконію КТЦ110 з комбінованої шихти в електронно-променевих ливарних установках у гарнісажних тиглях із системами електромагнітного перемішування (СЕМП). За промислових і лабораторних умов злитки з цього сплаву одержані відповідно литтям у стаціонарні суцільні форми та розрізні форми, оснащені CЕМП розплаву під час кристалізації.

Представлена технология электронно-лучевого оплавления цилиндрических слитков циркония и экспериментально определены оптимальные технологические режимы. На основании металлографического анализа слитков показано, что оплавленный слой характеризуется отсутствием макропор, несплошностей и других дефектов литейного происхождения.