Использование литейных отходов циркония для выплавки сплава системы Zr-1 Nb в электронно-лучевой гарнисажной установке
Дана оценка качества литых заготовок из сплава системы Zr-1 Nb, полученных из литейных отходов в электронно-лучевой гарнисажной установке. Конкретизированы возможные области применения металла....
Збережено в:
| Дата: | 2014 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2014
|
| Назва видання: | Процессы литья |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/159859 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Использование литейных отходов циркония для выплавки сплава системы Zr-1 Nb в электронно-лучевой гарнисажной установке / С.В. Ладохин, Н.И. Левицкий, Т.В. Лапшук // Процессы литья. — 2014. — № 4. — С. 73-78. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-159859 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1598592019-10-16T01:25:56Z Использование литейных отходов циркония для выплавки сплава системы Zr-1 Nb в электронно-лучевой гарнисажной установке Ладохин, С.В. Левицкий, Н.И. Лапшук, Т.В. Новые литые материалы Дана оценка качества литых заготовок из сплава системы Zr-1 Nb, полученных из литейных отходов в электронно-лучевой гарнисажной установке. Конкретизированы возможные области применения металла. Проведено оцінку якості литих заготовок зі сплаву системи Zr-1 Nb, які одержано із ливарних відходів в електронно-променевій гарнісажній установці. Конкретизовано можливі області застосування металу. The quality of casts billets from Zr-1 Nb alloy, which were casted in electron-beam skull installation, is estimated and the possible directions of metal use are defined. 2014 Article Использование литейных отходов циркония для выплавки сплава системы Zr-1 Nb в электронно-лучевой гарнисажной установке / С.В. Ладохин, Н.И. Левицкий, Т.В. Лапшук // Процессы литья. — 2014. — № 4. — С. 73-78. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0235-5884 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/159859 621.745: 669.296 ru Процессы литья Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Новые литые материалы Новые литые материалы |
| spellingShingle |
Новые литые материалы Новые литые материалы Ладохин, С.В. Левицкий, Н.И. Лапшук, Т.В. Использование литейных отходов циркония для выплавки сплава системы Zr-1 Nb в электронно-лучевой гарнисажной установке Процессы литья |
| description |
Дана оценка качества литых заготовок из сплава системы Zr-1 Nb, полученных из литейных отходов в электронно-лучевой гарнисажной установке. Конкретизированы возможные области применения металла. |
| format |
Article |
| author |
Ладохин, С.В. Левицкий, Н.И. Лапшук, Т.В. |
| author_facet |
Ладохин, С.В. Левицкий, Н.И. Лапшук, Т.В. |
| author_sort |
Ладохин, С.В. |
| title |
Использование литейных отходов циркония для выплавки сплава системы Zr-1 Nb в электронно-лучевой гарнисажной установке |
| title_short |
Использование литейных отходов циркония для выплавки сплава системы Zr-1 Nb в электронно-лучевой гарнисажной установке |
| title_full |
Использование литейных отходов циркония для выплавки сплава системы Zr-1 Nb в электронно-лучевой гарнисажной установке |
| title_fullStr |
Использование литейных отходов циркония для выплавки сплава системы Zr-1 Nb в электронно-лучевой гарнисажной установке |
| title_full_unstemmed |
Использование литейных отходов циркония для выплавки сплава системы Zr-1 Nb в электронно-лучевой гарнисажной установке |
| title_sort |
использование литейных отходов циркония для выплавки сплава системы zr-1 nb в электронно-лучевой гарнисажной установке |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| publishDate |
2014 |
| topic_facet |
Новые литые материалы |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/159859 |
| citation_txt |
Использование литейных отходов циркония для выплавки сплава системы Zr-1 Nb в электронно-лучевой гарнисажной установке / С.В. Ладохин, Н.И. Левицкий, Т.В. Лапшук // Процессы литья. — 2014. — № 4. — С. 73-78. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| series |
Процессы литья |
| work_keys_str_mv |
AT ladohinsv ispolʹzovanielitejnyhothodovcirkoniâdlâvyplavkisplavasistemyzr1nbvélektronnolučevojgarnisažnojustanovke AT levickijni ispolʹzovanielitejnyhothodovcirkoniâdlâvyplavkisplavasistemyzr1nbvélektronnolučevojgarnisažnojustanovke AT lapšuktv ispolʹzovanielitejnyhothodovcirkoniâdlâvyplavkisplavasistemyzr1nbvélektronnolučevojgarnisažnojustanovke |
| first_indexed |
2025-07-14T12:25:13Z |
| last_indexed |
2025-07-14T12:25:13Z |
| _version_ |
1837625156066869248 |
| fulltext |
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2014. № 4 (106) 73
Новые литые материалы
УДК 621.745: 669.296
С. В. Ладохин, Н. И. Левицкий, Т. В. Лапшук
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛИТЕЙНЫХ ОТХОДОВ ЦИРКОНИЯ
ДЛЯ ВЫПЛАВКИ СПЛАВА СИСТЕМЫ Zr-1 Nb
В ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ГАРНИСАЖНОЙ УСТАНОВКЕ
Дана оценка качества литых заготовок из сплава системы Zr-1 Nb, полученных из литейных
отходов в электронно-лучевой гарнисажной установке. Конкретизированы возможные об-
ласти применения металла.
Ключевые слова: цирконий, сплав, литейные отходы, электронно-лучевая плавка.
Проведено оцінку якості литих заготовок зі сплаву системи Zr-1 Nb, які одержано із ливарних
відходів в електронно-променевій гарнісажній установці. Конкретизовано можливі області
застосування металу.
Ключові слова: цирконій, сплав, ливарні відходи, електронно-променева плавка.
The quality of casts billets from Zr-1 Nb alloy, which were casted in electron-beam skull installation,
is estimated and the possible directions of metal use are defined.
Keywords: zirconium, alloy, casting waste, electron-beam melting.
Сплав Zr-1 Nb на основе циркония кальциетермического восстановления отече-
ственного производства (КТЦ110) [1] является аналогом российского сплава
Э110 (ТУ 95.166-98) на основе циркония электролитического восстановления, вы-
пускаемого Чепецким механическим заводом (г. Глазов, Удмуртия, РФ) [2]. Пред-
полагалось, что этот сплав станет основой для производства тепловыделяющих
элементов (ТВЭЛов), сборок и других конструкций атомных реакторов в рамках
программы создания ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) в Украине [3]. Однако в по-
следнее время среди специалистов начинает преобладать мнение о целесообраз-
ности перехода на магниетермическое восстановление, которое используется в
мировой практике. Основным методом плавки циркония при этом является ваку-
умно-дуговая плавка, для которой расходуемые заготовки формируются из губки
циркония [2].
Особенностью работ, которые выполняются во ФТИМС по плавке циркония,
является использование электронно-лучевых технологий [4]. Возможные техноло-
гические схемы электронно-лучевой плавки циркония различных методов восста-
новления рассмотрены в работе [5], в которой было высказано предложение о це-
лесообразности применения при плавке циркониевой губки пушек высоковольтного
тлеющего разряда (ВТР). Эффективность применения этих пушек была показана
еще в 90-х годах прошлого столетия при получении слитков из губки титана [6, 7].
В настоящее время эти пушки широко используются в практике отечественного
промышленного производства титана из губки [8].
Однако провести эксперименты по плавке циркониевой губки пушкой ВТР не
представляется возможным как из-за отсутствия производства губки в нашей
стране, так и ввиду сложности приобретения необходимого количества губки для
эксперимента. В связи с этим было принято решение, учитывая вообще отсутствие
опыта плавки циркония пушками ВТР, провести плавки этой пушкой циркония каль-
74 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2014. № 4 (106)
Новые литые материалы
циетермического восстановления с получением трубных заготовок по технологиям,
описанным в [9], но с использованием в качестве шихты литейных отходов, а не
слитков паспортизированного циркония*.
Полученные заготовки показаны на рис. 1, а результаты проведенных исследова-
ний металла этих заготовок изложены в работе [10]. Основным важным для практики
выводом указанной работы является заключение о невозможности использования
получаемого из литейных отходов сплава для нужд ядерной энергетики из-за на-
личия в нем примесных элементов и опасности насыщения сплава кислородом из
рабочего газа, применяемого в пушке ВТР.
Учитывая изложенное, в данной статье результаты работы [10] по получению
трубных заготовок рассматриваются не с точки зрения изготовления труб-оболочек
ТВЭЛов, а возможности использования металла для других целей. Перспективными
областями применения циркония и его сплавов являются химическая промышлен-
ность (высокая стойкость к воздействию агрессивных сред), медицина (высокая
стойкость к воздействию биологических сред и хорошая биосовместимость),
бытовая техника (отличные гигиенические свойства). В этих случаях применение
указанных материалов ограничивается, по существу, только их высокой стоимостью,
и использование литейных отходов позволяет заметно снизить стоимость изделий
по сравнению с их изготовлением из первичного металла.
С целью оценки возможностей использования сплава КТЦ110, полученного из
литейных отходов, в указанных выше областях проводилось изучение однородно-
сти полученных заготовок (рис. 1) по химическому составу, твердости и структуре
в разных частях слитка.
Относительно качества заготовок следует отметить, во-первых, разную их массу,
а во-вторых, очевидное отсутствие стабильности проведения технологического про-
цесса выплавки заготовок, что видно даже из их фотографий. Существенная разница
в массе отливок должна влиять на условия формирования структуры заготовок.
*Плавки проводились на установке ХЭЛП-1 под руководством гл. технолога В. Б. Чернявского
Рис. 1. Литые трубные заготовки из литейных отходов сплава КТЦ110: а – получена
литьем в стационарную форму с наложением электромагнитных полей на расплав,
масса 29 кг; б – получена литьем в стационарную форму, масса 20 кг; в – получена
центробежным литьем, масса 23 кг
а б в
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2014. № 4 (106) 75
Новые литые материалы
Что касается однородности металла в заготовках, то об этом можно судить
по данным химического анализа (табл. 1) и результатам измерения твердости
(табл. 2 и 3), а также по микроструктурам заготовок.
Химический состав определяли спектральным методом в образцах, взятых из
центра и края темплетов толщиной 20-25 мм, вырезанных из верхней, средней и
нижней части заготовок. Результаты анализа сравнивали с химическим составом
Таблица 1. Химический состав сплава КТЦ110
Эле-
мент
Содержание, %мас.
заготовка 1 заготовка 2 заготовка 3 сплав
Э110центр край центр край центр край
Nb 1,03 0,96 0,92 0,99 1,08 0,96 0,9-1,1
Hf 0,025 0,026 0,09 0,086 0,0075 0,0061 0,05
Cd <0,00001 <0,00001 <0,00001 <0,00001 <0,00001 <0,00001 0,00003
Si 0,0016 0,0014 0,011 0,0077 0,007 0,0075 0,02
Al 0,0002 0,00067 0,00012 0,00007 0,0002 0,0003 0,008
Ni 0,0021 0,0022 0,006 0,0038 0,012 0,011 0,02
Cu 0,021 0,031 0,0019 0,0014 0,04 0,0014 0,005
Ca 0,00009 0,0005 0,00008 0,00007 0,00014 0,00012 0,03
Mn 0,00015 0,0006 0,00026 0,00022 0,0008 0,0002 0,002
Pb <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 0,005
Ti 0,0093 0,0097 0,0041 0,0035 0,0015 0,00095 0,005
B <0,00001 <0,00001 <0,00001 <0,00001 <0,00001 <0,00001 0,00005
Be <0,00001 <0,00001 <0,00001 <0,00001 <0,00001 <0,00001 0,003
Fe 0,05 0,14 0,02 0,028 0,06 0,03 0,05
Cr 0,0005 0,0005 0,00017 0,00013 0,0006 0,0003 0,02
O 0,08 0,082 0,09 0,08 0,095 0,09 0,1
C 0,01 0,01 0,025 0,03 0,025 0,017 0,02
N 0,0006 0,00055 0,001 0,00085 0,001 0,001 0,006
F 0,00015 0,0001 0,00018 0,00032 0,0002 0,00015 0,003
Mo 0,001 0,001 0,0023 0,0018 0,0017 0,0009 0,005
Li <0,00001 <0,00001 <0,00001 <0,00001 <0,00001 <0,00001 0,0002
K <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 0,004
Cl 0,0001 0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 0,003
Sn 0,37 0,35 0,09 0,1 0,38 0,42 0,05
Примечание: анализ выполнялся по центру и краю темплетов, вырезанных из средней части заготовок
Номер
заготовки
Твердость, МПа
0 900 1800 2700
1 3570 3580 3520 3520
2 4020 3990 3950 3980
3 3970 3920 3920 3940
Таблица 2. Твердость боковых поверхностей заготовок
76 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2014. № 4 (106)
Новые литые материалы
сплава Э110. Твердость по Бринеллю определяли с помощью прибора ТДМ (твердо-
мер динамический, малогабаритный) на верхней и нижней поверхности заготовок,
их боковых поверхностях и по сечению заготовок. В последнем случае измерения
проводили в поперечных и продольных сечениях. Микроструктуру изучали с по-
мощью оптического микроскопа МИМ-10 на темплетах, вырезанных из средней
части заготовок.
Анализируя данные табл. 1, следует учитывать, что отсутствие сведений о хими-
ческом составе компонентов исходной шихты не позволяет провести однозначную
трактовку полученных результатов. По основному легирующему элементу (Nb)
заготовки практически не отличаются, и его содержание соответствует ТУ. Что ка-
сается других элементов, то наблюдаемое повышенное содержание олова во всех
трех заготовках, титана и железа в заготовке 1 и гафния в заготовке 2 объясняется
неудовлетворительной шихтовкой. Повышенное содержание меди в заготовках 1
и 3, скорее всего, является следствием взаимодействия расплава с материалом
формы при заливке заготовок. В пользу такого предположения свидетельствует
то обстоятельство, что повышенное содержание этого элемента наблюдается в
заготовках, которые формировались с наложением внешних воздействий на рас-
плав – электромагнитного поля (заготовка 1) и центробежных сил (заготовка 3).
Относительно других примесных элементов следует отметить, что их содержание
в заготовках находится либо на уровне сплава Э110 (O, C, Ti, Fe), либо на порядок
или даже два (остальные элементы в табл. 1) меньше содержания этих элементов,
регламентированного ТУ 95.166-98. В общем, сумма примесных элементов в полу-
ченных заготовках составляет 0,2-0,3 %, что на 30-50 % меньше, чем в сплаве Э110
(∼0,4 %). Это дополнительно свидетельствует о хорошей рафинирующей способ-
ности электронно-лучевой литейной технологии.
В принципе наличие интенсивного электромагнитного перемешивания рас-
плава в тигле должно обеспечивать равномерный состав сплава в отливках, что,
собственно, и подтверждается результатами химического анализа, приведенного
в табл. 1. Дополнительными подтверждениями высокой однородности материала
отливок являются результаты изучения твердости сплава. В табл. 2 и 3 представлены
данные изучения твердости соответственно на боковых поверхностях заготовок и
по сечению темплетов, вырезанных из разных зон заготовок.
Анализ данных этих таблиц показывает, что наименьшее значение твердости с
наименьшим отклонением от средней величины наблюдается на темплетах, что
представляется естественным, поскольку отсутствует влияние разного рода «кра-
евых» эффектов. В целом полученные результаты свидетельствуют о достаточно
высокой однородности заготовок и целесообразности применения внешних воз-
действий для достижения лучшей однородности литого металла.
Подтверждением высокой однородности полученных заготовок служат и данные
металлографических исследований, проведенных на темплетах, вырезанных из
средней части заготовок. Вообще вопрос об особенностях структуры сплава от-
Таблица 3. Твердость темплетов заготовок (по сечению)
Номер
заготовки
Твердость, МПа
верх середина низ
«-» «^» «-» «^» «-» «^»
1 2770 2770 2770 2770 2770 2600
2 2770 2770 2770 2770 2770 2770
3 2770 2770 2770 2770 2770 2770
Примечание: «-» – продольное направление, «^» – поперечное направление
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2014. № 4 (106) 77
Новые литые материалы
носится к наиболее важным для характеристики литых изделий. В данном случае
он усложняется тем, что отливки получались с использованием различных внешних
воздействий. На рис. 2 представлены микроструктуры центральной части темплетов.
Сопоставление фотографий микроструктур дает возможность сделать вывод
о близком характере структур заготовок 1 и 3 и несколько отличной в этом плане
структуры заготовки 2, что можно объяснить следующими соображениями. Вну-
тризеренная структура циркониевых сплавов в литом состоянии определяется
химическим составом и скоростью охлаждения в процессе затвердевания. По
мере увеличения легирования толщина α-пластин уменьшается при одновремен-
ном уменьшении размеров колоний пластин, имеющих одинаковую или близкую
ориентировку. В этом же направлении влияет и увеличение скорости охлаждения.
Поскольку химический состав металла практически не отличается, то разница в
микроструктурах всех трех заготовок, на наш взгляд, объясняется именно вторым
фактором, что обусловлено разной массой расплава. Так, если в заготовке 1 (масса
29 кг) микроструктура характеризуется тонкими пластинами α-фазы, которые зарож-
даются на границах зерна высокотемпературной β-фазы и прорастают практически
через все зерно в основном в двух ориентировках, то в заготовке 3 (масса 23 кг) и
особенно в заготовке 2 (масса 20 кг) наблюдается большее число ориентировок с
образованием так называемой «корзинчастой» структуры, зарождение меньшей по
размерам α-фазы происходит не только на границах зерна β-фазы, а и в его объ-
еме, что может свидетельствовать о наличии в нем образований с малоугловыми
Заготовка 1
Заготовка 2
Заготовка 3
Рис. 2. Микроструктура сплава КТЦ110 (центр темплета): а – в про-
дольном направлении; б – в поперечном
а б
78 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2014. № 4 (106)
Новые литые материалы
границами, характерными для более высоких скоростей охлаждения. Структуры
подобного типа отличаются, как правило, высокими значениями прочностных и
пластических характеристик. Доказательством этого в данном случае могли бы
служить испытания образцов на растяжение с определением пределов прочности
и текучести, относительного удлинения и сужения, а также на ударную вязкость.
Требуют дополнительного изучения и причины высокой твердости материала за-
готовок по сравнению со сплавом Э110, получаемого методом вакуумно-дуговой
плавки (1530-1610 МПа) [11], на что могли бы дать ответ исследования тонкой струк-
туры и фазовый анализ. Учитывая, что рабочим газом пушки ВТР является водород,
следовало бы провести определение в металле водорода.
1. Производство циркония и гафния на ПО ПХЗ для удовлетворения потребностей атомной
энергетики Украины / Ю. Ф. Коровин, В. К. Чупринко, К. А. Линдт и др. // Вопросы атомной
науки и техники. Сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материалове-
дение. – 1994. – № 2 (62). – С. 114-124.
2. Цирконий и его сплавы: технология производства, области применения / В. М. Ажажа,
П. Н. Вьюгов, С. Д. Лавриненко и др. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 1998. – 89 с.
3. Исследования и разработки по развитию производства циркониевых сплавов и изделий
в Украине / А. П. Чернов, Г. Р. Семенов, В. И. Лапшин и др. // Труды 14-й Междунар. конф.
по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению, Алушта, Крым.
12-17 июня 2000 г. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2000. – С. 98-100.
4. Электронно-лучевая плавка в литейном производстве / Под ред. С. В. Ладохина. – Киев:
Сталь, 2007. – 626 с.
5. Ладохин С. В., Вахрушева В. С. Перспективы применения электронно-лучевой плавки для
получения сплавов циркония в Украине // Современная электрометаллургия. – 2008. –
№ 4. – С. 22-27.
6. Электронно-лучевой переплав титановой губки – новый способ получения титановых сли-
тков и слябов /А. Л. Тихоновский, С. В. Ахонин, А. А. Тур, А. В. Туник // Пробл. спец .электро-
металлургии. – 1993. – № 1. – С. 66-70.
7. Electron Beam Melting Titanium Sponge Using High-Voltage Glow Discharge Guns / A. L. Tikho-
novsii et. al. // Advances in Spec. Electrometallurgy. – 1993. – № 10. – Р. 70-73.
8. Ковальчук Д. В., Кондратий Н. П. Электронно-лучевой переплав титана – пути развития
// Литье и металлургия. – 2009. – № 3 (48). – С. 275-282.
9. Гладков А. С. Особливості електронно-променевої гарнісажної плавки сплаву Zr-1 Nb і
розробка технології виготовлення трубних заготовок: Автореф. дис. … канд. техн. наук. –
Київ, 2009. – 20 с.
10. Выплавка сплава КТЦ-110 в электронно-лучевой гарнисажной установке с использованием
пушки высоковольтного тлеющего разряда / С. Д. Лавриненко, С. В. Ладохин, Н. Н. Пили-
пенко и др. // Вопросы атомной науки и техники (ВАНТ). – 2014. – № 1 (89). – С. 151-158.
11. Займовский А. С., Никулина А. В., Решетников Н. Г. Циркониевые сплавы в ядерной энер-
гетике. – М.: Энергоатомиздат, 1994. – 256 с.
Поступила 06.05.2014
|