Электронно-лучевая плавка титана, циркония и гафния
Викладено експериментальні результати досліджень процесів рафінування титану, цирконію і гафнію методом електронно-променевої плавки з застосуванням високовакуумної техніки. Показано, що даний метод є високоефективним для зниження вмісту металевих домішок. Використання алюмінію в якості компонента...
Gespeichert in:
| Datum: | 2002 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2002
|
| Schriftenreihe: | Вопросы атомной науки и техники |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80151 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Электронно-лучевая плавка титана, циркония и гафния / В.М. Ажажа, П.Н. Вьюгов, С.Д. Лавриненко, Н.И. Пилипенко, А.Ф. Болков, А.М. Лахов, К.А. Линдт, А.П. Мухачев, В.И. Попов // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 6. — С. 95-99. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-80151 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-801512015-04-13T03:02:09Z Электронно-лучевая плавка титана, циркония и гафния Ажажа, В.М. Вьюгов, П.Н. Лавриненко, С.Д. Пилипенко, Н.И. Болков, А.Ф. Лахов, А.М. Линдт, К.А. Мухачев, А.П. Попов, В.И. Материалы реакторов на тепловых нейронах Викладено експериментальні результати досліджень процесів рафінування титану, цирконію і гафнію методом електронно-променевої плавки з застосуванням високовакуумної техніки. Показано, що даний метод є високоефективним для зниження вмісту металевих домішок. Використання алюмінію в якості компонента, що розкислює, приводить до істотного зниження вмісту кисню в цирконії та гафнії. Изложены экспериментальные результаты исследований процессов рафинирования титана, циркония и гафния методом электронно-лучевой плавки с применением высоковакуумной техники. Показано, что данный метод является высокоэффективным для снижения содержания металлических примесей. Использование алюминия в качестве раскисляющего компонента приводит к существенному снижению содержания кислорода в цирконии и гафнии. The experimental results of researching of processes of refining of titanium, zirconium and hafnium by method of electronbeam melting with applying of high-vacuum engineering are present. That method is high-performance for decrease of the contents of metal impurity. Usage of aluminum as a deoxidating component results in an essential decrease of the contents of oxygen in zirconium and hafnium. 2002 Article Электронно-лучевая плавка титана, циркония и гафния / В.М. Ажажа, П.Н. Вьюгов, С.Д. Лавриненко, Н.И. Пилипенко, А.Ф. Болков, А.М. Лахов, К.А. Линдт, А.П. Мухачев, В.И. Попов // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 6. — С. 95-99. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80151 669.054.2 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Материалы реакторов на тепловых нейронах Материалы реакторов на тепловых нейронах |
| spellingShingle |
Материалы реакторов на тепловых нейронах Материалы реакторов на тепловых нейронах Ажажа, В.М. Вьюгов, П.Н. Лавриненко, С.Д. Пилипенко, Н.И. Болков, А.Ф. Лахов, А.М. Линдт, К.А. Мухачев, А.П. Попов, В.И. Электронно-лучевая плавка титана, циркония и гафния Вопросы атомной науки и техники |
| description |
Викладено експериментальні результати досліджень процесів рафінування титану, цирконію і гафнію методом
електронно-променевої плавки з застосуванням високовакуумної техніки. Показано, що даний метод є
високоефективним для зниження вмісту металевих домішок. Використання алюмінію в якості компонента, що
розкислює, приводить до істотного зниження вмісту кисню в цирконії та гафнії. |
| format |
Article |
| author |
Ажажа, В.М. Вьюгов, П.Н. Лавриненко, С.Д. Пилипенко, Н.И. Болков, А.Ф. Лахов, А.М. Линдт, К.А. Мухачев, А.П. Попов, В.И. |
| author_facet |
Ажажа, В.М. Вьюгов, П.Н. Лавриненко, С.Д. Пилипенко, Н.И. Болков, А.Ф. Лахов, А.М. Линдт, К.А. Мухачев, А.П. Попов, В.И. |
| author_sort |
Ажажа, В.М. |
| title |
Электронно-лучевая плавка титана, циркония и гафния |
| title_short |
Электронно-лучевая плавка титана, циркония и гафния |
| title_full |
Электронно-лучевая плавка титана, циркония и гафния |
| title_fullStr |
Электронно-лучевая плавка титана, циркония и гафния |
| title_full_unstemmed |
Электронно-лучевая плавка титана, циркония и гафния |
| title_sort |
электронно-лучевая плавка титана, циркония и гафния |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2002 |
| topic_facet |
Материалы реакторов на тепловых нейронах |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/80151 |
| citation_txt |
Электронно-лучевая плавка титана, циркония и гафния / В.М. Ажажа, П.Н. Вьюгов, С.Д. Лавриненко, Н.И. Пилипенко, А.Ф. Болков, А.М. Лахов, К.А. Линдт, А.П. Мухачев, В.И. Попов // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 6. — С. 95-99. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| series |
Вопросы атомной науки и техники |
| work_keys_str_mv |
AT ažažavm élektronnolučevaâplavkatitanacirkoniâigafniâ AT vʹûgovpn élektronnolučevaâplavkatitanacirkoniâigafniâ AT lavrinenkosd élektronnolučevaâplavkatitanacirkoniâigafniâ AT pilipenkoni élektronnolučevaâplavkatitanacirkoniâigafniâ AT bolkovaf élektronnolučevaâplavkatitanacirkoniâigafniâ AT lahovam élektronnolučevaâplavkatitanacirkoniâigafniâ AT lindtka élektronnolučevaâplavkatitanacirkoniâigafniâ AT muhačevap élektronnolučevaâplavkatitanacirkoniâigafniâ AT popovvi élektronnolučevaâplavkatitanacirkoniâigafniâ |
| first_indexed |
2025-07-06T04:04:15Z |
| last_indexed |
2025-07-06T04:04:15Z |
| _version_ |
1836868861971922944 |
| fulltext |
УДК 669.054.2
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ПЛАВКА ТИТАНА, ЦИРКОНИЯ
И ГАФНИЯ
В.М.Ажажа, П.Н.Вьюгов, С.Д.Лавриненко, Н.Н.Пилипенко,
А.Ф.Болков*, А.М.Лахов*, К.А.Линдт*, А.П.Мухачев*, В.И.Попов*
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
61108 ,г.Харьков,ул.Академиченская,1. Украина
факс:(0572)35-17-39,
e-mail:azhazha@kipt.kharkov.ua,
* ГНПП «Цирконий», 51917, г.Днепродзержинск, пр.Аношкина, 179. Украина
тел.(05692) 3-00-92
Викладено експериментальні результати досліджень процесів рафінування титану, цирконію і гафнію методом
електронно-променевої плавки з застосуванням високовакуумної техніки. Показано, що даний метод є
високоефективним для зниження вмісту металевих домішок. Використання алюмінію в якості компонента, що
розкислює, приводить до істотного зниження вмісту кисню в цирконії та гафнії.
Изложены экспериментальные результаты исследований процессов рафинирования титана, циркония и гафния мето-
дом электронно-лучевой плавки с применением высоковакуумной техники. Показано, что данный метод является высо-
коэффективным для снижения содержания металлических примесей. Использование алюминия в качестве раскисляю-
щего компонента приводит к существенному снижению содержания кислорода в цирконии и гафнии.
The experimental results of researching of processes of refining of titanium, zirconium and hafnium by method of electron-
beam melting with applying of high-vacuum engineering are present. That method is high-performance for decrease of the con-
tents of metal impurity. Usage of aluminum as a deoxidating component results in an essential decrease of the contents of oxygen
in zirconium and hafnium.
Металлы IVА группы периодической системы
Д.И. Менделеева – титан, цирконий и гафний – со-
ставляют замечательную тройку химически актив-
ных металлов. Их промышленное применение связа-
но с развитием новых технологий: химической и
аэрокосмической промышленности, атомной энерге-
тики и др. Химические свойства их близки, что вы-
зывает определенную трудность при разделении
друг от друга, но их применение принципиально
различное из-за особенностей физических свойств.
Титан – легкий металл с плотностью 4,5 г/см3. Спла-
вы титана имеют малый удельный вес, что в сочета-
нии с высокими прочностными свойствами делает
их незаменимыми в аэрокосмической технике. Цир-
коний, имея малое поперечное сечение захвата теп-
ловых нейтронов, сравнительно высокую темпера-
туру плавления, высокую радиационную и корро-
зионную стойкость является одним из основных ме-
таллов, применяемых в качестве компонентов спла-
вов для тепловыделяющих элементов ядерных реак-
торов. Гафний имеет очень большое поперечное се-
чение поглощения нейтронов, и в последнее время
он применяется для регулирующих стержней и
стержней аварийной защиты ядерных реакторов.
Все три металла имеют превосходную корро-
зионную стойкость в широком спектре агрессивных
сред. Их коррозионная стойкость значительно выше,
чем у нержавеющих сталей и близка к танталу.
Поэтому все три металла успешно применяются в
химическом машиностроении: морская вода и силь-
ные окисляющие среды для титана, сильно раскис-
ляющие среды для циркония и гафния. Кроме того,
все эти металлы широко применяются как легирую-
щие элементы при производстве жаропрочных спла-
вов специального назначения.
В настоящее время в Украине выпускается тита-
новая губка высокого качества, получаемая восста-
новлением тетрахлорида титана магнием. Цирконий
и гафний получают кальциетермическим восстанов-
лением их тетрафторидов. После восстановления
технические металлы содержат значительное коли-
чество примесей и нуждаются в дополнительном ра-
финировании. Набольшие трудности при рафиниро-
вании представляет очистка от примесей внедрения
– кислорода, азота и углерода. При промышленном
производстве титана, циркония и гафния и их спла-
вов для получения компактных слитков и рафиниро-
вания применяются вакуумно-дуговой (ВДП) и
электронно-лучевой (ЭЛП) переплавы. Результаты
рафинирования титана, циркония и гафния, пред-
ставленные в табл.1 [1], показывают, что примене-
ние электронно-лучевой плавки для рафинирования
этих металлов является более эффективным, чем ис-
пользование других методов, например, дугового
переплава.
В настоящей работе изучены процессы рафини-
рования титана, циркония и гафния от металличе-
ских и газообразующих примесей, в частности, от
________________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2002. №6. 95
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (82), с.95-99.
кислорода при их рафинировании методом элек-
тронно-лучевой плавки.
При электронно-лучевой плавке над поверхно-
стью расплавленного металла вследствие наличия
градиентов температуры, концентрации и давления
возникает поток паров металла и газов. При опреде-
ленных условиях направление потока будет либо к
поверхности расплава, либо от нее. В условиях ваку-
умной плавки поток вещества испытывает взаимо-
действие с остаточными газами вакуумной среды,
что приводит к образованию газопаровой фазы над
поверхностью жидкого металла.
Таблица 1
Содержание газовых примесей в титане,
цирконии и гафнии после ВДП и ЭЛП [1]
Металл Способ
плавки
Содержание примеси,
мас.%
Кислрод Водород Азот
Титан ВДП
ЭЛП
0,068
0,066
0,0015
0,0006
0,0177
0,0066
Циркний ВДП
ЭЛП
0,025
0,016
0,0010
0,0004
0,0100
0,0060
Гафний ВДП
ЭЛП
0,044
0,014
0,0175
0,0013
0,0080
0,0020
При испарении металла и взаимодействии по-
верхности расплава с остаточными газами большую
роль играют процессы столкновения. Характеризует
этот процесс длина свободного пробега λ. Когда она
равна радиусу поверхности расплава, тогда суще-
ствует область, ограниченная некоторой поверхно-
стью, где атомы металла претерпевают большое
число столкновений. Эта поверхность, во-первых,
играет роль источника пара вместо поверхности рас-
плава, во-вторых, служит защитным экраном по-
верхности расплава от непосредственного взаимо-
действия с остаточной атмосферой вакуумной каме-
ры.
Длина свободного пробега атомов металла при
температуре плавления зависит от многих факторов
и может быть рассчитана по формуле [2]:
×== −
pr
T
pr
kT
2
21
2
108,5
24 π
λ ,
где Т – температура; р – давление пара металла; r -
молекулярный радиус, r = 1,33·10-8(M/ρ)1/3, где М -
атомная масса, ρ - плотность металла.
Расчетные величины длины свободного пробега
(λ), а также значения упругости пара (рпар) при тем-
пературе плавления (Тпл) и скорости испарения для
металлов IVА группы приведены в табл.2 и на рис.1.
Из табл.2 видно, что величины длин свободного
пробега для паров металлов при их температурах
плавления очень отличаются. Оценка величины дав-
ления пара металла, при котором на расстоянии от
поверхности расплава а = 20 мм образуется “защит-
ный” слой, показала, что необходимо, чтобы атомы
паров металла претерпели хотя бы одно столкнове-
ние, т.е. λ/а < 1. Изменение длины свободного про-
бега атомов металлов в зависимости от давления
пара, взятое из табл.2, представлено на рис.2, откуда
следует, что величина давления пара при котором λ
/а < 1 должна быть больше 10-2 мм рт.ст.
Реальные температуры поверхности расплава ме-
талла при электронно-лучевой плавке зависят от
многих факторов (вид металла, мощность, диаметр
кристаллизатора, угол падения электронного пучка
и др.) и могут значительно превышать температуру
плавления. В табл.3 приведены максимальные зна-
чения температуры поверхности расплава при элек-
тронно-лучевой плавке, там же приведено равновес-
ное давление пара для этой температуры [3]. Из
табл.2 следует, что значения давлений паров метал-
лов во время электронно-лучевой плавки таковы
(больше 10-2 мм рт.ст.), что образуется защитный
слой.
Таблица 2
Величины длин свободного пробега, упруго-
стей паров и температур плавления металлов
IVА группы
Ме-
талл
Тпл.,
К
рпар,
мм рт.ст.
λ,
см
рпар=10-2 мм
рт.ст. при Т, К
Ti 1940 3,7·10-3 3,6 2010
Zr 2125 1,4·10-5 857 2670
Hf 2495 1,0·10-3 14,4 2670
1,0E-10
1,0E-08
1,0E-06
1,0E-04
1,0E-02
1,0E+00
180
0
200
0
220
0
240
0
260
0
280
0
300
0
320
0
T,K
w,г/см2
с
Ti
Zr
Hf
Рис.1. Изменение скорости испарения титана,
циркония и гафния в зависимости от температуры
0,1
1
10
100
1000
10000
1,00E-06 1,00E-04 1,00E-02 1,00E+00
p, мм рт.ст
λ,
см
10-6 10-4 10-2 1
Рис.2. Изменение длины свободного пробега в за-
висимости от давления пара
Образование защитного слоя приводит к следую-
щим возможностям взаимодействия поверхности
расплава металла, паров металла и остаточных газов
вакуумной камеры:
96
– давление активных газов в камере больше рав-
новесного давления этих же газов у поверхности
расплава, тогда защитный слой будет играть роль
защиты поверхности металла от загрязнения оста-
точными газами;
– давление активных газов в камере меньше рав-
новесного давления этих же газов у поверхности
расплава, тогда защитный слой служит препятстви-
ем для прохождения процесса обезгаживания метал-
ла.
Таблица 3
Максимальное значение температуры
поверхности расплава при ЭЛП металлов
и равновесное давление паров при этой температуре
[3]
Металл Температура
расплава, К
Давление пара,
мм рт.ст.
Титан 2200 8,5·10-2
Циркний 2900 8,5·10-2
Гафний 3100 8,0·10-2
Плотность парового облака над жидким метал-
лом в процессе электронно-лучевой плавки также
играет существенную роль в защите металла от про-
никновения на ее поверхность газовых примесей.
Величина плотности парового облака зависит от
удельной мощности электронного нагрева. Зависи-
мость скорости испарения некоторых металлов при
электронно-лучевом нагреве от диаметра фокально-
го пятна представлена на рис.3 [4]. Увеличение
удельной мощности (уменьшение диаметра фокаль-
ного пятна) увеличивает скорость испарения и уси-
ливает защитный эффект парового облака, при этом
уменьшается выход годного металла в слиток.
Рис.3. Зависимость скорости испарения некото-
рых металлов при электронно-лучевом нагреве от
диаметра фокального пятна [4]
Ниже приведены результаты экспериментальных
исследований рафинирования титана, циркония и
гафния методом электронно-лучевой плавки на
сверхвысоковакуумной установке с безмасляной си-
стемой откачки [5].
Титан. При исследовании процесса очистки ти-
тана методом электронно-лучевой плавки в качестве
исходных материалов использовались губка ТГ-90 и
йодидный титан [6]. Плавки губчатого титана осу-
ществлялась в два этапа. На первом этапе в кристал-
лизатор печи ЭЛП засыпались кусочки губчатого
титана, которые затем спекались и оплавлялись. В
процессе спекания и оплавления интенсивно удаля-
лись газы из металла. Содержание газовых примесей
в губчатом металле было настолько большим, что
наблюдалась “пузырьковая” стадия выделения га-
зов. Дальнейшая плавка проходила классическим
капельным методом с вытягиванием слитка. После
проведения ЭЛП получены слитки титана чистотой
> 99,99 мас.%. Содержание примесей в йодидном
металле после двух электронно-лучевых переплавов
приведено ниже:
Al – 8,0·10-5; P – 1,0·10-5; S – 8,0·10-5; K – 6,0·10-5;
Ca – 2,0·10-4; V – 3,0·10-4; Cr – 3,0·10-4; Mn < 9,0·10-5;
Fe - 1,5·10-3; Ni – 5,0·10-3; Cu – 3,0·10-4; Zn – 2,0·10-4;
As – 8,0·10-5; Sn < 8,0·10-4 мас.%.
Следует отметить, что ЭЛП титана повышенной
степени чистоты благоприятно сказывается на ваку-
умных условиях установки из-за хороших геттерных
способностей слоев титана, осажденных на стенки
камеры за счет испарения при ЭЛП.
Цирконий. Исходными материалами при ра-
финировании циркония и гафния методом ЭЛП ис-
пользовались металлы, полученные методом каль-
циетермического восстановления их тетрафторидов:
кальциетермический цирконий (КТЦ) и кальциетер-
мический гафний (КТГ), а также йодидный цирко-
ний [6-8]. Исследования показали, что ЭЛП является
весьма эффективным рафинирующим процессом
для циркония. Содержание металлических примесей
в кальциетермическом цирконии после электронно-
лучевой плавки и изменение содержания примесей в
йодидном цирконии в процессе ЭЛП приведено в
табл.4. Содержание примесей внедрения в КТЦ из-
меняется с 0,18 мас.% до 0,10…0,12 мас.% после
первого ЭЛП и 0,05…0,1 мас.% после второго ЭЛП.
Микротвердость исходного иодидного циркония со-
ставляла 1200 МПа, а после ЭЛП снизилась до 800
МПа. В случае кальциетермического циркония
твердость по Бринелю снижается с 2250 МПа до
1750 и 1370 МПа у металла после первого и второго
электронно-лучевого переплава соответственно.
Двойной переплав иодидного циркония в установке
с безмасляной системой откачки позволил получить
слиток циркония с твердостью 639 МПа.
Гафний. Проведенные эксперименты по рафини-
рованию кальциетермического гафния методом
ЭЛП показали, что при увеличении удельной мощ-
ности плавки не только ускоряется процесс рафини-
рования гафния от металлических примесей, но
происходит и рафинирование от кислорода за счет
его удаления в виде монооксида металла HfO.
Проведение расчетов времени выдержки распла-
ва гафния при ЭЛП, необходимого для снижения
концентрации металлических примесей до заданной
97
величины, показали, что в процессе электронно-лу-
чевой плавки может быть затруднительна очистка
гафния от кремния, а очистка от более летучих при-
месей уменьшается в ряду Zn>Be>Mn>Cr>Cu>Al>
>Fe>V>Co>Ni>Si. Полученные параметры были ис-
пользованы для оптимизации электронно-лучевой
плавки гафния [9].
Таблица 4
Содержание примесей в цирконии после ЭЛП
Примесь
Содержание примесей в цирконии, 103,
мас.%
йодидный
исходный после ЭЛП
КТЦ
после ЭЛП
Cu 4 0,1 0,4
Fe 9 0,8 0,5
Al 4 0,8 0,5
Ni 40 0,6 3,5
Mg 0,4 0,3 -
Mn 1,5 0,1 -
Cr 1,3 0,2 0,9
Si 18 4,5 -
Ti 2 0,4 -
После двух последовательных лабораторных
электронно-лучевых плавок, проведенных в ННЦ
ХФТИ, из иодидного металла был получен гафний
чистотой ≥ 99,9 мас.%, его химический состав сле-
дующий (в мас.%): азот – 1,0·10- 3; алюминий –
1,0·10-3; вольфрам < 1,0·10-3; железо – 5,0·10-3; кисло-
род – 1,0·10-2; кремний – 3,5·10-3; марганец < 1,0·10-4;
медь – 2,0·10-4; никель < 1,0·10-3; ниобий < 2,0·10-3;
углерод – 5,0·10-3; фтор < 1,0·10-3; хром – 2,0·10-4.
Удаление кислорода. Известно, что кислород су-
щественным образом влияет на реакторные свойства
изделий из циркония и гафния. Удалить его из этих
металлов очень трудно. Цирконий и гафний образу-
ют с кислородом прочные соединения, поэтому сни-
жение содержания этой примеси в них по основным
механизмам удаления двухатомных газов во время
электронно-лучевой плавки практически невозмож-
но. Оксид ZrO2 не диссоциирует при условиях плав-
ки и имеет низкую упругость пара, поэтому через
этот оксид кислород удаляться не может. Однако ра-
финирование металла, находящегося в жидкой фазе,
от кислорода может происходить за счет испарения
его субоксидов и оксидов. Этот процесс имеет место
тогда, когда давление пара монооксида больше дав-
ления пара основного металла [10]. Для циркония
ZrO / Zr = 102, для гафния HfO / Hf = 104 и раскисле-
ние по этому механизму возможно, а для титана
TiO / Ti = 1 и кислород не удаляется. Но удаление
кислорода по этому механизму требует значитель-
ного перегрева переплавляемого металла, а следова-
тельно, больших потерь основного металла, что не
допустимо в промышленности. Поэтому, для эффек-
тивного удаления кислорода из циркония и гафния
необходимо вводить третий компонент, который об-
разовывал бы с кислородом соединение, имеющее
более высокую упругость пара оксида, чем у оксида
основного металла. Тем более кальциетермический
процесс получения циркония и гафния позволяет
вводить третий компонент на стадии получения чер-
нового металла без усложнения технологического
процесса.
В качестве раскислителя циркония и гафния был
выбран алюминий, и проведена оценка направления
прохождения реакции между кислородом и алю-
минием в гафнии и цирконии [9, 11-14]. Из термоди-
намических расчетов следует, что реакция должна
проходить в сторону их раскисления. При этом
происходит испарение соединения вводимой приме-
си с кислородом, имеющего большую упругость
пара, чем у металла-основы. Расчеты показали, что
для образования летучего оксида Al2O при дальней-
шей плавке в исходный слиток металла (циркония
или гафния) с содержанием кислорода 0,2…0,5
мас.% необходимо вводить 0,7…1,0 мас.% алю-
миния.
Проведенные экспериментальные исследования
по повышению чистоты кальциетермического гаф-
ния и циркония от кислорода показали, что введение
алюминия в качестве раскисляющего компонента на
стадии восстановления металлов приводит к сниже-
нию содержания кислорода в цирконии и гафнии на
стадии электронно-лучевой плавки. Добавка алю-
миния в исходный цирконий и гафний в количестве
трех стехиометрий состава Al2O понижает содержа-
ние кислорода в металле после ЭЛП до
0,03...0,004 мас.%, содержание алюминия при этом
не превышает (2...3)·10-3 мас.%. Содержание других
металлических примесей удовлетворяет техниче-
ским требованиям на эти металлы.
Результаты лабораторных исследований позво-
лили определить необходимые параметры для про-
ведения опытно-промышленных электронно-луче-
вых плавок гафния. В заводских условиях на ГНПП
«Цирконий» из сплавов кальциетермического гаф-
ния с алюминием после ЭЛП был получен гафний
чистотой более 99,94 мас.% с содержанием приме-
сей: азот – 3,0·10-3; алюминий – 3,0·10-3; вольфрам –
1,0·10-3; железо – 3,0·10-3; кислород – 4,0·10-2; крем-
ний – 3·10-3; марганец – 3,0·10-4; медь – 2,0·10-3; ни-
кель – 3,0·10-3; ниобий – 2,0·10-3; углерод – 3,0·10-3;
хром – 1,0·10-3 мас.% [14]. Данный металл по содер-
жанию примесей не уступает иодидному гафнию и
может успешно применяться в качестве конструкци-
онного материала горячей зоны ядерных реакторов.
Исследования образцов, представленных на по-
стоянно действующую Выставку - коллекцию ве-
ществ особой чистоты (Институт химии высокочи-
стых веществ РАН) показали, что решающий вклад
в величину суммарного содержания примесей вно-
сят газообразующие элементы: среднее их содержа-
ние в образцах металлов находится на уровне 10-4
ат.%; значителен также и вклад распространенных
элементов и элементов-аналогов ~ 10-5 ат.%. Сум-
марное содержание примесей в наиболее чистых об-
разцах высокочистого титана, циркония и гафния,
представленных на Выставку-коллекцию, состав-
ляет 6·10-3 (число проконтролированных примесей
54), 5·10-3 (62) и 5·10-2 ат.% (50) соответственно [15].
Следовательно, дальнейшее повышение чистоты
этих металлов может быть достигнуто за счет удале-
98
ния основных газообразующих примесей и приме-
сей элементов-аналогов.
Представленные в настоящей работе результаты
исследований по рафинированию металлов IVА
группы методом электронно-лучевой плавки показа-
ли, что данный метод является высокоэффективным
для снижения содержания металлических и газовых
примесей. Использование алюминия в качестве рас-
кисляющего компонента на стадиях восстановитель-
ных плавок циркония и гафния приводит к суще-
ственному снижению содержания кислорода в ме-
таллах (до 0,03...0,004 мас.%) на стадии электронно-
лучевой плавки.
ЛИТЕРАТУРА
1. З.Шиллер, У.Гайзиг, З.Панцер. Электрон-
но-лучевая технология. М.: «Энергия»,
1980, 528 с.
2. Е.Фромм, Е.Гебхардт. Газы и углерод в ме-
таллах. М.: “Металлургия”, 1980, 711 c.
3. В.А.Елютин, Л.И.Вороненко, Е.В.Тимофе-
ев. Исследование закономерностей вакуум-
ного электронно-лучевого рафинирования
тугоплавких металлов от металлических
примесей //Вопросы атомной науки и тех-
ники. Серия: Общая и ядерная физика. 1983,
вып.1(2), с.15-22.
4. С.В.Ладохин, Ю.В.Конюшин. Электронно-
лучевая гарнисажная плавка металлов и
сплавов. Киев: «Наукова Думка», 1988, 144
с.
5. В.М.Ажажа, П.Н.Вьюгов, В.С.Гуменюк,
С.Д.Лавриненко. Улучшение вакуумных
условий установки электронно-лучевой
плавки //Вопросы атомной науки и техни-
ки. Серия: «Физика и техника высокого ва-
куума». 1982, вып.3(21), с.9-12.
6. В.М.Ажажа, П.Н.Вьюгов, В.А.Еленский и
др. Получение высокочистых металлов: ти-
тана, циркония, ванадия, ниобия и тантала
//Вопросы атомной науки и техники. Се-
рия: «Вакуум, чистые материалы, сверх-
проводники». 1998, вып.1(2), с.72-76.
7. В.М.Ажажа, П.Н.Вьюгов, С.Д.Лавриненко и
др. Электронно-лучевая плавка циркония
//Вопросы атомной науки и техники, Серия:
2000, №5, с.3-11.
8. В.М.Ажажа, П.Н.Вьюгов, С.Д.Лавриненко и
др. Цирконий и его сплавы: технологии
производства, области применения. Обзор.
Харьков: ННЦ ХФТИ. 1998, 89 с.
9. В.М.Ажажа, П.Н.Вьюгов, С.Д.Лавриненко и
др. Исследование процесса рафинирования
кальциетермического гафния электронно-
лучевой плавкой //Вопросы атомной науки
и техники. Труды конференции «Проблемы
циркония и гафния в атомной энергетике»,
14-19 июня 1999г, г.Алушта, Крым. Харь-
ков: ННЦ ХФТИ, 1999, с.36-37.
10. Х.Р.Смит, Ч.А.Хант, Ч.У.Хэнкс. Промыш-
ленная электронная плавка и ее влияние на
химический состав металлов и сплавов.
/В.кн. Электронная плавка металлов. М.:
«Мир», 1964, с.11-44.
11. В.М.Ажажа, П.Н.Вьюгов, С.Д.Лавриненко,
Н.Н.Пилипенко. Oчистка кальциетермиче-
ского циркония и гафния от кислорода //
Вопросы атомной науки и техники. Серия:
Физика радиационных повреждений и ра-
диационное материаловедение. 1997,
вып.1(65) - 2(66), с.144-150.
12. М.Л.Коцарь, В.И.Никонов, В.В.Шаталов и
др. Особенности электронно-лучевого ра-
финирования сплавов на основе циркония и
гафния./ XVII научное совещание «Высоко-
чистые материалы с особыми физическими
свойствами» Суздаль 9-12 октября 2001г.
Тезисы докладов. М., 2001, с.50-51.
13. М.Л.Коцарь, В.М.Ажажа, М.И.Борисов и
др. Получение чистых циркония и гафния
//Высокочистые вещества, 1992, вып.2,
с.85-92.
14. А.П.Мухачов. Металевий гафній ядерної
чистоти. Автореф. дис.канд.физ.-мат. наук.
Харків, 2001.
15. Л.И.Осипова, К.К.Малышев. Современный
уровень чистоты металлов (по материалам
Выставки-коллекции веществ особой чисто-
ты). /В кн. Чистые металлы (Сборник
докладов 7 Международного симпозиума),
Харьков, 2001, с.17-21.
99
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»
Изложены экспериментальные результаты исследований процессов рафинирования титана, циркония и гафния методом электронно-лучевой плавки с применением высоковакуумной техники. Показано, что данный метод является высокоэффективным для снижения содержания металлических примесей. Использование алюминия в качестве раскисляющего компонента приводит к существенному снижению содержания кислорода в цирконии и гафнии.
Рис.2. Изменение длины свободного пробега в зависимости от давления пара
Таблица 3
Максимальное значение температуры
поверхности расплава при ЭЛП металлов
и равновесное давление паров при этой температуре [3]
Таблица 4
Содержание примесей в цирконии после ЭЛП
Литература
|