Подготовка производства конструкционных материалов из гафния

Описан процесс производства пластин из металлического гафния, которые должны отвечать требованиям, определяющим возможность их использования для изготовления регулирующих элементов ядерных реакторов. При подготовке производства пластин для получения исходных слитков применяли метод электронно-лучев...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автори:	Неклюдов, И.М., Ажажа, В.М., Ковтун, К.В., Васильев, А.А., Ажажа, Р.В., Старолат, М.П., Стеценко, С.П., Линдт, К.А., Болков, А.Ф., Попов, В.И., Мочалов, Ю.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2009
Теми:	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15001
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:	Подготовка производства конструкционных материалов из гафния / И.М. Неклюдов, В.М. Ажажа, К.В. Ковтун, А.А. Васильев, Р.В. Ажажа, М.П. Старолат, С.П. Стеценко, К.А. Линдт, А.Ф. Болков, В.И. Попов, Ю.В. Мочалов // Наука та інновації. — 2009. — Т. 5, № 2. — С. 23-31. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-15001
record_format	dspace
spelling	Неклюдов, И.М. Ажажа, В.М. Ковтун, К.В. Васильев, А.А. Ажажа, Р.В. Старолат, М.П. Стеценко, С.П. Линдт, К.А. Болков, А.Ф. Попов, В.И. Мочалов, Ю.В. 2011-01-03T15:07:00Z 2011-01-03T15:07:00Z 2009 Подготовка производства конструкционных материалов из гафния / И.М. Неклюдов, В.М. Ажажа, К.В. Ковтун, А.А. Васильев, Р.В. Ажажа, М.П. Старолат, С.П. Стеценко, К.А. Линдт, А.Ф. Болков, В.И. Попов, Ю.В. Мочалов // Наука та інновації. — 2009. — Т. 5, № 2. — С. 23-31. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1815-2066 DOI: doi.org/10.15407/scin5.02.023 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15001 Описан процесс производства пластин из металлического гафния, которые должны отвечать требованиям, определяющим возможность их использования для изготовления регулирующих элементов ядерных реакторов. При подготовке производства пластин для получения исходных слитков применяли метод электронно-лучевой плавки. Для измельчения литой структуры слитки подвергали ковке, а кованые заготовки прокатывали в полосы. Полосы шлифовали, обрезали в размер и подвергали термообработке. На всех этапах изготовления полуфабрикатов проводили контроль свойств материала и полученных изделий. Свойства полученных пластин из гафния удовлетворяют производственным требованиям. Описується процес виробництва пластин з металічного гафнію, які повинні відповідати вимогам, що визначають можливість їх використання для виготовлення регулюючих елементів ядерних реакторів. В процесі підготовки виробництва пластин для виготовлення вихідних зливків застосовували метод електронно-променевої плавки. Для подрібнення литої структури злитки піддавали куванню, а ковані заготівки прокатували в смуги. Смуги шліфували, обрізали до розміру і піддавали термообробці. На всіх етапах виготовлення напівфабрикатів проводили контроль властивостей матеріалу і одержаних виробів. Властивості одержаних пластин з гафнію задовольняють поставлені виробничі вимоги. The process of production of plates on the basis of metallic hafnium, which must respond to the requests of the possibility of their use in the construction of nuclear reactors' control rods, is described. For the production of initial ingots the electron-beam melting method was applied. For crushing of cast structure the ingots were subjected to forging, and the forged samples were rolled into the bars. They were polished, cut to a size and subjected to the heat treatment. Inspection of the properties of material and obtained products was carried out during all stages of semimanufactured material production. The properties of the plates obtained from hafnium satisfy the stated production requirements. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Подготовка производства конструкционных материалов из гафния Підготовка виробництва конструкційних матеріалів з гафнію Preparation for the production of constructional materials from hafnium Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Подготовка производства конструкционных материалов из гафния
spellingShingle	Подготовка производства конструкционных материалов из гафния Неклюдов, И.М. Ажажа, В.М. Ковтун, К.В. Васильев, А.А. Ажажа, Р.В. Старолат, М.П. Стеценко, С.П. Линдт, К.А. Болков, А.Ф. Попов, В.И. Мочалов, Ю.В. Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
title_short	Подготовка производства конструкционных материалов из гафния
title_full	Подготовка производства конструкционных материалов из гафния
title_fullStr	Подготовка производства конструкционных материалов из гафния
title_full_unstemmed	Подготовка производства конструкционных материалов из гафния
title_sort	подготовка производства конструкционных материалов из гафния
author	Неклюдов, И.М. Ажажа, В.М. Ковтун, К.В. Васильев, А.А. Ажажа, Р.В. Старолат, М.П. Стеценко, С.П. Линдт, К.А. Болков, А.Ф. Попов, В.И. Мочалов, Ю.В.
author_facet	Неклюдов, И.М. Ажажа, В.М. Ковтун, К.В. Васильев, А.А. Ажажа, Р.В. Старолат, М.П. Стеценко, С.П. Линдт, К.А. Болков, А.Ф. Попов, В.И. Мочалов, Ю.В.
topic	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
topic_facet	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
publishDate	2009
language	Russian
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
format	Article
title_alt	Підготовка виробництва конструкційних матеріалів з гафнію Preparation for the production of constructional materials from hafnium
description	Описан процесс производства пластин из металлического гафния, которые должны отвечать требованиям, определяющим возможность их использования для изготовления регулирующих элементов ядерных реакторов. При подготовке производства пластин для получения исходных слитков применяли метод электронно-лучевой плавки. Для измельчения литой структуры слитки подвергали ковке, а кованые заготовки прокатывали в полосы. Полосы шлифовали, обрезали в размер и подвергали термообработке. На всех этапах изготовления полуфабрикатов проводили контроль свойств материала и полученных изделий. Свойства полученных пластин из гафния удовлетворяют производственным требованиям. Описується процес виробництва пластин з металічного гафнію, які повинні відповідати вимогам, що визначають можливість їх використання для виготовлення регулюючих елементів ядерних реакторів. В процесі підготовки виробництва пластин для виготовлення вихідних зливків застосовували метод електронно-променевої плавки. Для подрібнення литої структури злитки піддавали куванню, а ковані заготівки прокатували в смуги. Смуги шліфували, обрізали до розміру і піддавали термообробці. На всіх етапах виготовлення напівфабрикатів проводили контроль властивостей матеріалу і одержаних виробів. Властивості одержаних пластин з гафнію задовольняють поставлені виробничі вимоги. The process of production of plates on the basis of metallic hafnium, which must respond to the requests of the possibility of their use in the construction of nuclear reactors' control rods, is described. For the production of initial ingots the electron-beam melting method was applied. For crushing of cast structure the ingots were subjected to forging, and the forged samples were rolled into the bars. They were polished, cut to a size and subjected to the heat treatment. Inspection of the properties of material and obtained products was carried out during all stages of semimanufactured material production. The properties of the plates obtained from hafnium satisfy the stated production requirements.
issn	1815-2066
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15001
citation_txt	Подготовка производства конструкционных материалов из гафния / И.М. Неклюдов, В.М. Ажажа, К.В. Ковтун, А.А. Васильев, Р.В. Ажажа, М.П. Старолат, С.П. Стеценко, К.А. Линдт, А.Ф. Болков, В.И. Попов, Ю.В. Мочалов // Наука та інновації. — 2009. — Т. 5, № 2. — С. 23-31. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT neklûdovim podgotovkaproizvodstvakonstrukcionnyhmaterialovizgafniâ AT ažažavm podgotovkaproizvodstvakonstrukcionnyhmaterialovizgafniâ AT kovtunkv podgotovkaproizvodstvakonstrukcionnyhmaterialovizgafniâ AT vasilʹevaa podgotovkaproizvodstvakonstrukcionnyhmaterialovizgafniâ AT ažažarv podgotovkaproizvodstvakonstrukcionnyhmaterialovizgafniâ AT starolatmp podgotovkaproizvodstvakonstrukcionnyhmaterialovizgafniâ AT stecenkosp podgotovkaproizvodstvakonstrukcionnyhmaterialovizgafniâ AT lindtka podgotovkaproizvodstvakonstrukcionnyhmaterialovizgafniâ AT bolkovaf podgotovkaproizvodstvakonstrukcionnyhmaterialovizgafniâ AT popovvi podgotovkaproizvodstvakonstrukcionnyhmaterialovizgafniâ AT močalovûv podgotovkaproizvodstvakonstrukcionnyhmaterialovizgafniâ AT neklûdovim pídgotovkavirobnictvakonstrukcíinihmateríalívzgafníû AT ažažavm pídgotovkavirobnictvakonstrukcíinihmateríalívzgafníû AT kovtunkv pídgotovkavirobnictvakonstrukcíinihmateríalívzgafníû AT vasilʹevaa pídgotovkavirobnictvakonstrukcíinihmateríalívzgafníû AT ažažarv pídgotovkavirobnictvakonstrukcíinihmateríalívzgafníû AT starolatmp pídgotovkavirobnictvakonstrukcíinihmateríalívzgafníû AT stecenkosp pídgotovkavirobnictvakonstrukcíinihmateríalívzgafníû AT lindtka pídgotovkavirobnictvakonstrukcíinihmateríalívzgafníû AT bolkovaf pídgotovkavirobnictvakonstrukcíinihmateríalívzgafníû AT popovvi pídgotovkavirobnictvakonstrukcíinihmateríalívzgafníû AT močalovûv pídgotovkavirobnictvakonstrukcíinihmateríalívzgafníû AT neklûdovim preparationfortheproductionofconstructionalmaterialsfromhafnium AT ažažavm preparationfortheproductionofconstructionalmaterialsfromhafnium AT kovtunkv preparationfortheproductionofconstructionalmaterialsfromhafnium AT vasilʹevaa preparationfortheproductionofconstructionalmaterialsfromhafnium AT ažažarv preparationfortheproductionofconstructionalmaterialsfromhafnium AT starolatmp preparationfortheproductionofconstructionalmaterialsfromhafnium AT stecenkosp preparationfortheproductionofconstructionalmaterialsfromhafnium AT lindtka preparationfortheproductionofconstructionalmaterialsfromhafnium AT bolkovaf preparationfortheproductionofconstructionalmaterialsfromhafnium AT popovvi preparationfortheproductionofconstructionalmaterialsfromhafnium AT močalovûv preparationfortheproductionofconstructionalmaterialsfromhafnium
first_indexed	2025-11-25T22:33:37Z
last_indexed	2025-11-25T22:33:37Z
_version_	1850567550247632896
fulltext	ВВЕДЕНИЕ Гафний обладает комплексом механичес� ких, химических и ядерно�физических свойств, которые позволяют использовать его в ядер� ной технике, в основном для изготовления ре� гулирующих элементов ядерных реакторов, экранов защиты от нейтронного излучения, камер и боксов для хранения и проведения ра� бот с радиоактивными материалами. Обладая высоким сечением поглощения тепловых нейтронов и хорошей коррозионной стой� костью, гафний используется в конструкциях органов регулирования ядерных реакторов с конца 1950�х годов. В американских коммер� ческих ядерных реакторах типа PWR гафний начали использовать с начала 1960�х годов (Shippingport�1, Indian Point Unit�1, Yankee Rowe) [1]. Изучение регулирующих стержней из гаф� ния, установленных на реакторе Advanced Neutron Source (США), показало, что выгора� ние 177Hf после 2�х лет работы в части, подвер� женной воздействию наибольшего потока нейтронов, составило 34 %. Но такое выгора� ние компенсируется образованием цепочки поглощающих изотопов 178Hf, 179Hf, 180Hf. В дру� гих частях регулирующих стержней выгорание было гораздо меньше [2]. После 15 лет эксплу� атации в реакторе Shippingport�1 и достижения флюенса нейтронов 3 � 1022 см–2 (Е > 0,1 МэВ) физическая эффективность регулирующих стержней снизилась только на 6—7 %. [3]. C 1993 г. в исследовательском реакторе РБТ�6 (ГНЦ РФ НИИАР) успешно эксплуа� тируются пластинчатые органы регулирова� ния из гафния. В 1989 г. в реакторах BWR 23 И.М. Неклюдов 1, В.М. Ажажа 1, К.В. Ковтун 1, А.А. Васильев 1, Р.В. Ажажа 1, М.П. Старолат 1, С.П. Стеценко 1, К.А. Линдт 2, А.Ф. Болков 2,В.И. Попов 2, Ю.В. Мочалов 2 1 Национальный научный центр "ХФТИ" НАН Украины, Харьков 2 Государственное научно�производственное предприятие "Цирконий", Днепродзержинск ПОДГОТОВКА ПРОИЗВОДСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ГАФНИЯ Наука та інновації. 2009. Т. 5. № 2. С. 23–31. Описан процесс производства пластин из металлического гафния, которые должны отвечать требованиям, оп� ределяющим возможность их использования для изготовления регулирующих элементов ядерных реакторов. При подготовке производства пластин для получения исходных слитков применяли метод электронно�лучевой плавки. Для измельчения литой структуры слитки подвергали ковке, а кованые заготовки прокатывали в полосы. Полосы шлифовали, обрезали в размер и подвергали термообработке. На всех этапах изготовления полуфабрикатов про� водили контроль свойств материала и полученных изделий. Свойства полученных пластин из гафния удовлетворя� ют производственным требованиям. К л ю ч е в ы е с л о в а: гафний, плавка, слиток, ковка, прокатка, лист, отжиг, свойства. © И.М. НЕКЛЮДОВ, В.М. АЖАЖА, К.В. КОВТУН, А.А. ВАСИЛЬЕВ, Р.В. АЖАЖА, М.П. СТАРОЛАТ, С.П. СТЕЦЕНКО, К.А. ЛИНДТ, А.Ф. БОЛКОВ, В.И. ПОПОВ, Ю.В. МОЧАЛОВ, 2009 N 2-09.qxd 21.04.2009 15:22 Page 23 (Япония) были введены в эксплуатацию регу� лирующие стержни из гафния пластинчатого и стержневого типов с высоким сроком служ� бы [4]. Пластинчатые органы регулирования представляют собой несколько пар тонких гафниевых пластин, прикрепленных к лопас� тям регулирующего стержня ядерного реакто� ра с помощью штифтов из нержавеющей стали. В отечественной практике прутки гафния марки ГФЭ�1 в защитной оболочке из нер� жавеющей стали впервые были поставлены на опытную эксплуатацию в поглощающие стержни системы управления защитой водо� водяного энергетического реактора (ПС СУЗ ВВЭР�1000) Ровенской АЭС в 1997 году [5]. С учетом потенциально высоких эксплуатаци� онных характеристик металлического гафния его применение представляется наиболее це� лесообразным без защитных оболочек в кон� такте с водой�теплоносителем [6]. В настаю� щее время в Украине отсутствует технология производства регулирующих элементов для реакторов на основе металлического гафния. В энергетической стратегии Украины атом� ной энергетике отводится ведущее место. В перспективе до 2030 г. планируемая доля АЭС в выработке электроэнергии составит не менее 50 % [7]. Однако дальнейшее развитие атом� ной энергетики в Украине зависит от степени безопасности и эффективности работы ныне действующих АЭС. Используя гафний в каче� стве конструкционного материала для атомной энергетики, можно решить ряд проблем суще� ствующих АЭС: повышение безопасности и эксплуатацион� ной надежности систем управления реакто� ров при использовании поглощающих эле� ментов (ПЭЛ) из гафния на действующих атомных реакторах; научно�техническое обоснование возмож� ности продления срока эксплуатации атом� ных блоков, проектный ресурс которых за� вершается в следующем десятилетии; хранение отработанного ядерного топлива и радиоактивных отходов. Применение гафния в конструкциях регули� рующих элементов атомных реакторов может продлить срок использования ПЭЛов до 30 лет (срок пригодности используемых в настоящее время ПЭЛов на основе карбида бора — 2—4 го� да). Это может дать значительную экономию средств и позволит снизить количество радио� активных отходов при эксплуатации реакторов. В настоящее время при производстве продук� ции из циркония, используемого для изготов� ления тепловыделяющих элементов в атомных реакторах, гафний является сопутствующим продуктом, который обязательно нужно отде� лять от циркония. Полученный гафний в виде слитков, как правило, закладывается в Государ� ственный или Отраслевой резерв, из которого он потом поставляется как исходное сырье для дальнейшей переработки или продажи. Поэто� му разработка технологии изготовления изде� лий из гафния, во�первых, позволит выйти на рынок с новой наукоемкой продукцией, а во� вторых, позволит снизить себестоимость изде� лий из циркония и его сплавов. Науково0технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Наука та інновації. № 2, 200924 Рис. 1. Укрупненная схема производства пластин из гафния N 2-09.qxd 21.04.2009 15:22 Page 24 На территорииУкраины имеются весьма значительные ресурсы гафния, которые могут быть освоены на существующих предприяти� ях (напр., ГНПП "Цирконий", который специ� ализируется на производстве сплавов цирко� ния, а также металлического гафния и редко� земельных элементов). На предприятии могут изготавливаться слитки гафния, однако техно� логия их дальнейшей переработки в изделия отсутствует. Одной из целей проводимой нами работы яв� лялась разработка технологии производства пластин из металлического гафния, которые бу� дут отвечать требованиям, определяющим воз� можность их использования в реакторах типа ВВЭР в конструкциях органов регулирования. Полученные пластины из гафния должны иметь такие свойства: предел прочности — 420 МПа; предел текучести — 210 МПа; удлинение при растяжении — не менее 15 %; отсутствие дефектов с размерами больше 200 мкм; шероховатость поверхности — Ra � 2,5 мкм. СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА ПЛАСТИН ИЗ ГАФНИЯ При разработке процеcса изготовления плас� тин использовалось оборудование ННЦ ХФТИ и ГНПП "Цирконий". Укрупненную схему про� изводства пластин из гафния можно условно разделить на шесть основних этапов, которые приведены на схеме рис. 1. Плавка слитков из гафния Исходным материалом для изготовления слитков являлись первичные слитки гафния ГФЭ�1 и до 50 % оборотных отходов в виде стружки и обрезков, образующихся в процес� се производства. По химическому составу слитки гафния ГФЭ�1 должны соответство� вать требованиям ТУ У 14312708.183�95. Обо� ротные отходы, поступающие на плавку, про� ходят предварительную подготовку. Стружку перемешивали, отмагничивали и промывали этиловым спиртом, дистиллированной водой и сушили. После чего производили отбор проб для определения содержания примесей. Мас� совая доля примесей в стружке гафния не должна превышать значений, приведенных в табл. 1. Затем весь гафний в виде слитков и оборотных отходов поступал на электронно� лучевую плавку. На рис. 2 приведена струк� турная схема операций и движения материала при производстве слитков гафния, пригодных для дальнейшей ковки. Для первичной плавки, при производстве которой производится сплавление и переме� шивание оборотных отходов с первичным слитком, использовали промышленную уста� новку ЭМО�250. В результате плавки на этой установке получали слитки гафния диамет� ром до 240 мм. Исследования структуры слитков после первичной электронно�лучевой плавки пока� зали, что они имеют крупнокристаллическую структуру; размер зерен по сечению и высоте слитка существенно отличается. Такая разни� ца в размерах зерен и их ориентации в слитках для металлов с ГПУ�решеткой (в том числе и для гафния) может приводить после деформа� ции к анизотропии структуры и свойств изде� лий, которые будут получены из этих слитков. С целью уменьшения разнозернистости слит� ков и дополнительного рафинирования от кис� Науково0технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Наука та інновації. № 2, 2009 25 Элемент Массовая доля, % Элемент Массовая доля, % Цирконий Азот Углерод Кислород Железо Кремний Никель Титан Алюминий 1,0 0,005 0,01 0,05 0,04 0,005 0,02 0,005 0,005 Кальций Магний Марганец Хром Медь Ниобий Молибден Вольфрам 0,01 0,004 0,0005 0,003 0,005 0,01 0,01 0,01 Таблиця 1 Предельное содержание примесей в оборотных отходах N 2-09.qxd 21.04.2009 15:22 Page 25 лорода слитки подвергали вторичному элект� ронно�лучевому переплаву на установке ЭДП 07/500 в кристаллизатор Ø90 мм. Особеннос� тью данной электронно�лучевой печи являет� ся промежуточная емкость, в которой можно поддерживать заданный перегрев жидкого металла для обеспечения его рафинирования. В результате вторичной электронно�луче� вой плавки получали слитки Ø85—90 мм, дли� ной до 1 200 мм. Вес полученного слитка сос� тавлял около ста килограмм. Такие слитки имеют зерна от 5 до 10 мм. Содержание кисло� рода не превышает 0,04 %. Полученные слит� ки резали механической пилой на мерные ци� линдрические заготовки длиной 150—155 мм, поверхность которых обрабатывается на то� карном станке. Обрезки отправляли на пер� вичную электронно�лучевую плавку, как по� казано на рис. 2. Станок, используемый для токарной обработки, предварительно подго� тавливали: очищали от стружки других плавок и металлов, а также, оснащали экранами для сбора стружки гафния. Обработка велась при обязательном охлаждении резца. Стружку, соб� ранную после токарной обработки после подго� товки и анализа, отправляли на первичную пе� реплавку (см. рис. 2). В результате токарной обработки получали заготовки под ковку в ви� де цилиндров диаметром 80—82 мм и высотой 135—145 мм. Эти заготовки проходили ульт� развуковой контроль на наличие дефектов (трещин, раковин, расслоений) с применением дефектоскопа USN�52. Измерения проводили согласно ОСТ 5.9675�88 и ГОСТ 24507�80. Ес� ли величина дефектов в слитке превышала до� пустимые размеры, то он выбраковывался и направлялся на повторную переплавку. Горячая ковка слитков Ковка слитков проводилась в несколько этапов на пневматических молотах с весом па� дающих частей 400 и 1 000 кг Заготовки для ковки нагревались в газовой печи до темпера� туры 1 100 °С, температуру контролировали с помощью пирометра и термопары. Неравно� мерность нагрева по длине печи и от стенки печи до центра достигала 50 °С. Ковку слитков начинали с малых обжатий, чтобы измельчить грубую литую структуру. Поэтому на первом этапе проводилось осаж� дение деформацией не больше 10 % ударами молота по торцевым частям цилиндрической заготовки. В результате такой деформации за� готовка приобретала бочкообразную форму, а зерна, особенно вытянутые вдоль оси заготов� ки, подвергались предварительному измельче� нию. Следует отметить важность проведения операций ковки на первом этапе с небольши� ми степенями деформации. При превышении степени деформации в поковках образуются трещины, что приводит к невозможности ис� пользование таких заготовок для производст� ва конечной продукции. На втором этапе ков� ки проводили "квадратирование", когда цили� ндрический профиль заготовки под ударами молота по боковой поверхности заготовки пос� тепенно превращается в квадратный. Сечение его постепенно уменьшается, длина заготовки Науково0технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Наука та інновації. № 2, 200926 Рис. 2. Структурная схема операций и движения мате� риала при производстве заготовок для горячей ковки гафния N 2-09.qxd 21.04.2009 15:22 Page 26 увеличивается, структура слитка измельчается по мере накопления степени пластической де� формации. На третьем этапе деформирова� ния квадратный профиль изменяли на прямоу� гольный, т.е. заготовка не поворачивалась на 90° при ковке, а ковалась в одной плоскости по длине для получения формы сляба, пригодного для последующей прокатки. На первых трех этапах ковка проводилась на кузнечном пневматическом молоте (МА4136) с весом падающих частей 400 кг. На конечном этапе полученный сляб вырав� нивался ковкой на молоте с весом падающей части 1 000 кг. Кованые заготовки имели раз� меры 300 � 76 � 26 мм. Каждой этап ковки был разбит на несколько циклов. Циклы непос� редственной ковки занимали около 2�х мин, между которыми осуществляли промежуточ� ный подогрев заготовок (10 мин). Благодаря малой длительности процесса ковки величину деформации между циклами можно увеличить, а поглощение кислорода и азота уменьшить. Удаление поверхностных дефектов слитка после ковки — важная стадия технологическо� го процесса, поскольку в поверхностных слоях при температуре ковки образуются нитриды и окислы гафния, охрупчивающие материал. Для удаления дефектного слоя, обогащенного хрупкими нитридами и окислами, и подготов� ки кованого сляба к прокатке использовали пескоструйную обработку. Структура заготовок сразу после ковки ха� рактеризуется измельчением начальной ли� той структуры, однако зерна в материале не рекристаллизованы. Это связано с быстрым охлаждением слитка в процессе ковки до тем� ператур, когда процессы рекристаллизации в гафнии прекращаются. Для снятия внутрен� них напряжений и формирования в материале стабильной зерненой структуры необходим рекристаллизационный отжиг кованых загото� вок. На рис. 3 приведена структура кованого слитка гафния после отжига при температуре 800 °С в течение 30 мин. Как видно из рис. 3, ве� личина зерна в слитке после ковки снижается до нескольких сотен микрон. При этом струк� тура становится однородной; зерна, вытянутые в одном направлении, отсутствуют. Для удаления дефектов (краевых трещин, расслоений и т.п.), образующихся при ковке и формировании прямоугольного сляба, боковые и торцевые поверхности кованых заготовок не� обходимо обрезать, используя фрезерный, стро� гальный или электроискровой станок. В резуль� тате получатся готовые прямоугольные слябы размерами ~290 � 75 � 22 мм. После такой об� работки заготовки из кованых слитков станут пригодными для последующего изготовления из них изделий путем прокатки. Прокатка листов и рихтовка Для прокатки кованных гафниевых слябов использовали прокатный стан ДУО�200�280 производства СКМЗ г. Краматорск с усилием прокатки 1,18 МН (120 т.с.) и возможностью ре� гулирования скорости прокатки от 1 до 20 м/мин. Стан укомплектован двумя регулируемыми по высоте столами, предназначенными для подачи заготовки в валки и приема ее из них после прокатки. На переднем столе, предназ� наченном для подачи заготовки в валки, уста� навливается регулируемое по ширине прис� пособление для проводки катаемого сляба, Науково0технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Наука та інновації. № 2, 2009 27 Рис. 3. Структура заготовок после ковки и рекристалли� зационного отжига при 800 °С в течение 30 мин N 2-09.qxd 21.04.2009 15:22 Page 27 обеспечивающее перпендикулярность подачи заготовки в валки. Для нагревания заготовки использовали электропечь СНОЛ�2,5.4.1,4/11�И1 мощностью 8 кВт. Степень деформации заготовок за про� ход при прокатке гафниевых листов составля� ла 12—18 %. Скорость, использованная при прокатке, составляла 5—11 м/мин. Необходи� мая суммарная степень деформации для про� катки листа заданной толщины получали пу� тем многопроходной обработки. Выдержка заготовки в печи между проходами составля� ла 15—17 мин. После четвертого прохода, ког� да катаемая заготовка удлинялась более чем на 450 мм, ее нагрев переносился в другую печь. Такая электропечь, состоящая из трех печей типа СНОЛ 1,6.2,1.1/11�И2, собранных в одном корпусе, мощностью 9 кВт, позволяла нагревать заготовки длинной до 900 мм. Она была специально изготовлена для выполне� ния данной работы. В случае если в ходе прокатки возникал из� гиб заготовки вдоль плоскости прокатки и его величина превышала 20 мм, для ее выравни� вания применяли рихтовку на прессе. Для рихтовки заготовок использовали гидравличес� кий пресс (ПД�476) с усилием 1,57 МН (160 т.с.), со скоростью рабочего хода 0,24 м/мин. Рих� товка выполнялась между двумя массивными стальными пластинами толщиной 60 мм, после нагрева заготовки в электропечи до температу� ры 900 °С. Необходимость в рихтовке обычно возникала после первых 3—4 проходов при прокатке. Полосы после проката имели тол� щину 6,4—6,7 мм, ширину 82—83 мм, и длину 985—1005 мм с учетом закругленных торцов, образовавшихся при прокатке. Шлифовка пластин Для шлифовки прокатанных полос исполь� зовали плоскошлифовальный станок марки 3Л725ВФ10 с магнитным столом 2000 � 630 мм и горизонтальным шпинделем. Шлифовка проводилась по следующей схеме: 1 этап — снятие окисного слоя: подача не более 100 мкм, переворот пластины на другую сторону, обработка противоположной плос� кости пластины; 2 этап — удаление неровностей и дефектов: подача не более 200 мкм, переворот пластины на другую сторону после полного исчезнове� ния дефектов; 3 этап — чистовая обработка: подача не бо� лее 5 мкм, переворот пластины на другую сто� рону. После шлифовки пластин их боковые и торцевые края обрезали до заданных разме� ров с использованием электроискрового или фрезерного станка. На рис. 4 для иллюстрации этапов проде� ланной работы приведена фотография слябов гафния после ковки, заготовок после механи� ческой обработки поверхности, полос после прокатки, а также шлифованных и обрезан� ных пластин гафния. Вакуумный отжиг С целью получения заданной структуры механических свойств и снятия внутренних напряжений в гафниевых полосах проводили заключительную термообработку. Для опре� деления режимов отжига прокатанных и шли� фованных листов гафния была проведена ра� бота по изучению влияния отжига на структу� ру и свойства горячекатаного гафния. Из образцов�свидетелей, отрезанных от получен� ных пластин, вырезали образцы для механи� ческих испытаний на растяжение. Испытания на растяжение проводили при комнатной тем� Науково0технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Наука та інновації. № 2, 200928 Рис. 4. Заготовки пластин гафния после ковки, после ме� ханической обработки поверхности; прокатанная поло� са, а также шлифованные и обрезанные пластины N 2-09.qxd 21.04.2009 15:22 Page 28 пературе со скоростью деформации 10–3 сек–1. Отжиги образцов проводили при температу� рах 800, 900 и 1 000 °С в течение 2�х часов в ва� куумной печи сопротивления при давлении 0,0133 Па. После отжига для удаления возни� кающей окисной пленки образцы снова под� вергали химической полировке. На подготов� ленных по такой технологии образцах иссле� довали изменение структуры поверхности методом оптической микроскопии, а также изучали зависимости пределов прочности, пропорциональности, относительного удли� нения и микротвердости от температуры от� жига горячекатаного гафния. На рис. 5 предс� тавлены температурные зависимости механи� ческих свойств горячекатанного гафния. Из представленных зависимостей видно, что отжиг в течение 2�х часов при температу� ре 800 °С, близкой к температуре прокатки, приводит к резкому снижению твердости, пределов прочности, пропорциональности и существенному повышению пластичности по сравнению с теми же характеристиками мате� риала без отжига. Отжиг при 1 000 °С приво� дит к некоторому снижению пластичности и повышению твердости при снижении прочно� стных характеристик. Испытания на растяже� ние образцов, вырезанных перпендикулярно направлению прокатки, показали, что харак� теристики прочности после прокатки близки к тем, которые наблюдаются в образцах, выре� занных вдоль направления прокатки. Отжиг прокатанных образцов приводит к тому, что характеристики прочности и пластичности мало зависят от направления деформации растяжением по отношению к направлению прокатки. Учитывая результаты изучения влияния режимов отжига на свойства горячекатанно� го гафния, мы выбрали такой режим термо� обработки для прокатанных и шлифованных листов: температура — 900 °С; время — 2 часа; давление в вакуумной печи — 0,0133 Па. Для исключения формоизменения шлифо� ванные пластины при отжиге помещали в спе� циальную оправку, состоящую из двух шлифо� ванных пластин толщиной 10 мм, соединенных болтами. Для отжига листов была изготовлена специальная печь сопротивления, помещаемая в вакуумную камеру. В этой же печи отжигали и образцы�свидетели, отрезаемые от шлифо� ванных листов для контроля их характеристик. После отжига пластины извлекали из сбор� ки и каждую пластину проверяли на соответ� ствие заданным характеристикам. Контроль качества и свойств изделий Для отработки методов контроля парамет� ров получаемых заготовок и изделий была из� готовлена опытная партия пластин с размера� ми 60 � 905 � 5,1 мм. Эти пластины были из� готовлены из слитков металла, полученных в результате двух плавок. Вместе с каждой пар� тией пластин из металла той же плавки и по той же технологии изготавливали образцы� свидетели размером 60 � 50 � 5,1 мм. Из них были вырезаны образцы для проведения ста� тических испытаний на растяжение по ГОСТ 10006�80 на установке 1246Р�2/2300 произво� дства НИКИМТ. Обобщенные механические Науково0технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Наука та інновації. № 2, 2009 29 Рис. 5. Зависимость пределов прочности, пропорцио� нальности, относительного удлинения и микротвердос� ти от температуры отжига горячекатанного гафния N 2-09.qxd 21.04.2009 15:22 Page 29 свойства пластин по результатам испытаний вырезанных образцов приведены в табл. 2. Все готовые пластины успешно прошли контроль на отсутствие поверхностных и сквозных дефектов капиллярным методом (по ГОСТ 18442�80, класс чувствительности контроля — III) и УЗК внутренних дефектов (по ГОСТ 23829�79). При измерении параметров шероховатости шлифованной поверхности пластин исполь� зовали переносной профилометр�профилог� раф TR 200 производства компании Time Group Inc. С помощью этого прибора опреде� ляли величину Ra — среднее арифметическое отклонение профиля на различных участках поверхности пластин. Измерения шероховатости производили в средней части и на концах полученных пластин с обеих сторон каждой пластины. Значения ве� личины Ra изменялось от 0,15 до 0,18 мкм. Тем самым изготовленные пластины существенно превосходили первоначальные технические требования по параметру шероховатости Ra. ВЫВОДЫ Проведен анализ мировых тенденций по использованию гафния для изготовления конструкций, поглощающих нейтроны в атомных реакторах. Показана перспектив� ность разработки технологии производства изделий из гафния для удовлетворения тре� бований атомной энергетики в Украине. Проведена подготовка производства шли� фованных пластин из гафния. Отработаны операции выплавки и ковки ис� ходных слитков, разработаны способы про� катки и шлифовки листов гафния, и после� дующего вакуумного отжига пластин. Проведен подбор необходимого оборудова� ния, оптимизированы температурно�вре� менные режимы проведения отдельных опе� раций. Изготовлена опытная партия пластин гаф� ния размерами 64 � 905 � 5,1 мм. Определены методики и оборудование, не� обходимые для контроля качества заготовок и требуемых свойств выпускаемых изделий. Показано, что свойства полученных шлифо� ванных пластин из гафния удовлетворяют поставленным техническим требованиям. ЛИТЕРАТУРА 1. Herbert, Keller W. Development of hafnium and compar� ison with other pressurized water reactor control rod ma� terials // Nuclear Technology. — Vol. 59, 1982. — P. 476— 482. 2. Gallmeier F.X., Bucholz J.A., Engle W.W. Jr., Williams L.R. Analysis of the in�vessel control rod guide tube and sub� pile room shielding design for the advanced neutron source reactor // Report of Oak Ridge National Lab., TN (United States), FUNDING ORGANIZATION: USDOE, Washington, DC (United States), Aug 1995. — 140 p. 3. Keller C. Hafnium ein neur Werkstoff in der Kerntech� nik // GIT, 1987. — Bd. 31, № 2. — P. 95—99. 4. Shirayanagi H., Fukumoto T., Shiga S. Advanced control rods for Japanese BWR plants // Proceedings of a Tech� nical Committee meeting "Advanced in control assem� bly materials for water reactors", 29 November — 2 De� cember 1993, IAEA, 1995. — P. 135—164. 5. Afanasyev A. Experience of CR and RCCA operation in Ukrainian WWER 1000: aspects of reliability, safety and economic efficiency // Proceedings of a Technical Committee meeting "Control assembly materials for water reactors: Experience, performance and perspectives", 12— 15 October 1998, IAEA, Vienna, 2000. — P. 77—89. 6. Клочков Е.П., Рисованый В.Д. Гафний в атомной техни� ке // Ядерная техника за рубежом. — 1987. — № 10. — С. 12. Науково0технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Наука та інновації. № 2, 200930 № Параметры Техни� ческие требо� вания Обобщенные механические свойства пластин без термо� обработки после тер� мообра� ботки 1 2 3 Предел прочнос� ти σВ, МПа Предел текучести σ0,2, МПа Относительное удлинение δ, % 420,0 210,0 17,5 700,0 520,2 17,3 584,6 372,8 27,8 Таблиця 2 Механические свойства материала пластин N 2-09.qxd 21.04.2009 15:22 Page 30 7. Неклюдов И.М. Состояние и проблемы атомной энер� гетики в Украине // Вопросы атомной науки и тех� ники. 2007. № 2, сер. "Физика радиационных пов� реждений и радиационное материаловедение" (90). — С. 3—9. І.М. Неклюдов, В.М. Ажажа, К.В. Ковтун, А.А. Васильєв, Р.В. Ажажа, М.П. Старолат, С.П. Стеценко, К.А. Ліндт, А.Ф. Болков, В.И. Попов, Ю.В. Мочалов ПІДГОТОВКА ВИРОБНИЦТВА КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ З ГАФНІЮ Описується процес виробництва пластин з металіч� ного гафнію, які повинні відповідати вимогам, що виз� начають можливість їх використання для виготовлення регулюючих елементів ядерних реакторів. В процесі підготовки виробництва пластин для виготовлення ви� хідних зливків застосовували метод електронно�проме� невої плавки. Для подрібнення литої структури злитки піддавали куванню, а ковані заготівки прокатували в смуги. Смуги шліфували, обрізали до розміру і піддава� ли термообробці. На всіх етапах виготовлення напів� фабрикатів проводили контроль властивостей матеріа� лу і одержаних виробів. Властивості одержаних пластин з гафнію задовольняють поставлені виробничі вимоги. К л ю ч о в і с л о в а: гафній, плавка, злиток, кування, про� катка, лист, відпал, властивості. I.M. Neklyudov, V.M. Azhazha, K.V. Kovtun, A.A. Vasilyev, R.V. Azhazha, M.P. Starolat, C.P. Stetsenko, K.A. Lindt, A.F. Bolkov, V.I. Popov, Yu.V. Mochalov THE PREPARATION FOR THE PRODUCTION OF CONSTRUCTIONAL MATERIALS FROM HAFNIUM The process of production of plates on the basis of metal� lic hafnium, which must respond to the requests of the pos� sibility of their use in the construction of nuclear reactors' control rods, is described. For the production of initial ingots the electron�beam melting method was applied. For crushing of cast structure the ingots were subjected to forg� ing, and the forged samples were rolled into the bars. They were polished, cut to a size and subjected to the heat treat� ment. Inspection of the properties of material and obtained products was carried out during all stages of semimanufac� tured material production. The properties of the plates obtained from hafnium satisfy the stated production requirements K e y w o r d s: hafnium, melting, ingot, forging, rolling, plate, annealing, properties. Надійшла до редакції 11.06.08. Науково0технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Наука та інновації. № 2, 2009 31 N 2-09.qxd 21.04.2009 15:22 Page 31

Подготовка производства конструкционных материалов из гафния

Репозитарії

Схожі ресурси