Выплавка сплава КТЦ-110 в электронно-лучевой гарнисажной установке с использованием пушки высоковольтного тлеющего разряда
Представлены результаты выплавки слитков сплава Zr1Nb на основе кальциетермического циркония с применением электронной газоразрядной пушки ПЭГ-300. Исследован химический состав слитков, макро- и микроструктуры, твёрдость и микротвёрдость. Обсуждаются условия применения электромагнитного перемешива...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Authors: | , , , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2014
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79925 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Выплавка сплава КТЦ-110 в электронно-лучевой гарнисажной установке с использованием пушки высоковольтного тлеющего разряда / С.Д. Лавриненко, C.В. Ладохин, Н.Н. Пилипенко, П.Н. Вьюгов, Т.В. Лапшук, А.А. Дробышевская, В.Д. Вирич, Н.П. Вьюгов, И.Г. Танцюра // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 1. — С. 151-158. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79925 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Лавриненко, С.Д. Ладохин, C.В. Пилипенко, Н.Н. Вьюгов, П.Н. Лапшук, Т.В. Дробышевская, А.А. Вирич, В.Д. Вьюгов, Н.П. Танцюра, И.Г. 2015-04-09T07:13:51Z 2015-04-09T07:13:51Z 2014 Выплавка сплава КТЦ-110 в электронно-лучевой гарнисажной установке с использованием пушки высоковольтного тлеющего разряда / С.Д. Лавриненко, C.В. Ладохин, Н.Н. Пилипенко, П.Н. Вьюгов, Т.В. Лапшук, А.А. Дробышевская, В.Д. Вирич, Н.П. Вьюгов, И.Г. Танцюра // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 1. — С. 151-158. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79925 621.745.5:669.296 Представлены результаты выплавки слитков сплава Zr1Nb на основе кальциетермического циркония с применением электронной газоразрядной пушки ПЭГ-300. Исследован химический состав слитков, макро- и микроструктуры, твёрдость и микротвёрдость. Обсуждаются условия применения электромагнитного перемешивания расплава при выплавке слитков сплавов циркония. Даны рекомендации по применению электронной газоразрядной пушки и системы электромагнитного перемешивания при выплавке слитков. Представлено результати виплавки злитків сплаву Zr1Nb на основі кальцієтермічного цирконію із застосуванням електронної газорозрядної пушки ПЕГ-300. Досліджено хімічний склад злитків, макро- і мікроструктури, твердість і мікротвердість. Обговорюються умови застосування електромагнітного перемішування розплаву при виплавці злитків сплавів цирконію. Дано рекомендації щодо застосування електронної газорозрядної пушки і системи електромагнітного перемішування при виплавці злитків. The results of melting alloy ingots Zr1Nb on the basis of the calcium-thermal zirconium using electron gas discharge gun GEG-300 are presented in this paper. Chemical composition, macro- and microstructure, hardness and microhardness of the ingots were investigated. Conditions of application of electromagnetic stirring of the melt at the melting of zirconium alloy ingots are discussed. Recommendations on the use of electron gas discharge gun and the electromagnetic mixing at the melting of ingots are given. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика и технология конструкционных материалов Выплавка сплава КТЦ-110 в электронно-лучевой гарнисажной установке с использованием пушки высоковольтного тлеющего разряда Виплавка сплаву КТЦ-110 в електронно-променевій гарнісажной установці з використанням пушки високовольтного тліючого розряду Melting of alloy CTZ-110 in the electron-beam scull installation with the use gun of high-voltage glow discharge Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Выплавка сплава КТЦ-110 в электронно-лучевой гарнисажной установке с использованием пушки высоковольтного тлеющего разряда |
| spellingShingle |
Выплавка сплава КТЦ-110 в электронно-лучевой гарнисажной установке с использованием пушки высоковольтного тлеющего разряда Лавриненко, С.Д. Ладохин, C.В. Пилипенко, Н.Н. Вьюгов, П.Н. Лапшук, Т.В. Дробышевская, А.А. Вирич, В.Д. Вьюгов, Н.П. Танцюра, И.Г. Физика и технология конструкционных материалов |
| title_short |
Выплавка сплава КТЦ-110 в электронно-лучевой гарнисажной установке с использованием пушки высоковольтного тлеющего разряда |
| title_full |
Выплавка сплава КТЦ-110 в электронно-лучевой гарнисажной установке с использованием пушки высоковольтного тлеющего разряда |
| title_fullStr |
Выплавка сплава КТЦ-110 в электронно-лучевой гарнисажной установке с использованием пушки высоковольтного тлеющего разряда |
| title_full_unstemmed |
Выплавка сплава КТЦ-110 в электронно-лучевой гарнисажной установке с использованием пушки высоковольтного тлеющего разряда |
| title_sort |
выплавка сплава ктц-110 в электронно-лучевой гарнисажной установке с использованием пушки высоковольтного тлеющего разряда |
| author |
Лавриненко, С.Д. Ладохин, C.В. Пилипенко, Н.Н. Вьюгов, П.Н. Лапшук, Т.В. Дробышевская, А.А. Вирич, В.Д. Вьюгов, Н.П. Танцюра, И.Г. |
| author_facet |
Лавриненко, С.Д. Ладохин, C.В. Пилипенко, Н.Н. Вьюгов, П.Н. Лапшук, Т.В. Дробышевская, А.А. Вирич, В.Д. Вьюгов, Н.П. Танцюра, И.Г. |
| topic |
Физика и технология конструкционных материалов |
| topic_facet |
Физика и технология конструкционных материалов |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Виплавка сплаву КТЦ-110 в електронно-променевій гарнісажной установці з використанням пушки високовольтного тліючого розряду Melting of alloy CTZ-110 in the electron-beam scull installation with the use gun of high-voltage glow discharge |
| description |
Представлены результаты выплавки слитков сплава Zr1Nb на основе кальциетермического циркония с
применением электронной газоразрядной пушки ПЭГ-300. Исследован химический состав слитков, макро- и
микроструктуры, твёрдость и микротвёрдость. Обсуждаются условия применения электромагнитного перемешивания расплава при выплавке слитков сплавов циркония. Даны рекомендации по применению электронной газоразрядной пушки и системы электромагнитного перемешивания при выплавке слитков.
Представлено результати виплавки злитків сплаву Zr1Nb на основі кальцієтермічного цирконію із застосуванням електронної газорозрядної пушки ПЕГ-300. Досліджено хімічний склад злитків, макро- і мікроструктури, твердість і мікротвердість. Обговорюються умови застосування електромагнітного перемішування розплаву при виплавці злитків сплавів цирконію. Дано рекомендації щодо застосування електронної газорозрядної пушки і системи електромагнітного перемішування при виплавці злитків.
The results of melting alloy ingots Zr1Nb on the basis of the calcium-thermal zirconium using electron gas discharge
gun GEG-300 are presented in this paper. Chemical composition, macro- and microstructure, hardness and
microhardness of the ingots were investigated. Conditions of application of electromagnetic stirring of the melt at
the melting of zirconium alloy ingots are discussed. Recommendations on the use of electron gas discharge gun and
the electromagnetic mixing at the melting of ingots are given.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79925 |
| citation_txt |
Выплавка сплава КТЦ-110 в электронно-лучевой гарнисажной установке с использованием пушки высоковольтного тлеющего разряда / С.Д. Лавриненко, C.В. Ладохин, Н.Н. Пилипенко, П.Н. Вьюгов, Т.В. Лапшук, А.А. Дробышевская, В.Д. Вирич, Н.П. Вьюгов, И.Г. Танцюра // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 1. — С. 151-158. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT lavrinenkosd vyplavkasplavaktc110vélektronnolučevoigarnisažnoiustanovkesispolʹzovaniempuškivysokovolʹtnogotleûŝegorazrâda AT ladohincv vyplavkasplavaktc110vélektronnolučevoigarnisažnoiustanovkesispolʹzovaniempuškivysokovolʹtnogotleûŝegorazrâda AT pilipenkonn vyplavkasplavaktc110vélektronnolučevoigarnisažnoiustanovkesispolʹzovaniempuškivysokovolʹtnogotleûŝegorazrâda AT vʹûgovpn vyplavkasplavaktc110vélektronnolučevoigarnisažnoiustanovkesispolʹzovaniempuškivysokovolʹtnogotleûŝegorazrâda AT lapšuktv vyplavkasplavaktc110vélektronnolučevoigarnisažnoiustanovkesispolʹzovaniempuškivysokovolʹtnogotleûŝegorazrâda AT drobyševskaâaa vyplavkasplavaktc110vélektronnolučevoigarnisažnoiustanovkesispolʹzovaniempuškivysokovolʹtnogotleûŝegorazrâda AT viričvd vyplavkasplavaktc110vélektronnolučevoigarnisažnoiustanovkesispolʹzovaniempuškivysokovolʹtnogotleûŝegorazrâda AT vʹûgovnp vyplavkasplavaktc110vélektronnolučevoigarnisažnoiustanovkesispolʹzovaniempuškivysokovolʹtnogotleûŝegorazrâda AT tancûraig vyplavkasplavaktc110vélektronnolučevoigarnisažnoiustanovkesispolʹzovaniempuškivysokovolʹtnogotleûŝegorazrâda AT lavrinenkosd viplavkasplavuktc110velektronnopromenevíigarnísažnoiustanovcízvikoristannâmpuškivisokovolʹtnogotlíûčogorozrâdu AT ladohincv viplavkasplavuktc110velektronnopromenevíigarnísažnoiustanovcízvikoristannâmpuškivisokovolʹtnogotlíûčogorozrâdu AT pilipenkonn viplavkasplavuktc110velektronnopromenevíigarnísažnoiustanovcízvikoristannâmpuškivisokovolʹtnogotlíûčogorozrâdu AT vʹûgovpn viplavkasplavuktc110velektronnopromenevíigarnísažnoiustanovcízvikoristannâmpuškivisokovolʹtnogotlíûčogorozrâdu AT lapšuktv viplavkasplavuktc110velektronnopromenevíigarnísažnoiustanovcízvikoristannâmpuškivisokovolʹtnogotlíûčogorozrâdu AT drobyševskaâaa viplavkasplavuktc110velektronnopromenevíigarnísažnoiustanovcízvikoristannâmpuškivisokovolʹtnogotlíûčogorozrâdu AT viričvd viplavkasplavuktc110velektronnopromenevíigarnísažnoiustanovcízvikoristannâmpuškivisokovolʹtnogotlíûčogorozrâdu AT vʹûgovnp viplavkasplavuktc110velektronnopromenevíigarnísažnoiustanovcízvikoristannâmpuškivisokovolʹtnogotlíûčogorozrâdu AT tancûraig viplavkasplavuktc110velektronnopromenevíigarnísažnoiustanovcízvikoristannâmpuškivisokovolʹtnogotlíûčogorozrâdu AT lavrinenkosd meltingofalloyctz110intheelectronbeamscullinstallationwiththeusegunofhighvoltageglowdischarge AT ladohincv meltingofalloyctz110intheelectronbeamscullinstallationwiththeusegunofhighvoltageglowdischarge AT pilipenkonn meltingofalloyctz110intheelectronbeamscullinstallationwiththeusegunofhighvoltageglowdischarge AT vʹûgovpn meltingofalloyctz110intheelectronbeamscullinstallationwiththeusegunofhighvoltageglowdischarge AT lapšuktv meltingofalloyctz110intheelectronbeamscullinstallationwiththeusegunofhighvoltageglowdischarge AT drobyševskaâaa meltingofalloyctz110intheelectronbeamscullinstallationwiththeusegunofhighvoltageglowdischarge AT viričvd meltingofalloyctz110intheelectronbeamscullinstallationwiththeusegunofhighvoltageglowdischarge AT vʹûgovnp meltingofalloyctz110intheelectronbeamscullinstallationwiththeusegunofhighvoltageglowdischarge AT tancûraig meltingofalloyctz110intheelectronbeamscullinstallationwiththeusegunofhighvoltageglowdischarge |
| first_indexed |
2025-11-25T00:58:21Z |
| last_indexed |
2025-11-25T00:58:21Z |
| _version_ |
1850500218636730368 |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89) 151
УДК 621.745.5:669.296
ВЫПЛАВКА СПЛАВА КТЦ-110 В ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ
ГАРНИСАЖНОЙ УСТАНОВКЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПУШКИ
ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
С.Д. Лавриненко, C.В. Ладохин*, Н.Н. Пилипенко, П.Н. Вьюгов,
Т.В. Лапшук*, А.А. Дробышевская, В.Д. Вирич, Н.П. Вьюгов, И.Г. Танцюра
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
Харьков, Украина
Е-mail: pvjugov@kipt.kharkov.ua;
*Физико-технологический институт металлов и сплавов НАНУ, Киев, Украина
Представлены результаты выплавки слитков сплава Zr1Nb на основе кальциетермического циркония с
применением электронной газоразрядной пушки ПЭГ-300. Исследован химический состав слитков, макро- и
микроструктуры, твёрдость и микротвёрдость. Обсуждаются условия применения электромагнитного пере-
мешивания расплава при выплавке слитков сплавов циркония. Даны рекомендации по применению элек-
тронной газоразрядной пушки и системы электромагнитного перемешивания при выплавке слитков.
В мире существуют три технологии получения
циркония: магниетермическая, электролитическая и
кальциетермическая [1-4]. В настоящее время все
западные фирмы получают цирконий по магниетер-
мической технологии. В России же цирконий полу-
чают по электролитической технологии. Получае-
мый цирконий по качеству не уступает магниетер-
мическому. Но поскольку в мире дорожает электро-
энергия, то и получаемый цирконий становится
дороже. Поэтому в России также ведутся работы по
переходу на магниетермическую технологию.
В Украине ранее использовали кальциетермиче-
скую технологию, которая позволяла получать цир-
коний с содержанием кислорода ∼ 0,1 мас.%.
В настоящее время ведутся работы по замене ка-
льциетермической технологии на магниетермиче-
скую. Это объясняется разными причинами, одна из
которых отсутствие в Украине производства чисто-
го кальция как восстановителя тетрафторида цирко-
ния. Поскольку цирконий является очень активным
металлом, то в процессе восстановления все приме-
си, находящиеся в тетрафториде циркония и каль-
ции, переходят в цирконий. Получаемая цирконие-
вая губка в процессе магниетермического восстано-
вления хлорида циркония, хотя и подвергается вы-
сокотемпературному отжигу, но содержит некото-
рое количество магния и других примесей, которые
могут оказывать отрицательное влияние на сплавы
циркония, получаемые из губки.
Цирконий и его сплавы обладают в отличие от
других конструкционных материалов (черных и
нержавеющих сталей, цветных металлов) рядом
важных особенностей. Это, прежде всего, способно-
стью к активному поглощению газов – кислорода,
азота и водорода. Кроме того, цирконий чувствите-
лен к примесям внедрения, таких как кислород, азот,
углерод, а также ко многим металлическим приме-
сям. Указанные примеси являются не только сопут-
ствующими в технологических процессах получения
металлов и сплавов, но и постоянно сопровождаю-
щим окружением в технологии получения изделий
из сплавов, особенно таких ответственных, как тру-
бы для тепловыделяющих элементов.
Активное растворение газов (кислорода и азота)
и образование интерметаллических соединений при
получении сплавов ведут к резкому упрочнению
метала и могут приводить к равномерному или ло-
кальному понижению коррозионной стойкости. Все
эти вопросы были и есть постоянным предметом
исследований, начиная от первых периодов исполь-
зования циркония, как реакторного материала и
актуальны в настоящее время [5-9].
Ввиду сложности оценки влияния примесей в
циркониевых сплавах на последующие рабочие
характеристики, проблему решают, прежде всего,
путем разработки технологий и использования ме-
таллов высокой чистоты как базы для создания
сплавов.
Заключительная стадия получения слитков спла-
вов циркония – двойная или тройная вакуумно-
дуговая плавка, в результате чего достигается рав-
номерное распределение легирующих элементов и
примесей по всему (диаметру и высоте) слитка.
В настоящее время широкое применение приоб-
рела электронно-лучевая плавка [10]. Она применя-
ется для рафинирования металлов, получения слит-
ков тугоплавких металлов и сплавов на их основе, а
также для переплава титановой губки.
Цель данной работы – выплавка слитков сплава
на основе кальциетермического циркония методом
электронно-лучевой плавки пушкой с высоковольт-
ным тлеющим разрядом (ВТР) и холодным катодом
и сравнение свойств полученных сплавов со свойст-
вами сплавов, полученных методом вакуумно-
дуговой плавки.
При выполнении работы использовалось техно-
логическое оборудование ФТИМС НАН Украины:
установка на базе печи ХЭЛП-1, пушка ВТР с холо-
дным катодом, загрузочное устройство для подачи
шихты в тигель, гарнисажный тигель с системой
электромагнитного перемешивания (ЭМП), крис-
таллизатор с системой ЭМП.
152 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89)
Установка электронно-лучевой плавки на ба-
зе печи ХЭЛП-1. Сплавы выплавлялись на установ-
ке, принципиальная схема которой показана на
рис. 1. Тигель оснащен системой электромагнитного
перемешивания расплава, имеет в донной части
отверстие для слива жидкого металла. Тигель для
приема слитого металла также оснащен системой
ЭМП, которая включается по мере необходимости.
Установка электронно-лучевой плавки создана
на базе печи ХЭЛП и размещена на технологичес-
ком участке ФТИМС НАН Украины. В принципе
она представляет собой плавильный агрегат много-
целевого назначения. Анализ возможных вариантов
ее конструктивного исполнения и примеры техноло-
гического использования приведены в [10].
Характеристики установки, используемой в на-
стоящей работе, и ее технические данные приведе-
ны в табл. 1.
Установка состоит из плавильной и литейной
камер, загрузочного устройства, вакуумной системы
на базе бустерного насоса НВБМ-5.
Внутри плавильной камеры размещены тигель с
системой ЭМП и загрузочное устройство с толкате-
лем и желобом, по которому шихтовые материалы
поступают в тигель. На камере установлены элект-
ронно-лучевая пушка ВТР, блок управления лучом,
устройство подачи в пушку рабочего газа и две смо-
тровые системы. В литейной камере располагаются
литейные формы, водоохлаждаемый кристаллизатор
с системой ЭМП, центробежное устройство с мед-
ной формой для литья трубных заготовок. Исполь-
зование той или иной формы определяется решае-
мой технологической задачей.
Рис. 1. Принципиальная схема электронно-лучевой
тигельной плавки. Плавка в тигель со сливным
отверстием в днище и с системой ЭМП расплава
Таблица 1
Технические характеристики установки на базе печи ХЭЛП-1
Наименование характеристики,
единица измерения
Показатели
Объем плавильной камеры, м3 1,7
Максимальная мощность нагрева, кВт 180
Ускоряющее напряжение, кВ 30
Рабочее давление в плавильной камере, Па 0,13…1,3
Шихта Кусковая или расходуемая заготовка
Тип плавильного тигля Гарнисажный с системой ЭМП
Максимальная масса расплава (по Zr), кг 30
Способ получения отливок Стационарное и центробежное литье
Режим работы Периодический
Количество плавок без разгерметизации установки 1
Габариты (длина × ширина × высота) 4,5 × 3,0 × 4,2
При проведении опытных плавок использовалась
электронная газоразрядная пушка ПЭГ-300, разра-
ботанная ФТИМС НАН Украины. Основные показа-
тели пушки: мощность – 300 кВт; анодное напряже-
ние – 30 кВ; расход газа (водорода) – 6 л/мин; рас-
ход охлаждающей воды – 0,5 м3/ч. Пушка была
опробована не только в институте, но и в промыш-
ленных условиях на некоторых предприятиях.
Конструкция пушки является оригинальной разра-
боткой и защищена патентами Украины [11-14].
Отметим, что во ФТИМС разработана еще одна
оригинальная конструкция пушки ВТР, которая
отличается тем, что ее лучевод выполнен в виде
колена [14]. Эта пушка предназначена для плавки
весьма газонасыщенных материалов (например,
губчатых).
Использование загрузочного устройства для по-
дачи шихты в тигель необходимо для того, чтобы в
ходе проведения опытных плавок возникала потре-
бность в дополнительной подаче переплавляемых
материалов в тигель, поскольку в ряде случаев не
удается разместить в тигле всю массу садки.
Это особенно характерно для плавки алюмотер-
мического ниобия, когда введение в тигель сразу
всей садки не позволяет провести ее расплавление.
Загрузочное устройство, используемое в настоящий
момент на установке, выполнено в виде желоба с
толкателем.
Желоб сделан из меди и разрабатывался с таким
расчетом, чтобы на нем можно было осуществлять
прогрев подаваемой на переплав шихты электрон-
ным лучом.
Для проведения экспериментальных плавок и
получения литых заготовок был использован гарни-
сажный тигель, оснащенный системой ЭМП. Схема
и общий вид тигля показаны на рис. 2. Тигель имеет
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89) 153
следующие размеры рабочего пространства: диа-
метр – 285 мм, высота – 240 мм. Слив расплава
осуществляется через отверстие в днище.
Тигель состоит из медного разрезного стакана, в
теле которого имеются 24 разреза и каналы охлаж-
дения. Подающий и сливной коллекторы объедине-
ны и конструктивно выполнены в виде фланца с
двумя полостями для подачи и слива воды. Вода
поступает в вертикальный канал охлаждения диа-
метром 15 мм, обратно возвращается по трубке диа-
метром 10 мм в сливной коллектор. Система ЭМП
состоит из магнитной системы, включающей магни-
топровод, собранный из трансформаторного железа,
и двух индукторов, выполненных из медной профи-
лированной трубки диаметром 12 мм по 9 витков в
каждом. Питание системы ЭМП осуществляется
через понижающий трансформатор частотой 50 Гц и
напряжением 15…24 В (ток 500…1200 А).
Дно тигля выполнено из меди в виде фланца, в
центре которого имеется отверстие диаметром
90 мм; диаметр отверстия выбран с учетом возмож-
ности проведения электронного луча к прибыльной
части формы. Дно тигля имеет самостоятельную
систему охлаждения.
Для получения заготовок с равноосной и мелко-
зернистой структурой был изготовлен разрезной
кристаллизатор с системой ЭМП. Кристаллизатор
выполнен из меди в виде цилиндрической емкости
диаметром 156 мм, высотой 290 мм и толщиной
стенки 30 мм. Емкость имеет 8 сквозных разрезов по
высоте в месте установки системы ЭМП, которая
состоит из 3 катушек по 12 витков в каждой. Систе-
ма ЭМП, как и в рассмотренных выше тиглях, пита-
ется от источника промышленной частоты. Параме-
тры электропитания: напряжение – 10…15 В, сила
тока – 400…800 А.
а б
Рис. 2. Схема (а) и общий вид (б) тигля со сливом расплава через отверстие в днище:
1 – водоохлаждаемая емкость; 2 – катушки; 3 – магнитопровод; 4 – пробка сливного отверстия;
5 – сливной коллектор; 6 – канал охлаждения
Всего проведены три опытные плавки для полу-
чения трубных заготовок из сплава Zr1Nb на основе
кальциетермического циркония с использованием
пушки ВТР. Заготовки получали литьем в стациона-
рную медную водоохлаждаемую форму и в анало-
гичную форму, но с наложением электромагнитных
полей на расплав, и центробежным.
Ниже кратко рассматривается процесс плавки,
состоящий из подготовки шихты к плавке и собст-
венно проведения плавки.
Подготовка шихты. Для приготовления сплава
Zr1Nb использовали комбинированную шихту, сос-
тоящую из циркония марки КТЦ-100, йодидного
циркония и технически чистого ниобия. Массу ших-
ты рассчитывали на выплавку сплава в количестве
30 кг, что необходимо для получения трубных заго-
товок по техническим условиям .
Йодидный цирконий используется для снижения
в сплаве кислорода до необходимого уровня, поско-
льку в настоящее время исходный цирконий
КТЦ-100 имеет повышенное содержание кислорода.
Указанные материалы применяются соответственно
в виде порезанного на куски слитка циркония
КТЦ-100 электронно-лучевой плавки и прутков
йодидного циркония, а ниобий – обычно в виде
порошка. Порошок ниобия засыпается в цирконие-
вые трубки диаметром 12 мм, концы которых заче-
каниваются. Строгих требований к дисперсности
или гранулометрическому составу порошка не выд-
вигается, так как материал подлежит плавлению и
вводу в расплав в жидком виде.
Завалка в тигель йодидного циркония и цирко-
ния КТЦ-100 проводится одновременно, так как
экспериментально было установлено, что порядок
завалки этих материалов заметно не сказывается на
проведении процесса. Основное требование при
этом – обеспечение максимально возможной плот-
ности укладки материалов, чтобы исключить необ-
ходимость дополнительной завалки шихты в ходе
плавки, поскольку эта операция сопровождается
увеличением длительности плавки. Рекомендуемая
плотность укладки (отношение объема шихты к
объему тигля) около 0,8, т. е. аналогична той, кото-
рую обычно осуществляют при вакуумной индук-
ционной плавке [14 ].
Трубки с порошком ниобия размещают на мани-
пуляторе над тиглем, вне зоны обогрева электрон-
ным лучом, чтобы в дальнейшем при проведении
154 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89)
плавки ввести их с помощью манипулятора под
электронный луч для расплавления и ввода ниобия в
расплав в виде капель. В случае использования для
легирования вместо порошка ниобия кусковых ма-
териалов их введение в расплав можно проводить
путем подачи в ванну из бункера в твердом виде.
Однако и в этом случае более целесообразным яв-
ляется ввод легирующего элемента путем его расп-
лавления электронным лучом.
Проведение плавки. Плавки проводили по ре-
жимам со ступенчатым повышением мощности и
возможно быстрым выходом на максимальную мо-
щность электронно-лучевого нагрева (рис. 3). Такие
режимы в настоящее время являются общеприня-
тыми для электронно-лучевой гарнисажной плпвки
(ЭЛГП) и применяются при плавке практически
всех металлов и сплавов, за исключением, возмож-
но, плавки меди [1]. Значения максимальной мощ-
ности нагрева обеспечивали с учетом результатов
выполненных в расчетов [5]. Установленное опти-
мальное время плавки составляет ~ 45 мин.
Начальное давление остаточных газов в плави-
льной камере обычно 0,13 Па; натекание воздуха –
не более 1,3 (л·Па)/с. В процессе плавки давление в
камере, как правило, снижалось до 0,013 Па, что
объясняется высокой газопоглощающей способнос-
тью пара циркония.
Процесс начинали с обогрева и дегазации ших-
ты. Обычно ограничивающим фактором повышения
мощности в ходе плавки при ЭЛГП является сте-
пень разрежения в плавильных камерах, т. е. произ-
водительность вакуумных систем установок.
ЭМП включалось после прогрева шихты, ее пла-
вления и наведения ванны расплава в зоне фокаль-
ного пятна. Установленные оптимальные параметры
электропитания системы ЭМП: напряжение 20 В,
сила тока 800…1200 А; частота 50 Гц.
Рис. 3. Режим проведения плавки сплава Zr1Nb на установке ХЭЛП-1
На начальной стадии плавки перемешивание ра-
сплава проводилось с направлением потока на пове-
рхности ванны от центра к стенке тигля, на заклю-
чительной – от стенки к центру. Ориентировочно
скорость потока на поверхности ванны на заключи-
тельной стадии плавки составляет 0,4 м/с. Переме-
шивание расплава от стенки к центру необходимо
для реализации слива жидкого металла в кристалли-
затор за счет расплавления гарнисажа, который
образуется на водоохлаждаемом затворе, закрыва-
ющем сливное отверстие в днище тигля. На такой
установке электронно-лучевой плавки были выпла-
влены слитки сплава типа Zr1Nb: №1 – сплав Zr1Nb,
кристаллизация которого осуществлялась в излож-
нице, снабженной системой электромагнитного
перемешивания; №2 – сплав Zr1Nb, кристаллизация
которого проходила без наложения полей ЭМП;
№3 – слиток сплава Zr1Nb, полученный методом
центробежного литья. Исходным материалом для
выплавки сплавов служил кальциетермический цир-
коний, химический состав которого приведен в
табл. 2.
После слива расплавленного металла через отве-
рстие в дне кристаллизатора электронный луч через
это отверстие мог попадать на поверхность слитого
металла в изложнице и подогревать слиток сверху
или выводить усадочную раковину. Слитки были
обточены по боковой поверхности, низу и немного
по верху.
От выплавленных слитков отрезались темплеты
(сверху, снизу и из середины слитка) для измерения
твердости, микротвердости и изучения микрострук-
туры. Также была измерена твердость на поверхнос-
ти слитков.
Твердость слитков сплава Zr1Nb измерялась с
помощью твердомера динамического, малогабарит-
ного типа ТДМ-1, предназначенного для экспресс-
ного неразрушающего измерения и контроля твер-
дости конструкционных, углеродистых и нержаве-
ющих сталей, а также сплавов из цветных металлов
по методам Роквелла, Бринелля, Виккерса и т. д. на
плоских и выпуклых поверхностях с радиусом кри-
визны не менее 15 мм, под различными углами, и с
параметром шероховатости не более Ra 2,5 по
ГОСТ 2789-73.
Эти измерения служили дополнительным конт-
ролем равномерности распределения легирующего
элемента и примесей по объему слитка. Измерения
твердости показали, что у выплавленных слитков
твердость значительно выше, чем у слитков сплавов
Э110 или Zr1Nb, выплавленных методом дуговой
плавки (1530…1610 МПа) [1, 2]. Это можно объяс-
нить тем, что в электронную пушку наравне с водо-
родом добавляли кислород, хорошо поглощающий-
ся цирконием или его сплавами.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89) 155
Таблица 2
Химический состав циркония, полученного по разным технологиям
Твердость слитка №1 составила
3520…3580 МПа, №2 – 3890…3950 МПа и №3 –
3920…3970 МПа. Эти величины значительно выше,
чем твердость слитков сплавов Э110 или Zr1Nb на
основе кальциетермического циркония. Сравнивая
величины твердости слитков №1-3, видим, что у
слитка №1 самая низкая твердость; это говорит о
том, что условия выплавки его были самые лучшие.
Для измерения твердости, микротвердости, изу-
чения микроструктуры, а также определения хими-
ческого состава слитков отрезались темплеты тол-
щиной 20…25 мм.
При вырезке темплета из середины слитка №1
(кристаллизация в условиях ЭМП) в центре его была
обнаружена область пористого сплава (рис. 4). Эта
область может образоваться, по нашим предположе-
ниям, следующим образом: после того, как расплав-
ленный сплав слили в кристаллизатор, снабженный
системой ЭМП, он начинает кристаллизоваться по
всей поверхности (боковой, верхней и нижней).
Система ЭМП продолжает перемешивать состав все
в меньшем объеме. Объем закристаллизованного
металла меньше, чем жидкого. В конце кристалли-
зации из-за недостатка металла происходит дефор-
мация, создающая пористость. Это, своего рода,
усадочная раковина, которая образуется при крис-
таллизации.
При отрезании темплета от верха слитка №2 бы-
ла обнаружена полость размером 6×10×14 мм
(рис. 5). Это также усадочная раковина.
В табл. 3 приведены результаты спектрального
анализа стружки от средней части слитков №1-3.
Сравнивая химический состав этих слитков с хими-
ческим составом сплава Э110 (ТУ 95.166-98), выпу-
скаемого Чепецким механическим заводом, видим,
что по некоторым примесям наши сплавы, получен-
ные электронно-лучевой плавкой, не согласуются с
данными ТУ на сплав Э110. Если в сплаве, закрис-
таллизованном в условиях ЭМП, содержание гафния
соответствует условиям ТУ на российский сплав, то
в случае сплава, закристаллизованного без ЭМП,
содержание гафния вообще не допустимо в цирко-
нии. В слитке, полученном центробежным литьем,
содержание гафния соответствует днепродзержинс-
кому цирконию (содержание гафния < 0,01 мас.%).
Массовая доля примесей, %
Йодидный Электролитический Кальциетермический Магниетермический
ТУ ТУ
95.166-83 95.2185-90
Элемент ТУ
95.46-82
не более
Факт
не более
Факт
не более
Факт ASTM-
B-350
Цирк.
укр.
Азот 5⋅10-3 <3⋅10-3 6⋅10-3 3⋅10-3 6⋅10-3 4⋅10-3 6,5⋅10-3 6⋅10-3
Алюминий 5⋅10-3 3,5⋅10-3 8⋅10-3 4⋅10-3 5⋅10-3 <2,6⋅10-3 7,5⋅10-3 3⋅10-3
Бериллий 1⋅10-3 <1⋅10-3 3⋅10-3 5⋅10-4 5⋅10-4 <3,1⋅10-4 – 1⋅10-5
Бор 5⋅10-5 <3⋅10-3 5⋅10-5 4⋅10-5 5⋅10-5 3⋅10-5 5⋅10-5 1⋅10-5
Водород – – – – – – 2,5⋅10-3 –
Вольфрам – – – – – – 1⋅10-2 –
Гафний 5⋅10-2 3⋅10-2 5⋅10-2 3,3⋅10-2 1⋅10-2 <5⋅10-3 1⋅10-2 4⋅10-2
Железо 3⋅10-2 1,2⋅10-2 5⋅10-2 1,2⋅10-2 5⋅10-2 5⋅10-2 1,5⋅10-1 6⋅10-2
Кадмий 5⋅10-5 – 3⋅10-5 3⋅10-5 3⋅10-5 <3⋅10-5 5⋅10-5 1⋅10-4
Калий – – – – 4⋅10-3 <1⋅10-3 – 1⋅10-3
Кальций 2⋅10-2 - 3⋅10-2 1⋅10-2 1⋅10-2 <5⋅10-3 – 4⋅10-4
Кислород 5⋅10-2 1…4⋅10-2 6⋅10-2 5,4⋅10-2 1,4⋅10-1 ≤1,4⋅10-1 9…1⋅10-1 1⋅10-1
Кобальт – – – – – – 2⋅10-3 –
Кремний 8⋅10-3 4⋅10-3 2⋅10-2 1,2⋅10-2 1⋅10-2 1⋅10-2 1,2⋅10-2 5⋅10-3
Литий 2⋅10-4 – 2⋅10-4 – 2⋅10-4 <1⋅10-4 – 1⋅10-5
Магний – <3⋅10-3 – – – – 2⋅10-3 2,5⋅10-3
Марганец 1⋅10-3 - 2⋅10-3 5⋅10-4 2⋅10-3 <6⋅10-4 5⋅10-3 3⋅10-3
Медь 3⋅10-3 <1⋅10-3 5⋅10-3 1,3⋅10-3 5⋅10-3 7⋅10-4 5⋅10-3 5⋅10-3
Молибден 5⋅10-3 - 5⋅10-3 - 5⋅10-3 3⋅10-3 5⋅10-3 2⋅10-3
Никель 2⋅10-2 <1⋅10-3 2⋅10-2 5,4⋅10-3 1⋅10-2 7⋅10-3 7⋅10-3 1⋅10-3
Олово – – – – – – 5⋅10-3 –
Свинец 5⋅10-3 <1⋅10-3 5⋅10-3 <5⋅10-3 5⋅10-3 <1,2⋅10-3 - 1⋅10-4
Титан 5⋅10-3 <1⋅10-3 5⋅10-3 3⋅10-3 7⋅10-3 <3⋅10-3 5⋅10-3 5⋅10-3
Углерод 8⋅10-3 <8⋅10-3 2⋅10-2 1,7⋅10-2 2⋅10-2 1⋅10-2 2,7⋅10-2 2⋅10-2
Уран – – – – – – 3,5⋅10-4 -
Фтор – <3⋅10-3 – 3⋅10-3 3⋅10-3 3⋅10-3 – 3⋅10-3
Хлор – – – 2⋅10-3 3⋅10-3 <2⋅10-3 – 2⋅10-3
Хром 2⋅10-2 <3⋅10-3 2⋅10-2 5⋅10-3 5⋅10-3 <2⋅10-3 3⋅10-2 2⋅10-2
156 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89)
Олово присутствует во всех сплавах в количест-
вах, недопустимых как для сплава Э110, так и для
сплава Zr1Nb. Видимо, при составлении сплава
использован сплав циркалой в виде кусков, которые
были добавлены в навески исследуемых сплавов.
Рис. 4. Общий вид пористой части слитка,
закристаллизованного в условиях ЭМП
Рис. 5. Вид усадочной раковины в слитке,
закристаллизованном без ЭМП
Таблица 3
Химический состав сплавов
Примеси, мас.%
Слиток №1 Слиток №2 Слиток №3
Эле-
мент
Центр Край Центр Край Центр Край
Сплав
Э110
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 0,00002 0,00003 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 0,000075 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 0,00095 0,006
F 0,00015 0.0001 0,00018 0,00032 0,0002 0,0002 0,003
Mo 0,001 0,001 0,0023 0,0018 0,001 0,001 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
Исследовались микро- и макроструктуры всех
трёх слитков (рис. 6). Как видно, они практически
не отличаются и являются типичными для таких
сплавов: характерная игольчатая структура (корзин-
ка); зёрна крупные, имеющие чёткую, чистую гра-
ницу. Средний размер зерен 1400 мкм. Сравнивая
структуры исследуемых слитков со структурами
КТЦ-110 и Э110, можно сделать вывод, что послед-
ние имеют ту же игольчатую форму. Но структура
КТЦ-110 точнее повторяет структуру исследуемых
слитков.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89) 157
Микротвёрдость, измеренная с помощью прибо-
ра ПМТ-3 при нагрузке 100 г, слитка №1 составляет
2140 МПа, слитка №2 – 2380 МПа; слитка №3 –
2380 МПа, сплава КТЦ-110 – 1600 МПа; сплава
Э110 – 1600 МПа.
Твердость сплавов, измеренная на темплетах,
вырезанных из середины слитков, примерно одина-
кова и равна 2770 МПа для всех слитков сплава
Zr1Nb.
а
б
в
г
д
Рис. 6. Микро- и макроструктуры
слитков №1 (а), 2 (б) и 3 (в)
сплавов Zr1Nb, КТЦ-110 (г)
и Э110 (д)
ВЫВОДЫ
При выплавке циркониевых сплавов не рекомен-
дуется использовать электронную пушку с холод-
ным катодом, в которой плазма создается водоро-
дом с добавкой кислорода. Кислород, который по-
падает в плавильное пространство камеры, контак-
тирует с поверхностью расплавленного циркония
или его сплавов, очень хорошо поглощается цирко-
нием и его сплавами. Удалить кислород из циркония
или его сплавов невозможно.
Электромагнитное перемешивание лучше при-
менять при рафинировании составляющих циркони-
евых сплавов методом электронно-лучевой плавки.
В этом случае должна использоваться обычная элек-
тронная пушка.
Электронно-лучевая плавка циркониевых спла-
вов нежелательна, потому, что нагрев металла осу-
ществляется электронным пучком, который тормо-
зясь на поверхности циркония выделяет энергию,
нагревающую металл (цирконий) за счет теплопро-
водности. Так как пучок электронов имеет диаметр
порядка нескольких миллиметров (10…20), то в
месте его контакта с поверхностью металла темпе-
ратура значительно выше температуры плавления
циркония (1825 °С) и даже для ниобия, имеющего
относительно низкую упругость пара, и может про-
исходить испарение ниобия.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. А.С. Займовский, А.В. Никулина, Н.Г. Решет-
ников. Циркониевые сплавы в ядерной технике. М.:
«Энергоатомиздат», 1994.
2. Д. Дуглас. Металловедение циркония / Пер. с
англ. / Под ред. А.С. Займовского. М.: «Атомиздат»,
1975.
3. Б. Ластман, Ф. Керзе. Металлургия циркония /
Пер. с англ. М.: Изд-во иностр. лит., 1959.
158 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89)
4. 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. Электронно-
лучевая плавка титана, циркония и гафния // ВАНТ.
Серия «Вакуум, чистые материалы, сверхпроводни-
ки». 2002, №6, с. 95-99.
5. Ю.Ф. Коровин, В.Г. Чупринко, К.А. Линдт и
др. Производство циркония и гафния на ПО ПХЗ
для удовлетворения потребностей атомной энерге-
тики Украины // ВАНТ. Серия «Физика радиацион-
ных повреждений и радиационное материаловеде-
ние». 1994, в. 2(62), 3(63 ), с. 114-124.
6. В.М. Ажажа, П.Н. Вьюгов, С.Д. Лавриненко,
К.А. Линдт и др. Цирконий и его сплавы: технология
производства, области применения. Харьков: ННЦ
ХФТИ, 1998, 98 с.
7. В.М. Ажажа, А.Ф. Болков, Б.В. Борц и др. Ва-
куумно-дуговой способ получения трубной заготов-
ки из сплава Zr1%Nb // Труды XVI Международной
конференции по физике радиационных явлений и
радиационному материаловедению, 6-11 сентября
2004, Алушта, Крым, с. 200-201.
8. В.М. Ажажа, А.Ф. Болков, Б.В. Борц и др. Ци-
ркониевый сплав для атомной энергетики Украины
// Международная конференция «Современное ма-
териаловедение: достижения и проблемы», Киев,
Украина, 26-30 сентября 2005 г.: Тезисы докладов,
с. 387-388.
9. В.М. Ажажа, Б.В. Борц, І.М. Бутенко и др. Ви-
робництво партії трубних заготовок трекс-труб та
виготовлення дослідної партії твельних труб зі
сплаву Zr1Nb із вітчизняної сировини // Наука та
інновації. 2006, т. 2, с. 18-30.
10. Электронно-лучевая плавка в литейном про-
изводстве / Под ред. С.В. Ладохина. Киев: Изд-во
«Сталь», 2007, 626 с.
11. Патент України 90536, МПК Н01J 37/06. Га-
зорозрядна електронна гармата / С.В. Ладохін,
А.С. Гладков, В.Б. Чернявський, Т.В. Лапшук,
В.Г. Шмігідін, Л.А. Кравчук. Опубл. 11.05.2010.
Бюл. №9.
12. Патент України на корисну модель 74113,
МПК Н01J 37/06. Газорозрядна електронна гарма-
та / В.Б. Чернявський, С.В. Ладохін, В.А. Семенець,
Т.В. Лапшук, О.В. Крещук, Ю.В. Мочалов. Опубл.
25.10.2012. Бюл. №20.
13. Патент України 93625, МПК Н01J 37/06. Га-
зорозрядна електронна гармата / В.Б. Чернявський,
С.В. Ладохін, В.А. Семенець, О.В. Крещук,
Т.В. Лапшук. Опубл. 25.02.2011. Бюл. №4.
14. А.С. Гладков. Особливості електронно-
променевої гарнісажної плавки сплаву Zr1Nb і роз-
робка технології виготовлення трубних заготовок:
Автореф. дис. … канд. техн. наук. Київ, 2009, 20 с.
Статья поступила в редакцию 02.12.2013 г.
ВИПЛАВКА СПЛАВУ КТЦ-110 В ЕЛЕКТРОННО-ПРОМЕНЕВІЙ ГАРНІСАЖНОЙ УСТА-
НОВЦІ З ВИКОРИСТАННЯМ ПУШКИ ВИСОКОВОЛЬТНОГО ТЛІЮЧОГО РОЗРЯДУ
С.Д. Лавриненко, С.В. Ладохин, М.М. Пилипенко, П.М. В’югов, Т.В. Лапшук, А.О. Дробишевська,
В.Д. Вірич, М.П. В’югов, І.Г. Танцюра
Представлено результати виплавки злитків сплаву Zr1Nb на основі кальцієтермічного цирконію із засто-
суванням електронної газорозрядної пушки ПЕГ-300. Досліджено хімічний склад злитків, макро- і мікро-
структури, твердість і мікротвердість. Обговорюються умови застосування електромагнітного перемішуван-
ня розплаву при виплавці злитків сплавів цирконію. Дано рекомендації щодо застосування електронної га-
зорозрядної пушки і системи електромагнітного перемішування при виплавці злитків.
MELTING OF ALLOY CTZ-110 IN THE ELECTRON-BEAM SCULL INSTALLATION WITH
THE USE GUN OF HIGH-VOLTAGE GLOW DISCHARGE
S.D. Lavrinenko, S.V. Ladokhin, M.M. Pylypenko, P.N. Vjugov, T.V. Lapshuk, A.A. Drobyshevskaya,
V.D. Virich, N.P. Vjugov, I.G. Tantsyura
The results of melting alloy ingots Zr1Nb on the basis of the calcium-thermal zirconium using electron gas dis-
charge gun GEG-300 are presented in this paper. Chemical composition, macro- and microstructure, hardness and
microhardness of the ingots were investigated. Conditions of application of electromagnetic stirring of the melt at
the melting of zirconium alloy ingots are discussed. Recommendations on the use of electron gas discharge gun and
the electromagnetic mixing at the melting of ingots are given.
|