1. Технология производства канальных труб энергетических реакторов
Выбор технологического процесса изготовления канальных труб, включающего выплавку металла, получение трубной заготовки, получение полой гильзы и передел холодной деформации определяются высокими техническими требованиями, которые предъявляются к конструкционному материалу и к каналам.
1.1 Принципиальная схема производства труб и сплавов циркония включает следующие операции.
получение металлического циркония;
подготовка исходной шихты (цирконий + легирующие элементы + обороты);
получение брикетов прессованием и спеканием;
сварка брикетов в расходуемый электрод;
вакуумно-дуговая или электронно-лучевая плавка (двойной переплав);
ковка слитков на прутки нужного размера и термообработка;
резка кованых прутков на мерные заготовки;
получение полых трубных заготовок прошивкой или механической обработкой;
покрытие заготовок медной оболочкой;
горячее выдавливание полой трубной заготовки в толстостенные трубы (гильзы);
холодная прокатка на пилигримовых станках;
травление, контроль качества поверхности;
промежуточная термическая обработка;
прокатка труб на конечный размер;
обезжиривание и травление труб;
окончательная термическая обработка;
правка труб;
испытания и контроль готовых труб;
упаковка.
Получение циркония.
Получение циркония реакторного качества требует его глубокой очистки от примесей, прежде всего от гафния, содержание которого колеблется от 1 до 3 %. В процессе восстановления из руд, гафний восстанавливается вместе с цирконием.
Метод Крола.
очистка тетрахлорида циркония возгонкой;
восстановление паров тетрахлорида циркония расплавленным магнием;
вакуумная дистилляция.
При вакуумной дистилляции происходит отгонка избыточного магния и хлорида магния с получением губчатого циркония реакторной чистоты, если циркониевые соединения были предварительно очищены от гафния до его содержания 0,01 — 0,015 %.
Электролиз расплавленных солей.
Электролизом расплавленных солей циркония можно получить металл реакторной чистоты по себестоимости сравнимый или более дешевый, чем магнийтермический. Электролитом является смесь солей — K2ZrF6, KCl и KF. Процесс ведется в герметичных электролизерах, в среде очищенного инертного газа.
1.3 Йодидное рафинирование циркония.
Очистка циркония путем использования транспортных реакций:
Zr + 2I2 (200 oC) ZrI4 (1300 oC) Zr + 2I2
В результате этого процесса получают прутки чистого циркония, состоящие из больших монокристаллов.
1.4 Плавка и отливка слитков.
Металлический цирконий — губка, иодидные прутки или порошок — может быть переведен в компактный материал плавкой. Как правило для плавки используют вакуумную дуговую печь (рис.1). Так как цирконий является весьма агрессивным материалом, то плавка его и сплавов на его основе без загрязнения металла кислородом, азотом или материалом тигля является очень трудной задачей. Плавку циркониевых сплавов надо вести в атмосфере инертного газа или в вакууме. Выбор подходящих материалов для изготовления тигля представляет серьезную проблему. Для этой цели могут быть использованы графит или охлаждаемая медная изложница. При использовании графита цирконий насыщается углеродом до 0,08—0,3%, что недопустимо снижает его сопротивление коррозии. Для обычных технических целей цирконий, выплавленный индукционным методом в графитовом тигле, вполне пригоден.
В тех случаях, когда необходимо получить высокочистый металл, применяется дуговая плавка циркония с расходуемым электродом, которая имеет много преимуществ и является в настоящее время наиболее распространенной.
Рис.1.
Вакуумная дуговая печь.
1 — корпус; 2 — охлаждаемый шток; 3 — расходуемый электрод; 4 — капли жидкого метала; 5 — жидкий металл; 6 — медная изложница; 7 — слиток; 8 — затравка
Расходуемый электрод 3 закрепляют на водоохлаждаемом штоке 2 и помещают в корпус печи 1 и далее в медную водоохлаждаемую изложницу 6. Из корпуса печи откачивают воздух до остаточного давления 0,00133 кПа. При подаче напряжения между расходуемым электродом 3 (катодом) и затравкой 8 (анодом) возникает дуга. Выделяющаяся теплота расплавляет конец электрода. Капли жидкого металла 4, проходя зону дугового разряда дегазируются, заполняют изложницу и затвердевают, образуя слиток 7. Дуга горит между электродом и жидким металлом 5 в верхней части слитка на протяжении всей плавки. Охлаждение слитка и разогрев жидкого металла создают условия для направленного затвердевания слитка. Следовательно, неметаллические включения сосредоточиваются в верхней части слитка, усадочная раковина мала. Слиток характеризуется высокой равномерностью химического состава, повышенными механическими свойствами.
Брикеты для электродов прессуются при давлении 580 — 780 МПа, и после этого свариваются друг с другом. Часто электроды подвергаются дополнительному спеканию при температуре 1000 — 1100 0С. Сила тока, проходимая через электрод составляет 10000 — 25 000 А. Для получения чистого металла используют двойной переплав.
Метод позволяет получать слитки диаметром до 500 — 600 мм, весом до 5 тонн.
Для получения слитков используют так же и электронно-лучевую плавку.
После получения слитки подвергаются ультразвуковому контролю на предмет раковин, трещин и т.д.