Горячее выдавливание полой трубной заготовки в толстостенные трубы (гильзы)
Травление, контроль качества поверхности
Промежуточный отжиг 580°-700°с в течение 1 - 2,5 часа
Холодная прокатка труб на конечный размер
Обезжиривание и травление труб
Окончательный отжиг 550°с, 10 ч
Правка труб
Отделка поверхности труб
Воздействие иэп
Плакировка Zr
Испытания и контроль готовых труб
Упаковка труб
Рисунок 7.1 – Принципиальная схема производства труб из циркониевых сплавов
Рассмотрим особенности технологических операций и их влияние на качество и свойства оболочек твэлов, начиная с процесса плавки слитков.
7.2 Плавка и отливка слитков
Так как чистый цирконий является химически активным элементом, во избежание загрязнения его примесями азота, водорода и материала тигля, плавку необходимо проводить в вакууме. Наиболее широко распространенным способом получения высокочистого циркония является вакуумная дуговая плавка с расходуемым электродом, к которому предъявляется ряд требований:
достаточная электропроводность материала, чтобы проводить ток высокой чистоты, используемый в дуговой плавке;
достаточная прочность материала для выдерживания собственного веса;
малая погрешность формы электрода, чтобы не возникал контакт со стенками медной трубы – кристаллизатора, что вызвало бы проплавление стенки тигля.
Электроды служат катодами и подаются в охлаждаемую медную изложницу, на дно которой укладывается затравка из того же сплава. Медную изложницу подключают к положительному полюсу.
Для исключения пористости и получения гомогенного распределения легирующих элементов, применяется двойной переплав. При первом переплаве в вакуумно-дуговой печи циркониевый сплав очищается от ряда летучих примесей, а при втором переплаве достигается гомогенность сплава за счет перемешивания и большого объема расплава, что способствует увеличению времени растворения легирующего элемента. Для второго переплава необходимо составить электрод из двух или более слитков первого переплава сварным соединением или соединением ниппелем с резьбой. Будем применять двойной переплав с использованием электронно-лучевой плавки совместно дуговой и при первом и при втором переплаве. Это позволит переплавлять больший объем шихтового материала после предварительного рафинирования его в электронно-лучевых печах.
После получения слитков (и при первом и при втором переплаве) проводится их исследование с помощью ультразвуковой дефектоскопии. Данный вид контроля является неразрушающим и позволят исследовать циркониевые слитки всех размеров и самых разнообразных форм без предварительной подготовки специальных образцов.
В готовых слитках проводится контроль их химического состава в соответствии с техническими условиями, твердости. Слитки не должны иметь трещин, раковин и других поверхностных дефектов, удаление которых осуществляется механической обработкой.
7.3 Ковка слитков
При обработке циркониевых слитков в горячем состоянии важно предотвратить газонасыщение из атмосферы.
Ковка слитков ведется на прессах или молотах, причем начальные деформации должны быть небольшими, вплоть до разрушения литой структуры, затем деформации можно значительно увеличить. В процессе ковки следует избегать многократных нагревов, чтобы предотвратить газонасыщение. Ковка слитков осуществляется, когда цирконий находится в α+β– или β- фазе.
Для предотвращения выделения вторичной фазы при охлаждении кованых слитков проводят их закалку, которую можно осуществить следующим образом: провести промежуточную закалку поковок из β-фазы и последующую ковку в α+β- фазе [26]. Затем проводится ультразвуковой контроль прутков. Они не должны иметь пор, раковин, включений, ликвационных неоднородностей и других дефектов.
Далее проводится резка кованых прутков на мерные заготовки (по длине) с использованием различных эмульсий и масел во избежание загорания мелкой стружки.
Для получения полых трубных заготовок применяется прошивка, при которой дополнительно происходит измельчение структуры вблизи прошитого отверстия, что благоприятно сказывается на качестве внутренней поверхности выдавленной трубы. На рисунке 7.2 показана схема прошивки предварительно сверленой заготовки.
Рисунок 7.2 - Схема прошивки предварительно сверленой заготовки: 1 – контейнер; 2 - прошивная игла;
3 – наконечник; 4 – отходы металла [10]
Для защиты металла от окисления и загрязнения при дальнейшем горячем выдавливании проводится укупорка труб в медную оболочку, которая служит также своеобразной смазкой при выдавливании циркониевых заготовок.
7.4 Выдавливание заготовок, прокатка труб
Для получения толстостенных труб перед последующей холодной обработкой применяется горячее выдавливание, с предварительным чехлованием. Заготовка со всех сторон закрывается контейнером из меди, латуни, так что только материал будет иметь контакт с матрицей. Это делается для того, чтобы исключить возможность газонасыщения трубы и налипания металла на инструмент. После выдавливания оболочка удаляется механическим путем.
Для изготовления оболочек твэлов используют выдавленные трубы с толщиной стенки 5-8 мм и наружным диаметром 35-55 мм. К ним предъявляется ряд требований, которые выполняется с помощью
периодического контроля механических свойств
определения однородности химического состава по длине и сечению
контроля качества поверхности и толщины стенки
определения текстуры и текстурных отличий.
Затем следует обработка труб на станах холодной прокатки валкового типа с подвижными и неподвижными клетями. Рабочая клеть состоит из валков, подшипниковых узлов, станины, нажимных механизмов и ряда конструктивных элементов [27]. На рисунке 7.3 представлена схема прокатки трубы.
Рисунок 7.3 – Прокатка трубы на стане ХПТ: I – начало рабочего хода; II – конец рабочего хода; 1 – калибры; 2 – оправка; 3 – труба [10]
Прокатка применяется в целях получения текстуры, обеспечивающей наиболее благоприятное распределение и ориентацию гидридных частиц. При прокатке происходит существенное упрочнение и разогрев металла. Для предотвращения налипания металла на инструмент используют различные смазки и эмульсии, наносимые на обрабатываемую трубу и подаваемые в очаг деформации.
Прокатка труб на станах ХПТ неизбежно связана с неравномерностью деформации по сечению и длине трубы, что обусловлено возможными отклонениями формы калибров и неверными режимами деформации.
После прокатки удаляется смазка и медная оболочка, если она была, затем проводится выявление возможных дефектов и подготовка труб к термической обработке с помощью травления в специальном растворе с последующей промывкой в воде, что позволяет удалить все загрязнения с поверхности и исключить их пригорание и проникновение в глубь металла.
Затем проводится промежуточный отжиг, имеющий целью снять наклеп после холодной деформации и повысить вязкость сплавов перед последующей прокаткой труб на конечный размер. Отжиг проводят в вакууме при температуре 580-700°С 1 – 2,5 часа.
Предыдущие операции холодной обработки имели целью приблизить размеры трубы к конечным, улучшить качество поверхности и точность геометрических размеров, заложить основы требуемой текстуры. Заключительная операция холодной прокатки на конечный размер должна обеспечить не только заданные размеры трубы, но и необходимую микроструктуру, кристаллографическую текстуру, благоприятную (тангенциальную) ориентацию гидридов.
Показано [10], что для того, чтобы получить тангенциальную ориентацию гидридов, деформация стенки должна быть больше, чем деформация по диаметру, а α-зерна ориентированы так, чтобы нормаль к плоскости базиса была близка к радиальному направлению или составляла с ним угол 10-15°. При прокатке труб важно во всем очаге деформации соблюдать рациональную величину отношения деформации по стенке к деформации по диаметру.
Для осуществления холодной прокатки на конечный размер используют станы роликового типа ХПТР (Станы холодной прокатки труб роликами). На рисунке 7.4 представлена схема прокатки на таком стане.
Рисунок 7.4 – Схема прокатки трубы на стане ХПТР: 1 – труба; 2 – оправка; 3 - деформирующие ролики; 4 – калибрующие планки [10]
При прокатке труб на таком стане основная деформация идет по стенке трубы при сравнительно небольшом изменении ее среднего диаметра.
Суммарная степень деформации при прокатке на конечный размер должна составлять 20-45%. Кроме того, должен осуществляться контроль скорости и числа ходов клети, чистоты и состава смазки, геометрических размеров трубы, чистоты ее поверхности.
Перед окончательной термической обработкой проводится обезжиривание и травление труб в азотной кислоте для очищения наружной и внутренней поверхности труб от смазки и других видов загрязнений.
Наиболее рационально использовать в оболочках твэлов трубы в полностью рекристаллизованном состоянии, что было доказано исследованиями ползучести циркониевых труб под действием облучения, описанными в [10].
Отжиг труб проводят в высоком вакууме во избежание газонасыщения поверхностных слоев труб и ухудшения коррозионных свойств сплава. Для сплавов циркония с ниобием температура отжига должна составлять 550-650°С, однако время и температура отжига должны подвергаться корректировке на основании предварительных экспериментальных исследований сплава конкретного состава.
Правка труб осуществляется на роликовых правильных машинах с целью устранения кривизны труб, возникающей в процессе их изготовления, транспортировки или отжига. При правке происходит не только изгиб, но и обжатие труб, что может вызвать дополнительные напряжения, из-за которых в трубах произойдет неблагоприятное выпадение гидридов, ориентированных в радиальном направлении. Во избежание этого эффекта обжатие при правке труб не должно превышать определенной величины.
Затем производится отделка поверхности для обеспечения необходимых коррозионных свойств, а также для корректировки, доводки размеров готовых труб. Эта операция включает травление в кислотном растворе и различного вида механическую обработку для удаления фторидов с поверхности труб.
Затем проводится импульсное электронное воздействие на внешнюю, контактирующую с теплоносителем поверхность оболочки твэла в диапазоне плотности энергии в пучке Еs = (15 – 25) Дж/см2. В результате высокоскоростного охлаждения (107 – 108 К/с) в поверхностном слое сплава произойдет образование мартенсита сложной морфологии, что приведет к повышению его прочностных свойств и коррозионной стойкости в теплоносителе.
Внутренняя поверхность оболочки плакируется слоем чистого циркония для борьбы с коррозионным растрескиванием под напряжениями в среде продуктов деления диоксида урана.