專利名稱：一種工業(yè)純鋯鑄錠的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工業(yè)純鋯鑄錠的制備方法，屬于鑄造技術(shù)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于冶金、 石油化工、核電等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鋯是一種過(guò)渡族元素，屬于元素周期表中的IV-B族元素，它既是一種稀有金屬， 又是一種戰(zhàn)略金屬。它具有高溫強(qiáng)度高、耐蝕性好、可加工、性能好和熱中子吸收截 面低等綜合性能，鋯還與核燃料有優(yōu)良的相容性，具有極小的熱中子捕獲截面(0.18 X10-28m2)，同時(shí)其耐輻照性能也很好，加上鋯在高溫下有較好的吸氣性以及良好的 抗腐蝕性和加工性能等，鋯材料被廣泛用作水冷動(dòng)力堆的包殼材料和堆芯結(jié)構(gòu)材料， 是核反應(yīng)堆的重要結(jié)構(gòu)材料，在核工業(yè)中獲得大量應(yīng)用。近年來(lái)，由于它的優(yōu)異耐蝕 性，在化學(xué)工業(yè)的應(yīng)用也逐漸增多。實(shí)驗(yàn)研究及典型事例已證明，鋯在許多常用的酸、 堿介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐蝕性，鋯在這些介質(zhì)中的特性十分獨(dú)特，它還可以在酸、堿互 換條件下使用，如鋯在溫度低于IO(TC時(shí)能耐抗各種濃度的鹽酸、硝酸以及濃度低于 50%硫酸的侵蝕，鋯被認(rèn)為是在所有的醋酸溶液中最耐蝕的材料。因此，鋯廣泛用于核 能、航天、航空、艦船、電子、機(jī)械、冶金、化工、紡織、造紙、醫(yī)學(xué)等行業(yè)，具有 廣闊的前途。
工業(yè)純鋯的主要雜質(zhì)元素是鐵、鉻、碳、氮、氫、氧等，大量研究表明，材料的 純凈度對(duì)其耐蝕性影響極大，其中鐵+鉻對(duì)于鋯耐蝕性能影響很大，影響著鋯設(shè)備實(shí)際 可靠性和使用壽命。深入地研究表明，鐵+鉻含量對(duì)于鋯耐蝕性和抗吸氫有不利影響， 只有當(dāng)鐵含量<0.08%時(shí)，才可能避免鋯焊區(qū)優(yōu)先腐蝕，專用醋酸設(shè)備用鋯的規(guī)范中規(guī) 定鐵+鉻含量上限為0. 15%。同時(shí)，氫在a-Zr中固溶度很低，鋯中氫含量大約在100 150ppm時(shí)，就會(huì)有針狀或片狀氫化物析出相，在材料中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，由于氫化 物本身的脆性，往往就形成裂紋源，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鋯中含氫量的最高允許值定為 0.005%，與美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)相同。因此，降低鐵+鉻和氫等雜質(zhì)元素含量是防止鋯腐蝕 和氫脆的重要措施。
鋯在高溫下很容易與氧、氮、碳等元素反應(yīng)，如微細(xì)分散的鋯粉是可燃的，可用 在閃光燈泡中和作為真空管中的吸氣劑(02和N2捕收劑)，這是鋯的優(yōu)點(diǎn)，但也有其不 好的一面，尤其是在鋯錠熔煉中顯得尤為突出。目前，傳統(tǒng)的鋯鑄錠熔煉方法是真空 自耗電弧熔煉技術(shù)， 一般采用二次或三次熔煉。真空自耗電弧熔煉方法是成熟的熔煉 技術(shù)，可以熔煉出化學(xué)成分合格的鋯，但由于真空熔煉固有的熔池過(guò)熱度低，液態(tài)熔 池維持時(shí)間短、熔煉真空度不高等特點(diǎn)，存在無(wú)法有效去除高低密度夾雜，提純效果 有限等問(wèn)題。而鋯在高溫下極易與氧、氮、碳等元素反應(yīng)，分別生成ZrO" ZrN和ZrC， 其熔點(diǎn)分別高達(dá)2700。C、 298(TC和353(TC，而且Zr02由于化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熱脹系數(shù) 較小，是自然界中耐火性能最好的材料之一，常被用來(lái)制造耐火磚及耐火坩堝等。海 綿鋯和鋯錠生產(chǎn)過(guò)程中若控制不好，極易產(chǎn)生Zr02、 ZrN或ZrC缺陷，而真空自耗熔 煉過(guò)程無(wú)法徹底消除則會(huì)產(chǎn)生夾雜冶金缺陷，含有夾雜冶金缺陷的鑄錠在后序加工中 容易開(kāi)裂產(chǎn)生微裂紋，這種小裂紋不能通過(guò)無(wú)損探傷等技術(shù)徹底發(fā)現(xiàn)，使用過(guò)程中會(huì) 在微裂紋處造成部件疲勞失效、斷裂、泄漏等事故，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。
因此，需要采取一種可靠的熔煉技術(shù)來(lái)進(jìn)行雜質(zhì)的提純和冶金缺陷的消除，生產(chǎn) 出鐵、鉻、氫和氧等雜質(zhì)元素含量低的、無(wú)夾雜的純凈的鋯鑄錠。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問(wèn)題
為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種工業(yè)純鋯鑄錠的制備方法，能有效提純鐵、鉻、氫和氧等雜質(zhì)元素的，并能有效地去除鋯中Zr02、 ZrN、 ZrC和W、 Mo、 Ta、 Nb、 WC等高低密度夾雜冶金缺陷純凈工業(yè)純鋯鑄錠生產(chǎn)方法。 技術(shù)方案
本發(fā)明方法的特征在于步驟如下
步驟l:將海綿鋯混合后壓制成電極塊
步驟2:使用等離子弧等悍接方式將電極塊焊接成電極；
步驟3:真空自耗電弧熔煉熔煉一次錠，電流控制在5 40KA，電壓控制在28 42V，熔煉真空度低于5Pa，漏氣率低于0.2Pa'm7sec;
步驟4:電子束熔煉二次錠，加壓電流控制在0.5 10A，熔煉速度控制在10 80kg/h，熔煉真空度低于5X10—2Pa，漏氣率低于O. 1Pa.ra7sec。
在本發(fā)明方法中，可以在步驟3中也采用電子束熔煉，電流控制在0.5 10A，熔 煉速度控制在10 80kg/h，熔煉真空度低于5X 10—2Pa，漏氣率低于0. 1Pa m7sec。
有益效果
本發(fā)明的一種工業(yè)純鋯鑄錠的制備方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明 生產(chǎn)的鋯鑄錠，化學(xué)成分均勻、穩(wěn)定，F(xiàn)e、 Cr、 H、 O等雜質(zhì)元素含量低，優(yōu)于真空自 耗電弧熔煉的鑄錠，無(wú)Zr02和WC等高低密度夾雜；本發(fā)明適用于生產(chǎn)冶金質(zhì)量要求 高的鑄錠。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述 實(shí)施例1:
步驟l:將工業(yè)純海綿鋯(氧0.10%;鐵0.15%;鉻0. 15%)混合后壓制成電極步驟2:使用等離子弧等焊接方式將電極塊焊接成電極；
步驟3:真空自耗電弧熔煉熔煉一次成①80mm鑄錠，電流控制在10 20KA，電 壓控制在31 36V， 熔煉真空度為3. 5Pa，漏氣率為0. 15Pa'm'Vsec;
步驟4:電子束熔煉二次形成①125mm鑄錠，加壓電流控制在0.5 10A,熔煉速 度控制在15 30kg/h，熔煉真空度為1X10—2Pa，漏氣率為0.05Pa'm7sec。
熔煉所得鑄錠表面光潔，無(wú)皮下氣孔、冷隔等，在鑄錠頭、底部?jī)刹课蝗舆M(jìn)行 化學(xué)成分分析，分析結(jié)果顯示化學(xué)成分均勻，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其主要元素含量分 別是氧0. 04%、 0. 038%，鐵0. 06%、 0. 065%，鉻0. 04%、 0. 045 %，氫0. 001%、 0. 0008%， 同時(shí)C、 N等雜質(zhì)元素也控制得較低。將鑄錠鍛造成O30ram棒材，表面車(chē)光，經(jīng)0. 8mm 平底孔超聲探傷和縱向、橫向多位置切片高低倍檢驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)高低密度夾雜冶金缺 陷。
實(shí)施例2:
步驟1:將工業(yè)純海綿鋯(氧0.08%;鐵0.12%;鉻0. 2%)混合后壓制成電極
塊 步驟2:使用等離子弧等焊接方式將電極塊焊接成電極；
步驟3:真空自耗電弧熔煉熔煉一次成O100mm鑄錠，電流控制在3KA，電壓控 制在28 42V， 熔煉真空度為2. 5Pa，漏氣率為0. 11Pa m7sec;
步驟4:電子束熔煉二次形成On30mm鑄錠，加壓電流控制在0.5 10A，熔煉速 度控制在16 31kg/h，熔煉真空度為5X10—2Pa，漏氣率為0. 03Pa mVsec。
熔煉所得鑄錠表面光潔，無(wú)皮下氣孔、冷隔等，在鑄錠頭、底部?jī)刹课蝗舆M(jìn)行 化學(xué)成分分析，分析結(jié)果顯示化學(xué)成分均勻，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其主要元素含量分 別是氧0. 04%、 0. 0肌鐵0. 05%、 0. 060%,鉻0. 04%、 0. 05 %，氫0. 0007%、 0. 0008%，同時(shí)C、 N等雜質(zhì)元素也控制得較低。將鑄錠鍛造成①30mm棒材，表面車(chē)光，經(jīng)0. 8mra 平底孔超聲探傷和縱向、橫向多位置切片高低倍檢驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)高低密度夾雜冶金缺 陷。
實(shí)施例3:
步驟1:將工業(yè)純海綿鋯(氧0.1%;鐵0.16%;鉻0. 18%)混合后壓制成電極
塊
步驟2:使用等離子弧等焊接方式將電極塊焊接成電極；
步驟3:在電子束熔煉一次成O100ram鑄錠，電流控制在0.5 10A，熔煉速度控 制在10 14kg/h，熔煉真空度為2, 5Xl(TPa，漏氣率為0. 09Pa m7sec;
步驟4:電子束熔煉二次形成①130mm鑄錠，加壓電流控制在0.5 10A，熔煉速 度控制在16 31kg/h，熔煉真空度為5X10—2Pa，漏氣率為0. 03Pa m'Vsec。
熔煉所得鑄錠表面光潔，無(wú)皮下氣孔、冷隔等，在鑄錠頭、底部?jī)刹课蝗舆M(jìn)行 化學(xué)成分分析，分析結(jié)果顯示化學(xué)成分均勻，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其主要元素含量分 別是氧0.035%、 0.04%，鐵0.065%、 0.072%，鉻0.04%、 0.045%，氫:0.0004%、 0.0005%，同時(shí)C、 N等雜質(zhì)元素也控制得較低。將鑄錠鍛造成O30mm棒材，表面車(chē)光， 經(jīng)0.8ram平底孔超聲探傷和縱向、橫向多位置切片高低倍檢驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)高低密度夾 雜冶金缺陷。
權(quán)利要求
1.一種工業(yè)純鋯鑄錠的制備方法，其特征在于步驟如下步驟1將海綿鋯混合后壓制成電極塊步驟2使用等離子弧等焊接方式將電極塊焊接成電極；步驟3真空自耗電弧熔煉熔煉一次錠，電流控制在5～40KA，電壓控制在28～42V，熔煉真空度低于5Pa，漏氣率低于0.2Pa·m3/sec；步驟4電子束熔煉二次錠，加壓電流控制在0.5～10A，熔煉速度控制在10～80kg/h，熔煉真空度低于5×10-2Pa，漏氣率低于0.1Pa·m3/sec。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)純鋯鑄錠的制備方法，其特征在于步驟3中采用電 子束熔煉，電流控制在0.5 10A，熔煉速度控制在10 80kg/h，熔煉真空度低于 5X 10—2Pa，漏氣率低于0. 1Pa mVsec。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種工業(yè)純鋯鑄錠的制備方法，用于核電、冶金、石油化工等領(lǐng)域。該方法的步驟為稱取所需重量的工業(yè)級(jí)海綿鋯，壓制成電極塊，壓制的電極塊再焊接成電極，然后采用至少一次電子束熔煉真空自耗電弧爐與電子束熔煉相結(jié)合的步驟，得到純凈的工業(yè)純鋯鑄錠。本發(fā)明生產(chǎn)的鋯鑄錠，化學(xué)成分均勻、穩(wěn)定，F(xiàn)e、Cr、O、H等雜質(zhì)元素含量低，優(yōu)于真空自耗電弧熔煉的鑄錠，無(wú)ZrO₂和WC等高低密度夾雜；本發(fā)明適用于生產(chǎn)純凈的、冶金質(zhì)量要求高的純鋯鑄錠。
文檔編號(hào)C22B34/00GK101597693SQ20091002281
公開(kāi)日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月3日
發(fā)明者何育興, 馮軍寧, 健 張, 文志剛, 李獻(xiàn)軍, 蓉 楊, 王永強(qiáng), 峰 陳, 陳戰(zhàn)乾, 雷讓岐 申請(qǐng)人:寶雞鈦業(yè)股份有限公司