補縮工藝對鋯合金鑄錠冒口的影響

嚴寶輝，肖　穎，王彥啟

（1.西部新鋯核材料科技有限公司，陜西西安 710000；2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州　51000）

補縮工藝對鋯合金鑄錠冒口的影響

嚴寶輝1，肖穎1，王彥啟2

（1.西部新鋯核材料科技有限公司，陜西西安 710000；2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州51000）

對三種補縮工藝下的鋯合金鑄錠冒口及其化學(xué)成分進行了對比分析，研究了不同的鑄錠補縮工藝對鋯合金鑄錠冒口深度及鑄錠化學(xué)成分的影響。結(jié)果表明適當(dāng)?shù)难a縮電流制度和補縮時間，既能減少鑄錠冒口深度，也能保證其化學(xué)成分與鑄錠整體的一致性。

鋯合金鑄錠；補縮；冒口；化學(xué)成分

鋯合金由于熱中子吸收截面小，具有較好的機械性能及耐腐蝕性能，被用作核反應(yīng)堆的燃料元件包殼和堆芯結(jié)構(gòu)材料。其中鋯及鋯合金鑄錠生產(chǎn)至今仍在普遍采用真空自耗熔煉（VAR）方法。該熔煉過程基本可分為三個階段，引弧建立熔池期、正常熔煉期和頭部補縮期。當(dāng)鑄錠熔煉進入補縮期，如果突然結(jié)束熔煉熄滅電弧，則鑄錠集中縮孔部位約在熔煉深度的二分之一處，而正常熔煉的熔池深度≥坩堝直徑［1］。因此，因盡量減少鑄錠頭部縮孔深度，減少鑄錠切頭量。為達到上述目的，需要在補縮期確定最佳的補縮工藝制度。目前，最佳補縮工藝是采用“多級補縮，低電流保溫”的補縮工藝［1］。另外，目前國際上一些主要的鋯材生產(chǎn)企業(yè)像WZ、CEZUS用于生產(chǎn)鋯管的鑄錠已經(jīng)不切除冒口，直接進行鍛造、擠壓，以降低生產(chǎn)成本。所以保證鑄錠頭部化學(xué)成分的一致性也尤為重要，而鑄錠的補縮工藝也會影響鑄錠頭部的化學(xué)成分，甚至導(dǎo)致鑄錠頭部某些元素含量超出標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，研究鑄錠補縮工藝對提高鑄錠生產(chǎn)成品率降低生產(chǎn)成本具有重要意義。

1　試驗方法

1.1試驗過程

實驗選用材料為原子能級海綿鋯。將海綿鋯經(jīng)過人工挑料、布料、與相應(yīng)中間合金在50 MN油壓機壓制成電極塊，再使用真空等離子焊箱焊接成自耗電極，然后在1 t真空自耗電弧爐經(jīng)過三次真空電弧熔煉成450 mm的Zr4合金鑄錠，名義成分見表1.鑄錠號分別為a、b、c，待這3個鑄錠在自耗電極消耗至100kg以上時采用對應(yīng)的補縮工藝進行補縮（見表2），鑄錠的補縮時間分別控制在57min、45min、35 min.鑄錠生產(chǎn)完畢后經(jīng)超聲探傷檢測確定縮孔深度。試驗流程見圖1.同時按照圖2所示對鑄錠上端面進行取樣分析Sn、Fe元素含量，研究補縮工藝對Zr4合金兩種主元素含量的影響。

1.2測試

用H S600C超聲波探傷儀檢測鑄錠冒口深度；用等離子體發(fā)射光譜儀分析鑄錠中錫、鐵元素的含量。

2　結(jié)果與討論

圖1試驗流程圖

表1　Zr-4合金名義成分表

圖2　鑄錠上端面取樣示意圖

表2 各補縮工藝電流制度

表3為測得的鑄錠冒口深度。

表3 鑄錠冒口深度

2.1補縮電流制度對鑄錠冒口深度的影響

3種不同補縮電流制度對應(yīng)的鑄錠冒口深度見表2和表3.可以看出，1#和2#補縮電流制度下冒口深度較小，3#補縮電流下冒口深度最大。這三種電流制度的不同在于電流下降的級數(shù)和每1級電流所持續(xù)的時間不相同。1#、2#補縮電流制度中電流下降緩慢，熔速下降平穩(wěn)，這一方面可以保證熔池表面處于液態(tài)，另一方面還可以提供少量的液態(tài)金屬不斷地進入熔池，以充填由于凝固和結(jié)晶所造成的體積收縮。同時由于逐漸由下而上地減少熔池體積和深度，始終是熔池表面處于液態(tài)而不先凝固，有利于頭部氣體和夾雜的最后排除，促使縮孔上移減少了冒口深度［2］。3#補縮電流級數(shù)少下降較快，向熔池提供的能量減少幅度大，補縮后期鑄錠上表面的冷卻速度大于鑄錠內(nèi)部，此時熱量損失如果太多加快了鑄錠頭部上端的凝固速度，使鑄錠頭部端面凝固面積擴大，阻止了熔池內(nèi)部氣體的排出，導(dǎo)致鑄錠縮孔形成在了較深的位置，使冒口變深。

通過比較1，2，3號鑄錠補縮電流制度及冒口深度可以看出，5 kA～4 kA電流的持續(xù)時間對鑄錠冒口深度影響較大，如果此階段持續(xù)時間短，即使3#鑄錠的4 kA電流以下補縮時間和1#、2#鑄錠一樣，但鑄錠冒口仍比1#、2#鑄錠深。熔煉過程中3#鑄錠5 kA～4 kA電流補縮時間比1#、2#鑄錠持續(xù)時間短，此階段熔池能勉強到邊，殘留氣體較多，熔池保持時間長有利于氣體和揮發(fā)性雜質(zhì)的排出。當(dāng)調(diào)整到4kA以下補縮電流時，電弧向熔池提供的能量較小，在2.5 kA電流時已基本沒有熔速，所保持的熔池面積跟自耗電極截面積相當(dāng)，2kA電流時僅能勉強維持電弧的燃燒，而且隨時有斷弧的可能。從表3可以看出1#鑄錠和2#鑄錠的冒口深度基本相同，因此沒有必要刻意使用過小的電流以延長補縮時間，降低生產(chǎn)效率。

2.2正常熔煉電流對冒口深度的影響

熔煉速率對真空自耗電弧熔煉溫度場和熔池影響也較為明顯，表現(xiàn)為隨著熔煉速度的增大，熔池變寬變深，達到穩(wěn)態(tài)熔煉階段的時間縮短［3，4］。熔化電流是影響電極熔化速度的一個主要因素，熔化速度隨著熔化電流的增大而增加，試驗結(jié)果表明熔池深度隨熔化電流的加大而增加［5］。在真空自耗熔煉過程中，扁平的熔池形狀有利于熔池中氣體的排出，也有利于液態(tài)金屬的補縮［6］。與1#鑄錠相比，2#鑄錠正常熔煉電流較小，補縮開始前其熔池深度比1#鑄錠淺，熔池形狀更為扁平，補縮階段熔池中氣體深度較淺且更易向上排出，2#電流制度下2#鑄錠冒口比1#稍淺。

2.3補縮持續(xù)時間對鑄錠頭部主元素含量的影響

在未鋸切冒口前對3個鑄錠上端面按照圖2位置進行取樣，分析Sn、Fe含量，其與鑄錠整個平均含量的差異見表4.可以看出，鑄錠上端面1/2R 處Sn、Fe元素含量高于鑄錠平均含量，上端面中心的Sn、Fe元素含量高于1/2R處。其中a鑄錠上端面高出鑄錠平均值最多，b鑄錠次之，c鑄錠最小。這是因為當(dāng)熔池較深、糊狀區(qū)較寬時，工藝參數(shù)稍有變化就會加劇樹枝晶間的液體流動，從而產(chǎn)生嚴重的宏觀偏析。熔池較淺、糊狀區(qū)較窄時，偏析則較小［6，7］。3種補縮工藝除了電流不同外，整體的補縮時間不同，見表2.補縮時尤其小電流持續(xù)時間越長，鑄錠頭部端面中心部分熔池保持時間越長，致使Sn、Fe元素偏析傾向越大。如1#鑄錠補縮時間最長，小電流4 kA以下電流持續(xù)時間也最長，導(dǎo)致鑄錠上端面金屬長時間保持液態(tài)，加劇了像Sn、Fe這種正偏析元素由固態(tài)向液態(tài)富集的程度。這種宏觀偏析有時會導(dǎo)致鑄錠頭部化學(xué)成分超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，不得不對其進行切除。3#鑄錠補縮時間最短主要是小電流持續(xù)時間短，雖然冒口深度較大，但鑄錠上端面Sn、Fe元素化學(xué)成分與鑄錠平均值偏離最小。

表4　鑄錠頭部端面Sn、Fe元素質(zhì)量分數(shù)差異

3結(jié)論

通過不同補縮電流制度下鑄錠的冒口深度和頭部端面Sn、Fe元素化學(xué)成分的分析對比，可得出如下結(jié)論：

1）補縮階段電流下降過快，不利于熔池中氣體的排出，按本文中的補縮電流制度進行補縮，5 kA～4 kA電流持續(xù)時間不宜過短，以便于熔池中氣體的排除，有利于減小鑄錠冒口深度；

2）在相同冷卻條件及補縮電流制度下，補縮前的熔煉電流越大，熔池越深，鑄錠冒口也越深。當(dāng)然這不是影響冒口深度的決定性因素；

3）對于Zr4合金鑄錠在整個補縮過程中小電流持續(xù)時間不能太長，補縮電流也不宜太小，這樣即增加了鑄錠端面熔池的持續(xù)時間促進了Sn、Fe元素的偏析傾向，也降低了生產(chǎn)效率，提高了操作難度；

4）在選擇鑄錠補縮電流制度時需要權(quán)衡冒口深度、化學(xué)成分的偏析及生產(chǎn)效率等因素，制定出符合實際需求的補縮工藝。

［1］ 西北有色金屬研究院，主編.稀有金屬材料加工手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1984.

［2］ 馬開道，魯毅，馬琨.稀有金屬真空熔鑄技術(shù)及其設(shè)備設(shè)計［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1984.

［3］ 趙小花，李金山，楊冶軍，等.鈦合金真空自耗電弧熔煉過程中磁場的數(shù)值模擬［J］.特種鑄造及有色合金，2010，30（11）：1004.

［4］ 王寶順，董建新，張麥倉，鄭磊.真空自耗電弧重熔凝固過程的計算機模擬［J］.材料工程，2009，10：82-85.

［5］ 丁永昌，徐曾啟.特種熔煉［M］.北京：冶金工業(yè)出版社.

［6］ ZANNER F J.Metal transfer during vacuum consumable arc re-melting［J］.MetallurgicalTransactionB，1979，10（2）：133-142.

［7］ ZANNER F J，WILLIAMSON R L，HARRISON R P.Vacuum arc re-melting of alloy 718［G］//Super alloy718，Metallurgy and App；icat ions，Pennsylvania：The Minerals，Metals&Materials Society，1989.

Influence of Feeding Process on Zirconium Alloy Ingot Riser

YAN Bao-hui1，XIAO Yin1，WANG Yan-qi2
（1.Western Energy Material Technologies CO.，LTD.，Xi'an Shanxi 710000，China；2.South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510000，China）

In this paper，the zirconium ingot riser and its chemical composition with three kinds of different ingot feeding process was analyzed.The results showed that using the proper feeding time and feeding current system，it not only minimized ingot riser depth，but also guaranteed the consistency of its chemical composition.

zirconium alloy ingot，feeding，riser，chemical composition

TG244+.4

A

1674-6694（2016）03-0008-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.03.003

2016-03-04

嚴寶輝（1986-），男，助理工程師，研究方向：鋯及鋯合金加工。