一种解决锆合金铸锭头部铁元素富集的方法技术

本发明专利技术公开了一种解决锆合金铸锭头部铁元素富集的方法，该方法包括：一、根据目标锆合金铸锭选择原料；二、将核级锆粒和它组分原料分批配料并熔炼得中间合金A和中间合金B；中间合金A中铁的质量含量比中间合金B低4％～10％；三、将核级海绵锆分别与中间合金A和中间合金B制备成自耗电极A和自耗电极B；四、将自耗电极A和自耗电极B焊接组配成自耗电极并采用自耗电极A作为头部，经熔炼得锆合金铸锭。本发明专利技术通过制备不同Fe含量的中间合金，并将低Fe含量的中间合金制备成自耗电极中用于目标锆合金铸锭头部熔炼，经真空熔炼得到锆合金铸锭，改善了锆合金铸锭的头部铁元素偏析现象，避免了锆合金铸锭头部的切除，提高了成品率。

【技术实现步骤摘要】
一种解决锆合金铸锭头部铁元素富集的方法
本专利技术属于锆合金铸锭制备
，具体涉及一种解决锆合金铸锭头部铁元素富集的方法。
技术介绍
核燃料元件包壳锆合金是核动力反应堆的关键核心材料之一，核动力的先进性、安全可靠性和经济性与所用包壳材料的性能密切相关。在过去的30多年里，压水堆燃料元件包壳Zr-4合金的堆内使用性能是令人满意的。随着核动力反应堆技术朝着提高燃料燃耗和降低燃料循环成本、提高反应堆热效率、提高安全可靠性的方向发展，对关键核心部件燃料元件包壳材料锆合金的性能提出了更高的要求，包括腐蚀性能、吸氢性能、力学性能及辐照尺寸稳定性等。目前，商用核电站用的燃料包壳材料基本为Zr-Sn-Fe和Zr-Nb系合金，其中以Zr-Sn-Fe系居多。近些年各国都在开发燃耗更高的新锆合金，绝大部分采用提高铁元素在锆合金中的质量百分含量，得到了一系列优秀的锆合金产品，例如:美国的Zirlo、俄罗斯的E635、日本的NDA以及中国的N18和N36合金。锆合金铸锭普遍采用真空熔炼的方法制备，在熔炼前需要先将原材料海绵锆和相应的合金一同压制成电极，锆合金铸锭中的合金成分主要通过中间合金的添加来调控。而提高铁元素在锆合金中的质量含量，使作为包壳管加工的原料锆合金铸锭经过真空熔炼后出现锆合金铸锭的头部铁元素偏析较为严重的现象，尤其本身Fe含量较高的合金，其铸锭头部铁含量甚至超出了标准要求。随着锆合金铸锭规格越来越大，锆合金铸锭头部铁元素含量控制更加困难，很多时候为保真产品质量不得不加大铸锭头部的切除量，从而降低了铸锭成品率。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种解决锆合金铸锭头部铁元素富集的方法。该方法通过制备不同Fe含量的中间合金，然后制备成自耗电极，并将低Fe含量的中间合金制备成自耗电极中用于目标锆合金铸锭头部熔炼的部分，再经真空熔炼得到锆合金铸锭，改善了锆合金铸锭的头部铁元素偏析现象，避免了锆合金铸锭头部的切除，提高了锆合金铸锭的成品率，进一步扩大了锆合金铸锭的制备规格。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种解决锆合金铸锭头部铁元素富集的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、备料：根据目标产物锆合金铸锭中各组分的成分和含量选择相应质量的核级锆粒、核级海绵锆和其它组分原料进行备料，其它组分原料包括铁；步骤二、中间合金的制备：将步骤一中的核级锆粒和除核级海绵锆以外的其它组分原料分批配料并进行熔炼，得到两批中间合金：中间合金A和中间合金B；所述中间合金A与中间合金B的质量比为1：9，中间合金A中铁的质量含量比中间合金B中铁的质量含量低4％～10％，所述中间合金A与中间合金B中除锆和铁以外的组分含量相同；步骤三、电极制备：将核级海绵锆分别与步骤二中得到的中间合金A和中间合金B压制成电极并组焊成自耗电极A和自耗电极B；所述核级海绵锆中用于中间合金A压制成电极的核级海绵锆与用于中间合金B压制成电极的核级海绵锆的质量比为1:9；步骤四、锆合金铸锭制备：将步骤三中得到的自耗电极A和自耗电极B进行焊接组配成自耗电极并采用自耗电极A作为自耗电极的头部，然后置于真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，得到锆合金铸锭。锆合金铸锭中的合金元素的凝固过程都在一定温度范围内完成，不同时刻析出不同成分的固体，因富态物质扩散很慢，造成溶质在凝固过程中的重新分配而形成偏析。偏析的大小与溶质在固液相中的分配常数K0有关，而这个分配常数直接受到物质凝固速度的影响，并随温度不同而变化。分配常数K0是指平衡时固液两相中溶质浓度比，即K0＝Cs(溶质在固相中的浓度)/Cl(溶质在液相中的浓度)，当K0＜1时，即合金元素在液相的浓度大于在固相的浓度，而根据公开资料显示Fe的K值为0.3。为了使锆合金铸锭冷却过程中缩孔上移，减少锆合金铸锭头部切除量从而提高成品率，在锆合金铸锭熔炼后期热封顶阶段采用较小的熔炼电流以降低熔速，延长液态金属保持时间，这就加剧了Fe向液态金属的迁移，使锆合金铸锭头部Fe元素含量增加，甚至超出标准范围。因此本专利技术通过先制备不同Fe含量的中间合金，然后制备成自耗电极，其中将低Fe含量的中间合金制备成自耗电极中用于目标锆合金铸锭头部熔炼的部分，再经真空熔炼得到锆合金铸锭，从源头上减少了Fe在锆合金铸锭头部的质量含量，大大改善了锆合金铸锭的头部铁元素偏析现象，避免了锆合金铸锭头部的切除，提高了锆合金铸锭的成品率，进一步扩大了锆合金铸锭的制备规格。上述的一种解决锆合金铸锭头部铁元素富集的方法，其特征在于，步骤二中所述中间合金A中铁的质量含量比中间合金B中铁的质量含量低4％。当中间合金A中铁的质量含量小于中间合金B中铁的质量含量且两者差值小于4％时，制备得到的锆合金铸锭头部的铁元素仍会过高超出标准范围，导致锆合金铸锭头部的铁元素富集。上述的一种解决锆合金铸锭头部铁元素富集的方法，其特征在于，步骤二中所述中间合金A中铁的质量含量比中间合金B中铁的质量含量低7％。当中间合金A中铁的质量含量小于中间合金B中铁的质量含量且两者差值为7％时，制备得到的锆合金铸锭头部的铁元素在标准范围，不会出现偏析现象，且锆合金铸锭成品率较高。上述的一种解决锆合金铸锭头部铁元素富集的方法，其特征在于，步骤二中所述中间合金A中铁的质量含量比中间合金B中铁的质量含量低10％。当中间合金A中铁的质量含量小于中间合金B中铁的质量含量且两者差值大于10％时，会影响整个锆合金铸锭中铁元素的分布均匀性。上述的一种解决锆合金铸锭头部铁元素富集的方法，其特征在于，步骤二中所述熔炼采用真空非自耗熔炼，所述真空非自耗熔炼的真空度小于0.5Pa，熔炼前压升率不大于0.2Pa/min，每个所述中间合金A和中间合金B的质量不大于40g。通过限定熔炼制备中间合金的工艺参数和每个中间合金A和中间合金B的质量，使中间合金的合金化更为充分，从而提高了锆合金铸锭中各组分的均匀性。上述的一种解决锆合金铸锭头部铁元素富集的方法，其特征在于，步骤四中所述三次熔炼过程中，每次熔炼后均对铸锭进行机加工平头，三次熔炼过程中的二次熔炼和三次熔炼的装炉时分别需将一次锭和二次锭调头。每次熔炼后对铸锭进行机加工平头以去除辅助工艺尺寸，提高铸锭表面的精度；三次熔炼过程中的二次熔炼和三次熔炼的装炉时分别将一次锭和二次锭调头，减少熔炼工艺对锆合金铸锭头部铁元素富集的影响，进一步提高整个锆合金铸锭中铁元素的分布均匀性。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术通过制备不同Fe含量的中间合金，然后制备成自耗电极，其中将低Fe含量的中间合金制备成自耗电极中用于目标锆合金铸锭头部熔炼的部分，再经真空熔炼得到锆合金铸锭，大大改善了锆合金铸锭的头部铁元素偏析现象，避免了锆合金铸锭头部的切除，提高了锆合金铸锭的成品率，进一步扩大了锆合金铸锭的制备规格。2、本专利技术从配料出发制备不同Fe含量的中间合金，结合合理的调配熔炼顺序，减少了熔炼工艺对锆合金铸锭的头部铁元素偏析的不利影响，进一步改善了锆合金铸锭头部铁元素的偏析，提高了锆合金铸锭中成分均匀性。3、现有技术中采用均匀配料即制备各成分含量相同的自耗电极再经熔炼得到的锆合金铸锭头部的Fe的质量含量通常比其他部位高出14％，而本专利技术制备得到的锆合金铸锭头部的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种解决锆合金铸锭头部铁元素富集的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、备料：根据目标产物锆合金铸锭中各组分的成分和含量选择相应质量的核级锆粒、核级海绵锆和其它组分原料进行备料，其它组分原料包括铁；步骤二、中间合金的制备：将步骤一中的核级锆粒和除核级海绵锆以外的其它组分原料分批配料并进行熔炼，得到两批中间合金：中间合金A和中间合金B；所述中间合金A与中间合金B的质量比为1：9，中间合金A中铁的质量含量比中间合金B中铁的质量含量低4％～10％，所述中间合金A与中间合金B中除锆和铁以外的组分含量相同；步骤三、电极制备：将核级海绵锆分别与步骤二中得到的中间合金A和中间合金B压制成电极并组焊成自耗电极A和自耗电极B；所述核级海绵锆中用于中间合金A压制成电极的核级海绵锆与用于中间合金B压制成电极的核级海绵锆的质量比为1:9；步骤四、锆合金铸锭制备：将步骤三中得到的自耗电极A和自耗电极B进行焊接组配成自耗电极并采用自耗电极A作为自耗电极的头部，然后置于真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，得到锆合金铸锭。

【技术特征摘要】
1.一种解决锆合金铸锭头部铁元素富集的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、备料：根据目标产物锆合金铸锭中各组分的成分和含量选择相应质量的核级锆粒、核级海绵锆和其它组分原料进行备料，其它组分原料包括铁；步骤二、中间合金的制备：将步骤一中的核级锆粒和除核级海绵锆以外的其它组分原料分批配料并进行熔炼，得到两批中间合金：中间合金A和中间合金B；所述中间合金A与中间合金B的质量比为1：9，中间合金A中铁的质量含量比中间合金B中铁的质量含量低4％～10％，所述中间合金A与中间合金B中除锆和铁以外的组分含量相同；步骤三、电极制备：将核级海绵锆分别与步骤二中得到的中间合金A和中间合金B压制成电极并组焊成自耗电极A和自耗电极B；所述核级海绵锆中用于中间合金A压制成电极的核级海绵锆与用于中间合金B压制成电极的核级海绵锆的质量比为1:9；步骤四、锆合金铸锭制备：将步骤三中得到的自耗电极A和自耗电极B进行焊接组配成自耗电极并采用自耗电极A作为自耗电极的头部，然后置于真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，得到锆...

【专利技术属性】
技术研发人员：文惠民，严宝辉，田锋，周军，石明华，袁波，肖颖，
申请(专利权)人：西部新锆核材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61