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        Zr-4合金管材軋制無(wú)間隙孔型的應(yīng)用

        2018-09-27 06:00:36供稿施遷孫陽(yáng)平于軍輝
        金屬世界 2018年5期
        關(guān)鍵詞:孔型延伸率外徑

        供稿|施遷,孫陽(yáng)平,于軍輝 /

        作者單位:1. 國(guó)核寶鈦鋯業(yè)股份公司,陜西 寶雞 721013;2. 國(guó)家能源核級(jí)鋯材研發(fā)中心,陜西 寶雞 721013;3. 陜西省核級(jí)鋯材重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西寶雞 721013

        內(nèi)容導(dǎo)讀

        鋯合金包殼管是核反應(yīng)堆的第一個(gè)屏障,其主要承擔(dān)著包裹核芯塊的作用。包殼管主要由兩輥皮爾格軋制完成生產(chǎn),該軋制工序影響著包殼管的力學(xué)性能和收縮系數(shù)(CSR)性能。文章通過(guò)室溫拉伸實(shí)驗(yàn)和CSR實(shí)驗(yàn),對(duì)比了無(wú)間隙孔型和有間隙孔型對(duì)Zr-4合金管材軋制影響。結(jié)果表明:使用無(wú)間隙孔型軋制出Zr-4合金管材的外徑、內(nèi)徑尺寸偏大、橢圓度較小,可為后續(xù)工序提供充足的余量;使用無(wú)間隙孔型進(jìn)行Zr-4合金管材軋制可有效的提高軋制生產(chǎn)效率;使用無(wú)間隙孔型進(jìn)行Zr-4合金管材批量軋制生產(chǎn),軋制后的管材室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率及CSR性能滿足技術(shù)指標(biāo)要求,可以代替有間隙孔型的Zr-4合金管材軋制生產(chǎn)。

        鋯及鋯合金具有良好的核性能以及在高溫高壓的環(huán)境中具有優(yōu)異耐腐蝕性和力學(xué)性能等優(yōu)良特性,可加工成各種管、板、棒及帶材,是廣泛應(yīng)用于核電站反應(yīng)堆中的結(jié)構(gòu)材料[1]。鋯合金包殼管是核反應(yīng)堆的第一個(gè)屏障,主要由兩輥皮爾格軋制完成生產(chǎn),該軋制工序?qū)Π鼩す艿牧W(xué)性能和CSR性能有一定的影響[2-4]。

        孔型間隙是指上下兩個(gè)軋輥外圓之間的距離。在鋯合金管材軋制時(shí),變形鋯合金管材坯料會(huì)對(duì)上下兩個(gè)軋輥產(chǎn)生反作用力。鋯合金管材坯料在進(jìn)入變形階段時(shí)理論上是存在間隙的。鋯合金管材軋制工模具中的孔型常為有間隙孔型,該工模具生產(chǎn)鋯合金包殼管時(shí)存在軋制生產(chǎn)效率低、耗費(fèi)孔型坯料的特點(diǎn)。然而,目前國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)孔型改進(jìn)的相應(yīng)資料和文獻(xiàn)[5,6]。鑒于此,研究和改進(jìn)現(xiàn)有孔型設(shè)計(jì)方法一直受到核材料工作研究和關(guān)注。本文通過(guò)改變孔型精整段曲線,對(duì)比有間隙和無(wú)間隙的孔型加工后的鋯合金管材室溫力學(xué)、CSR和批量生產(chǎn)穩(wěn)定性,探究無(wú)間隙孔型在鋯合金管材軋制中的可行性。

        實(shí)驗(yàn)方法

        孔型曲線主要由兩部分構(gòu)成,變形段和精整段。變形段的主要作用是控制鋯合金管材的外徑尺寸變形,定徑位置為可以確定所生產(chǎn)管材的外徑尺寸的位置,定徑位置尺寸是指此位置的孔型尺寸。精整段的主要作用是控制鋯合金管材壁厚。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,設(shè)計(jì)并加工成2副無(wú)間隙孔型和1副間隙孔型,具體參數(shù)如表1所示,設(shè)計(jì)時(shí)采用相同的孔型系數(shù)及最小錐度。

        表1 孔型曲線設(shè)計(jì)參數(shù)

        選用Zr-4合金管材作為軋制坯料,軋制尺寸由φ17.78 mm×2.3 mm軋制至φ10 mm×0.7 mm的規(guī)格要求。軋制完成后對(duì)成品管材的內(nèi)外徑尺寸、橢圓度、室溫拉伸性能進(jìn)行測(cè)試,對(duì)收縮系數(shù)(CSR)進(jìn)行測(cè)量。

        采用上述Zr-4合金管材性能合格的孔型進(jìn)行批量化生產(chǎn),測(cè)量各孔型的使用壽命。同時(shí)測(cè)量批量生產(chǎn)中各批次Zr-4合金管材的室溫拉伸、屈服強(qiáng)度及CSR性能,測(cè)試孔型應(yīng)用其穩(wěn)定性。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        孔型對(duì)Zr-4合金管材尺寸的影響

        表2為孔型與軋制后管材尺寸統(tǒng)計(jì)信息。從表2可見(jiàn),有間隙孔型在軋制車速為160 r/min時(shí),軋制后的Zr-4合金管材外徑尺寸為10.020~10.027 mm,橢圓度為0.007 mm,內(nèi)徑尺寸為8.571~8.576 mm。使用無(wú)間隙孔型進(jìn)行管材軋制時(shí),在軋制車速分別為160和280 r/min的車速下,管材的外徑尺寸為10.022~10.038 mm,橢圓度為0.002~0.003 mm,內(nèi)徑尺寸8.583~8.591 mm??梢?jiàn)使用無(wú)間隙孔型進(jìn)行Zr-4合金管材軋制,管材的外徑和內(nèi)徑尺寸偏大,橢圓度較小。從工藝設(shè)計(jì)方面來(lái)說(shuō)這樣可為后續(xù)的酸洗、內(nèi)酸洗、拋光、無(wú)芯磨等工序提供充足的余量。同時(shí),無(wú)間隙孔型在軋制車速由160 r/min提高至280 r/min時(shí),軋制后管材外徑尺寸、直線度及內(nèi)徑尺寸依然較為穩(wěn)定。因此,使用無(wú)間隙孔型可有效的提高軋機(jī)的生產(chǎn)效率。

        表2 孔型與軋制后管材尺寸統(tǒng)計(jì)信息

        孔型對(duì)Zr-4合金管材室溫拉伸和CSR性能的影響

        圖1為孔型對(duì)Zr-4合金管材室溫拉伸性能的影響。從圖1可見(jiàn),無(wú)間隙孔型和有間隙孔型生產(chǎn)出的管材室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率均遠(yuǎn)超技術(shù)指標(biāo)要求。此外,從圖1中還可以看出,有間隙孔型軋制出的管材室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度數(shù)值基本一致,無(wú)間隙孔型軋制出的管材室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率頭中尾處的數(shù)值波動(dòng)較小,而有間隙孔型生產(chǎn)出的管材室溫延伸率數(shù)值波動(dòng)較大。

        圖1 孔型對(duì)Zr-4合金管材室溫拉伸性能的影響

        圖2 為孔型對(duì)Zr-4合金管材CSR性能的影響。從圖2可見(jiàn),無(wú)間隙和有間隙孔型軋制后的管材CSR性能在技術(shù)指標(biāo)要求的范圍內(nèi)。另外,使用無(wú)間隙孔型軋制后的管材與有間隙孔型軋出的管材CSR性能一致。

        綜上所述,使用無(wú)間隙孔型進(jìn)行Zr-4合金管材批量軋制生產(chǎn),軋制后的管材室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率及CSR性能滿足技術(shù)指標(biāo)要求??梢源嬗虚g隙孔型的Zr-4合金管材軋制生產(chǎn)。

        生產(chǎn)應(yīng)用

        圖2 孔型對(duì)Zr-4合金管材CSR性能的影響

        選用無(wú)間隙孔型進(jìn)行Zr-4合金管材批量軋制生產(chǎn),軋制完成后檢測(cè)室溫性能和CSR性能,其檢測(cè)結(jié)果如圖3和圖4所示。從圖可見(jiàn),在批量生產(chǎn)軋制生產(chǎn)過(guò)程中,使用無(wú)間隙孔型軋制后的Zr-4合金管材室溫拉伸和CSR性能均合格。此外,使用有間隙孔型進(jìn)行Zr-4合金管材軋制時(shí),其室溫拉伸性能和CSR性能數(shù)據(jù)略有波動(dòng),而使用無(wú)間隙孔型進(jìn)行軋制后,管材室溫拉伸性能和CSR性能數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

        圖3 孔型對(duì)批量生產(chǎn)Zr-4合金管材室溫拉伸性能的影響

        圖4 孔型對(duì)批量生產(chǎn)Zr-4合金管材CSR性能的影響

        因此,使用無(wú)間隙孔型進(jìn)行Zr-4合金管材進(jìn)行軋制時(shí),其批量軋制后的管材性能穩(wěn)定,可滿足Zr-4合金工業(yè)化生產(chǎn)要求。

        結(jié)束語(yǔ)

        (1) 使用無(wú)間隙孔型軋制出Zr-4合金管材的外徑、內(nèi)徑尺寸偏大,橢圓度較小,可為后續(xù)工序提供充足的余量。

        (2) 使用無(wú)間隙孔型進(jìn)行Zr-4合金管材軋制可有效的提高軋制生產(chǎn)效率。

        (3) 使用無(wú)間隙孔型進(jìn)行Zr-4合金管材批量軋制生產(chǎn),軋制后的管材室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率及CSR性能滿足技術(shù)指標(biāo)要求??梢源嬗虚g隙孔型的Zr-4合金管材軋制生產(chǎn)。

        攝影 賈大庸

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