Zr/Cu復(fù)合板應(yīng)用于離心甩片裝置的可行性分析

張軍良，李中奎，劉 輝，崔 順，陳小林

（西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016）

鋯合金的熔煉，一般需要 ZrSn、ZrFe、ZrCr、ZrNb等中間合金[1]。制備這些中間合金，通常采用真空感應(yīng)熔煉澆鑄成錠，經(jīng)車削、粉碎，再以碎屑狀態(tài)與海綿鋯混合，壓成電極，然后進(jìn)行真空電弧熔煉，獲得成品鋯合金錠。

目前提出了改進(jìn)鋯中間合金熔煉的方法——離心甩片法，即將坩堝內(nèi)熔煉好的中間合金液直接澆鑄在水冷旋轉(zhuǎn)圓盤上，甩出液滴打在水冷收料箱壁，落入水冷收料箱底，經(jīng)過三級(jí)冷卻，使液滴冷卻成紐扣狀圓片，再用于壓電極即可。

水冷旋轉(zhuǎn)圓盤及水冷收料箱，一般采用工業(yè)純銅制作，為了防止銅對(duì)鋯中間合金的污染，提出了以Zr/Cu復(fù)合板代替純銅板的方案，使鋯合金液滴打在鋯層表面，而鋯對(duì)鋯中間合金不構(gòu)成污染。

1 Zr/Cu復(fù)合板的破壞形式

一種新材料用于機(jī)械裝置是否可行，首先，應(yīng)判斷其破壞形式及產(chǎn)生破壞的影響因數(shù)；其次，是給出防止破壞的有效措施；最后得出新材料是否可用的結(jié)論[2]。

按照爆炸焊接的一般概念而言，當(dāng)兩種金屬爆炸焊接合格后，其界面的結(jié)合強(qiáng)度，一般大于較弱母材的基體強(qiáng)度，在外力作用下，理應(yīng)基體先破壞，界面后破壞。但在某些場(chǎng)合下，界面受力較大，而基體不受力，或受力較小，此時(shí)便可在界面發(fā)生破壞。例如，因兩種金屬的線膨脹系數(shù)差異較大，在外界熱量傳入復(fù)合板后，在界面處會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，此熱應(yīng)力有可能導(dǎo)致界面的分層破壞：可能出現(xiàn)的破壞形式為邊緣分層，中心鼓包（如圖1所示）。

圖1 Zr/Cu復(fù)合板破壞形式示意圖

導(dǎo)致界面破壞的外界應(yīng)力，主要為平行界面的剪應(yīng)力及垂直界面的拉應(yīng)力，只有這兩種應(yīng)力大于界面的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，才能產(chǎn)生破壞；而小于界面的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生破壞。

我們的工作，是設(shè)計(jì)合理的復(fù)合板幾何參數(shù)及控制外界作用形成的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力大小，使之小于界面結(jié)合強(qiáng)度，才能保證復(fù)合板的有效使用。

2 尺寸對(duì)界面的影響

選用Zr/Cu復(fù)合板制作離心甩片裝置的水冷轉(zhuǎn)盤及收料箱，主要利用了鋯與鋯中間合金接觸可避免污染的特性，同時(shí)利用了銅傳熱快，能將來自鋯表面的熱量傳至銅表面，再由冷卻水帶走的特性。

Zr/Cu復(fù)合板的尺寸設(shè)計(jì)，主要是指復(fù)合板的厚度設(shè)計(jì)與Zr復(fù)層的厚度設(shè)計(jì)。按照一般原則，復(fù)合板的尺寸設(shè)計(jì)，主要考慮適用場(chǎng)合、服役條件、使用安全性、價(jià)格以及制作難易程度等。

本處離心轉(zhuǎn)盤為平面圓盤結(jié)構(gòu)，直徑為Ф250 mm。如圖2所示。

承受的外力，有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力與鋯中間合金液的沖擊力。水冷收料箱為圓筒結(jié)構(gòu)，承受的外力為由離心轉(zhuǎn)盤甩出的鋯中間合金半固態(tài)液滴的沖擊力。二者相比，離心轉(zhuǎn)盤承受的外力要大一些，因此離心轉(zhuǎn)盤整體厚度設(shè)計(jì)較大，復(fù)層厚度設(shè)計(jì)較厚。根據(jù)其他復(fù)合材料在壓力容器中應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，用于離心轉(zhuǎn)盤的Zr/Cu復(fù)合板厚度，初步設(shè)計(jì)為3+10=13（mm）。用于水冷收料箱的Zr/Cu復(fù)合板厚度初步設(shè)計(jì),為2+8=10（mm）。詳細(xì)的理論計(jì)算涉及運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等方面的因素，難度較大，涉及面太廣，本文只給出大概的設(shè)計(jì)原理。

圖2 離心甩片裝置示意圖

現(xiàn)以鼓包破壞進(jìn)行討論。如圖3所示，當(dāng)鋯中間合金液滴打在水冷轉(zhuǎn)盤上a點(diǎn)時(shí)，由于溫度梯度的原因會(huì)在a—b形成由大到小的拉應(yīng)力在b—c點(diǎn)形成剪應(yīng)力，未破壞前b點(diǎn)和c點(diǎn)是重合的。a—b的拉應(yīng)力促使鋯復(fù)層伸長(zhǎng)，結(jié)果會(huì)形成向上的翹曲，b點(diǎn)處的剪應(yīng)力使得界面產(chǎn)生滑移，二者共同作用的結(jié)果，導(dǎo)致界面分離鼓包，隨著鼓包不斷擴(kuò)大，分離點(diǎn)c不斷外移。

圖3 水冷轉(zhuǎn)盤單元分析

在平板結(jié)構(gòu)中，這種破壞方式相對(duì)容易形成，而在圓筒結(jié)構(gòu)中不易形成，主要是圓筒的向心力作用產(chǎn)生反向壓應(yīng)力，抵消一部分拉應(yīng)力，使合力減小，如圖4所示。

圖4 水冷收料箱單元分析

因此，水冷轉(zhuǎn)盤用復(fù)合板的整體厚度及鋯復(fù)層厚度，應(yīng)大于水冷收料箱用復(fù)合板的相應(yīng)厚度。

復(fù)層越厚，彎曲變形所需要的外力越大，因此說，復(fù)層厚度的大小與材料使用的安全性成正比，考慮到熱量傳輸速度、溫度梯度、應(yīng)力分布、價(jià)格等因數(shù)，復(fù)層厚度應(yīng)合理選擇為宜。

3 離心轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的影響

水冷離心轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，一方面決定了甩出液滴的尺寸大小，這是根據(jù)生產(chǎn)需求決定的，一旦確定，則不能隨意更改；另一方面決定了傳入Zr/Cu復(fù)合板的熱量大小，這是對(duì)復(fù)合板產(chǎn)生破壞作用的主要因數(shù)，需要進(jìn)行控制。

轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，離心力越大，液滴在板面的接觸時(shí)間越短，傳輸?shù)臒崃吭缴?，?duì)復(fù)合板的破壞作用越小，反之亦然[3]。

熱量在復(fù)合板中傳輸，導(dǎo)致溫度升高，溫度的變化曲線如圖5所示。

圖5 Zr/Cu復(fù)合板熱傳導(dǎo)溫度變化曲線

由鋯表面a點(diǎn)到界面b點(diǎn)，溫度變化速度較慢，由b點(diǎn)到銅表面d點(diǎn)，溫度變化較快，這主要是由于鋯銅兩種金屬的傳熱能力差異所致。b點(diǎn)溫度的高低，與破壞力大小成正比，b點(diǎn)溫度越高，因線膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的剪應(yīng)力越大，反之則小。因此為了防止復(fù)合板界面破壞，應(yīng)控制b點(diǎn)的溫度。

4 澆鑄液流量的影響

從感應(yīng)熔煉爐坩堝流出的鋯中間合金液的流量大小，決定了傳入Zr/Cu復(fù)合水冷旋轉(zhuǎn)盤熱量的大小，而熱量大小對(duì)復(fù)合板的破壞作用前已述及。

本處考慮的問題是：每爐次的熔煉總質(zhì)量已確定，甩出的液滴大小應(yīng)符合要求，可調(diào)節(jié)的是澆鑄液流量和水冷轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速。可以采用大流量大轉(zhuǎn)速短時(shí)間完成甩片任務(wù)，也可以采用小流量小轉(zhuǎn)速長(zhǎng)時(shí)間完成甩片任務(wù)。前者對(duì)Zr/Cu復(fù)合板的破壞作用大，后者對(duì)Zr/Cu復(fù)合板的破壞作用小，可以通過實(shí)驗(yàn)獲得最佳的工藝參數(shù)，使生產(chǎn)效率和對(duì)設(shè)備的損壞達(dá)到合理的程度[4]。

5 冷卻水流量的影響

冷卻水流量的大小，決定了圖5中b點(diǎn)和d點(diǎn)的溫度高低，對(duì)Zr/Cu復(fù)合材料的安全使用起到?jīng)Q定作用，此處也存在一個(gè)水消耗量與安全生產(chǎn)的最佳參數(shù)選擇問題，一般應(yīng)控制水溫在30～40℃，手感不發(fā)燙為宜。

6 結(jié)束語(yǔ)

將Zr/Cu復(fù)合板作為水冷轉(zhuǎn)盤及水冷收料箱的材料，并從多方面討論了Zr/Cu復(fù)合板應(yīng)用于真空感應(yīng)熔煉甩片裝置的可能性，主要解決如下問題：

一是Zr/Cu復(fù)合板的應(yīng)用，有效解決了鋯中間合金的污染問題；

二是Zr/Cu復(fù)合板的厚度設(shè)計(jì)，應(yīng)以滿足安全生產(chǎn)為宜；

三是為防止Zr/Cu復(fù)合板出現(xiàn)鼓包、分層等形式的破壞，采用調(diào)整轉(zhuǎn)盤速度、澆鑄液流量及控制冷卻水流量等措施，亦可達(dá)到目的。

[1]王錦江，王榮山，翁立奎，等.含Nb鋯合金中第二相的吸放氫性能[J].金屬學(xué)報(bào)，2011，（9）：1200-1204.

[2]許煥衛(wèi)，黃洪鐘，何俐萍.穩(wěn)健設(shè)計(jì)中的穩(wěn)健可行性分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，（22）：1721-1724.

[3]左 虹.高速冷凍離心機(jī)固定角轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度測(cè)試分析[J].湖南農(nóng)機(jī)，2008，（3）：21-23.

[4]鄭兆昌.機(jī)械振動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.