N18合金板材酸洗工藝試驗(yàn)研究

渠靜雯，李新意

(西部新鋯核材料科技有限公司，陜西 西安 710000)

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N18合金板材酸洗工藝試驗(yàn)研究

渠靜雯，李新意

(西部新鋯核材料科技有限公司，陜西 西安 710000)

摘要：在N18合金板材生產(chǎn)中，酸洗操作中易出現(xiàn)過酸洗以及在酸洗控厚中板材尺寸超差現(xiàn)象，對(duì)此進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。研究了氫氟酸濃度、酸洗液溫度以及硝酸濃度對(duì)N18板材酸洗效果的影響，并對(duì)酸洗后的板材取樣進(jìn)行了氫含量分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，酸洗液中氫氟酸起主要腐蝕作用，當(dāng)濃度約為8%時(shí)，酸洗反應(yīng)較平緩，酸洗液溫度上升較慢，板材酸洗效果好；酸洗液溫度對(duì)酸洗速率有明顯影響，為保證酸洗過程可控，酸洗液反應(yīng)溫度應(yīng)控制在≤40 ℃；硝酸起控制反應(yīng)速率和氫含量的作用，硝酸濃度增高，酸洗反應(yīng)速率降低，40%～50%的硝酸適宜。

關(guān)鍵詞：酸洗；濃度；酸洗溫度；酸洗時(shí)間；對(duì)比試驗(yàn)

鋯合金由于中子吸收截面小，且具有良好的力學(xué)性能以及耐腐蝕性能，因此常被用作核反應(yīng)燃料元件包殼、結(jié)構(gòu)件和堆芯材料，并在工業(yè)設(shè)備上得到了日益廣泛的應(yīng)用[1]。N18(NZ2)合金作為我國自主研發(fā)的用于高燃耗、長周期燃料元件的新型鋯合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性能[2]。在生產(chǎn)N18鋯合金板材的過程中，酸洗工序是生產(chǎn)過程中很重要的工序，其目的是：1)去除熱處理后鋯合金板材面的氧化皮及殘留的潤滑油[3-5]；2)控制成品板材尺寸。鋯合金的耐腐蝕性較好，但與氫氟酸的反應(yīng)較劇烈，在實(shí)際生產(chǎn)過程中既要保證N18板酸洗后表面清潔、光亮，還要保證其尺寸精度；因此，研究N18板材酸洗液參數(shù)對(duì)酸洗效果的影響具有很大的工程應(yīng)用意義。本試驗(yàn)針對(duì)N18板材，采用單因素試驗(yàn)方法探索合適的酸洗液參數(shù)范圍，為滿足N18板材在大規(guī)模生產(chǎn)中酸洗出合格的鋯合金板材奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

1試驗(yàn)材料、試劑和設(shè)備

本次試驗(yàn)采用的材料為N18板材，名義化學(xué)成分見表1，狀態(tài)為再結(jié)晶退火態(tài)，試驗(yàn)樣品規(guī)格為δ(3.2～3.5) mm×30 mm×122 mm(見圖1)。

表1　N18合金名義化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　 (%)

圖1　N18合金板材酸洗試驗(yàn)樣品

酸洗試劑為工業(yè)氫氟酸和工業(yè)硝酸。

檢測器具與設(shè)備為溫度計(jì)、板厚千分尺和Leco/RH600定氫儀。

2試驗(yàn)過程與方法

在酸洗過程中決定酸洗速率和酸洗表面質(zhì)量的主要因素是氫氟酸和硝酸的濃度，本次試驗(yàn)是在保證板材酸洗去除量為(0.1±0.03) mm的條件下，通過對(duì)比酸洗用時(shí)、酸洗表面質(zhì)量以及酸洗過程可操作性來分析酸洗參數(shù)對(duì)酸洗過程的影響，并得出適宜的工藝參數(shù)范圍。共制定了3組單因素試驗(yàn)方案，分別為不同氫氟酸濃度、不同硝酸濃度以及不同酸洗液溫度，具體試驗(yàn)方案見表2～表4。

表2　方案1：不同氫氟酸濃度

表3　方案2：不同酸洗液溫度

表4　方案3：不同硝酸濃度

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1不同氫氟酸濃度試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同氫氟酸濃度酸洗試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5　不同氫氟酸濃度酸洗試驗(yàn)結(jié)果

由表5可以看出，在相同硝酸濃度和酸洗液溫度下，氫氟酸濃度越高，去除(0.1±0.03) mm N18合金所用時(shí)間越短，酸洗速率越快。從酸洗板材表面質(zhì)量來看，濃度為3%的氫氟酸酸洗液酸洗后的N18板材表面干凈但不是很光亮，濃度為5%～15%的氫氟酸酸洗液酸洗后的N18板材表面干凈光亮。從酸洗速率來看，濃度為3%～5%的氫氟酸酸洗液酸洗N18板材時(shí)，反應(yīng)緩慢，試樣表面附著密集的小氣泡；濃度為8%的氫氟酸酸洗液酸洗N18板材時(shí)，反應(yīng)平緩，小氣泡增多，反應(yīng)速率較低濃度時(shí)增快；濃度為10%的氫氟酸酸洗液酸洗N18板材時(shí)，反應(yīng)速率較快，有大量氣泡生成，酸洗液的溫度也隨酸洗過程升溫較快；濃度為15%的氫氟酸酸洗液酸洗板材時(shí)，反應(yīng)劇烈，酸洗液溫度迅速升高，酸洗后期有大量黃煙生成，鋯板尺寸精度難以控制，反應(yīng)不可控。在實(shí)際酸洗過程中，酸洗液中酸的濃度會(huì)隨酸洗反應(yīng)的進(jìn)行不斷降低，故氫氟酸的濃度不是定值而是一個(gè)變量。

鋯與氫氟酸會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)方程式為：

過高濃度的氫氟酸易導(dǎo)致板材表面吸氫量增加，影響板材性能。綜合上述因素考慮，濃度約為8%的氫氟酸酸洗液酸洗N18板材效果較好。

3.2不同酸洗液溫度試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同酸洗液溫度酸洗試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6　不同酸洗液溫度酸洗試驗(yàn)結(jié)果

由表6可以看出，使用8%的氫氟酸和45%的硝酸，酸洗液溫度越高，去除(0.1±0.03) mm N18板材所用時(shí)間越短，酸洗速率越快。30 ℃的酸洗液酸洗N18板材時(shí)反應(yīng)平緩，整個(gè)反應(yīng)過程冒出大量的小氣泡；40 ℃的酸洗液酸洗N18板材時(shí)，開始反應(yīng)平緩，隨著酸洗反應(yīng)進(jìn)行，酸洗液溫度不斷升高，酸洗速率加快，有大量氣泡溢出；50 ℃的酸洗液酸洗N18板材時(shí)，反應(yīng)一開始就較劇烈，有大量氣泡溢出，酸洗液溫度上升迅速，當(dāng)酸洗液溫度上升至約為55 ℃時(shí)，開始有大量黃煙生成，酸洗反應(yīng)劇烈不可控，酸洗尺寸精度無法保證。由于酸洗過程本來就是一個(gè)放熱過程，酸洗過程中控制酸洗液溫度對(duì)酸洗板材質(zhì)量至關(guān)重要。綜合上述因素，N18板材酸洗液溫度應(yīng)≤40 ℃。

3.3不同硝酸濃度試驗(yàn)結(jié)果與分析

決定酸洗速率和酸洗效果的另一關(guān)鍵因素在于硝酸的濃度，硝酸在腐蝕液中起到控制反應(yīng)速率和吸氫量的作用，其反應(yīng)方程式為：

3Zr+4HNO3+12HF=3ZrF4+8H2O+4NO↑

使用濃度為8%的氫氟酸，在25 ℃酸洗液溫度下，用5種不同濃度的硝酸酸洗液進(jìn)行酸洗試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7　不同硝酸濃度酸洗結(jié)果

使用5種濃度(10%、20%、30%、40%和50%)的硝酸酸洗液酸洗N18板材時(shí)，其表面均干凈、光亮，酸洗反應(yīng)隨著硝酸濃度的增加，酸洗速率逐漸放緩。通過對(duì)不同濃度的硝酸酸洗液酸洗過的板材試樣進(jìn)行氧、氮和氫含量分析得出，5種試樣的氫含量均為0.001%，分析結(jié)果見表8。

表8　氫元素含量分析

由于本次試驗(yàn)是以酸洗去除(0.1±0.03) mm N18板材為試驗(yàn)前提的，酸洗時(shí)間較短，而在實(shí)際生產(chǎn)中要靠酸洗控制厚度，可能需要酸洗的時(shí)間較長，且硝酸濃度低易使板材吸氫，故為控制板材尺度且防止板材吸氫，硝酸濃度不宜太低，最佳濃度為40%～50%。

4結(jié)語

綜上所述，可以得出如下結(jié)論。

1)在酸洗過程中氫氟酸起腐蝕作用，氫氟酸濃度低時(shí)，酸洗板材表面不光亮，氫氟酸濃度過高時(shí)，酸洗反應(yīng)劇烈不可控，無法保證酸洗板材尺寸精度；硝酸起控制反應(yīng)速率和吸氫量的作用，酸洗反應(yīng)隨硝酸濃度的增加而降低；酸洗液溫度控制反應(yīng)速率，酸洗液溫度過高會(huì)導(dǎo)致硝酸揮發(fā)，產(chǎn)生大量黃煙，反應(yīng)劇烈而不可控制。

2)考慮到N18板材在實(shí)際生產(chǎn)中，既要防止過酸洗，又要控制板材尺寸精度，故酸洗N18板材的氫氟酸、硝酸和水的最佳配比約為8%∶(40%～50%)∶其余水，酸洗液溫度應(yīng)≤40 ℃。

3)實(shí)際生產(chǎn)會(huì)和實(shí)驗(yàn)室研究存在一定差異，實(shí)際生產(chǎn)過程中需要酸洗大量板材，酸洗液濃度會(huì)不斷降低，要及時(shí)補(bǔ)充酸并控制酸洗液溫度。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯鄭練

Study on Pickling Process of N18 Zirconium Alloy Plate

QU Jingwen, LI Xinyi

(Western Energy Material Technologies Co., Ltd., Xi’an 710016, China)

Abstract：When producting N18 zirconium alloy plate, it is easy to find the phenomenon of over pickling and size out-of-tolerance after pickling. According to this situation, the contrast tests is devised by selecting different concentration of HNO3and HF with different temperature of the pickling is solution. The results of the study show that when concentration of HF is about eight percent, pickling more gentle, the and the acid liquid temperature rises slowly, acid cleaning effect is good. The acid temperature has obvious influence on the rate of acid pickling and the acid temperature should be controlled in no more than 40 ℃, the reaction rate and hydrogen content is controlled by HNO3.Then the reaction rate of pickling reduced with the concentration of HNO3increases, and the 40%-50% HNO3 is appropriate.

Key words:pickling, concentration, pickling temperature, pickling time, contrast test

中圖分類號(hào)：TG 146.4+14

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

收稿日期：2015-11-05

作者簡介：渠靜雯(1988-)，女，助理工程師，碩士，主要從事鋯合金及其生產(chǎn)加工等方面的研究。