Zr-4合金管材軋制無間隙孔型的應(yīng)用

供稿|施遷，孫陽平，于軍輝 /

作者單位：1. 國核寶鈦鋯業(yè)股份公司，陜西 寶雞 721013；2. 國家能源核級鋯材研發(fā)中心，陜西 寶雞 721013；3. 陜西省核級鋯材重點實驗室，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。文章通過室溫拉伸實驗和CSR實驗，對比了無間隙孔型和有間隙孔型對Zr-4合金管材軋制影響。結(jié)果表明：使用無間隙孔型軋制出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軋輥外圓之間的距離。在鋯合金管材軋制時，變形鋯合金管材坯料會對上下兩個軋輥產(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)鋯合金包殼管時存在軋制生產(chǎn)效率低、耗費孔型坯料的特點。然而，目前國內(nèi)外尚未見孔型改進(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)計方法一直受到核材料工作研究和關(guān)注。本文通過改變孔型精整段曲線，對比有間隙和無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，探究無間隙孔型在鋯合金管材軋制中的可行性。

實驗方法

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。本文通過現(xiàn)場實踐，設(shè)計并加工成2副無間隙孔型和1副間隙孔型，具體參數(shù)如表1所示，設(shè)計時采用相同的孔型系數(shù)及最小錐度。

表1 孔型曲線設(shè)計參數(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。軋制完成后對成品管材的內(nèi)外徑尺寸、橢圓度、室溫拉伸性能進(jìn)行測試，對收縮系數(shù)(CSR)進(jìn)行測量。

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)，測量各孔型的使用壽命。同時測量批量生產(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，測試孔型應(yīng)用其穩(wěn)定性。

實驗結(jié)果與分析

孔型對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)計信息。從表2可見，有間隙孔型在軋制車速為160 r/min時，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。使用無間隙孔型進(jìn)行管材軋制時，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?？梢娛褂脽o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)計方面來說這樣可為后續(xù)的酸洗、內(nèi)酸洗、拋光、無芯磨等工序提供充足的余量。同時，無間隙孔型在軋制車速由160 r/min提高至280 r/min時，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)計信息

孔型對Zr-4合金管材室溫拉伸和CSR性能的影響

圖1為孔型對Zr-4合金管材室溫拉伸性能的影響。從圖1可見，無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)值波動較大。

圖1 孔型對Zr-4合金管材室溫拉伸性能的影響

圖2 為孔型對Zr-4合金管材CSR性能的影響。從圖2可見，無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)。

生產(chǎn)應(yīng)用

圖2 孔型對Zr-4合金管材CSR性能的影響

選用無間隙孔型進(jìn)行Zr-4合金管材批量軋制生產(chǎn)，軋制完成后檢測室溫性能和CSR性能，其檢測結(jié)果如圖3和圖4所示。從圖可見，在批量生產(chǎn)軋制生產(chǎn)過程中，使用無間隙孔型軋制后的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，其室溫拉伸性能和CSR性能數(shù)據(jù)略有波動，而使用無間隙孔型進(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 孔型對批量生產(chǎn)Zr-4合金管材CSR性能的影響

因此，使用無間隙孔型進(jìn)行Zr-4合金管材進(jìn)行軋制時，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

(1) 使用無間隙孔型軋制出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