鈾純化BTTⅡ8型煅燒爐焊接件爐筒的研制與應(yīng)用

李 勤，劉偉林

(中核二七二鈾業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 衡陽 421004)

BTTⅡ8型煅燒爐是中國某天然鈾氧化物純化生產(chǎn)線煅燒工序的主體設(shè)備，屬臥式電熱回轉(zhuǎn)爐類型[1]，為20世紀(jì)50年代前蘇聯(lián)援建產(chǎn)品。傳統(tǒng)煅燒爐爐筒總長為7 800 mm，外徑為450 mm，壁厚為16～20 mm，總質(zhì)量約2 300 kg，腔內(nèi)導(dǎo)程板為內(nèi)螺旋葉片設(shè)計。基于AUC煅燒生產(chǎn)UO2的反應(yīng)原理[2]和煅燒氣氛，要求煅燒爐的爐筒材質(zhì)具備優(yōu)良的耐高溫和耐堿腐蝕性能；并且根據(jù)對不同區(qū)域的加熱功率要求[3]，腔內(nèi)導(dǎo)程板需設(shè)計為高度不同、規(guī)則排列的內(nèi)螺旋葉片結(jié)構(gòu)。

由于材質(zhì)要求的特殊性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)煅燒爐爐筒都是采用翻砂鑄造工藝，按照特定的金屬成分配比鐵水，分5段澆注筒體，再組焊合成鑄造件爐筒。爐筒使用性能的好壞是煅燒爐能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵，國內(nèi)鑄造件爐筒往往因氣孔、夾渣、質(zhì)地疏松、壁厚誤差大等鑄造工藝缺陷[4]，容易形成廢品。

把復(fù)雜鑄鍛件轉(zhuǎn)為焊接件生產(chǎn)，已成為當(dāng)今加工大型設(shè)施的一種趨勢[5]。為保障煅燒爐產(chǎn)能，提高運(yùn)行效益，研制適用于BTTⅡ8型煅燒爐的焊接件爐筒。

1 焊接件爐筒研制原則

焊接件爐筒的材質(zhì)應(yīng)滿足鈾氧化物煅燒生產(chǎn)氣氛下的耐高溫和耐堿腐蝕等性能要求；其設(shè)計規(guī)格應(yīng)滿足在BTTⅡ8型煅燒爐上安裝和穩(wěn)定運(yùn)行要求，并可實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)鑄造件爐筒的互換；其使用性能應(yīng)優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造件爐筒，且制造難度低，維修便捷。

2 焊接件爐筒研制方案

2.1 制造工藝路線

焊接件爐筒的制造工藝路線：1)爐筒總體規(guī)格執(zhí)行原有尺寸，筒體由原5段制作改為2段制作；2)筒體、螺旋葉片及加強(qiáng)板等受熱材料采用2520特種耐熱不銹鋼型材；3)筒體采用管材拉拔成型工藝，螺旋葉片、加強(qiáng)板采用板材切割、沖壓成型工藝，擋圈及法蘭等爐筒附件采用機(jī)床加工成型工藝；4)采用焊接工藝將全部組件焊制，經(jīng)熱處理后得到成品爐筒。焊接件爐筒整體裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—筒體；2—焊縫加強(qiáng)板；3—焊縫加強(qiáng)圈；4—螺旋葉片；5—托輪擋圈；6—接管法蘭。圖1 焊接件爐筒整體裝配示意圖

2.2 爐筒材質(zhì)選擇

基于AUC煅燒生產(chǎn)UO2的反應(yīng)原理和煅燒氣氛，爐筒材質(zhì)要求有優(yōu)良的耐高溫和耐堿腐蝕性能。原有傳統(tǒng)鑄造件爐筒的材質(zhì)，屬高鎳特制合金，其化學(xué)成分見表1。

表1 傳統(tǒng)爐筒用特制合金化學(xué)成分 %

在BTTⅡ8型煅燒爐的運(yùn)行和維護(hù)中，傳統(tǒng)鑄造件爐筒通常在3～6個月的運(yùn)行周期內(nèi)，會出現(xiàn)氣孔、裂紋甚至斷裂情況，嚴(yán)重影響煅燒爐的產(chǎn)能和產(chǎn)品質(zhì)量。

在與BTTⅡ8型煅燒爐相同的生產(chǎn)工況中，某公司的氧化鈾煅燒爐采用2520耐熱不銹鋼作為爐筒主體材料，取得了良好的效果。2520耐熱不銹鋼是奧氏體鉻鎳不銹鋼，其化學(xué)成分見表2。

表2 2520耐熱不銹鋼化學(xué)成分 %

2520耐熱不銹鋼因鎳、鉻含量較高，具有良好的耐氧化、耐腐蝕、耐酸堿、耐高溫性能，其最高使用溫度可達(dá)1 200 ℃，耐高溫鋼管專用于制造電熱爐管等場合[6]。焊接件爐筒采用與新型煅燒爐爐筒相同的主體材料，即2520耐熱不銹鋼，主要材料見表3。

表3 焊接件爐筒選材規(guī)格和參數(shù)

2.3 爐筒形變控制

2.3.1 爐筒加工形變控制

因筒體內(nèi)徑較小，內(nèi)部螺旋葉片施焊空間不夠，需將每個筒體對中縱向切剖為半圓筒體，以便于螺旋葉片在筒體內(nèi)壁上的逐片焊接。為控制筒體切剖過程及焊接過程的變形，保證爐筒成型精度，設(shè)計、制作了爐筒外形定型管模，使用外力作用控制加工變形量，對爐筒外形整體進(jìn)行加固定型。經(jīng)檢驗(yàn)，加工后爐筒的圓度誤差小于2 mm，直線度誤差小于3.5 mm，加工尺寸符合設(shè)計技術(shù)要求。爐筒外形定型管模實(shí)物如圖2所示。

1—外形固定連板；2—定位桿(方管)；3—對開定位板。圖2 爐筒外形定型管模

2.3.2 爐筒熱膨脹形變控制

在BTTⅡ8型煅燒爐爐筒安裝及運(yùn)行中，熱膨脹裕量控制是以鑄造件爐筒的長度及其長度熱膨脹量為標(biāo)準(zhǔn)的。在高溫煅燒環(huán)境下，不同金屬材料的熱膨脹系數(shù)有所差別，其長度熱膨脹量計算公式[7]為

△L=ɑ·L(t2-t1)，

(1)

式中：△L—爐筒設(shè)計長度熱膨脹量，mm；ɑ—線性熱膨脹系數(shù)，2520鋼在900 ℃時的平均線性熱性膨脹系數(shù)為19×10-6/℃；L—爐筒設(shè)計長度，mm；t1—周圍空氣溫度，℃；t2—材料溫度，℃。在840～880 ℃煅燒溫度下，L取7 800 mm，計算得到△L為124.49 mm。

在840～880 ℃煅燒溫度下，鑄造件爐筒的長度熱膨脹量實(shí)測數(shù)據(jù)為102.75 mm。設(shè)計長度為7 800 mm的焊接件爐筒，其長度熱膨脹量將比鑄造件爐筒的長度熱膨脹量增加21.74 mm左右。研制中，以減少焊接件爐筒進(jìn)料端20 mm長度的方式，來滿足爐筒線性熱膨脹形變控制要求，即焊接件爐筒焊接前的總長控制為7 780 mm。

2.4 焊接質(zhì)量控制

2.4.1 筒體焊縫補(bǔ)強(qiáng)

2520鋼屬于耐熱型奧氏體不銹鋼，在焊接過程中會產(chǎn)生敏化現(xiàn)象，焊縫處容易發(fā)生應(yīng)力破裂，需要對筒體焊縫采取加強(qiáng)措施[8]。研制中，采用與筒體材質(zhì)相同的2520鋼加強(qiáng)護(hù)板、加強(qiáng)護(hù)圈，對筒體縱向焊縫和中部環(huán)形焊縫進(jìn)行加強(qiáng)，用來彌補(bǔ)筒體焊縫對截面抵抗彎矩的削弱。

爐筒縱向焊縫加強(qiáng)護(hù)板結(jié)構(gòu)如圖3所示，爐筒環(huán)形焊縫加強(qiáng)護(hù)圈結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—焊縫加強(qiáng)護(hù)板；2—筒體；3—螺旋葉片。圖3 筒體縱向焊縫加強(qiáng)護(hù)板示意圖

1—焊縫加強(qiáng)護(hù)圈；2—筒體；3—螺旋葉片。圖4 筒體環(huán)形焊縫加強(qiáng)護(hù)圈示意圖

2.4.2 焊接應(yīng)力消除

采用錘擊振動法、火焰回火法和整體回火法消除焊接應(yīng)力。

1)錘擊振動法。在焊接過程中，每焊完一根焊條，及時用專用焊工錘對剛形成的焊縫區(qū)域錘擊數(shù)十次。通過錘擊對焊縫產(chǎn)生振幅，使焊接應(yīng)力分散、減弱。

2)火焰回火法。在組件焊縫焊接完成后，采用2支氧氣焊槍在焊縫兩側(cè)50 mm處同時緩慢移動加熱，溫度控制為560～600 ℃，加熱一段，采用保溫棉包裹保溫一段，保溫時間控制為12 h，進(jìn)一步消除焊接應(yīng)力。

3)整體回火法。將成品爐筒安裝于煅燒爐內(nèi)，爐筒運(yùn)轉(zhuǎn)速度控制為1.5 r/min，最高溫度控制為560 ℃，整體加溫回火24 h，徹底消除焊接應(yīng)力。整體回火溫度控制曲線如圖5所示。

圖5 爐筒整體回火溫度控制曲線

3 焊接件爐筒現(xiàn)場應(yīng)用

將研制的第一根焊接件爐筒用于某公司鈾純化生產(chǎn)線的BTTⅡ8型煅燒爐，開展試驗(yàn)和試生產(chǎn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 焊接件爐筒和鑄造件爐筒試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

現(xiàn)場應(yīng)用表明：1)焊接件爐筒規(guī)格尺寸及其熱膨脹量滿足在BTTⅡ8型煅燒爐上的安裝和運(yùn)行要求，運(yùn)行過程平穩(wěn)；2)采用焊接件爐筒的煅燒爐系統(tǒng)與采用傳統(tǒng)鑄造件爐筒的煅燒爐系統(tǒng)相比，UO2煅燒生產(chǎn)設(shè)備的控制參數(shù)一致，產(chǎn)出的UO2產(chǎn)品質(zhì)量均合格；3)焊接件爐筒累計300 d的運(yùn)行時間內(nèi)，未出現(xiàn)斷裂、脫焊、氧化等品質(zhì)缺陷問題，相較于運(yùn)行周期為90～180 d的傳統(tǒng)鑄造件爐筒，使用性能更優(yōu)良，使用壽命更長。

在該生產(chǎn)線上，現(xiàn)已制造多根焊接件爐筒，在多臺BTTⅡ8型煅燒爐上推廣應(yīng)用，全面取代了傳統(tǒng)鑄造件爐筒。

4 結(jié)論

針對BTTⅡ8型煅燒爐傳統(tǒng)鑄造件爐筒生產(chǎn)難度大、成品爐筒本質(zhì)缺陷多、使用壽命較短的現(xiàn)狀，在使用新型耐熱不銹鋼材料的基礎(chǔ)上，開發(fā)了爐筒制造工藝，研制了可替代傳統(tǒng)鑄造件爐筒的焊接件爐筒。應(yīng)用結(jié)果表明，焊接件爐筒較傳統(tǒng)鑄造件爐筒使用性能更好，使用壽命更長，保障了天然鈾氧化物煅燒生產(chǎn)設(shè)備的產(chǎn)能和產(chǎn)品質(zhì)量，提高了設(shè)備運(yùn)行效益。