工業(yè)純鋯鮑爾環(huán)成型回彈影響因素研究

李有華，李曉軍，代艷妮，陳 猛

（1.寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西寶雞721014；2. 寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西寶雞721014）

1 前言

填料塔早期應(yīng)用的填料是拉西環(huán)填料，由于該填料存在有液體溝流和壁流現(xiàn)象，效率較低。隨著填料塔在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了各種新型填料，如矩鞍、鮑爾環(huán)和階梯環(huán)填料等[1]。鮑爾環(huán)是在拉西環(huán)基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種填料[2]，為外徑與高度相等的圓環(huán)，在側(cè)壁上開出兩排長方形的窗孔，被切開環(huán)壁的一側(cè)仍與壁面相連，另一側(cè)向環(huán)內(nèi)彎曲，形成內(nèi)伸的舌葉，各舌葉的側(cè)邊在環(huán)中心相搭。由于這種特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，鮑爾環(huán)具有通氣量大、氣體阻力小、內(nèi)表面利用率高的特點(diǎn)[3]。鮑爾環(huán)的材質(zhì)經(jīng)歷了陶瓷、聚丙烯和金屬材質(zhì)的變更，陶瓷材質(zhì)易碎和聚丙烯的易老化特性限制其使用范圍，工業(yè)級(jí)鋯在許多有機(jī)酸、無機(jī)酸、強(qiáng)堿和熔融鹽中具有優(yōu)異的耐蝕性，是優(yōu)異的化工耐蝕結(jié)構(gòu)材料[4]。近年來在國內(nèi)一些現(xiàn)代化化工企業(yè)中得到越來越多的青睞，市場發(fā)展前景良好。然而，工業(yè)純鋯在制作鮑爾環(huán)的過程中，受到材料性能的各向異性、屈服強(qiáng)度和沖壓成型速度等多方面因素的影響，在成型后會(huì)有不同程度的回彈，為解決回彈造成后續(xù)填料的使用問題，本文將從軋制方式、晶粒尺寸、屈服強(qiáng)度和成型速度等方面探討鮑爾環(huán)成型回彈影響因素，為實(shí)際生產(chǎn)提供借鑒和參考。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用寶雞鈦業(yè)股份有限公司經(jīng)3次VAR熔煉的工業(yè)純鋯鑄錠，牌號(hào)為R60702，在鑄錠頭、上、中、下、底五點(diǎn)取樣測試化學(xué)成分，鑄錠成分均勻性良好，符合ASTM B551標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

鑄錠經(jīng)鍛造和表面刨銑后，板坯軋制分別采用帶式和片式生產(chǎn)工藝，成品帶材厚度為0.8mm，對比不同軋制方式對成型回彈的影響。成品熱處理分別采用卷式真空退火和連續(xù)真空退火，對比不同熱處理工藝對成型回彈的影響，表1為具體實(shí)驗(yàn)方案。用液壓剪床切取縱橫向室溫拉伸和金相組織試樣，在CMT5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)上測試室溫拉伸性能。金相試樣經(jīng)砂紙打磨和機(jī)械拋光后，采用配比為HF：HNO3：H2O=1：3：9（體積分?jǐn)?shù)）的浸蝕液腐蝕，用 Axiovert200mat光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量鮑爾環(huán)沖壓成型后的回彈數(shù)值。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

3 結(jié)果與討論

3.1 軋制方式

在化學(xué)成分相同的條件下，真空熱處理制度為650℃ /10h，爐冷，對比不同軋制方式生產(chǎn)的工業(yè)純鋯室溫拉伸力學(xué)性能，分別測量鮑爾環(huán)成型后的回彈數(shù)值，如圖1和圖2所示。結(jié)果表明，片式生產(chǎn)時(shí)力學(xué)性能縱橫向均勻性良好，縱向屈服強(qiáng)度值比橫向低24MPa，抗拉強(qiáng)度和延伸率值相當(dāng)。帶式生產(chǎn)時(shí)力學(xué)性能各向異性明顯，縱向屈服強(qiáng)度值比橫向低81MPa。片式和帶式生產(chǎn)的回彈數(shù)值分別為7.70mm和8.15mm，片式生產(chǎn)比帶式生產(chǎn)沖壓成型回彈小，主要是由于帶式生產(chǎn)時(shí)一直沿一個(gè)方向變形，屈服強(qiáng)度的各向異性明顯，說明材料性能的各項(xiàng)異性不利于鮑爾環(huán)的成型效果。

圖1 不同軋制方式室溫拉伸性能

圖2 不同軋制方式?jīng)_壓成型回彈數(shù)值

3.2 晶粒尺寸

在化學(xué)成分相同的條件下，采用帶式軋制方式生產(chǎn)時(shí)，連續(xù)和卷式真空熱處理制度分別為650℃/8min/m和650℃/10h，圖3為不同熱處理工藝處理后晶粒尺寸和回彈數(shù)值對比，圖4為不同熱處理工藝處理后的顯微組織。結(jié)果表明，連續(xù)和卷式真空熱處理的顯微組織均為等軸組織，平均晶粒尺寸分別為9.4μm和31.8μm，回彈數(shù)值分別為8.9mm和7.7mm，出現(xiàn)隨著晶粒尺寸的長大，回彈數(shù)值降低的規(guī)律。

圖3 不同熱處理工藝晶粒尺寸和回彈數(shù)值對比

圖4 不同熱處理工藝的顯微組織

3.3 材料的屈服強(qiáng)度

張寶坤[5]在研究材料性能對回彈影響因素時(shí)，認(rèn)為隨著屈服強(qiáng)度的降低，回彈量呈現(xiàn)減少的趨勢。在化學(xué)成分相同的條件下，采用帶式軋制方式，真空熱處理溫度分別為650℃、700℃和750℃，圖5為連續(xù)和卷式真空熱處理工藝的橫向屈服強(qiáng)度值和回彈數(shù)值。結(jié)果表明，隨著熱處理溫度的升高，連續(xù)和卷式真空熱處理工藝的橫向屈服強(qiáng)度值逐漸減小，回彈數(shù)值也相應(yīng)減小。因此，在一定范圍內(nèi)，提高真空熱處理溫度可以改善工業(yè)純鋯的沖壓成型效果。

圖5 不同屈服強(qiáng)度的回彈數(shù)值

3.4 沖壓成型速度

圖6為在沖壓成型模具相同的條件下，采用40m/min、50m/min和60m/min三種不同沖壓成型速度的回彈數(shù)值。結(jié)果表明，在40～60m/min的沖壓速度范圍內(nèi)，沖壓成型回彈數(shù)值呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，在50m/min時(shí)的回彈數(shù)值最小，成型效果最佳。

圖6 不同沖壓速度的回彈數(shù)值

4 結(jié)論

（1）工業(yè)純鋯片式生產(chǎn)比帶式生產(chǎn)沖壓成型回彈小，材料性能的各向異性不利于鮑爾環(huán)的成型效果。

（2）采用帶式軋制方式生產(chǎn)時(shí)，連續(xù)和卷式真空熱處理的顯微組織均為等軸組織，出現(xiàn)隨著晶粒尺寸的長大，回彈數(shù)值降低的規(guī)律。

（3）在650～750℃范圍內(nèi)，隨著真空熱處理溫度的增加，連續(xù)和卷式真空熱處理工藝的橫向屈服強(qiáng)度值逐漸減小，回彈數(shù)值也相應(yīng)減小。

（4）在40～60m/min的沖壓速度范圍內(nèi)，沖壓成型回彈數(shù)值呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，在50m/min時(shí)的回彈數(shù)值最小，成型效果最佳。