Zr-4合金管材轧制无间隙孔型的应用

供稿|施迁，孙阳平，于军辉 /

作者单位：1. 国核宝钛锆业股份公司，陕西 宝鸡 721013；2. 国家能源核级锆材研发中心，陕西 宝鸡 721013；3. 陕西省核级锆材重点实验室，陕西宝鸡 721013

内容导读

锆合金包壳管是核反应堆的第一个屏障，其主要承担着包裹核芯块的作用。包壳管主要由两辊皮尔格轧制完成生产，该轧制工序影响着包壳管的力学性能和收缩系数(CSR)性能。文章通过室温拉伸实验和CSR实验，对比了无间隙孔型和有间隙孔型对Zr-4合金管材轧制影响。结果表明：使用无间隙孔型轧制出Zr-4合金管材的外径、内径尺寸偏大、椭圆度较小，可为后续工序提供充足的余量；使用无间隙孔型进行Zr-4合金管材轧制可有效的提高轧制生产效率；使用无间隙孔型进行Zr-4合金管材批量轧制生产，轧制后的管材室温抗拉强度、屈服强度、延伸率及CSR性能满足技术指标要求，可以代替有间隙孔型的Zr-4合金管材轧制生产。

锆及锆合金具有良好的核性能以及在高温高压的环境中具有优异耐腐蚀性和力学性能等优良特性，可加工成各种管、板、棒及带材，是广泛应用于核电站反应堆中的结构材料[1]。锆合金包壳管是核反应堆的第一个屏障，主要由两辊皮尔格轧制完成生产，该轧制工序对包壳管的力学性能和CSR性能有一定的影响[2-4]。

孔型间隙是指上下两个轧辊外圆之间的距离。在锆合金管材轧制时，变形锆合金管材坯料会对上下两个轧辊产生反作用力。锆合金管材坯料在进入变形阶段时理论上是存在间隙的。锆合金管材轧制工模具中的孔型常为有间隙孔型，该工模具生产锆合金包壳管时存在轧制生产效率低、耗费孔型坯料的特点。然而，目前国内外尚未见孔型改进的相应资料和文献[5，6]。鉴于此，研究和改进现有孔型设计方法一直受到核材料工作研究和关注。本文通过改变孔型精整段曲线，对比有间隙和无间隙的孔型加工后的锆合金管材室温力学、CSR和批量生产稳定性，探究无间隙孔型在锆合金管材轧制中的可行性。

实验方法

孔型曲线主要由两部分构成，变形段和精整段。变形段的主要作用是控制锆合金管材的外径尺寸变形，定径位置为可以确定所生产管材的外径尺寸的位置，定径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锆合金管材壁厚。本文通过现场实践，设计并加工成2副无间隙孔型和1副间隙孔型，具体参数如表1所示，设计时采用相同的孔型系数及最小锥度。

表1 孔型曲线设计参数

选用Zr-4合金管材作为轧制坯料，轧制尺寸由φ17.78 mm×2.3 mm轧制至φ10 mm×0.7 mm的规格要求。轧制完成后对成品管材的内外径尺寸、椭圆度、室温拉伸性能进行测试，对收缩系数(CSR)进行测量。

采用上述Zr-4合金管材性能合格的孔型进行批量化生产，测量各孔型的使用寿命。同时测量批量生产中各批次Zr-4合金管材的室温拉伸、屈服强度及CSR性能，测试孔型应用其稳定性。

实验结果与分析

孔型对Zr-4合金管材尺寸的影响

表2为孔型与轧制后管材尺寸统计信息。从表2可见，有间隙孔型在轧制车速为160 r/min时，轧制后的Zr-4合金管材外径尺寸为10.020～10.027 mm，椭圆度为0.007 mm，内径尺寸为8.571～8.576 mm。使用无间隙孔型进行管材轧制时，在轧制车速分别为160和280 r/min的车速下，管材的外径尺寸为10.022～10.038 mm，椭圆度为0.002～0.003 mm，内径尺寸8.583～8.591 mm。可见使用无间隙孔型进行Zr-4合金管材轧制，管材的外径和内径尺寸偏大，椭圆度较小。从工艺设计方面来说这样可为后续的酸洗、内酸洗、抛光、无芯磨等工序提供充足的余量。同时，无间隙孔型在轧制车速由160 r/min提高至280 r/min时，轧制后管材外径尺寸、直线度及内径尺寸依然较为稳定。因此，使用无间隙孔型可有效的提高轧机的生产效率。

表2 孔型与轧制后管材尺寸统计信息

孔型对Zr-4合金管材室温拉伸和CSR性能的影响

图1为孔型对Zr-4合金管材室温拉伸性能的影响。从图1可见，无间隙孔型和有间隙孔型生产出的管材室温抗拉强度、屈服强度及延伸率均远超技术指标要求。此外，从图1中还可以看出，有间隙孔型轧制出的管材室温抗拉强度和屈服强度数值基本一致，无间隙孔型轧制出的管材室温抗拉强度、屈服强度和延伸率头中尾处的数值波动较小，而有间隙孔型生产出的管材室温延伸率数值波动较大。

图1 孔型对Zr-4合金管材室温拉伸性能的影响

图2 为孔型对Zr-4合金管材CSR性能的影响。从图2可见，无间隙和有间隙孔型轧制后的管材CSR性能在技术指标要求的范围内。另外，使用无间隙孔型轧制后的管材与有间隙孔型轧出的管材CSR性能一致。

综上所述，使用无间隙孔型进行Zr-4合金管材批量轧制生产，轧制后的管材室温抗拉强度、屈服强度、延伸率及CSR性能满足技术指标要求。可以代替有间隙孔型的Zr-4合金管材轧制生产。

生产应用

图2 孔型对Zr-4合金管材CSR性能的影响

选用无间隙孔型进行Zr-4合金管材批量轧制生产，轧制完成后检测室温性能和CSR性能，其检测结果如图3和图4所示。从图可见，在批量生产轧制生产过程中，使用无间隙孔型轧制后的Zr-4合金管材室温拉伸和CSR性能均合格。此外，使用有间隙孔型进行Zr-4合金管材轧制时，其室温拉伸性能和CSR性能数据略有波动，而使用无间隙孔型进行轧制后，管材室温拉伸性能和CSR性能数据稳定。

图3 孔型对批量生产Zr-4合金管材室温拉伸性能的影响

图4 孔型对批量生产Zr-4合金管材CSR性能的影响

因此，使用无间隙孔型进行Zr-4合金管材进行轧制时，其批量轧制后的管材性能稳定，可满足Zr-4合金工业化生产要求。

结束语

(1) 使用无间隙孔型轧制出Zr-4合金管材的外径、内径尺寸偏大，椭圆度较小，可为后续工序提供充足的余量。

(2) 使用无间隙孔型进行Zr-4合金管材轧制可有效的提高轧制生产效率。

(3) 使用无间隙孔型进行Zr-4合金管材批量轧制生产，轧制后的管材室温抗拉强度、屈服强度、延伸率及CSR性能满足技术指标要求。可以代替有间隙孔型的Zr-4合金管材轧制生产。

摄影 贾大庸