工业纯锆鲍尔环成型回弹影响因素研究

李有华，李晓军，代艳妮，陈 猛

（1.宝钛集团有限公司，陕西宝鸡721014；2. 宝鸡钛业股份有限公司，陕西宝鸡721014）

1 前言

填料塔早期应用的填料是拉西环填料，由于该填料存在有液体沟流和壁流现象，效率较低。随着填料塔在工业中的广泛应用，出现了各种新型填料，如矩鞍、鲍尔环和阶梯环填料等[1]。鲍尔环是在拉西环基础上改进的一种填料[2]，为外径与高度相等的圆环，在侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，各舌叶的侧边在环中心相搭。由于这种特殊的内部结构，鲍尔环具有通气量大、气体阻力小、内表面利用率高的特点[3]。鲍尔环的材质经历了陶瓷、聚丙烯和金属材质的变更，陶瓷材质易碎和聚丙烯的易老化特性限制其使用范围，工业级锆在许多有机酸、无机酸、强碱和熔融盐中具有优异的耐蚀性，是优异的化工耐蚀结构材料[4]。近年来在国内一些现代化化工企业中得到越来越多的青睐，市场发展前景良好。然而，工业纯锆在制作鲍尔环的过程中，受到材料性能的各向异性、屈服强度和冲压成型速度等多方面因素的影响，在成型后会有不同程度的回弹，为解决回弹造成后续填料的使用问题，本文将从轧制方式、晶粒尺寸、屈服强度和成型速度等方面探讨鲍尔环成型回弹影响因素，为实际生产提供借鉴和参考。

2 实验

2.1 实验材料

实验选用宝鸡钛业股份有限公司经3次VAR熔炼的工业纯锆铸锭，牌号为R60702，在铸锭头、上、中、下、底五点取样测试化学成分，铸锭成分均匀性良好，符合ASTM B551标准规定。

2.2 实验方法

铸锭经锻造和表面刨铣后，板坯轧制分别采用带式和片式生产工艺，成品带材厚度为0.8mm，对比不同轧制方式对成型回弹的影响。成品热处理分别采用卷式真空退火和连续真空退火，对比不同热处理工艺对成型回弹的影响，表1为具体实验方案。用液压剪床切取纵横向室温拉伸和金相组织试样，在CMT5105电子万能试验机上测试室温拉伸性能。金相试样经砂纸打磨和机械抛光后，采用配比为HF：HNO3：H2O=1：3：9（体积分数）的浸蚀液腐蚀，用 Axiovert200mat光学显微镜进行显微组织观察。用数显游标卡尺测量鲍尔环冲压成型后的回弹数值。

表1 实验方案

3 结果与讨论

3.1 轧制方式

在化学成分相同的条件下，真空热处理制度为650℃ /10h，炉冷，对比不同轧制方式生产的工业纯锆室温拉伸力学性能，分别测量鲍尔环成型后的回弹数值，如图1和图2所示。结果表明，片式生产时力学性能纵横向均匀性良好，纵向屈服强度值比横向低24MPa，抗拉强度和延伸率值相当。带式生产时力学性能各向异性明显，纵向屈服强度值比横向低81MPa。片式和带式生产的回弹数值分别为7.70mm和8.15mm，片式生产比带式生产冲压成型回弹小，主要是由于带式生产时一直沿一个方向变形，屈服强度的各向异性明显，说明材料性能的各项异性不利于鲍尔环的成型效果。

图1 不同轧制方式室温拉伸性能

图2 不同轧制方式冲压成型回弹数值

3.2 晶粒尺寸

在化学成分相同的条件下，采用带式轧制方式生产时，连续和卷式真空热处理制度分别为650℃/8min/m和650℃/10h，图3为不同热处理工艺处理后晶粒尺寸和回弹数值对比，图4为不同热处理工艺处理后的显微组织。结果表明，连续和卷式真空热处理的显微组织均为等轴组织，平均晶粒尺寸分别为9.4μm和31.8μm，回弹数值分别为8.9mm和7.7mm，出现随着晶粒尺寸的长大，回弹数值降低的规律。

图3 不同热处理工艺晶粒尺寸和回弹数值对比

图4 不同热处理工艺的显微组织

3.3 材料的屈服强度

张宝坤[5]在研究材料性能对回弹影响因素时，认为随着屈服强度的降低，回弹量呈现减少的趋势。在化学成分相同的条件下，采用带式轧制方式，真空热处理温度分别为650℃、700℃和750℃，图5为连续和卷式真空热处理工艺的横向屈服强度值和回弹数值。结果表明，随着热处理温度的升高，连续和卷式真空热处理工艺的横向屈服强度值逐渐减小，回弹数值也相应减小。因此，在一定范围内，提高真空热处理温度可以改善工业纯锆的冲压成型效果。

图5 不同屈服强度的回弹数值

3.4 冲压成型速度

图6为在冲压成型模具相同的条件下，采用40m/min、50m/min和60m/min三种不同冲压成型速度的回弹数值。结果表明，在40～60m/min的冲压速度范围内，冲压成型回弹数值呈现先减小后增加的趋势，在50m/min时的回弹数值最小，成型效果最佳。

图6 不同冲压速度的回弹数值

4 结论

（1）工业纯锆片式生产比带式生产冲压成型回弹小，材料性能的各向异性不利于鲍尔环的成型效果。

（2）采用带式轧制方式生产时，连续和卷式真空热处理的显微组织均为等轴组织，出现随着晶粒尺寸的长大，回弹数值降低的规律。

（3）在650～750℃范围内，随着真空热处理温度的增加，连续和卷式真空热处理工艺的横向屈服强度值逐渐减小，回弹数值也相应减小。

（4）在40～60m/min的冲压速度范围内，冲压成型回弹数值呈现先减小后增加的趋势，在50m/min时的回弹数值最小，成型效果最佳。