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加工管棒用的鑄錠以海綿鋯為原料

加工管棒用的鑄錠以海綿鋯為原料。核動(dòng)力工程用材料的錠子,要以核級(jí)海綿鋯為原料,并應(yīng)嚴(yán)格限制Hf、B、Cd、U等20多種雜質(zhì)元素的含量。合金元素可以以高純金屬或母合金等形式加入。 海綿鋯和合金元素一起被壓制成棒狀電極,在真空自耗電極電弧爐內(nèi)進(jìn)行兩次熔煉,可獲得組織致密、成分均勻的鑄錠。壓制棒狀電極之前,海綿鋯與合金元素應(yīng)該大體上均勻混合。壓制的電極應(yīng)有適當(dāng)?shù)闹旅芏?。二次熔煉所得的錠子,表里各處的化學(xué)成分都應(yīng)在規(guī)定的范圍之內(nèi)。 熔鑄鋯錫合金時(shí),為了避免低熔點(diǎn)合金元素(Sn)在第一次熔煉時(shí)可能超前流淌,合金元素以母合金的形式加入,比以純金屬加入更有利于錠的成分均勻。熔鑄鋯錫合金用的是Zr—Sn—Cr—Fe或Zr—Sn—Cr—Fe—Ni母合金。熔煉鋯鈮合金錠時(shí),合金元素以Zr—Nb母合金的形式加入,比以純鈮加入較容易避免難熔元素(Nb)的偏析。 母合金通常用真空非白耗電極電弧爐煉制。真空自耗熔煉法制備的鋯合金錠一般重約幾百公斤,它的成分均勻性容易控制,也適合塑性加工的需要。當(dāng)代熔鑄技術(shù)的進(jìn)步已能生產(chǎn)超過1t重的均質(zhì)大錠。 鋯及其合金感應(yīng)熔煉鑄造技術(shù)已開始步入實(shí)用化階段。此法的技術(shù)困難是克服坩堝材質(zhì)對(duì)鋯的污染,解決辦法有:采用復(fù)合涂層坩堝或冷坩堝感應(yīng)熔煉以及采用凝殼鑄造等工藝措施。例如,脈沖反應(yīng)堆用的鋯鈾合金棒既可用2~3次真空自耗熔煉鑄錠再擠壓的方法制取,也可采用真空中頻感應(yīng)爐直接鑄棒。 塑性加工鋯合金管棒的毛坯用熱鍛、熱擠壓等方法制備,熱加工塑性良好,變形抗力不很高。 光錠鍛造前用箱式電爐加熱。為了減少高溫氧化,錠子可用玻璃涂層保護(hù)。當(dāng)用燃油爐和煤氣爐加熱時(shí),加熱應(yīng)在中性或微氧化性氣氛下進(jìn)行,避免火焰直射錠表面。大變形量的鍛造在β相(體心立方)進(jìn)行,精鍛在α相(密集六方)的高溫區(qū)進(jìn)行。鍛造設(shè)備選用空氣錘、蒸汽錘、油壓機(jī)均可。 管坯和棒坯采用包套擠壓法制取。常用紫銅做包套,以起改善潤(rùn)滑和避免鋯高溫氧化的作用。鑄錠和鍛件都可以做擠壓坯。用箱式爐或工頻爐加熱,加熱溫度控制在α相的偏中高溫度區(qū)。 一般用錐形模擠壓,以保證擠出件的銅包皮連續(xù)與完整。擠前加熱的溫度上限是包套材質(zhì)與鋯可能產(chǎn)生共晶物質(zhì)的最低溫度(查Cu—Zr二元相圖可知),以免惡化擠出件表面。例如,包銅套擠壓鋯及其合金時(shí)加熱溫度應(yīng)低于885℃。進(jìn)行高溫?zé)o包套擠壓時(shí),可用玻璃浴爐或鹽浴爐加熱光錠。 管棒材成品用冷軋、旋轉(zhuǎn)鍛造、旋壓、拉拔等冷加工方法生產(chǎn)。鋯及其合金冷加工時(shí)的塑性良好,變形抗力中等,冷加工性能近似低碳鋼,但是難于潤(rùn)滑而容易粘模,對(duì)拉拔坯料要進(jìn)行表面磷化或氧化處理。為了得到理想的表面質(zhì)量,管材一般不用拉拔而用冷軋法生產(chǎn)。 對(duì)于核燃料元件的包殼管,用量多要求高,可用二輥或多輥式冷軋管機(jī)組軋制。歐美各國(guó)多用二輥式冷軋管機(jī)生產(chǎn)鋯合金管。壓水堆用鋯合金包殼管的尺寸范圍是聲φ6~15mm×0.4~0.7mm。做燃料元件端塞的棒材通常也不用冷拔法生產(chǎn),而且擠制的棒坯再經(jīng)冷旋轉(zhuǎn)鍛造制得。端塞的直徑與包殼管的外徑相同,棒材成品規(guī)格應(yīng)留有端塞機(jī)加工的裕量。 半成品管末次中間退火之后的終軋應(yīng)以減壁為主,終軋減壁率與減徑率的比值(Q)必須大于1。對(duì)于Q>1的管子在織構(gòu)分析時(shí)看到,金屬晶體六方點(diǎn)陣的C軸幾乎平行于管子直徑。 這種成品管子在反應(yīng)堆內(nèi)工作吸氫以后,取樣做橫截面金相分析時(shí),可以看到氫化物的分布位向大體上呈切向。氫化物的這種切向分析有利于管子抗裂。而Q<1的管子,氫化物則近乎徑向分布。因此,管子末次中問退火后到成品規(guī)格前軋管的Q值應(yīng)≥2~3。

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