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材质:R60702,R60704,R60705,Zr1 Zr2执行标准:ASTM B550 ASTM B551 GB/T21183-2007锆管,是利用金属锆和其他金属制得的合金管形材料。

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产品参数 Product parameter

材质:R60702,R60704,R60705,Zr1 Zr2

执行标准:ASTM B550 ASTM B551 GB/T21183-2007

锆管,是利用金属锆和其他金属制得的合金管形材料。由于锆的核性能和耐腐蚀性能优良,锆合金管棒常常用于水冷反应堆的核燃料组件及堆内结构,是重要的核材料。纯锆管棒主要用来制造化工设备,因为价格昂贵用量还不多。常用的锆管棒的化学成分及其用途见表,其中锆锡合金管棒的用量较多。

工艺特点

(1)锆和气体的亲和力很强,它与氧、氢、氮分别在约200、300和400℃开始反应,较高的温度下反应迅速,因而熔铸、热处理都要在真空炉内进行。在大气中进行热加工时,应采取妥善的保护措施,并且缩短高温下的操作时间。

(2)锆与模具的摩擦系数较高,容易粘附于模具表面;塑性变形的热效应显著,加工时要求有良好的润滑条件。

(3)加工规范对产品的使用性能具有较敏感的影响。尤应注意控制成品前的冷加工和热处理工艺,以满足使用要求。

(4)管棒材的尺寸精度和表面质量要求很高。所以,工艺装备应有良好的精度,工模具设计和制作应先进合理。

熔铸

加工管棒用的铸锭以海绵锆为原料。核动力工程用材料的锭子,要以核级海绵锆为原料,并应严格限制Hf、B、Cd、U等20多种杂质元素的含量。合金元素可以以高纯金属或母合金等形式加入。

海绵锆和合金元素一起被压制成棒状电极,在真空自耗电极电弧炉内进行两次熔炼,可获得组织致密、成分均匀的铸锭。压制棒状电极之前,海绵锆与合金元素应该大体上均匀混合。压制的电极应有适当的致密度。二次熔炼所得的锭子,表里各处的化学成分都应在规定的范围之内。

熔铸锆锡合金时,为了避免低熔点合金元素(Sn)在第一次熔炼时可能超前流淌,合金元素以母合金的形式加入,比以纯金属加入更有利于锭的成分均匀。熔铸锆锡合金用的是Zr—Sn—Cr—Fe或Zr—Sn—Cr—Fe—Ni母合金。熔炼锆铌合金锭时,合金元素以Zr—Nb母合金的形式加入,比以纯铌加入较容易避免难熔元素(Nb)的偏析。

母合金通常用真空非白耗电极电弧炉炼制。真空自耗熔炼法制备的锆合金锭一般重约几百公斤,它的成分均匀性容易控制,也适合塑性加工的需要。当代熔铸技术的进步已能生产超过1t重的均质大锭。

锆及其合金感应熔炼铸造技术已开始步入实用化阶段。此法的技术困难是克服坩埚材质对锆的污染,解决办法有:采用复合涂层坩埚或冷坩埚感应熔炼以及采用凝壳铸造等工艺措施。例如,脉冲反应堆用的锆铀合金棒既可用2~3次真空自耗熔炼铸锭再挤压的方法制取,也可采用真空中频感应炉直接铸棒。

塑性加工锆合金管棒的毛坯用热锻、热挤压等方法制备,热加工塑性良好,变形抗力不很高。

光锭锻造前用箱式电炉加热。为了减少高温氧化,锭子可用玻璃涂层保护。当用燃油炉和煤气炉加热时,加热应在中性或微氧化性气氛下进行,避免火焰直射锭表面。大变形量的锻造在β相(体心立方)进行,精锻在α相(密集六方)的高温区进行。锻造设备选用空气锤、蒸汽锤、油压机均可。

管坯和棒坯采用包套挤压法制取。常用紫铜做包套,以起改善润滑和避免锆高温氧化的作用。铸锭和锻件都可以做挤压坯。用箱式炉或工频炉加热,加热温度控制在α相的偏中高温度区。

一般用锥形模挤压,以保证挤出件的铜包皮连续与完整。挤前加热的温度上限是包套材质与锆可能产生共晶物质的最低温度(查Cu—Zr二元相图可知),以免恶化挤出件表面。例如,包铜套挤压锆及其合金时加热温度应低于885℃。进行高温无包套挤压时,可用玻璃浴炉或盐浴炉加热光锭。

管棒材成品用冷轧、旋转锻造、旋压、拉拔等冷加工方法生产。锆及其合金冷加工时的塑性良好,变形抗力中等,冷加工性能近似低碳钢,但是难于润滑而容易粘模,对拉拔坯料要进行表面磷化或氧化处理。为了得到理想的表面质量,管材一般不用拉拔而用冷轧法生产。

对于核燃料元件的包壳管,用量多要求高,可用二辊或多辊式冷轧管机组轧制。欧美各国多用二辊式冷轧管机生产锆合金管。压水堆用锆合金包壳管的尺寸范围是声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产,而且挤制的棒坯再经冷旋转锻造制得。端塞的直径与包壳管的外径相同,棒材成品规格应留有端塞机加工的裕量。

半成品管末次中间退火之后的终轧应以减壁为主,终轧减壁率与减径率的比值(Q)必须大于1。对于Q>1的管子在织构分析时看到,金属晶体六方点阵的C轴几乎平行于管子直径。

这种成品管子在反应堆内工作吸氢以后,取样做横截面金相分析时,可以看到氢化物的分布位向大体上呈切向。氢化物的这种切向分析有利于管子抗裂。而Q<1的管子,氢化物则近乎径向分布。因此,管子末次中问退火后到成品规格前轧管的Q值应≥2~3。


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