中子吸收板熱軋機(jī)組設(shè)計(jì)與應(yīng)用

任 濤

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

中子吸收材料主要用于制造核電乏燃料儲(chǔ)存裝置。乏燃料又稱輻照核燃料，即在反應(yīng)堆內(nèi)燒過(guò)的核燃料，當(dāng)乏燃料被替換下來(lái)后仍有較強(qiáng)的輻射性，通過(guò)專用的容器進(jìn)行運(yùn)輸和存放。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保的控制力度的加大，清潔能源正快速替代煤電。國(guó)家編制的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020)》中對(duì)核電發(fā)展目標(biāo)有明確的規(guī)劃。相應(yīng)核電產(chǎn)生的核廢料量逐年擴(kuò)大，安全處理成為重中之重。中子吸收材料主要采用鋁基+碳化硼復(fù)合材料，坯料為高溫?zé)Y(jié)成型制備，其材料成分、軋制性能差異較大，尤其碳化硼塑性極差，必須在很小的軋制溫度區(qū)間內(nèi)生產(chǎn)，且變形率排布道次極其嚴(yán)格。對(duì)熱軋生產(chǎn)設(shè)備和工藝提出了很高的要求。

我國(guó)核能的商業(yè)利用起步較晚，新的核電項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，中子吸收材料的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)長(zhǎng)期被國(guó)外供應(yīng)商占據(jù)，這既不利于我國(guó)核電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，也不利于我國(guó)核電產(chǎn)能對(duì)外輸出的需求。因此，加快國(guó)內(nèi)乏燃料貯存用中子吸收材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，打破國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)壟斷和市場(chǎng)壟斷成為當(dāng)務(wù)之急。

1 中子吸收板熱軋機(jī)組特點(diǎn)及機(jī)組配置

1.1 機(jī)組特點(diǎn)

高含量鋁基碳化硼中子吸收材料，具有良好的中子屏蔽性能，其板材坯料制備采用高溫?zé)Y(jié)真空熱壓技術(shù)，性能極易脆，可軋溫度約為450℃，不能采用水劑潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑和冷卻軋輥。內(nèi)部組織為鋁基包夾碳化硼顆粒，需要通過(guò)熱軋大變形量軋制，最終復(fù)合材料互相融合滲透，形成良好的界面效果。

難點(diǎn)主要包括，可軋溫度范圍小，需要連續(xù)補(bǔ)熱生產(chǎn)；板材抗力大，厚差和板型控制難度大；無(wú)法連續(xù)潤(rùn)滑，軋制高溫容易造成潤(rùn)滑油脂燃燒；材料易脆通常采用鋁框包邊軋制，軋制碎屑多，粘附在軋輥上影響表面質(zhì)量；材料由鋁+碳化硼顆粒復(fù)合成型，需要旋轉(zhuǎn)軋制確保各軋制方向同性；成品厚度范圍大，產(chǎn)品延展性差，矯直機(jī)矯正困難。

1.2 機(jī)組參數(shù)

鑄錠規(guī)格：(20～200)mm×(400～600)mm×(700～1000)mm

成品規(guī)格：(1.5～20)mm×(700～1000)×6000 mm

軋機(jī)形式： 4輥可逆板式熱軋機(jī)

軋制力：10000kN

軋制速度：90m/min

主要設(shè)備組成如圖1所示。

1.3 生產(chǎn)流程

首先坯料在加熱爐中加熱保溫，每一爐可裝填多塊板坯；板坯加熱到目標(biāo)溫度后，第一塊出爐，經(jīng)上料機(jī)構(gòu)上料，通過(guò)軋機(jī)輥道運(yùn)輸送至熱軋機(jī)入口，往返熱軋二道次，軋制結(jié)束后坯料由轉(zhuǎn)運(yùn)輥道運(yùn)輸至機(jī)組后部，騰空輥道后開始軋制第二塊坯料，以此類推。第一、二道次軋制結(jié)束后的板坯運(yùn)至機(jī)組后循環(huán)輥道，并依序送至坯料補(bǔ)熱爐進(jìn)行補(bǔ)熱，補(bǔ)熱完成后再依序由上料機(jī)構(gòu)送至熱軋機(jī)輥道上進(jìn)行第三道次熱軋，依照上述補(bǔ)熱規(guī)則與軋制制度，直至軋到最終厚度。然后在剪切機(jī)上切頭尾，再經(jīng)矯直機(jī)矯平后垛板運(yùn)出。

圖1 機(jī)組主要設(shè)備組成Fig.1 Main equipment composition

2 關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 帶有在線自動(dòng)補(bǔ)熱功能的自動(dòng)循環(huán)軋制系統(tǒng)

中子吸收板的特性是軋制溫度區(qū)間窄，鑄錠規(guī)格較小不易保存熱量，因此必須每軋制一個(gè)道次返回補(bǔ)熱爐進(jìn)行補(bǔ)熱。該機(jī)組在線配置軋機(jī)和連續(xù)補(bǔ)熱爐，通過(guò)循環(huán)運(yùn)輸輥道將兩者聯(lián)系起來(lái)。軋機(jī)出爐后經(jīng)過(guò)一道次軋制，通過(guò)中間轉(zhuǎn)移輥道運(yùn)輸至整個(gè)生產(chǎn)線的后部，進(jìn)入補(bǔ)熱爐后爐門，補(bǔ)熱爐設(shè)置多個(gè)料位，通過(guò)步進(jìn)的方式通過(guò)補(bǔ)熱爐體。

當(dāng)軋制過(guò)的板材進(jìn)入后爐門，同時(shí)前爐門口的一塊料已經(jīng)加熱到位，通過(guò)上料機(jī)構(gòu)運(yùn)輸?shù)杰垯C(jī)入口，保證了軋制的連續(xù)性，大大提高生產(chǎn)效率。循環(huán)軋制過(guò)程中，包括軋制、運(yùn)輸、入爐、補(bǔ)熱、出爐、旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜的工藝流程，在運(yùn)行路程上設(shè)置多套傳感器，編制自動(dòng)程序，保證工藝的一致性。

2.2 大壓下量軋制強(qiáng)迫送料裝置

中子吸收板坯采用的高溫?zé)Y(jié)成型技術(shù)，經(jīng)過(guò)高溫鍛壓后有一定的致密性，但是作為軋制材料還是非常脆硬，需要采用大變形比軋制，將內(nèi)部的復(fù)合材料迅速融合。本軋機(jī)根據(jù)工藝要求需達(dá)到15%～30%的變形率，即咬入量不低于30mm。同時(shí)還需要滿足生產(chǎn)1.5mm厚度的成品，所以工作輥直徑過(guò)大或過(guò)小均不可取。因此，在選定合適工作輥直徑的同時(shí)，在軋機(jī)兩側(cè)開發(fā)設(shè)計(jì)了推料機(jī)構(gòu)，通過(guò)液壓馬達(dá)帶動(dòng)推料臂，產(chǎn)生推力，將板坯強(qiáng)行送入軋輥。推料機(jī)構(gòu)在不使用時(shí)可升起躲開軋制線。經(jīng)過(guò)實(shí)踐使用，推料機(jī)構(gòu)有效的提高了咬入厚度，確保了順利軋制。

在軋制融合過(guò)程中要保證各向同性，該機(jī)組在軋機(jī)的入口開發(fā)設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)輥道，將一根輥道輥?zhàn)臃譃椴僮鱾?cè)和傳動(dòng)側(cè)兩部分，分別通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，需要旋轉(zhuǎn)的板坯運(yùn)輸至該組輥道上方時(shí)，操作側(cè)與傳動(dòng)側(cè)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，板坯兩側(cè)形成反向運(yùn)動(dòng)整體旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)入軋機(jī)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軋制。

中子吸收板采用批量軋制，在補(bǔ)熱爐內(nèi)加熱過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)，輥系通過(guò)加溫時(shí)間也較長(zhǎng)，輥凸度難以保持穩(wěn)定。本機(jī)組設(shè)計(jì)開發(fā)了工作輥加熱裝置，加熱裝置基本元件為電阻絲陶瓷傳熱結(jié)構(gòu)，工作輥中心打加熱孔，在靜態(tài)時(shí)將加熱裝置裝入軋輥，通電預(yù)熱軋輥，為控制板材的凸度提供了良好的前提條件。

2.3 自動(dòng)潤(rùn)滑清輥裝置

中子吸收板的脆硬特性，在板坯邊部表現(xiàn)特別明顯。在軋制工藝上采用了包邊軋制，即用軟鋁合金框架將中子吸收板材邊部包裹，軋制時(shí)邊框同時(shí)變形，使脆硬的邊部有一定支撐。

軋制過(guò)程中邊框逐漸軋薄，形成碎屑脫落，粘附在輥?zhàn)由蠈?duì)板材表面形成一定傷害。本機(jī)組為刮除碎屑開發(fā)設(shè)計(jì)出專用刮刀裝置，刮刀刀片采用特制材料不傷輥面，擺動(dòng)氣缸將刀片柔性壓在輥面上，調(diào)刀機(jī)構(gòu)可微調(diào)刮刀縫隙，將輥表面碎屑均勻刮下。

中子吸收板坯的碳化硼材料與鋁基材料結(jié)合相對(duì)疏松，不能采用液態(tài)水劑的潤(rùn)滑材料，只能采用粘度大的油脂潤(rùn)滑，在高溫軋制狀態(tài)，要嚴(yán)格控制油脂的涂抹量以防止起火。本機(jī)組開發(fā)設(shè)計(jì)一套涂油系統(tǒng)，包括油輸送裝置、滴油裝置、涂油輥裝置。涂油輥采用耐高溫?zé)o紡布制成，沾滿油后靠在工作輥上，將潤(rùn)滑油均勻粘附。實(shí)際使用中該套裝置能有效潤(rùn)滑輥系，偶爾有少量起火情況，但由于涂抹均勻、量控制的較好，起火點(diǎn)很快熄滅，產(chǎn)生的碳粉也有較好的潤(rùn)滑作用。

2.4 具有大厚度范圍矯正功能的雙輥系矯直機(jī)

中子吸收板材料成品規(guī)格多、厚度要求范圍大，約為1.5mm～20mm，要求板材軋制后的矯直機(jī)能滿足大范圍矯直功能。根據(jù)矯直原理，一般一套矯直輥系矯正厚度極限約為4～5倍板厚，為滿足此要求，該機(jī)組配備了雙輥系矯直機(jī)，較好的解決了這個(gè)難題。

針對(duì)特定產(chǎn)品規(guī)格，矯直機(jī)的輥距在一定范圍內(nèi)選取，不能過(guò)大，否則被矯板材塑性變形小，不能保證矯直質(zhì)量；輥距過(guò)小，矯直力增大，輥系承載能力下降，傳動(dòng)系統(tǒng)承載能力下降，設(shè)備容易破壞。因此，一定輥系參數(shù)的矯直機(jī)其矯直范圍是一定的。最終確定采用13輥矯直5mm～20mm厚度，17輥矯直1.5mm～5mm厚度。雙輥系矯直機(jī)，通過(guò)緊湊型的輸出軸布置方式，解決了齒輪分配箱特有結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)接軸傳動(dòng)安裝擺角之間的矛盾，解決了不同輥系輥數(shù)與傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配問(wèn)題。同時(shí)具備輥系快速更換能力，一個(gè)機(jī)架可以匹配多套輥系，輥系更換時(shí)間小于30min，滿足了在線連續(xù)運(yùn)行要求。

由于中子吸收板材料脆性，矯直時(shí)單彎曲大變形易在材料表面產(chǎn)生裂紋，小彎曲變形又不能消除不可展開板型缺陷。研究提出脆性材料等量變形矯直方案，在相等總變形條件下，減小單道次彎曲變形量，均勻每道次變形，提升道次累加效果；同時(shí)減小輥距，增加橫向浪形在矯直過(guò)程中產(chǎn)生的附加應(yīng)力，增加中性層偏移量，減小了殘余應(yīng)力，加快浪形對(duì)消效果。實(shí)際生產(chǎn)中采用一道次熱矯結(jié)合一道次冷矯，取得了較好的板型效果

2.5 恒溫控制循環(huán)式補(bǔ)熱爐系統(tǒng)

從熱軋機(jī)卸下來(lái)的中間坯經(jīng)進(jìn)料裝置進(jìn)入補(bǔ)熱爐，進(jìn)料裝置位于熱軋輥道位置，爐門關(guān)閉，中間坯在爐內(nèi)加熱到設(shè)定溫度，待中間坯符合工藝要求后，爐門開啟，經(jīng)出料裝置(位于熱軋輥道位置)進(jìn)入熱軋機(jī)輥道進(jìn)行軋制。軋制結(jié)束后，進(jìn)入坯料爐進(jìn)行補(bǔ)熱。

軋件在爐內(nèi)采用依次平鋪式運(yùn)動(dòng)，坯料在加熱爐內(nèi)循環(huán)方向?yàn)殡p向，上料裝置也具備卸料功能，卸料裝置亦具備上料功能，鏈傳動(dòng)裝置的速度可調(diào)，以滿足后續(xù)生產(chǎn)工藝的要求。

鏈?zhǔn)郊訜釥t包括箱式爐體、熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)、鏈條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、爐門和升降機(jī)構(gòu)及爐門密封、加熱系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、進(jìn)出料裝置等。在進(jìn)出口爐門各自增加1個(gè)熱氣簾，以阻止熱空氣的流出。

爐體為箱式強(qiáng)制空氣循環(huán)爐，在爐頂上裝有1臺(tái)體外循環(huán)的高溫離心風(fēng)機(jī)，使?fàn)t內(nèi)氣體定向循環(huán)。爐壁、爐底、爐頂全部采用雙層鋼板中間填以用錨固件固定的絕熱材料，爐子內(nèi)壁考慮到受熱膨脹，在結(jié)構(gòu)上作相應(yīng)處理。配置有熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，是保證產(chǎn)品達(dá)到工藝要求的加熱速度和溫度均勻性的關(guān)鍵。為強(qiáng)化熱交換，保證產(chǎn)品質(zhì)量，在爐頂裝有1臺(tái)高溫離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)電機(jī)采用變頻器變頻調(diào)速。

上料裝置。鑄錠至熱軋輥道的出料方式采用端出料，由爐前取料叉及聯(lián)接框架和驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)構(gòu)、垂直升降機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，取料機(jī)水平移動(dòng)、垂直升降都由液壓缸驅(qū)動(dòng)。當(dāng)需要出料時(shí)，取料機(jī)下降、快進(jìn)，爐門開啟，取料機(jī)轉(zhuǎn)慢速行走到位后，鏈條上的鑄錠走到取料叉上方，取料叉的頂標(biāo)高比鏈條標(biāo)高低，取料機(jī)升降機(jī)構(gòu)將取料叉抬起，取料叉托起鋁錠上升，離開鏈條，取料叉帶料快速后退，爐門關(guān)閉。取料機(jī)繼續(xù)后退到熱軋輥道上，減速并與熱軋輥道中心對(duì)中(根據(jù)不同的鋁錠尺寸)，取料機(jī)下降將鑄錠放在熱軋輥道上。取料機(jī)多達(dá)8個(gè)插臂，隨著板材軋制，料長(zhǎng)變化有足夠的插臂將料送入或取出。

3 應(yīng)用情況

中子吸收板熱軋機(jī)組的開發(fā)研制，以及多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)裝備的成功應(yīng)用，在實(shí)際生產(chǎn)中的到了充分驗(yàn)證，其主要指標(biāo)達(dá)到預(yù)期效果，形成批量生產(chǎn)能力。整個(gè)機(jī)組生產(chǎn)工藝流暢，操作控制自動(dòng)化程度高設(shè)備配置合理，確保了整個(gè)設(shè)備在大規(guī)格、多道次、反復(fù)加熱條件下的穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。