中子吸收板熱軋機組設計與應用

任 濤

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

中子吸收材料主要用于制造核電乏燃料儲存裝置。乏燃料又稱輻照核燃料，即在反應堆內燒過的核燃料，當乏燃料被替換下來后仍有較強的輻射性，通過專用的容器進行運輸和存放。隨著國家對環保的控制力度的加大，清潔能源正快速替代煤電。國家編制的《能源發展戰略行動計劃(2014-2020)》中對核電發展目標有明確的規劃。相應核電產生的核廢料量逐年擴大，安全處理成為重中之重。中子吸收材料主要采用鋁基+碳化硼復合材料，坯料為高溫燒結成型制備，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間內生產，且變形率排布道次極其嚴格。對熱軋生產設備和工藝提出了很高的要求。

我國核能的商業利用起步較晚，新的核電項目建設過程中，中子吸收材料的國內市場長期被國外供應商占據，這既不利于我國核電設備國產化，也不利于我國核電產能對外輸出的需求。因此，加快國內乏燃料貯存用中子吸收材料的產業化進程，打破國外發達國家技術壟斷和市場壟斷成為當務之急。

1 中子吸收板熱軋機組特點及機組配置

1.1 機組特點

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燒結真空熱壓技術，性能極易脆，可軋溫度約為450℃，不能采用水劑潤滑劑潤滑和冷卻軋輥。內部組織為鋁基包夾碳化硼顆粒，需要通過熱軋大變形量軋制，最終復合材料互相融合滲透，形成良好的界面效果。

難點主要包括，可軋溫度范圍小，需要連續補熱生產；板材抗力大，厚差和板型控制難度大；無法連續潤滑，軋制高溫容易造成潤滑油脂燃燒；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量；材料由鋁+碳化硼顆粒復合成型，需要旋轉軋制確保各軋制方向同性；成品厚度范圍大，產品延展性差，矯直機矯正困難。

1.2 機組參數

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

成品規格：(1.5～20)mm×(700～1000)×6000 mm

軋機形式： 4輥可逆板式熱軋機

軋制力：10000kN

軋制速度：90m/min

主要設備組成如圖1所示。

1.3 生產流程

首先坯料在加熱爐中加熱保溫，每一爐可裝填多塊板坯；板坯加熱到目標溫度后，第一塊出爐，經上料機構上料，通過軋機輥道運輸送至熱軋機入口，往返熱軋二道次，軋制結束后坯料由轉運輥道運輸至機組后部，騰空輥道后開始軋制第二塊坯料，以此類推。第一、二道次軋制結束后的板坯運至機組后循環輥道，并依序送至坯料補熱爐進行補熱，補熱完成后再依序由上料機構送至熱軋機輥道上進行第三道次熱軋，依照上述補熱規則與軋制制度，直至軋到最終厚度。然后在剪切機上切頭尾，再經矯直機矯平后垛板運出。

圖1 機組主要設備組成Fig.1 Main equipment composition

2 關鍵技術和設備設計

2.1 帶有在線自動補熱功能的自動循環軋制系統

中子吸收板的特性是軋制溫度區間窄，鑄錠規格較小不易保存熱量，因此必須每軋制一個道次返回補熱爐進行補熱。該機組在線配置軋機和連續補熱爐，通過循環運輸輥道將兩者聯系起來。軋機出爐后經過一道次軋制，通過中間轉移輥道運輸至整個生產線的后部，進入補熱爐后爐門，補熱爐設置多個料位，通過步進的方式通過補熱爐體。

當軋制過的板材進入后爐門，同時前爐門口的一塊料已經加熱到位，通過上料機構運輸到軋機入口，保證了軋制的連續性，大大提高生產效率。循環軋制過程中，包括軋制、運輸、入爐、補熱、出爐、旋轉等復雜的工藝流程，在運行路程上設置多套傳感器，編制自動程序，保證工藝的一致性。

2.2 大壓下量軋制強迫送料裝置

中子吸收板坯采用的高溫燒結成型技術，經過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，將內部的復合材料迅速融合。本軋機根據工藝要求需達到15%～30%的變形率，即咬入量不低于30mm。同時還需要滿足生產1.5mm厚度的成品，所以工作輥直徑過大或過小均不可取。因此，在選定合適工作輥直徑的同時，在軋機兩側開發設計了推料機構，通過液壓馬達帶動推料臂，產生推力，將板坯強行送入軋輥。推料機構在不使用時可升起躲開軋制線。經過實踐使用，推料機構有效的提高了咬入厚度，確保了順利軋制。

在軋制融合過程中要保證各向同性，該機組在軋機的入口開發設計了旋轉輥道，將一根輥道輥子分為操作側和傳動側兩部分，分別通過電機驅動，需要旋轉的板坯運輸至該組輥道上方時，操作側與傳動側電機反向旋轉，板坯兩側形成反向運動整體旋轉90°進入軋機，實現旋轉軋制。

中子吸收板采用批量軋制，在補熱爐內加熱過程相對較長，輥系通過加溫時間也較長，輥凸度難以保持穩定。本機組設計開發了工作輥加熱裝置，加熱裝置基本元件為電阻絲陶瓷傳熱結構，工作輥中心打加熱孔，在靜態時將加熱裝置裝入軋輥，通電預熱軋輥，為控制板材的凸度提供了良好的前提條件。

2.3 自動潤滑清輥裝置

中子吸收板的脆硬特性，在板坯邊部表現特別明顯。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，軋制時邊框同時變形，使脆硬的邊部有一定支撐。

軋制過程中邊框逐漸軋薄，形成碎屑脫落，粘附在輥子上對板材表面形成一定傷害。本機組為刮除碎屑開發設計出專用刮刀裝置，刮刀刀片采用特制材料不傷輥面，擺動氣缸將刀片柔性壓在輥面上，調刀機構可微調刮刀縫隙，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合相對疏松，不能采用液態水劑的潤滑材料，只能采用粘度大的油脂潤滑，在高溫軋制狀態，要嚴格控制油脂的涂抹量以防止起火。本機組開發設計一套涂油系統，包括油輸送裝置、滴油裝置、涂油輥裝置。涂油輥采用耐高溫無紡布制成，沾滿油后靠在工作輥上，將潤滑油均勻粘附。實際使用中該套裝置能有效潤滑輥系，偶爾有少量起火情況，但由于涂抹均勻、量控制的較好，起火點很快熄滅，產生的碳粉也有較好的潤滑作用。

2.4 具有大厚度范圍矯正功能的雙輥系矯直機

中子吸收板材料成品規格多、厚度要求范圍大，約為1.5mm～20mm，要求板材軋制后的矯直機能滿足大范圍矯直功能。根據矯直原理，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，該機組配備了雙輥系矯直機，較好的解決了這個難題。

針對特定產品規格，矯直機的輥距在一定范圍內選取，不能過大，否則被矯板材塑性變形小，不能保證矯直質量；輥距過小，矯直力增大，輥系承載能力下降，傳動系統承載能力下降，設備容易破壞。因此，一定輥系參數的矯直機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，通過緊湊型的輸出軸布置方式，解決了齒輪分配箱特有結構與傳動接軸傳動安裝擺角之間的矛盾，解決了不同輥系輥數與傳動系統的匹配問題。同時具備輥系快速更換能力，一個機架可以匹配多套輥系，輥系更換時間小于30min，滿足了在線連續運行要求。

由于中子吸收板材料脆性，矯直時單彎曲大變形易在材料表面產生裂紋，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；同時減小輥距，增加橫向浪形在矯直過程中產生的附加應力，增加中性層偏移量，減小了殘余應力，加快浪形對消效果。實際生產中采用一道次熱矯結合一道次冷矯，取得了較好的板型效果

2.5 恒溫控制循環式補熱爐系統

從熱軋機卸下來的中間坯經進料裝置進入補熱爐，進料裝置位于熱軋輥道位置，爐門關閉，中間坯在爐內加熱到設定溫度，待中間坯符合工藝要求后，爐門開啟，經出料裝置(位于熱軋輥道位置)進入熱軋機輥道進行軋制。軋制結束后，進入坯料爐進行補熱。

軋件在爐內采用依次平鋪式運動，坯料在加熱爐內循環方向為雙向，上料裝置也具備卸料功能，卸料裝置亦具備上料功能，鏈傳動裝置的速度可調，以滿足后續生產工藝的要求。

鏈式加熱爐包括箱式爐體、熱風循環系統、鏈條驅動機構、爐門和升降機構及爐門密封、加熱系統、壓縮空氣系統、進出料裝置等。在進出口爐門各自增加1個熱氣簾，以阻止熱空氣的流出。

爐體為箱式強制空氣循環爐，在爐頂上裝有1臺體外循環的高溫離心風機，使爐內氣體定向循環。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，爐子內壁考慮到受熱膨脹，在結構上作相應處理。配置有熱風循環系統，是保證產品達到工藝要求的加熱速度和溫度均勻性的關鍵。為強化熱交換，保證產品質量，在爐頂裝有1臺高溫離心風機，風機電機采用變頻器變頻調速。

上料裝置。鑄錠至熱軋輥道的出料方式采用端出料，由爐前取料叉及聯接框架和驅動電機機構、垂直升降機構及其驅動機構組成，取料機水平移動、垂直升降都由液壓缸驅動。當需要出料時，取料機下降、快進，爐門開啟，取料機轉慢速行走到位后，鏈條上的鑄錠走到取料叉上方，取料叉的頂標高比鏈條標高低，取料機升降機構將取料叉抬起，取料叉托起鋁錠上升，離開鏈條，取料叉帶料快速后退，爐門關閉。取料機繼續后退到熱軋輥道上，減速并與熱軋輥道中心對中(根據不同的鋁錠尺寸)，取料機下降將鑄錠放在熱軋輥道上。取料機多達8個插臂，隨著板材軋制，料長變化有足夠的插臂將料送入或取出。

3 應用情況

中子吸收板熱軋機組的開發研制，以及多個關鍵技術裝備的成功應用，在實際生產中的到了充分驗證，其主要指標達到預期效果，形成批量生產能力。整個機組生產工藝流暢，操作控制自動化程度高設備配置合理，確保了整個設備在大規格、多道次、反復加熱條件下的穩定連續運行。