鋯管棒,是利用金屬鋯和其他金屬制得的合金管形材料。由于鋯的核性能和耐腐蝕性能優良,鋯合金管棒常常用于水冷反應堆的核燃料組件及堆內結構,是重要的核材料。純鋯管棒主要用來制造化工設備,因為價格昂貴用量還不多。常用的鋯管棒的化學成分及其用途見表,其中鋯錫合金管棒的用量較多。
(1)鋯和氣體的親和力很強,它與氧、氫、氮分別在約200、300和400℃開始反應,較高的溫度下反應迅速,因而熔鑄、熱處理都要在真空爐內進行。在大氣中進行熱加工時,應采取妥善的保護措施,并且縮短高溫下的操作時間。
(2)鋯與模具的摩擦系數較高,容易粘附于模具表面;塑性變形的熱效應顯著,加工時要求有良好的潤滑條件。
(3)加工規范對產品的使用性能具有較敏感的影響。尤應注意控制成品前的冷加工和熱處理工藝,以滿足使用要求。
(4)管棒材的尺寸精度和表面質量要求很高。所以,工藝裝備應有良好的精度,工模具設計和制作應先進合理。
加工管棒用的鑄錠以海綿鋯為原料。核動力工程用材料的錠子,要以核級海綿鋯為原料,并應嚴格限制Hf、B、Cd、U等20多種雜質元素的含量。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進行兩次熔煉,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該大體上均勻混合。壓制的電極應有適當的致密度。二次熔煉所得的錠子,表里各處的化學成分都應在規定的范圍之內。
熔鑄鋯錫合金時,為了避免低熔點合金元素(Sn)在第一次熔煉時可能超前流淌,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,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。當代熔鑄技術的進步已能生產超過1t重的均質大錠。
鋯及其合金感應熔煉鑄造技術已開始步入實用化階段。此法的技術困難是克服坩堝材質對鋯的污染,解決辦法有:采用復合涂層坩堝或冷坩堝感應熔煉以及采用凝殼鑄造等工藝措施。例如,脈沖反應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爐直接鑄棒。







