CN111842532A - 一种锆合金管材制备方法及基于该方法制得的锆合金管材 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锆合金管材制备方法，包括：将锆合金锆锭进行第一处理，制得棒坯；将所述棒坯加热到第一温度，并对其进行穿孔，制得荒管；将所述荒管进行第二处理，制得管材；对所述管材进行矫直，制得半成品锆合金管材；对所述半成品锆合金管材进行酸洗，制得成品锆合金管材。该方法工艺流程较简单，生产周期短，整体效率较挤压法要高10％；穿孔的成材率为90％，成材率高；生产工序较少，生产效率高；可大幅降低生产成本；生产设备和成材率满足工业规模化生产锆合金无缝管材的条件，可满足大规模工业生产需要。
Description
技术领域
本发明属于锆合金制备技术领域，特别涉及一种锆合金管材制备方法及基于该方法制得的锆合金管材。
背景技术
锆金属是具有较强活性的高熔点金属，具有较高的价值，随着我国经济的发展，石油、化工、海洋等领域相继使用抗腐蚀性能较好的锆合金无缝管材，因此对锆合金无缝管材的需求逐年增加。现有技术中，制造锆合金管无缝管的方法主要采用挤压+冷轧法，该方法工艺技术容易掌握，但挤压法的工艺流程较多、特别是生产锭坯制作工序长，对锭坯要剥皮和钻中心导向孔、损失较大、一般挤压成材率仅为75％，生产率低，金属及工模具消耗较大，难以满足大规模工艺生产需要。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种锆合金管材制备方法及基于该方法制得的锆合金管材。以解决上述问题。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种锆合金管材制备方法，包括：将锆合金锆锭进行第一处理，制得棒坯；将所述棒坯加热到第一温度，并对其进行穿孔，制得荒管；将所述荒管进行第二处理，制得管材；对所述管材进行矫直，制得半成品锆合金管材；对所述半成品锆合金管材进行酸洗，制得成品锆合金管材。
进一步地，所述第一处理包括：将所述锆合金锆锭热锻为粗棒坯；将所述粗棒坯切割、打磨并定心，制得棒坯。
进一步地，所述棒坯直径为50mm～130mm。
进一步地，所述棒坯长度为650mm～4500mm。
进一步地，所述棒坯的定心孔范围为Φ18±0.5mm～Φ30±0.5mm。
进一步地，所述第一温度的范围为700℃～980℃。
进一步地，所述穿孔步骤使用轧机组进行，所述轧机组使用水冷顶头，所述轧机组对所述棒坯穿孔速度为0.2～0.5mm/s；具体所述穿孔步骤条件为：所述棒坯总直径压下率为9％～16％，顶前压下率2.5％～11％，外径椭圆度系数为1.13～1.20。
进一步地，所述第二处理包括：将所述荒管清除内外表面缺陷，制得表面光滑荒管；对所述表面光滑荒管进行多次冷轧处理，每完成一次所述冷轧，进行一次脱脂与真空退火。
进一步地，所述真空退火温度为650℃～750℃、时间为60min～210min、真空压强小于1×10-2Pa。
进一步地，所述半成品锆合金管材直线度小于2.1mm/m。
进一步地，所述酸洗壁厚去除量为0.05mm～0.30mm。
根据本发明的另一个方面，提供一种锆合金管材，通过采用以上方案中任意一项所述的锆合金管材制备方法所制得。
本发明旨在保护一种锆合金管材制备方法及基于该方法制得的锆合金管材，该制备方法包括：将锆合金锆锭进行第一处理，制得棒坯；将所述棒坯加热到第一温度，并对其进行穿孔，制得荒管；将所述荒管进行第二处理，制得管材；对所述管材进行矫直，制得半成品锆合金管材；对所述半成品锆合金管材进行酸洗，制得成品锆合金管材。该方法流程简单，成材率高，大幅度提高了生产效率并降低了成本，节省了大量的人力物力，提升了工作效率与原材料的利用率。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
工艺流程较简单，生产周期短，整体效率较挤压法要高10％；穿孔的成材率为90％，成材率高；生产工序较少，生产效率高；可大幅降低生产成本；生产设备和成材率满足工业规模化生产锆合金管的条件，可满足大规模工业生产需要。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例锆合金管材制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
图1是根据本发明第一实施例锆合金管材制备方法的流程图。
如图1所示，在本发明第一实施例中，提供了一种锆合金管材制备方法，包括：
S1：将锆合金锆锭进行第一处理，制得棒坯；
S2：将棒坯加热到第一温度，并对其进行穿孔，制得荒管；
S3：将荒管进行第二处理，制得管材；
S4：对管材进行矫直，制得半成品锆合金管材；
S5：对半成品锆合金管材进行酸洗，制得成品锆合金管材。
在本实施例中还对成品锆合金管材进行检验，包括：水压检测、理化性能检验。
本发明工艺流程较简单，生产周期短，整体效率较挤压法要高10％；成材率高；生产工序较少，生产效率高；可大幅降低生产成本；生产设备和成材率满足工业规模化生产锆合金管的条件，可满足大规模工业生产需要。
步骤S2中，使用两辊斜轧机组进行穿孔，使用水冷顶头，轧机组对棒坯穿孔速度为0.2～0.5mm/s；具体所述穿孔步骤条件为：棒坯总直径压下率为9％～16％，顶前压下率2.5％～11％，外径椭圆度系数为1.13～1.20。穿孔后即制得荒管，荒管尺寸为Φ72mm～Φ125mm，壁厚为5mm～20mm，长度为1500mm～6000mm；穿孔机轧辊向同一方向旋转，轧辊轴线相对于轧制线倾斜，棒坯进入轧辊后，一方面被金属与轧辊之间的摩擦力带动，作反轧辊旋转方向的旋转，同时由于轧辊轴线对棒坯轴线有一倾角，管坯又沿轴向移动，故呈螺旋运动。表示螺旋运动的基本参数有：切向运动速度、轴向运动速度和管坯每半转的位移值。使用水冷顶头可以减小摩擦力，是穿孔操作更流畅，并且能降低摩擦所产生的高温、消除活性，还能使穿孔的表面更加平滑。成品锆合金管材成品管材外径为Φ20mm～Φ89.0mm(Φ表示直径)、壁厚为1.0mm～16mm。穿孔的成材率为90％，成材率高，可大幅降低生产成本。
可选的，酸洗使用的酸液包括：硝酸、氢氟酸及水。硝酸与氢氟酸均溶于水，并且具有强氧化性、腐蚀性，能有效的清洁管材表面上的杂质与氧化层。
可选的，第一处理包括：
S11：将锆合金锆锭热锻为粗棒坯；
S12：将粗棒坯切割、打磨并定心，制得棒坯。
热锻温度的范围为950℃～1050℃,提高了锆合金的塑性、降低变形抗力、使之易于流动成形并获得良好的粗棒坯。此温度范围能有效的保证锻件质量、提高了热锻的生产率，没有选择过高温度也节约了能源的消耗。
打磨操作用剥皮机车光坯料表面缺陷。打磨使粗棒坯表面光滑，方便定心操作，同时提高了定心的准确度。
可选的，对粗棒坯切割方式包括但不限于水切割和带锯锯切。
可选的，棒坯直径为50mm～130mm。
可选的，棒坯长度为650mm～4500mm。
可选的，棒坯的定心孔范围为Φ18±0.5mm～Φ30±0.5mm。
可选的，定心操作采用卧式定心机定心。
可选的，第一温度的范围为700℃～980℃。高温下的锆合金棒坯得到充分软化，方便穿孔操作的难度，提高了整个操作流畅的效率。
可选的，第二处理包括：将荒管清除内外表面缺陷，制得表面光滑荒管；对表面光滑荒管进行多次冷轧处理，每完成一次冷轧，进行一次脱脂与真空退火。对荒管外表面进行扒皮或磨削处理、内表面进行镗孔处理，清除表面缺陷。镗孔可扩大孔径，提高精度，减小表面粗糙度，还可以较好地纠正管材壁厚偏差。扒皮与磨削既能清除外表面缺陷亦能更精确的对荒管进行精细的规范尺寸。冷轧采用两辊冷轧机组、多辊冷轧机组、KPW75轧机、KPW50轧机、KPW25轧机轧制，两辊冷轧机组是LG120、LG55、LG30两辊冷轧机组，多辊冷轧机组是LD60、LD30、LG15多辊冷轧机组。冷轧可保证管材尺寸精度并可得到光洁度很好管材表面。脱脂的目的在于去除轧制时附在轧材上的润滑油脂，以免退火时污染荒管表面，也为防止增碳。
可选的，真空退火温度为650℃～750℃、时间为60min～210min、真空压强小于1×10-2Pa。使锆合金荒管再结晶，消除冷轧加工后的硬化，恢复塑性以得到预期的物理及物理一化学性能。降低锆合金荒管硬度，改善切削加工性、消除残余应力、稳定尺寸、减少变形与裂纹倾向；提高锆合金荒管塑性，防止开裂。细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。均匀材料组织和成分，改善材料性能或为以后热处理做组织准备。锆元素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，所以采用真空退火，彻底隔绝其他元素渗入。
可选的，半成品锆合金管材直线度小于2.1mm/m。半成品锆合金管材在六辊或十辊矫直设备上进行矫直。冷轧管材样式一般为开口截面，使得截面的自由扭转刚度较低。在受弯时容易出现扭转，受压时容易出现弯扭屈曲，所以需要矫直操作。由于被矫正材料为管材，并且长度较长，所以选择辊数较多的矫直机，才能在对管材最小的破坏下进行矫直操作。
可选的，酸洗壁厚去除量为0.05mm～0.30mm。利用酸液去除半成品锆合金管材表面上的氧化皮和其他杂质，达到清洁半成品锆合金管材表面的效果。
本发明实施例的另一方面提供了一种锆合金管材，通过采用上述实施例中任意一项所述的锆合金管材制备方法所制得。该锆合金管材化学成分(质量分数)为锆+铪≥95.5％，铪≤4.5％，铁+铬≤0.2％，铌为2.0％～3.0％。锆对多种酸(如盐酸、硝酸、硫酸和醋酸)、碱和盐有优良的抗腐蚀性。成品管材外径为Φ20mm～Φ89.0mm、壁厚为1.0mm～16mm。成品管材的尺寸也符合常用管材规格，并且此范围内制备得出的成品管材成材率高，可大幅降低生产成本。
实施例1：其步骤为：将锆合金锆锭热锻为Φ115±3mm的锆合金粗棒坯；使用带锯锯切粗棒坯长度为1200mm的锆合金粗棒坯，再用剥皮机车光锆合金粗棒坯表面缺陷。使用卧式定心机定心，其定心孔范围在Φ30mm±0.5mm；将锆合金棒坯加热到950℃，对锆合金棒坯使用两辊斜轧机组进行穿孔，使用水冷顶头，控制总直径压下率为10％，控制顶前压下率4.5％，控制椭圆度系数为1.15，控制穿孔速度为0.5mm/s，穿孔后即制得锆合金荒管。锆合金荒管外表面进行扒皮处理、内表面进行镗孔处理，制得的表面光滑荒管尺寸为Φ105mm、壁厚为9mm、长度为4500mm；然后采用LG120轧机轧制，轧制速度60次/分钟、送进量5mm/次，轧制尺寸为：
轧制管材进行脱脂处理。退火温度650℃、时间210min、真空压强小于1×10-2Pa；锆合金管材在六辊矫直设备上进行矫直，直线度小于2.1mm/m；酸液用硝酸、氢氟酸及水配制，酸洗壁厚去除量0.1mm；
水压测试：水压压强19.3兆帕、时间保持5秒，管材水压测试无泄漏；气体化学成分测试：氢元素含量为0.002％、氮元素含量为0.011％；室温拉伸性能测试：最大拉伸强度612兆帕、屈服强度514兆帕、伸长率20％；管材尺寸检测：
实施例2：其步骤为：将锆合金锆锭热锻为Φ115±3mm的锆合金粗棒坯；带使用锯锯切粗棒坯长度为1200mm的锆合金粗棒坯，再用剥皮机车光锆合金粗棒坯表面缺陷。使用卧式定心机定心，其定心孔范围在Φ30mm±0.5mm；将锆合金棒坯加热到950℃，对锆合金棒坯使用两辊斜轧机组进行穿孔，使用水冷顶头，控制总直径压下率为10％，控制顶前压下率4.5％，控制椭圆度系数为1.15，控制穿孔速度为0.5mm/s，穿孔后即制得锆合金荒管。锆合金荒管外表面进行扒皮处理、内表面进行镗孔处理，制得的表面光滑荒管尺寸为Φ105mm、壁厚为9mm、长度为4500mm；然后采用LG120轧机轧制，轧制速度60次/分钟、送进量5mm/次，轧制尺寸为：
轧制管材进行脱脂处理。退火温度650℃、时间210min、真空压强小于1×10-2Pa；采用LG120轧机轧制，轧制速度60次/分钟、送进量4m/次，轧制尺寸为：
轧制管材进行脱脂处理。退火温度650℃、时间210min、真空压强小于1×10-2Pa；管材在六辊矫直设备上进行矫直，直线度小于2.1mm/m；酸液用硝酸、氢氟酸及水配制，酸洗壁厚去除量0.1mm；
水压测试：水压压强17.2兆帕、时间保持5秒，管材水压测试无泄漏；气体化学成分测试：氢元素含量为0.002％、氮元素含量为0.013；室温拉伸性能测试：最大拉伸强度620兆帕、屈服强度519兆帕、伸长率21％；管材尺寸检测：
本发明旨在保护一种锆合金管材制备方法及基于该方法制得的锆合金管材，该制备方法包括：将锆合金锆锭进行第一处理，制得棒坯；将棒坯加热到第一温度，并对其进行穿孔，制得荒管；将荒管进行第二处理，制得管材；对管材进行矫直，制得半成品锆合金管材；对半成品锆合金管材进行酸洗，制得成品锆合金管材。该方法克服现有技术中工序长、生产率低、成材率低、消耗较大，难以满足大规模工艺生产的需要，提供一种生产周期短、生产效率和成才率高、可大幅度降低生产成本、可满足大规模工业生产需要的锆合金无缝管的制造方法。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (12)
1.一种锆合金管材制备方法，其特征在于，包括：
将锆合金锆锭进行第一处理，制得棒坯；
将所述棒坯加热到第一温度，并对其进行穿孔，制得荒管；
将所述荒管进行第二处理，制得管材；
对所述管材进行矫直，制得半成品锆合金管材；
对所述半成品锆合金管材进行酸洗，制得成品锆合金管材。
2.根据权利要求1所述的锆合金管材制备方法，其特征在于，所述第一处理包括：
将所述锆合金锆锭热锻为粗棒坯；
将所述粗棒坯切割、打磨并定心，制得棒坯。
3.根据权利要求2所述的锆合金管材制备方法，其特征在于，所述棒坯直径为50mm～130mm。
4.根据权利要求2所述的锆合金管材制备方法，其特征在于，所述棒坯长度为650mm～4500mm。
5.根据权利要求2所述的锆合金管材制备方法，其特征在于，所述棒坯的定心孔范围为Φ18±0.5mm～Φ30±0.5mm。
6.根据权利要求1所述的锆合金管材制备方法，其特征在于，所述第一温度的范围为700℃～980℃。
7.根据权利要求1所述的锆合金管材制备方法，其特征在于，所述穿孔步骤使用轧机组进行，所述轧机组使用水冷顶头，所述轧机组对所述棒坯穿孔速度为0.2～0.5mm/s；
具体所述穿孔步骤条件为：所述棒坯总直径压下率为9％～16％，顶前压下率2.5％～11％，外径椭圆度系数为1.13～1.20。
8.根据权利要求1所述的锆合金管材制备方法，其特征在于，所述第二处理包括：
将所述荒管清除内外表面缺陷，制得表面光滑荒管；
对所述表面光滑荒管进行多次冷轧处理，每完成一次所述冷轧，进行一次脱脂与真空退火。
9.根据权利要求8所述的锆合金管材制备方法，其特征在于，所述真空退火温度为650℃～750℃、时间为60min～210min、真空压强小于1×10-2Pa。
10.根据权利要求1所述的锆合金管材制备方法，其特征在于，所述半成品锆合金管材直线度小于2.1mm/m。
11.根据权利要求1所述的锆合金管材制备方法，其特征在于，所述酸洗壁厚去除量为0.05mm～0.30mm。
12.一种锆合金管材，其特征在于，通过采用权利要求1-11中任意一项所述的锆合金管材制备方法所制得。
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