中子吸收板热轧机组设计与应用

任 涛

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

中子吸收材料主要用于制造核电乏燃料储存装置。乏燃料又称辐照核燃料，即在反应堆内烧过的核燃料，当乏燃料被替换下来后仍有较强的辐射性，通过专用的容器进行运输和存放。随着国家对环保的控制力度的加大，清洁能源正快速替代煤电。国家编制的《能源发展战略行动计划(2014-2020)》中对核电发展目标有明确的规划。相应核电产生的核废料量逐年扩大，安全处理成为重中之重。中子吸收材料主要采用铝基+碳化硼复合材料，坯料为高温烧结成型制备，其材料成分、轧制性能差异较大，尤其碳化硼塑性极差，必须在很小的轧制温度区间内生产，且变形率排布道次极其严格。对热轧生产设备和工艺提出了很高的要求。

我国核能的商业利用起步较晚，新的核电项目建设过程中，中子吸收材料的国内市场长期被国外供应商占据，这既不利于我国核电设备国产化，也不利于我国核电产能对外输出的需求。因此，加快国内乏燃料贮存用中子吸收材料的产业化进程，打破国外发达国家技术垄断和市场垄断成为当务之急。

1 中子吸收板热轧机组特点及机组配置

1.1 机组特点

高含量铝基碳化硼中子吸收材料，具有良好的中子屏蔽性能，其板材坯料制备采用高温烧结真空热压技术，性能极易脆，可轧温度约为450℃，不能采用水剂润滑剂润滑和冷却轧辊。内部组织为铝基包夹碳化硼颗粒，需要通过热轧大变形量轧制，最终复合材料互相融合渗透，形成良好的界面效果。

难点主要包括，可轧温度范围小，需要连续补热生产；板材抗力大，厚差和板型控制难度大；无法连续润滑，轧制高温容易造成润滑油脂燃烧；材料易脆通常采用铝框包边轧制，轧制碎屑多，粘附在轧辊上影响表面质量；材料由铝+碳化硼颗粒复合成型，需要旋转轧制确保各轧制方向同性；成品厚度范围大，产品延展性差，矫直机矫正困难。

1.2 机组参数

铸锭规格：(20～200)mm×(400～600)mm×(700～1000)mm

成品规格：(1.5～20)mm×(700～1000)×6000 mm

轧机形式： 4辊可逆板式热轧机

轧制力：10000kN

轧制速度：90m/min

主要设备组成如图1所示。

1.3 生产流程

首先坯料在加热炉中加热保温，每一炉可装填多块板坯；板坯加热到目标温度后，第一块出炉，经上料机构上料，通过轧机辊道运输送至热轧机入口，往返热轧二道次，轧制结束后坯料由转运辊道运输至机组后部，腾空辊道后开始轧制第二块坯料，以此类推。第一、二道次轧制结束后的板坯运至机组后循环辊道，并依序送至坯料补热炉进行补热，补热完成后再依序由上料机构送至热轧机辊道上进行第三道次热轧，依照上述补热规则与轧制制度，直至轧到最终厚度。然后在剪切机上切头尾，再经矫直机矫平后垛板运出。

图1 机组主要设备组成Fig.1 Main equipment composition

2 关键技术和设备设计

2.1 带有在线自动补热功能的自动循环轧制系统

中子吸收板的特性是轧制温度区间窄，铸锭规格较小不易保存热量，因此必须每轧制一个道次返回补热炉进行补热。该机组在线配置轧机和连续补热炉，通过循环运输辊道将两者联系起来。轧机出炉后经过一道次轧制，通过中间转移辊道运输至整个生产线的后部，进入补热炉后炉门，补热炉设置多个料位，通过步进的方式通过补热炉体。

当轧制过的板材进入后炉门，同时前炉门口的一块料已经加热到位，通过上料机构运输到轧机入口，保证了轧制的连续性，大大提高生产效率。循环轧制过程中，包括轧制、运输、入炉、补热、出炉、旋转等复杂的工艺流程，在运行路程上设置多套传感器，编制自动程序，保证工艺的一致性。

2.2 大压下量轧制强迫送料装置

中子吸收板坯采用的高温烧结成型技术，经过高温锻压后有一定的致密性，但是作为轧制材料还是非常脆硬，需要采用大变形比轧制，将内部的复合材料迅速融合。本轧机根据工艺要求需达到15%～30%的变形率，即咬入量不低于30mm。同时还需要满足生产1.5mm厚度的成品，所以工作辊直径过大或过小均不可取。因此，在选定合适工作辊直径的同时，在轧机两侧开发设计了推料机构，通过液压马达带动推料臂，产生推力，将板坯强行送入轧辊。推料机构在不使用时可升起躲开轧制线。经过实践使用，推料机构有效的提高了咬入厚度，确保了顺利轧制。

在轧制融合过程中要保证各向同性，该机组在轧机的入口开发设计了旋转辊道，将一根辊道辊子分为操作侧和传动侧两部分，分别通过电机驱动，需要旋转的板坯运输至该组辊道上方时，操作侧与传动侧电机反向旋转，板坯两侧形成反向运动整体旋转90°进入轧机，实现旋转轧制。

中子吸收板采用批量轧制，在补热炉内加热过程相对较长，辊系通过加温时间也较长，辊凸度难以保持稳定。本机组设计开发了工作辊加热装置，加热装置基本元件为电阻丝陶瓷传热结构，工作辊中心打加热孔，在静态时将加热装置装入轧辊，通电预热轧辊，为控制板材的凸度提供了良好的前提条件。

2.3 自动润滑清辊装置

中子吸收板的脆硬特性，在板坯边部表现特别明显。在轧制工艺上采用了包边轧制，即用软铝合金框架将中子吸收板材边部包裹，轧制时边框同时变形，使脆硬的边部有一定支撑。

轧制过程中边框逐渐轧薄，形成碎屑脱落，粘附在辊子上对板材表面形成一定伤害。本机组为刮除碎屑开发设计出专用刮刀装置，刮刀刀片采用特制材料不伤辊面，摆动气缸将刀片柔性压在辊面上，调刀机构可微调刮刀缝隙，将辊表面碎屑均匀刮下。

中子吸收板坯的碳化硼材料与铝基材料结合相对疏松，不能采用液态水剂的润滑材料，只能采用粘度大的油脂润滑，在高温轧制状态，要严格控制油脂的涂抹量以防止起火。本机组开发设计一套涂油系统，包括油输送装置、滴油装置、涂油辊装置。涂油辊采用耐高温无纺布制成，沾满油后靠在工作辊上，将润滑油均匀粘附。实际使用中该套装置能有效润滑辊系，偶尔有少量起火情况，但由于涂抹均匀、量控制的较好，起火点很快熄灭，产生的碳粉也有较好的润滑作用。

2.4 具有大厚度范围矫正功能的双辊系矫直机

中子吸收板材料成品规格多、厚度要求范围大，约为1.5mm～20mm，要求板材轧制后的矫直机能满足大范围矫直功能。根据矫直原理，一般一套矫直辊系矫正厚度极限约为4～5倍板厚，为满足此要求，该机组配备了双辊系矫直机，较好的解决了这个难题。

针对特定产品规格，矫直机的辊距在一定范围内选取，不能过大，否则被矫板材塑性变形小，不能保证矫直质量；辊距过小，矫直力增大，辊系承载能力下降，传动系统承载能力下降，设备容易破坏。因此，一定辊系参数的矫直机其矫直范围是一定的。最终确定采用13辊矫直5mm～20mm厚度，17辊矫直1.5mm～5mm厚度。双辊系矫直机，通过紧凑型的输出轴布置方式，解决了齿轮分配箱特有结构与传动接轴传动安装摆角之间的矛盾，解决了不同辊系辊数与传动系统的匹配问题。同时具备辊系快速更换能力，一个机架可以匹配多套辊系，辊系更换时间小于30min，满足了在线连续运行要求。

由于中子吸收板材料脆性，矫直时单弯曲大变形易在材料表面产生裂纹，小弯曲变形又不能消除不可展开板型缺陷。研究提出脆性材料等量变形矫直方案，在相等总变形条件下，减小单道次弯曲变形量，均匀每道次变形，提升道次累加效果；同时减小辊距，增加横向浪形在矫直过程中产生的附加应力，增加中性层偏移量，减小了残余应力，加快浪形对消效果。实际生产中采用一道次热矫结合一道次冷矫，取得了较好的板型效果

2.5 恒温控制循环式补热炉系统

从热轧机卸下来的中间坯经进料装置进入补热炉，进料装置位于热轧辊道位置，炉门关闭，中间坯在炉内加热到设定温度，待中间坯符合工艺要求后，炉门开启，经出料装置(位于热轧辊道位置)进入热轧机辊道进行轧制。轧制结束后，进入坯料炉进行补热。

轧件在炉内采用依次平铺式运动，坯料在加热炉内循环方向为双向，上料装置也具备卸料功能，卸料装置亦具备上料功能，链传动装置的速度可调，以满足后续生产工艺的要求。

链式加热炉包括箱式炉体、热风循环系统、链条驱动机构、炉门和升降机构及炉门密封、加热系统、压缩空气系统、进出料装置等。在进出口炉门各自增加1个热气帘，以阻止热空气的流出。

炉体为箱式强制空气循环炉，在炉顶上装有1台体外循环的高温离心风机，使炉内气体定向循环。炉壁、炉底、炉顶全部采用双层钢板中间填以用锚固件固定的绝热材料，炉子内壁考虑到受热膨胀，在结构上作相应处理。配置有热风循环系统，是保证产品达到工艺要求的加热速度和温度均匀性的关键。为强化热交换，保证产品质量，在炉顶装有1台高温离心风机，风机电机采用变频器变频调速。

上料装置。铸锭至热轧辊道的出料方式采用端出料，由炉前取料叉及联接框架和驱动电机机构、垂直升降机构及其驱动机构组成，取料机水平移动、垂直升降都由液压缸驱动。当需要出料时，取料机下降、快进，炉门开启，取料机转慢速行走到位后，链条上的铸锭走到取料叉上方，取料叉的顶标高比链条标高低，取料机升降机构将取料叉抬起，取料叉托起铝锭上升，离开链条，取料叉带料快速后退，炉门关闭。取料机继续后退到热轧辊道上，减速并与热轧辊道中心对中(根据不同的铝锭尺寸)，取料机下降将铸锭放在热轧辊道上。取料机多达8个插臂，随着板材轧制，料长变化有足够的插臂将料送入或取出。

3 应用情况

中子吸收板热轧机组的开发研制，以及多个关键技术装备的成功应用，在实际生产中的到了充分验证，其主要指标达到预期效果，形成批量生产能力。整个机组生产工艺流畅，操作控制自动化程度高设备配置合理，确保了整个设备在大规格、多道次、反复加热条件下的稳定连续运行。