吳根久，譚朝輝

(中核建中核燃料元件有限公司，四川宜賓 644000)

0 引言

UO2芯塊制造過程中，潤滑劑的主要作用是減少UO2粉末與模具表面及UO2粉末顆粒之間的摩擦力，使生坯塊的密度梯度分布均勻，提高生坯質(zhì)量。之前生產(chǎn)工藝中采用硬脂酸鋅作為潤滑劑，多年的生產(chǎn)實踐表明，硬脂酸鋅的潤滑性能良好，產(chǎn)品性能優(yōu)良;但是在燒結(jié)過程中分解揮發(fā)，產(chǎn)生低熔凝聚物，在燒結(jié)爐低溫區(qū)和過渡區(qū)上部凝結(jié)，形成“爐掛”。“爐掛”外觀類似石鐘乳，硬度很高，生產(chǎn)中多次造成卡舟停爐的嚴(yán)重故障，導(dǎo)致產(chǎn)品報廢、損耗鉬材、浪費能源，影響生產(chǎn)進度，因此生產(chǎn)中必須密切關(guān)注爐掛的情況，及時停爐清理。

以FHD燒結(jié)爐為例:2008～2011年5月期間總計進行了9次停爐檢修，運行周期3～4個月、產(chǎn)品50 t左右，每次檢修耗時20～25天，主要工作都是清理爐掛，因此“爐掛”已經(jīng)成為制約燒結(jié)爐產(chǎn)能提高的瓶頸。國外核燃料生產(chǎn)公司采用其他添加劑代替硬脂酸鋅，取得了良好的效果，例如美國西屋公司就是采用AKL代替硬脂酸鋅作為潤滑劑，據(jù)報道運行周期產(chǎn)品達到200 t左右。

1 AKL性能

阿克蠟(Acrawax C，簡稱AKL)是一種有機潤滑劑，常溫下為干燥、易混勻的白色粉末，是粉末冶金中常用的潤滑劑之一，化學(xué)分子式為H35C17COHNC2H4NHCOC17H35。文獻［1］研究了硬脂酸鋅和AKL在空氣和裂解氨氣氛中不同溫度下的燒損情況(見表1)，溫度分別達到532℃和367℃時，AKL完全分解揮發(fā)。

M.M.Baum和R.M.Becker等人對AKL在鐵基粉末壓坯在H2+95%N2中的熱分解產(chǎn)物進行研究后發(fā)現(xiàn)，分解產(chǎn)物主要是CO2，還有少量CO、CH4和C2H4。450℃時CO2達到極值，700～800℃時，還有少量CO釋放。Deepak Saha給出了燒結(jié)塊中殘留量與初始含量百分比α與溫度關(guān)系為:

表1 AKL和硬脂酸鋅在不同溫度下的燒損百分?jǐn)?shù)

式中:Tmax為最大分解速度時的溫度，對于UO2粉末而言，Tmax=723 K(450℃);參數(shù)b與 H2含量、H2O含量、燒結(jié)氣體及流量等因素有關(guān)，其中受溫度速度的影響最大，各因素的影響如圖1所示，同時指出干H2有利于AKL的熱分解和分解產(chǎn)物的去除。

圖1 升溫速度、H2含量、H2O含量、氣體流量對AKL分解的影響

2 工藝試驗

在工藝實驗室進行了大量科研實驗，分析研究AKL的潤滑性、粘結(jié)性以及對UO2球化粉末流動性和成型性能的影響，同時驗證AKL降密系數(shù)，并與硬脂酸鋅做了對比分析。

2.1 潤滑性能

根據(jù)生坯塊的脫模壓力來評價AKL和硬脂酸鋅的潤滑效果，脫模壓力越小，說明潤滑效果越好。試驗采用同一批次的UO2粉末，分別進行了外潤滑和內(nèi)潤滑脫模試驗。

(1)外潤滑試驗在模具的內(nèi)表面分別涂抹AKL和硬脂酸鋅，采用4.0T的壓力壓制，實驗結(jié)果顯示，AKL外潤滑脫模壓力為無潤滑脫模壓力的47%左右，與硬脂酸鋅差別不大。

(2)內(nèi)潤滑試驗生產(chǎn)中采用的是內(nèi)潤滑工藝，因此內(nèi)潤滑試驗更能反應(yīng)添加劑對生產(chǎn)的影響。按照不同的比例分別加入AKL和硬脂酸鋅，混勻后用4.0T的壓力壓制。如圖2所示。

圖2 內(nèi)潤滑脫模壓力

添加量小于0.4%wt時，隨著添加量的增加，潤滑效果明顯改善，添加量超過0.4%wt，變化趨于平緩;和硬脂酸鋅比較，脫模壓力差別不大，隨添加量的變化，潤滑效果有類似的變化趨勢。

圖3 不同添加量的Ra值

外潤滑和內(nèi)潤滑試驗結(jié)果顯示:AKL的潤滑性能與硬脂酸鋅沒有明顯的差別，說明單就潤滑性能而言，采用AKL作為潤滑劑是可行的。

2.2 粘結(jié)性能

AKL是一種有機蠟，具有一定的粘結(jié)效果，有利于提高生坯強度。采用Rattle試驗評價加入AKL和硬脂酸鋅對UO2粉末成型性能的影響，評價添加劑的粘結(jié)效果。Ra值越小，說明成型效果好。

圖3顯示，在實驗條件下，增加AKL的添加量能夠提高生坯強度，與硬脂酸鋅相比，Ra值有所減少，說明添加AKL有利于提高生坯強度。

2.3 球化粉末流動性

球化粉末的流動性對壓制成型工藝有直接的影響，流動性差的粉末不僅影響壓制成型工作的順利進行，嚴(yán)重時會導(dǎo)致芯塊出現(xiàn)多種質(zhì)量缺陷。球化時適量添加潤滑劑，能有效減小球化粉末之間的摩擦力，而且AKL有一定的粘結(jié)作用，在球化過程中能夠起到聚團的作用，有利于改善粉末的流動性。試驗選取同一批次UO2粉末分別添加AKL和硬脂酸鋅，采用相同工藝制備球化粉末，結(jié)果顯示添加AKL的球化粉末流動性良好，隨添加量的增加有所改善;與添加等量的硬脂酸鋅相比，流動性略有改善。

2.4 成型性能

潤滑劑的主要作用體現(xiàn)在壓制成型過程中:減小UO2粉末與模具表面以及粉末顆粒之間的摩擦力，使生坯密度梯度分布均勻，提高生坯質(zhì)量，減小脫模壓力，降低設(shè)備損耗。試驗選取同一批次UO2粉末，壓制密度為5.80 g/cm3的生坯，結(jié)果顯示生坯外觀良好、浸泡無氣泡，比硬脂酸鋅需要增加0.1 MPa左右的壓制壓力。

2.5 工藝試驗小結(jié)

工藝試驗結(jié)果說明AKL的潤滑性能良好，與硬脂酸鋅沒有明顯的差別;添加AKL的UO2球化粉末的流動性和壓制性能良好，能夠滿足生產(chǎn)要求，初步說明采用AKL代替硬脂酸鋅是可行的。

3 生產(chǎn)試驗

在工藝試驗的基礎(chǔ)上組織進行了生產(chǎn)試驗，進一步分析AKL對UO2球化粉末的工藝性能、芯塊的微觀結(jié)構(gòu)、理化性能、雜質(zhì)含量(特別是C含量)的影響，同時驗證AKL降密系數(shù)。

生產(chǎn)試驗分為4個試驗批次，和生產(chǎn)批240P1110+采用同一批粉末，通過對比各試驗批芯塊和生產(chǎn)批芯塊的各項性能，分析AKL對UO2球化粉末性能和芯塊質(zhì)量的影響，各批次添加劑的使用情況見表2。

表2 添加劑添加比例 /%wt

3.1 球化粉末性能

試驗結(jié)果顯示球化粉末流動性良好，隨著添加量的增加，粉末的流動性有所改善，成型壓力有所增加，松、振密度和硬脂酸鋅相比沒有明顯的差別，與工藝試驗的結(jié)果相符。

3.2 壓制工藝過程控制能力分析

鑒于潤滑劑對壓制成型工藝的重要影響，進行了壓制工藝的再現(xiàn)性和穩(wěn)定性評估。按工藝再現(xiàn)性和穩(wěn)定性評價分析要求，4批次試驗生坯分成4組(每組3舟)，在前、中、后舟隨機抽取17個生坯塊測量密度和高度。評估結(jié)果顯示生坯密度和生坯高度都能很好的滿足工藝控制要求。

3.3 C含量分析

AKL的化學(xué)分子式為:H35C17COHNC2H4NHCOC17H35，C含量為:77.03%，硬脂酸鋅化學(xué)分子式為:(C18H35O2)2Zn，C含量為62.07%，AKL的C含量高于硬脂酸鋅;同時AKL的潤滑性能略差于硬脂酸鋅，為了達到相當(dāng)?shù)臐櫥Ч?，必須適當(dāng)提高AKL的添加量。因此采用AKL代替硬脂酸鋅帶入了更多的C，可能導(dǎo)致芯塊C含量增加。

文獻［3］研究了添加0.3%wt－AKL與干法 UO2粉末混合后壓制成型，在800～1 700℃ 氫氣氣氛下燒結(jié)兩小時，隨著燒結(jié)溫度的升高，芯塊的C、H含量降低，溫度達到1 600℃以上時，C、H含量趨于穩(wěn)定，C 含量在10～20 μg/gUO2之間(圖4)。

圖4 C、H含量與燒結(jié)溫度的關(guān)系

各實驗批次和生產(chǎn)批次芯塊的H、C、N的含量見表10，各試驗批芯塊C含量分布在11～18 μg/gUO2之間，略高于240P1110+芯塊C含量，但是都滿足技術(shù)條件要求。說明用AKL代替硬脂酸鋅確實會導(dǎo)致芯塊的C含量增加，在試驗條件下能夠滿足生產(chǎn)要求。

表3 C分析結(jié)果 μg/gUO2

3.4 芯塊理化性能

試驗結(jié)果顯示添加AKL制備的芯塊各項理化性能良好，外觀質(zhì)量優(yōu)良，成品率達到了97%以上，熱穩(wěn)定性、金相、最大開口孔率與添加硬脂酸鋅時沒有明顯的差別。芯塊的密度分布在一定程度上反應(yīng)了添加劑的混勻情況，各試驗批次芯塊，水測密度分布在94.59% ～95.23%T.D 之間，呈正態(tài)分布，說明添加劑混勻情況良好。

3.5 降密系數(shù)

在燒結(jié)過程中，AKL完全分解揮發(fā)后，在芯塊中形成孔隙，從而降低燒結(jié)芯塊密度。供應(yīng)商提供的降密系數(shù)為3.0%T.D，為了確認(rèn)該降密系數(shù)，分別在工藝試驗和生產(chǎn)試驗中進行了驗證分析。

(1)實驗室驗證 分別選用合格干法、濕法UO2粉末(見表4)，按照不同的比例添加AKL，在材料壓機上壓制密度為5.80 g/cm3的生坯塊，同時進入FHD燒結(jié)爐燒結(jié)，按照公式(3)計算AKL降密系數(shù):降密系數(shù)=(基體密度－水測密度)/添加比例 (3)

表4 粉末基體密度

表5 水測結(jié)果及降密系數(shù)

由表6所列數(shù)據(jù)可知，AKL對干法粉末和濕法粉末的降密效果差別不大，降密系數(shù)平均值為2.99%T.D，0.95置信度 AKL 的降密系數(shù) K 為(2.99±0.11)%T.D。

本文中提出的互聯(lián)網(wǎng)+背景下的精品資源共享課程建設(shè)方法探討，通過分析目前資源共享平臺建設(shè)的意義和缺陷，提出如何在互聯(lián)網(wǎng)+背景下，利用互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，將最優(yōu)質(zhì)的師資和資源進行共享的方法。在下一步工作中，繼續(xù)將互聯(lián)網(wǎng)+的共享資源方法應(yīng)用到計算機專業(yè)相關(guān)課程體系中。

(2)生產(chǎn)驗證生產(chǎn)試驗粉末基體密度為98.5%T.D，按照公式(4)計算降密系數(shù):

降密系數(shù)=(基體密度－水測密度－草酸銨降密－U3O8降密)/AKL添加量 (4)

長期的生產(chǎn)實踐表明，草酸銨的降密系數(shù)為3.0%T.D，塊 U3O8降密系數(shù)為 0.105%T.D(干法)。試驗中各種添加劑的使用情況見表6。0.95置信度降密系數(shù)降密系數(shù) K 為(2.93±0.20)%T.D。

表6 水測結(jié)果及降密系數(shù)(%T.D)

實驗室試驗和生產(chǎn)試驗結(jié)果都與3.0%T.D較好的吻合，說明AKL降密系數(shù)采用3.0%T.D是可靠的。

3.6 生產(chǎn)試驗小結(jié)

在生產(chǎn)試驗中，添加AKL制備的芯塊密度合格，外觀質(zhì)量和各項理化性能優(yōu)良，磨削成品率達到97%以上，芯塊C含量略有升高，但是完全能夠滿足技術(shù)條件;與硬脂酸鋅相比，需要適當(dāng)?shù)脑黾蛹s0.1 MPa的壓制壓力;試驗表明AKL降密系數(shù)為3.0%T.D。

4 生產(chǎn)應(yīng)用效果

2011年6月份AKL開始在生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用，截至2013年4月份，已經(jīng)生產(chǎn)了大約1 000 t的產(chǎn)品。AKL混料球化工藝與硬脂酸鋅相同，成型壓力比硬脂酸鋅增加0.1 MPa左右，芯塊各項理化性能優(yōu)良，外觀質(zhì)量良好，成品率保持在90%以上。燒結(jié)爐運行穩(wěn)定正常，運行周期和周期產(chǎn)量都得到了顯著的提高，有效減少了爐掛的形成，并降低了爐掛的硬度，取得了良好的效果。

4.1 芯塊C含量

前期試驗顯示采用AKL代替硬脂酸鋅導(dǎo)致芯塊C含量有所增加，因此在生產(chǎn)中密切關(guān)注了芯塊的C含量，每批次芯塊都要求單獨檢測芯塊的C含量。圖5和圖6是1.80%富集度和4.45%富集度芯塊各批次C含量的分布情況，最高為30 μg/gUO2，完全能夠滿足小于100 μg/gUO2的技術(shù)條件。

圖5 4.45%富集度個芯塊批次C含量分布情況

4.2 燒結(jié)爐運行情況

2011年6月份生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用AKL添加工藝以來，燒結(jié)爐運行穩(wěn)定正常。以FHD燒結(jié)爐為例:最長運行周期達到14個月，周期產(chǎn)品250 t左右，產(chǎn)能得到了極大的釋放，達到了預(yù)期效果，可見采用AKL代替硬脂酸鋅對延長燒結(jié)爐的運行周期、提高周期產(chǎn)量的效果是非常明顯的。

4.3 爐掛情況

由于AKL是一種有機蠟，分解產(chǎn)物全部為氣體，能夠隨尾氣排出，不產(chǎn)生低熔凝聚物，從而減少了爐掛的形成;同時發(fā)現(xiàn)，采用AKL添加工藝時的爐掛呈現(xiàn)為松散的海綿狀，強度非常小，不足以損壞鉬舟而造成卡周的故障(見圖7)，而采用硬脂酸鋅添加工藝時，爐掛為石鐘乳狀，密度和硬度都非常高(見圖8)。因此可以認(rèn)為采用AKL添加工藝后，爐掛已經(jīng)不再是燒結(jié)爐停爐檢修的主要原因。

圖8 添加硬脂酸鋅的爐掛

5 結(jié)論

前期實驗和生產(chǎn)實踐表明采用AKL作為潤滑劑能夠生產(chǎn)出性能優(yōu)良的產(chǎn)品，極大的延長燒結(jié)爐的運行周期，提高燒結(jié)爐產(chǎn)能:

(1)試驗和生產(chǎn)表明AKL潤滑性能優(yōu)良，采用AKL添加工藝制備的球化粉末流動性和成形性良好，芯塊的外觀質(zhì)量和各項理化性能優(yōu)良，成品率保持在90%以上。

(2)添加量控制在0.4%wt以內(nèi)時，芯塊C含量小于40 μg/gUO2，完全能夠滿足技術(shù)條件要求。

(3)試驗和生產(chǎn)實踐表明AKL降密系數(shù)為3.0%T.D。

(4)采用AKL代替硬脂酸鋅，能有效減少爐掛的生成，改變爐掛的結(jié)構(gòu)和強度，避免爐掛引起的卡舟故障，延長停爐運行周期，提高燒結(jié)爐的產(chǎn)能。

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