铀纯化BTTⅡ8型煅烧炉焊接件炉筒的研制与应用

李 勤，刘伟林

(中核二七二铀业有限责任公司，湖南 衡阳 421004)

BTTⅡ8型煅烧炉是中国某天然铀氧化物纯化生产线煅烧工序的主体设备，属卧式电热回转炉类型[1]，为20世纪50年代前苏联援建产品。传统煅烧炉炉筒总长为7 800 mm，外径为450 mm，壁厚为16～20 mm，总质量约2 300 kg，腔内导程板为内螺旋叶片设计。基于AUC煅烧生产UO2的反应原理[2]和煅烧气氛，要求煅烧炉的炉筒材质具备优良的耐高温和耐碱腐蚀性能；并且根据对不同区域的加热功率要求[3]，腔内导程板需设计为高度不同、规则排列的内螺旋叶片结构。

由于材质要求的特殊性和内部结构的复杂性，传统煅烧炉炉筒都是采用翻砂铸造工艺，按照特定的金属成分配比铁水，分5段浇注筒体，再组焊合成铸造件炉筒。炉筒使用性能的好坏是煅烧炉能否正常运行的关键，国内铸造件炉筒往往因气孔、夹渣、质地疏松、壁厚误差大等铸造工艺缺陷[4]，容易形成废品。

把复杂铸锻件转为焊接件生产，已成为当今加工大型设施的一种趋势[5]。为保障煅烧炉产能，提高运行效益，研制适用于BTTⅡ8型煅烧炉的焊接件炉筒。

1 焊接件炉筒研制原则

焊接件炉筒的材质应满足铀氧化物煅烧生产气氛下的耐高温和耐碱腐蚀等性能要求；其设计规格应满足在BTTⅡ8型煅烧炉上安装和稳定运行要求，并可实现与传统铸造件炉筒的互换；其使用性能应优于传统铸造件炉筒，且制造难度低，维修便捷。

2 焊接件炉筒研制方案

2.1 制造工艺路线

焊接件炉筒的制造工艺路线：1)炉筒总体规格执行原有尺寸，筒体由原5段制作改为2段制作；2)筒体、螺旋叶片及加强板等受热材料采用2520特种耐热不锈钢型材；3)筒体采用管材拉拔成型工艺，螺旋叶片、加强板采用板材切割、冲压成型工艺，挡圈及法兰等炉筒附件采用机床加工成型工艺；4)采用焊接工艺将全部组件焊制，经热处理后得到成品炉筒。焊接件炉筒整体装配结构如图1所示。

1—筒体；2—焊缝加强板；3—焊缝加强圈；4—螺旋叶片；5—托轮挡圈；6—接管法兰。图1 焊接件炉筒整体装配示意图

2.2 炉筒材质选择

基于AUC煅烧生产UO2的反应原理和煅烧气氛，炉筒材质要求有优良的耐高温和耐碱腐蚀性能。原有传统铸造件炉筒的材质，属高镍特制合金，其化学成分见表1。

表1 传统炉筒用特制合金化学成分 %

在BTTⅡ8型煅烧炉的运行和维护中，传统铸造件炉筒通常在3～6个月的运行周期内，会出现气孔、裂纹甚至断裂情况，严重影响煅烧炉的产能和产品质量。

在与BTTⅡ8型煅烧炉相同的生产工况中，某公司的氧化铀煅烧炉采用2520耐热不锈钢作为炉筒主体材料，取得了良好的效果。2520耐热不锈钢是奥氏体铬镍不锈钢，其化学成分见表2。

表2 2520耐热不锈钢化学成分 %

2520耐热不锈钢因镍、铬含量较高，具有良好的耐氧化、耐腐蚀、耐酸碱、耐高温性能，其最高使用温度可达1 200 ℃，耐高温钢管专用于制造电热炉管等场合[6]。焊接件炉筒采用与新型煅烧炉炉筒相同的主体材料，即2520耐热不锈钢，主要材料见表3。

表3 焊接件炉筒选材规格和参数

2.3 炉筒形变控制

2.3.1 炉筒加工形变控制

因筒体内径较小，内部螺旋叶片施焊空间不够，需将每个筒体对中纵向切剖为半圆筒体，以便于螺旋叶片在筒体内壁上的逐片焊接。为控制筒体切剖过程及焊接过程的变形，保证炉筒成型精度，设计、制作了炉筒外形定型管模，使用外力作用控制加工变形量，对炉筒外形整体进行加固定型。经检验，加工后炉筒的圆度误差小于2 mm，直线度误差小于3.5 mm，加工尺寸符合设计技术要求。炉筒外形定型管模实物如图2所示。

1—外形固定连板；2—定位杆(方管)；3—对开定位板。图2 炉筒外形定型管模

2.3.2 炉筒热膨胀形变控制

在BTTⅡ8型煅烧炉炉筒安装及运行中，热膨胀裕量控制是以铸造件炉筒的长度及其长度热膨胀量为标准的。在高温煅烧环境下，不同金属材料的热膨胀系数有所差别，其长度热膨胀量计算公式[7]为

△L=ɑ·L(t2-t1)，

(1)

式中：△L—炉筒设计长度热膨胀量，mm；ɑ—线性热膨胀系数，2520钢在900 ℃时的平均线性热性膨胀系数为19×10-6/℃；L—炉筒设计长度，mm；t1—周围空气温度，℃；t2—材料温度，℃。在840～880 ℃煅烧温度下，L取7 800 mm，计算得到△L为124.49 mm。

在840～880 ℃煅烧温度下，铸造件炉筒的长度热膨胀量实测数据为102.75 mm。设计长度为7 800 mm的焊接件炉筒，其长度热膨胀量将比铸造件炉筒的长度热膨胀量增加21.74 mm左右。研制中，以减少焊接件炉筒进料端20 mm长度的方式，来满足炉筒线性热膨胀形变控制要求，即焊接件炉筒焊接前的总长控制为7 780 mm。

2.4 焊接质量控制

2.4.1 筒体焊缝补强

2520钢属于耐热型奥氏体不锈钢，在焊接过程中会产生敏化现象，焊缝处容易发生应力破裂，需要对筒体焊缝采取加强措施[8]。研制中，采用与筒体材质相同的2520钢加强护板、加强护圈，对筒体纵向焊缝和中部环形焊缝进行加强，用来弥补筒体焊缝对截面抵抗弯矩的削弱。

炉筒纵向焊缝加强护板结构如图3所示，炉筒环形焊缝加强护圈结构如图4所示。

1—焊缝加强护板；2—筒体；3—螺旋叶片。图3 筒体纵向焊缝加强护板示意图

1—焊缝加强护圈；2—筒体；3—螺旋叶片。图4 筒体环形焊缝加强护圈示意图

2.4.2 焊接应力消除

采用锤击振动法、火焰回火法和整体回火法消除焊接应力。

1)锤击振动法。在焊接过程中，每焊完一根焊条，及时用专用焊工锤对刚形成的焊缝区域锤击数十次。通过锤击对焊缝产生振幅，使焊接应力分散、减弱。

2)火焰回火法。在组件焊缝焊接完成后，采用2支氧气焊枪在焊缝两侧50 mm处同时缓慢移动加热，温度控制为560～600 ℃，加热一段，采用保温棉包裹保温一段，保温时间控制为12 h，进一步消除焊接应力。

3)整体回火法。将成品炉筒安装于煅烧炉内，炉筒运转速度控制为1.5 r/min，最高温度控制为560 ℃，整体加温回火24 h，彻底消除焊接应力。整体回火温度控制曲线如图5所示。

图5 炉筒整体回火温度控制曲线

3 焊接件炉筒现场应用

将研制的第一根焊接件炉筒用于某公司铀纯化生产线的BTTⅡ8型煅烧炉，开展试验和试生产，试验数据见表4。

表4 焊接件炉筒和铸造件炉筒试验数据对比

现场应用表明：1)焊接件炉筒规格尺寸及其热膨胀量满足在BTTⅡ8型煅烧炉上的安装和运行要求，运行过程平稳；2)采用焊接件炉筒的煅烧炉系统与采用传统铸造件炉筒的煅烧炉系统相比，UO2煅烧生产设备的控制参数一致，产出的UO2产品质量均合格；3)焊接件炉筒累计300 d的运行时间内，未出现断裂、脱焊、氧化等品质缺陷问题，相较于运行周期为90～180 d的传统铸造件炉筒，使用性能更优良，使用寿命更长。

在该生产线上，现已制造多根焊接件炉筒，在多台BTTⅡ8型煅烧炉上推广应用，全面取代了传统铸造件炉筒。

4 结论

针对BTTⅡ8型煅烧炉传统铸造件炉筒生产难度大、成品炉筒本质缺陷多、使用寿命较短的现状，在使用新型耐热不锈钢材料的基础上，开发了炉筒制造工艺，研制了可替代传统铸造件炉筒的焊接件炉筒。应用结果表明，焊接件炉筒较传统铸造件炉筒使用性能更好，使用寿命更长，保障了天然铀氧化物煅烧生产设备的产能和产品质量，提高了设备运行效益。