工業純鋯鮑爾環成型回彈影響因素研究

李有華，李曉軍，代艷妮，陳 猛

（1.寶鈦集團有限公司，陜西寶雞721014；2. 寶雞鈦業股份有限公司，陜西寶雞721014）

1 前言

填料塔早期應用的填料是拉西環填料，由于該填料存在有液體溝流和壁流現象，效率較低。隨著填料塔在工業中的廣泛應用，出現了各種新型填料，如矩鞍、鮑爾環和階梯環填料等[1]。鮑爾環是在拉西環基礎上改進的一種填料[2]，為外徑與高度相等的圓環，在側壁上開出兩排長方形的窗孔，被切開環壁的一側仍與壁面相連，另一側向環內彎曲，形成內伸的舌葉，各舌葉的側邊在環中心相搭。由于這種特殊的內部結構，鮑爾環具有通氣量大、氣體阻力小、內表面利用率高的特點[3]。鮑爾環的材質經歷了陶瓷、聚丙烯和金屬材質的變更，陶瓷材質易碎和聚丙烯的易老化特性限制其使用范圍，工業級鋯在許多有機酸、無機酸、強堿和熔融鹽中具有優異的耐蝕性，是優異的化工耐蝕結構材料[4]。近年來在國內一些現代化化工企業中得到越來越多的青睞，市場發展前景良好。然而，工業純鋯在制作鮑爾環的過程中，受到材料性能的各向異性、屈服強度和沖壓成型速度等多方面因素的影響，在成型后會有不同程度的回彈，為解決回彈造成后續填料的使用問題，本文將從軋制方式、晶粒尺寸、屈服強度和成型速度等方面探討鮑爾環成型回彈影響因素，為實際生產提供借鑒和參考。

2 實驗

2.1 實驗材料

實驗選用寶雞鈦業股份有限公司經3次VAR熔煉的工業純鋯鑄錠，牌號為R60702，在鑄錠頭、上、中、下、底五點取樣測試化學成分，鑄錠成分均勻性良好，符合ASTM B551標準規定。

2.2 實驗方法

鑄錠經鍛造和表面刨銑后，板坯軋制分別采用帶式和片式生產工藝，成品帶材厚度為0.8mm，對比不同軋制方式對成型回彈的影響。成品熱處理分別采用卷式真空退火和連續真空退火，對比不同熱處理工藝對成型回彈的影響，表1為具體實驗方案。用液壓剪床切取縱橫向室溫拉伸和金相組織試樣，在CMT5105電子萬能試驗機上測試室溫拉伸性能。金相試樣經砂紙打磨和機械拋光后，采用配比為HF：HNO3：H2O=1：3：9（體積分數）的浸蝕液腐蝕，用 Axiovert200mat光學顯微鏡進行顯微組織觀察。用數顯游標卡尺測量鮑爾環沖壓成型后的回彈數值。

表1 實驗方案

3 結果與討論

3.1 軋制方式

在化學成分相同的條件下，真空熱處理制度為650℃ /10h，爐冷，對比不同軋制方式生產的工業純鋯室溫拉伸力學性能，分別測量鮑爾環成型后的回彈數值，如圖1和圖2所示。結果表明，片式生產時力學性能縱橫向均勻性良好，縱向屈服強度值比橫向低24MPa，抗拉強度和延伸率值相當。帶式生產時力學性能各向異性明顯，縱向屈服強度值比橫向低81MPa。片式和帶式生產的回彈數值分別為7.70mm和8.15mm，片式生產比帶式生產沖壓成型回彈小，主要是由于帶式生產時一直沿一個方向變形，屈服強度的各向異性明顯，說明材料性能的各項異性不利于鮑爾環的成型效果。

圖1 不同軋制方式室溫拉伸性能

圖2 不同軋制方式沖壓成型回彈數值

3.2 晶粒尺寸

在化學成分相同的條件下，采用帶式軋制方式生產時，連續和卷式真空熱處理制度分別為650℃/8min/m和650℃/10h，圖3為不同熱處理工藝處理后晶粒尺寸和回彈數值對比，圖4為不同熱處理工藝處理后的顯微組織。結果表明，連續和卷式真空熱處理的顯微組織均為等軸組織，平均晶粒尺寸分別為9.4μm和31.8μm，回彈數值分別為8.9mm和7.7mm，出現隨著晶粒尺寸的長大，回彈數值降低的規律。

圖3 不同熱處理工藝晶粒尺寸和回彈數值對比

圖4 不同熱處理工藝的顯微組織

3.3 材料的屈服強度

張寶坤[5]在研究材料性能對回彈影響因素時，認為隨著屈服強度的降低，回彈量呈現減少的趨勢。在化學成分相同的條件下，采用帶式軋制方式，真空熱處理溫度分別為650℃、700℃和750℃，圖5為連續和卷式真空熱處理工藝的橫向屈服強度值和回彈數值。結果表明，隨著熱處理溫度的升高，連續和卷式真空熱處理工藝的橫向屈服強度值逐漸減小，回彈數值也相應減小。因此，在一定范圍內，提高真空熱處理溫度可以改善工業純鋯的沖壓成型效果。

圖5 不同屈服強度的回彈數值

3.4 沖壓成型速度

圖6為在沖壓成型模具相同的條件下，采用40m/min、50m/min和60m/min三種不同沖壓成型速度的回彈數值。結果表明，在40～60m/min的沖壓速度范圍內，沖壓成型回彈數值呈現先減小后增加的趨勢，在50m/min時的回彈數值最小，成型效果最佳。

圖6 不同沖壓速度的回彈數值

4 結論

（1）工業純鋯片式生產比帶式生產沖壓成型回彈小，材料性能的各向異性不利于鮑爾環的成型效果。

（2）采用帶式軋制方式生產時，連續和卷式真空熱處理的顯微組織均為等軸組織，出現隨著晶粒尺寸的長大，回彈數值降低的規律。

（3）在650～750℃范圍內，隨著真空熱處理溫度的增加，連續和卷式真空熱處理工藝的橫向屈服強度值逐漸減小，回彈數值也相應減小。

（4）在40～60m/min的沖壓速度范圍內，沖壓成型回彈數值呈現先減小后增加的趨勢，在50m/min時的回彈數值最小，成型效果最佳。