专利名称：制造由矩形截面的金属材料做成的线材的方法
技术领域：
本发明涉及一种制造由矩形截面的金属材料做成的线材的方法，该线材具有预定的组织与预定的力学性能。本发明特别适用于制造用具有矩形截面的锆或锆锡合金做成的线材，它用于制造例如在某些类型的核反应堆中用于燃料元件的导向条或分隔器的元件。
在某些核反应堆，如用重水冷却的CANDU型反应堆中，采用了燃料元件，其中，使含有燃料物质的棒结合在一起，其形状为圆形截面的圆柱形束。
在燃料元件的周围燃料棒的包壳上焊有导向条，以使燃料元件能在为容纳它而设计的座中被定向和导向。此外，在燃料元件的各个棒之间还设置有分隔条。
具有矩形截面的燃料棒的导向与定向条和燃料棒分隔条是通过切割矩形截面的锆合金线材而得到的。
用锆合金如锆锡合金4做成的线材是通过许多转换工序得到的，它们包括主要由轧制和压延阶段组成的许多按顺序进行的阶段，在各个阶段之间要进行热处理。
为了生产尺寸为2×3mm左右的矩形截面线材，要制备一个起始产品，此起始产品有一个大尺寸的正方形截面，然后对此产品进行轧制，以减少正方形截面的尺寸，再将其热处理，接着再次轧制成圆形，此后在热处理后用热轧减小其截面。
其后将由完成的缩径轧制工序而得到的圆形截面产品分几个中间用热处理隔开的阶段压延，以得到截面为正方形的产品，该截面尺寸减小成在轧制最后阶段得到的产品的最终尺寸。
然后就使正方形或矩形截面的线材受到精整处理与检查。
转换工序中的许多按顺序进行的阶段，特别是其截面形状和尺寸在制造过程中大大改变的产品的轧制和压延阶段，要求采用具有非常不同的特性的转换生产线。
常常需要利用分散在不同工厂中的转换生产线与热处理设备，这些工厂要装备成能制造具有不同截面和不同尺寸的金属产品。
因此，制造一批矩形截面线材所用的研制时间是相当长的，大约要40周。
此外，由于有非常多的按顺序进行的工序，因此很难在最终状态改变具有矩形截面的线材的组织与几何特性和力学性能，以满足制造所提出的要求。
更一般地说，当要求从某些任意的金属材料制造小尺寸的矩形截面线材时，就需要采取多个按顺序进行的转换工序，例如利用轧制的工序，这就意味着，使制造过程变复杂而且由于制造过程的复杂性，非常难以保证最终产品的精确性能。
因此，本发明的目的在于提出一种制造由矩形截面的金属材料做成的线材的方法，该线材具有预定的组织和预定的力学性能以及很好的内部均匀性，该方法对形状均匀的产品采用按顺序进行的转换工序，而且有可能在冶金转换工厂的已有的标准设备中进行这些转换。
为达到这一目的，采用了制备和转换金属材料的工序，包括至少一个轧制阶段和至少一次热处理，以生产一金属板材，此板材的厚度等于要得到的线材截面的第一尺寸，其组织与力学性能对应于要得到的线材的预定的组织和预定的力学性能，并且要沿许多纵向的互相平行的切割线如此切割金属板材，以使两条邻接的切割线之间的间隔等于线材截面的第二尺寸。
为了易于理解本发明，现在参考附图用非限制性例子描述用于制造由锆合金做成的矩形截面的线材的方法，该线材可用于生产CANDU反应堆的燃料元件所用的导向条或分隔器。
图1是一用于CANDU反应堆的燃料组件的透视图，它包括用矩形截面线材生产的导向条和分隔器。
图2是用于实施本发明方法的劈裂机的切割辊子的侧视图。
图3是劈裂机的辊子和切割刀的3向正视图。
图4是用本发明的方法制造的矩形线材的精整线的示意图。
图5是本发明制造方法的流程图。
图1示出了CANDU反应堆的燃料元件，它整个地用标号1代表并具有圆柱形。燃料元件1包括整个为圆形的端板2和组成圆柱形束的燃料棒群3。
每个燃料棒包括用锆合金，例如锆锡合金4做的管形包壳，其中含有燃料芯块，其端部用也由锆锡合金4做的塞子封住。
为了使燃料元件在用于将其存放在核反应堆内的座中导向和定向，在燃料元件1的周围燃料棒包壳上焊有导向条4。
在燃料元件1的每个周围燃料棒3上，沿燃料棒的长度互相隔开地固定三个导向条4。此外，两个相邻的燃料棒上的导向条沿棒的纵向彼此错开。
图1用透视图示出了导向条4，其横截面(用阴影线表示)为一矩形。
导向条4有相对于条的横截面倾斜的扁平端部。
导向条4是通过倾斜地切割用锆锡合金4做的矩形截面线材而生产出的。
燃料元件1还另外包括分隔器5，每个分隔器都插在燃料元件的两个相邻棒之间，使之在整个燃料元件1中有可能保持各棒之间的均匀间隔。这样，有可能避免燃料棒3变形和彼此接触，因为这样可能会产生局部过热。
分隔器5也是通过切割用锆锡合金4做的矩形截面线材而生产出来的，并焊在棒的包壳的外表面上，它在布置上相对于棒包壳的母线略微倾斜。
分隔器5的尺寸，尤其是截面，小于用于导向和定向燃料元件的导向条4的尺寸和截面。
导向条4和分隔器5都是通过将线材剪切成所要求的长度而得到的，该线材具有与导向条或分隔器的横截面对应的截面。
为了制造像那些用在CANDU反应堆中的燃料元件，采用了由锆锡合金4做成的矩形截面线材，可以改变其组织与性能，以保证在正在工作的反应堆中的燃料元件的导向条和分隔器的良好性能。
一般，特别是对于制造导向条，都采用正方形或矩形截面的线材，其各个边的长度为0.9～3mm。线材的截面尺寸必须有高的精度。
在此以前，用锆锡合金4做成的矩形线材的生产采用了一系列的转换工序，它包括具有圆形或正方形截面和尺寸的产品的轧制阶段和压延阶段，产品的尺寸在转换过程中减小，直至得到矩形截面线材的最终截面尺寸。
这种方法很复杂，采用了非常不同的工具与设备，并且需要精确控制各种转换工序与热处理工序，以便在其最终状态得到线材的理想组织和理想性能。
按照本发明的制造方法可以用流程图的形式表示(见图5)。
线材的制造是通过制备液态的锆锡合金4而开始的，接着将此液态合金铸造成锭，然后热锻造成板坯，也就是说，加工成非常厚的扁平产品。
在板坯的分级与检查工序之后，将板坯分几个道次热轧，回火，成为中间尺寸，以便得到热轧金属板材，在将此金属板材冷轧之前，对其进行钢丝刷清理，并去掉氧化皮。冷轧后得到的金属板材有一厚度，此厚度即为所要得到的线材的正方形或矩形截面的一个边的长度，接着就进行热处理，使之可根据线材的用途得到对线材所要求的组织与力学性能。
冷轧可用一个道次或分几个道次完成，以便得到最终厚度为2mm左右或更广泛一些可为0.9～4mm的冷轧金属板材。
此后将冷轧金属板带劈裂成比初始带材窄的带材，然后将较窄的带材劈裂，以得到最终状态的线材，此线材的矩形或正方形截面有一与冷轧带材的厚度相对应的第一尺寸和一与劈裂时所用的切割宽度相对应的第二尺寸。
劈裂在一生产线上进行，该生产线包括一个有辊子和环形切刀的劈裂机，它允许劈裂厚度在0.9～4mm的金属板材。
图2和3示意地示出了劈裂机，它包括彼此相向布置的一个上辊6a和一个下辊6b，从而劈裂在辊子之间通过的带材7。
每个辊子6a和6b都有一中心轴，环形的切刀8a和8b用非常精确地规定的间距安装在此轴上。
由图3可以看出，切刀8a和8b是交替地布置在辊子6a和6b上的，并且辊子彼此相向布置，而其轴线则平行布置，由此使一个劈裂辊的每个切刀8a或8b伸入位于相对设置的两个切刀8a或8b之间的空间中。另外，切刀8a之间和切刀8b之间在辊子轴线方向上的空间保持在一个略大于切刀宽度的值，以使如图2中的箭头9所示按相反方向被驱动旋转的切刀的切割部分的侧面之间有一间隙。
如箭头16所示，被送入辊子6a和6b之间的间隙的冷轧带材7被剪切成具有矩形截面的线材形状，此截面的一个尺寸对应于冷轧带材7的厚度，截面的两个相邻切割线之间的另一尺寸则对应于相邻切刀之间在辊子轴线方向上的间距，此轴线方向与金属板带在辊子之间穿过的纵向成直角。
彼此相对设置的切刀的侧面之间沿轴向的间隙由用于安装切刀的间距块保持。此间隙通常被设定为0.1mm左右的一个值。
当采用包括由一电动机驱动旋转的辊子的劈裂机时，可以切割长达100m的带材。因此可以得到长度为20～100m的线材，这样长的线材可以头对尾地焊接在一起并被缠绕在卷取机上。在将线材缠绕成卷之前，可对两段线材之间的焊接头做记号。
根据劈裂机的特性，可以同时生产不同数量的线材10，例如可以同时生产的数目为10。
当然，线材的冶金状态和性能就是那些由被劈裂的冷轧金属板材所得到的冶金状态和性能。
很显然，改变通过传统的热轧和冷轧工序得到的金属板材的冶金状态和性能要远比改变通过许多按顺序进行的轧制和压延工序或拔丝工序得到的线材的组织状态和性能容易得多。
尤其是，轧制工序使之有可能保证在所得到的产品中没有孔隙，这是因为，大家都知道，锆及其合金在压延或拔丝工序中对这类缺陷是敏感的，这使得这些工序用起来非常棘手，同时限制了变形的允许水平并要求作复杂的表面处理。
所得到的线材可以例如用剪切进行切割，以形成用于核燃料元件的导向条或分隔器。
有代表性的是，当制备由锆锡合金4做成的矩形或正方形截面线材，用于制造核燃料元件时，有可能得到其尺寸特性和尺寸精度如下的线材。
矩形截面线材(2mm±0.05mm)×(2.65mm±0.15mm)矩形截面线材(2.21mm±0.05mm)×(2.42mm0.15mm)矩形截面线材(1.57mm±0.05mm)×(2.87mm±0.15mm)矩形截面线材(0.9mm±0.05mm)×(2.47mm±0.15mm)可将这些线材用于形成用在CANDU型反应堆中的燃料元件的导向和定向条或分隔器。此外，也生产过用作焊丝的正方形截面线材(1.5mm±0.05mm)×(1.5mm±0.15mm)。
在各种情况下，线材的第一尺寸对应于冷轧金属板材的厚度，得到此厚度的精度为0.05mm。第二尺寸对应于劈裂时的切割宽度，也就是说，对应于在切割线之间，沿与这些切割线成直角的方向的距离，得到此宽度的精度为0.15mm。
图4示出了用于通过劈裂由锆合金制成的带材而得到的线材的精整线。
精整线包括一在其上放置有矩形截面的线材10的线卷的开卷辊11，一用于头对尾地焊接由切割得到的各段线材的焊接机12，一用于消除线材10的平直度缺陷的辊式矫直机13，一用于去除可能在线材10的剪切面的底部存在的毛刺的剃边机14，和一用于得到可送交用户的线材10的线卷的卷取机15。
线材10包括两个未经精整的轧制面，其粗糙度Ra小于或等于10μm，通过劈裂得到的、其切割毛刺已被剃除的两个面的粗糙度Ra小于或等于30μm。
线材在精整过程中已经过矫直工序这一事实使之能在最终使用时用在有自动进给的机器上。
线材的最终状态的特征为表面有少量的加工硬化或整个线材有轻微的加工硬化。
按照本发明的方法的主要吸引力在于，它有可能在研制期内制造线材，而且与采用现有技术的已知方法制造线材的情况下的制造研制期相比，可以大大地缩短此研制期。此制造研制期小于采用现有技术的方法的制造研制期的三分之一。
本发明并不限于上述实施例。
因此，劈裂金属板材的工序可以用一种不同于上面所述的方式进行，即它可以采用某种不同于在切刀之间剪切的劈裂机的装置。
用于劈裂成线材的带材可以用任何一种转换方法得到，这种方法在制备用与线材相同的金属材料做的带材的情况下是很普通的。带材的制造范围要选择成能用可在转换工厂中得到的传统型设备进行生产。
线材精整线可以装在劈裂机的出口处，以便能提供一用于制造线材的连续工艺。
本发明不仅能用于制造用锆或锆合金，如锆锡合金4做成的线材，而且也可用于制造由任何金属材料做成的线材，这种金属材料能被做成板材形式，然后沿纵向被劈裂成矩形或正方形截面的像线材那样的狭窄产品形式。
本发明还可用于制造由任何成份的填充金属做成的焊条或焊棒。
热处理的范围应适合于线材的材料和线材在最终状态时所要求的性能与组织状态。
权利要求
1.一种制造具有矩形截面的金属材料线材(10)的方法，该线材具有预定的组织状态和预定的力学性能以及良好的内部均匀性，其特征为，采用了制备和转换金属材料的工序生产金属板材(7)，所述工序包括至少一个轧制阶段和至少一个热处理阶段，此板材具有与所要得到的线材(10)的截面的第一尺寸相等的厚度，和与所要得到的线材(10)的预定组织状态和预定性能相对应的组织状态和力学性能，并且，沿许多沿纵向互相平行的切割线如此切割金属板材(7)，以使与所述纵向成直角的两个相邻切割线之间的间隔等于线材(10)的截面的第二尺寸。
2.如权利要求1所述的方法，其特征为，带材(7)通过在劈裂机的切刀(8a、8b)之间进行的劈裂被沿纵向切割，此时，在与金属板材(7)的纵向运行方向成直角的方向上，劈裂间隔等于线材(10)的截面的第二尺寸。
3.如权利要求2所述的方法，其特征为，在劈裂之后，线材(10)被矫直，并剃削由切割得到的线材(10)的表面。
4.如权利要求1所述的方法，其特征为，线材(10)的各个段是通过切割金属材料(7)而形成的，并且将线材(10)的各个段头对尾地焊接在一起。
5.如权利要求1所述的方法，其特征为，制备和转换金属材料，以得到平直的金属板材(7)的工序包括至少一个热轧工序，至少一个冷轧工序和热处理工序。
6.如权利要求1至5中的任何一项所述的方法，其特征为，金属材料为锆或锆合金。
7.如权利要求6所述方法的用途，用该方法制造用于定向和导向或用于分隔核反应堆的燃料元件的燃料棒(3)的导向条，它是通过将用根据权利要求6的方法得到的矩形截面线材(10)予以切割而实现的。
8.如权利要求1所述方法的用途，用以制造焊条或焊棒。
全文摘要
制造一种其在最终状态的厚度等于要得到的线材(10)的截面的第一尺寸的平直金属板材,沿许多纵向相互平行的切割线如此切割该金属板材,以使两个相邻切割线之间的间隔等于要得到的线材(10)的截面的第二尺寸。本方法特别适用于制备矩形或正方形截面的用锆或锆合金制造的线材,该线材用于制造定向和导向核燃料组件用的导向条或分隔燃料棒用的分隔条,本方法也可另外用于制备焊接用的线材或填充金属棒。
文档编号B21C37/04GK1178144SQ97110349
公开日1998年4月8日 申请日期1997年4月9日 优先权日1997年4月9日
发明者克里斯托弗·里查德 申请人:欧洲塞扎斯“锆”公司