特种拉拔技术在先进核燃料棒材生产中的应用

拉拔是金属加工的一种方法。自进入21世纪以来，随着我国制造业的发展，使用拉拔设备进行管材、棒材、型材及线材加工的企业越来越多。然而我国的拉拔设备研制工作起步较晚，总拥有的台数与我国的经济发展状况不相称，存在低端拉拔设备用于制造军工级产品的情况，因此加速新型拉拔技术的开发和研制，对实现弯道超车、缩小与国际先进拉拔技术的差距具有重要意义。

特种拉拔设备的研制意义

核燃料元件是核反应堆的核心部件，其性能直接影响核电站的可靠性、安全性和经济性，燃料元件在制造过程中需要将芯棒穿入特制的金属管套，并进行缩径拉伸。而普通的拉拔设备，在燃料棒拉伸过程中会出现芯棒断裂及微小裂痕的现象，导致芯棒损坏。研制出能实现大长径比、薄壁的拉拔，并通过轧制减径的方法，减轻拉拔机负荷，从而提高拉拔产品表面质量，且能同时适用于塑形较差材料生产的特种拉拔设备迫在眉睫，它对促进我国先进堆芯核燃料棒材的生产具有示范意义。

图1 核燃料棒材组件

特种拉拔设备的结构

特种拉拔压紧设备主要由输送支架、自动送料机构、高频传感器、高频加热炉、保温管、辊轧机、缩头机、改进型拉拔机及软件电控系统组成，整机智能化程度高，能自动实现芯棒和金属套管的自动送料、自动定位、保温、套管压紧、缩头及拉拔成型下料等燃料棒生产工序。

图2 特种拉拔压紧设备整线示意图  

特种拉拔设备的工艺流程

首先由前端上料设备将待加工的工件平放于感应加热炉入口端，自动推进器将零件平稳送入加热炉中，推进器收回；加热炉自动加温工件至1000℃，随后断电，推进器再将工件推至第一组辊轮上，对工件进行第一次缩径，随后多次缩径、拉拔直至满足要求为止。

图3 拉拔设备运行工艺流程图  

智能化控制系统

特种拉拔压紧设备采用了国内目前最先进的PLC控制系统。无需人工干预生产，可完成整套生产工艺流程，并有故障报警（声光报警）、自行分段停机功能，保证局部工艺段出现问题不影响整线生产节拍。同时整线配有温度传感器、压力传感器、速度传感器等各类感应装置，控制屏幕上能实时显示拉拔力、拉拔速度、温度等参数。

特种拉拔设备的先进性

1、高频加热炉+保温管，为燃料棒提供高温保温条件。

设备保温段采用陶瓷保温棉为金属管套提供700-800℃的保温环境，控制器显示屏可实时显示棒材温度；保温段两端各配置一套高频加热炉，可实现15m/min的运行速度下棒材自700℃升高至1000℃的升温效率，为后续燃料棒的辊轧、拉伸工序提供最佳操作温度，提高燃料棒拉伸质量。

表1 拉拔设备关键参数一览表  

2、压力传感器设置拉伸阈值，防止芯棒拉伸断裂。

设备拉伸段的拉拔小车，前端由气缸控制夹具夹取缩头后的燃料棒端头，拉拔小车上配置压力传感器，当拉力达到预设拉伸阈值则运行小车自动降低拉伸速度，从而使拉力降至许可拉力范围内，确保芯棒内部完好。

作为一家军工装备定制企业，北钢联所研制的特种拉拔设备首台样机已顺利交付，这标志着我国先进核燃料组件关键结构材料的生产模式将由半自动化转向智能化。该设备将在未来进行批量化定制生产，在形成规模效应后，对保障我国核电产业安全发展，促进国产先进核燃料组件“走出去”战略，推进核电产业军民融合发展具有重要意义。