CN110014123A - 百吨级乏燃料贮运一体化金属容器的造型工艺方法及铁砂组合铸型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及乏燃料贮运一体化金属容器的技术领域，具体为百吨级乏燃料贮运一体化金属容器的造型工艺方法及铁砂组合铸型，尤其是为百吨级乏燃料贮运一体化金属容器的铸造方法及所用的铁砂组合铸型。铁模采用球墨铸铁铸造，外模由多部分和一个盖模组成，大坭芯为砂骨架加冷铁，冷铁嵌入型砂中，底部型砂采用呋喃树脂砂，造型完成后进行微震紧实，然后浇注，本工艺制定了专用工艺参数和工艺方法，使用浇注系统和过滤系统分离铸铁液中的一次氧化渣，并减少铸铁液与空气、铸型的化学反应，减少二次氧化渣，使铸件在凝固过程中石墨化膨胀充分抵消液态收缩和凝固收缩，消除缩孔和缩松。

Description

百吨级乏燃料贮运一体化金属容器的造型工艺方法及铁砂组 合铸型

技术领域

本发明涉及乏燃料贮运一体化金属容器的技术领域，具体为百吨级乏燃料贮运一体化金属容器的造型工艺方法及铁砂组合铸型，尤其是为百吨级乏燃料贮运一体化金属容器的铸造方法及所用的铁砂组合铸型。

背景技术

目前，国内核电站的乏燃料一般暂存在反应堆保存水池中，随着运行时间的增加、换料次数的增多，保存水池的贮存能力日趋饱和，已经不能存放更多的乏燃料，急需使用乏燃料贮运容器将冷却到一定年限的乏燃料运往最终处置场，因此国内对大型乏燃料贮运容器的需求也随之加大。截止2014年底已有13座核电站共22台机组运行，正在开工建设的有12座核电站26台机组，根据《核电中长期发展规划(2011-2020)》，到2020年中国核电装机将达到在运5800万kW，在建3000万kW，如此大规模的核电建设必然导致对大型乏燃料运输容器需求的增加。

乏燃料贮运容器是专门用于管理、贮存、运输乏燃料组件的容器，主要有铸铁、锻钢、夹铅(混凝土)几种类型；密封方式多采用内外层顶盖通过螺栓螺柱压紧密封法兰、密封垫片和金属O型圈等。由于其工作环境恶劣，使用寿命要达到40年以上，因此对铸件的内外表面质量和内在组织致密、缩孔、缩松等要求非常高，镍层厚度为500μm—1200μm，筒体的外观不得有超过壁厚的缺陷，不允许焊补，内表面粗糙度要达到Ra1.6—Ra3.2。

另外，为达到使用性能要求，筒体容器材料为球墨铸铁，材料牌号为EN-GJS-400-18-LT；在结构上乏燃料容器铸件为大型复杂件，外轮廓尺寸达到5.2m，壁厚达500mm，重量达120吨。该筒体容器的结构为厚壁筒体。球墨铸铁件虽然使用性能优于其它材料，但在铸造过程中球墨铸铁比其它材料难于控制，球墨铸铁铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现缩孔和缩松，还存在一次渣和二次氧化渣，大型结构复杂、大断面的球墨铸铁件表现得更为严重，极不易达到EN 12680-3:2003中的超声检验(UT)要求和和GB/T 15822.1-2005中的磁粉检验(MT)要求。

乏燃料容器作为球墨铸铁件，由于球墨铸铁必须进行球化处理，会造成铁液中含有大量一次氧化渣，并且在浇注过程中铁液极易和空气、铸型、冷铁进行化学反应，产生二次氧化渣。为减少表面夹渣，但由于生铁等原料的质量问题，并且受到冶炼技术的限制，因此生产大型筒体容器时表面夹渣不易消除，不易达到相应的探伤标准。

发明内容

针对现有技术的乏燃料容器球墨铸铁件易于出现缩孔、缩松、一次渣和二次氧化渣等不足，本发明提供一种百吨级乏燃料贮运一体化金属容器的造型工艺方法及铁砂组合铸型，尤其是使用铁砂组合铸型制作乏燃料容器筒体的铸造方法，并且减少和消除缩松，达到相应的探伤标准。

本发明提及的一种百吨级乏燃料贮运一体化金属容器，主要用于贮存、运输核电站产生的核乏燃料，其产品重量为120吨，容器壁厚为500mm，浇注重量高达150吨。

本发明的技术方案为：

一种百吨级乏燃料贮运一体化金属容器的造型工艺方法，采用球墨铸铁铸造，由铁砂组合铸型进行造型，外模由多部分和一个盖模组成，大坭芯为砂骨架加冷铁，冷铁嵌入型砂中，底部型砂采用呋喃树脂砂，造型完成后进行微震紧实，铸铁液进入型腔的浇注速度控制在0.7t/s—1.3t/s，浇注时间控制在120-180s。

进一步的，铸铁液浇注时浇注量为0.9/s。

进一步的，铸铁液浇注时采用蜂窝状陶瓷过滤片对铸铁水进行过滤，可有效减少进入型腔的渣子并减少紊流，防止型砂从大坭芯上冲刷脱落和氧化物的生成。

进一步的，铸铁液浇注时采用压铁对砂箱和铁模(铁砂组合铸型)进行重压，压铁重量为浇注量的3-6倍。采用专用的压铁，防止石墨化膨胀时抬箱，减少缩松。压铁重量最好为浇注重量的3-6倍方能起到效果。

进一步的，乏燃料贮运一体化金属容器的材质为EN-GJS-400-18-LT。

进一步的，将得到的铸铁液球化后，在1300℃～1400℃将铸铁液浇注到铸型中，并使其在铸型中快速冷却24h—36h到600℃以下，然后开箱将其从铸型中清出。

进一步的，浇注方式采用浇包浇注，共使用两个浇包，将铸铁液浇入浇口杯内，然后通过直浇道、横浇道、内浇道进入铸型。

本发明工艺方法的原理：对于球墨铸铁件，凝固方式为糊状凝固，不易得到铁液的补充，更易于产生缩孔和缩松，但球墨铸铁在凝固过程因析出石墨，产生石墨化膨胀，能够抵充部分凝固收缩，本工艺制定的工艺参数和工艺方法，使用浇注系统和过滤系统分离铸铁液中的一次氧化渣，并减少铸铁液与空气、铸型的化学反应，减少二次氧化渣，使铸件在凝固过程中石墨化膨胀充分抵消液态收缩和凝固收缩，消除缩孔和缩松。

本发明的另一目的，在于提供一种制作百吨级乏燃料贮运一体化金属容器用的铁砂组合铸型，由金属模具、大坭芯和砂箱组成，所述的金属模具包括外模和盖模，该金属模具由底箱支撑和固定；大坭芯采用砂结构，该大坭芯外表面为冷铁，冷铁嵌入至砂中；砂箱包括底箱以及浇道砂箱，由底箱以及浇道砂箱形成浇注系统，该浇注系统包括浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道，每个内浇道设有至少一个过滤片；所述的浇注系统采用砂造型压实紧固。

本发明的特点还有：

所述的浇注系统由底箱以及浇道砂箱形成，均采用砂结构，浇道砂箱为直浇道，连接处使用螺栓紧固或焊接固定。底箱内含横浇道、内浇注系统。

所述的浇注系统采用变径方式，可以使铁水迅速充满型腔，避免铸铁液在直浇道内产生紊流，卷气卷渣，进入型腔的浇注速度控制在0.7t/s—1.3t/s，使铸铁液充型更加平稳，减小各部位的温度差异，并减小铁液的液态收缩。所述的外模采用铁模，外模材质为铸铁，外模共分为6段，以便于加工处理和节省时间。由下向上依次为1#-6#模块，铁模连接处打白胶保证其密封性。

过滤片为蜂窝状陶瓷过滤片，在150T以上过铁量、浇注时间更好控制在120-180s，采用无机材料滤网构成过滤系统，在浇铸过程中不被冲破，充分过滤铁液中的杂质。

进一步的，在大坭芯砂芯内部有出气，将砂芯产生的气体向下排出，由其自身的压力引发并沿最低阻力方向向下排出。

进一步的，砂芯和底部砂结构采用呋喃树脂砂造型。

本发明的有益效果在于，

本发明的铁砂组合铸型，在铁模内放置一个砂芯，其具有高速冷却结构。

本发明的工艺方法与传统工艺不同，使用铁砂组合铸型生产乏燃料容器时进行特殊的分型，使铸铁液趋向均衡凝固，减少了缩孔缩松，并且利于排渣、排气。针对筒体特点采用特定的浇注系统及制定合理的浇注速度和浇注时间，使得过滤系统充分起到挡渣功能，铁水平稳进入型腔，并提高铁液的自补缩能力，采用的过滤系统，使铁液的纯净度进一步得到提高。采用专用的压铁，防止石墨化膨胀时抬箱，减少缩松。

本发明得到百吨级乏燃料容器筒体，全部区域做超声波检验(UT)，达到EN12680-3:2003中的超声检验(UT)要求；筒体主要和关键区域做表面磁粉探伤(MT)，需达到GB/T15822.1-2005中的磁粉检验(MT)要求；筒体的外观没有超过壁厚的缺陷且不允许焊补。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式的结构示意图。

其中，1-金属模具，11-出气冒口，12-外模，2-砂箱，21-浇道砂箱，22-底箱，3-浇口杯，4-大坭芯，41-冷铁，5-过滤片，6-出气。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1一种百吨级乏燃料贮运一体化金属容器的造型工艺方法，乏燃料贮运一体化金属容器的材质为EN-GJS-400-18-LT。

采用球墨铸铁铸造，外模由多部分和一个盖模组成，大坭芯为砂骨架加冷铁，冷铁嵌入型砂中，底部型砂采用呋喃树脂砂，造型完成后进行微震紧实。

浇注方式采用浇包浇注，共使用两个浇包，将铸铁液浇入浇口杯内，然后通过直浇道、横浇道、内浇道进入铸型。

具体为，根据熔炼工艺要求进行熔炼配料，并采用添加球化剂、孕育剂及随流孕育方法；将得到的铸铁液球化后，在1300℃～1400℃将铸铁液浇注到铸型中，铸铁液进入型腔的浇注速度控制在0.8t/s，浇注时间控制在120-180s，并使其在铸型中快速冷却24h—36h到600℃以下，然后开箱将其从铸型中清出。铸铁液浇注时采用蜂窝状陶瓷过滤片对铸铁水进行过滤，可有效减少进入型腔的渣子并减少紊流，防止型砂从大坭芯上冲刷脱落和氧化物的生成。

在铸铁液浇注时采用压铁对砂箱和铁模(铁砂组合铸型)进行重压，压铁重量为浇注量的3-6倍，采用压铁，防止石墨化膨胀时抬箱，减少缩松。

实施例2一种制作百吨级乏燃料贮运一体化金属容器用的铁砂组合铸型

由金属模具1、大坭芯4和砂箱2组成，所述的金属模具包括外模12和盖模，该金属模具由底箱支撑和固定，所述的外模12采用铁模，外模材质为铸铁，外模共分为6段，以便于加工处理和节省时间。由下向上依次为1#-6#模块，铁模连接处打白胶保证其密封性。

大坭芯4采用砂结构，该大坭芯外表面为冷铁41，冷铁41嵌入至砂中。砂箱2包括底箱和浇道砂箱21，由底箱和浇道砂箱21形成浇注系统，均采用砂结构，浇道砂箱21为直浇道，连接处使用螺栓紧固或焊接固定；底箱含部分浇注系统。在大坭芯4砂芯内部有出气6，其作用为将砂芯产生的气体向下排出，由其自身的压力引发并沿最低阻力方向向下排出。砂芯和底部砂结构采用呋喃树脂砂造型。

该浇注系统包括浇口杯3、直浇道、横浇道、内浇道，依次连接，每个内浇道设有至少一个过滤片5，过滤片5为蜂窝状陶瓷过滤片5，在150T以上过铁量、浇注时间更好控制在120-180s，采用无机材料滤网构成过滤系统，在浇注过程中不被冲破，充分过滤铁液中的杂质。

浇注系统采用砂造型，该浇注系统采用变径方式，可以使铁水迅速充满型腔，避免铸铁液在直浇道内产生紊流，卷气卷渣，进入型腔的浇注速度控制在0.7t/s—1.3t/s，使铸铁液充型更加平稳，减小各部位的温度差异，并减小铁液的液态收缩。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种百吨级乏燃料贮运一体化金属容器的造型工艺方法，其特征在于，采用球墨铸铁铸造，由铁砂组合铸型进行造型，外模由多部分和一个盖模组成，大坭芯为砂骨架加冷铁，冷铁嵌入型砂中，底部型砂采用呋喃树脂砂，造型完成后进行微震紧实，铸铁液进入型腔的浇注速度控制在0.7t/s—1.3t/s，浇注时间控制在120-180s。

2.根据权利要求1所述的百吨级乏燃料贮运一体化金属容器的造型工艺方法，其特征在于，铸铁液浇注时浇注速度为0.9t/s。

3.根据权利要求1所述的百吨级乏燃料贮运一体化金属容器的造型工艺方法，其特征在于，铸铁液浇注时采用蜂窝状陶瓷过滤片对铸铁水进行过滤。

4.根据权利要求1所述的百吨级乏燃料贮运一体化金属容器的造型工艺方法，其特征在于，铸铁液浇注时采用压铁对铁砂组合铸型进行重压，压铁重量为浇注量的3-6倍；优选地，乏燃料贮运一体化金属容器的材质为EN-GJS-400-18-LT。

5.根据权利要求1所述的百吨级乏燃料贮运一体化金属容器的造型工艺方法，其特征在于，将得到的铸铁液球化后，在1300℃～1400℃将铸铁液浇注到铸型中，并使其在铸型中快速冷却24h—36h到600℃以下，然后开箱将其从铸型中清出。

6.一种制作百吨级乏燃料贮运一体化金属容器用的铁砂组合铸型，其特征在于，由金属模具、大坭芯和砂箱组成，所述的金属模具包括外模和盖模，该金属模具由底箱支撑和固定；大坭芯采用砂结构，该大坭芯外表面为冷铁，冷铁嵌入至砂中；砂箱包括底箱以及浇道砂箱，由底箱以及浇道砂箱形成浇注系统，该浇注系统包括浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道，依次连接，每个内浇道设有至少一个过滤片；所述的浇注系统采用砂造型压实紧固。

7.如权利要求6所述的一种制作百吨级乏燃料贮运一体化金属容器用的铁砂组合铸型，其特征在于，所述的外模采用铁模，外模材质为铸铁，外模共分为6段，由下向上依次为1#-6#模块，6#铁模上设出气冒口。

8.如权利要求6所述的一种制作百吨级乏燃料贮运一体化金属容器用的铁砂组合铸型，其特征在于，砂芯和底部砂结构采用呋喃树脂砂造型。

9.如权利要求6所述的一种制作百吨级乏燃料贮运一体化金属容器用的铁砂组合铸型，其特征在于，浇道砂箱为直浇道，所述的浇注系统采用变径方式；进一步优选，过滤片为蜂窝状陶瓷过滤片。