CN116000835B - 适用于核电不锈钢材料的高速冷切割专用砂轮 - Google Patents

Abstract

本申请的实施例提供了一种适用于核电不锈钢材料的高速冷切割专用砂轮，该砂轮原料包括：混合磨料、粘合剂、填料和增强材料，其中混合磨料包括单晶刚玉、微晶氧化铝；粘合剂包括酚醛树脂粉和酚醛树脂液；填料包括氟铝酸钾、氧化镁、二硫化亚铁、硫酸钾、石膏；增强材料包括玻璃纤维网；砂轮各原料的重量份数配比为：混合磨料100份，粘合剂30‑36份，填料25‑40份。

Description

适用于核电不锈钢材料的高速冷切割专用砂轮

技术领域

本申请属于磨具技术领域，具体涉及一种适用于核电不锈钢材料的高速冷切割专用砂轮，更具体地涉及一种适用于核电1Cr18Ni9Ti不锈钢材料的高速冷切割专用砂轮。

背景技术

早期的核电设施的热室、手套箱、大型槽罐、设备间、乏燃料水池覆面衬层等钢覆面材料，所使用的不锈钢材料多为1Cr18Ni9Ti(旧钢号321)，该种不锈钢具有良好的焊接性能，但是其易发生加工硬化，在冷切割情况下粘刀情况较为严重，属于典型的难切割、难加工的奥氏体不锈钢。核设施退役过程中，在对该种不锈钢进行切割拆除时，由于其放射性污染严重，为降低工作人员受照剂量，需使用具有较高切割速度的切割机械设备进行切割。

然而，目前国内的不锈钢专用砂轮切割片，大多数仅适用于人工操作的常速或慢速切割，且在切割过程中存在砂轮切割片的切耗比较小，砂轮切割片消耗快，使用寿命较短等问题，在实际使用过程中形成大量切割粉尘的同时需频繁更换切割片，在高速切割工况下上述缺点更为明显，甚至存在不能形成切割即发生砂轮切割片报废的情况。在对含放射性物质的刚才进行切割操作过程中，这些现有的不锈钢专用砂轮切割片易造产生大量的切割片、切割粉尘放射性固体废物，大量切割粉尘的扩散增加了放射性污染扩散风险和人员体表被沾污的风险，以及工作人员频繁进行更换新的切割片的操作容易造成切割机械无法长时间连续运行，在降低切割施工效率的同时增加了工作人员受辐照过量的风险。

针对现有的不锈钢专用切割砂轮片不适用于核设施退役奥氏体不锈钢材料拆除高速切割的工况，因此亟需一种新的砂轮以满足核设施退役不锈钢材料的高速切割。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本申请以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的适用于核电不锈钢材料的高速冷切割专用砂轮。

根据本申请实施例的第一个方面，提供一种适用于核电不锈钢材料的高速冷切割专用砂轮，砂轮原料包括：混合磨料、粘合剂、填料和增强材料，其中：混合磨料包括单晶刚玉、微晶氧化铝；粘合剂包括酚醛树脂粉和酚醛树脂液；填料包括氟铝酸钾、氧化镁、二硫化亚铁、硫酸钾、石膏；增强材料包括玻璃纤维网；其中，砂轮中各原料的重量份数配比为：混合磨料100份，粘合剂30-36份，填料25-40份。

本申请实施例中提供的适用于核电不锈钢材料的高速冷切割专用砂轮，利用单晶刚玉和微晶刚玉作为砂轮的磨料可以使制备的砂轮具有较高的强度、韧性和自锐性，同时在制作砂轮过程中添加氟铝酸钾、二硫化亚铁、硫酸钾等辅料能够起到增强砂轮的锋利度、组织强度、稳定性和润滑性，以及降低摩擦热的作用，从而使制备出的砂轮能够应用于核电不锈钢材料的高速切割，且在切割过程中砂轮切割片的消耗量较小，即产生的粉末较少。另外，本申请实施例中砂轮配方的原料价格适中，原料容易获得，无特殊性，满足工业生产的要求。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例，对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。若全文中涉及“第一”、“第二”等描述，则该“第一”、“第二”等描述仅用于区别类似的对象，而不能理解为指示或暗示其相对重要性、先后次序或者隐含指明所指示的技术特征的数量，应该理解为“第一”、“第二”等描述的数据在适当情况下可以互换。若全文中出现“和/或”，其含义为包括三个并列方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。

在对核设施退役过程中的不锈钢进行切割拆除时，由于其放射性污染严重，为降低工作人员受辐照剂量，需使用具有较高切割速度的切割机械设备。

等离子体烧蚀等热切割工艺，虽然对奥氏体不锈钢具有较高的切割速度，但其仅适用于热室等密闭环境下的切割操作。在开放或半开放环境下使用热切割工艺对放射性严重污染的材料进行切割时，产生的大量放射性气溶胶易造成周围环境污染，并给工作人员带来吸入放射性物质的风险；同时热切割产生的高温气溶胶可烧伤过滤芯材，造成通风过滤系统的穿透，从而造成更大范围的放射性气溶胶环境污染。另外，在对该种不锈钢进行水下切割时，热切割技术产生的大量气泡将明显降低水中的能见度，使切割操作难度加大，而难以准确有效的进行切割。因此，针对等离子体烧蚀等热切割工艺存在的问题，对该种不锈钢材料宜使用冷切割工艺，即普通的机械切割。

采用冷工艺对不锈钢材料进行切割时，因不锈钢设备在切割拆除前是完整无断面的，要完成对其的冷切割，需将切割材料从钢板表面入刀切透后再形成切割。然而，目前针对不锈钢切割的专用砂轮切割片、锯片、金刚石切割片等冷切割材料，经实际测试，除少数型号的砂轮切割片外，锯片和金刚石切割片均仅能从钢板断面入刀才能形成切割，无法从完整表面进行切割。

针对目前不锈钢专用砂轮切割片在切割核设施退役工程中存在的性能缺陷，即主要表现为在高速切割工况下砂轮锋利度和耐用度的不平衡问题。高速切割的稳定实现需要切割材料具有很高的切割性能，从磨削切割机理可知，砂轮的高切割性能与高使用寿命是相互矛盾的。砂轮的切割性能是由磨料的强度、韧性和砂轮组织自锐性得到，其中砂轮的自锐性为磨料从砂轮组织上脱落而产生新鲜刃口从而保持砂轮锋利度的能力，如果砂轮使用寿命越长，切耗比越大，即砂轮的磨粒不易从砂轮组织上脱落，其自锐性势必降低。

为此，本申请提供了一种适用于核电不锈钢材料的高速冷切割专用砂轮的配方，使得采用本申请实施例中提供的配方所制备的砂轮切割片具有切割速度快、使用寿命长、切割粉尘产生量小等特点，能够满足核设施退役中放射性污染不锈钢材料在采用冷切割工艺时对切割材料性能和放射性防护的要求。

本申请提供的技术方案如下：一种适用于核电不锈钢材料的高速冷切割专用砂轮，其中，该砂轮原料包括：混合磨料、粘合剂、填料和增强材料。

一般砂轮的填料为黄铁矿、冰晶石和轻质碳酸钙等。为了提高砂轮的磨削性能，与之匹配地，本申请实施例中的混合磨料包括单晶刚玉、微晶氧化铝(SG磨料)，其中，单晶刚玉具有强度高、韧性大、能够弥补SG磨料在大切深工况下刃口强度上的不足的问题。而SG磨料颗粒，与普通刚玉磨粒相比具有更高的硬度、韧性和锋利度，同时其在磨损过程中即可发生自锐，而不必通过磨粒从砂轮组织上脱落得到自锐性，从而使得制备的砂轮具有较长的使用寿命。

粘合剂是砂轮的关键组成之一，本申请实施例中的粘合剂包括酚醛树脂粉和酚醛树脂液，其主要作用是将是将磨料颗粒接固成一体形成砂轮，以帮助其实现磨削功能。

本申请实施例中的填料包括氟铝酸钾、氧化镁、二硫化亚铁、硫酸钾、石膏。其中，氟铝酸钾的熔点较高(546℃)，其主要作为砂轮的组织稳定剂和耐磨添加剂。在高温下具有润滑作用，能够降低摩擦热，并析出氟，促进金属键断裂，提高砂轮的锋利度。

氧化镁，能够促进树脂高温硬化，缩短砂轮硬化时间，让树脂在反应温度点充分地反应，并减少在硬化过程中填料的挥发物的排放；以及保持在较高温度下砂轮的组织结合强度。

二硫化亚铁，在烘焙过程中通过析出的硫与钢材磨削时发生反应，起到保护砂轮表面、降低摩擦热、润滑、提高砂轮的磨削效率、稳定砂轮工作效率，以及改善高温衰退性能的作用；还可以通过利用低热下吸氧，中热下吸热，高热下润滑等性质，促进切屑氧化，降低切割时火星量产生。

硫酸钾，能够增加砂轮孔隙率，提高砂轮的散热性能；同时在高温析出的硫酸根能够促进金属键断裂，提高砂轮的锋利度。另外，将硫酸钾与二硫化亚铁、氟铝酸钾一同加入到混合磨料中，可阻止酚醛树脂在高温下发生碳化烧伤，有利于维持砂轮组织强度和稳定性，能够有效延长砂轮的使用寿命。

石膏，惰性填料，其能够提高并保持砂轮的组织强度。

增强材料包括玻璃纤维网，能够增强砂轮整体的机械强度。

本申请的实施例中，砂轮中各原料的重量份数配比为：混合磨料100份，粘合剂30-36份，填料25-40份。

其中，单晶刚玉的重量份数为25-35份；微晶氧化铝的重量份数为65-75份；酚醛树脂液的重量份数为13.9-16.9份；酚醛树脂粉的重量份数为16.1-19.1份；氟铝酸钾的重量份数为11-14份；氧化镁的重量份数为2-5份；二硫化亚铁的重量份数为7-10份；硫酸钾的重量份数为3-6份；石膏的重量份数为2-5份，其中单晶刚玉和微晶氧化铝混合磨粒的总重量分数保持不变为100份。

进一步地，单晶刚玉的重量份数为30份；微晶氧化铝的重量份数为70份；酚醛树脂液的重量份数为14.9份；酚醛树脂粉的重量份数为17.1份；氟铝酸钾的重量份数为12份；氧化镁的重量份数为3份；二硫化亚铁的重量份数为8份；硫酸钾的重量份数为4份；石膏的重量份数为3份。

在本申请的实施例中，利用单晶刚玉和微晶刚玉作为砂轮的磨料可以使制备的砂轮具有较高的强度、韧性和自锐性，同时在制作砂轮过程中添加氟铝酸钾、二硫化亚铁、硫酸钾等辅料能够起到增强砂轮的锋利度、组织强度、稳定性、润滑性，以及降低摩擦热的作用，从而使制备出的砂轮能够应用于核电不锈钢材料的高速切割，且砂轮消耗量较小，即产生的粉末较少。

在一些实施例中，微晶氧化铝包括镀衣的微晶氧化铝。通过在SG磨料的表面进行镀衣，能够保障砂轮的磨粒在切割的前几秒不易脱落，而提高砂轮的寿命。

在一些实施例中，单晶刚玉磨粒的粒度为：50#-60#；微晶氧化铝的粒度为：45#-55#。优选磨粒粒度为60#的单晶刚玉，磨粒粒度为54#的镀衣SG磨料。在组织硬度较高的砂轮中使用较细颗粒度的磨料，可降低在高速切割工况下磨料未完全磨钝即因与切口钢料发生碰撞而脱落的几率，从而延长砂轮使用寿命。

在一些实施例中，酚醛树脂液包括：酚醛树脂液2556#；酚醛树脂粉包括：酚醛树脂粉2816#。本申请所使用的粘合剂为磨具制造行业常规使用的优质酚醛树脂粘合剂，对于其他种类优质的粘合剂也可采用，在此不再限定。

在一些实施例中，玻璃纤维网为双层，该双层玻璃纤维网中含有大于或等于30％树脂胶。本申请中使用的增强网为磨具制造行业常规使用优质增强网，使用双层玻璃纤维网能够提高砂轮整体机械强度，提高切割安全性，并将切割粉尘的扩散限制在狭窄范围内，降低切割粉尘污染扩散风险并易于收集，能够有效降低工作人员使用砂轮切割核设备时对放射性粉末的吸入。

在一些实施例中，砂轮的组织硬度为T等级，所制备的砂轮磨料不易脱落，延长了砂轮的使用寿命。砂轮的组织密度为5，为常规不锈钢切割砂轮的组织密度。

在一些实施例中，砂轮适用于1Cr18Ni9Ti不锈钢材料，对于其他型号的不锈钢材料也适用，例如奥氏体、马氏体、碳钢等金属材料也具有更好的切割效果。同时采用本申请实施例中的配方制备的砂轮切割片，根据切割不锈钢板的厚度，其使用寿命是同规格现有不锈钢专用砂轮切割片的2～10倍。

例如：采用60#单晶刚玉的重量份数为30份，54#镀衣SG磨料的重量份数为70份，酚醛树脂液的重量份数为14.9份；酚醛树脂粉的重量份数为17.1份；氟铝酸钾的重量份数为12份；氧化镁的重量份数为3份；二硫化亚铁的重量份数为8份；硫酸钾的重量份数为4份；石膏的重量份数为3份，以及采用含有大于或等于30％树脂胶的双层玻璃纤维网的配方制备不锈钢专用砂轮，并利用该砂轮在对厚度小于或等于8mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢材料进行切割，该砂轮切割时的速度能够达到5-300m/h，且砂轮的切耗比大于或等于6，从而使得该砂轮切割片具有切割速度快、使用寿命长、切割粉尘产生量小等特点，能够满足核设施退役中放射性污染不锈钢材料进行冷切割工艺时，对不锈钢材料的切割性能和安全要求，其中，砂轮的切耗比为切割去除不锈钢材料的重量与砂轮磨削损耗重量之比。

另外，本申请实施例提供的砂轮切割片的切割速度适用范围广，能够适用于轨道定向、机械臂定向的机械高速切割。在同等钢板厚度下(在适用本申请实施例中砂轮切割范围内)，本申请实施例中提供的砂轮切割速度与等离子体烧蚀切割相当或更高；同时也适用于人工切割，可明显降低人工切割的劳动强度。

本申请实施例提供的砂轮还具有较高的切耗比，能够延长砂轮的使用寿命，即切割单位长度钢板使用的砂轮切割片数量较少，可明显降低人工更换切割材料的频次，在机械切割工况下可明显提高切割流畅性。在放射性操作工况下，通过降低工作人员更换切割材料频次，而降低工作人员接触放射性物料频次，从而降低人员体被表沾污和辐射受照，并缩短切割操作时间，从而能够达到辐射防护最大化的效果。同时，较少的砂轮切割片使用量，能够明显减少切割粉尘和废砂轮的产生量，从而降低放射性固体废物产生量，并缩小切割粉尘扩散范围，有利于放射性切割操作过程中的环境保护，以及降低工作人员呼吸防护的等级。在本申请的实施例中，实测的试验场地TSP本底3mg/m³时，切割过程中，工作场所空气中TSP浓度，PC-TWA为3.01mg/m³，PC-STEL为12.24mg/m³能够明显满足国标要求。参考GBZ2.1-2007《工作场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素》内规定砂轮磨尘总尘TSP的PC-TWA限值为8mg/m³，PC-STEL限值为16mg/m³。此外，本申请实施例提供的砂轮，其切割锋利度较高，可顺利完成钢板表面入刀切透形成切口的操作，适用于不锈钢设备完整性高无断口的工况。

以下结合具体的实施例，对本申请的技术方案作进一步的说明。需要说明的是，所列举的实施例只是用于解释本申请，并非用于限定本申请的范围。适用于核电不锈钢材料的高速冷切割专用砂轮中各原料的具体重量份数配方如下：

60#单晶刚玉为30份，54#镀衣SG磨料为70份，酚醛树脂液2556#为14.9份；酚醛树脂粉2816#为17.1份；氟铝酸钾为12份；氧化镁为3份；二硫化亚铁为8份；硫酸钾为4份；石膏为3份，使用含有≥30％树脂胶的双层玻璃纤维网作为增强材料，按照本申请实施例中的配方制备的砂轮型号为：41-SG54T5BF₂。

本实施例配方的砂轮使用磨具制造行业常规生产切割砂轮片的工艺流程及工艺参数即可得到满足性能要求的产品，在此不再进行赘述。

在使用砂轮进行切割过程中，使用可编程调速的砂轮轨道切割机进行切割实验(即冷切割工艺)，切割参数见表1，每项试验使用100片相应规格的砂轮片，且每片完成1道切口。

表1.钢覆面剥离通用切割工艺参数表

在实验开始之前，选择平整地面，预埋钢筋并制备混凝土地面，使用钢筋点焊和锚栓以固定1m×2m 1Cr18Ni9Ti不锈钢板，3mm厚和6mm厚钢板各一张，其使用材料和安装方法与钢覆面剥离工程试件相同，满足典型模拟环境要求。切割前使用卡尺测量砂轮厚度，切割前后对砂轮称重并记录，其中切耗比所使用公式如式(1)所示：

其中，L_切—切割长度，对115#砂轮为300mm，对180#砂轮为240mm；ρ_钢—钢材密度，1Cr18Ni9Ti不锈钢的密度为7.85g/cm³；

δ_钢—钢板厚度，按3mm或6mm；

f_切—切口宽度，按砂轮厚度，mm；

w_砂轮0—切割前砂轮质量，g；

w_砂轮1—切割后砂轮质量，g。

计算切耗比：由于砂轮端面跳动和切口准直性误差，使得实际切口略大于砂轮厚度，即实际切耗比较计算所得切耗比略高，根据表1的参数所获得不同厚度钢板的切耗比如表2所示：

表2.量产规模实验切耗比统计表

由表2可知，按本申请实验提供的配方制备的砂轮切割片，在不同砂轮规格下对不同厚度1Cr18Ni9Ti不锈钢板进行切割，所得的砂轮平均切耗比均大于6，说明其产生较少的粉末，能够减少粉末的挥发及对人体的伤害。

另外，对本配方制备所得砂轮进行相当于在室温常湿环境下贮存1.4年的衰减实验，其切耗比降低率为10％～70％。此外，因本申请实施例中提供的配方制备的砂轮具有较高的切割速度(5-300m/h)，在20毫西弗的辐照环境中也能够正常运行，能够有效减少工作人员接触放射性废物的频次并缩短切割操作时间，降低人员体表被沾污和辐射受照量，能够达到辐射防护最大化的效果。

上面实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (6)

1.一种适用于核电不锈钢材料的高速冷切割专用砂轮，所述砂轮原料包括：混合磨料、粘合剂、填料和增强材料，其特征在于，

所述混合磨料包括单晶刚玉、微晶氧化铝；

所述粘合剂包括酚醛树脂粉和酚醛树脂液；

所述填料包括氟铝酸钾、氧化镁、二硫化亚铁、硫酸钾、石膏；

所述增强材料包括玻璃纤维网；

其中，所述砂轮中各原料的重量份数配比为：混合磨料100份，粘合剂30-36份，填料25-40份；

所述单晶刚玉的重量份数为25-35份；

所述微晶氧化铝的重量份数为65-75份；

所述酚醛树脂液的重量份数为13.9-16.9份；

所述酚醛树脂粉的重量份数为16.1-19.1份；

所述氟铝酸钾的重量份数为11-14份；

所述氧化镁的重量份数为2-5份；

所述二硫化亚铁的重量份数为7-10份；

所述硫酸钾的重量份数为3-6份；

所述石膏的重量份数为2-5份；

所述微晶氧化铝包括镀衣的微晶氧化铝；

所述单晶刚玉的磨粒的粒度为：50＃-60＃；

所述微晶氧化铝的粒度为：45＃-55＃。

2.根据权利要求1所述的砂轮，其特征在于，

所述酚醛树脂液包括：酚醛树脂液2556＃；

所述酚醛树脂粉包括：树脂粉2816＃。

3.根据权利要求2所述的砂轮，其特征在于，

所述玻璃纤维网为双层，其中双层玻璃纤维网中含有大于或等于30%树脂胶。

4.根据权利要求1所述的砂轮，其特征在于，所述砂轮适用于1Cr18Ni9Ti不锈钢材料。

5.根据权利要求4所述的砂轮，其特征在于，

所述砂轮在切割厚度小于或等于8mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢材料的情况下，所述砂轮的切割速度能够达到5-300m/h。

6.根据权利要求4所述的砂轮，其特征在于，

所述砂轮的切耗比大于或等于6，其中，所述砂轮的切耗比为切割去除不锈钢材料的重量与砂轮磨削损耗重量之比。