沧海一粟QC小组成果报告

海一粟QC小组成果报告
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中国核动力研究设计院
QC小组成果报告
小组名称：沧海一粟
课题名称：热室内金相制样工艺改进
编写：王斐
校对：温榜
审批：刘荣
二OO九年十二月
一、简介
沧海一粟QC小组于2009年7月30日成立，由中国核动力研究设计院一所热室的六名人员组成，本QC小组的类型属于“现场型”。

由热室物性组组长王斐担任小组组长，由热室副主任温榜担任技术指导，其成员有周云、姚亮、彭艳华和冷茂林，均为物性组成员。

表1 沧海一粟QC小组成员表
热室（hot cell）是进行高放射性试验和操作的屏蔽试验室，如图1a所示。

它和周围环境隔绝，以防止射线辐射和放射性污染。

前墙上装有铅玻璃或高密度液体的窥视窗，装有机械手可进行远距离操作，见图1b。

热室后墙装有铸铁门，必要时能够进入，清洗、安装和拆卸设备。

此外热室还配备有照明系统、运输系统、排风系统、排水系统等。

运输系统用于运送物品进出热室，排风系统使热室在使用时内部保持负压，防止放射性气溶胶和尘埃逸出造成操作前区沾污。

热室常用于反应堆燃料元件辐照后检验与处理，材料的物理性能测试、机械性能测试及微观分析，同位素分装和放射化学实验等。

热室物性组要紧承担核燃料及材料辐照后微观分析、密度测量、辐照肿胀测量等工作，其中金相检查是微观分析中专门重要的手段之一。

a）热室前区b）磨抛实验室
图1 中国核动力研究设计院热室
二、课题选择
金相检查是核燃料及材料辐照后性能检验的要紧方法，制备合格的样品是金相检查的关键环节，为提高金相制样的效率，加强小组成员关于过程操纵和数据分析的明白得，增强质量意识，保质保量完成各项科研任务，结合实际制样过程中存在的问题，选择了《热室内金相制样工艺改进》作为QC小组活动的课题。

三、现状调查
金相样品的制备流程如图2所示，金相样品制备第一用220#、600#金刚石磨盘依次磨光、再用9μm、3μm、1μm的抛光盘抛光，在试样的磨光过程中，需加水冷却，抛光过程中需用相应粒度的金刚石悬浮液和润滑液冷却，在样品制备完成后，用金相显微镜进行金相检查，若制备合格即完成了该样品的制备工作，若制备不合格则重新进行制备。

在样品制备过程中，需要用机械手装夹样品，在磨抛热室、金相检查热室之间反复转运，操作难度大，劳动强度高，需要消耗大量的时刻；同时，核燃料及材料的辐照费用相当高，辐照后样品显得尤为宝贵，反复磨制、抛光有可能会造成样品消耗殆尽，造成不可挽回的缺失。

图2 金相样品制备流程图
图3为合格样品和不合格样品的照片，其中图3a 为合格样品的照片，在制备完成后，样品表面无大的划痕，满足金相检查要求，而图3b 为不合格样品的照片，样品表面划痕较大，不满足金相检查要求。

a ） 合格样品
b ） 不合格样品
图3 合格和不合格样品对比照片
热室司特尔磨抛机于2008年3月安装在10#热室，操纵系统安装在金相前区，如图4所示。

磨抛机可同时对3个样品进行磨光和抛光，样品制备的工艺参数如表2所示。

司特尔磨抛机的磨光盘和抛光盘与驱动盘的连接方式为磁力吸附，通过长时刻的使用发觉，在抛光过程中抛光盘经常打滑，不能实现对3个样品同时进行3μm 和1μm 的抛光，
制备不合格
金相样品
220#磨光
1μm 抛光
600#磨光
9μm 抛光
3μm 抛光
金相检查
制备3个样品的时刻需要240分钟。

通过对以往制备样品的记录进行统计，制备样品的合格率约为66%，也确实是每制备3个样品时，有一个样品不合格，因此，制备3个合格样品需要的时刻为320分钟，试样制备效率低，金相耗材消耗大，阻碍了项目实施的进度，同时也加大了成本。

a ） 热室内主机
b ） 前区操纵器
图4 热室司特尔磨抛机
表2 样品制备工艺参数
四、目标设定
针对热室金相制样工艺现状，制备3个合格样品的时刻为320分钟，平均每制备3个合格样品时，因不合格样品的返工而造成的无效工作时刻约为80分钟，假如排除或减少返工现象，制样效率便可大幅度提高，另外通过改进，若能实现3个样品同时抛光，可使样品制备时刻提高至180分钟制备3个合格样品。

因此，设定目标为由原先240分钟制备3个样品（320分钟制备3个合格样品）提高至180分钟制备3个合格样品，使金相制样效率提高30%以上。

五、缘故分析
磨光
抛光 粒度 220# 600# 9μm
3μm 3μm 1μm 1μm
1μm 试样个数 3 3 3 2 1 1 1 1 时刻（分钟） 20 20 20 20 20 25 25 25 压力（N ） 30 30
30
25
25 25
25 25
目前，热室内金相样品的制备还存在一些问题，要紧是制样效率较低，金相耗材消耗大，要紧从“法”、“环”、“机”、“人”四个方面进行了分析：
1、“法”：工艺参数制定不合理，使样品制备时刻长，效率低。

2、“环”：由于热室内专门的操作环境，试样制备需要用机械手操作，制备过程只能从窥视窗进行观看，因此，在制备过程中由于清洗不完全造成粗砂粒带到粒度较小的磨光/抛光盘上，造成试样划痕太深，延长了后续工作的时刻。

3、“机”：在试样的制备过程中，抛光盘容易打滑，这是由于抛光盘底面为不锈钢表面，摩擦力不够，在3μm抛光时每次只能抛光2个样品，1μm抛光时每次只能抛光一个样品，白费了金刚石悬浮液也消耗了时刻；600#磨盘和9μm抛光盘之间的跨度太大，造成较大的划痕，延长了后续工作的时刻。

4、“人”：人员操作时刻长，使样品清洗、更换磨/抛光盘的操作时刻过长。

样品制备效率低
图5 金相样品制备效率低缘故分析
六、要因分析
依照图5中的缘故进行分析，针对每一个缘故进行了试验，确定阻碍热室金相制样效率的要因，具体确定过程如下：
1、工艺参数的调整
在2009年8月18日针对原先的样品制备工艺，进行了第一次参数的调整，由于设定不合理，样品制备未完成。

在2009年8月27日进行了第二次工艺参数的调整，样品
制备完成后，用金相显微镜进行检查，检查结果如图6所示，从图中能够看出仍有较大的划痕显现，说明工艺参数设定不合理不是样品制备质量差、效率低的要紧缘故。

图6 调整工艺参数后样品形貌
2、磨/抛光盘清洗不完全
由于磨/抛光盘清洗不完全，有时砂粒会粘在抛光盘的绒毛内，在样品表面产生较大、较深的划痕，通过试验，在每道磨/抛工序的最后1分钟，用水冲洗磨/抛光盘，制备完成后经显微镜检查，样品表面较大的划痕减少如图7所示，说明用流淌的水冲洗磨抛盘，能有效的减少了砂粒粘在磨抛盘上，因此磨/抛盘清洗不完全是造成样品制备效率低的要紧缘故之一。

图7 完全清洗后样品表面形貌
3、磨光/抛光盘的跨度太大
在完全清洗磨/抛光盘后样品表面依旧有划痕，经课题组成员分析，可能是由于磨光和抛光之间的粒度相差较大，因此增加了1200#金刚石磨盘，有效的减少了试样抛光的时刻和金刚石悬浮液的使用量，制备完成后经显微镜检查，满足金相检查的需要（如图8所示），说明磨/抛光盘的跨度大也是造成样品制备效率低的一个要紧缘故。

但金相制样的效率依旧比较低，制备3个合格样品需要210分钟。

图8 增加1200#磨盘后样品表面形貌
4、抛光盘底面太光滑
针对抛光盘太光滑的缘故，通过反复试验得出在安装3μm抛光盘时，先将驱动盘空转1分钟，放上抛光盘，然后装上2个样品，抛光1分钟后再装上第3个样品，关于1μm的抛光盘操作步骤相同，但每次只装1个样品，用如此的方法制备3个合格样品的累计时刻为180分钟，大大提高了样品制备的效率，说明抛光盘底面太光滑是造成样品制备效率低的要紧缘故。

5、人员操作时刻长
操作人员严格按照操作规程进行，操作时刻与机械手操作熟练程度有关，能够通过培训提高操作技能，不是造成不合格样品和制样效应低的要紧缘故。

通过以上分析，得出造成样品制备效率低的要紧缘故为表3所示。

表3 要因分析表
序号缘故缘故分析是否要紧缘故
1 磨/抛光盘清洗不
完全
清洗不完全，使粗砂粒带到磨抛
盘上，造成样品表面较大较深的
划痕
是
2 磨/抛光盘的跨度
太大
600#磨光后的划痕需要较长时
刻抛光
是
3 抛光盘底面太光
滑
由于抛光盘经常打滑，造成试验
中断，重新进行试验
是
七、计策制定
针对导致制样效率低的要紧缘故进行分析，提出了能够实施的计策，能提高工作效率。

制订的计策表如表4。

表4 计策表
八、实施计策
2009年8月1日，在磨光工序的最后1分钟，调大冷却水的流量，用水冲洗抛光盘，专门大程度的幸免了粗的砂粒带到粒度较小的磨/抛光盘上，制备完成的样品表面较深、较大的划痕消逝。

2009年9月14日，磨光/抛光盘的跨度太大，在磨光盘和抛光盘之间增加1200#磨盘，制备完成后，样品表面划痕消逝，满足金相检查要求。

2009年9月25日，更换3μm和1μm抛光盘前，对驱动盘进行空转甩干，然后再安装抛光盘，实现了3个样品同时抛光，有效的减少了样品制备的时刻，提高了工作效率。

九、成效检查
1、操作时刻
对工艺参数进行了更换，更换后的工艺参数如表5所示，从表中数据能够看出，改进后制备3个合格的金相样品需要180分钟，比改进前减少了１４０分钟，使制样效率提高了43%，完成了制定的目标。

表5 改进后制样工艺
2、对人员和机器的阻碍
热室操作前区的辐射水平为4.75μSv/h，每制备3个合格样品可节约140分钟，以制备100个合格样品为例，在人员同意剂量、劳动强度和机器磨损时刻改进前后的对比如表6所示。

表6 制样工艺改进前后对人员和机器的阻碍
3、经济效益
由于抛光时要使用金刚石悬浮液和润滑液，本次活动成功实现了3个样品同时抛光，节约了60%的金刚石悬浮液和润滑液；在试验过程中，热室通风、照明系统必须全部运行，本次活动后试验操作时刻节约了43%，可使热室通风、照明系统的运行时刻相应减少，同时减少了放射性废物的处理费用，制备100个样品可节约生产成本6000元以上。

4、自我评判
QC小组成员从自信心、QC知识、质量意识、个人能力和团队精神5个方面，在活动前后进行了自我评判，各方面都有了大幅度的提高，雷达图见图9（各单项满分5分）。

图9 活动前后自我评判雷达图
十、巩固措施
在本次活动完成后，按照改进后的工艺，将司特尔磨抛机操作规程进行升版，并对全组成员培训升版后的司特尔磨抛机操作规程，使全组成员对金相样品制备的方法熟化。

对机械手不断进行操作练习，在成功使用机械手制备样品的同时，组织全组人员在模拟热室进行机械手操作竞赛，使全组人员在轻松的氛围内熟练把握机械手操作技能，达到了预期的成效。

目前差不多用改进后的工艺进行了XX燃料元件、XX元件导向管内辐照样品和Zr-4辐照样品等近100个样品的制备，经检查只有燃料元件包壳中一个样品制备不合格，其余均满足金相检查要求，各样品制备的合格率如图10所示，样品形貌如图11所示，用改进后的工艺制备样品大大提高了某燃料元件的科研任务进度。

图10 改进前后样品合格率对比
a）XX元件导向管内样品b）XX燃料元件
c）XX燃料元件焊缝检查d）Zr-4辐照样品
图11 改进后工艺制备样品的表面形貌
十一、总结和下一步打算
1、总结
本次开展的QC活动改进了热室内金相制样工艺，使金相制样时刻减少了43%，样品合格率提高了30%以上，完成了设定目标，提高了金相检查的效率；大大减少了操作人员的劳动强度和受照剂量；减少了放射性废物的产生量，节约了科研成本。

同时，全组成员共同进行讨论、商量，增强了解决难题的信心，增强了团队的凝聚力，关于试验过程操纵、试验记录的产生以及数据分析有了深入的明白得，增强了质量意识，有利于今后更好的完成各项科研任务。

2、下一步打算
扫描电镜分析是核燃料及材料辐照后显微分析的另一种方法，目前在电镜分析的过程中存在小尺寸样品不导电的问题，获得的形貌图片质量差，阻碍分析结果。

因此，考虑将小尺寸SEM分析样品的制备作为下一次活动的主题。