RU2800699C1 - Коррозионно-стойкая нейтронно-поглощающая сталь - Google Patents
Коррозионно-стойкая нейтронно-поглощающая сталь Download PDFInfo
- Publication number
- RU2800699C1 RU2800699C1 RU2022113930A RU2022113930A RU2800699C1 RU 2800699 C1 RU2800699 C1 RU 2800699C1 RU 2022113930 A RU2022113930 A RU 2022113930A RU 2022113930 A RU2022113930 A RU 2022113930A RU 2800699 C1 RU2800699 C1 RU 2800699C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- steel
- boron
- content
- gadolinium
- impurities
- Prior art date
Links
Abstract
Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойким нейтронно-поглощающим сталям, используемым в атомном энергомашиностроении, в частности, при изготовлении стеллажей уплотненного хранения топлива чехловых труб - поглотителей нейтронов в средствах транспортировки и хранения ядерного топлива. Сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,025-0,15, кремний 0,1-0,6, марганец 0,1-0,6, хром 15,0-17,0, бор В-10 0,4-0,9, ванадий 0,05-0,35, никель 11,0-14,0, РЗМ 0,001-0,025, цирконий 4,0-6,0, алюминий 0,15-0,80, гадолиний 1,8-2,5, кальций 0,005-0,02, титан 0,8-1,7, азот 0,005-0,012, барий 0,005-0,025, железо и примеси - остальное. Сталь имеет повышенную способность к горячей обработке, свариваемость и коррозионную стойкость, при обеспечении возможности ее использования для изготовления средств транспортировки и хранения обогащенного ядерного топлива с содержанием U-235 8,0 мас.% или более. 2 з.п. ф-лы.
Description
Изобретение относится к области металлургии, в частности, к коррозионностойким нейтронно-поглощающим сталям и может найти применение в атомном энергомашиностроении, в частности, при изготовлении стеллажей уплотненного хранения топлива чехловых труб - поглотителей нейтронов в средствах транспортировки и хранения ядерного топлива.
Известна коррозионно-стойкая легированная нейтронно-поглощающая сталь для изготовления шестигранных чехловых труб для уплотненного хранения в бассейнах выдержки и транспортировки ядерного топлива, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, бор, ванадий, церий, алюминий, титан, никель, серу, фосфор и железо при ограниченном количество свинца и висмута при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,02-0,05, кремний 0,10-0,80, марганец 0,10-0,50, хром 13,0-16,0, бор 2,01-3,5, ванадий 0,15-0,35, церий 0,03-0,07, алюминий 0,15-0,80, титан 4,02-8,50, никель 0,05-0,50, сера 0,005-0,02, фосфор 0,005-0,03, свинец не более 0,005, висмут не более 0,005, железо остальное (RU 2519064, С22С 38/60, С22С 38/54, С22С 38/32, опубл. 10.06.2014 г.) (ООО "ТЭМ").
Недостатком известной стали является относительно низкая технологическая пластичность, приводящая к образованию дефектов в процессе прокатки. Кроме того, известная коррозионно-стойкая сталь при использовании ее в стеллажах бассейнов выдержки облученного ядерного топлива не обеспечивает безопасность его хранения и транспортировки при содержании в нем урана U-235 более 5%.
Наиболее близкой по технической сущности является аустенитная борсодержащая нержавеющая сталь, поглощающая тепловые нейтроны, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, бор, ванадий, никель, молибден, а также церий, цирконий, алюминий, гадолиний, кальций и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод <0,12, кремний <3,0, марганец <2,0, хром 20,0-30,0, бор 0,5-4,0, ванадий 0,8-15,0, никель 4,5-15,0, молибден <5,0, церий <0,50, цирконий <5,0, алюминий <5,0, гадолиний <5,0, кальций <0,1, железо остальное. Известная сталь используется для изготовления средств хранения использованных стержней ядерного топлива.
(JP S5589459 (А), С22С 38/00; С22С 38/54; С22С 38/58, опубл. 07.07.1980)
Недостатком известной стали является недостаточная технологичность стали при горячем деформировании особенно при содержании бора и гадолиния на верхнем уровне легирования: сталь практически не может подвергаться пластической деформации, а при содержании этих элементов на нижнем уровне известная коррозионно-стойкая сталь при использовании ее в стеллажах бассейнов выдержки облученного ядерного топлива не обеспечивает безопасность его хранения и транспортировки при содержании в топливе урана U-235 более мас. 5%. При этом содержании гадолиния 5 мас. % сталь переходит из аустенитного класса в ферритный класс с небольшим количеством остаточного аустенита.
Техническим результатом данного изобретения является возможность использования стали по изобретению для изготовления средств транспортировки и хранения обогащенного ядерного топлива с содержанием U-235 8,0 мас. % и более, при этом сталь имеет повышенную способность к горячей обработке, свариваемости и коррозионной стойкости.
Технический результат достигается тем, что коррозионно-стойкая нейтронно-поглощающая сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, бор, ванадий, никель, цирконий, алюминий, гадолиний, кальций и железо, отличающаяся тем, что дополнительно содержит титан, азот и барий, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
углерод | 0,025-0,15 |
кремний | 0,1-0,6 |
марганец | 0,1-0,6 |
хром | 15,0-17,0 |
бор-10 | 0,40-0,90 |
ванадий | 0,05-0,35 |
никель | 11,0-14,0 |
РЗМ | 0,001-0,025 |
цирконий | 4,0-6,0 |
алюминий | 0,15-0,80 |
гадолиний | 1,8-2,5 |
кальций | 0,005-0,02 |
титан | 0,8-1,7 |
азот | 0,005-0,012 |
барий | 0,005-0,025 |
железо и примеси | остальное |
Технический результат также достигается тем, что в качестве РЗМ она содержит по крайней мере один элемент, выбранный из группы: лантан, церий, неодим или их смеси; суммарное содержание примесей легкоплавких металлов свинца, висмута, олова, сурьмы и мышьяка не превышает 0,05 мас. %, а содержание неизбежных примесей серы, фосфора и кислорода не превышает, мас. %: сера <0,008, фосфор <0,008 и кислород <0,005.
Использование бора В-10, имеющего очень большое поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов, позволяет уменьшить содержание бора с 2,01-3,5 мас. % до 0,40-0,90 мас. %. Поглощающая способность тепловых нейтронов возрастает пропорционально обилию элементов, имеющих большое поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов. Поэтому, чем выше содержание бора В-10, тем выше способность к нейтронному поглощении, но после содержания бора В=10 1,0 мас. % способность к горячей обработке заметно снижается. Кроме того, ухудшается холодная обрабатываемость, повышается вероятность возникновения трещин в сварном соединении, а также снижается ударная вязкость. При выбранном содержании бора В-10 0,40-0,90 мас. %. обеспечивается наилучшая вязкость и пластичность.
Содержание бора В-10 0,40-0,90 мас. % и Gd 1,8-2,5 мас. %, обеспечивает достижение более высокого эквивалентного B(BEq), чем достижимое за счет использования только бора. Сталь, содержащая В и Gd, обладает повышенной коррозионной стойкостью по сравнению с другими материалами, содержащими только бор. Выход за предлагаемые содержания бора и гадолиния приводит к снижению свариваемости стали и ее коррозионной стойкости.
Гадолиний Gd не проявляет обнаруживаемой растворимости в аустенитной или ферритной матрице нержавеющих сталей. Большая часть Gd содержится в интерметаллиде ((Fe,Ni,Cr)3Gd). Совместное легирование бором и гадолинием способствует эффективному совместному зарождению бор-гадолинидной фазы, которая образуется в материале, такое совместное зарождение способствует технологичности сплава, характеризуется множеством частиц борида и гадолинида, диспергированных в матрице. Частицы борида и гадолинида имеют преимущественно форму М2В, М3В2, М3Х и М5Х, где Х-гадолиний или комбинация гадолиния и бора, а М-один или несколько элементов кремния, хрома, никеля, молибдена, железа.
Дополнительное содержание титана 0,80-1,70 мас. % в сочетании с содержанием ванадия 0,05-0,35 мас. % обеспечивает повышение уровня пластических и прочностных свойств коррозионно-стойкой нейтронно-поглощающей стали. Кроме того, титан в сочетании с ванадием полезен для стабилизации сплава от осаждения карбида хрома в границах зерен. Выход за предлагаемые содержания титана и ванадия приводит к снижению пластичных и прочностных свойств стали.
Азот в концентрациях 0,005-0,012 мас. % совместно с никелем в концентрации 11,0-14,0 мас. % оказывает благотворное действие на пластичность стали.
Дополнительное введение в сталь бария в количестве 0,005-0,025 мас. % на заключительном этапе рафинирования способствует уменьшению размеров неметаллических включений и измельчению первичного зерна литого металла, что способствует повышению технологической пластичности при горячей обработке давлением.
Наличие в составе сплава циркония 4,0-6,0 мас. %, обеспечивает более высокий уровень технологической пластичности при горячей обработке давлением, а также повышенные механические свойства. Кроме того, присутствие циркония и кальция (0,005-0,02 мас. %) в составе стали обеспечивает уменьшение активируемости под действием нейтронного облучения ядерным топливом.
Сталь по изобретению, содержащая углерод в количестве 0,025-0,15 мас. %, кремний 0,1-0,6 мас. % и марганец 0,1-0,6 мас. %, демонстрирует повышенную пластичность, прочность и изгибаемость. Такое поведение обусловлено значительным уменьшением площади фракции богатой Cr боридной фазы (М2В), которая обычно образуется в сталях, содержащих только В. Ограничение общей площади фракции частиц второй фазы обеспечивает сталь с превосходной пластичностью.
Присутствие в стали повышенного содержания углерода, кремния, никеля, марганца и азота способствует образованию аустенитной структуры, что способствует усилению нейтронно-поглощающей способности стали. Кроме того, повышение содержания никеля до 11,0-14,0 мас. % способствует образованию междендритной составляющей (Fe,Ni,Cr)3Gd), которая при выбранном составе легирования имеет дисперсный характер и равномерно распределена в структуре стали.
Содержание алюминия в количестве 0,15-0,8 мас. % благоприятно изменяет форму неметаллических включений, очищает и упрочняет границы зерен, повышает их пластичность и ударную вязкость, что обеспечивает повышение служебных и технологических свойств и нивелирует воздействие нейтронного облучения.
Ограничивая бор В-10 до ≤0,90 мас. % и используя Gd до 2,5 мас. %, можно обеспечить улучшенное поглощение тепловых нейтронов, что является экономически эффективным способом по сравнению с использованием только обогащенного бора В-10.
Ограничение содержания свинца, висмута, олова, сурьмы и мышьяка до ≤0,05% увеличивает сопротивление стали низкотемпературному охрупчиванию в условиях нейтронного облучения.
Редкоземельные металлы РЗМ (лантан, церий, неодим или их смеси) в количестве 0,001-0,025 мас. %, вводили в конце плавки после предварительного раскисления комплексом, включающим алюминий, кремний, марганец. При этом перед введением в расплав РЗМ упаковывали в алюминиевую фольгу, которая исполняла роль дополнительного раскислителя. Капсулы вводили под зеркало расплавленного металла. Использование такого приема предотвращало выгорание модификатора при введении его. Их смесь, так называемый мишметалл (сплав РЗМ, содержащий 45-50% Се, 20-25% La, 15-17% Nd и 8-10% других элементов), добавляется в сталь и абсорбирует паразитные элементы, такие как кислород, сера, фосфор. В результате сталь становится более жаропрочной, причем улучшается ее устойчивость к коррозии и вязкость.
Содержание неизбежных примесей серы, фосфора и кислорода не превышает, мас. %: сера ≤0,008, фосфор ≤0,008 и кислород ≤0,005, что способствует высокой технологичности стали при горячей и холодной деформации. В зависимости от уровней Р, S, и О, формируются нежелательные излишние фосфиды Gd, сульфиды, и оксиды. Таким образом, уровни этих элементов должны быть сведены к минимуму.
Предварительные испытания позволяют утверждать о возможности широкого промышленного использования предлагаемой стали.
Выбранное значение процентного содержания В-10, Gd, Cr, Zr, Ti и Ni, а также иных легирующих элементов является оптимальным и позволяет достигнуть поставленного технического результата.
Заявляемую сталь можно выплавлять в открытых дуговых электропечах, в вакуумных индукционных и плазменных печах, возможен также электрошлаковый и вакуумный дуговой переплав этой стали.
Все вышеперечисленное позволяет использовать заявляемую сталь в качестве материала для изготовления чехловых шестигранных труб, а также листа для изготовления средств транспортировки и хранения топлива реакторов ВВЭР.
Шестигранные чехловые трубы из описываемой стали позволят обеспечить максимально плотное размещение отработанных ТВС в средствах транспортировки и хранения топлива при обеспечении ядерной безопасности и надежной защите ТВС при их транспортировке с уровнем подкритичности более 0,95.
Claims (4)
1. Коррозионно-стойкая нейтронно-поглощающая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, бор, ванадий, никель, РЗМ, цирконий, алюминий, гадолиний, кальций, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан, азот и барий, а в качестве бора содержит обогащенный бор В-10 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
2. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве РЗМ она содержит по крайней мере один элемент, выбранный из группы: лантан, церий, неодим или их смеси.
3. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что суммарное содержание примесей легкоплавких металлов - свинца, висмута, олова, сурьмы и мышьяка не превышает 0,05 мас.%, а содержание неизбежных примесей серы, фосфора и кислорода не превышает, мас.%: сера ≤0,008, фосфор ≤0,008 и кислород ≤0,005.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2800699C1 true RU2800699C1 (ru) | 2023-07-26 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4224062A (en) * | 1974-08-24 | 1980-09-23 | Avesta Jernverks Aktiebolag | High temperature creep resistant structural steel |
RU2233906C1 (ru) * | 2003-04-03 | 2004-08-10 | Открытое акционерное общество "Машиностроительный завод" | Аустенитная сталь |
RU2420600C1 (ru) * | 2009-09-24 | 2011-06-10 | Открытое акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" | Особотонкостенная труба из аустенитной боросодержащей стали для оболочки твэла и способ ее получения |
RU2507294C2 (ru) * | 2011-11-18 | 2014-02-20 | Сумитомо Метал Индастриз, Лтд. | Аустенитная нержавеющая сталь |
RU2683168C1 (ru) * | 2018-05-15 | 2019-03-26 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения", АО "НПО "ЦНИИТМАШ" | Нейтронно-поглощающая сталь |
RU2731395C2 (ru) * | 2011-12-20 | 2020-09-02 | ЭйТиАй ПРОПЕРТИЗ ЭлЭлСи | Высокопрочные, коррозийно-устойчивые аустенитные сплавы |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4224062A (en) * | 1974-08-24 | 1980-09-23 | Avesta Jernverks Aktiebolag | High temperature creep resistant structural steel |
RU2233906C1 (ru) * | 2003-04-03 | 2004-08-10 | Открытое акционерное общество "Машиностроительный завод" | Аустенитная сталь |
RU2420600C1 (ru) * | 2009-09-24 | 2011-06-10 | Открытое акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" | Особотонкостенная труба из аустенитной боросодержащей стали для оболочки твэла и способ ее получения |
RU2507294C2 (ru) * | 2011-11-18 | 2014-02-20 | Сумитомо Метал Индастриз, Лтд. | Аустенитная нержавеющая сталь |
RU2731395C2 (ru) * | 2011-12-20 | 2020-09-02 | ЭйТиАй ПРОПЕРТИЗ ЭлЭлСи | Высокопрочные, коррозийно-устойчивые аустенитные сплавы |
RU2683168C1 (ru) * | 2018-05-15 | 2019-03-26 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения", АО "НПО "ЦНИИТМАШ" | Нейтронно-поглощающая сталь |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
ZA200509729B (en) | Zirconium alloy and components for the core of light water cooled nuclear reactors | |
CN111826583B (zh) | 一种高耐蚀硼不锈钢材料及制备方法和应用 | |
US5334345A (en) | Zirconium-based alloy for components in nuclear reactors | |
EP0174418B1 (en) | Austenitic alloys based on iron-manganese and iron-manganese-chromium | |
RU2800699C1 (ru) | Коррозионно-стойкая нейтронно-поглощающая сталь | |
US4671929A (en) | Austenitic stainless steel with improved resistance to corrosion by nitric acid | |
KR102670439B1 (ko) | 납 또는 납-비스무스 공융물 내의 내부식성 알루미나 산화막 형성 오스테나이트계 스테인리스 강 및 이의 제조 방법 | |
KR100278058B1 (ko) | 열중성자 흡수능이 우수한 페라이트계 스테인레스강 | |
JPH08165545A (ja) | 中性子照射下で使用される構造部材 | |
RU2434969C1 (ru) | Коррозионно-стойкая сталь с повышенной нейтронной поглощаемостью | |
USH326H (en) | Mn-Fe base and Mn-Cr-Fe base austenitic alloys | |
JPH05255812A (ja) | 熱中性子遮蔽用オーステナイト系ステンレス鋼 | |
RU2803159C1 (ru) | НЕЙТРОННО-ПОГЛОЩАЮЩИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ Ni | |
RU2683168C1 (ru) | Нейтронно-поглощающая сталь | |
CN115091077B (zh) | 一种耐液态铅铋腐蚀的奥氏体不锈钢焊丝 | |
JPS6314833A (ja) | 中性子吸収能の優れたTi基合金 | |
RU2703318C1 (ru) | Радиационно-стойкая аустенитная сталь для внутрикорпусной выгородки ввэр | |
JPH02213437A (ja) | 原子炉用高耐食性ジルコニウム合金 | |
JPH11291085A (ja) | 高強度フェライト鋼溶接用ワイヤ | |
JPH089755B2 (ja) | 耐粒界腐食性Fe―Cr―Mn系合金及びその用途 | |
JPH0425342B2 (ru) | ||
JPH0244635B2 (ja) | Genshiroyokozainotamenomigu*aakuyosetsuyowaiyaoyobisonoseizohoho | |
RU2669261C1 (ru) | Коррозионно-стойкий материал с повышенным содержанием бора | |
JPS6338553A (ja) | 熱中性子吸収能に優れたアルミニウム合金 | |
JPS6228097A (ja) | オ−ステナイト系ステンレス鋼のミグア−ク溶接用ワイヤ |