Аустенитная сталь

 

Изобретение относится к аустенитной стали для оболочек ТВЭЛов реакторов на быстрых нейтронах и направлено на повышение сопротивляемости распуханию в оболочках ТВЭЛов при выгораниях выше 10,0-12,0% при сохранении на высоком уровне технологичности, фазовой и структурной стабильности и других характеристик. Аустенитная сталь дополнительно содержит титан и ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,05-0,09, хром 15,0-16,5, никель 18,0-25,0, молибден 1,5-2,5, марганец 1,5-2, титан 0,25-0,45, ванадий 0,05-0,015, ниобий 0,1-0,4, бор 0,001-0,005, кремний 0,3-0,6, церий 0,15 расчетное, фосфор 0,01-0,025, железо - остальное, причем сумма бора и фосфора составляет не более 0,025, отношение суммы титана, ванадия и ниобия к углероду составляет 8-13. 3 табл., 3 ил.

Изобретение относится к атомной технике, а именно к конструкционным материалам для внутренних конструкций ядерного реактора, в частности для изготовления оболочек ТВЭЛов реакторов на быстрых нейтронах.

К материалам, работающим в активной зоне реактора на быстрых нейтронах, предъявляются жесткие требования по сопротивляемости распуханию, взаимодействию оболочки ТВЭЛа с продуктами деления топлива, охрупчиванию при длительном и интенсивном радиационном повреждении, коррозионной стойкости в натрии. В наибольшей степени этим требованиям для оболочек ТВЭЛ отвечают аустенитные хромоникелевые стали, которые для этих целей получили наибольшее распространение в ядерной технике.

Известна аустенитная хромоникелевая сталь для оболочек ТВЭЛов, позволяющая достичь выгорание 10% т. а. и повреждающие дозы до 75-80 смещений на атом (смотри Европейскую заявку N 0121630, кл. С 22 С 38/58, 1984).

Сталь имеет следующий состав, мас.

Хром 12,5-14,5; никель 14,5-15,5; молибден 1,5-2,5; марганец 1,5-2,5; титан 0,1-0,4; углерод 0,02-0,08; кремний 0,5-1,0; азот 0,01; фосфор 0,02-0,08 бор 0,002-0,008;
сера 0,004-0,010;
ниобий 0,02-0,05;
ванадий 0,01-0,05;
тантал 0,005-0,02;
алюминий 0,02-0,05;
медь 0,01-0,04;
кобальт 0,02-0,05;
мышьяк 0,03;
кислород 0,01;
цирконий 0,01;
отношение Ti/C + N 4-6; P + B + S 0,03
железо остальное.

Недостатком стали является недостаточная сопротивляемость распуханию по критерию предельно допустимого формоизменения при повреждающих дозах свыше 90 смещений на атом, что не позволяет осуществить более глубокие выгорания топлива и повысить технико-экономические показатели реакторов на быстрых нейтронах.

Наиболее близкой к предлагаемой является аустенитная хромоникелевая сталь ЭП 172, полученная в России, для оболочек ТВЭЛов реакторов на быстрых нейтронах, состав которой приведен в технических условиях ТУ 14-1-3723-84, мас.

хром 15,0-16,5;
никель 14,5-16,0;
молибден 2,5-3,0
марганец 0,5-0,9;
ниобий 0,35-0,90;
бор 0,003-0,008;
углерод 0,05-0,09;
кремний 0,3-0,6;
азот 0,02-0,04;
фосфор не более 0,020;
сера не более 0,010;
алюминий не более 0,1;
церий расч. 0,15;
железо остальное.

Опыт эксплуатации реактора БН-600М с оболочками ТВЭЛов из стали ЭП 172 показал, что ее использование позволяет достичь выгорание до 11,5% т. а. (повреждающая доза 85 смещений на атом) без потери герметичности ТВЭЛа, но при этом оболочки имеют формоизменение больше предельно допустимого.

Целью изобретения является повышение сопротивляемости формоизменению (распуханию) в оболочках ТВЭЛов при выгораниях свыше 10,0-12% и повреждающих дозах свыше 80-90 смещений на атом.

Поставленная цель достигается тем, что в известную аустенитную хромоникелевую сталь (содержащую хром, никель, молибден, марганец, ниобий, бор, углерод, кремний, азот и церий), дополнительно введен титан и ванадий, регламентировано содержание фосфора и она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.

хром 15,0-16,5;
никель 18,0-25,0;
молибден 1,5-2,5;
марганец 1,5-2,0;
титан 0,25-0,45;
ванадий 0,05-0,15;
ниобий 0,1-0,4;
бор 0,001-0,005;
углерод 0,05-0,09;
кремний 0,3-0,6;
азот 0,02;
фосфор 0,010-0,025;
сера 0,010;
алюминий 0,1;
церий 0,15 расч.

железо остальное,
при условии, что сумма бора и фосфора составляет не более 0,025, а отношение суммы титана, ванадия и ниобия к углероду составляет не более 8-13.

Сущность изобретения заключается в том, что найден химический состав стали, которая обладает высоким сопротивлением распуханию в условиях активной зоны реактора на быстрых нейтронах при сохранении на высоком уровне других ее характеристик.

Как показали микроструктурные исследования после изотермического старения и имитационных экспериментов по облучению тяжелыми ионами хрома, введение в сталь дополнительно двух карбидообразующих элементов титана и ванадия приводит к выделению мелкодисперсных малокоагулирующих карбидов МС, где М титан, ниобий, ванадий, которые закрепляют дислокации, возникающие при облучении, что способствует снижению распухания. При этом количество выделившихся избыточных фаз при старении и облучении меньше, что также уменьшает величину распухания. Это приводит к тому, что в твердом растворе находится большее количество атомов основных легирующих элементов, что также сдерживает распухание.

Отмеченное влияние комплексного легирования на свойства стали в максимальной мере проявляются в сочетании с повышением содержания никеля, марганца и снижением содержания молибдена.

Повышенное содержание никеля до 18,0-25,0% обеспечивает устойчивую аустенитную структуру и дает возможность в сочетании с комплексным легированием титаном, ванадием и ниобием повысить сопротивляемость распуханию при нейтронном облучении.

Повышенное содержание марганца до 1,5-2,0% мас. позволяет компенсировать отрицательное влияние бора и фосфора на технологичность стали и обеспечить высокие технологические свойства стали при обработке материала давлением и сварке.

Содержание молибдена в количестве 1,5-2,5% мас. уменьшает возможность образования фазы Лавеса, которая способствует в сложнолегированных сталях зарождению вакансионных пор и распуханию в активной зоне ядерного реактора. В таблице 1 приведены химические составы нескольких плавок предлагаемой стали. Для сравнения в таблице приведен состав известной стали ЭП 172 по техническим условиям ТУ 14-1-3723-84. В таблицах 2 и 3 приведены результаты по оценке сопротивления образованию горячих трещин у предлагаемой и известной сталей.

На фиг. 1 приведена температурная зависимость распухания предлагаемой стали и известной стали ЭП 172.

На фиг. 2 приведена зависимость распухания предлагаемой стали и известной стали ЭП 172 от дозы облучения.

На фиг. 3 приведены микроструктуры известной и предлагаемой сталей после старения в течение 1000 ч при 700 и 750oC.

Пример конкретного выполнения. Методом вакуумно-индукционной плавки и последующим вакуумно-дуговым переплавом выплавлены составы известной и предлагаемой стали, химический состав которых приведен в таблице 1.

Изучение свойств предлагаемой стали проводилось на образцах, изготовленных из прутка и полосы, полученных путем многократной горячей и холодной деформаций из трубной заготовки 135 мм.

Облучение проводилось на ускорителе тяжелых ионов ЭСУВИ ионами хрома с энергией 4 МэВ в интервале температур 525-675oC и повреждающих доз 5-150 сна.

Имитационные эксперименты показали, что предлагаемая сталь имеет большее сопротивление распуханию, чем известная сталь (фиг. 1,2).

Анализ полученных результатов по распуханию показывает, что следует ожидать, что при повреждающих дозах 100-120 сна оболочки ТВЭЛов из предлагаемой стали будут удовлетворять критерию предельно допустимого формоизменения, т. к. распухание при этих повреждающих дозах <1% Это позволит при применении предлагаемой стали повысить выгорание до 12% т. а. (повреждающие дозы 100-120 сна в условиях реактора БН).

Изучение фазового состава после старения и облучения показывает, что предлагаемая сталь имеет большую фазовую стабильность как после старения, так и после облучения (см. фиг. 3).

Результаты по оценке сопротивления образованию горячих трещин предлагаемой стали приведены в таблицах 2 и 3.

Видно, что по двум характеристикам свариваемости исследуемые плавки предлагаемой стали находятся на уровне известной стали.

Технико-экономическая эффективность использования изобретения для оболочек ТВЭЛов активных зон быстрых реакторов выражается в повышении выгорания топлива.

Повышение выгорания топлива в модернизированной активной зоне реактора БН-600 с 10 до 12,0% т.а. при применении в качестве материала оболочки предлагаемой стали в холоднодеформированном на 20% состоянии составит 1200 млн. руб. в год. ТТТ1


Формула изобретения

Аустенитная сталь, содержащая углерод, хром, никель, молибден, марганец, ниобий, бор, кремний, церий, фосфор, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан и ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,05 0,09
Хром 15,0 16,5
Никель 18 25
Молибден 1,5 2,5
Марганец 1,5 2,0
Ниобий 0,1 0,4
Бор 0,001 0,005
Кремний 0,3 0,6
Церий 0,15 расчетное
Фосфор 0,01 0,025
Титан 0,25 0,45
Ванадий 0,05 0,015
Железо Остальное
при условии, что сумма бора и фосфора не более 0,025, отношение суммы титана, ванадия и ниобия к углероду составляет 8 13.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к металлургии легированных сталей и сплавов и предназначено для использования в энергетическом и химическом машиностроении при производстве сварного теплообменного оборудования, сосудов и трубопроводов высокого давления

Изобретение относится к составу стали для сварочной проволоки, используемой при дуговой автоматической сварке под флюсом

Изобретение относится к составу стали для сварочной проволоки для дуговой автоматической сварки под флюсом

Сталь // 2061783
Изобретение относится к металлургии, в частности к составу стали, и может быть использовано в машиностроении и приборостроении для изготовления деталей, работающих в условиях трения скольжения (подшипники скольжения, втулки, направляющие и др.)

Сталь // 2048590

Сталь // 2048589
Изобретение относится к металлургии, в частности к литым жаростойким, жаропрочным сталям, применяемым для изготовления элементов печного оборудования (валки, ролики), работающего в области температур 700-1100оС в среде печных газов

Сталь // 2044798
Изобретение относится к металлургическому производству, а именно к конструкционным сталям, используемым для изготовления сварных металлоконструкций морских стационарных платформ и плавучих буровых установок

Изобретение относится к металлургии, в частности к составам сталей, применяемых для изготовления изделий, работающих в условиях низких температур, например транспортных деталей, труб и т.п

Изобретение относится к металлургии, в частности к коррозионно-стойкой стали, и предназначено для использования в машиностроении и теплоэнергетике

Изобретение относится к металлургии, в частности к конструкционной слабомагнитной коррозионностойкой свариваемой стали с гарантированным пределом текучести более 40 кгс/мм2, предназначенной для строительства тяжелонагруженных сварных конструкций, способных работать, в том числе в условиях воздействия морской воды

Изобретение относится к аустенитной нержавеющей стали, содержащей включения выбранного состава, полученные произвольно, состав в зависимости от общего состава стали выбирают таким, чтобы физические свойства этих включений благоприятствовали их горячей трансформации стали

Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным сталям, и может быть использовано при производстве центробежных труб, предназначенных для изготовления змеевиков трубчатых печей, роликов и других деталей, работающих в агрессивных средах при высоких температурах и давлениях
Изобретение относится к металлургии стали, в частности к производству полосовой заготовки для профилирования

Изобретение относится к области металлургии, в частности к коррозионно-стойким нержавеющим сталям, предназначенным для медицинских целей, изготовления фармацевтического оборудования, инструмента, используемого в пищевой промышленности, контактирующего непосредственно с продуктами питания, и столовых приборов

Изобретение относится к металлургической промышленности и касается состава жаропрочной стали, используемой для производства жаропрочных специальных литых и деформируемых изделий и арматуры, работающих в условиях стационарного и переменного температурно-силового воздействия, а также длительного абразивного изнашивания при высоких температурах

Изобретение относится к металлургии

Изобретение относится к черной металлургии в частности к составу жаростойкой аустенитной стали для изготовления деталей, работающих в условиях высоких температур, теплосмен и агрессивных сред, например для изготовления цепей вращающихся печей для обжига клинкера в цементной промышленности

Изобретение относится к металлургии, а именно к сталям, используемым в машиностроении для изготовления конструкций, подвергающихся ударно-абразивному износу и работающих при температуре ниже 40oС

Изобретение относится к металлургии, в частности к жаропрочному сплаву, который может быть использован для изготовления реакционных труб установок производства этилена, водорода, аммиака, сероуглерода, метанола и др

Изобретение относится к металлургии деформируемых высокопрочных коррозионно-стойких сталей, используемых в судостроении, гидротурбостроении, в частности при производстве деталей судовых гребных винтов и рабочих колес гидротурбин, работающих в коррозионной среде под действием значительных статических и циклических нагрузок
Наверх