Малоактивируемая радиационно стойкая сталь

 

Изобретение относится к металлургии сталей, используемых в ядерной энергетике, в частности для изготовления корпусов реакторов, внутриреакторного оборудования. Предложена сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас. %: углерод 0,13 - 0,18; кремний 0,20 - 0,35; марганец 0,30 - 0,60; хром 2,0 - 3,5; ванадий 0,10 - 0,35; вольфрам 1,0 - 2,0; молибден 0,01 - 0,05; никель 0,01 - 0,05; кобальт 0,01 - 0,05; медь 0,01 - 0,1; алюминий 0,01 - 0,1; ниобий 0,01 -0,05; иттрий 0,05 -0,15; железо остальное. Причем суммарное содержание Ni, Со, Мо, Nb, Сu составляет не более 0,2, а отношение (V + 0,3W)/C составляет 3 -6. Техническим результатом изобретения является то, что сталь обладает более низким уровнем наведенной радиоактивности при более быстром ее спаде после нейтронной экспозиции, а также более высоким сопротивлением хрупкому разрушению в условиях нейтронного облучения при сохранении высокого уровня прочностных свойств. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к металлургии сталей, используемых в ядерной энергетике, в частности, для изготовления корпусов реакторов и внутриреакторного оборудования.

Известны широко применяемые в настоящее время в промышленности для аналогичного назначения стали марок 15Х2МФА-А и 15Х2НМФА-А, ТУ 108-131-75/86, ТУ 108-765-78 соответственно. Основным недостатком этих сталей является высокая активируемость в поле нейтронного излучения за счет ядерных реакций на Ni, Mo, Co, Cu, Nb и др. элементах с образованием долгоживущих радиоактивных изотопов, являющихся источником жесткого - излучения. Это приводит к ухудшению радиационной обстановки, вызывает необходимость увеличения массы железоводной биологической защиты, делает чрезвычайно трудоемким проведение ремонтных работ, создает труднопреодолимые проблемы при захоронении и утилизации отработавшего свой срок крупногабаритного оборудования. Кроме того, ресурс работы указанных сталей вследствие накопления радиационной повреждаемости в виде комплексных радиационных дефектов (не связанных с наведенной радиоактивностью) в настоящее время ограничен 30 годами.

Наиболее близкой по составу ингредиентов и назначению к предлагаемой стали является сталь 15Х2МФА (ТУ 108-131-75/86, стр.5), содержащая, мас.%: Углерод - 0,13 - 0,18 Кремний - 0,17 - 0,37 Марганец - 0,30 - 0,60 Хром - 2,5 - 3,0 Ванадий - 0,25 - 0,35 Молибден - 0,60 - 0,80 Никель - 0,4 Кобальт - 0,025 Медь - 0,01
Мышьяк - 0,01
Сера - 0,015
Фосфор - 0,012
Сурьма - 0,005
Олово - 0,005
Железо - Остальное
Указанная сталь имеет высокие показатели механических свойств в исходном (необлученном) состоянии. Однако в результате нейтронного облучения сталь обладает высоким уровнем наведенной радиоактивности и низким спадом ее после нейтронной экспозиции, а вследствие накопления радиационной повреждаемости - пониженным уровнем механических свойств.

Целью изобретения является создание стали, обладающей более низким уровнем наведенной радиоактивности и более быстрым ее спадом после нейтронной экспозиции, а также более высоким сопротивлением хрупкому разрушению в условиях нейтронного облучения при сохранении высокого уровня прочностных свойств. Цель достигается тем, что сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, ванадий, медь, молибден, кобальт и железо, дополнительно содержит вольфрам, иттрий, ниобий и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас%:
Углерод - 0,13 - 0,18
Кремний - 0,20 - 0,35
Марганец - 0,30 - 0,60
Хром - 2,0 - 3,5
Ванадий - 0,10 - 0,35
Вольфрам - 1,0 - 2,0
Молибден - 0,01 - 0,05
Никель - 0,01 - 0,05
Кобальт - 0,001 - 0,01
Медь - 0,01 - 0,1
Алюминий - 0,01 - 0,1
Ниобий - 0,01 - 0,05
Иттрий - 0,05 - 0,15
Железо - Остальное
При этом суммарное содержание Ni, Co, Mo, Nb, Cu составляет не более 0,2, а отношение (V+0,3W)/C=3-6.

За счет введения в сталь вольфрама и иттрия, нормирования содержания кобальта и алюминия при одновременном ограничении суммарного содержания никеля, кобальта, молибдена, ниобия и меди до 0,2 достигается уменьшение активируемости под действием нейтронного облучения и увеличивается скорость спада наведенной активности.

За счет введения в сталь вольфрама и иттрия, а также ограничения отношения (V+0,3W)/C в пределах от 3 до 6 возрастает сопротивление хрупкому разрушению в условиях нейтронного облучения.

Введение вольфрама (примерно в эквиатомном соотношении взамен молибдена в известной стали) обеспечивает заявляемой стали также меньшую активируемость под действием нейтронного облучения и более быстрый ее спад во времени после окончания нейтронной экспозиции благодаря меньшему эффективному сечению взаимодействия нейтронов с ядрами вольфрама и меньшему периоду полураспада образовавшихся под облучением изотопов вольфрама, соответственно. При этом не снижается прокаливаемость и уровень механических свойств в исходном (необлученном) состоянии в заявляемой стали в сравнении с известной. Нижний предел содержания вольфрама определятся необходимостью обеспечения прокаливаемости стали в больших толщинах. Ограничение вольфрама по верхнему пределу обусловлено необходимостью обеспечения технологичности заявляемой стали в металлургическом и сварочном производстве.

Введение иттрия в количестве 0,05-0,15 способствует рафинированию и измельчению зерна стали. При этом иттрий, являясь малоактивируемым элементом, не увеличивает наведенную активность заявляемой стали.

Нижний предел содержания иттрия соответствует минимальной концентрации, при которой отмечается его положительное влияние на рафинирование стали. Значение верхнего предела содержания иттрия обеспечивают сохранение стали достаточную технологичность при горячей обработке давлением.

В ЦНИИ КМ "Прометей" произведена выплавка в открытой индукционной печи трех 100-килограммовых слитков заявляемой стали. Слитки проковывались на заготовки размером 50х50х150 мм, затем прокатывались на пластины толщиной 10 мм. Пластины термически обрабатывались по следующему режиму: нормализация от 1000oC, отпуск при 680oC в течение 10 ч. Из термообработанного металла изготавливались цилиндрические образцы размером 3/15 мм для испытаний на статическое растяжение, а также призматические образцы размером 5х5х27,5 мм с острым надрезом для испытаний на ударный изгиб.

В качестве известной стали был выбран металл промышленного способа производства, термически обработанный по типовому режиму: нормализация от 1000oC, отпуск при 680oC в течение 10 ч.

Нейтронное облучение образцов заявляемой и известной сталей проводилось в активной зоне исследовательского реактора ВВРМ ПИЯФ при температуре ~290oC флюенсом ~11020 н/см2 (E >0,5 Мэв). Испытания на растяжение проводились на установке УМД-10 на воздухе при скорости деформации 310-3 с-1. Ударные испытания проводились на копре типа 2121 КМ-0,5 с максимальной энергией удара 50 Дж.

Химические составы заявляемой и известной сталей приведены в табл.1, результаты расчета кинетики спада наведенной активности в рассматриваемых материалах - в табл. 2 и результаты испытаний механических свойств - в табл.3.

Данные расчета кинетики спада наведенной активности в сталях после предполагаемого облучения в реакторе типа ВВЭР-1000 в течение 30 лет и последующей выдержки до 500 лет свидетельствуют о преимуществе заявляемой стали, особенно заметной после выдержи свыше 10 лет (табл.2).

Результаты испытаний механических свойств (табл.3) подтверждают преимущество описываемой стали перед известной в отношении меньшей склонности к радиационному охрупчиванию, определяемому меньшей величиной сдвига критической температуры хрупкости после облучения.

Ожидаемый технико-экономический эффект, обусловленный более быстрым спадом наведенной активности и меньшей склонностью к радиационному охрупчиванию, выразится в увеличении срока эксплуатации и снижении опасности загрязнения окружающей среды в период эксплуатации и после ее завершения атомных энергетических установок нового поколения.


Формула изобретения

1. Малоактивируемая радиационно стойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, никель, молибден, медь, кобальт и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит вольфрам, иттрий, алюминий и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,13-0,18
Кремний - 0,20-0,35
Марганец - 0,30-0,60
Хром - 2,0-3,5
Ванадий - 0,10-0,35
Вольфрам - 1,0-2,0
Молибден - 0,01-0,05
Никель - 0,01-0,05
Кобальт - 0,01-0,05
Медь - 0,01-0,1
Алюминий - 0,01-0,1
Ниобий - 0,01-0,05
Иттрий - 0,05-0,15
Железо - Остальное
2. Малоактивируемая радиационно стойкая сталь по п. 1, отличающаяся тем, что суммарное содержание Ni, Со, Мо, Nb, Сu составляет не более 0,2.

3. Малоактивируемая радиационно стойкая сталь по п. 1, отличающаяся тем, что отношение (V + 0,3W)/C составляет 3 - 6.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, т.е

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составу дисперсионно-твердеющей мартенситовой нержавеющей стали с высокой прочностью в сочетании с пластичностью

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сталям для валков, и может быть использовано при изготовлении рабочих и опорных валков с повышенными требованиями по твердости, глубине активного закаленного слоя на валках, а также повышенными сопротивлением разупрочнению при отпуске и износостойкостью при достаточной технологичности в сталеплавильном и кузнечном переделах

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным коррозионно-стойким сталям, обладающим хорошей свариваемостью, не требующих тормообработки после сварки и имеющих высокое сопротивление коррозии под напряжением сварных соединений

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

Изобретение относится к составу для сварочной проволоки для дуговой, преимущественно полуавтоматической сварки, в среде углекислого газа стали с любым содержанием азота, проводимой на форсированном режиме

Изобретение относится к металлургии

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к износостойким порошковым материалам для режущего инструмента на стальной основе

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к магнитным сплавам с направленной структурой, предназначенным для изготовления постоянных магнитов с повышенными магнитными характеристиками

Изобретение относится к металлургии сплавов, содержащих железо, углерод, вольфрам, хром, молибден, ванадий, ниобий, никель и алюминий, и используемых для изготовления режущего инструмента

Изобретение относится к металлургии, в частности к созданию высокопрочных конструкционных сталей, которые могут быть использованы для изготовления крупногабаритных высоконагруженных деталей в различных областях машиностроения, например в авиа- и космической технике

Изобретение относится к металлургии, в частности к созданию высокопрочной корозионно-стойкой стали аустенитно-мартенситного класса, предназначенной для изготовления высоконагруженных крупногабаритных деталей машин, таких как шасси, рамы, лонжероны, узлы поворота, силовой крепеж и др., работающих при температуре от -70 до +300°С

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству высокопрочных коррозионностойких мартенситностареющих сталей криогенного назначения для изготовления силовых литых деталей энергетических установок, работающих при температурах от -196 до 300oC

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству высокопрочных коррозионностойких мартенситностареющих сталей криогенного назначения для изготовления паяно-сварных конструкций энергетических установок, работоспособных при температурах от -253 до 500oC

Изобретение относится к металлургии, а именно к прецизионным литейным сплавам, обладающим минимальным коэффициентом теплового расширения, и может быть использовано в лазерной технике, прецизионном приборостроении, в оптоэлектронной технике и в других областях, в частности для изготовления деталей, работающих в контакте с материалом на основе кварца

Изобретение относится к металлургии сложно легированных сварочных материалов для наплавки антикоррозионного покрытия изделий атомного энергомашиностроения

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству горячекатаной и холоднокатаной тонколистовой углеродистой стали, преимущественно для производства пил для резки дерева, пластмасс, цветных металлов и сплавов

Изобретение относится к области металлургии, в частности к коррозионно-стойким сталям, используемым в качестве конструкционных материалов активных зон атомных реакторов
Изобретение относится к металлургии, в частности к получению высокопрочной теплостойкой проволоки из коррозионно-стойкой аустенитной стали для изготовления упругих элементов
Наверх