Способ утилизации поверхностно радиоактивно загрязненных элементов конструкций из нержавеющих сталей

 

Изобретение относится к области переработки отходов. Сущность изобретения: способ утилизации поверхностно радиоактивно загрязненных элементов конструкций из нержавеющих сталей заключается в проведении их частичной дезактивации и добавлении в качестве легирующих присадок при выплавке легированных сталей в объеме 44-64 кг на 1 т готового продукта. Преимущество изобретения заключается в наиболее полном использовании радиоактивных отходов. 1 табл.

Изобретение относится к области экологической безопасности окружающей среды, в частности касается способов утилизации поверхностно радиоактивно загрязненных элементов конструкций из нержавеющих (никель-хромосодержащих) сталей.

В результате деятельности предприятий атомного комплекса, радиохимической промышленности, исследовательских и энергетических реакторов и других установок, использующих делящиеся материалы, образуются металлические радиоактивные отходы (МРАО). Указанные МРАО образуются при проведении мероприятий по снятию вышеуказанных объектов с эксплуатации, при демонтаже и технологических заменах объектов или их отдельных составных частей.

МРАО разделяются на поверхностно загрязненные и на подвергшиеся воздействию нейтронного потока. В настоящее время утилизация обоих видов отходов осуществляется путем захоронения в могильниках. Подобный процесс утилизации достаточно дорог, т.к. необходимо сооружение, контроль и обслуживание могильников. При этом могильники представляют значительную экологическую опасность для окружающей среды.

При поиске по уровню техники не обнаружены аналоги, которые по назначению, решаемой задаче и совокупности существенных признаков решали бы техническую задачу предлагаемым согласно настоящему изобретению способом. В связи с этим данное изобретение рассматривается без прототипа.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по использованию частично дезактивированных поверхностно загрязненных МРАО в качестве легирующих добавок при выплавке легированных сталей. Частичная дезактивация производится до уровня радиоактивного излучения, достаточного для транспортировки и переработки МРАО.

Достигаемый при этом технический результат заключается в снижении вредного экологического воздействия МРАО на окружающую среду путем исключения захоронения поверхностно загрязненных МРАО в могильниках.

Указанный технический результат достигается тем, что согласно предлагаемому способу утилизация поверхностно радиоактивно загрязненных стальных элементов конструкций из нержавеющих сталей заключается в проведении их частичной дезактивации и добавлении затем в качестве легирующих присадок при выплавке легированных сталей в объеме от 40-60 кг/на 1 т готового продукта при выплавке низколегированных сталей и в больших объемах при выплавке высоколегированных сталей, при этом предельная концентрация легирующих присадок определяется предельной допустимой радиоактивностью конечного продукта.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

При выплавке легированных сталей в шихту основного металла в процессе выплавки добавляются легирующие добавки, содержащие хром и никель, в соотношениях, обеспечивающих требуемые характеристики получаемых сталей. Легирующие добавки достаточно дороги и являются невосполнимым природным ресурсом. В то же время низколегированная сталь в виде готового изделия или элемента конструкции характеризуется определенным химическим составом. Например, сталь 09Г2С содержит, мас.%: углерод 0,06-0,12, кремний 0,20-0,40, марганец 0,50-0,90, фосфор 0,005-0,025, сера 0,005-0,025, хром 0,80-1,10, никель 0,5-0,80, медь 0,03-0,20, алюминий 0,007-0,025, титан 0,005-0,020, азот 0,005-0,012, железо - остальное, а для ее выплавки используют металлическую шихту в виде углеродистого лома, ферросилиций, ферромарганец и присадки для обеспечения содержания хрома и никеля в готовом изделии в следующих диапазонах 0,80-1,10% и 0,50-0,80% соответственно. Таким образом, по содержанию химических веществ данную сталь можно рассматривать как углеродистую сталь с присадками с заданным процентным соотношением требуемых химических компонентов. Так как процентное соотношение присадок к основному лому незначительно, то радиационный уровень в готовом продукте существенно снижается, не выходя за нормы санитарного контроля.

Согласно настоящему изобретению способ утилизации поверхностно радиоактивно загрязненных стальных элементов конструкций заключается в проведении частичной дезактивации поверхностно радиоактивно загрязненных стальных элементов конструкций и добавлении их в качестве легирующих присадок при выплавке легированных сталей в объеме 44-64 кг/на 1 т готового продукта при выплавке низколегированных сталей и в больших объемах при выплавке высоколегированных сталей, при этом предельная концентрация легирующих присадок определяется предельной допустимой радиоактивностью конечного продукта.

Предлагается способ переработки МРАО, который состоит из следующих операций:

- МРАО из нержавеющих сталей сортируются на поверхностно загрязненные и на подвергшиеся воздействию нейтронного потока;

- МРАО, подвергшиеся воздействию нейтронного потока, подлежат захоронению в могильниках;

- поверхностно загрязненные МРАО подвергаются частичной дезактивации любым из известных способов (электрохимическая дезактивация, газлифтовые технологии, термическое плавление и т.д.) с целью снижения уровня радиации МРАО до величин, позволяющих выполнять транспортировку и дальнейшую технологическую переработку МРАО. Слабозагрязненные МРАО могут не проходить частичную деактивацию;

- после частичной дезактивации МРАО с пониженным уровнем радиации используются в качестве легирующих добавок в металлургическом процессе выплавки легированных сталей. При этом радиоактивность конечного продукта находится в пределах допустимых норм в виду того, в процессе выплавки МРАО диффузно растворяются в большом объеме основного металла плавки. Конкретные весовые или объемные соотношения МРАО из нержавеющих сталей и основного металла плавки, а также технологический процесс выплавки определяются требуемыми характеристиками легированной стали.

Ниже рассматривается конкретный пример реализации предлагаемого способа.

В качестве металлической шихты использован углеродистый лом с расчетным содержанием углерода в шихте должно в пределах 0,25-0,35%. После расплавления шихты и нагрева ванны до 1560-1580°С отбирается проба на химический анализ и начинается продувка ванны кислородом с заданной интенсивностью. При достижения содержания углерода 0,06-0,08% продувка кислородом прекращается, отбираются пробы металла и в печь присаживаются отходы стали типа Х18Н10Т и ХН35ВТЮ.

После расплавления присадок из печи удаляется окислительный шлак и наводится новый из извести и в ванну присаживается ферросилиций из расчета введения кремния на 0,10%, ферромарганец из расчета введения марганца на 0,50%.

После расплавления шлаковой смеси и присадок ванна промешивается гребками, отбирается проба металла на химический анализ и замеряется температура. Шлак раскисляется присадками порошка ферросилиция (до 2,0-2,5 кг/т). По результатам пробы производится корректировка химического состава стали присадками соответствующих ферросплавов. После доводки по химическому составу металл перемешивается, доводится по температуре до требуемой и за 1-3 мин до выпуска раскисляется алюминием с расходом 0,6-0,8 кг/т.

В ковш металл выпускается вместе со шлаком компактной струей. В случае легирования присадками в ковш металл до наполнения половины ковша выпускается без шлака.

При этом для обеспечения хрома и никеля на нижнем пределе марки соответственно на 0,80% хрома и 0,50% никеля требуется 42,0 кг отходов Х18Н10Т и 2,8 кг отходов ХН35ВТЮ на одну тонну стали 10ХН. Для обеспечения хрома и никеля на верхнем пределе марки соответственно на 0,1% хрома и на 0,8% никеля требуется 54,0 кг отходов Х18Н10Т и 8,3 кг отходов ХН35ВТЮ на тонну новой стали. Для обеспечения содержания хрома и никеля на среднем марочном уровне соответственно на 0,95% хрома и 0,65% никеля требуется 48,0 кг отходов Х18Н10Т и 5,57 кг отходов ХН35ВТЮ на 1 тонну новой низколегированной стали.

Ниже в качестве примера указан итоговый химический состав низколегированной стали, полученной согласно изобретению.

Углерод 0,06-0,12

Кремний 0,20-0,40

Марганец 0,50-0,90

Фосфор 0,005-0,025

Сера 0,005-0,025

Хром 0,80-1,10

Никель 0,50-0,80

Медь 0,03-0,20

Алюминий 0,007-0,025

Титан 0,005-0,020

Азот 0,005-0,012

Железо Остальное

при выполнении следующих соотношений:

Mn/S=20-180 и (Al+Ti)/N=1-9.

Особенностью настоящего изобретения является использование при выплавке легированных сталей в качества лигатуры дезактивированного металлического лома из нержавеющих сталей, например типа Х18Н10Т и ХН35ВТЮ, или других, содержащих в своем составе никель и хром. Удельная активность готового проката из опытных плавок составила 35 Бк/кг при допустимой для неограниченного использования 300 Бк/кг по ГОСТ 51713-2001. Таким образом, полученный металл с точки зрения остаточной радиоактивности полностью соответствует санитарным нормам и имеет неограниченное применение.

В качестве шихты для выплавки опытных плавок использовался металлический лом стали 08Ю (тонкая и толстая обрезь), представленные с объекта атомной энергетики детали из сталей ХН35ВТЮ и 08Х18Н10Т после дезактивации, а также силикомарганец для получения требуемого химического состава при выплавке стали типа 09Г2С. Расчет составляющих проводился для каждой плавки. При выплавке стали типа 10ХН в шихте выдерживали следующие соотношения: 93-94,5 весовых частей составлял лом стали 08Ю, 1-2 части ХН35ВТЮ, 08Х12Н6Д2Т и по 4,5-5 частей Х18Н10Т.

Радиационный контроль представленных шихтовых материалов, проведенный с использованием переносного дозиметра-радиометра ДРБП-02М, показал превышение естественного фона на образцах МРАО из стали 108Х18Н10Т. Измерения проводились при естественном фоне в помещении, равном 9 мкр/час. Результаты представлены в таблице.

Было также проведено исследование удельной активности готового металла опытных плавок. Измерение осуществлялось на низкофоновом радиометре РАМЕТ в соответствии с ГОСТ Р 51713-2001 "Слитки черных и цветных металлов. Допустимые уровни удельной активности гамма-излучающих радионуклидов. Методы радиационного контроля". При исследовании был определен излучающий радионуклид - Со₆₀. Удельная активность готового металла составила 35 Бк/кг при допустимой для неограниченного использования материала активности по вышеуказанному стандарту - 300 Бк/кг. Таким образом, полученный металл с точки зрения остаточной радиоактивности полностью соответствует санитарным нормам и имеет неограниченное применение.

Настоящее изобретение промышленно применимо и представляет собой новый способ утилизации радиационно поверхностно зараженных элементов конструкций из нержавеющих сталей за счет их использования при выплавке легированных сталей, что позволяет утилизировать отходы, ранее не используемые.

При этом возможно уменьшение объемов вновь сооружаемых могильников, возможно использование поверхностно загрязненных МРАО, уже захороненных в могильниках, т.е. высвобождение объемов уже существующих могильников. Важными аспектами изобретения являются снижение вредного экологического воздействия МРАО на окружающую среду, возвращение поверхностно загрязненных МРАО в промышленный оборот и экономия невосполнимых природных ресурсов в виде легирующих добавок, использующихся в металлургии в настоящее время.

Формула изобретения

Способ утилизации поверхностно радиоактивно загрязненных элементов конструкций из нержавеющих сталей, заключающийся в проведении частичной дезактивации поверхностно радиоактивно загрязненных стальных элементов конструкций и добавлении их в качестве легирующих присадок при выплавке легированных сталей в объеме 44-64 кг/на 1 т готового продукта.