РАДИАЦИОННО СТОЙКИЙ АУСТЕНИТНЫЙ ЧУГУН С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ
RADIATION-RESISTANT AUSTENITIC CAST IRON WITH SPHERICAL GRAPHITE

Изобретение относится к металлургии, а именно к разработке радиационно стойкого аустенитного чугуна с шаровидным графитом, и может быть использовано для изготовления отливок корпусов контейнеров для хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива.
Известен высокопрочный чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, медь, хром, магний, фосфор, серу, кобальт и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
3,3-3,8
Кремний
1,8-2,6
Марганец
≤0,35
Никель
0,5-1,4
Медь
≤0,15
Хром
≤0,15
Магний
0,04-0,09
Фосфор
≤0,04
Сера
≤0,015
Кобальт
≤0,12
Железо
Остальное
(ГОСТ 7293-85 «Чугун с шаровидным графитом для отливок» (марки) - М., Госстандарт, 1985)
Недостатком этого чугуна является низкая коррозионная стойкость в условиях воздействия паров воды, радионуклидов и агрессивных газов. Это связано с тем, что отработавшие сборки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) могут иметь повреждения, в том числе сквозные трещины, через которые в период хранения отработавших сборок ТВЭЛ в реакторном бассейне во внутрь их может проникать вода, которая будет выходить из ТВЭЛов в период их хранения в контейнере. Проводимая осушка контейнера после загрузки в него ТВЭЛ не гарантирует полное удаление влаги, и выходящие из них пары будут захватывать с собой летучие радионуклиды (соединения йода-129, оксиды углерода-14 и др.). Кроме того, в период промежуточного хранения ТВЭЛ во внутренней полости контейнера под воздействием радиации образуются оксиды азота, которые образуют с парами влаги коррозионно-активные азотную и азотистую кислоты. При высокой температуре, до которой нагревается атмосфера внутренней полости контейнера за счет тепловыделения отработанного ядерного топлива, это может вызвать интенсивную коррозию элементов конструкции контейнера, ограничивая срок его службы по причине возможной разгерметизации, т.е. снижается надежность контейнера.
Наиболее близким по составу компонентов является аустенитный чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, медь, хром, ванадий, магний, кальций, церий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
2,2-3,0
Кремний
2,4-3,2
Марганец
3,0-4,0
Никель
9,4-11,0
Медь
6,5-7,5
Хром
0,3-0,5
Ванадий
0,01-0,03
Магний
0,03-0,05
Кальций
0,03-0,05
Церий
0,01-0,03
Железо
Остальное
(RU 22337170, C22C 37/04, опубликовано 27.10.2008)
Однако известный аустенитный чугун с шаровидным графитом при высокой коррозионной стойкости не обладает достаточно высокой радиационной стойкостью.
Задачей изобретения и его техническим результатом является создание радиационно стойкого аустенитного чугуна с шаровидным графитом, устойчивого к агрессивному воздействию веществ, образующихся в атмосфере при ее радиоактивном облучении отработанным ядерным топливом.
Технический результат достигается тем, что радиационно стойкий чугун с шаровидным графитом содержит углерод, кремний, марганец, никель, медь, хром, ванадий, магний, кальций, церий, бор, барий и гадолиний, а также сопутствующие примеси: серу, фосфор, кобальт и железо при следующем соотношении компонентов мас.%:
Углерод
2,5-3,5
Кремний
1,8-2,6
Марганец
1,5-2,5
Никель
9,4-11,0
Медь
6,0-7,0
Хром
0,06-0,10
Ванадий
0,06-0,10
Магний
0,03-0,05
Кальций
0,01-0,03
Церий
0,01-0,03
Бор
0,006-0,10
Барий
0,01-0,15
Гадолиний
0,6-3,0
сопутствующие примеси:
Сера
0,004-0,01
Фосфор
0,004-0,04
Кобальт
0,002-0,12,
Железо
Остальное
Введение в состав аустенитного чугуна с шаровидным графитом бора, бария и гадолиния в заявленных концентрациях приводит к повышению поглощения радиационного излучения отработанного ядерного топлива и повышению коррозионной стойкости.
Ограничение в чугуне по изобретению концентрации сопутствующих примесей: серы, фосфора и кобальта в заявленных пределах обусловлено снижением их отрицательного влияния на коррозионные свойства аустенитного чугуна. Кроме того, ограничение концентрации кобальта обусловлено его способностью к излучению гамма-лучей под воздействием нейтронного облучения.
Получение чугуна по изобретению осуществляют следующим образом. Выплавку чугуна проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. После расплавления шихты чугун перегревают до 1470-1500°С и на зеркало расплава вводят ванадий и гадолиний, а никель-магниевую лигатуру кладут на дно разливочного ковша перед выпуском жидкого металла из печи. После сфероидизирующей обработки и скачивания образовавшегося шлака проводят графитизирующее модифицирование жидкого чугуна ферросиликобарием марки ФС65Ба22 в количестве 0,1% от массы обрабатываемого расплава. Результатом является чугун по изобретению, имеющий структуру аустенита с включениями шаровидного графита.
В таблице приведены химический состав чугуна по изобретению, а также радиационная стойкость, оцененная по величине поперечного сечения захвата тепловых нейтронов чугунами, и температура атмосферы внутренней полости контейнера. Пункты 1-3 относятся к чугуну по изобретению, а п.4 - к известному чугуну по наиболее близкому аналогу.
Из представленных данных видно, что чугун по изобретению обеспечивает достижение поставленного результата: радиационную стойкость при воздействии излучения отработанного ядерного топлива и устойчивость к агрессивному воздействию веществ, образующихся в атмосфере при ее радиоактивном облучении отработанным ядерным топливом.
№№
Содержание химических элементов, мас.%
Сечение барн<sup>*</sup>.
Т, °С<sup>**</sup>
С
Si
Mn
Cu
Ni
Cr
Mg
Ca
Се
Ва
В
Gd
V
S
P
Co
1
2.5
1.8
1.5
6.0
9.4
0.06
0.03
0.01
0.01
0.01
0.006
0.6
0.06
0.004
0.004
0.002
40000
50
2
3.0
2.2
2.0
6.5
10.2
0.08
0.04
0.02
0.02
0.08
0.053
1.8
0.08
0.007
0.022
0.061
46000
40
3
3.5
2.6
2.5
7.0
11.0
0.10
0.05
0.03
0.03
0.15
0.10
3.0
0.10
0.01
0.04
0.12
50000
30
4
2.6
2.8
3.5
7.0
10.2
0.4
0.04
0.04
0.02
-
-
-
0.02
-
-
-
0.045
350
* - Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов, барн.
** - Температура атмосферы внутренней полости контейнера, °С.