СПОСОБ ЛИТЬЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ЗАГОТОВОК ДЛЯ КРУПНОТОННАЖНЫХ КОРПУСОВ ТРАНСПОРТНО-УПАКОВОЧНЫХ КОНТЕЙНЕРОВ (ТУК) ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ (ВЧШГ) ФЕРРИТНОГО И АУСТЕНИТНОГО КЛАССОВ ДЛЯ ПЕРЕВОЗКИ И ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА (ОЯТ)
CASTING OF MULTIPLE-PLY BILLETS FOR HIGH-CAPACITY BODIES OF TRANSPORTATION CONTAINERS FROM HIGH-STRENGTH FERRITE AND AUSTENITE IRON WITH GLOBULAR GRAPHITE INTENDED FOR USED NUCLEAR FUEL TRANSPORTATION AND STORAGE

Изобретение относится к атомному машиностроению, в частности к технологии литья корпусов ТУК для ОЯТ крупнотоннажных заготовок-корпусов ТУК для перевозки и хранения ОЯТ и других радиоактивных отходов (РАО) из высокопрочных чугунов с шаровидным графитом.
Уровень техники
Из патентной литературы известно устройство для получения полых заготовок (см. патент РФ №2266173, опубл. в    2004 г. - аналог).
Из патентной литературы известен способ литья многослойных заготовок для корпусов ТУК для перевозки и хранения ОЯТ из ВЧШГ (см. патент РФ №2464124, опубл.  в 2011 г. - аналог).
Из патентной литературы известны контейнеры для транспортирования и хранения ОЯТ, выполненные многослойными. Однако они сложны в технологическом выполнении (см. патенты США №4883637, опубл. в 1989 г.; 5406600, опубл. в 1995 г.; 5546436 опубл. в 1996 г.) - аналоги.
Из патентной литературы известна конструкция композиционного многослойного контейнера. Однако она не обладает соответствующими прочностными характеристиками (см. патент США №5402455, опубл. в 1995 г.).
Из патентной литературы известно устройство, работа которого основана на технологии литья полых слитков, включающее установку и закрепление центрового стержня на металлическом поддоне, установку коаксиально центровому стержню наружной стенки кокиля и заливку в полость между наружной стенкой кокиля и центровым стержнем через литниковую систему жидкого металла (см. патент РФ №2261776, опубл. в 2003 г. - прототип).
Однако описанный способ не позволяет изготовить ТУК со специальными свойствами.
Сущность заявляемого изобретения
Заявляемый способ изготовления биметаллических заготовок для крупнотоннажных корпусов контейнеров из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ЧВШГ) ферритного и аустенитного классов для перевозки и хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) включает установку и закрепление центрового стержня на металлическом поддоне, установку коаксиально центровому стержню наружной стенки кокиля и заливку в полость между наружной стенкой кокиля и центровым стержнем через литниковую систему жидкого металла, отличается тем, что сначала отдельно отливают цилиндрическую обечайку с толщиной стенки 15-30 мм из аустенитного чугуна с шаровидным графитом с коррозионностойкими и нейронопоглощающими свойствами, устанавливают изготовленную обечайку снаружи на центровой стержень, оформляющий и являющийся внутренней стенкой отливки заготовки корпуса контейнера, собирают наружную часть кокиля-оболочки из коаксиальных чугунных колец относительно центрового стержня с обечайкой, после сборки наружной части кокиля-оболочки из коаксиальных чугунных колец высотой корпуса контейнера на верхний торец обечайки и последнее коаксиальное чугунное кольцо накрывают сверху крышкой из того же чугуна толщиной, равной толщине стенки кокиля-оболочки, закрепляют герметично ее на верхнем торце обечайки и верхнем аксиальном кольце кокиля-оболочки и в полость между кокилем-оболочкой и обечайкой через литниковую систему заливают ферритный чугун с шаровидным графитом.
Способ отличается тем, что внутренний слой монолитного корпуса контейнера - обечайку изготавливают из аустенитного чугуна с шаровидным графитом со стабильностью аустенита при низких температурах ≤60°C с высокой коррозионностойкостью и нейтроннопоглощающими свойствами при следующем соотношении, мас. в %: С - 2,4-2,6; Si - 1,2-2,2; Mn - 0,6-1,2; P - ≤0,03; S - ≤0,01; Ni - 18-21; Gd - 0,2-0,8; Cr - ≤0,5; Cu - 0,5-0,8 и Mg - 0,04-0,09, а наружный слой, обеспечивающий высокие прочностные свойства при повышенных температурах - <+250°C и низких температурах - <-50°C корпуса контейнера изготавливают из ферритного чугуна с шаровидным графитом с углеродным эквивалентом 4,3-4,5% при следующем соотношении, мас.%: С - 3,3-3,8; Si - 1,2-2,5; Mn - ≤0,3; P - <0,03; S - ≤0,01; Mg - 0,04-0,09; Ni - 0,5-1,3; Cu - ≤0,15; Cr - ≤0,05 и Со - 0,05.
Способ отличается тем, что литниковую систему кокиля-оболочки выполняют параллельно со сборкой кокиля-оболочки с сифонным подводом жидкого металла из сборных огнеупорных элементов, обеспечивающую заливку корпуса контейнера в течение 3-4 минут.
Предложенный способ позволяет обеспечить достижение следующего технического результата: высокий комплекс функционально- интегрированных свойств ТУКов, требуемых для безопасной и длительной их эксплуатации, основан на новой концепции - функциональном интегрировании комплекса, требуемых прочностных и специальных свойств, сосредоточенных в одном монолитном корпусе, полученном по предлагаемой технологии посредством сплавления двух разнородных по составу и свойствам чугунов с шаровидным графитом, что обеспечивает безопасную и длительную эксплуатацию ТУКов при перевозке и хранении ОЯТ и других радиоактивных материалов путем использования отдельно отлитой обечайки с толщиной стенки 15-30 мм, изготовленной из синтезированного аустенитного чугуна с шаровидным графитом с высокими значениями коррозионной стойкости и нейтронопоглощающей способности, которую заформовывают в стержень, и она становится неотъемлемой частью центрового стержня, оформляющего внутреннюю полость отливки корпуса; обеспечить также значительные технико-экономические преимущества, связанные со значительной экономией жидкого чугуна, дефицитных легирующих элементов, повышение качества монолитного корпуса ТУКа, снижение дефектов литья и существенное сокращение затрат на дополнительную механическую обработку составных корпусов для придания им недостающих специальных свойств, это достигается устранением необходимости установки прибылей, так как применяемый состав ферритного чугуна эвтектического состава с шаровидным графитом в условиях стесненного пространства кокиля самопроизвольно конвертирует энергию предусадочного расширения, свойственную только этому чугуну, в энергию всеобъемлющего деформационного сжатия кристаллизующего чугуна, полностью подавляющую возможность образования раковин и других дефектов усадочного происхождения.
Изобретение поясняется чертежом, где показана сборка кокиля с центральным стержнем для изготовления корпуса ТУКа.
На чертеже позициями показаны: 1 - обечайка; 2 - центровой стержень; 3 - кокиль-оболочка и 4 - поддон.
Анализ основных тенденций мировой практики и решений проблем обращения с облученным ядерным топливом (ОЯТ) и радиоактивными отходами (РАО) показал, что в настоящее время наиболее перспективной моделью транспортно-упаковочных комплектов (ТУК) признаны (сертифицированы во всех промышленно развитых странах мира) контейнеры с корпусом, изготовленным из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ).
Несмотря на значительные достижения в области производства ВЧШГ, обусловленные постоянно растущим спросом на его применение для отливки деталей в различных областях промышленности, к сожалению, эти достижения в основном распространяются на мелкотоннажное литье и не приемлемы для изготовления крупнотоннажных отливок, таких как корпуса контейнеров с толщиной стенки до 500 мм, по той причине, что длительность нахождения такой массы металла в жидком и твердожидком состоянии в разы превосходит длительность модифицирующего действия вещества, и, следовательно эффект сфероидизации графита в чугуне пропадает.
Как известно, после модифицирования чугуна, остаточное содержание в нем магния, как основного, широкого применяемого на практике, критерия оценки степени сфероидизации графита, должно соответствовать, при преимущественно шаровидной форме графита в чугуне (≥90% ШГ), значениям в пределах 0,03-0,09 Mg.
Однако, как показали исследования, при длительном (свыше 30 мин) пребывании модифицированного чугуна в жидком состоянии и в контакте с воздушной атмосферой потери магния становятся неизбежными и в зависимости от массы металла и других факторов обычно составляют 0,003-0,006% в минуту, и естественно, что через 20-35 минут выдержки жидкого чугуна в открытом ковше, из-за больших потерь магния, эффект сфероидизирующего модифицирования практически исчезает. Поэтому при изготовлении крупнотоннажных отливок корпусов контейнеров обычно прибегают к применению металлических форм (кокилей), которые обеспечивают интенсивный отвод тепла из залитого в них расплава чугуна и, как следствие, высокую скорость кристаллизации и образование по всей поверхности отливки сплошной металлической корочки, изолирующей в дальнейшем кристаллизирующийся расплав чугуна от контакта с воздушной атмосферой. Согласно исследованиям для быстрого образования, в течение 7-8 минут после заливки металла, в отливке корпуса с толщиной стенки 350-400 мм, устойчивой корочки, требуемый отвод тепла обеспечивает кокиль с толщиной стенки не менее 150 мм. Многочисленные научно-исследовательские и экспериментально-промышленные работы, выполненные авторами и другими исследователями, показали, что получить необходимый по требованиям Правил МАГАТЭ и нормативно-технической документации РФ уровень физико-механических свойств, при повышенных (+250°C) и низких (-50°C) температурах, в крупнотоннажных отливках в литом состоянии обеспечивает только высокопрочный чугун с ферритной структурой металлической основы (Ф≥80%) с включениями в ней графита шаровидной формы не менее 90 процентов.
Анализ многочисленных исследований корпусов контейнеров, изготовленных из ферритного чугуна методом литья в кокиль, показал, что лучшие результаты по всем критериям оценки качества (прочность, вязкость разрушения, изотропность и т.д.) получены у отливок, изготовленных из ферритного эвтектического состава чугуна, с углеродным эквивалентом, равным 4,3-4,5%, при содержании в нем углерода в пределах 3,4-3,7%.
Разработанный способ изготовления биметаллических корпусов контейнеров представляет собой новое решение технологического процесса производства корпусов контейнеров, позволяющее в литом состоянии биметаллического корпуса, получать весь комплекс функционально-интегрированных прочностных и специальных свойств, обеспечивающих длительную и безопасную работу ТУКов с корпусами из ферритного чугуна в любых (включая экстремальные) условиях  эксплуатации.
Способ изготовления биметаллических корпусов контейнеров включает в себя технологию изготовления монометаллической модели корпуса, состоящей из двух разнородных, прочно сплавленных между собой (в процессе заливки) слоев ферритного и аустенитного чугунов с шаровидным графитом, придающих не только высокие прочностные характеристики, но и высокую коррозионную стойкость и нейтронопоглощающую способность такой модели корпуса контейнера.
При разработке способа производства биметаллических корпусов контейнеров необходимо было провести исследования по синтезу состава аустенитного чугуна для изготовления оболочки, формирующей внутреннюю полость корпуса контейнера.
При этом ставилась задача синтезировать такой состав чугуна, которой при любых условиях эксплуатации ТУКов обеспечивал бы стабильное состояние аустенитной структуры и, соответственно, высокий уровень специальных свойств.
Как показали исследования, указанным требованиям в наибольшей степени, соответствует никелевый аустенитный чугун, содержащий в своем составе:
2.4-2,6% C; 1,2-2,2% Si; 0,6-1,2% Mn; 18-21% Ni;≤0,5% Cr; 0,5-0,8% Cu; 0,1-2,0% Gd и 0,04-0,09% Mg.
При таком содержании никеля достигается высокая стабильность аустенитной структуры при низкой (-60°C) температуре. Определенная часть никеля в составе чугуна может быть заменена медью.
При этом аустенитная структура чугуна металлической основы не должна претерпевать изменений в любых условиях эксплуатации корпуса контейнера. Возможно повышение содержания гадолиния (более 0,5% Gd) в составе аустенитного чугуна.
В аустенитном чугуне с повышением содержания в нем никеля растворимость углерода непрерывно уменьшается; каждый процент повышения никеля в составе чугуна снижает содержание углерода в эвтектике на 0,06%. Кроме того, кремний, входящий в состав аустенитного чугуна, также способствует снижению растворимости в нем углерода. Такая зависимость состава чугуна, связанная с растворимостью в нем углерода, безусловно должна учитываться при расчете количества и состава шихтовых материалов, предназначенных для выплавки аустенитного чугуна.
На практике необходимо допустимое содержание углерода в шихтовых материалах, для выплавки аустенитного никелевого чугуна с достаточной достоверностью обычно определяется по формуле:
общ
С=4,4-0,06% Ni-0,2% Si.
Такой расчет по содержанию углерода во всех случаях просто необходим, так как исследованиями установлено, что содержание в шихте избыточного (сверхрастворимого) в эвтектике количества углерода всегда приводит к появлению в структуре аустенитного чугуна нежелательного мелкопластинчатого, так называемого, междендритного графита.
Наличие даже в небольших (в поле зрения шлифа) количествах такого графита (2-4%) значительно снижает прочностные характеристики и почти в два раза пластинчатость чугуна. В связи с этим следует указать на необходимость входного контроля шихтовых материалов по содержанию в них всех элементов, обращая особое внимание на содержание углерода, так как это является одним из важнейших условий получения высококачественных отливок, в данном случае обечаек корпусов ТУК, из аустенитного чугуна с шаровидным графитом. Для выплавки аустенитного чугуна можно применять различные плавильные агрегаты, однако лучше всего использовать электропечи, преимущественно  индукционные, тигельного типа.
После расплавления шихты металл перегревают до температуры 1480-1510°C, присаживают в печь при этой температуре необходимое количество гадолиния, затем отключают печь от сети питания и в течение 10-15 минут, слив металла в ковш и, одновременно с этим производится сфероидизирующее модифицирование чугуна.
Модифицирование осуществляется присадкой в ковш дробленой (15-30 мм) никелемагниевой (15% Mg) лигатурой в количестве 0,8-1,1%) от массы обрабатываемого чугуна.
Обечайка корпуса может изготавливаться стационарным способом или же более перспективным - методом центробежного литья.
При стационарном, более трудоемком методе изготовления, требуется повышенный расход металла, так как обеспечить высокое качество в отливке, достигающей высоты до 6 метров, можно только при толщине стенки отливки не менее 30 мм, тогда как при центробежном методе литья это достигается при толщине стенки отливки 15 мм. После изготовления любым способом обечайки она подвергается отжигу для снятия напряжений, полностью очищается от следов пригара и окалины и в таком виде подается для монтажа в стержневой ящик.
В дальнейшем обечайка закрепляется на знаковой части стержневого каркаса и становится составной частью центрового стержня для изготовления биметаллического корпуса контейнера. Образовавшееся пространство между каркасом стержня и обечайкой заполняют хромитовой смесью и уплотняют известными на производстве методами.
Предлагаемый способ изготовления биметаллических корпусов контейнеров, основанный на новой концепции - функциональном интегрировании комплекса, требуемых прочностных и специальных свойств, сосредоточенных в одном монолитном корпусе, полученном по предлагаемой технологии посредством сплавления двух разнородных по составу и свойствам чугунов с шаровидным графитом, что обеспечивает безопасную и длительную эксплуатацию ТУКов при перевозке и хранении ОЯТ и других радиоактивных материалов. При этом отдельно отлитая обечайка с толщиной стенки 15-30 мм, изготовленная из синтезированного аустенитного чугуна с шаровидным графитом с высокими значениями коррозионной стойкости и нейтронопоглощающей способности после заформования в стержень становится неотъемлемой частью центрового стержня, оформляющего внутреннюю полость отливки корпуса. После установки центрового стержня с заформованной в нем обечайкой начинается сборка литейной формы (кокиля), которая сводится к установке подготовленных к сборке чугунных кокилей (из отдельных колец), число которых (чугунных колец) определяется размером колец кокилей и высотой корпуса контейнера на тот же сборочный поддон, на котором уже закреплен центровой стержень. Кокиль и центровой стержень накрываются на высоте кокиля сверху крышкой из того же чугуна и сваркой герметично закрепляется на обечайке. Крышка изготовлена из чугуна с толщиной стенки, равной толщине стенки кокиля.
Заливка кокиля ферритным чугуном с шаровидным графитом начинается после установки литниковой чаши. Литниковая система выполняется параллельно со сборкой кокиля в опоках с сифонным подводом металла к отливке (на чертеже не показана). Все элементы литниковой системы набираются из огнеупорных припасов.
Литниковая система проектируется таким образом, чтобы обеспечивать заливку любой по массе (до 150 тонн) отливки корпуса контейнера в течение 3-4 минут (на чертеже не показана). Заливочные чаши (одна или две) изготавливаются большой емкости, вмещающие в зависимости от массы отливки весь или значительный объем по массе металла для заливки одного корпуса контейнера. Заливаемый в чаши расплав чугуна удерживается до их заполнения стопорным устройством или конструкцией заливочной чаши.
Предлагаемый способ изготовления биметаллических корпусов ТУКов обеспечивает получение высококачественных крупнотоннажных отливок корпусов. При этом отпадает необходимость установки прибылей, так как применяемый состав ферритного чугуна эвтектического состава с шаровидным графитом в условиях стесненного пространства (кокиля) самопроизвольно конвертирует энергию предусадочного расширения, свойственную только этому чугуну, в энергию всеобъемлющего деформационного сжатия кристаллизующего чугуна, полностью подавляющую возможность образования раковин и других дефектов усадочного происхождения.
Сплавление, как показали исследования, двух разнородных чугунов полностью завершается к началу эвтектического превращения ферритного чугуна с шаровидным графитом, залитого в кокиль при температуре 1280-1310°C.
Предложенный способ изготовления монолитных биметаллических корпусов ТУКов характеризуется высоким комплексом функционально интегрированных свойств, требуемых для безопасной и длительной эксплуатации ТУКов. Способ обладает также значительными технико-экономическими преимуществами, связанными со значительной экономией жидкого чугуна, дефицитных легирующих элементов и существенным сокращением затрат на дополнительную механическую обработку составных корпусов для придания им недостающих специальных свойств.
Проведенные экспериментальные исследования предлагаемой технологии были осуществлены со следующими вариациями технологических параметров и приведены в таблице:
Примеры
Толщина обеч. стерж., мм
Т-ра заливки, °C
Время заливки, мин
Стаб. аустенит при низк. т-рах, <60°C
Ф>80% с вкл. гр ш.ф., %
I
15,0
1280
3,0
50
Ф>80% не менее 90%
II
20-25
1300
3,5
<60
Ф≥80% не менее 90
III
30,0
1310
4,0
55
Ф>80% не менее 90%
Проведенные варианты исследования показали оптимальность выбранных параметров способа, что обеспечило устранение установки прибылей, т.к. применяемый состав ферритного чугуна эвтектического состава с шаровидным графитом в условиях стесненного пространства (кокиля) самопроизвольно конвектирует энергию предусадочного расширения, свойственную только этому чугуну, в энергию всеобъемлющего деформационного сжатия кристаллизующего чугуна, полностью подавляющую возможность образования раковин и других дефектов усадочного происхождения. Таким образом, при реализации заявляемой технологии налицо получение синергетического эффекта.
Выход за пределы указанных оптимальных параметров и факультативные признаки снижает эффективность (полноту) достигаемого технического результата, в частности, снижает конвектируемость энергии предусадочного расширения на 10-12%, а это вызывает увеличение возможности появления дефектов усадочного происхождения.