Разделы сайта

Читаемое

Обновления Nov-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 [ 60 ] 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

[Ni] = 1,3[Сг] - 30[С] - 26[N] - 0,5[Мп] + 11,1,

где [Ni], [Сг], [С], [N], [Мп] - концентрация соответствующих элементов в стали, % (масс).

В результате последующих исследований предложены нержавеющие стали аустенитного класса - заменители сталей типа 18-10, содержащие вместо никеля марганец или марганец и азот. С 1970 г. в нашей стране запатентовано более 150 марок таких сталей, изучены технологии их выплавки, последующего передела и эксплуатационные свойства в промышленности.

Вместо сталей 18-10 предложены к использованию хромомарганцевые стали Х14Г14Н, Х14Г14НЗТ, Х14Г14Н4Т, Х14Г14НЗ и др. Однако получение аустенитной структуры при замене никеля одним марганцем с сохранением высоких коррозионных свойств невозможно. Для обеспечения аустенитной структуры в этом случае необходимо, наряду с введением марганца, понижать содержание хрома и повышать содержание углерода в стали, что снижает ее коррозионные свойства. Такое неблагоприятное изменение состава металла вызывается тем, что марганец не расширяет аустенитную область, а делает аустенит более устойчивым при охлаждении. Поэтому хромомарганцевой сталью заменить сталь 18-10 во всех областях использования удается очень редко, и такие стали могут применяться лишь при изготовлении оборудования, работающего в слабоагрессивных средах.

Более эффективно снижение содержания никеля введением в сталь марганца в сочетании с азотом. В хромистой стали азот, подобно углероду, расширяет у-область, но в отличие от углерода снижает незначительно или вовсе не снижает коррозионную стойкость. В промышленности разработаны составы, изучены технологии производства и свойства и предложены к применению нержавеющие стали, в которые вместо никеля введены марганец и азот совместно: Х27Н4АГ9, Х27АГ14, Х20Н5АГ7, Х14АГ14, 17-7-4 (201), 18-8-5 (202). Эти стали имеют аустенитную структуру, плотный слиток, высокие коррозионные

и эксплуатационные свойства, но при организации производства высокомарганцевых экономнолетированных сталей необходимо преодолеть трудности, связанные с безвозвратными потерями марганца при продувке расплава кислородом и накоплением немобильных высокомарганцевых отходов.

В МИСиС большая группа исследователей (А. А. Яскевич, К. О. Ней-гебауэр, Л. Н. Кац и др.) проводили активные исследования экономно-легированных сталей с заменой никеля на азот и марганец. Расчетная себестоимость экономнолегированных сталей на 35...40% ниже высоконикелевых (12Х18Н10Т и др.). В России выплавка экономнолегирован-ной стали составляет около 2 % от общего количества нержавеющей стали, за рубежом - 40 %. Исследованиями последних лет показано, что для улучшения коррозионных свойств хромистых и хромоникелевых нержавеющих сталей перспективным легирующим элементом может оказаться дешевый кремний, который при определенном сочетании с другими легирующими элементами существенно повышает стойкость нержавеющих сталей к питтинговой коррозии и тем самым повышает работоспособность сталей этого типа в средах окислительного характера.

При плавке нержавеющей стали основные трудности связаны с получением низкой концентрации углерода и использованием малоуглеродистых сортов феррохрома. Научные и экспериментальные работы в конце 40-х годов показали возможность использования газообразного кислорода для обезуглероживания высокохромистого расплава. За счет резкого повышения температуры ванны до 1800... 1900 °С термодинамически обеспечивалось окисление углерода, а не хрома. Это позволило использовать в шихте до 70...80 % отходов хромистой и хромоникелевой стали, окислить углерод до 0,05...0,08 % с сохранением 100 % никеля и 90 % хрома. Однако при этом нельзя было получить содержание углерода < 0,03 % и требовался низкоуглеродистый феррохром. Такая схема производства нержавеющей стали просуществовала до 60-х годов. Именно в эти годы появились новые способы плавки коррозионностойкой стали - метод AOD (аргоно-кислородное обезуглероживание) и VOD (вакуум-кислородное обезуглероживание). С внедрением указанных методов появилась возможность использования в шихте 100 % отходов нержавеющей стали и дешевого высокоуглеродистого феррохрома. Эти технологии и экономически целесообразные способы производства за рубежом используют для производства 100 % нержавеющей стали, в первую очередь низкоуглеродистой. У нас, к сожалению, эти методы используются лишь на ограниченном числе заводов.

ТОБОЙ продукции, толстого и тонкого листа было осуществлено на действующем оборудовании без дополнительных вложений.

Опытным путем установлено, что коэффициент эквивалентности азота по отношению к никелю близок к 26. Была предложена формула для расчета количества никеля, обеспечивающего стабильную аустенитную структуру хромоникелевой стали:



ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ ДЛЯ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Циркониевые сплавы, благодаря своим физико-химическим и механическим свойствам, являются основным конструкционным материалом для деталей активной зоны и тепловьщеляющих сборок (ТВС) атомных энергетических реакторов. В настоящее время в мире они производятся до нескольких тысяч тонн в год. Современные промышленные технологии производства циркония, основанные либо на процессах иодидного рафинирования, либо получения губчатого циркония, либо на электролизе расплавленных солей циркония, позволяют получать цирконий реакторной чистоты с содержанием сопутствующего нежелательного элемента гафния (имеющего сечение захвата тепловых нейтронов в 500 раз большее, чем у циркония) не более 0,010...0,015 % [17].

Создание циркониевых сплавов для изготовления конструктивных элементов активной зоны реакторов атомных энергетических станций (АЭС) основано на легировании циркония элементами, обеспечивающими необходимый комплекс свойств циркониевым сплавам. При этом легирующие элементы должны обладать следующими основными качествами: иметь небольшое сечение захвата тепловых нейтронов; положительно влиять на коррозионную стойкость изделий в условиях эксплуатации в реакторе; обеспечивать требуемые механические свойства и надежность изделий при эксплуатации; не образовывать относительно долгоживущих радиоактивных нуклидов с сильным у-излучением. Важнейшим требованием к легированию циркониевых сплавов является обеспечение высокой технологичности, необходимой для изготовления ответственных изделий: особо тонкостенных труб для оболочек твэлов (длиной до 4,5 м, диаметром 8...10 мм и толщиной стенки 0,3...1мм); труб для каналов кипящих реакторов (длиной до 8 м, диаметром 80... 130 мм и толщиной стенки З...6мм); листов и лент (толщиной 0,3...1,5 мм) для дистанционирующих решеток и других деталей.

Наиболее ответственными изделиями являются оболочечные трубы, так как разгерметизация оболочек твэлов при эксплуатации приводит к аварийным ситуациям и практически недопустима. Оболочки твэлов работают в очень сложных условиях воздействия температуры, радиации, коррозионной среды и напряжений. Снаружи они подвергаются коррозионному воздействию теплоносителя с температурой до 380 °С, а образующиеся при этом продукты коррозии, ухудшая теплоотдачу, могут приводить к локальным перегревам. Изнутри оболочка подвергается кор-

зин под действием влаги, водорода и фтора, вьщеляющихся в начальный период работы твэла, и под действием йода, цезия и других элементов, вьщеляющихся при длительной работе [17]. Поэтому материал оболочек твэлов должен обладать высоким комплексом свойств в диапазоне температур от комнатной до рабочей (300...380 °С) и до 1200 °С при локальных перегревах в экстремальных ситуациях, а также удовлетворять многочисленным требованиям, основные из которых: высокие коррозионная стойкость и стойкость к радиационному росту, минимальная скорость ползучести, высокие длительная прочность и сопротивление разрушению. При этом необходимо обеспечить высокое качество металла (размер внутренних дефектов не более 5 % толщины стенки трубы; мелкозернистость и высокую дисперсность избыточных фаз; необходимую текстуру); точность геометрических размеров и качество поверхности.

Одним из важных требований к материалам активной зоны реакторов является низкое поглощение водорода. Степень наводораживания циркониевых сплавов при длительной эксплуатации определяется прежде всего интенсивностью коррозии и температурой. Наводораживание приводит к понижению пластичности и трещиностойкости сплавов, а выделение хрупких гидридов в зонах концентрации напряжений может стать причиной разрущения изделий за счет образования и роста гид-ридных трещин по механизму замедленного разрушения при температурах эксплуатации.

В настоящее время в российской атомной энергетике используются два основных типа реакторов на основе водяного теплоносителя и циркониевых труб: водо-водяные корпусного типа - ВВЭР и водографито-вые канального типа с кипящей водой - РБМК. В зарубежной литературе водо-водяные реакторы с водой под давлением называют PWR, а кипящие реакторы - BWR. Кипящие реакторы могут иметь также в качестве замедлителя воду или тяжеловодный замедлитель-теплоноситель (например, в реакторах типа CANDU, Канада).

Применительно к водяному и пароводяному теплоносителю при рабочих температурах наиболее подходящими элементами для легирования циркония являются ниобий и олово.

Ниобий имеет небольшое сечение захвата и при содержании до 2,5 % стабилизирует коррозионную стойкость, эффективно снижает поглощение водорода и повышает прочность циркония, в основном, за счет упрочнения твердого раствора. Легирование оловом в количестве до 2 % устраняет влияние вредных примесей, прежде всего азота, что положи-



тельно влияет на коррозионную стойкость и механические свойства циркониевых сплавов. Эффект твердорастворного упрочнения у сплавов Zr-Sn выше, чем в сплавах Zr-Nb [17].

Разработка промышленных циркониевых сплавов в мире велась по двум основным направлениям:

в СССР - это создание циркониевых сплавов на основе легирования ниобием. Широкое применение получили сплавы циркония с l%Nb (Н-1; ЭПО) для оболочек твэлов и с 2,5 % Nb (Н-2,5; Э125) (табл. 5.5) для канальных труб, листа и других изделий;

в США - это создание циркониевых сплавов на основе легирования оловом, а затем с добавками железа, хрома и никеля. Это сплавы цир-калои, содержащие 1,20...1,70% Sn и добавки железа до 1,24% и хрома до 0,15% (табл. 5.5). Наиболее широкое применение для оболочек твэлов и канальных труб получили сплавы циркалой-2 и циркалой-4.

Основной задачей в период разработки Zr-Nb сплавов было обеспечение коррозионной стойкости для работы в воде и пароводяной смеси при 300...350 °С. В условиях эксплуатации в виде оболочек твэлов реакторов ВВЭР и PWR сплав ЭПО по коррозионной стойкости превосходит циркалои, а поглощает водорода в 5-10 раз меньше. Стремясь уменьшить поглощение водорода (гидрирование), в США были разработаны циркалои с пониженным содержанием никеля (циркалой-4, табл. 5.5) [17].

Изделия из разработанных более 40 лет назад сплавов Э110 и Э125 до настоящего времени надежно эксплуатируются в реакторах ВВЭР и РБМК в России, на Украине, в странах Восточной Европы, Финляндии и Армении, в реакторах CANDU в Канаде, Южной Корее и других странах. Изделия из циркалоя-2 и циркалоя-4 работают в реакторах PWR и BWR в США, Франции, ФРГ, Японии. Длительная эксплуатация в реакторах изделий из циркониевых сплавов выявила их взаимные преимущества и недостатки.

Изделия из бинарных сплавов циркония с 1,0% Nb (ЭПО) (оболо-чечные трубы, дистанционирующие решетки) и с 2,5 % Nb (Э125) (трубы давления, кожуховые трубы), основу которых составляет смесь электролитического и иодидного циркония, и технологические процессы их изготовления обеспечили надежную эксплуатацию твэлов в течение 3-и 4-годичных кампаний с достижением выгорания топлива до 42...44 МВт-сут/кг урана и технологических каналов в течение 15-17 лет. К процессам, ограничивающим ресурс работы таких изделий, в первую очередь, относятся водная коррозия и гидрирование в результате взаи-

0) s z

(в 3 3

I s

X о о.

2; 2;

к s о

<

< Э

I о с о;

оа оа

оа оа

m оа

о

о

oi g qi qi

Он оа О.

о 1Л

- о

о ОС

- о

о -

- о

N N

<У> (X)



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 [ 60 ] 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка