Высокопрочный чугун для корпусных конструкций современной контейнерной техники по транспортировке и хранению отработавшего ядерного топлива

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству крупногабаритных чугунных отливок. Может использоваться в атомном энергомашиностроении при производстве контейнеров для транспортировки и длительного хранения отработавшего ядерного топлива и других радиоактивных материалов. Высокопрочный чугун содержит, мас.%: углерод 3,3-3,8; кремний 1,5-2,6; марганец 0,1-0,4; ванадий 0,02-0,06; ниобий 0,02-0,05; магний 0,04-0,06; кальций 0,001-0,008; сера 0,005-0,01; фосфор 0,005-0,01; железо - остальное. Суммарное содержание V+Nb не превышает 0,08 мас.%, а суммарное содержание S+P не превышает 0,015 мас.%. Чугун обладает пониженной склонностью к дендритной ликвации и структурной анизотропии, и высокими физико-механическими, технологическими и эксплуатационными характеристиками. 2 табл.

 

Изобретение относится к области промышленного производства крупногабаритных чугунных отливок, содержащих в качестве основы железо с заданным соотношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для использования в атомном энергомашиностроении при производстве высоконадежной контейнерной техники для транспортировки и длительного хранения отработавшего ядерного топлива и других радиоактивных материалов.

Известны различные марочные составы серого, ковкого и высокопрочного чугуна, применяемых в машиностроительных отраслях промышленности (например, чугун марок типа СЧ, КЧ и ВЧ), а также другие аналоги, указанные в научно-технической и патентной литературе [1-5]. Однако известные марки чугуна не отвечают предъявляемым требованиям по основным физико-механическим, технологическим и служебным свойствам, обеспечивающим высокое качество литого метала и, соответственно, весь комплекс характеристик работоспособности и эксплуатационной надежности создаваемой контейнерной техники в сложных условиях транспортировки и длительного хранения отработавшего ядерного топлива.

Наиболее близким к заявляемой композиции по базовому химическому составу и функциональному назначению компонентов является высокопрочный чугун марки ВЧ 40 по ГОСТ 7293-85 [1], содержащий в своем составе легирующие и примесные элементы в следующем соотношении, мас.%:

углерод	2,7-3,2
кремний	0,5-1,5
марганец	0,2-0,6
хром	≤0,1
сера	≤0,02
фосфор	≤0,1
железо	остальное

Данную марку чугуна в соответствии с требованиями действующей нормативно-технической документации рекомендуется использовать в различных отраслях промышленности и народного хозяйства в качестве конструкционного и машиноподелочного материала при производстве неответственных деталей серийного оборудования общетехнического назначения. При этом известная композиция характеризуется повышенной склонностью к дендритной ликвации и структурной анизотропии, что обусловливает заметное снижение стабильности структурного состояния и приводит к широкому разбросу и ухудшению основных физико-механических и служебных характеристик литого металла в условиях статического, динамического и ударного нагружений [6-10], что не обеспечивает требуемый уровень работоспособности и эксплуатационной надежности высоконагруженных элементов конструкции создаваемого контейнерного оборудования и, в частности транспортно-упаковочных комплектов типа ТУК 128. Согласно требованиям действующих государственных и отраслевых стандартов, а также другой нормативно-технической документации, содержание в марочном составе чугунов-аналогов ряда легирующих и примесных элементов, в значительной мере определяющих требуемое структурное состояние металла и уровень его важнейших служебных характеристик, не контролируется и находится в весьма широких концентрационных пределах [5-9].

Техническим результатом данного изобретения является создание высокотехнологичной марки чугуна, обладающей меньшей склонностью к дендритной ликвации и структурной анизотропии, во многом определяющих требуемое структурное состояние и качество крупногабаритной отливки и, как следствие, заданный уровень сопротивления литого металла хрупкому разрушению в условиях ударного, циклического и других видов динамического нагружения. Технический результат достигается тем, что в состав известной марки чугуна, содержащей углерод, кремний, марганец, серу, фосфор и железо, дополнительно введены ванадий, ниобий, магний и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	3,3-3,8
кремний	1,5-2,6
марганец	0,1-0,4
ванадий	0,02-0,06
ниобий	0,02-0,05
магний	0,04-0,06
кальций	0,001-0,008
сера	0,005-0,01
фосфор	0,005-0,01
железо	остальное

При этом введено ограничение суммарного содержания элементов, превышение которого отрицательно влияет на формирование оптимального структурного состояния и существенно снижает заданный уровень основных физико-механических и эксплуатационных характеристик материала, в частности:

- суммарное содержание V+Nb не должно превышать 0,08%;

- суммарное содержание S+P не должно превышать 0,015%.

Соотношение указанных легирующих и примесных элементов выбрано таким, чтобы заявляемая композиция обеспечивала требуемый уровень и стабильность важнейших структурно-чувствительных характеристик литого металла, во многом определяющих заданную работоспособность и эксплуатационную надежность высоконагруженных корпусных элементов создаваемой контейнерной сборки ТУК 128 в экстремальных условиях транспортировки и длительного хранения отработавшего ядерного топлива.

Введение в заявляемую композицию расчетных количеств микролегирующих и модифицирующих добавок ванадия, ниобия, магния и кальция, как элементов с высокой термодинамической активностью и особыми физико-химическими свойствами, в указанном соотношении с другими компонентами, существенно влияет на процессы структурообразования литого чугуна и, в частности, положительно воздействует на форму, размер и дисперсность образующихся феррито-перлитных, графитных и других структурных составляющих. При этом, как показали наши металлографические исследования, выполненные в соответствии с требованиями ГОСТ 3443-87 и др. общепринятых стандартных методик, уменьшается структурная неоднородность в межосевых пространствах дендритов, происходит более равномерное распределение вторичных и избыточных фаз по всему сечению крупногабаритной отливки и существенно снижается степень анизотропии механических свойств литого металла. Уменьшается его склонность к трещинообразованию и повышается работоспособность в условиях ударного и динамического нагружения. Вязкость разрушения, во многом отражающая качество литого металла и характеризующая его деформационную способность и сопротивление развитию трещин, существенно возрастает. Фрактографический анализ поверхности изломов образцов, выполненный методом сканирования на растровом электронном микроскопе показал, что в заявляемой композиции доля вязкой составляющей в зоне разрушения заметно возрастает по сравнению с известным составом.

Избыточное модифицирование и введение в состав заявляемой композиции микролегирующих добавок вне указанных в формуле изобретения пределов снижает эффективность их положительного влияния на весь комплекс основных физико-механических свойств литого метала и не способствует обеспечению требуемого качества крупногабаритных отливок, а также осложняет рецептурно-технологическую сторону проведения комплексного модифицирования.

Важное значение в процессе структурообразования высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и формирования заданного уровня механических свойств, отвечающих требованиям надежности по принятым в настоящее время критериям теории хрупкой прочности, имеет указанное в формуле изобретения соотношение графитизирующих и сфероидизирующих элементов. При этом дисперсность зернистых графитовых включений обеспечивается на уровне 45-60 мкм (ШГ 45). Исследования показали, что наилучшие результаты обеспечиваются при соблюдении соотношения, представленного в табл.1, тогда как изменение этого соотношения за пределы формулы изобретения приводит к существенному снижению степени эвтектичности чугуна и способствует подавлению механизма графитизирующего модифицирования.

На решение задачи повышения технологичности и качества металлоемких чугунных отливок направлено также и ограничение в заявляемой композиции суммарного содержания остаточных примесей серы и фосфора до указанного в формуле изобретения пределов. При этом улучшаются литейные свойства чугуна, в том числе жидкотекучесть, уменьшается образование усадочных раковин и пор, снижается склонность литого металла к зональной и дендритной ликвации. Расчеты показывают, что при превышении указанных в формуле изобретения значений создаются благоприятные концентрационные условия и физико-химические предпосылки для образования в кристаллизующемся расплаве легкоплавких двойных и тройных эвтектик в виде сетки грубых и хрупких включений, что повышает склонность литья к образованию хрупких трещин и снижает деформационную способность литого металла.

Повышению качества металла крупногабаритных отливок и улучшению его технологичности на стадии металлургического передела также способствует соблюдение условия, когда соотношение V+Nb в расплаве составляет не более 0,08% при комплексном воздействии вводимых модифицирующих добавок. При несоблюдении данного требования в сочетании с другими технологическими указаниями задача получения качественных крупногабаритных отливок с заданным комплексом важнейших физико-механических характеристик существенно осложняется.

Полученный более высокий уровень физико-механических, технологических и служебных характеристик литого металла обеспечивается комплексным легированием заявляемой композиции в указанном соотношении с другими элементами, сбалансированным химическим и фазовым составом, нормированным соотношением вводимых микролегирующих и модифицирующих добавок, а также контролированием чистоты металла по остаточным примесям, во многом определяющим процессы структурообразования и формирования всего комплекса свойств литого металла.

В ЦНИИ КМ «Прометей» совместно с другими предприятиями отрасли в соответствии с планом приводимых опытно-промышленных работ в рамках выполнения федеральных целевых научно-технических программ [11, 12] выполнен необходимый комплекс опытно-промышленных работ по выплавке, механической обработке и оценке основных физико-механических, технологических и служебных характеристик заявляемой композиции. Металл выплавлялся одновременно в двух промышленных индукционных электропечах ИЧТ-25 мощностью 25 т с последующей разливкой в форму для получения опытных заготовок для корпусов контейнеров требуемых размеров (⌀ 1400, высота 4100 мм, толщина стенки 350 мм, масса отливки ~40 т).

Химический состав исследованных композиций, а также результаты определения основных свойств и характеристик металла полученных отливок представлены в табл.1, 2.

Ожидаемый технико-экономический эффект применения разработанной марки чугуна в машиностроительных отраслях промышленности и народном хозяйстве выразится в повышении работоспособности и эксплуатационной надежности материала в составе создаваемой контейнерной техники, что позволяет решить ряд важных радиационно-экологических и социальных проблем в области охраны окружающей среды в условиях надвигающегося обострения энергетического и экологического кризиса мирового сообщества.

Таблица 1
Химический состав исследуемых композиций
Состав	Условный № состава	Содержание элементов, мас.%
С	Si	Mn	Cr	V	Nb	Mq	Са	S	Р	V+Nb	S+P	Fe
Заявляемый	1	3,3	1,5	0,1	-	0,02	0,05	0,04	0,001	0,005	0,01	0,07	0,015	oct.
	2	3,5	2,0	0,2	-	0,04	0,03	0,05	0,005	0,006	0,007	0,07	0,013	oct.
3	3,8	2,6	0,4	-	0,06	0,02	0,06	0,008	0,01	0,005	0,08	0,015	oct.
Известный	4	3,0	1,0	0,5	0,1	-	-	-	-	0,02	0,1	-	0,12	oct.

Таблица 2
Основанные физико-механические свойства исследуемых составов чугуна
Состав	Услов-ный № соста- ва	Механические свойства при растяжении (Тисп.=20°С)	НВ	Ударная вязкость KCV, Дж/см2	Вязкость разруше-ния KIC, МПа·м0,5	Логарифмичес-кий декремент колебаний, δ, %	Температур-ный интервал кристаллиза-ции, Δtкр, °С
		σв						σ0,2	δ5	ψ
МПа	%
Заявляемый	1	330	210	19	30	137	16	75	12	130
	2	340	230	18	28	141	20	67	10	110
	3	350	250	15	25	152	18	55	9	100
Известный	4	300	200	12	20	120	10	48	6	150
Примечание. 1. Результаты испытаний усреднены по 3-м образцам на точку
2. Испытания образцов на растяжение и определение ударной вязкости проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-84 и ГОСТ 9454-78 соответственно.
3. Определение логарифмического декремента колебаний, характеризующего демпфирующую способность материала, проводилось на установке Д-6М института проблем прочности АН Украины.
4. Температурный интервал кристаллизации (Δtкр), характеризующий литейные свойства заявляемой композиции при производстве крупногабаритных отливок, определялся на технологических пробах по стандартной методике (ГОСТ 16817-71)

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 7293-85 «Чугун с шаровидным графитом для отливок» (марки) - М.: Госстандарт, 1985 - прототип.

2. ГОСТ 3443-77 «Отливки из чугуна с различной формой графита (методы определения структуры). - М.: Изд-во «Госстандарт», 1977.

3. Чугун (справочник). /Под ред. А.Д.Шермана и А.А.Жукова - М.: Металлургия, 1991.

4. Высококачественные чугуны для отливок. /Под ред. Н.Н.Александрова - М.: Машиностроение, 1982.

5. A.M.Зборщик, В.А.Курганов, Ю.Б.Бычков и др. Доменный чугун с шаровидным графитом для крупных отливок. - М.: Машиностроение, 1995.

6. Я.Е.Гольдштейн, В.Г.Мизин. Модифицирование и микролегирование чугунов и стали. - М.: Металлургия, 1986.

7. В.М.Воздвиженский, В.А.Грачев, В.В.Спасский. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении, - М.: Машиностроение, 1984.

8. А.Ф.Ланда. Основы получения чугуна повышенного качества. - М.: МАШГИЗ, 1960.

9. В.И.Архаров. Теория микролегирования сплавов. - М.: Машиностроение, 1975.

10. Сб. статей «Свойства и особенности производства модифицированного чугуна». - М.: изд-е ЦНИИТМАШ, 1976.

11. Федеральная целевая научно-техническая программа «Ядерная и радиационная безопасность России» (на 2000-2007 гг.). - М., 2000.

12. Федеральная целевая научно-техническая программа «Обращение с радиоактивными отходами и отработавшими ядерными материалами, их утилизация и захоронение» (на 1998-2007 гг.). - М., 1998.

Высокопрочный чугун для корпусных конструкций контейнеров по транспортировке и хранению радиоактивных отходов, содержащий углерод, кремний, марганец, серу, фосфор и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ванадий, ниобий, магний и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	3,3-3,8
кремний	1,5-2,6
марганец	0,1-0,4
ванадий	0,02-0,06
ниобий	0,02-0,05
магний	0,04-0,06
кальций	0,001-0,008
сера	0,005-0,01
фосфор	0,005-0,01
железо	остальное,

при этом суммарное содержание V+Nb не превышает 0,08 мас.%, суммарное содержание S+P не превышает 0,015 мас.%.