Коррозионно-стойкая сталь с повышенной нейтронной поглощаемостью

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойкой стали, используемой для изготовления деталей атомного оборудования с повышенным требованием к нейтронному поглощению. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, бор, ванадий, церий, алюминий, титан, серу, фосфор, водород и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,02-0,08, кремний 0,10-0,80, марганец 0,10-0,50, хром 13,0-16,0, бор 1,5-3,2, ванадий 0,05-0,25, церий 0,01-0,04, алюминий 0,15-0,8, титан 3,0-6,56, сера ≤0,015, фосфор ≤0,020, водород ≤2 ppm, железо - остальное. Содержания титана и бора связаны зависимостью 1,7≤Ti/B≤2,05, а содержания титана, хрома и бора зависимостью Сr-5(В-Ti/2)≥14,0. Сталь обладает повышенной технологичностью при трубном переделе и обеспечивает уровень подкритичности изготавливаемых из нее защитных конструкций К_эфф>0,95 за счет более равномерного распределения бора по объему исходного слитка-заготовки. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к коррозионно-стойкой стали, которая может быть использована для изготовления деталей атомного оборудования с повышенным требованием к нейтронному поглощению.

Известна коррозионно-стойкая нейтронопоглощающая сталь, состоящая из следующих компонентов, мас.%:

углерод	0,02-0,10
кремний	0,10-0,80
марганец	0,10-0,50
хром	13,0-16,0
бор	1,0-2,0
ванадий	0,05-0,35
церий	0,01-0,04
алюминий	0,15-0,8
титан	2,0-4,0
железо	остальное

(SU1122009, С22С 38/32, опубл. 10.12.1996).

Недостатком известной коррозионно-стойкой нейтронопоглощающей стали является недостаточное содержанием бора, что не обеспечивает ядерную безопасность оборудования АЭС (в частности, стеллажей уплотненного хранения отработанного топлива) при работе на обогащенном, более 5%, топливе U-235.

По технической сущности наиболее близкой к предлагаемому изобретению является нейтронопоглощающая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, бор, железо, ванадий, церий, алюминий и титан при следующем содержании компонентов, мас.%:

углерод	0,021-0,10
кремний	0,10-0,80
марганец	0,10-0,50
хром	13,0-16,0
бор	2,01-3,5
ванадий	0,05-0,35
церий	0,01-0,04
алюминий	0,15-0,8
титан	4,02-10,0

(RU 2399691, С22С 38/32, опубл. 20.09.2010).

Однако использование указанной известной стали для изготовления труб и/или листов защитных экранных конструкций для хранения и транспортировки ядерного топлива ограничено из-за неравномерного распределения нейтронопоглощающего элемента - бора - по объему исходного слитка-заготовки и, как следствие, по сечению и длине изготавливаемых из него трубы или листа. Это приводит к снижению коэффициента подкритичности К_эфф защитной конструкции менее заданного уровня 0,95 и соответствующему снижению уровня ядерной безопасности.

Также недостатком известной стали является ее низкая технологичность при трубном переделе (расходный коэффициент при изготовлении шестигранных труб превышает 4,0).

Задачей заявленного изобретения является устранение указанных выше недостатков.

Техническим результатом изобретения является повышение равномерности распределения бора по объему исходного слитка-заготовки стали для изготовления трубных и/или листовых элементов защитных конструкций, используемых в атомной промышленности, и обеспечение уровня подкритичности защитной конструкции К_эфф>0,95, а также повышение технологичности стали и понижение расходного коэффициента по металлу до 2,5.

Технический результат достигается тем, что коррозионно-стойкая сталь с повышенной нейтронной поглощаемостью содержит углерод, кремний, марганец, хром, бор, ванадий, церий, алюминий, титан, серу, фосфор, водород и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,02-0,08
кремний	0,10-0,80
марганец	0,10-0,50
хром	13,0-16,0
бор	1,5-3,2
ванадий	0,05-0,25
церий	0,01-0,04
алюминий	0,15-0,8
титан	3,0-6,56
сера	≤0,015
фосфор	≤0,020
водород	≤2 ррт
железо	остальное,

причем соотношение титан/бор составляет 1,7≤Ti/B≤2,05.

Технический результат достигается также тем, что сталь содержит титан, бор и хром при следующем соотношении: Сr-5(В-Ti/2)≥14,0.

Введение серы, фосфора и водорода в нейтронопоглощающую сталь, содержащую в качестве основных легирующих элементов хром, бор и титан, с одновременным соблюдением условий по соотношению титан/бор и соотношению титан-бор-хром для достижения технического результата до настоящего времени не известно.

В металлургической промышленности бор добавляют в жидкую сталь в виде ферробора, причем бор при кристаллизации стали входит в состав железохромистых боридных эвтектик, приводящих к неравномерности распределения бора по телу слитка. Присутствие серы, фосфора и водорода в заявленных концентрациях способствует образованию сульфидов, содержащих бор и предположительно фосфор и водород, с достаточно широким температурным интервалом кристаллизации, что снижает долю бора, приходящуюся на железохромистые боридные эвтектики, и улучшает усвоение бора сталью. Одновременное присутствие в стали титана и хрома в заданных пределах практически полностью исключает образование при кристаллизации стали железохромистых боридных эвтектик, что приводит к более равномерному распределению бора при кристаллизации жидкой стали.

При осуществлении технологических этапов обработки жидкой стали в сталеплавильном переделе, например, в дуговой сталеплавильной печи, установках «печь-ковш» и вакуумирования, концентрацию указанных компонентов с помощью наведения флюсов для полного усвоения бора при необходимости повышают, а затем снижают до заявленных пределов, предпочтительно в области максимальных значений, для обеспечения равномерного распределения бора в объеме слитка-заготовки при его кристаллизации.

Негативное влияние дополнительных компонентов стали на физико-механические характеристики стали при последующих переделах при этом в значительной степени нивелируется.

Дополнительное соблюдение заявленного соотношения титан-бор-хром обеспечивает дополнительное повышение технологичности стали за счет улучшения горячей деформируемости в результате включения титана в состав мелкодисперсных боридов типа МеВ₂-МеВ₆. Это позволяет уменьшить, по сравнению с боридами (Fe,Cr)₂B, образующимися при отсутствии дополнительного легирования хромистой стали, объемное содержание хрупкой боридной фазы в 1,2-2 раза и получить еще более равномерное распределение мелкодисперсной борсодержащей нейтронопоглощающей фазы по сечению и длине изделия и сохранить хром в матрице не ниже 13 мас.%. Содержание титана сверх указанных пределов приводит к образованию σ-фазы и соответствующему охрупчиванию стали, т.е. к снижению технологичности стали.

Концентрация серы и фосфора более 0,015 и 0,02 мас.% ограничена снижением горячей и холодной хрупкости стали, а также ее коррозионной стойкостью в средах АЭС.

Содержание водорода свыше заданных пределов приводит к образованию флокенов и неравномерно распределенных по телу слитка ликвационных неоднородностей типа «усов», что приводит к значительному увеличению растрескивания полуфабрикатов из этой стали при технологических переделах.

Химический анализ образцов стали из слитка-заготовки диаметром 450 мм, полученного по технологии с использованием дуговой сталеплавильной печи, установок «печь-ковш» и вакуумирования, показал отклонения в содержании бора на уровне статистической ошибки.

Таким образом, слиток-заготовка диаметром 450 мм из предлагаемой стали не имеет неравномерного распределения бора по объему, что обеспечивает изготовление из него трубных и/или листовых элементов защитных конструкций, используемых в атомной промышленности, с уровнем подкритичности более 0,95. Повышение технологичности обработки стали при последующих переделах (понижение расходного коэффициента по металлу до 2,5 при трубном переделе) для изготовления деталей оборудования АЭС обеспечивается ее повышенными физико-механическими характеристиками.

1. Коррозионно-стойкая сталь с повышенной нейтронной поглощаемостью, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, бор, ванадий, церий, алюминий, титан и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит серу, фосфор и водород при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,02-0,08
кремний	0,10-0,80
марганец	0,10-0,50
хром	13,0-16,0
бор	1,5-3,2
ванадий	0,05-0,25
церий	0,01-0,04
алюминий	0,15-0,8
титан	3,0-6,56
сера	≤0,015
фосфор	≤0,020
водород	≤2 ppm
железо	остальное,

причем соотношение титан/бор составляет 1,7≤Ti/B≤2,05.

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит титан, бор и хром при следующем соотношении:
Cr-5(B-Ti/2)≥14,0.