CN111621702B - 用于高放废料玻璃固化容器的核级不锈钢 - Google Patents

用于高放废料玻璃固化容器的核级不锈钢 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于高放废料玻璃固化容器的核级不锈钢，该不锈钢各组分的重量分含量为：Cr：20.5～23.5％、Ni：10.5～13.5％、Si：0.5～2.5％、Mn：0.5～2.0％、C：0.05‑0.15％、N：0.05～0.20％、Ce：0.04～0.08％、Co：≤0.05％、B：≤0.002％、Cu：≤0.05％、V：≤0.05％、S：≤0.01％、P：≤0.015％、Fe：余量。所述不锈钢具有良好的力学性能以及耐高温、耐腐蚀、抗氧化等性能，同时具有优异的热冷加工性能、焊接性能和机加工性能，在核废料处理领域具有广泛的推广应用前景。

Description

用于高放废料玻璃固化容器的核级不锈钢
技术领域
本发明属于金属材料领域，特别涉及一种用于高放废料玻璃固化容器的核级不锈钢。
背景技术
核能的利用包括发电或者提供核动力(核电站，艇载、舰载或者星载核反应堆)、活化分析(分析物质组成)、放射性侦察、检测和探伤、医学上杀死或者消除癌细胞、农业上改良新品种、海水淡化、核武器(原子弹、氢弹)制造等，在国民经济和国防安全方面具有重要地位和作用。在整个核能开发、利用的工业过程中，会产生大量不再需要(至少现阶段人类无法有效利用)的并具有放射性的废料。核废料包括中低放射性核废料和高放射性核废料两类，前者主要指核电站在发电过程中产生的具有放射性的废液、废物，占到了所有核废料的99％，后者大多产生于军事装备的制造以及核电站乏燃料(即经受过辐射照射、使用过的核燃料)的后处理，因其具有高度放射性，被称为高放废料。
高放废物中含有镎、钚、镅、锝、碘、锶、铯等放射性核素，其主要特点是放射水平高、半衰周期长、核素毒性大和发热性等。高放废物(液体废物)的放射性比活度达3.7×109Bq/L。镎-237、钚-239等半衰期均超过10万年，尚不能用普通的物理、化学或生物方法使其降解或消除，只能靠自身的放射性衰变慢慢减轻其危害。高放废物要达到无害化需要数千年、上万年甚至更长的时间。这些放射性核素一旦进入生物圈，危害极大，因此高放废料的处理处置已成为世界性关注的问题。高放废料处理作为我国百大工程项目之一，已经提高到了国家高度。我国对高放废料治理的工艺路线将采用“玻璃固化－地质处置”，高放废料玻璃固化容器是第一道安全屏障。高放废料玻璃固化容器的制造，可以填补国内空白，对我国核废料处理工程的发展具有重要意义。
根据高放废液玻璃固化的技术要求，玻璃固化容器要选用具有较高强度、韧塑性、耐蚀、耐热的金属材料来制造，不锈钢是最佳选择之一。但不锈钢的种类很多，其中按基体微观组织类型分，包括奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢等，其中奥氏体不锈钢是从18Cr-8Ni发展而来的铬镍型铁基合金，是牌号最多、用途最广、用量最大的一类不锈钢，典型的不锈钢牌号有304、309、310、316L、321等；按用途分，包括耐蚀不锈钢、耐热不锈钢、超硬不锈钢等。针对不同的应用需求，要选择不同的不锈钢，或进行不同的合金设计。尽管现有铬镍型不锈钢在强度、韧塑性、耐蚀、耐热等方面已有较高的性能，但在综合平衡合金成本与性能要求，尤其是微量元素设计、有害元素控制等方面，尚不能完全满足高放废料处理的高技术要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于高放废料玻璃固化容器的核级不锈钢，所述不锈钢具有良好的力学性能以及耐高温、耐腐蚀、抗氧化等性能，同时具有优异的热冷加工性能、焊接性能和机加工性能，特别是在平衡合金成本与性能要求、微量元素优化、有害元素控制等方面进行了独特设计，在核废料处理领域具有广泛的推广应用前景。
本发明的技术方案是：
用于高放废料玻璃固化容器的核级不锈钢，该不锈钢的各组分的重量分含量为：
Cr：20.5～23.5％、Ni：10.5～13.5％、Si：0.5～2.5％、Mn：0.5～2.0％、C：0.05-0.15％、N：0.05～0.20％、Ce：0.04～0.08％、Co：≤0.05％、B：≤0.002％、Cu：≤0.05％、V：≤0.05％、S：≤0.01％、P：≤0.015％、Fe：余量。
较好的技术方案是，该不锈钢的各组分的化学组分的重量份为：
Cr：21.5～22.5％、Ni：11.5～12.5％、Si：0.8～2.0％、Mn：0.6～1.2％、C：0.09-0.12％、N：0.10～0.14％、Ce：0.04～0.05％、Co：0.01％、B：0.0015～0.0018％、Cu：0.017～0.020％、V：0.005～0.017％、S：0.001％、P：0.0076～0.087％、Fe：余量。
进一步的技术方案是，该不锈钢的各组分的化学组分的重量份为：
Cr：21.5％、Ni：11.5％、Si：2.0％、Mn：0.65％、C：0.09％、N：0.14％、Ce：0.04％、Co：0.01％、B：0.0018％、Cu：0.017％、V：0.005％、S：0.001％、P：0.0076％、Fe：64％。
进一步的技术方案是，该不锈钢的各组分的化学组分的重量份为：
Cr：22.5％、Ni：12.5％、Si：0.8％、Mn：1.2％、C：0.12％、N：0.10％、Ce：0.05％、Co：0.01％、B：0.0015％、Cu：0.02％、V：0.017％、S：0.001％、P：0.087％、Fe：62.7％。
上述不锈钢的各组分中Fe为基体元素，Cr、Ni为主体元素，Si、Mn为合金化元素，C、N、Ce为微合金化元素，Co、B、Cu、V、S、P为有害元素。
本发明各元素的作用是：
Fe：合金基体元素。
Cr：主体元素，是不锈钢中最重要的元素，由于铬形成的致密、稳定的Cr2O3保护膜，阻止了介质对金属基体的继续渗入腐蚀形成钝化膜。这是“不锈”的基础，同时也是为不锈钢基体提供强度、耐高温、抗氧化性能的基础。11.7％的铬含量就是构成不锈钢中含铬量的最低界限，而随着腐蚀介质条件的不同，有时钢中的铬含量还要提高，如在氧化性较强的介质中，铬含量要高于16％的钢才会有明显的钝化能力。工业中应用的不锈钢的铬含量一般在12～30％，本发明铬含量为20.5～23.5％。过低的铬含量会导致不锈钢耐蚀、耐热性能的不足，而过高的铬含量一方面会带来合金成本增加，另一方面由于铬是铁素体形成元素，也会导致奥氏体基体组织的不稳定。
Ni：主体元素，最重要的稳定奥氏体元素之一，同时可提高不锈钢的韧塑性、可焊接性、加工性，以及不锈钢的再钝化能力。奥氏体不锈钢在其他奥氏体稳定化元素含量的较低的情况，通常要含有至少8％的镍，本发明的镍含量为10.5～13.5％，过低的镍含量已导致奥氏体基体不稳定，而过高的镍含量会带来合金成本的显著增加。
Si：高放废液在浇注到玻璃固化罐时，温度可能高达1250℃。单纯的铬镍型不锈钢不能抵抗这么高的温度。硅元素能使不锈钢表面形成富硅的氧化物保护膜，提高不锈钢在氧化性介质中的耐腐蚀、抗氧化性能。同时硅作为一种脱氧剂，还可提高不锈钢的脱氧能力，改善其铸造性能。本发明的硅含量为0.5～2.5％，过低的硅含量将使有益作用无法发挥，过高的硅含量会使得钢种σ、χ等脆性相析出的敏感性增加，钢的塑性、韧性下降，耐蚀性降低，同时作为铁素体形成元素，也会不利于基体稳定。
Mn：奥氏体形成元素，形成和稳定奥氏体的能力相当于镍的1/2，对于提高不锈钢的强度、改善加工性能有一定好处。更重要的是，本发明是一种含氮不锈钢，随着不锈钢中锰含量的增加，可显著提高氮在钢中的溶解度，可以取代部分的镍元素，对于降低合金成本有显著作用。另外，锰作为脱氧剂和脱硫剂，对于脱氧和消除硫引起的热脆性也有重要作用。本发明锰含量为0.5～2.0％，过低的锰含量将使有益作用无法发挥，过高的锰含量易导致晶粒粗化，同时对于耐腐蚀、抗氧化也无益处，且还会带来冶炼工艺成本的增加。
C：碳对于不锈钢的显微组织、力学性能、耐腐蚀性能有很大影响作用。碳是一个强奥氏体形成元素，其作用程度大约是镍的30倍，对于稳定奥氏体基体起到了重要作用，另外碳还能明显提高不锈钢的室温强度和高温强度。因此本发明的碳含量为0.05-0.15％。对于单纯的耐蚀不锈钢来说，通常要设计成低碳含量。但碳含量过低，易导致不锈钢强度尤其是高温强度偏低，但含量过高时，由于碳和铬的亲和力很大，极易与不锈钢中的铬结合形成碳-铬化合物，导致晶界贫铬，引起晶间腐蚀和耐蚀性的下降。这也要求本发明中的铬含量不能过低。
N：强奥氏体形成元素，有利于取代部分的镍，降低合金成本，同时还能稳定奥氏体基体。另外氮可以促进钝化膜的铬的富集，提高钢的钝化能力，降低铬在碳中的活性，抑制钢种铬的碳化物的析出，降低晶间腐蚀敏感性。同时还能提高合金的强度。本发明的氮含量为0.05～0.20％，过低的锰含量将使有益作用无法发挥，过高含量会给冶炼带来较大难度，增加工艺成本。
Ce：净化晶界、改善合金的热加工性能、提高合金的高温性能，尤其是抗蠕变能力。本发明的铈含量为0.04～0.08％。由于铈作为一种稀土元素，非常活泼，要实现在冶炼中的精确控制具有极高难度。
S、P：对合金热冷加工不利，同时会恶化合金的韧塑性，应在不明显增加冶炼难度的条件下严格控制。
Co、B、Cu、V：在高放射性环境下易于导致辐照脆化，应在不明显增加冶炼难度的条件下严格控制。
发明的优点及积极效果
本发明所述不锈钢是一种铬镍型奥氏体耐热不锈钢，其具有优良的力学性能和耐高温、耐腐蚀、抗氧化性能，以及良好的热冷加工性能、焊接性能和机加工性能，经申请人实验验证，其室温力学性能为Rm：686～689MPa；Rp0.2：349～361MPa；δ4d：55～65％；HB：191～192。600℃高温拉伸性能：Rm：460～489MPa、Rp0.2：173～184MPa、δ4d：48～55％，性能满足技术指标，可以应用于高放废料处理工业领域，填补了国内空白，对我国核废料处理工程发展具有重要意义，同时还可以推广应用于其他核废处理领域，具有显著的社会效益和经济效益。
具体实施方式
实施例1
高放废料玻璃固化容器用核级奥氏体耐热不锈钢成分按质量百分比为：C：0.09％、Cr：21.5％、Ni：11.5％、Si：2.0％、Mn：0.65％、N：0.14％、Ce：0.04％、Co：0.01％、B：0.0018％、Cu：0.017％、V：0.005％、S：0.001％、P：0.0076％、Fe：64％。
经真空熔炼+电渣重熔双联冶金工艺制得直径为Φ500mm的电渣锭，然后在台车炉内设定温度为1150℃加热保温2h，经锻造得到规格为δ200mm×600mm的锻坯，锻坯经超声探伤、下料、表面精整等工序后，在辊底炉内于1170℃加热保温90min，热轧成δ45×700×Lmm板材，在电阻炉内于1080℃固溶退火保温60min后水冷，再表面精加工、下料成目标规格的板材，经无损检验、性能检测后，制备出高放废料玻璃固化容器用核级奥氏体耐热不锈钢板材成品。
申请人实验验证，采用本实施例得到的核级奥氏体耐热不锈钢的室温力学性能为Rm：689MPa、Rp0.2：349MPa、δ4d：55％，HB：191。600℃高温拉伸性能：Rm：460MPa、Rp0.2：173MPa、δ4d：48％。性能满足设计所需，成功应用于高放废料处理领域。
实施例2
高放废料玻璃固化容器用奥氏体核级耐热不锈钢成分按质量百分比为：C：0.12％、Cr：22.5％、Ni：12.5％、Si：0.8％、Mn：1.2％、N：0.10％、Ce：0.05％、Co：0.01％、B：0.0015％、Cu：0.02％、V：0.017％、S：0.001％、P：0.087％、Fe：62.7％。
经真空熔炼+电渣重熔双联冶金工艺制得直径为Φ600mm的电渣锭，然后在室式炉内设定温度为1170℃加热保温3h，经墩粗拔长锻造成δ200×800mm板坯，再经超声探伤、下料、表面精整等工序后，在辊底炉内1180℃温度下加热保温90min，热轧成δ8×1200×Lmm板材，在台车炉内经1100℃×30min+水冷的固溶退火处理后，进行精整、下料、无损检验、性能检测后制备出高放废料玻璃固化容器用核级奥氏体耐热不锈钢板材成品。
申请人实验验证，采用本实施例得到的核级奥氏体耐热不锈钢的室温力学性能为Rm：686MPa、Rp0.2：361MPa、δ4d：65％，HB：192。600℃高温拉伸性能：Rm：489MPa、Rp0.2：184MPa、δ4d：55％。性能满足技术指标，成功应用于高放废料处理领域。

Claims (4)

1.一种用于高放废料玻璃固化容器的核级不锈钢，其特征在于：该不锈钢各组分的重量分含量为：
Cr：21.5～22.5%、Ni：11.5～12.5%、Si：0.8～2.0%、Mn：0.6～1.2%、C：0.09～0.12%、N：0.10～0.14%、Ce：0.04～0.05%、Co：0.01%、B：0.0015～0.0018%、Cu：0.017～0.020%、V：0.005～0.017%、S： 0.001%、P：0.0076～0.087%、Fe：余量，所述不锈钢满足高放废料技术指标：室温力学性能为Rm：686～689MPa；Rp0.2：349～361MPa；δ4d：55～65%；HB：191～192；600℃高温拉伸性能：Rm：460～489MPa、Rp0.2：173～184MPa、δ4d：48～55%。
2.根据权利要求1所述的不锈钢，其特征在于：该不锈钢的各组分的化学组分的重量份为：
Cr：21.5%、Ni：11.5%、Si：2.0%、Mn：0.65%、C：0.09%、N：0.14%、Ce：0.04%、Co：0.01%、B：0.0018%、Cu：0.017%、V：0.005%、S：0.001%、P：0.0076%、Fe：64%。
3.根据权利要求1所述的不锈钢，其特征在于：该不锈钢的各组分的化学组分的重量份为：
Cr：22.5%、Ni：12.5%、Si：0.8%、Mn：1.2%、C：0.12%、N：0.10%、Ce：0.05%、Co：0.01%、B：0.0015%、Cu：0.02%、V：0.017%、S：0.001%、P：0.087%、Fe：62.7%。
4.根据权利要求1-3任一所述的不锈钢，其特征在于：所述不锈钢中Co、B、Cu、V、S、P为有害元素。
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