CZ20012809A3

CZ20012809A3 - Nerezavějící antimagnetická ocel pro pouľití za velmi nízkých teplot a odolná vůči neutronům, a její uľití

Info

Publication number: CZ20012809A3
Application number: CZ20012809A
Authority: CZ
Inventors: Jasques Fouel
Original assignee: Usinor Industeel
Priority date: 1999-02-02
Filing date: 2000-02-02
Publication date: 2002-07-17
Also published as: EP1155160B1; ES2199764T3; CA2361702A1; AU2302000A; DE60002677D1; CZ298919B6; WO2000046417A1; FR2789090A1; CA2361702C; DE60002677T2; ATE240421T1; FR2789090B1; EP1155160A1

Description

Nerezavějící antimagnetická ocel pro použití za velmi nízkých teplot a odolná vůči neutronům, a její užití

Oblast techniky

Tento vynález se týká nerezavějící antimagnetické austenitické oceli pro použití za nízkých teplot a odolné vůči neutronům, určené zvláště pro výrobu dílů pláště supravodivé cívky, jež vytváří magnetické pole zhušťující plazmu v zařízení pro výrobu termojaderné energie.

S cílem vyrábět energii termojadernou fúzí se uvažuje o vytvoření ochranné obálky, v níž dojde účinkem velmi silného magnetického pole ke zhuštění horké a hutné plazmy vodíkových izotopů. Vlivem tlaku a teploty dojde k fúzi jader vodíkových izotopů, jež vyvolá neutronový tok za uvolnění značného množství energie. Uvolněná energie se může použít pro výrobu elektrické energie.

Plášť supravodivé cívky, o němž se soudí že by se spojoval svářením prvků získaných odléváním, kováním nebo válcováním, bude mít stěny dosahující tloušťky až 300 mm. Tento plášť bude muset mít magnetickou vodivost co nejbližší hodnotě 1 a výhodně nižší než 1,01. Bude též muset mít vynikající mechanické vlastnosti a dobrou mechanickou a fyzikální stabilitu v podmínkách neutronového toku. Navíc, protože magnetická pole budou muset být skutečně silná, předpokládá se, že se budou realizovat pomocí supravodivých elektromagnetů pracujících za velmi nízké teploty, například v blízkosti 4 K. Ochranná stínící obálka si proto bude muset uchovávat své vlastnosti i za takových teplot. Zvláště však bude muset být mez průtažnosti Re0,2 nad 800 MPa a hodnota K1C vyšší než 130 MPa.m'^1/2.

Dosavadní stav techniky

Známé nerezavějící austenitické odlévatelné oceli obsahující 18 % Cr, 10 % až 12 % Ni a 0 % až 2 % Mo uvedeným • · požadavkům neodpovídají. V důsledku segregací, k nimž dochází na litých stěnách značné tloušťky, se tvoří ferrit δ, který zhoršuje magnetické vlastnosti. Kromě toho tyto oceli vykazují značnou náchylnost k tvorbě trhlin za horka, což znesnadňuje sváření.

Mohlo by se uvažovat o použití austenitických slitin s vyšším obsahem niklu jako jsou nerezavějící oceli s obsahem 25 % Ni a 20 % Cr nebo slitin na bázi niklu, které by měly uspokojivé magnetické a mechanické vlastnosti. Nedostatkem těchto slitin však je, že jsou příliš citlivé vůči neutronům. Pro tento typ užití totiž není žádoucí, aby obsah niklu byl příliš vysoký, nemají-li se stát příliš radioaktivními v důsledku neutronového toku.

Neexistuje tedy ocelová slitina umožňující uspokojivým způsobem vyrobit plášť na supravodivou cívku pro zhušťování plazmy v zařízení pro výrobu termojaderné energie.

Podstata vynálezu

Cílem tohoto vynálezu tedy je odstranit tuto potíž a navrhnout nerezavějící ocel vhodnou pro výrobu dílů pláště supravodivé cívky pro zhušťování plazmy v zařízení pro výrobu termojaderné energie. Tato ocel musí být zejména antimagnetická, to znamená mít magnetickou vodivost pod 1,01, zvláště když tvoří stěnu značné tloušťky, mít výborné mechanické vlastnosti a dobrou tažnost za velmi nízkých teplot (zejména při 4 K), být svařitelná a snadno odlévatelná a neobsahovat příliš mnoho niklu.

Předmětem vynálezu proto je nerezavějící austenitická antimagnetická ocel pro použití za nízké teploty a odolná vůči neutronům, jež má v hmotnostních procentech toto složení:

% < Cr < 19 % % < Ni < 15 %

2,5	O, Ό	<	Mo	<	4 %
6	O, 0	<	Mn	<	8 %
0,1	o, Ό	<	N	<	0,3 %
			C	<	0,03 %
			Si	<	1,5 %
případně bór v koncentracích 0,005	O. o	nebo	nižších, přičemž

zbytek představuje železo nebo nečistoty vzniklé zpracováním.

Je výhodné, když je chemické složení:

[ (Cr + 1,4 x Mo + 1,5 x Si - 4,99)/(Ni + 30 x C + 0,5 x Mn + 26 x (N - 0,02) + 2,77] ³ x 12,56 - 7,22 < 0

Je výhodné, když je obsah křemíku vyšší než 0,2 %, obsah uhlíku je vyšší než 0,015 % a obsah nečistot je takový, že: Co < 0,2 %, P < 0,03 %, S < 0,015 %, Al < 0,06 % a Nb < 0,01 %.

Tato ocel má mez průtažnosti Re0,2 vyšší než 800 MPa, hodnotu K1C vyšší než 130 MPa.m~^1/2 a magnetickou vodivost pod 1,01 při teplotě 4 K.

Vynález se též týká použití oceli podle vynálezu pro výrobu konstrukčního dílu zařízení na výrobu termojaderné energie. Tento díl se může získat buď odléváním nebo kováním nebo z válcovaného výrobku a může mít stěnu tloušťky vyšší než 100 mm. Tento díl je například prvek pláště supravodivé cívky zhušťující plazmu určeného pro práci při teplotě nižší než 7 K v podmínkách vyžadujících odolnost k neutronům.

Nyní bude vynález popsán podrobněji a ilustrován příkladem.

Příklady provedeni

Chemické složení oceli v % hmotnostních zahrnuje:

- 17 % až 19 % chrómu pro získání dostatečné antikorozní odolnosti,

- 12 % až 15 % niklu pro získání austenitické antimagnetické

struktury s dobrou tažností za nízké teploty,

- 2,5 % až 4 % molybdenu pro zlepšení odolnosti proti tvorbě trhlin za horka při sváření,

- 6 % až 8 % manganu pro zlepšení odolnosti proti tvorbě trhlin za horka při sváření a pro získání dostatečné rozpustnosti pro dusík,

- 0,1 % až 0,3 % dusíku pro získání dobré pevnosti v tahu a dobré stálosti austenitické struktury při nízké teplotě,

- méně než 0,03 % uhlíku pro získání uspokojivé houževnatosti za nízké teploty a prevenci vysrážení karbidů v pásmu zasaženém žárem při sváření; obsah uhlíku může být libovolně malý pokud se dosáhne meze průtažnosti; z tohoto hlediska je všeobecně žádoucí, aby byl obsah uhlíku vyšší než 0,015 %,

- případně více než 0,2 % křemíku pro zlepšení slévatelnosti kapalné oceli, ale méně než 1,5 % aby nedošlo ke zhoršení magnetických vlastností a houževnatosti,

- případně bór pro usnadnění plastické deformace za horka při kování a válcování, ale méně než 0,005 %, aby nedošlo ke zhoršení svařitelnosti,

- zbytek představuje železo a nečistoty vznikající při zpracování.

Nečistoty jsou zejména:

- kobalt, jehož obsah by měl výhodně být nižší než 0,2 %, aby se omezil vznik radioaktivních isotopů účinkem neutronového toku,

- fosfor, jehož obsah by měl být výhodně nižší než 0,03 %, aby se získala uspokojivá houževnatost a neobjevily se segregace při značných tloušťkách,

-síra, jejíž obsah by měl výhodně zůstat pod 0,015 %, aby se získala uspokojivá houževnatost a neobjevily se segregace při značných tloušťkách,

- niob, jehož obsah by měl výhodně zůstat nižší než 0,015 %, aby nedošlo ke zhoršení svařitelnosti,

- hliník, který při zpracování sloužil jako deoxidant a jehož obsah musí zůstat pod 0,06 %, aby se netvořily sraženiny zhoršující houževnatost za studená.

Má-li se předejít tvorbě feritu δ, musí chemické složení výhodně být:

[(Cr + 1,4 x Mo + 1,5 x Si - 4,99)/(Ni + 30 x C + 0,5 x Mn + 26 x (N - 0,02) + 2,77]³ x 12,56 - 7,22 < 0.

Tato ocel umožňuje získat následující vlastnosti:

Teplota (K)	293	77	4
Rm (MPa)	>515	>1000
Re0,2 (MPa)	>255	>600	>800
A %	>35	>40
KCU (Jouly)		>70
K1C (MPa.m~^1/2)			>130

Pro uvažované užití jsou nezbytné jen vlastnosti při 4 K, zatímco vlastnosti při 293 K a 77 K, jež se snadněji měří, slouží jen k ujištění, že při dobrých podmínkách budou tyto vlastnosti získány i při 4 K.

Z této oceli se vyrobil odlitek hmotnosti 1 t tvaru U se stěnami tloušťky 300 mm. Tento pokusný díl reprezentuje konstrukční díly, o jejichž výrobě pro montáž pláště supravodivé cívky zhušťující plazmu v zařízení na výrobu termojaderné energie se uvažuje. Díl byl odlit bez problémů, to znamená aniž by se objevily závady způsobené například případnou tvorbou trhlin za horka.

Chemické složení oceli v % hmotnostních bylo:

Cr	Ni	Mn	N	C	Mo	Si	P	S	Nb	B
17,5	14	6	0, 18	0,02	3	0,7	0, 02	0, 005	0,005	0,0006

Obsah kobaltu byl téměř nulový.

Díl byl rozřezán a získaly se vzorky, jejichž charakteristiky byly vyhodnoceny při teplotách mezi 293 K (20 °C) a 4 K.

Bylo konstatováno, že si ocel zachovala zcela austenitickou strukturu až do nejméně 4 K a že magnetická vodivost byla v průřezu celé tloušťky a při všech teplotách pod 1,01.

Rovněž se měřily mechanické vlastnosti s výsledkem:

Teplota (K)	293	77	4
Rm (MPa)	528	1020	1100
Re0,2 (MPa)	257	674	859
A %	47	46	-
KCU (Jouly)		177
K1C (MPa.m”^1/2)			156

Tyto, výsledky ukazují spolu se skutečnosti nepříliš vysokého obsahu niklu a nízkého obsahu kobaltu, že ocel podle vynálezu je vhodná pro výrobu dílů a zvláště dílů pro montáž pláště supravodivé cívky pro zhušťováni plazmy v zařízení na výrobu jaderné energie fúzí, přičemž jsou tyto díly určeny pro práci při teplotě nižší než 7 K. Tyto díly mohou mít tloušťku nejméně 300 mm a vážit mezi 20 a 40 tunami.

V širším pohledu se tato ocel může použít pro výrobu dílů určených pro práci za velmi nízkých teplot, jež si musí zachovat dokonalou antimagnetičnost.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Nerezavějící austenitická antimagnetická ocel pro použití za nízké teploty a odolná vůči neutronům, vyznačující se tím, že má v hmotnostních procentech toto chemické složení:

17 o. 'o < Cr < 19 % 12 o. Ό < Ni < 15 % 2,5 O, O < Mo < 4 % 6 O o < Mn < 8 % 0,1 o, o < N < 0,3 C < 0,03 Si < 1,5

- případně bór v koncentracích 0,005 % nebo nižších, přičemž zbytek představuje železo nebo nečistoty vzniklé zpracováním.
2. Ocel podle nároku 1, vyznačující se tím, že:

[ (Cr + 1,4 x Mo + 1,5 x Si - 4,99)/(Ni + 30 x C + 0,5 x Mn + 26 x (N - 0,02) + 2,77]³ x 12,56 - 7,22 < 0
3. Ocel podle nároku 1 nebo 2, vyznačuj ící se t i m, že:

Si > 0,2 %
4. Ocel podle kteréhokoliv z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že:

AI < 0,06

• 99 • 4999 9 4 • 9* 9 9 9 * 9 9 9 ·♦ 9 9 9 9 9 • 9 9 8 • • • 9 9 9 9 « • · · Λ 9·* 94 9 9
5. Ocel podle kteréhokoliv z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že:

S < 0,015 %
6. Ocel podle kteréhokoliv z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že:

P < 0,03 %
7. Ocel podle kteréhokoliv z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že:

Nb <0,01%
8. Použití oceli podle kteréhokoliv z nároků 1 až 7 pro výrobu konstrukčního dílu zařízení pro výrobu termojaderné energie, zejména prvku pro montáž pláště supravodivé cívky zhušťující plazmu.
9. Použití oceli podle nároku 8, vyznačuj ící se t i m, že se tento díl vyrábí odléváním.
10. Použití oceli podle nároku 8 nebo 9, vyznačující se tím, že díl má stěnu tloušťky větší než 100 mm.
11. Díl pro zařízení na výrobu termojaderné energie určený pro práci při teplotě nižší než 7 K při zachování odolnosti vůči neutronům, vyznačující se tím, že jeho materiálem je ocel podle kteréhokoliv z nároků 1 až