JP2015055005A - Austenite stainless steel and radioactive waste liquid treatment equipment using the same - Google Patents

Austenite stainless steel and radioactive waste liquid treatment equipment using the same Download PDF

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Junya Kaneda
潤也 金田
明 吉成
Akira Yoshinari
明 吉成
幸夫 矢野倉
Yukio Yanokura
幸夫 矢野倉
豊田 哲也
Tetsuya Toyoda
哲也 豊田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an austenite stainless steel having excellent corrosion resistance in presence of oxidized acid and radioactive waste liquid treatment equipment using the same.SOLUTION: There is provided an austenite stainless steel having a composition consisting of, by mass%, C: 0.02% or less, Si: 1.0% or less, Mn: 2.0% or less, Ni: 9.0 to 13.0%, Cr: 18.0 to 20.0% and N: 0.1% or less and the balance Fe with inevitable impurities, a ratio of Cr equivalent/Ni equivalent is 1.45 to 1.80 inclusive and the austenite phase is a single crystal structure.

Description

本発明は、オーステナイト系ステンレス鋼及びそれを用いた放射性廃液処理設備機器に関する。   The present invention relates to austenitic stainless steel and radioactive liquid waste treatment equipment using the same.

従来より、原子力発電施設に備えられる、原子炉炉心部材、配管等の各種設備機器や、それらの支持部品、締結部品等の材質としては、SUS304系、SUS316系等のオーステナイト系ステンレス鋼が多用されている。オーステナイト系ステンレス鋼は、良好な機械的性質や加工性を有し、クロムの含有比率が高く、耐食性にも優れた特性を有する材料として知られている。
しかしながら、オーステナイト系ステンレス鋼は、炭素含有量が高い場合に700℃前後の温度領域に加熱・保持されると鋭敏化を起こす可能性があり、その後、ある特定の条件の下で粒界腐食や粒界型応力腐食割れ(Intergranular Stress Corrosion Cracking;IGSCC)を生じ易くなる性質がある。また、長期に亘って放射線照射を受ける環境では、累積照射量の増大にしたがって、照射誘起応力腐食割れ(Irradiation Assisted Stress Corrosion Cracking;IASCC)が誘起されることが知られている。すなわち、オーステナイト系ステンレス鋼は、中性子照射下において、この照射誘起応力腐食割れが誘起され、粒界割れに対する感受性がより増大するという特性を有している。
そこで、原子炉内等の中性子照射下で用い得る鋼材として、腐食の根本要因となる粒界の存在をなくし、粒界腐食や粒界割れ発生のポテンシャルを減じた単結晶の開発が進められている。
Conventionally, austenitic stainless steels such as SUS304 series and SUS316 series have been widely used as materials for various equipment such as nuclear reactor core members and pipes, and supporting parts and fastening parts provided in nuclear power generation facilities. ing. Austenitic stainless steel is known as a material having good mechanical properties and workability, a high chromium content ratio, and excellent corrosion resistance.
However, austenitic stainless steels may cause sensitization when heated and maintained in a temperature range of around 700 ° C. when the carbon content is high, and after that, under certain conditions, intergranular corrosion and Intergranular Stress Corrosion Cracking (IGSCC) is likely to occur. Further, it is known that irradiation induced stress corrosion cracking (IASCC) is induced in an environment where irradiation is performed for a long period of time as the cumulative irradiation amount increases. That is, austenitic stainless steel has the characteristic that under irradiation of neutrons, this irradiation-induced stress corrosion cracking is induced and the sensitivity to grain boundary cracking is further increased.
Therefore, as a steel material that can be used under neutron irradiation in a nuclear reactor or the like, the development of single crystals that eliminate the presence of grain boundaries that are the root cause of corrosion and reduce the potential for occurrence of intergranular corrosion and intergranular cracking has been promoted. Yes.

例えば、特許文献1には、安定な組織を有し、耐食性、耐応力腐食割れ性及び機械的特性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を提供する技術として、C量が0.02%以下で、オーステナイト単相又はフェライト相がオーステナイト母相中に10体積%以下であり、オーステナイトの母相はサブ結晶粒からなり、さらに対応方位関係からのずれが小さく規則度が高い結晶粒界の単結晶からなるオーステナイト系ステンレス鋼が開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses a technique for providing an austenitic stainless steel having a stable structure and excellent in corrosion resistance, stress corrosion cracking resistance and mechanical properties. The single phase or ferrite phase is 10 volume% or less in the austenite matrix, and the austenite matrix consists of sub-crystal grains, and further consists of a single crystal of a grain boundary with a high degree of order with little deviation from the corresponding orientation relationship. An austenitic stainless steel is disclosed.

また、特許文献2には、安定な組織を有し、耐応力腐食割れ性、強度及び照射脆化に優れた単結晶オーステナイト系ステンレス鋼を提供する技術として、オーステナイト系ステンレス単結晶鋼に、溶体化処理により均一化を図った後、再結晶化温度以下の温度範囲で冷間加工または熱間加工を施し、さらに再結晶化温度以下の温度範囲で時効熱処理により析出物を分散せしめるとともに、歪み取り焼鈍された単結晶ステンレス鋼が開示されている。   Patent Document 2 discloses a technique for providing a single crystal austenitic stainless steel having a stable structure and having excellent stress corrosion cracking resistance, strength, and irradiation embrittlement. After homogenization by crystallization treatment, cold working or hot working is performed in the temperature range below the recrystallization temperature, and further, the precipitates are dispersed by aging heat treatment in the temperature range below the recrystallization temperature, Pre-annealed single crystal stainless steel is disclosed.

さらに、特許文献3には、安定な組織を有するとともに靭性及び耐照射応力腐食割れ性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を提供する技術として、重量で、C0.1%以下、Si1%以下、Mn2%以下、Ni9〜15%、Cr10〜18.5%及びMo1〜3%を含み、Feが65.433%以上であるオーステナイト鋼において、当該鋼は全オーステナイト相を有し、当該オーステナイト相が単結晶であることを特徴とする耐応力腐食割れ性に優れたオーステナイト鋼や、重量で、C0.1%以下、Si1%以下、Mn2%以下、Ni9〜15%、Cr10〜18.5%及びTi1%以下又はNb1.5%以下を含み、Feが65.433%以上であるオーステナイト鋼において、当該鋼は単結晶の全オーステナイト相からなることを特徴とする耐応力腐食割れ性に優れたオーステナイト鋼が記載されている。   Further, in Patent Document 3, as a technique for providing an austenitic stainless steel having a stable structure and excellent toughness and irradiation stress corrosion cracking resistance, C0.1% or less, Si1% or less, Mn2% by weight Hereinafter, in an austenitic steel containing Ni 9 to 15%, Cr 10 to 18.5% and Mo 1 to 3% and Fe being 65.433% or more, the steel has a total austenite phase, and the austenite phase is a single crystal. Austenitic steel with excellent stress corrosion cracking resistance, characterized by being C0.1% or less, Si1% or less, Mn2% or less, Ni9 to 15%, Cr10 to 18.5% and Ti1% by weight Or an austenitic steel containing not more than 1.5% Nb and Fe not less than 65.433%, the steel should be composed of a single crystal all austenitic phase. Excellent in stress corrosion cracking resistance austenitic steel, characterized is described.

特開平11−080905号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-080905 特開平10−204586号公報JP-A-10-204586 特許第2574917号公報Japanese Patent No. 2557417

原子力発電で使用された使用済み燃料の回収と再燃料化等を行う原子燃料再処理施設においては、使用済み燃料に含まれている再利用可能なウラン(U)やプルトニウム(Pu)を、分離及び回収し、ウラン燃料やMOX(Mixed Oxide)燃料の原料を生産する。再処理では、せん断された使用済み燃料は、硝酸に溶解された後、溶媒抽出によって、ウラン、プルトニウム、核分裂生成物等に分離される。そして、分離されたウランやプルトニウムは、濃縮、脱硝処理、加熱処理等の工程を経て、ウラン燃料やMOX燃料の原料である酸化物粉末の形態に変換され、核分裂生成物や超ウラン元素等を含む放射性廃液は、濃縮・減容された後、ガラス固化されて、高レベル放射性廃棄物として処分される。   At nuclear fuel reprocessing facilities that collect and refuel spent fuel used in nuclear power generation, reusable uranium (U) and plutonium (Pu) contained in spent fuel are separated. And recover and produce raw materials for uranium fuel and MOX (Mixed Oxide) fuel. In reprocessing, the sheared spent fuel is dissolved in nitric acid and then separated into uranium, plutonium, fission products, etc. by solvent extraction. The separated uranium and plutonium are converted into the form of oxide powder, which is the raw material of uranium fuel and MOX fuel, through steps such as concentration, denitration treatment, and heat treatment, and fission products, transuranium elements, etc. are converted. The contained radioactive liquid waste is concentrated and volume-reduced, then vitrified and disposed of as high-level radioactive waste.

このように、再処理の過程では、酸化性酸である硝酸を取り扱う工程が多く存在する。特に、溶媒抽出工程において発生する廃液は、硝酸と共に、核分裂反応生成物や超ウラン元素といった化学種を含有し、それらの中には腐食を促進するものも含まれているため、高い腐食性を示すことが知られている。このような放射性廃液に、設備機器の主要材料であるステンレス鋼が晒されると腐食が促進され、過不動態域にまで及ぶような環境では粒界侵食を伴う腐食が支配的になってくる。そのため、高腐食環境でステンレス鋼を使用する場合は、脱粒を伴うような腐食減肉やメタルフローに沿って腐食が進展するいわゆるトンネル腐食の発生を考慮する必要がある。   Thus, in the process of reprocessing, there are many processes for handling nitric acid, which is an oxidizing acid. In particular, the waste liquid generated in the solvent extraction process contains chemical species such as fission reaction products and transuranium elements together with nitric acid, and some of them also promote corrosion. It is known to show. When stainless steel, which is the main material of equipment, is exposed to such radioactive liquid waste, corrosion is accelerated, and corrosion involving grain boundary erosion becomes dominant in an environment that extends to a hyperpassive zone. For this reason, when using stainless steel in a highly corrosive environment, it is necessary to consider the occurrence of so-called tunnel corrosion in which corrosion progresses along the metal flow and metal thinning that accompanies degranulation.

特許文献1に記載されるオーステナイト系ステンレス鋼単結晶によれば、原子燃料再処理施設のような酸化性環境下で使用する部材が提供されるとされている。しかしながら、特許文献1に開示されるオーステナイト系ステンレス鋼単結晶(表1のNo.1及びNo.2参照)は、溶接性を低下させる窒素の含有率が高いため、設備機器の材料としての適用範囲は限定的である。
他方、特許文献2に開示されるステンレス鋼は、オーステナイト相を安定化させるNiを高い比率で含有すると共に、その多くは、Moを含有するSUS316系のステンレス鋼である(表1のNo.S2〜S8参照)。また、特許文献3に開示されるオーステナイト系ステンレス鋼は、Mo又はNbを含有している(第1表のNo.3〜No.13参照)。しかしながら、Niの含有率が高い場合には、ピット状の全面腐食が発生し易くなったり、MoやNbの含有率が高い場合には、粒界腐食が促進されたりするおそれがある。
そこで、これら元素の含有率が低減された組成でありながら、高濃度の酸化性酸の存在が想定され粒界侵食が支配的となるような環境においても優れた耐食性を示す単結晶組織のステンレス鋼が求められている。
したがって、本発明の課題は、酸化性酸の存在下において優れた耐食性を有するオーステナイト系ステンレス鋼及びそれを用いた放射性廃液処理設備機器を提供することにある。
According to the austenitic stainless steel single crystal described in Patent Document 1, a member to be used in an oxidizing environment such as a nuclear fuel reprocessing facility is provided. However, since the austenitic stainless steel single crystal disclosed in Patent Document 1 (see No. 1 and No. 2 in Table 1) has a high nitrogen content that reduces weldability, it is applied as a material for equipment. The range is limited.
On the other hand, the stainless steel disclosed in Patent Document 2 contains a high proportion of Ni that stabilizes the austenite phase, and many of them are SUS316 stainless steel containing Mo (No. S2 in Table 1). To S8). Moreover, the austenitic stainless steel disclosed in Patent Document 3 contains Mo or Nb (see No. 3 to No. 13 in Table 1). However, when the Ni content is high, pit-like overall corrosion tends to occur, and when the Mo and Nb content is high, intergranular corrosion may be promoted.
Therefore, a stainless steel with a single crystal structure that has excellent corrosion resistance even in an environment in which the presence of a high concentration of an oxidizing acid is assumed and grain boundary erosion is dominant, even though the composition of these elements is reduced. Steel is sought.
Accordingly, an object of the present invention is to provide an austenitic stainless steel having excellent corrosion resistance in the presence of an oxidizing acid and a radioactive liquid waste treatment facility device using the same.

前記課題を解決するために本発明に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、質量%で、C:0.02%以下、Si:1.0%以下、Mn:2.0%以下、Ni:9.0〜13.0%、Cr:18.0〜20.0%、N:0.1%以下、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有し、Cr当量/Ni当量比が1.45以上1.80以下であり、オーステナイト相が単結晶組織であることを特徴とする。   In order to solve the above problems, the austenitic stainless steel according to the present invention is, in mass%, C: 0.02% or less, Si: 1.0% or less, Mn: 2.0% or less, Ni: 9.0. ~ 13.0%, Cr: 18.0 to 20.0%, N: 0.1% or less, the balance is composed of Fe and inevitable impurities, and Cr equivalent / Ni equivalent ratio is 1.45 or more 1.80 or less, and the austenite phase has a single crystal structure.

また、本発明に係る放射性廃液処理設備機器は、前記オーステナイト系ステンレス鋼を用いたことを特徴とする。   Moreover, the radioactive waste liquid treatment equipment according to the present invention uses the austenitic stainless steel.

本発明によれば、酸化性酸の存在下において優れた耐食性を有するオーステナイト系ステンレス鋼及びそれを用いた放射性廃液処理設備機器を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the austenitic stainless steel which has the outstanding corrosion resistance in presence of an oxidizing acid, and a radioactive waste liquid processing equipment apparatus using the same can be provided.

単結晶製造装置の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of a single crystal manufacturing apparatus. 放射性廃液処理設備機器の一例を表す模式図である。(a)は放射性廃液を内包し濃縮・減容する装置の部分断面図、(b)は(a)におけるA領域の部分拡大断面図である。It is a schematic diagram showing an example of radioactive waste liquid processing equipment. (A) is the fragmentary sectional view of the apparatus which encloses radioactive waste liquid, concentrates and reduces volume, (b) is the elements on larger scale of the A area | region in (a). 実施例に係るオーステナイト系ステンレス鋼の腐食度を表す図である。It is a figure showing the corrosion degree of the austenitic stainless steel which concerns on an Example.

以下に本発明の一実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼及びそれを用いた放射性廃液処理設備機器について詳細に説明する。   The austenitic stainless steel according to an embodiment of the present invention and radioactive waste liquid treatment equipment using the same will be described in detail below.

本実施形態に係るステンレス鋼は、少なくとも、鉄(Fe)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)を含有してなるFe−Cr−Ni系のオーステナイト系ステンレス鋼であり、主相がオーステナイトの単結晶組織からなる結晶構造を有している。
一般に、オーステナイト系ステンレス鋼は、耐食性、加工性、溶接性等に優れた特性を有する鋼種として知られ、各種プラント設備から産業機器に至る種々の用途に用いられている。本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、これらの特性に加え、特に、酸化性酸に曝露されることにより発生する腐食に対しても耐食性を有し、腐食減肉やトンネル腐食の発生が低減された特殊鋼である。
以下、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼の元素組成について説明する。
The stainless steel according to the present embodiment is an Fe—Cr—Ni austenitic stainless steel containing at least iron (Fe), chromium (Cr), and nickel (Ni), and the main phase is a single austenite. It has a crystal structure consisting of a crystal structure.
In general, austenitic stainless steel is known as a steel type having excellent properties such as corrosion resistance, workability, and weldability, and is used in various applications ranging from various plant facilities to industrial equipment. In addition to these properties, the austenitic stainless steel according to the present embodiment has corrosion resistance especially against corrosion caused by exposure to an oxidizing acid, and the occurrence of corrosion thinning and tunnel corrosion is reduced. Special steel.
Hereinafter, the elemental composition of the austenitic stainless steel according to the present embodiment will be described.

クロム(Cr)は、主に、ステンレス鋼に不動態皮膜を形成し、耐食性の向上に寄与すると共に、強度や耐熱性等の向上に寄与する成分である。Crは、フェライト相の形成元素であるため、Crの含有率が過度に高いと、フェライト相が析出し易くなり、単結晶組織であるオーステナイト相が得難くなる。
よって、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼においては、Crの含有率は、18.0質量%以上20.0質量%以下の範囲、好ましくは18.0質量%以上19.5質量%以下の範囲とする。
Chromium (Cr) is a component that mainly forms a passive film on stainless steel and contributes to an improvement in corrosion resistance, as well as an improvement in strength and heat resistance. Since Cr is an element forming a ferrite phase, if the Cr content is excessively high, the ferrite phase is likely to precipitate, and it becomes difficult to obtain an austenite phase that is a single crystal structure.
Therefore, in the austenitic stainless steel according to the present embodiment, the Cr content is in the range of 18.0% by mass to 20.0% by mass, preferably 18.0% by mass to 19.5% by mass. Range.

ニッケル(Ni)は、主に、靭性、強度や耐熱性の向上に寄与する成分である。また、オーステナイト相の形成元素であるため、単結晶組織であるオーステナイト相の安定形成に資する成分である。また、非酸化性酸による活性態領域における腐食に対して耐性を向上させる作用を有している。但し、Niの含有率が過度に高いと、オーステナイト系ステンレス鋼の表面にピット状の腐食が生じ易くなる。また、ステンレス鋼材の原料費が高価となる傾向がある。
よって、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼においては、Niの含有率は、9.0質量%以上13.0質量%以下の範囲、好ましくは9.0質量%以上11.0質量%以下の範囲とする。
Nickel (Ni) is a component that mainly contributes to improvements in toughness, strength and heat resistance. Further, since it is an austenite phase forming element, it is a component that contributes to the stable formation of the austenite phase, which is a single crystal structure. Moreover, it has the effect | action which improves tolerance with respect to the corrosion in the active region by a non-oxidizing acid. However, if the Ni content is excessively high, pit-like corrosion tends to occur on the surface of the austenitic stainless steel. Moreover, the raw material cost of stainless steel tends to be expensive.
Therefore, in the austenitic stainless steel according to the present embodiment, the Ni content is in the range of 9.0% by mass to 13.0% by mass, preferably 9.0% by mass to 11.0% by mass. Range.

マンガン(Mn)は、主に、脱酸剤又は脱硫剤として添加される他、機械的特性や加工性や靭性の向上に寄与する成分である。また、オーステナイト相の形成元素であるため、単結晶組織であるオーステナイト相の安定形成に資する成分である。また、Niと比較してステンレス鋼材の原料費を安価にできる傾向がある。但し、耐食性の観点では、有利ではないため、本実施形態に係るステンレス鋼においては、Mnは、添加された脱酸剤又は脱硫剤に由来する含有率に抑えることが好ましい。
よって、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼においては、Mnの含有比率は、2.0質量%以下の範囲、好ましくは0.5質量%以上1.5質量%以下の範囲とする。
Manganese (Mn) is a component that contributes mainly to the improvement of mechanical properties, workability, and toughness, in addition to being added as a deoxidizer or desulfurizer. Further, since it is an austenite phase forming element, it is a component that contributes to the stable formation of the austenite phase, which is a single crystal structure. Moreover, there is a tendency that the raw material cost of the stainless steel material can be reduced compared with Ni. However, since it is not advantageous from the viewpoint of corrosion resistance, in the stainless steel according to the present embodiment, Mn is preferably suppressed to a content rate derived from the added deoxidizer or desulfurizer.
Therefore, in the austenitic stainless steel according to the present embodiment, the content ratio of Mn is 2.0 mass% or less, preferably 0.5 mass% or more and 1.5 mass% or less.

炭素(C)は、クロム炭化物の形成により耐食性の低下を招く他、加工性や溶接性を低下させる成分である。
よって、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼においては、Cの含有率は、0.02質量%以下の範囲とする。但し、Cは、低含有率の範囲では、強度の向上に寄与するため、Cの含有率は、0.002質量%以上0.02質量%以下の範囲としてもよい。なお、炭化物の形成は、Ti、Nb又はTa等の炭化物を安定形成し得る元素を添加することにより低減することができる。
Carbon (C) is a component that lowers the workability and weldability in addition to causing a decrease in corrosion resistance due to the formation of chromium carbide.
Therefore, in the austenitic stainless steel according to the present embodiment, the C content is set to a range of 0.02% by mass or less. However, since C contributes to improvement in strength in the range of low content, the content of C may be in the range of 0.002% by mass to 0.02% by mass. The formation of carbide can be reduced by adding an element capable of stably forming a carbide such as Ti, Nb or Ta.

珪素(Si)は、主に、脱酸剤として添加される他、耐熱性の向上に寄与する成分である。また、硝酸等の酸化性酸による過不動態域における腐食に対して耐性を付与する効果や、溶接時の湯流れを改善する効果がある。但し、Siは、フェライト相の形成元素であるため、Siの含有率が過度に高いと、フェライト相が析出し易くなり、単結晶組織であるオーステナイト相が得難くなる。したがって、本実施形態に係るステンレス鋼においては、Siは、添加された脱酸剤に由来する含有率に抑えることが好ましい。
よって、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼においては、Siの含有率は、1.0質量%以下の範囲、好ましくは0.2質量%以上0.8質量%以下の範囲とする。
Silicon (Si) is a component that contributes to the improvement of heat resistance in addition to being added as a deoxidizer. Moreover, there exists an effect which provides tolerance with respect to the corrosion in the superpassive region by oxidizing acids, such as nitric acid, and the effect which improves the hot water flow at the time of welding. However, since Si is a ferrite phase-forming element, if the Si content is excessively high, the ferrite phase is likely to precipitate, making it difficult to obtain an austenite phase that is a single crystal structure. Therefore, in the stainless steel according to the present embodiment, Si is preferably suppressed to a content rate derived from the added deoxidizer.
Therefore, in the austenitic stainless steel according to the present embodiment, the Si content is in the range of 1.0 mass% or less, preferably in the range of 0.2 mass% or more and 0.8 mass% or less.

窒素(N)は、クロム窒化物の形成により耐食性の低下を招く他、加工性や溶接性を低下させる成分である。
よって、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼においては、Nの含有率は、0.1質量%以下の範囲、好ましくは0.05質量%以下の範囲とする。このように、Nの含有率を0.1質量%以下の範囲とすることによって、溶接性が良好なオーステナイト系ステンレス鋼とすることができ、放射性廃液処理設備機器における適用範囲が拡大する。特に、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、単結晶として形成する大きさに限りがあるため、放射性廃液処理設備機器における小型部材としての利用が想定される。このような部材間の溶接が高頻度で要求される用途においても、溶接性が良好であるため、放射性廃液処理設備機器の局所の耐食性を向上させることができる。但し、Nは、低含有率の範囲では、孔食に対する耐性の向上に寄与するため、積極的な添加が妨げられるものではなく、0.001質量%以上0.1質量%以下の範囲としてもよい。
Nitrogen (N) is a component that lowers the workability and weldability in addition to causing a decrease in corrosion resistance due to the formation of chromium nitride.
Therefore, in the austenitic stainless steel according to the present embodiment, the N content is in the range of 0.1% by mass or less, and preferably in the range of 0.05% by mass or less. Thus, by making the content rate of N into the range of 0.1 mass% or less, it can be set as the austenitic stainless steel with favorable weldability, and the application range in radioactive waste liquid processing equipment is expanded. In particular, since the austenitic stainless steel according to the present embodiment is limited in size to be formed as a single crystal, it is expected to be used as a small member in radioactive waste liquid treatment equipment. Even in applications where welding between such members is required at a high frequency, since the weldability is good, the local corrosion resistance of the radioactive liquid waste treatment equipment can be improved. However, since N contributes to improvement of resistance to pitting corrosion in the range of a low content rate, it does not hinder aggressive addition, and may be in a range of 0.001% by mass to 0.1% by mass. Good.

モリブデン(Mo)は、一般には、非酸化性酸による活性態領域における腐食に対して耐性を向上させる作用を有し、高温下における強度の向上に寄与する成分である。しかしながら、酸化性酸による過不動態域における腐食に対する耐食性の低下を招く成分である。そのため、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼においては、Moは、不可避的に混入し得る不純物として含有が制限され、積極的な添加は行わないものとする。
よって、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼においては、Moの含有率は、好ましくは0.2質量%以下の範囲、より好ましくは0.1質量%以下の範囲とする。
Molybdenum (Mo) generally has a function of improving resistance to corrosion in an active region caused by a non-oxidizing acid, and is a component that contributes to improvement of strength at high temperatures. However, it is a component that causes a decrease in corrosion resistance against corrosion in a perpassive region due to an oxidizing acid. For this reason, in the austenitic stainless steel according to the present embodiment, the content of Mo is restricted as an impurity that can be inevitably mixed, and no positive addition is performed.
Therefore, in the austenitic stainless steel according to the present embodiment, the Mo content is preferably in the range of 0.2% by mass or less, more preferably in the range of 0.1% by mass or less.

ニオブ(Nb)は、一般には、靭性の向上に寄与し、炭化物や窒化物を安定形成して耐食性を向上させる作用を有する成分である。しかしながら、酸化性酸による過不動態域における腐食に対する耐食性の低下を招く成分である。そのため、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼においては、Nbは、不可避的に混入し得る不純物として含有が制限され、積極的な添加は行わないものとする。
よって、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼においては、Nbの含有率は、好ましくは0.1質量%以下の範囲、より好ましくは0.05質量%以下の範囲とする。
Niobium (Nb) is a component that generally contributes to the improvement of toughness and has the effect of improving the corrosion resistance by stably forming carbides and nitrides. However, it is a component that causes a decrease in corrosion resistance against corrosion in a perpassive region due to an oxidizing acid. For this reason, in the austenitic stainless steel according to the present embodiment, the content of Nb is restricted as an impurity that can inevitably be mixed, and positive addition is not performed.
Therefore, in the austenitic stainless steel according to the present embodiment, the Nb content is preferably in the range of 0.1% by mass or less, more preferably in the range of 0.05% by mass or less.

リン(P)は、ステンレス鋼の原料のフェロクロム等から不可避的に混入する不純物であり、主に、腐食の要因となる成分である。
よって、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼においては、Pの含有率は、好ましくは0.015質量%以下の範囲とする。但し、Pは、溶接時の湯流れを改善する効果を有するため、積極的な添加が妨げられるものではない。
Phosphorus (P) is an impurity inevitably mixed from ferrochrome or the like, which is a raw material for stainless steel, and is a component that mainly causes corrosion.
Therefore, in the austenitic stainless steel according to this embodiment, the P content is preferably in the range of 0.015% by mass or less. However, since P has the effect of improving the hot water flow during welding, it does not hinder aggressive addition.

硫黄(S)は、ステンレス鋼の原料のフェロニッケル等から不可避的に混入する不純物であり、鉄と化合して硫化鉄を生成し、主に、割れや腐食の要因となる成分である。
よって、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼においては、Sの含有率は、好ましくは0.015質量%以下の範囲とする。但し、Sは、溶接時における溶込み深さを増大させる効果を有するため、積極的な添加が妨げられるものではない。
Sulfur (S) is an impurity inevitably mixed from ferronickel or the like, which is a raw material for stainless steel, and is a component that combines with iron to produce iron sulfide, which mainly causes cracking and corrosion.
Therefore, in the austenitic stainless steel according to the present embodiment, the S content is preferably in the range of 0.015% by mass or less. However, since S has the effect of increasing the penetration depth during welding, positive addition is not hindered.

本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、前記の含有率で表わされる元素組成を有し、この元素組成の残部が、主に、鉄(Fe)からなる。なお、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、製造に使用した原料又は製造工程中において使用した機器若しくは副原料に起因する他の不可避的不純物を微量含有することが許容される。他の不純物としては、前記のMo、Nb、P、Sの他、Na、K、Mg、Ca、Sr、Ba等のアルカリ金属又はアルカリ土類金属や、Ti、V、Co、Cu、Zn、Zr、Ag、Cd、W、Ce、Nd等の金属や、B、Al、Ga、Sn、As、Sb、Te、Cl、Br、O、Ar等の他の典型元素が例示されるが、その元素種は一般的に低濃度で存在するため特に制限を設けるほどのものではない。本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼においては、不可避的不純物の含有率は、0.5重量%以下とする。   The austenitic stainless steel according to the present embodiment has an elemental composition represented by the above-described content, and the remainder of the elemental composition is mainly composed of iron (Fe). Note that the austenitic stainless steel according to the present embodiment is allowed to contain a trace amount of other inevitable impurities resulting from the raw materials used in the production, equipment used in the production process, or auxiliary materials. As other impurities, in addition to the aforementioned Mo, Nb, P, S, alkali metals or alkaline earth metals such as Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba, Ti, V, Co, Cu, Zn, Examples include metals such as Zr, Ag, Cd, W, Ce, and Nd, and other typical elements such as B, Al, Ga, Sn, As, Sb, Te, Cl, Br, O, and Ar. Elemental species are generally present at low concentrations and are not particularly limited. In the austenitic stainless steel according to the present embodiment, the content of inevitable impurities is 0.5% by weight or less.

本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、主相であるオーステナイト相が実質的には単結晶組織からなり、常温において、単結晶のオーステナイト相の単相、又は、単結晶のオーステナイト相を含む複相の金属組織を有している。主相のオーステナイト相の単結晶組織は、前記の元素組成及び元素の含有率を制御することによって実現され、主相のオーステナイト相内に結晶粒界が存在しなくなることによって、粒界腐食の発生が低減される。そのため、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、高濃度の酸化性酸の存在が想定され粒界腐食が支配的となるような環境においても優れた耐食性を示すものとなる。
一般に、オーステナイト系ステンレス鋼では、その元素組成によっては、オーステナイト相を母相としてフェライト相が析出することがある。しかしながら、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼では、オーステナイト相が単結晶組織として安定形成される元素組成とされているため、フェライト相は、析出したとしても、母相のオーステナイト相中に分散して点在する島状の分布となる。そのため、オーステナイト相とフェライト相との相境界は、短線分且つ不連続的な形状となって、相境界を起点とする腐食や割れは、連続的には進展し難くなり、腐食溶出が抑制される。
In the austenitic stainless steel according to the present embodiment, the austenite phase as a main phase is substantially composed of a single crystal structure, and at room temperature, a single phase of a single crystal austenite phase or a compound containing a single crystal austenite phase. It has a phase metallographic structure. The single crystal structure of the austenite phase of the main phase is realized by controlling the elemental composition and the content of the elements described above, and the occurrence of intergranular corrosion is caused by the absence of grain boundaries in the austenite phase of the main phase. Is reduced. Therefore, the austenitic stainless steel according to the present embodiment exhibits excellent corrosion resistance even in an environment in which the presence of a high concentration of oxidizing acid is assumed and intergranular corrosion is dominant.
In general, in an austenitic stainless steel, depending on the elemental composition, a ferrite phase may be precipitated with the austenite phase as a parent phase. However, in the austenitic stainless steel according to the present embodiment, since the austenite phase has an elemental composition that is stably formed as a single crystal structure, the ferrite phase is dispersed in the austenite phase of the parent phase even if precipitated. The island-like distribution is scattered. Therefore, the phase boundary between the austenite phase and the ferrite phase has a short line segment and a discontinuous shape, and corrosion and cracks starting from the phase boundary are difficult to continuously progress, and corrosion elution is suppressed. The

本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼において、析出するフェライト相の断面面積率は、10%以下、好ましくは3%以下とする。本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼の元素組成では、鋳鋼材におけるフェライト相の断面面積率は、通常10%以下となる。この断面面積率は、固溶化処理を行うことによって、析出相を固溶化させることで、さらに低下させることができる。固溶化処理は、鋳鋼材を1050〜1150℃程度の温度範囲まで加熱して所定時間保持した後、急冷することにより行えばよい。
このように析出するフェライト相の断面面積率を10%以下とすることによって、腐食溶出が生じ易いフェライト相の影響を抑制することができる。
なお、フェライト相の断面面積率は、点算法を用いて計測される、ステンレス鋼の全断面積に対する面積比率であり、JIS G 0555 附属書1の方法に準じて求められる値である。
In the austenitic stainless steel according to the present embodiment, the cross-sectional area ratio of the precipitated ferrite phase is 10% or less, preferably 3% or less. In the elemental composition of the austenitic stainless steel according to the present embodiment, the cross-sectional area ratio of the ferrite phase in the cast steel is usually 10% or less. This cross-sectional area ratio can be further reduced by solidifying the precipitated phase by performing a solid solution treatment. The solution treatment may be performed by heating the cast steel material to a temperature range of about 1050 to 1150 ° C. and holding it for a predetermined time, followed by rapid cooling.
By setting the cross-sectional area ratio of the precipitated ferrite phase to 10% or less in this way, it is possible to suppress the influence of the ferrite phase that is likely to cause corrosion elution.
In addition, the cross-sectional area ratio of a ferrite phase is an area ratio with respect to the total cross-sectional area of stainless steel measured using a point calculation method, and is a value calculated | required according to the method of JIS G 0555 annex 1.

本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼においては、主相であるオーステナイト相の単結晶組織を安定的に形成するために、特に、Cr等のフェライト形成元素とNi等のオーステナイト形成元素の比率が所定範囲内に制限された元素組成とする。具体的には、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼において、Cr当量/Ni当量比は、1.45以上1.80以下、好ましくは1.55以上1.80以下の範囲とする。
Cr当量/Ni当量比が1.80を超えると、オーステナイト形成元素が充分な比率で確保されないことになるため、単結晶組織からなるオーステナイト相を形成することが困難となる。また、Cr当量/Ni当量比が1.45未満であると、一般的な濃度範囲にあるNiに対するCrの比率が過度に小さくなるため、不動態皮膜の形成が損なわれ、耐食性が劣化するおそれがある。したがって、Cr当量/Ni当量比が1.45以上1.80以下の範囲とすることによって、オーステナイト相が単結晶組織からなり、且つ不動態皮膜の作用による耐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼とすることができる。
In the austenitic stainless steel according to the present embodiment, in order to stably form the single crystal structure of the austenite phase that is the main phase, in particular, the ratio of the ferrite forming element such as Cr and the austenite forming element such as Ni is predetermined. The element composition is limited within the range. Specifically, in the austenitic stainless steel according to this embodiment, the Cr equivalent / Ni equivalent ratio is 1.45 or more and 1.80 or less, preferably 1.55 or more and 1.80 or less.
When the Cr equivalent / Ni equivalent ratio exceeds 1.80, an austenite-forming element is not secured at a sufficient ratio, so that it becomes difficult to form an austenite phase composed of a single crystal structure. Further, if the Cr equivalent / Ni equivalent ratio is less than 1.45, the ratio of Cr to Ni in the general concentration range becomes excessively small, so that the formation of a passive film is impaired, and the corrosion resistance may be deteriorated. There is. Therefore, by setting the Cr equivalent / Ni equivalent ratio in the range of 1.45 or more and 1.80 or less, the austenitic phase has a single crystal structure, and an austenitic stainless steel having excellent corrosion resistance due to the action of the passive film is obtained. be able to.

なお、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、主にFe、Cr及びNiにより組成され、C、Si、Mo、Nb、N、Mn等の含有率が制限されているため、Fe、Cr及びNiを除く元素の含有率は比較的小さい値となる。そこで、前記のCr当量/Ni当量比の具体的な数値としては、Cr当量としてCrのみの含有率(濃度)、Ni当量としてNiのみの含有率(濃度)を用いて算出される数値を採用している。しかしながら、各元素の含有率の条件が満たされている場合には、前記のCr当量/Ni当量比の具体的な数値は、他の方法により推定されるCr当量及びNi当量から算出される比の値に変換することが許容される。
他の方法としては、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼における合金組織の状態を化学組成に基づいて予測するシェフラ(Schaeffler)の組織図、窒素の組成が考慮されたディロン(DeLong)の組織図等を用いる方法がある。シェフラの組織図では、Cr以外のフェライト形成元素と、Ni以外のオーステナイト形成元素のそれぞれが考慮されて、Cr当量(%)及びNi当量(%)は、
Cr当量=%Cr+%Mo+1.5%Si+0.5×%Nb・・・(数式1)
Ni当量=%Ni+30×%C+30×%N+0.5×%Mn・・・(数式2)、
の各式にしたがって与えられる。よって、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼のCr当量/Ni当量比をこのような方法で算出される値に変換することができ、例えば、シェフラの組織図における数値に換算すると、好ましいCr当量/Ni当量比の範囲は、約1.41〜約1.75程度となる。
The austenitic stainless steel according to the present embodiment is mainly composed of Fe, Cr, and Ni, and the content ratios of C, Si, Mo, Nb, N, Mn, and the like are limited. Therefore, Fe, Cr, and The content of elements other than Ni is a relatively small value. Therefore, as the specific numerical value of the Cr equivalent / Ni equivalent ratio, a numerical value calculated using the content rate (concentration) of only Cr as the Cr equivalent and the content rate (concentration) of only Ni as the Ni equivalent is adopted. doing. However, when the conditions for the content of each element are satisfied, the specific value of the Cr equivalent / Ni equivalent ratio is a ratio calculated from the Cr equivalent and Ni equivalent estimated by other methods. Conversion to the value of is allowed.
Other methods include, for example, Schaeffler's structure chart that predicts the state of alloy structure in austenitic stainless steel based on chemical composition, and DeLong's structure chart that considers nitrogen composition. There is a way. In the Schaeffler structure chart, each of ferrite forming elements other than Cr and austenite forming elements other than Ni is considered, and Cr equivalent (%) and Ni equivalent (%) are
Cr equivalent =% Cr +% Mo + 1.5% Si + 0.5 ×% Nb (Formula 1)
Ni equivalent =% Ni + 30 ×% C + 30 ×% N + 0.5 ×% Mn (Formula 2)
It is given according to each equation. Therefore, the Cr equivalent / Ni equivalent ratio of the austenitic stainless steel according to the present embodiment can be converted into a value calculated by such a method. For example, when converted into a numerical value in the Schaeffler structure chart, a preferable Cr equivalent The range of the / Ni equivalent ratio is about 1.41 to about 1.75.

本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法としては、ブリッジマン法、タンマン法、チョクラルスキー法、浮遊帯域溶融法等の一般的な方位制御鋳造法を用いることができるが、種結晶の選択を行うセレクタを併用した単結晶鋳造法が好ましい方法である。   As a manufacturing method of the austenitic stainless steel according to the present embodiment, a general orientation control casting method such as a Bridgeman method, a Tamman method, a Czochralski method, a floating zone melting method, etc. can be used. A single crystal casting method using a selector for selecting is a preferable method.

図1は、単結晶製造装置の一例を示す概略断面図である。
単結晶製造装置10は、溶湯を垂直下方向に引き下げることにより、ステンレス鋼の凝固を垂直方向に方向制御してステンレス鋼単結晶を鋳造する装置であり、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼の製造に好適である。
この単結晶製造装置10は、図1に示すように、主に、鋳型3、セレクタ5及びスタータ6を備える本体4と、水冷チル9と、鋳型加熱炉8と、から構成されている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a single crystal manufacturing apparatus.
The single crystal manufacturing apparatus 10 is an apparatus that casts a stainless steel single crystal by vertically controlling the solidification of the stainless steel by pulling down the molten metal in the vertically downward direction. The single crystal manufacturing apparatus 10 is an austenitic stainless steel according to this embodiment. Suitable for manufacturing.
As shown in FIG. 1, the single crystal manufacturing apparatus 10 mainly includes a main body 4 including a mold 3, a selector 5, and a starter 6, a water-cooled chill 9, and a mold heating furnace 8.

本体4の上部に備えられる鋳型3には、鋳造されるオーステナイト系ステンレス鋼の形状に応じた略円柱形状の型が内部に形成され、その下方に備えられるセレクタ5には、鋳型3とスタータ6とを連通し、つづら折れ状に複数回屈曲した型が内部に形成されている。また、本体4の最下部に備えられるスタータ6には、種結晶を成長させる空間が内部に形成されている。
水冷チル9は、本体4を載置する天板部を有し、天板部と熱交換する水が循環する冷媒流路を内部に有しており、昇降自在とされている。
また、本体4は、水冷チル9の天板部に固定されると共に、その外周が鋳型加熱炉8に覆われており、本体4は、鋳型加熱炉8に対して垂直方向に相対運動可能とされている。
The mold 3 provided at the upper part of the main body 4 is formed with a substantially cylindrical mold corresponding to the shape of the austenitic stainless steel to be cast. The selector 5 provided below the mold 3 includes the mold 3 and the starter 6. And a mold that is bent several times in a zigzag manner is formed inside. In addition, a space for growing a seed crystal is formed in the starter 6 provided at the lowermost part of the main body 4.
The water-cooled chill 9 has a top plate portion on which the main body 4 is placed, and has a refrigerant flow path through which water for heat exchange with the top plate portion circulates, and can be raised and lowered.
The main body 4 is fixed to the top plate portion of the water-cooled chill 9 and the outer periphery thereof is covered with the mold heating furnace 8, and the main body 4 can be moved relative to the mold heating furnace 8 in the vertical direction. Has been.

本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼の単結晶の製造に際しては、本体4は、鋳型加熱炉8により所定温度に加熱し、鋳型加熱炉8の上端に形成されている鋳込口7より、溶湯1を、本体4に鋳込む。溶湯1は、所定の元素組成に調整された本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼の地金を、溶解炉2において融点以上に加熱して溶融させたものであり、その加熱温度は、例えば、1500〜1600℃とする。溶解炉2は、例えば、高周波溶解炉等である。   In the production of the single crystal of austenitic stainless steel according to the present embodiment, the main body 4 is heated to a predetermined temperature by the mold heating furnace 8, and melted from the casting port 7 formed at the upper end of the mold heating furnace 8. 1 is cast into the main body 4. The molten metal 1 is obtained by melting the austenitic stainless steel ingot according to the present embodiment, which has been adjusted to a predetermined elemental composition, by heating it to a melting point or higher in the melting furnace 2, and the heating temperature is, for example, The temperature is 1500-1600 ° C. The melting furnace 2 is, for example, a high-frequency melting furnace.

鋳込まれた溶湯1は、スタータ6において、水冷チル9によって冷却されて多数の結晶を生成する。そこで、本体4を、所定の結晶成長速度が保たれるように所定速度で引き下げながら、溶湯1を徐々に凝固させることによって、セレクタ5により成長する結晶を一つに絞りつつ、成長方向が垂直方向に制御された単結晶を鋳型3内で鋳造して、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼の単結晶を製造する。なお、引き下げの速度は、単結晶を適切に成長させるために、100cm/h以下とすることが好ましい。   The cast molten metal 1 is cooled by a water-cooled chill 9 in a starter 6 to generate a large number of crystals. Accordingly, the main body 4 is pulled down at a predetermined speed so that the predetermined crystal growth rate is maintained, and the molten metal 1 is gradually solidified to narrow the crystal growing by the selector 5 to one, while the growth direction is vertical. A single crystal controlled in the direction is cast in the mold 3 to produce an austenitic stainless steel single crystal according to the present embodiment. The pulling speed is preferably 100 cm / h or less in order to properly grow the single crystal.

鋳造された本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、単結晶のオーステナイト相と共に他の析出相を含む複相の金属組織となることがある。よって、鋳造されたステンレス鋼は、析出相を固溶化させるために、固溶化処理に供することが好ましい。固溶化処理は、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下において、例えば、加熱温度を1050〜1150℃とし、一定時間保持した後、放冷又は冷却することにより行えばよい。
このような固溶化処理を行うことによって、析出したフェライト相が母相のオーステナイト相に再固溶するため、より単相に近いオーステナイト相の単結晶組織を得ることができ、フェライト相の断面面積率を3%以下程度にできる。
The cast austenitic stainless steel according to the present embodiment may have a double-phase metal structure including a single crystal austenite phase and other precipitated phases. Therefore, the cast stainless steel is preferably subjected to a solution treatment in order to solidify the precipitated phase. The solution treatment may be performed, for example, by allowing the heating temperature to be 1050 to 1150 ° C. and holding for a certain period of time, and then allowing to cool or cool in an inert gas atmosphere such as argon gas.
By performing such a solution treatment, the precipitated ferrite phase re-dissolves in the austenite phase of the parent phase, so that a single crystal structure of the austenite phase closer to the single phase can be obtained, and the cross-sectional area of the ferrite phase The rate can be about 3% or less.

以上の本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼によれば、硝酸等の酸化性酸が高濃度で存在する環境下において、優れた耐食性を有するオーステナイト系ステンレス鋼鋼材が提供される。特に、粒界侵食が支配的となって生じる腐食減肉やトンネル腐食の発生が低減し、且つ溶接性が良好な鋼材が提供される。   According to the austenitic stainless steel according to this embodiment, an austenitic stainless steel material having excellent corrosion resistance is provided in an environment where an oxidizing acid such as nitric acid is present at a high concentration. In particular, a steel material having reduced weld thinning and tunnel corrosion caused by intergranular erosion and excellent weldability is provided.

本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、このように円柱形状を有するステンレス鋼単結晶として製造する場合には、通常、外径50mm以下までの大きさの単結晶鋼材として製造することができる。
したがって、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、原子燃料再処理施設に設置される放射性廃液処理設備機器、原子炉炉内に設置される設備機器、化学プラントに設置される設備機器等の部品又は部材を構成するための高耐食性ステンレス鋼材としての応用が可能であり、その優れた耐食性等の特性に基づいて、設備機器の信頼性を向上させ、設備機器寿命を長期化させることができる。
設備機器としては、容器、配管、弁、ポンプ、計装品等が挙げられる。また、各種支持板、支持具、締結具等の部品又は部材や、大型構造材の一部又は小型構造材としても応用し得る。本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、特に、硝酸等の酸化性酸の接触がある環境下において使用される部品又は部材の材料として好適に用いられ、このような部品又は部材としては、例えば、放射性廃液を内包する容器等に設置される温度計に付帯する温度計保護管キャップ、温度計保護管支持具等がある。
When the austenitic stainless steel according to the present embodiment is manufactured as a stainless steel single crystal having a columnar shape as described above, it can be generally manufactured as a single crystal steel material having an outer diameter of 50 mm or less.
Therefore, the austenitic stainless steel according to the present embodiment is a component of radioactive waste liquid treatment equipment installed in a nuclear fuel reprocessing facility, equipment installed in a nuclear reactor, equipment installed in a chemical plant, etc. Alternatively, it can be applied as a high corrosion resistance stainless steel material for constituting a member, and based on its excellent characteristics such as corrosion resistance, the reliability of the equipment can be improved and the life of the equipment can be extended.
Examples of equipment include containers, pipes, valves, pumps, instrumentation, and the like. Moreover, it can also be applied as parts or members such as various support plates, supports, fasteners, etc., as part of large structural materials, or as small structural materials. The austenitic stainless steel according to the present embodiment is particularly preferably used as a material for a component or member used in an environment where there is contact with an oxidizing acid such as nitric acid. There are a thermometer protection tube cap, a thermometer protection tube support and the like attached to a thermometer installed in a container or the like containing radioactive liquid waste.

図2は、放射性廃液処理設備機器の一例を表す模式図である。(a)は放射性廃液を内包し濃縮・減容する装置の部分断面図、(b)は(a)におけるA領域の部分拡大断面図である。
原子燃料再処理施設における再処理の過程では、溶媒抽出工程から発生する放射性廃液は、図2(a)に示すような放射性廃液を内包し濃縮・減容する装置(廃液濃縮・減容装置20)を用いて蒸発濃縮され、廃棄液の容積が縮小される。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of radioactive waste liquid treatment equipment. (A) is the fragmentary sectional view of the apparatus which encloses radioactive waste liquid, concentrates and reduces volume, (b) is the elements on larger scale of the A area | region in (a).
In the process of reprocessing in the nuclear fuel reprocessing facility, the radioactive liquid waste generated from the solvent extraction step contains the radioactive liquid waste as shown in FIG. 2 (a) and concentrates and reduces the volume (waste liquid concentration / volume reduction apparatus 20). ) To reduce the volume of the waste liquid.

廃液濃縮・減容装置20の下部は、加熱ジャケット21により覆われており、廃液濃縮・減容装置20の内部には、図示しないコイル型の加熱管等が備えられている。処理される放射性廃液は、廃液供給口210から供給され、加熱ジャケット21や装置内の加熱管により加熱されて蒸発・濃縮が行われる。そして、蒸発・濃縮が終了すると、放射性廃液は、廃液排出口211より後工程へ移送される。   The lower part of the waste liquid concentration / volume reduction device 20 is covered with a heating jacket 21, and the waste liquid concentration / volume reduction device 20 is provided with a coil-type heating tube (not shown). The radioactive waste liquid to be treated is supplied from the waste liquid supply port 210 and heated by the heating jacket 21 or a heating tube in the apparatus to be evaporated and concentrated. When the evaporation / concentration is completed, the radioactive liquid waste is transferred from the waste liquid discharge port 211 to the subsequent process.

廃液濃縮・減容装置20の内部には、装置内の温度を測定する温度計が備えられており、温度計33はステンレス鋼製の温度計保護管30によって放射性廃液から隔離され、腐食や汚染から保護されている。温度計保護管30は、温度計保護管支持具40によって廃液濃縮・減容装置20の内部に固定支持されており、その先端には、図2(b)に示すような有底円筒形状の温度計保護管キャップ31が取り付けられている。温度計保護管キャップ31は、温度計保護管30の一部を構成する保護管管体32と、溶接部301を介して溶接で接合された構造を有している。従来、温度計保護管キャップ31は、薄肉であれば板材又は管材を塑性加工して製造する方法がとられる場合もあるが、一般的にはステンレス鋼の棒材又は鍛鋼材から削り出して製造する方法がとられる。
温度計保護管キャップ31や温度計保護管支持具40は、高濃度の酸化性酸を含む放射性廃液に接する部材である。このような温度計保護管キャップ31や温度計保護管支持具40を本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼単結晶で製造することによって、腐食の進行を抑制することが可能となり、設備機器の信頼性を向上させることができる。
The waste liquid concentration / volume reduction apparatus 20 is provided with a thermometer for measuring the temperature in the apparatus, and the thermometer 33 is isolated from the radioactive waste liquid by a stainless steel thermometer protection tube 30 to be corroded or contaminated. Protected from. The thermometer protection tube 30 is fixedly supported inside the waste liquid concentration / volume reduction device 20 by a thermometer protection tube support 40, and has a bottomed cylindrical shape as shown in FIG. A thermometer protection tube cap 31 is attached. The thermometer protection tube cap 31 has a structure joined to a protection tube body 32 constituting a part of the thermometer protection tube 30 by welding via a welding portion 301. Conventionally, the thermometer protection tube cap 31 may be manufactured by plastic processing of a plate material or tube material if it is thin, but is generally manufactured by cutting out from a stainless steel bar or forged steel material. The way to do is taken.
The thermometer protection tube cap 31 and the thermometer protection tube support 40 are members that come into contact with radioactive waste liquid containing a high concentration of oxidizing acid. By manufacturing the thermometer protective tube cap 31 and the thermometer protective tube support 40 with the austenitic stainless steel single crystal according to the present embodiment, it becomes possible to suppress the progress of corrosion, and the reliability of equipment and equipment. Can be improved.

以下、本発明の実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail using the Example of this invention, the technical scope of this invention is not limited to this.

はじめに、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼を製造し、その金属組織の結晶性を確認した。
オーステナイト系ステンレス鋼は、元素組成がそれぞれ異なる計6種(No.1〜No.6)を、前記の製造装置10を用いた方向制御鋳造法によって製造した。
オーステナイト系ステンレス鋼の製造には、図1に示す単結晶製造装置10を用い、各元素組成のオーステナイト系ステンレス鋼それぞれにつき、鋳型加熱炉8による鋳型温度を1560℃として、鋳込み温度1560℃で、鋳込みを行った。鋳込んだ溶湯1は、1560℃で5分間保持した後、鋳型3が鋳型加熱炉8の外部に引き下げられるまで、水冷チル9を本体4と共に50cm/hの速度で降下させて、溶湯1を一方向凝固させた。なお、このとき鋳型加熱炉8による鋳型温度は、凝固が完了するまで1560℃に維持した。
First, the austenitic stainless steel according to the present embodiment was manufactured, and the crystallinity of the metal structure was confirmed.
Austenitic stainless steel was manufactured by a direction control casting method using the manufacturing apparatus 10 in total of six types (No. 1 to No. 6) having different elemental compositions.
For the production of austenitic stainless steel, the single crystal production apparatus 10 shown in FIG. 1 is used. For each austenitic stainless steel of each elemental composition, the mold temperature in the mold heating furnace 8 is 1560 ° C., the casting temperature is 1560 ° C., Casting was performed. The cast molten metal 1 is held at 1560 ° C. for 5 minutes, and then the water-cooled chill 9 is lowered together with the main body 4 at a speed of 50 cm / h until the mold 3 is pulled down to the outside of the mold heating furnace 8. Unidirectionally solidified. At this time, the mold temperature in the mold heating furnace 8 was maintained at 1560 ° C. until solidification was completed.

製造されたオーステナイト系ステンレス鋼(No.1〜No.6)の元素組成の分析値を、次の表1に示す。なお、No.7は、日本高圧力技術協会 核燃料再処理設備規格 材料規格(HPIS C 108)に定めるオーステナイト系ステンレス鋼「R−SUS304ULC」である。このR−SUS304ULCは、方向制御されていない多結晶組織からなる。また、この表1において、各元素の数値は、元素の含有率[質量%]であり、Cr/Niの数値は、Cr元素濃度/Ni元素濃度比を算出した数値である。   The analytical values of the elemental composition of the produced austenitic stainless steel (No. 1 to No. 6) are shown in Table 1 below. In addition, No. 7 is an austenitic stainless steel “R-SUS304ULC” defined in the Japan High Pressure Technology Association Nuclear Fuel Reprocessing Equipment Standard Material Standard (HPIS C 108). This R-SUS304ULC has a polycrystalline structure whose direction is not controlled. In Table 1, the numerical value of each element is the element content [% by mass], and the numerical value of Cr / Ni is a numerical value obtained by calculating the Cr element concentration / Ni element concentration ratio.

Figure 2015055005
Figure 2015055005

製造された各オーステナイト系ステンレス鋼について、王水法によるマクロエッチング(JIS G 0553参照)及びX線背面反射ラウエ法を用いて、金属組織の構造を確認した。その結果、No.1〜No.5については、単結晶組織からなるオーステナイトの主相が形成されていることが確認された。しかしながら、No.6については、主相のオーステナイト相の単結晶は得られなかった。
したがって、オーステナイト相を単結晶化し、主相が単結晶組織であるオーステナイト系ステンレス鋼を得るためには、オーステナイト形成元素の組成比率が一定程度以上あることを要し、Cr元素濃度/Ni元素濃度比で1.80以下を達成している必要があることが確認された。
About each manufactured austenitic stainless steel, the structure of the metal structure was confirmed using the macro etching by aqua regia method (refer JIS G 0553) and the X-ray back reflection Laue method. As a result, no. 1-No. For No. 5, it was confirmed that an austenite main phase composed of a single crystal structure was formed. However, no. For No. 6, a single crystal of the main phase austenite phase was not obtained.
Therefore, in order to obtain an austenitic stainless steel having a single crystal structure as the main phase, the austenite phase needs to have a composition ratio of austenite forming elements of a certain level or more, and Cr element concentration / Ni element concentration It was confirmed that the ratio must be 1.80 or less.

次に、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼の耐食性を、Coriou試験に基づいて評価した。Coriou試験は、高濃度の熱硝酸に対する耐食性を評価する腐食試験のひとつである。
供試材は、製造されたオーステナイト系ステンレス鋼(No.1〜No.6)及びR−SUS304ULC(No.7)を、アルゴンガス雰囲気の下で固溶化処理することによって製造した。なお、固溶化処理の温度は1050℃、処理の時間は2時間とした。そして、これらの各供試材から12mm×8mm×2mmの試験片を3個ずつ切り出し、そのそれぞれについて表面を順に#600まで研磨した。なお、試験片寸法は、鋳造方向の直行面の断面積が12mm×8mmであり、鋳造方向厚さが2mmである。No.7については、圧延方向に垂直に試験片が採取されている。
また、腐食性試験液としては、8mol/Lの硝酸溶液に、Cr6+濃度が1g/Lとなるように無水クロム酸を溶解して調製した溶液を用いた。
Next, the corrosion resistance of the austenitic stainless steel according to this embodiment was evaluated based on the Corio test. The Corio test is one of corrosion tests for evaluating the corrosion resistance against high concentrations of hot nitric acid.
The specimens were produced by subjecting the produced austenitic stainless steel (No. 1 to No. 6) and R-SUS304ULC (No. 7) to a solid solution treatment under an argon gas atmosphere. The solution treatment temperature was 1050 ° C., and the treatment time was 2 hours. Then, three test pieces each having a size of 12 mm × 8 mm × 2 mm were cut out from each of these test materials, and the surface of each was polished up to # 600 in order. In addition, as for the test piece dimension, the cross-sectional area of the orthogonal surface in the casting direction is 12 mm × 8 mm, and the thickness in the casting direction is 2 mm. No. For No. 7, test specimens were taken perpendicular to the rolling direction.
Further, as the corrosive test solution, a solution prepared by dissolving chromic anhydride in an 8 mol / L nitric acid solution so that the Cr 6+ concentration was 1 g / L was used.

Coriou試験は、3個の各試験片を、沸騰させた腐食性試験液に浸漬し、沸騰させた状態の24時間浸漬を1サイクルとして、計4サイクルの試験を行った。このとき各サイクル後には、各試験片について重量測定とマイクロスコープによる外観観察とを行い、測定された腐食重量減量に基づいて腐食度を算出した。   In the Corio test, each of the three test pieces was immersed in a boiled corrosive test solution, and the boiled state was immersed for 24 hours in one cycle, and a total of four cycles of the test were performed. At this time, after each cycle, each test piece was subjected to weight measurement and appearance observation with a microscope, and the degree of corrosion was calculated based on the measured weight loss of corrosion.

図3は、実施例に係るオーステナイト系ステンレス鋼の腐食度を表す図である。
図3における縦軸は、腐食度[g/m・h](単位面積・時間当たりの腐食重量減量)である。浸漬試験では、供試材によっては、サイクルを経るにしたがって腐食度の増大が認められたため、腐食度が略一定に落ち着いた4サイクル目について、3個の試験片の平均腐食度を算出し、図3に示した。
FIG. 3 is a diagram illustrating the corrosion degree of the austenitic stainless steel according to the example.
The vertical axis in FIG. 3 is the corrosion degree [g / m 2 · h] (corrosion weight loss per unit area / time). In the immersion test, depending on the test material, an increase in the degree of corrosion was observed as the cycle progressed, so the average degree of corrosion of the three test pieces was calculated for the fourth cycle where the degree of corrosion settled down substantially constant, This is shown in FIG.

図3に示すように、多結晶組織からなる比較例のNo.7では、供試材中で最も高い腐食度が認められた。外観観察の結果、No.7の表面は、脱粒による凹凸が発生しており、粒界腐食が進行していることが確認された。また、単結晶化できなかった比較例のNo.6では、No.7程ではないが、比較的高い腐食度が認められた。No.6は、一方向に方向制御され、粒径が大きい結晶組織を有してはいるものの、単結晶組織に至っていないため、粒界腐食が一定程度進行していることが確認された。
これに対して、主相のオーステナイト相が単結晶組織からなる実施例のNo.1〜No.4では、腐食度が低く抑えられており、単結晶化による耐食性の向上が明確に認められた。外観観察の結果、No.1〜No.4の表面は、比較的平滑であることが確認された。
その一方で、主相のオーステナイト相が単結晶組織からなるがCr元素濃度/Ni元素濃度比が小さい比較例のNo.5では、No.6程ではないが、比較的高い腐食度が認められた。外観観察の結果、No.5の表面では、ピット状の全面腐食が高数密度で発生していることが確認された。この形態の腐食の要因は、No.5が、高いNi元素濃度である点にあると考えられた。よって、全面腐食を含む腐食に対する耐食性を保持させる上では、Cr元素濃度/Ni元素濃度比としては、1.45以上の数値が確保されていることが必要であることが確認された。
したがって、以上の結果から、実施例に係るオーステナイト系ステンレス鋼(No.1〜No.4)は、所定の元素組成を備えることによって、単結晶組織からなる主相を適切に形成する性質を有していることが確認された。また、特に、粒界侵食を伴う酸化性酸による腐食に対する耐食性に優れた特性を有しており、腐食減肉やトンネル腐食の発生を低減した耐食性構造材として有効であることが確認された。
As shown in FIG. In No. 7, the highest degree of corrosion was observed among the test materials. As a result of appearance observation, No. As for the surface of 7, the unevenness | corrugation by degranulation has generate | occur | produced and it was confirmed that the intergranular corrosion has progressed. In addition, No. of the comparative example which could not be single crystallized. In No. 6, no. Although not as high as 7, a relatively high degree of corrosion was observed. No. No. 6 is controlled in one direction and has a crystal structure with a large grain size, but has not reached a single crystal structure, and therefore, it was confirmed that intergranular corrosion has progressed to a certain degree.
On the other hand, in the example No. 1 in which the austenite phase of the main phase has a single crystal structure. 1-No. In No. 4, the degree of corrosion was kept low, and the improvement in corrosion resistance by single crystallization was clearly recognized. As a result of appearance observation, No. 1-No. The surface of 4 was confirmed to be relatively smooth.
On the other hand, although the austenite phase of the main phase is composed of a single crystal structure, the comparative example No. 1 has a small Cr element concentration / Ni element concentration ratio. In No. 5, no. Although not about 6, a relatively high degree of corrosion was observed. As a result of appearance observation, No. On the surface of No. 5, it was confirmed that pit-like overall corrosion occurred at a high number density. The cause of this form of corrosion is no. 5 was considered to be a high Ni element concentration. Therefore, it was confirmed that a numerical value of 1.45 or more was required as the Cr element concentration / Ni element concentration ratio in order to maintain corrosion resistance against corrosion including overall corrosion.
Therefore, from the above results, the austenitic stainless steels (No. 1 to No. 4) according to the examples have a property of appropriately forming a main phase composed of a single crystal structure by having a predetermined element composition. It was confirmed that In particular, it has a characteristic that is excellent in corrosion resistance against corrosion caused by an oxidizing acid accompanied by grain boundary erosion, and it has been confirmed that it is effective as a corrosion-resistant structural material with reduced corrosion thinning and occurrence of tunnel corrosion.

次に、実施例に係るオーステナイト系ステンレス鋼を用いて、放射性廃液処理設備の温度計保護管の管端への使用を想定したキャップを製造した。
被加工鋼材としては、元素組成を表1のNo.3と同等とし、前記の製造装置10を用いた方向制御鋳造法によって製造した、外径40mm、長さ200mmの円柱形状のオーステナイト系ステンレス鋼単結晶を用いた。
キャップは、この被加工鋼材に機械加工を実施し、外径34mmの有底円筒形状に削り出すことによって製造した。また、このとき被加工鋼材の残材から引張試験片を計2本採取し、23±5℃において引張試験に供した。
Next, using the austenitic stainless steel according to the example, a cap was manufactured that was supposed to be used at the tube end of the thermometer protection tube of the radioactive liquid waste treatment facility.
As the steel material to be processed, the elemental composition is No. 1 in Table 1. A cylindrical austenitic stainless steel single crystal having an outer diameter of 40 mm and a length of 200 mm manufactured by the direction control casting method using the manufacturing apparatus 10 was used.
The cap was manufactured by performing machining on the steel material to be processed and cutting it into a bottomed cylindrical shape having an outer diameter of 34 mm. At this time, a total of two tensile test pieces were collected from the remaining steel material to be processed and subjected to a tensile test at 23 ± 5 ° C.

その結果、被加工鋼材としたオーステナイト系ステンレス鋼単結晶の0.2%耐力は、195MPaであり、引張強さは、492MPaであり、伸びは、42%であった。
すなわち、以上の機械的性質は、JIS G 4303に規定されるステンレス鋼棒のSUS304Lの規格、耐力は、175N/mm以上、引張強さは、480N/mm以上、伸びは、40%以上の条件、及び、JIS G 5121に規定されるステンレス鋼鋳鋼品のSCS19の規格、0.2%耐力は、185N/mm以上、引張強さは、390N/mm以上、伸びは、33%以上の条件をいずれも満足するものであった。
As a result, the 0.2% proof stress of the austenitic stainless steel single crystal used as the work material was 195 MPa, the tensile strength was 492 MPa, and the elongation was 42%.
That is, the mechanical properties of the above, stainless steel rod of SUS304L standard defined in JIS G 4303, yield strength, 175 N / mm 2 or more, tensile strength, 480N / mm 2 or more, elongation more than 40% And SCS19 standard of stainless steel cast steel specified in JIS G 5121, 0.2% proof stress is 185 N / mm 2 or more, tensile strength is 390 N / mm 2 or more, and elongation is 33%. All of the above conditions were satisfied.

続いて、製造したキャップを、保護管管体とTIG(Tungsten Inert Gas)溶接によって接合し、溶接性を評価した。
保護管管体としては、R−SUS304ULC製の管材を使用し、溶接性の評価は、浸透探傷試験によった。
その結果、溶接部において割れの発生は認められなかった。
Subsequently, the manufactured cap was joined to the protective tube body by TIG (Tungsten Inert Gas) welding, and the weldability was evaluated.
As the protective tube, a pipe material made of R-SUS304ULC was used, and the weldability was evaluated by a penetrant test.
As a result, no crack was observed in the weld.

以上の機械加工、引張試験及び浸透探傷試験の結果から、本実施形態に係るオーステナイト系ステンレス鋼は、良好な加工性及び溶接性を有し、機械的性質にも優れていることが認められた。
したがって、高濃度の酸化性酸との接触が起こり得る放射性廃液処理設備機器の部品又は部材としての応用に適した鋼材であり、耐食性の向上が求められる部品又は部材への適用範囲の拡大に寄与し得る鋼材であることが確認された。
From the results of the above machining, tensile test and penetration test, it was confirmed that the austenitic stainless steel according to the present embodiment has good workability and weldability and is excellent in mechanical properties. .
Therefore, it is a steel material suitable for application as a component or member of radioactive waste liquid treatment equipment that can come into contact with high-concentration oxidizing acids, and contributes to the expansion of the scope of application to components or members that require improved corrosion resistance. It was confirmed that the steel material can be used.

1 溶湯
2 溶解炉
3 鋳型
4 本体
5 セレクタ
6 スタータ
7 鋳込口
8 鋳型加熱炉
9 水冷チル
10 単結晶製造装置
20 廃液濃縮・減容装置
21 加熱ジャケット
30 温度計保護管
31 温度計保護管キャップ
32 保護管管体
33 温度計
40 温度計保護管支持具
210 廃液供給口
211 廃液排出口
301 溶接部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Molten metal 2 Melting furnace 3 Mold 4 Main body 5 Selector 6 Starter 7 Casting port 8 Mold heating furnace 9 Water-cooled chill 10 Single crystal manufacturing device 20 Waste liquid concentration / volume reduction device 21 Heating jacket 30 Thermometer protection tube 31 Thermometer protection tube cap 32 protection tube body 33 thermometer 40 thermometer protection tube support 210 waste liquid supply port 211 waste liquid discharge port 301 welded portion

Claims (6)

質量%で、C:0.02%以下、Si:1.0%以下、Mn:2.0%以下、Ni:9.0〜13.0%、Cr:18.0〜20.0%、N:0.1%以下、残部がFe及び不可避的不純物からなる組成を有し、
Cr当量/Ni当量比が1.45以上1.80以下であり、
オーステナイト相が単結晶組織である
ことを特徴とするオーステナイト系ステンレス鋼。
In mass%, C: 0.02% or less, Si: 1.0% or less, Mn: 2.0% or less, Ni: 9.0 to 13.0%, Cr: 18.0 to 20.0%, N: 0.1% or less, with the balance being composed of Fe and inevitable impurities,
Cr equivalent / Ni equivalent ratio is 1.45 or more and 1.80 or less,
An austenitic stainless steel characterized in that the austenitic phase has a single crystal structure.
質量%で、P:0.015%以下、S:0.015%以下、Mo:0.2%以下、Nb:0.1%以下である
ことを特徴とする請求項1に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
The austenitic system according to claim 1, characterized in that P: 0.015% or less, S: 0.015% or less, Mo: 0.2% or less, Nb: 0.1% or less in mass%. Stainless steel.
質量%で、Ni:9.0〜11.0%、Cr:18.0〜19.5%である
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
The austenitic stainless steel according to claim 1 or 2, wherein the mass ratio is Ni: 9.0 to 11.0% and Cr: 18.0 to 19.5%.
質量%で、Mo:0.1%以下、Nb:0.05%以下である
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
The austenitic stainless steel according to any one of claims 1 to 3, wherein the mass ratio is Mo: 0.1% or less and Nb: 0.05% or less.
前記オーステナイト相において、フェライト相が島状に分布し、
前記フェライト相の断面面積率が10%以下である
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼。
In the austenite phase, the ferrite phase is distributed in islands,
The austenitic stainless steel according to any one of claims 1 to 4, wherein a cross-sectional area ratio of the ferrite phase is 10% or less.
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のオーステナイト系ステンレス鋼を用いた
ことを特徴とする放射性廃液処理設備機器。
A radioactive waste liquid treatment facility equipment using the austenitic stainless steel according to any one of claims 1 to 5.
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