Stanovení profilu tekutého jádra při plynulém odlévání oceli metodou radioaktivních indikátorů Mayer Jiří, Rosypal František VÚHŽ,a.s.,739 51 Dobrá Technologie plynulého odlévání oceli je složitý ťyzikálně-ehemický proces. Tuhnutí oceli začíná postupným nárůstem licí kůry a je ovlivněno odvodem tepla v jednotlivých oblastech chlazení. Znalost profilu tekutého jádra je důležitou součástí technologického know-how plynulého odlévání oceli, a to především z hlediska zvýšení produktivity lití bez nebezpečí vzniku průvalu utuhlé licí kůry předlitku. Stejně důležitá je i souvislost s kvalitou povrchu odlévaných předlitku, protože nevhodná intenzita chlazení může vést ke vzniku povrchových trhlin. V současné době jsou tloušťka licí kůry a případně profil tekutého jádra obvykle počítány pomocí numerického modelu, který do výpočtu zahrne potřebné parametry ovlivňující proces tuhnutí - složení oceli, její teplotu a tepelnou vodivost, rychlost lití, intenzitu chlazení, rozměry zařízení, a pod. Výstupem numerického modelu jsou kromě rozměrů tekutého jádra i teploty oceli na povrchu předlitku, což umožňuje nepřímé ověření platnosti tohoto modelu. chlazení Terciální chlazení Obr. 1 : Schematické znázornění zařízení pro plynulé odlévání oceli. Pro přímé stanovení profilu (rozměrů) tekutého jádra včetně jeho délky jsou využívány stopovací metody s využitím neaktivních nebo radioaktivních indikátorů. Princip metody spočívá v kontaminaci tekutého jádra prvkem, který se v oceli běžně nevyskytuje, případně vhodným radionuklidem. Pokud má být kontaminován objem tekutého jádra případně oblast 55
vrcholu tekutého jádra, je nutné, aby těleso s indikátorem, které do tekutého jádra propadne a roztaví se tam, mělo podstatně vyšší měrnou hmotnost. Nejvhodnějším se pro tento účel jeví olovo, při neaktivním stopování se pro kontaminaci tekutého jádra využívá olovo ve formě válcového tělesa. Olovo má podstatně vyšší měrnou hmotnost než ocel, takže tekutou ocelí propadne až do vrcholu tekutého jádra. Díky nízké teplotě tání dochází kjeho prakticky okamžitému natavení a rozpouštění v tekuté oceli. V případě aktivní metody je toto olověné těleso kontaminováno vhodným radionuklidem.vyhodnocení probíhá po vychladnutí předlitků a spočívá ve stanovení, která oblast byla kontaminována (tekuté jádro) a která kontaminována nebyla (licí kůra). Výběr vhodného radionuklidu vychází z fyzikálně-jaderných požadavků, které splňuje relativně nejlépe radionuklid antimonu 124 Sb. Jedná se o gama zářič, což je vhodné z hlediska radiometrického mapování kontaminace předlitků a z hlediska spektrometrického stanovení aktivity odebíraných vzorků oceli, současně je i beta zářičem, což je požadované z hlediska metody autoradiografie. Současně je antimon dobře rozpustný v olovu. Jeho poločas rozpadu Ti/2 = 60,2 dne, což poskytuje dostatek času na přípravu a provedení vlastního experimentu a na expozici autoradiogramů, na druhé straně je nutné vzniklé radioaktivní odpady likvidovat a to nejlépe přirozeným rozpadem. Olověné těleso kontaminované radionuklidem 124 Sb je vyráběno přetavbou olova s aktivním antimonem, získaným ozářením kovového antimonu v jaderném reaktoru, na taviči jednotce GV-22. Při experimentu je v definovaném okamžiku indikátor ve formě olověného tělesa vhozen do krystalizátoru, čímž dojde ke kontaminaci tekutého jádra indikátorem. Pro vyhodnocení je důležité přiřazení hladiny oceli v krystalizátoru při vhozu konkrétnímu místu na předlitků. Po vychladnutí jsou na vybraných místech odebrány příčné výřezy z předlitků. Na nich jsou postupem naznačeným na obr. 2 navrtány vzorky, ve kterých je metodou AAS stanoven obsah olova. V případě, že stopovací prvek byl nalezen, byly spony odebrány z oblasti tekutého jádra, v opačném případě z oblasti licí kůry. Získané výsledky se použijí pro určení hranice mezi tekutým jádrem a tuhou ocelí a nepřímo pro stanovení profilu a délky tekutého jádra. / \ Obr. 2 : Způsob odběru vzorků (odvrtání spon) na výřezech z předlitků - schematicky naznačeno tekuté jádro a licí kůra, plná kolečka značí místa kontaminovaná olovem, prázdná kolečka místa bez kontaminace V případě neaktivního indikátoru je uvedený způsob vyhodnocení poměrně pracný a časově náročný. Podstatně více informací lze získat při aktivním stopování s využitím metody autoradiografie. V případě radioaktivního indikátoru 124 Sb se po zatuhnutí a zchladnutí předlitků mapuje pomocí přenosného spektrometru GR-130 jeho rozložení za účelem výběru míst, ze kterých jsou posléze odebrány vzorky ve formě příčných nebo podélných výřezů z předlitků pro další sledování. Příklad průběhu dávkového příkonu měřeného kontaktně podél předlitků pomocí přenosného spektrometru GR-130 je na obr. 3. Dávkový příkon postupně od místa vhozu ve směru lití klesá, protože narůstá tloušťka licí kůry, která stíní záření kontaminovaného tekutého jádra, a současně se zmenšuje objem tekutého jádra. V opačném 56
směru, tj. před místem vhozu, došlo ke kontaminaci díky promíchávání kontaminované oceli v krystalizátoru s nově přitékající ocelí. - 4-3 - 2-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 vzdálenost od hladiny krystalizátoru v okamžiku vhozu zářiče [m] Obr. 3: Dávkový příkon měřený podél předlitku po kontaminaci tekutého jádra radionuklidem antimonu l24 Sb Odebrané vzorky jsou po mechanické úpravě povrchu radiometricky proměřeny, současně jsou z jejich středů odvrtáním odebrány vzorky pro spektrometrické stanovení aktivity. Tyto údaje slouží jako podklad pro odhad doby exposice autoradiogramů. Pro autoradiografii jsou využívány rentgenografické filmy Agfa, které jsou běžně používány pro defektoskopii. Po jejich vyvolání je na autoradiogramů přímo zobrazeno rozložení radioaktivního indikátoru v příslušném řezu tekutého jádra. Jako příklady jsou na obr. 4 až 7 uvedeny autoradiogramy (příčné řezy) získané při lití předlitku s průřezem 180 mm x 180 mm ve vzdálenostech 2,6 m, 4,6 m, 8,6 m a 9,6 m od místa vhozu zářiče. Z nepravidelného tvaru tekutého jádra je patrné, že chlazení předlitku je intenzivnější na jejich horní straně. Z porovnání obr. 6 a 7 je patrný poměrně rychlý přechod profilu tekutého jádra z téměř čtvercového na kruhový průřez. Na obr. 10 je uveden autoradiogram tekutého jádra získaný pří lití kruhového předlitku o průměru 210 mm ve vzdálenosti 15 cm od místa vhozu zářiče - tloušťka licí kůry je zde jen několik milimetrů, zajímavý je pokles kontaminace radionuklidem antimonu ~ Sb směrem ke středu snímku -je to dáno tzv. dosedáním (ocel při tuhnutí zmenšuje svůj objem, takže tekuté jádro je postupně doplňováno přitékající ocelí a současně je kontaminovaná ocel ředěna nově přitékající ocelí). Jako další příklad jsou na obr. 8 a 9 uvedeny autoradiogramy (příčné řezy) získané při lití předlitku o průměru 210 mm ve vzdálenosti 2,25 a 7,25 m od místa vhozu zářiče. Na obr. 10 je uveden autoradiogram tekutého jádra získaný pří lití kruhového předlitku o průměru 210 mm ve vzdálenosti 15 cm od místa vhozu zářiče - tloušťka licí kůry je zde jen několik milimetrů, zajímavý je pokles kontaminace radionuklidem antimonu " Sb směrem ke středu snímku -je to dáno tzv. dosedáním (ocel při tuhnutí zmenšuje svůj objem, takže tekuté jádro je postupně doplňováno přitékající ocelí a současně je kontaminovaná ocel ředěna nově přitékající ocelí). 57
Obr. 4 a 5: Autoradiogramy tekutého jádra při plynulém odlévání profilu 180 x 180 mm ve vzdálenosti 2,6 m a 4,6 m od hladiny krystalizátoru. Obr. 6 a 7: Autoradiogramy tekutého jádra při plynulém odlévání profilu 180 x 180 mm ve vzdálenosti 8,6 m a 9,6 m od hladiny krystalizátoru. Obr. 8 a 9 : Autoradiogramy tekutého jádra při plynulém odlévání předlitků o průměru 0 = 210 mm ve vzdálenosti 2,25 a 7,25 m od hladiny krystalizátoru. 58
Obr. 10 : Autoradiogram tekutého jádra při plynulém odlévání profilu průměr 210 mm ve vzdálenosti 0,15 m od hladiny krystalizátoru. Obr. 11 : Autoradiogram tekutého jádra (podélný řez) při plynulém odlévání předlitku s průřezem 110 x 110 mm ve vzdálenosti 0,3-0,6 m od místa vhozu zářiče Na obr. 11 je uveden autoradiogram tekutého jádra (podélný řez) při lití předlitku s průřezem 110 x 110 mm ve vzdálenosti 0,3 m až 0,6 m od místa vhozu. Z autoradiogramu je patrná především nerovnoměrná tloušťka licí kůry a její postupný nárůst ve směru lití. Pro stanovení délky tekutého jádra je vhodné, pokud kontaminace dosahuje až do jeho vrcholu. Pokud tomu tak není, je možné délku tekutého jádra stanovit interpolací jeho příčného rozměru v různých vzdálenostech od hladiny krystalizátoru v okamžiku vhozu. Nedílnou součástí uvedených prací je získání povolení SÚJB pro tuto činnost. Jednou ze základních podmínek je sledování kontaminované oceli. Její likvidace podléhá přísným požadavkům atomového zákona a vyhlášky SÚJB o radiační ochraně v platném znění. Nejjednodušší způsob likvidace této kontaminované oceli je její uložení po dobu minimálně dvou let, za kterou dojde k přirozenému poklesu aktivity radionuklidu antimonu 124Sb pod 59
uvolňovací úroveň (300 Bq.kg 1 ). Je možné i řízené ředění, kdy jsou kontaminované předlitky po částech přidávány do taveb tak, že výsledná aktivita oceli je s dostatečnou rezervou pod uvolňovací úrovní. V tomto případě je nutné dodržet hodnotu hmotnostní aktivity pod 100 Bq.kg" 1, která je dána interními hutními předpisy jako tzv. business limit". Tento limit je podstatně přísnější než uvolňovací úrovně dané vyhláškou SÚJB o radiační ochraně v platném znění. Výše uvedené ředění je proto možné pouze v případě, že je dostatečně přesně známa hmotnostní aktivita kontaminovaných předlitků, resp. jejich zbytků po odběru vzorků a tím i celková aktivita jednotlivých kusů předlitků. Tento příspěvek vznikl v rámci řešení projektu výzkumu a vývoje FT-TA2/057 Výzkum a optimalizace metalurgických technologií pomocí stopovacích metod", který je realizován za účelové finanční podpory ze státních prostředků prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu. Determination of profile of liquid core at continuous casting of steel by method of radioactive indicators Mayer Jiří, Rosypal František VÚHŽ, a.s., 739 51 Dobrá, Czech Republic Knowledge of profile of liquid core is an important part of technological know-how of continuous casting of steel. Tracing methods are used for direct determination of profile and dimensions of the liquid core. Lead is used as inactive indicator, its presence in the cast semis is determined by the AAS method. More evidential information can be obtained by use of radioactive indicator antimony 124 Sb, autoradiographic method is used for determination of its distribution in the cast semis. Realization of trial heats is subject to approval by the SUJB (State Office for Nuclear Safety), which stipulates also manner of liquidation of generated waste. 60