VÝVOJ A OVĚŘENÍ TECHNOLOGIE VÝROBY OCELI PRO KOMPONENTY PARNÍHO GENERÁTORU DEVELOPMENT AND VERIFICATION OF STEEL MAKING TECHNOLOGY FOR STEAM GENERATOR COMPONENTS Martin Balcar a, Ludvík Martínek a, Pavel Fila a, Libor Sochor a, Jaroslav Novák a, Václav Turecký a Oldřich Matal, b a ŽĎAS, a.s., Žďár nad Sázavou b ENERGOVÝZKUM spol. s r.o., Brno Abstract Development program of reactors of the fourth generation (GEN IV) and innovation of the BOR 60 equipment for the purpose to verify new nuclear fuel transmutation technologies presume also usage of liquid sodium as the coolant. Steels suitable for component manufacture of steam generators heated by liquid sodium show different technological properties as well as different corrosion resistance in sodium and water/steam at high temperatures. Niobium stabilized steel of the type 2,25Cr 1Mo has been selected to verify production of such steel in Czech Republic industry conditions. Steel making, forging and heat treatment has been documented by results of laboratory tests and specific measurements. Abstrakt Program vývoje jaderných reaktorů čtvrté generace a inovace zařízení BOR 60 pro účely ověření nových technologií transmutací jaderného paliva, předpokládají využití reaktorů - transmutorů chlazených roztaveným sodíkem. Oceli vhodné pro výrobu komponent parního generátoru se sodíkovým nosičem tepla vykazují odlišné technologické vlastnosti a rozdílnou korozní odolnost v sodíku a páře za vysokých teplot. Niobem stabilizovaná ocel typu 2,25Cr 1Mo byla vybrána pro vývojové ověření výroby v podmínkách průmyslu České republiky. Výrobu oceli, tváření a tepelné zpracování dokladují výsledky laboratorních zkoušek a měření. 1. ÚVOD Transmutační jednotky jsou nyní ve světě vyvíjeny s cílem využití minoritních aktinoidů nacházejících se v použitém jaderném palivu v komerčních jaderných reaktorech (např. VVER), pro další výrobu elektrické energie při současném podstatném zmenšení objemů jaderných odpadů a jejich aktivit pro následné hlubinné dlouhodobé ukládání. Předpokládá se, že aktinoidy jako jaderné palivo budou ve formě kapalných nebo tuhých chemických komplexů. V druhém případě se v reaktorech transmutorech počítá s odvodem tepla roztavenými kovy, např. také roztaveným sodíkem. Jde o příbuzné řešení použité u rychlých množivých reaktorů, např. BN 600. Nosič tepla roztavený kov, předá teplo v parním generátoru, kde se generuje přehřátá pára pro pohon turbogenerátoru. V nedávno publikovaném americkém programu vývoje nových jaderných reaktorů tzv. čtvrté generace se počítá s transmutorem chlazeným roztaveným sodíkem. [1] V Rusku se 1
připravuje rekonstrukce a inovace jaderného zařízení BOR 60 pro účely ověření nových technologií transmutací jaderného paliva, kde nosičem tepla je roztavený sodík. [2] Požaduje se, aby materiál a z něho vyrobené komponenty parního generátoru odolávaly dlouhodobě (více jak 200 000 provozních hodin při generaci páry) především: vysokým teplotám (480 C až 540 C) a tlakům (i pro nadkritické parametry páry), působení proudícího roztaveného kovu (např. roztaveného sodíku), působení proudící vody resp. vodní páry, atp. U kandidátních materiálů komponent parního generátoru bylo v podmínkách současného ocelářství ČR potřeba vývojově ověřit technologii výroby oceli pro odlévání ingotů, zpracování volně kovaných výkovků včetně následujících polotovarů a pro doložení bezpečnosti provozu parogenerátoru prokázat technologické vlastnosti a čistotu oceli. Volba materiálů pro parní generátory se sodíkovým nosičem tepla je ovlivněna jejich vlastnostmi v korozním prostředí za vysokých teplot, možnostmi jejich tváření, svařování a obrábění, dostupností a pořizovacími náklady. Bylo zjištěno, že uhlíkaté a některé nízkolegované oceli se v prostředí roztaveného sodíku oduhličují s následným poklesem jejich pevnosti. [3, 4] Sklon austenitických nerezových ocelí ke koroznímu praskání pod napětím v korozním prostředí a za vyšších teplot je znám. Kromě toho jsou austenitické nerezové oceli v porovnání s nízkolegovanými ocelemi poměrně drahé. Pro vývojové ověření výroby byla nejen z uvedených důvodů vybrána niobem stabilizovaná ocel typu 2,25Cr 1Mo. Etapu projektu zahrnující ověření realizace výroby oceli a výkovků v podmínkách současné průmyslové výroby České republiky zajistila výroba v Elektroocelárně a Kovárně ŽĎAS, a.s. 2. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST 2.1 Výroba oceli Materiál typu 2,25Cr 1Mo s chemickým složením dle návrhu normy ČSN 415418 představuje středně legovanou chrom nikl molybdenovou ocel stabilizovanou niobem. Konfrontace požadavků na užitné vlastnosti oceli komponent parního generátoru se současnou úrovní technologie výroby tekutého kovu postoupila k návrhu optimalizovaného výrobního předpisu chemického složení podle tab. 1. Tabulka 1: Návrh ČSN 415418 a optimalizované chemické složení oceli 2
Doprovodné prvky obsažené v oceli, P, S, Cu, As, Sn, Sb, H, O a N s převážně škodlivým vlivem na užitné vlastnosti označujeme jako chemické nečistoty a pro případ ocelí s požadavky na vysokou creepovou odolnost k nim můžeme zařadit také Si a Mn. Hodnocení chemické čistoty oceli podle ustanovení EPRI Electric Power Research Institute (USA) lze provádět užitím vzorce kriteria odolnosti proti rozvoji popouštěcí křehkosti J faktor = Mn + Si (P + S) nebo doplňujícího a přesnějšího faktoru podle Bruscata B faktor =(10 %P + 5 %Sb + 4 %Sn + %As) 100, který zohledňuje selektivní vliv škodlivých prvků. Záměrem výroby zkušební tavby o hmotnosti 14 tun bylo dosažení minimálního obsahu nežádoucích prvků na úrovni označované jako super čistota. Pro hodnocení ocelí pro energetiku konstituovaných na bázi Ni Cr Mo je super čistota oceli Super Clean Steel podle podmínek EPRI charakterizována dosažením úrovně B faktoru < 8. Vlastní výroba tekutého kovu pak zahrnovala zpracování oceli na zařízení primární a sekundární metalurgie. Kovová vsázka složená z housek DRI/HBI a surového železa byla roztavena na elektrické obloukové peci (EOP) a v oxidační fázi tavby byla na požadovanou úroveň upravena především koncentrace uhlíku a fosforu. Následné zpracování taveniny v rafinační pánvi sekundární metalurgie na zařízení pánvové pece (LF) a vakuovém zpracování oceli (VD/VOD) zabezpečilo především legování a hlubokou desoxidaci oceli. Po dosažení požadovaných parametrů tekuté oceli proběhlo dokončení výroby ingotů odlitím oceli metodou atmosférického lití přes vtokovou soustavu spodem do kokil. Tvářením ocelových ingotů technologií volného kováním byla provedena příprava polotovarů uvažovaných pro tažení trubek, válcování plechu, svařování a další technologické zkoušky. V průběhu zpracování tekutého kovu a výroby ocelových výkovků probíhal odběr vzorků pro laboratorní zkoušky a měření. 2.2 Zkoušky chemického složení Analýza tavebního vzorku a základních prvků vzorku z výkovku byla provedena s využitím optického emisního spektrometru ARL 4460. Obsah stopových prvků ve výkovku byl zjištěn metodou chemického rozboru z roztoku na zařízení AAS (atomový absorpční spektrometr). Dosažené chemické složení oceli při odlévání ingotů, označené jako tavební analýza, v porovnání s obsahy prvků zjištěnými ve výkovku uvádí tab. 2. Tabulka zahrnuje i předpis návrhu normy ČSN 415418 a požadavky uživatele. Tabulka 2: Chemické složení oceli tavbová analýza v porovnání s výkovkem 3
Analýza obsahu kyslíku a dusíku byla provedena na zařízení LECO TC 136 a obsah vodíku byl stanoven měřením na přístroji LECO RH 402. Za přesnější měření obsahu kyslíku a dusíku v oceli vzhledem k metodice odběru vzorků lze považovat analýzu z výkovku. 2.3 Zkoušky mechanických vlastností Zkoušení mechanických vlastností bylo provedeno na vzorcích odebraných v průběhu kování. Provozní tepelné zpracování vzorků respektovalo doporučení návrhu ČSN 415418, normalizační žíhání 1050 C, popouštění 700 C. Hodnoty pevnosti v tahu měřené v podélném a příčném směru na zařízení ZDM 40 a houževnatost oceli vyjádřená hodnotou nárazové práce zjištěné přístrojem PSW 300 při zkoušce rázem v ohybu shrnuje tab. 3. [6] Vzorky s označením H pochází vzhledem k původnímu polotovaru z části pod hlavou ingotu a vzorek P z patní části ingotu. Tabulka 3: Mechanické vlastnosti vzorků oceli odebraných v průběhu kování Zjištěné hodnoty meze kluzu a pevnosti v podélném a příčném směru nedosahují požadovaných hodnot. Vzhledem k rozměrům původního polotovaru pro odběr vzorků lze považovat provedená měření za informativní. Konečné hodnocení bude provedeno na výrobcích s rozdílným specifickým rozměrem, pro který budou podmínky tepelného zpracování výrazně odlišné. Zkoušení vrubové houževnatosti za různých podmínek směřovalo k definování přechodové teploty, která je v obou směrech zkoušení patrná okolo 60 C. Plastické vlastnosti vykazují dostatečnou volnou kapacitu pro úpravu režimu tepelného zpracování. 2.4 Metalografické hodnocení Hodnocení mikrostruktury a stanovení velikosti zrna Výsledky hodnocení mikrostruktury a velikosti zrna dle ČSN 420462 jsou patrné ze snímků na obr. 1 a 2. Materiál vykazuje feritickou mikrostrukturu s jemnými, rovnoměrně rozptýlenými zrnitými karbidy. Dle řady etalonů ČSN 420462 je hodnocena velikost zrna u jednotlivých vzorků stupněm č. 8 až 10 velmi jemné zrno. [6] 4
Obr. 1: Mikrostruktura vzorku A P zvětšeno 100x Obr. 2: Mikrostruktura vzorku A P zvětšeno 500x Kontrola makrostruktury oceli hlubokým leptáním Kontrola makrostruktury hlubokým leptáním byla provedena na příčném řezu vzorků výkovku po dobu 40 minut při teplotě leptání 60 až 80 C v roztoku č. I dle ČSN 420467. Na leptaném povrchu vzorků byl detekován výskyt vad definovaných podle stupnice 2 uvedené normy jako bodová nestejnorodost stupeň č. 1 až 2. [6] Hodnocení mikročistoty Pro hodnocení mikročistoty byla zvolena metodika dle ČSN 420471 rozlišující osm základních typů vměstků: OŘ oxidy řádkové OB oxidy bodové S sulfidy KP křemičitany plastické KK křemičitany křehké KN křemičitany netvařitelné NŘ nitridy řádkové NB nitridy bodové. Hodnocení dle normy DIN 50 602 metodou K4 a K3 bylo provedeno pro posouzení vypovídací schopnosti hodnocení mikročistoty podle různých norem. Tabulka 4: Mikročistota vzorků oceli odebraných v průběhu kování Výsledky uvedené v tab. 4 dokladují dosažení vysokého stupně mikročistoty oceli s výskytem drobných vměstků typu bodových oxidů. 5
3. ZÁVĚR Výsledky vývojového ověření výroby výkovků z oceli typu 2,25Cr 1Mo stabilizované niobem v podmínkách ŽĎAS, a.s. doložené laboratorními testy, prokázaly dosažení velmi dobré kvality oceli a poskytují dobré předpoklady pro úspěšnou realizaci zkušebních vzorků komponent parního generátoru. Práce byla řešena v rámci grantového projektu evidenční číslo FD-K3/078. Projekt byl realizován ze státních prostředků za finanční podpory Ministerstva průmyslu a obchodu ČR. 4. LITERATURA [1] A Technology Roadmap for the Generatin IV Nuclear Energy Systems, US DOE and Gen. IV Int. Forum, Dec. 2002. [2] Matal, O., Korolkov, A.S.: Třicet let provozu jaderného zařízení BOR 60, Energetika 50 (2000), č.11, s. 376-378, ISSN 0375-8842. [3] Tebbert, H., Brudermueller, G., Harde, R., Stoehr, K.W.: Atom Strom 13 9/10 (1997), 117. [4] Ilinčev, G.: Vliv teploty a složení ocelí na jejich korozní odolnost v tekutém sodíku. Jaderná energie 10 (1964), č. 8, s.271 [5] Balcar, M., Martínek, L., Fila, P., Svatoň, J.: Průběžná zpráva - etapa 2: Vývoj a ověření tavby vybraného materiálu v podmínkách současného ocelářství v ČR. Projekt MPO ČR evidenční číslo: FD-K3/078. 2003. [6] Balcar, M., Martínek, L., Sochor, L., Slonek, J., Svatoň, J., Novák,. J., Turecký, V.: Průběžná zpráva - etapa 3: Vývoj a ověření realizace výkovků a jejich tepelného zpracování pro komponenty parního generátoru a metalografické rozbory. Projekt MPO ČR evidenční číslo: FD-K3/078. 2004. 6