本發(fā)明涉及一種金屬材料,具體地說是一種用于核場廢液處理容器設(shè)備的合金材料和制備方法。
背景技術(shù):
:核場廢液的處理一直以來都是核工業(yè)中的關(guān)鍵一環(huán),涉及到對環(huán)境及對人類健康的重要影響。放射性元素新生產(chǎn)技術(shù)采用改進(jìn)了工藝流程,該流程在工藝線終端的放射性廢液需要處理。根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)的規(guī)定,放射性廢液根據(jù)其放射性活度的大小可分為四級:第1級放射性活度≤3.7×102Bq/L,為弱放廢液;第II級放射性活度>3.7×102Bq/L,≤3.7×105Bq/L,為低放廢液;第III級放射性活度>3.7×105Bq/L,≤3.7×109Bq/L,為中放廢液;第Ⅳ級放射性活度>3.7×109Bq/L,為高放廢液。放射性廢液濃縮分離方法包括蒸發(fā)法、化學(xué)沉淀法、離子交換法、膜分離法及電化學(xué)法等,用蒸發(fā)法處理放射性廢液的效率比較高,處理只含有不揮發(fā)性放射性污染物的廢液時(shí),單效蒸發(fā)器可達(dá)到l04以上的去污系數(shù),而使用多效蒸發(fā)器和帶有除霧沫裝置的蒸發(fā)器則能達(dá)到106~l08的去污系數(shù),該法主要用于處理一些高放廢液。此外,蒸發(fā)法基本不需要使用其他物質(zhì),不會像其他方法因?yàn)槲廴疚锏霓D(zhuǎn)移而產(chǎn)生其他形式的污染物,因此蒸發(fā)法使用較多。一直以來,核場廢液處理用材料一般采用不銹鋼,但該類材料的使用有一個(gè)很大的弊端,即每隔1-2年均需要更換,使用率高的情況下不到一年就得更換。究其原因,主要是因?yàn)樵谠撎囟ńM成環(huán)境的廢液中,現(xiàn)役不銹鋼材料的腐蝕速率過快,隨著核工業(yè)的發(fā)展,使用頻率越來越高,更換速率也更高,不能滿足核工業(yè)相應(yīng)的科研和生產(chǎn)需求。因此,需要換代升級新型的具有更高耐腐蝕性能的蒸發(fā)器材料,來滿足核工業(yè)相應(yīng)工藝流程的應(yīng)用要求,同樣高頻使用情況下,較大程度地降低更換頻率。目前實(shí)際生產(chǎn)過程中,典型放射性廢液的組成為:HNO36mol/L,MoO3-10mmol/L,MnO3-10mmol/L,F(xiàn)-300mg/L,Zr4+300mg/L。放射性廢液蒸發(fā)濃縮10倍左右以回收硝酸,重點(diǎn)是減小廢液體積,然后分別進(jìn)行玻璃固化和水泥固化。尤其是高放廢液必須通過蒸發(fā)濃縮回收硝酸工藝,控制氚在高氚區(qū)循環(huán),防止氚在后處理廠廣泛擴(kuò)散,影響人員和環(huán)境安全。現(xiàn)用蒸發(fā)器采用316L不銹鋼制造,其抗腐蝕性能較差,使用一年就需要更換,產(chǎn)生大量二次固體廢物,導(dǎo)致生產(chǎn)過程中斷,影響產(chǎn)能、安全和效率。因此,大幅提高在特定核場廢液環(huán)境中的耐腐蝕性能,并且易于加工制備,開發(fā)升級新一代核場廢液處理用蒸發(fā)器材料具有重要意義。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:本發(fā)明的目的是要提供一種用于核場廢液處理容器設(shè)備的合金材料和制備方法,所述材料在核場廢液環(huán)境中具有優(yōu)異的的抗腐蝕能力,能夠大幅降低容器設(shè)備的更換頻率,提高工作效率。為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:用于核場廢液處理容器設(shè)備的合金材料,該材料各組分的質(zhì)量百分比為:Cr:30.0~32.0%;Mo:3.0~5.0%;W:1.0~2.0%;Nb:0.8~2.0%;Fe:5.5~8.5%;Ce:≤0.05%;C:≤0.02%;Si:≤0.5%;Mn:≤1.0%;S:≤0.01%;P:≤0.01%;Ti:≤0.1%;Co:≤0.01%;Al:≤0.04%;其余為Ni。較好的技術(shù)方案,用于核場廢液處理容器設(shè)備的合金材料,該材料各組分的質(zhì)量百分比為:Cr:30.5~31.51%;Mo:3.95~4.80%;W:1.2~1.7%;Nb:1.02~1.67%;Fe:5.99~7.52%;Ce:<0.01%;C:0.007~0.010%;Si:0.05~0.10%;Mn:0.53~0.80%;S:≤0.001%;P:0.001~0.003%;Ti:0.05~0.08%;Co:0.003~0.005%;Al:0.01~0.03%;其余為Ni。上述的用于核場廢液處理容器設(shè)備的合金材料的制備方法,有以下步驟:1)熔煉:取上述材料的組分,真空下熔煉,精煉1500℃~1550℃,精煉期真空度>1Pa,澆注溫度1450℃~1480℃,得真空錠,然后用三元渣系保護(hù)電渣重熔,得到表面質(zhì)量光滑的電渣錠;2)均勻化處理:步驟1)所述電渣錠于1100~1180℃下均勻化熱處理4~6小時(shí);3)鍛造:鍛造初始溫度1150~1180℃,終鍛溫度>980℃,鍛板坯;4)熱軋:將鍛坯加熱至1150~1180℃,熱軋加工成厚度8mm~20mm的板材或Φ12mm~Φ20mm棒材,空冷至室溫;5)冷軋冷拉:將板坯冷軋成冷軋板帯材,或?qū)舨睦淅删€材。6)退火熱處理溫度:1050℃×(25~60)分鐘。步驟1)所述的三元渣系為CaF2+Al2O3+CaO,其質(zhì)量百分比為50%CaF2+20%Al2O3+30%CaO。步驟5)冷軋冷拉時(shí),采用1040℃~1080℃退火消除加工硬化。上述用于核場廢液處理容器設(shè)備的合金材料可用于制備核場廢液處理的各種容器。本發(fā)明所述材料的各元素的作用如下,Ni:基體元素,具有優(yōu)異的耐蝕性能,以鎳為基體的合金具有強(qiáng)度高、塑韌性好,可以冷、熱變形和成型加工,焊接性好等多方面的良好綜合性能。Cr:鉻是一種抗氧化的元素,鉻促進(jìn)鎳基耐蝕材料在含氧環(huán)境中形成表面鈍化膜,對抗均勻腐蝕有很好的作用。Mo:Mo對還原性酸的抗耐蝕作用明顯,能提高耐蝕合金在還原性酸中的耐蝕性,對抗均勻腐蝕、晶間腐蝕等都有較好的作用。W:鎢的碳化物在晶界的附著沉積,除起到強(qiáng)化作用以外,對阻止晶間應(yīng)力腐蝕具有很好的作用。Mn:用于補(bǔ)償材料蒸發(fā)器制造焊接過程中有益元素的燒損而添加的合金元素,以保證焊縫金屬的化學(xué)成分和性能。Fe:在不影響其耐蝕性的前提下改善可加工性能。Nb:提高耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能,提高抗晶間腐蝕。Al:鎳基耐蝕合金中的有害元素,會增大晶間應(yīng)力腐蝕開裂的深度,尤其是當(dāng)含量在0.05%~0.14%范圍時(shí),含量越高,腐蝕開裂越嚴(yán)重,故控制在0.04%以下。Ti:微量的Ti在熔煉中后期對熔體脫氧有一定的作用,形成的化合物可對晶界起到釘扎作用,但Ti高可能會引起冶金夾雜,此處作為雜質(zhì)元素控制在0.04%以下。Ce:改善夾雜物形態(tài)、分布和性質(zhì),并改善材料的焊接性、韌性及冷加工性能。Si:硅在高腐蝕電位下是有益的,但形成夾雜物的位置容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕,影響合金的耐蝕性能。因此,Si含量控制在0.5%以下。S、P:二者嚴(yán)重影響合金的加工性能,對焊接性能尤其是焊接熱影響區(qū)的性能會造成嚴(yán)重?fù)p害。S、P的含量控制在0.01%以下。C:碳含量升高對焊接熱影響區(qū)的性能影響很大,形成的碳化物將會影響焊縫組織的力學(xué)性能、耐蝕性能,造成焊接退化。但是,少量的Nb、Ti可以固定殘留碳分,可以起到碳化物的強(qiáng)化作用。因此,碳含量一般控制在0.02%以下。Co:廢液有一定的輻照性,Co元素有較長的半衰期應(yīng)予控制。因此,Co≤0.1%。在制備工藝中,特殊參數(shù)的制定及作用如下:針對合金成分復(fù)雜、錠形粗大等特點(diǎn),采用均勻化處理,目的在于改善W、Mo、Nb、Fe等元素在其中的分布均勻性,同時(shí)由于固溶元素較多,因此溫度較高為1150℃~1180℃,該處理可降低材料在熱加工過程中由于元素晶界偏聚等原因造成的斷裂、軋裂等情況的發(fā)生,提高材料的成材率。熱軋是獲得該材料各種成品形式的必要工藝手段,為后續(xù)冷加工工藝提供必要的中間過渡材料形式,如厚板、棒坯。冷軋冷拉是為了獲得不同形式的材料成品,板材是為了制備容器的周圍結(jié)構(gòu),而線材則是為了制備容器中相應(yīng)的拉拽結(jié)構(gòu)。退火處理是為了消除冷加工過程中的加工應(yīng)力,讓材料退火使其再結(jié)晶,提高材料的塑性韌性,保證該材料冷加工的順利延展。本發(fā)明合金材料可以保證提高放射性廢液處理的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性,保障蒸發(fā)濃縮過程安全,提高生產(chǎn)能力和效率,本發(fā)明的材料能大幅提高安全保障,并且材料的成型性能、可焊接性等優(yōu)異,可用于核場廢液處理各種容器的制作,如蒸發(fā)器等。具體實(shí)施方式實(shí)施例1用于核場廢液處理容器設(shè)備合金材料各組分的重量百分比見表1。表1用于核場廢液處理容器設(shè)備合金材料化學(xué)組成(wt%)編號CSiMnCrWNbFeMo10.0100.050.5330.501.21.165.994.8020.0100.060.5931.511.71.026.233.9530.0070.100.8030.911.31.677.524.18TiCoAlCePSNi10.050.0040.020.0100.003<0.001余量20.050.0050.010.0150.0010.001余量30.040.0030.030.0200.0010.001余量實(shí)施例2按照表1取各組分,用下列方法制備本發(fā)明所述用于核場廢液處理容器設(shè)備合金材料。本發(fā)明所述合金采用真空感應(yīng)爐冶煉和電渣爐精煉,經(jīng)鍛造、熱軋、熱處理、冷軋等工序,加工成不同產(chǎn)品形式的耐腐蝕合金材料,加工及熱處理過程如下:熔煉:采用真空感應(yīng)冶煉和電渣爐重熔精煉,真空感應(yīng)冶煉時(shí)精煉溫度1500℃~1550℃,精煉期真空度優(yōu)于2Pa,澆注溫度1450℃~1480℃,得真空錠,然后用渣系保護(hù)電渣重熔,得到表面質(zhì)量較光滑的電渣錠;均勻化處理:于1100~1180℃下熱處理4~6小時(shí),然后鍛造開坯;鍛造:鍛造初始溫度1150~1180℃,終鍛溫度不低于980℃,可按要求鍛成初軋板坯或棒坯;熱軋:將鍛坯加熱至1150~1180℃,熱軋加工成厚度8mm~20mm的板材或Φ12mm~Φ20mm棒材,空冷至室溫;冷軋冷拉:將板坯冷軋成所需規(guī)格的冷軋板帯材,將棒材冷拉成所需規(guī)格的線材,在冷軋冷拉過程中,可進(jìn)行1050℃×(25~60)min退火處理消除加工硬化。根據(jù)本發(fā)明所設(shè)定的化學(xué)成分范圍,在真空感應(yīng)爐上熔煉得三爐耐蝕合金材料,經(jīng)電渣重熔、鍛造、軋制、拉拔后得到所需形式的合金材料。實(shí)施例3實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.材料的性能實(shí)驗(yàn)化學(xué)成分試樣在電渣錠上鉆屑取樣,其余所有測試試樣均沿加工方向取樣,測得的化學(xué)成分如表1所示,力學(xué)性能如表2所示。表2本發(fā)明制備的合金材料力學(xué)性能2.材料的環(huán)境實(shí)驗(yàn)上述實(shí)施例材料,根據(jù)室溫至110℃的使用溫度范圍,并且蒸發(fā)器加工過程需要用到焊接工藝,經(jīng)過模擬核場廢液環(huán)境耐腐蝕實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其耐腐蝕性能優(yōu)秀,年腐蝕速率如表3所示。表3制備的合金在核場廢液環(huán)境中的耐腐蝕性能當(dāng)前第1頁1 2 3