3、小結(jié)

        CSiMnPSNiCrB，ppm

        在實(shí)驗(yàn)室成分設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，冶煉出以R-SUS310ULC鋼為基本成分的3爐SHS310EHP鋼。為提高耐蝕性，對(duì)B、P、N含量進(jìn)行了控制。SHS310EHP鋼選用適宜原料，采用商業(yè)生產(chǎn)用的2t真空感應(yīng)爐（VIF）-真空電弧重熔爐（VAR）冶煉，制作出SHS310EHP鋼錠。表1是鋼的化學(xué)成分。利用這些鋼錠，試制出乏燃料再處理裝置各種部件用材（軋制材、外徑34mm和114.3mm管材、鍛件），用這些材料進(jìn)行評(píng)價(jià)試驗(yàn)。表2是力學(xué)性能。SHS310EHP鋼的抗拉強(qiáng)度和0.2%屈服強(qiáng)度雖然比乏燃料再處理裝置用鋼R-SUS310ULC略低一些，但仍在可以實(shí)用的范圍內(nèi)。Coriou腐蝕試驗(yàn)對(duì)SHS310EHP鋼耐蝕性的評(píng)價(jià)結(jié)果是，96hCoriou腐蝕試驗(yàn)的SHS310EHP鋼的腐蝕速度小于3g/（m2·h）。SEM對(duì)腐蝕后SHS310EHP鋼的表面觀察結(jié)果表明，雖然部分晶界出現(xiàn)凹陷狀腐蝕，但各種制造狀態(tài)的SHS310EHP鋼均未發(fā)生晶界腐蝕，說明商業(yè)生產(chǎn)的SHS310EHP鋼具有優(yōu)良的耐蝕性。

        奧氏體不銹鋼在硝酸等酸性環(huán)境中，鋼的表面生成鈍化膜而具有良好的耐蝕性。因此在反應(yīng)堆內(nèi)燒過的核燃料（乏燃料）再處理裝置中大量使用。乏燃料再處理裝置中的材料是在鈍化狀態(tài)下使用的，因此這些材料大部分的腐蝕是鈍化區(qū)的腐蝕。但是在用硝酸溶解乏燃料的溶解槽和使溶解液蒸發(fā)對(duì)乏燃料進(jìn)行回收的酸回收蒸發(fā)罐等設(shè)備中，核分裂生成物釕離子（Ru3+）等從乏燃料溶出，使溶解液的氧化性增強(qiáng)。新一代乏燃料再處理裝置要處理含有大量放射性核物質(zhì)超鈾元素（TRU）和核分裂生成物（FP）的高燃燒度和難溶性的混合氧化物，所以，新一代乏燃料再處理裝置的腐蝕環(huán)境比現(xiàn)有的乏燃料再處理裝置更為苛刻。因此，新一代乏燃料再處理裝置的材料會(huì)在過鈍化區(qū)域使用。在含有高氧化性金屬離子的高溫硝酸環(huán)境下使用的奧氏體不銹鋼，晶界腐蝕的原因是在晶界形成貧鉻層。為防止貧鉻層形成，應(yīng)盡量降低鋼的碳含量，必要時(shí)還要添加不純物固定元素并進(jìn)行固溶熱處理。但是，在新一代乏燃料再處理裝置中即使采用這種奧氏體不銹鋼，也會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的晶界腐蝕。因此開發(fā)新的耐蝕性更好的不銹鋼對(duì)于新一代乏燃料再處理裝置是十分必要的。

        1、開發(fā)思路

        1.1、超高純度化提高耐蝕性

        廣泛使用的SUS304、SUS316等亞穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼在設(shè)備制造、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)和設(shè)備維修時(shí)，由于受熱，在晶界析出M23C6、Laves相（基本結(jié)構(gòu)A2B）和σ相（基本結(jié)構(gòu)AB、SUS304、SUS316的σ相是FeCr）等金屬間化合物，導(dǎo)致晶界腐蝕發(fā)生。本開發(fā)鋼是以穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼25Cr-20Ni（SUS310）為基本成分的鋼種。

        在研究開發(fā)的最初階段，研究了不純物元素對(duì)晶界腐蝕的影響。利用水冷式坩堝高頻感應(yīng)熔煉和電子束熔煉組合的兩級(jí)熔煉方法，使鋼達(dá)到高純度，獲得了具有優(yōu)良耐蝕性的SHS310EHP鋼。但是對(duì)所有不純物含量全部降低的方法，也降低了對(duì)耐蝕性沒有影響的不純物含量，故引起制造成本的升高，對(duì)商品化不利。微量不純物元素對(duì)乏燃料再處理裝置用不銹鋼耐蝕性影響的研究報(bào)告指出，C、B、P、Si等不純物對(duì)耐蝕性的影響很大。例如，固溶處理狀態(tài)的SUS304L鋼在沸騰的14.4mol/L硝酸中，進(jìn)行20次反復(fù)浸漬試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼中的B含量為15ppm時(shí)，隨試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，腐蝕速度增加。但B含量為2-8ppm時(shí)，腐蝕速度小于4×10-8kg/（m2·s），并且腐蝕速度基本不變。但這些結(jié)果是在不含氧化劑Cr6+的比較緩和的腐蝕條件下的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)條件不是新一代乏燃料再處理裝置的含有強(qiáng)氧化劑的過鈍化腐蝕環(huán)境。為了進(jìn)行基于JISG0573的過鈍化耐蝕性評(píng)價(jià)，在沸騰的8mol/L硝酸中添加1g/L的Cr6+，在該溶液中每隔24h更換一次腐蝕液、共計(jì)96h的浸漬試驗(yàn)（Coriou試驗(yàn)），考察不純物含量對(duì)腐蝕的影響。圖1、圖2是試驗(yàn)結(jié)果。利用重回歸分析方法得到的不純物含量對(duì)腐蝕影響的解析結(jié)果表明，在過鈍化區(qū)對(duì)晶界腐蝕不利影響最大的是B元素。因此為防止晶界腐蝕，將B含量規(guī)定等于或小于0.5ppm。此外，N、P對(duì)晶界腐蝕不利影響也很大，其他不純物對(duì)晶界腐蝕不利影響不太大。因此為提高鋼的耐蝕性，在鋼熔煉時(shí)，對(duì)B、N、P含量進(jìn)行控制就可以了。

        SHS310EHP鋼和現(xiàn)行的超低碳R-SUS310ULC鋼Coriou試驗(yàn)?zāi)臀g性的比較結(jié)果表明，R-SUS310ULC鋼由于發(fā)生晶界腐蝕，鋼的腐蝕速度變大，而SHS310EHP鋼未發(fā)生晶界腐蝕，鋼的腐蝕速度很小。

        新一代乏燃料再處理裝置的腐蝕環(huán)境更為惡劣，為此神戶制鋼對(duì)高耐蝕性不銹鋼的成分設(shè)計(jì)和鋼的高純度化等問題進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)不銹鋼發(fā)生晶界腐蝕的原因是不純物晶界偏析引起的晶界結(jié)合能下降。因此降低不純物含量可以有效提高鋼的耐蝕性和焊接性。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出新一代乏燃料再處理裝置用高純度（EHP）、高耐蝕性不銹鋼“SHS310EHP”。該鋼中的C+P+S+N＜100ppm、B＜0.5ppm。

        圖1：Coriou腐蝕速度和B含量的關(guān)系

        圖2：Coriou腐蝕速度和各種不純物含量的關(guān)系

        1.2、超高純度化提高焊接性

        采用穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼制造乏燃料再處理裝置時(shí)，鋼的焊接性是一個(gè)大問題。在對(duì)現(xiàn)行乏燃料再處理裝置進(jìn)行焊接施工時(shí)，為了防止焊接裂紋的產(chǎn)生，使用了比母材含Cr量更多的高Cr系含Mn焊接材料。雖然焊接材料中的P、S等不純物幾乎不固溶，在晶界產(chǎn)生偏析形成夾雜物，成為焊接裂紋的起點(diǎn)，但由于高Cr、Mn含量，使焊縫金屬中產(chǎn)生百分之幾的δ-鐵素體相，P、S可以固溶到δ-鐵素體相中，從而消除了P、S對(duì)焊接的不利影響。但另一方面，δ-鐵素體相是否對(duì)鋼的耐蝕性產(chǎn)生不利影響，是需要研究的問題。為此，進(jìn)行了系列焊接試驗(yàn)，對(duì)鋼的焊接區(qū)脆性溫度范圍（BTR）進(jìn)行測(cè)定，以對(duì)SHS310EHP鋼和市售不銹鋼的焊接裂紋敏感性進(jìn)行比較。比較結(jié)果表明，市售不銹鋼的BTR很寬，焊接裂紋敏感性大，而SHS310EHP鋼的BTR很窄，焊接裂紋敏感性小。

        2、開發(fā)鋼SHS310EHP的性能

        用SHS310EHP鋼制作成乏燃料廢液濃縮罐腐蝕實(shí)驗(yàn)體，并在模擬乏燃料廢液濃縮罐的高濃度腐蝕環(huán)境下進(jìn)行了8100h腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，SHS310EHP鋼制加熱盤管外表面的腐蝕速度是R-SUS310ULC鋼的1/6。R-SUS310ULC鋼的加熱盤管的焊接熱影響區(qū)發(fā)生晶接腐蝕，而SHS310EHP鋼加熱盤管的焊接熱影響區(qū)和全焊接區(qū)均保持完好狀態(tài)。

        表1：商業(yè)生產(chǎn)的SUS310EHP鋼的化學(xué)成分%

        SUS310EHP0.0050.010.010.00030.000221.025.30.20

        R-SUS310ULC≤0.01≤1.50≤2.00≤0.045≤0.03019.0-22.024.0-26.0

        表2：商業(yè)生產(chǎn)的SUS310EHP鋼的力學(xué)性能

        屈服強(qiáng)度，MPaTS，MPaEl，%夏比沖擊功，J/cm2

        軋制鋼板16246456.9394

        鋼管25A-Sch8023350352.2400

        鋼管100A-Sch16020649754.6428

        鍛制厚鋼板17046449.7415

        注：試驗(yàn)溫度：室溫

        SUS310鋼由于高純度化（EHP），在新一代乏燃料再處理裝置特有的苛刻腐蝕環(huán)境下顯示出優(yōu)良的耐蝕性，可以延長(zhǎng)乏燃料再處理裝置的使用壽命。EHP技術(shù)是實(shí)現(xiàn)新一代超高燃燒度輕水反應(yīng)堆實(shí)用化的基礎(chǔ)技術(shù)。EHP技術(shù)將為實(shí)現(xiàn)新一代超高燃燒度輕水反應(yīng)堆實(shí)用化作出貢獻(xiàn)。