Научная статья на тему 'Технология плавления радиоактивного металла с целью перевода основной части радионуклидов в шлак'

Технология плавления радиоактивного металла с целью перевода основной части радионуклидов в шлак Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
687
77
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Глобальная энергия
ВАК
Ключевые слова
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ РАДИОАКТИВНЫЕ ОТХОДЫ / РАДИОНУКЛИД / ОБЛУЧЕНИЕ СТАЛИ / ПЛАВЛЕНИЕ СТАЛИ / ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СТАЛИ / ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ШЛАКА / ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕПЛАВА В ШАХТНОЙ ПРОТИВОТОЧНОЙ ПЕЧИ / METALLIC RADIOACTIVE WASTE / RADIONUCLIDES / IRRADIATED STEEL / MELTING STEEL CHEMICAL COMPOSITION OF STEEL / CHEMICAL COMPOSITION OF SLAG / TECHNOLOGY REMELTING IN COUNTERCURRENT SHAFT FURNACE

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Гуменюк Василий Иванович, Ломасов Владимир Николаевич, Моторный Александр Васильевич, Коробицын Александр Ростиславович

Рассмотрены недостатки традиционных методов плавления металлических радиоактивных отходов (МРО). Предложена более экономически целесообразная технология плавления МРО с переводом радионуклидов в шлак и получением чугуна для вторичного использования в промышленности. Проведены экспериментальные исследования данной технологии и предложена модель лабораторной установки для проведения полупромышленных исследований процесса плавления МРО.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Radioactive metal melting techniques in order to transfer the main part in the slag radionuclides

The article describes the shortcomings of traditional methods of melting metal waste (MRW). Offered a more cost-effective technology transfer from melting MPO radionuclides in the slag and iron to produce recycled in the industry. Experimental studies of the technology and the model of the laboratory setup for the semi MRI studies of melting.

Текст научной работы на тему «Технология плавления радиоактивного металла с целью перевода основной части радионуклидов в шлак»

УДК 621.039.736

В.И. Гуменюк, В.Н. Ломасов, А.В. Моторный, А.Р. Коробицын

ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАВЛЕНИЯ РАДИОАКТИВНОГО МЕТАЛЛА С ЦЕЛЬЮ ПЕРЕВОДА ОСНОВНОЙ ЧАСТИ РАДИОНУКЛИДОВ В ШЛАК

В современном мире по прежнему одной из актуальных проблем остается утилизация металлических радиоактивных отходов (МРО) с целью перевода основной части радионуклидов в шлак и повторного использования пригодного металла для промышленности

В результате деятельности предприятий атомного комплекса, реализации оборонных программ, использования в народном хозяйстве источников ионизирующего излучения в хранилищах ФААЭ России хранится около 10 млн т радиоактивных ломов, загрязненных металлоконструкций и специальной техники с суммарной активностью не менее 10 млн Ки. Ежегодная наработка радиоактивных ломов на российских АЭС оценивается в размере 1 тыс. т.

Основная технология переплава загрязненного радионуклидами сплава железа в настоящее время — переплав в индукционных и дуговых электрических печах. Переплав цветного металла в дуговых электрических печах в небольших маштабах практикуется фирмами Studsvik (Швеция) и BNFL (Великобритания). Черный металл и нержавеющую сталь в дуговой печи переплавляет фирма INFANTE (Франция). Плавка в дуговой печи имеет преимущества перед плавкой в индукционной печи в силу значительно лучшего прогрева шлака и, как следствие, возможности широкого варьирования его состава. Но плавка сплавов железа в индукционных печах дает меньший выброс газов и пыли из плавильного пространства. К тому же плавильный тигель индукционной печи можно оснастить эффективным укрытием и отсосом газов, что затруднительно для дуговой печи. Кроме того, электрическая дуга вызывает испарение металла и шлака.

Существующие способы переплава загрязненного радионуклидами стального скрапа в электрических индукционных печах малотоннажны, а также имеют недостаток, присущий индукционным печам: для расплавления и на-

грева до необходимой температуры шлака требуется разогреть и расплавить металл; от него шлак получает тепло.

Переплав стального скрапа на чугун в шахтной печи типа вагранки позволит уменьшить температуру процесса и обеспечить постоянное и непрерывное (несколько недель, месяцев) его течение с первоначальным расплавлением шлака и поверхностных загрязненных слоев скрапа.

Отходящие газы, образующиеся при сгорании топлива (кокс и уголь), не могут содержать радионуклиды скрапа. В газах может быть пыль, образовавшаяся при трении и ударах кусков скрапа, и возгоны из жидких металла и шлака. Но процесс плавления и температурный режим можно организовать с минимизацией этого.

В этой связи интересно исследовать данный плавильный процесс для перевода радионуклидов в жидкий шлак с образованием чугуна. Производительность современных вагранок позволит на одном заводе сконцентрировать переплав всех стальных МРО, накопленных и образующихся в России и в мире.

Методика эксперимента и оборудование

Лабораторное исследование переплава стали, загрязненной радионуклидами, имеет целью показать эффективность перехода радионуклидов из поверхностных слоев скрапа в жидкий шлак при плавлении с образованием чугуна в соответствии с ГОСТ Р 51713—2001 «Слитки черных и цветных металлов. Допустимые уровни удельной активности гаммаизлучающих радионуклидов», без заметного радиоактивного загрязнения отходящих газов. Для исследования применен процесс плавления в тигле. Характерное для противоточной шахтной печи движение шихты и газов имитировано путем послойного расположения в тигле материалов: шлакообра-зующих — внизу, нарезки радиоактивной стали — над ними, углеродосодержащий материал — между ними.

Образцы сплавов железа готовили из смеси стали Х18Н10Т, облученной на циклотроне МГЦ-20, и загрязненной стали из хранилища.

Радионуклиды в нержавеющей стали получаются в результате ядерных реакций. Радио-нуклидный состав облученных образцов зависит от содержания компонентов в сплаве, времени облучения, периода полураспада радионуклидов и сечения (вероятности) захвата протонов. В нашем случае наиболее вероятны следующие реакции:

5Фе(р,й)56Со 58№(р,2й)57Со 52Сг(р,й)52Мп 48Б(р,й)48У

Радионуклидный состав образцов до и после переплавки определялся по наиболее интенсивным гамма-линиям. Сведения о характеристиках гамма-спектров анализированных нуклидов приведены в табл. 1.

Измерения спектров гамма-излучения сплавов до и после переплавки, а также спектров излучения образовавшихся шлаков проводили с использованием полупроводникового детектора, обладающего высоким разрешением, что позволило достаточно точно определять изотопный состав образцов до и после переплавки.

Подготовка образцов и плавка

Для переплавки образцы сплавов железа смешивали с шихтой различного состава. Состав шихты выбирался на основе имеющегося у авторов опыта; он приведен в табл. 2.

Для всех составов масса стали составляла 4 г, графита — 0,5 г.

В работе использовали реактивы следующей квалификации: магнезия MgO — «Ч»; мел СаС03 — «Ч»; окалина Fe2Oз — «ЧДА»; сода безводная — №2С03 — «Ч»; кварцевый песок SiO2 — «Ч»; корунд А1203 — «Ч»; углерод С — БАУ-А ГОСТ 6217; бура — марка Б ГОСТ 8429-77.

В графитовые тигли типа АТ 4/0 помещали шихту в соответствии с табл. 2, добавляли уголь, насыпали металлические отходы, кусочки нержавеющей стали и облученную фольгу. Спектр гамма-излучения измеряли с использованием полупроводникового детектора.

Облучение образцов стали Х18Н9Т проводили на циклотроне протонами с энергией 18 МэВ током 15 мкА в течение 24 часов. Далее облученные образцы разрезали на несколько частей и подбирали кусочки с примерно одинаковой активностью.

Подготовленные к плавке образцы в графитовых тиглях помещали в алундовые тигли КТЦ-

Таблица 1

Ядерные характеристики радионуклидов (выделены аналитические гамма-линии)

Период Энергия Относительная

Радионуклид полураспада, гамма-линий, интенсивность гамма-линии

сут кэВ (фотон/распад), %

56Со 77,3 846,8 99,96

1037,9 14,1

1175,1 2

1238,3 66

1360 4,3

1770 15,5

2034 7,76

52Мп 5,6 744,2 90,4

935,5 94,9

1333,6 5,1

1434 100

48V 15 983,5 100

944,1 7,75

1312,1 99,98

Таблица 2

Составы шихты для переплавки образцов (масса в г)

№ п/п Содержание (масса), г

Si о2 СаС03 со3 Бура Р"е2°3 А12°3 Mg0

1 1 1,66 - - - -

2 1 1,66 0,1 - - -

3 1 1,66 - 0,1 - -

4 1 1,66 - - 0,05

5 1 1,66 0,1 - 0,1 -

6 0,9 1,66 - - - 0,1

7 0,9 1,66 0,1 - - 0,1

8 1 1,56 - - - - 0,1

9 1 1,56 0,1 - - - 0,1

10 0,9 1,56 0,1 - 0,1 0,1 0,1

30 с целью сохранения образцов в случае возможного разрушения графита в процессе плавки.

Плавку осуществляли в хромит-лантановой электропечи, позволяющей развивать температуру до 1750 °С. Управление нагревом осуществляли с помощью регулятора УА^А-407. Температура переплавки образцов была выбрана равной 1500 °С.

Подготовленные образцы помещали в холодную печь. Программа разогрева печи для всех образцов была одинаковой. По достижении температуры в 1500 °С образец выдерживали при этой температуре в течение часа. После этого печь остывала естественным путем.

Тигель после охлаждения разбивали, а спекшийся образец помещали в металлическую «ступку» и раскалывали. Получившиеся обломки чугуна и шлака разделяли путем магнитной сепарации. Образец чугуна был монолитным, а шлак представлял собой порошок.

Радионуклидный состав разделенных таким образом металла и шлака определялся путем измерения спектров гамма-излучения с использованием полупроводникового детектора.

Полученные результаты приведены в табл. 3. Анализ изменения состава металла после переплава проводился по наиболее отчетливым спектрам изотопов 48У, 52Мп и 56Со.

Таблица 3

Изотопный состав и активность образцов и шлаков после переплавки

Номер Масса металла Ток датчика радиоактивности, нА Содержание нуклида в металле после переплава % к общему

образца после переплава, г Металл Отходы Доля активности в металле, % 52М 56Со 48V

1 3,492 63,4 15,7 80 76 80 78

2 3,208 51,3 13,1 80 77 82 78

3 3,143 61,5 15,0 80 32 82 59

4 3,173 60,5 17,3 78 43 100 79

5 3,198 51,1 12,3 81 45 100 78

6 3,360 57,2 13,9 80 45 100 75

7 3,088 57,7 12,0 83 39 79 67

8 3,482 57,3 14,1 80 45 80 87

9 3,251 122 31,3 80 41 100 80

10 3,084 71,5 18,7 79 42 99 65

Измерения активности образцов и содержания радионуклидов в металле проводились в два этапа.

На первом этапе активность образцов и получившегося шлака оценивалась по датчику доз-калибратора РИС-1А, который оборудован ионизационной камерой. Прибор измеряет ионизационный ток камеры, а микропроцессор пересчитывает это значение в единицы радиоактивности в соответствии с заложенными в память прибора коэффициентами. На мониторе прибора результаты измерения могут быть представлены в единицах тока (пА или нА) и в единицах радиоактивности (мКи или МБк) для выбранного нами радионуклида.

В нашем случае мы измеряли активность смеси радионуклидов и не могли выделить этим прибором отдельный нуклид. Эти измерения проводились с целью получения оперативных сведений о возможности перевода части радионуклидов в шлак.

Поскольку выполненные таким образом измерения показали, что часть активности переходит в шлак, последующие измерения проводились с применением ППД, что позволило с точностью ±5 % определить радиоизотопный состав металла и шлака.

В последних столбцах табл. 3 приведены данные по содержанию трех изотопов в металле в процентах от общего их количества в соответствующем образце.

Измерение активности отходящих газов (как и сравнение активности образцов до и после переплавки) показало, что отходящие газы не радиоактивны.

Анализ приведенных результатов показывает, что введение буры, соды и корунда позволяет вывести в шлак значительную часть радиоактивного марганца и ванадия, в то время как кобальт в основном остается в металле.

Полученные результаты говорят о том, что при использовании переплавки для удаления радионуклидов из металла необходимо подбирать состав шихты в соответствии с предварительным радиоизотопным анализом.

Загрязненные радионуклидами сплавы железа разнородны по составу радионуклидов, по причинам загрязнения, по расположению загрязнений и по своему химическому составу.

Состав и расположение радионуклидов в сплавах во многом связан с причинами загрязнения. Например, состав и расположение радионуклидов в сплавах при наведенной радиоактивности, в одном случае, в ядерном реакторе и, в другом случае, в бурильных трубах с отложениями природных веществ не имеют ничего общего между собой.

По мере развития атомной энергетики и горнодобывающей отрасли все больше накапливается конструкционных и низколегированных сталей, загрязненных (в основном поверхностно) радионуклидами разнообразного состава. Переплав таких сталей с переводом большей части радионуклидов в шлак должен быть экономически выгодным, чего можно достичь, упростив (не в ущерб безопасности) технологию переплава и конструкции установок, а также увеличив масштаб производства примерно на порядок по сравнению с настоящим временем.

Технология переплава в шахтной противо-точной печи типа модернизированной вагранки позволит достичь указанной цели. Причины этого — в применении для плавления металла кокса, угля, антрацита взамен электроэнергии, уменьшение температуры ведения плавки (ввиду получения жидкого чугуна, а не стали), использование дешевых шлакообразующих материалов, более дешевого оборудования, чем у электрических печей, в большем масштабе производства (до десятков и сотен тысяч тонн чугуна в год). К большому экономическому эффекту и повышению безопасности работы может привести уменьшение либо полный отказ от дезактивации металла перед переплавом. Такую возможность необходимо исследовать на опытной установке.

Безопасность процесса может повышаться за счет относительно низких (1400—1500 °С) температур плавления, что уменьшает переход в газовую фазу радионуклидов, а также очистки газа в шахте печи при его прохождении через слой шихты, которая содержит кокс и уголь, являющиеся сорбентами. Вся установка, включая газоочистку, должна быть герметичной и газоплотной. Содержание радионуклидов в газах и пыли, выход газа и пыли целесообразно измерять на опытной установке при переплаве образцов реальной шихты.

Наш эксперимент по плавке металла и его взаимодействию со шлаком в результате дал металл с составом, характерным для чугуна. Полученные результаты позволяют предположить, что опытная промышленная установка должна представлять собой вагранку. Применение вагранки для переплава стальных малорадиоактивных отходов потребует модернизации ее конструкции и оборудования, доработку технологии плавки с учетом требований, предъявляемых при их переплавке. Одно из основных требований — газоплотность вагранки и безопасная эффективная очистка отходящих газов. Это может быть достигнуто приданием конструкции и оборудованию вагранки некоторых элементов, присущих современной доменной печи, включая: стальной газоплотный сварной корпус; горн с возможностью накопления в нем расплавленных чугуна и шлака; высокостойкую футеровку; водяные охлаждения элементов конструкции;

шлюзовое загрузочное устройство; эффективную очистку отходящих газов (в том числе и от шлюзового загрузочного устройства) в газоплотной сухой газоочистке;

устройства для механизированного вскрытия и заделки лётки выпуска чугуна и шлака;

укрытие мест выпуска чугуна и шлака и мест их обработки, сухую очистку аспирируемого воздуха.

Шлакообразующие материалы ваграночной плавки — это зола топлива (кокса, угля, антрацита), флюсы (известняк и доломит) и добавки для придания шлаку нужных свойств (например, плавиковый шпат, окалина и прочие). Необходимые свойства затвердевшего шлака — прочность, отсутствие саморассыпания, нерастворимость в воде и агрессивных средах.

В чугуне (без применения в шихте ферросплавов) будет содержаться примерно 4,5 % углерода и сотые доли процента кремния. Количество марганца, хрома, никеля, титана и других элементов будет зависеть от химического состава металлической шихты. Можно ожидать содержание серы 0,03-0,05 %, фосфора — до 0,1 %. Таким образом, получающийся «синтетический» чугун будет отличаться от доменного в основном по кремнию, марганцу и легирующим элементам, тем не менее он будет ценным

товарным продуктом (его цена во многом будет определяться содержанием легирующих элементов).

В шлаке, как указывалось выше, соотношение кремнезема и оксида кальция будет около единицы, что обеспечит его требуемые свойства. Количество остальных окислов и соединений будет зависеть от конкретной шихты.

Переплав загрязненных радионуклидами сплавов железа на чугун в модернизированной вагранке будет проводиться по технологической схеме, включающей следующие операции:

загрузку и подготовку поступающего радиоактивного металла (прием, разгрузка, дезактивация, разделка, разделение по видам и фракциям, сушка, хранение);

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

прием технологического топлива, флюсов и добавок, их подготовку и хранение;

дозирование шихтовых материалов перед загрузкой в плавильную печь;

загрузку шихтовых материалов в плавильную печь через шлюзовое устройство;

плавку шихты в печи (модернизированная вагранка);

выпуск из печи продуктов плавки (жидкие чугун и шлак);

разделение жидких чугуна и шлака в желобе; разливку чугуна в чушки «на плацу» либо (при большом объеме производства) на специальной разливочной машине;

складирование чугунных чушек (развес примерно по 12-15 кг) в насыпном штабеле; разливку шлака в футерованные приямки; механизированное дробление застывшего шлака;

загрузку дробленого шлака в контейнеры и хранение их на отгрузочном складе;

сухую газоочистку отходящего из вагранки газа и аспирируемого воздуха;

загрузку пыли газоочистки и аспирации, пыли и мелочи от разделки и дезактивации скрапа, а также пыли от дробления шлака в плавильную печь (возможно, с комкованием пыли).

Выполненный в работе эксперимент показал, что в результате переплавки радиоактивного металла можно перераспределить радионуклиды между шлаком и выплавленным металлом.

Этот результат получен на примере радионуклидов 48У, 52Мп и 56Со. Количество и состав

перешедшей в шлак примеси зависит от состава шихты.

Наличие радионуклидов в составе отходящих газов не обнаружено.

Полученные результаты свидетельствуют, что при использовании переплавки для удале-

ния радионуклидов из металла необходимо проводить предварительный анализ радиону-клидных загрязнений с применением ядерно-спектрометрической аппаратуры высокого разрешения и подбирать в соответствии с этим состав шихты.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Круглов, А.К. Как создавалась атомная промышленность в СССР [Текст] / А. К. Круглов.— М.: ЦНИИАТОМИНФОМ, 1995.— 380 с.

2. Андрюшин, И.А. Укрощение ядра. Страницы истории ядерного оружия и ядерной инфраструктуры СССР [Текст] / И.А. Андрюшин,

А.К. Чернышев, Ю.А. Юдин.— Саров, Саранск: Типография «Красный Октябрь», 2005.— 481 с.

3. Ключников, А. А. Радиоактивные отходы АЭС и методы обращения с ними [Текст] /

A.А. Ключников, Э.М. Пазухин, Ю.М. Шигера,

B.Ю. Шигера.— Чернобыль, 2005.— 495 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.