К 60—летию ЦНИИчеомета им. И.П.Бардина
РАДИАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
© М.Г. Исаков, генеральный директор,
Н.П. Валуев, директор Центра радиационного мониторинга и безопасности, Ю.В. Мойш, Н.В. Никоненков
ЦНИИчермет им. И.П. Бардина
В последнее время значительно возрастают объемы радиоактивных отходов, образующихся в ядерно-энергетическом, оборонном и нефтегазовом комплексах страны. Несанкционированный оборот радиоактивных металлоотходов, других источников радиации, а также сырья с повышенным содержанием радиоактивных веществ приводит к инцидентам в металлургическом производстве с серьезными экономическими и экологическими последствиями. Так, затраты предприятия на ликвидацию ущерба достигают 30 млн долл. Предотвращение радиационных аварий в металлургии возможно за счет внедрения современных технологий радиационного мониторинга основных металлургических производств. К настоящему времени в России и за рубежом мониторинг металлолома осуществляется практически на всех металлургических предприятиях. Однако существует определенная вероятность пропуска радиоактивных источников при контроле металлолома и сырья с повышенной радиоактивностью. Поэтому необходим мониторинг самих металлургических процессов, что позволит снизить ущерб от радиоактивных аварий и обеспечить гарантированное производство радиационно чистой металлопродукции.
В ЦНИИчермете выполнен комплекс работ по исследованию основных закономерностей поведения радионуклидов в процессах металлургического передела, на основании чего разработаны методы контроля основных металлургических производств и даны рекомендации по снижению вредных последствий радиоактивного загрязнения плавки. В статье приведены результаты исследований и процедуры мониторинга доменного, сталеплавильного и прокатного производств и процесса разливки стали.
В доменном производстве используются радиоизотопные приборы технологического контроля, содержащие источники 60Со, 137Сэ, 239ри. Нуклид 60Со используется также для определения износа кладки лещади печи. Определенный вклад в радиационный фон вносят нуклиды уранового и тори-евого ряда, присутствующие в рудных концентратах. Поведение этих нуклидов в доменной плавке определяется типом химического соединения и физическими характеристиками самого нуклида. Источники ,37Сб, используемые в радиоизотопных приборах, представляют собой, как правило, оксид, нитрид или хлорид цезия, источники 60Со выполняются в виде металлической проволоки, плутониевые источники представляют собой композицию соли 239Ри и бериллиевого порошка. Урановый и ториевые соединения равномерно распределены в объеме минерального сырья.
Радионуклиды, поступающие в доменную печь, по мере опускания шихты из колошника к горну вступают в физико-химическое взаимодействие с компонентами шихты и поднимающимися снизу газами. В колошнике температура шихты и газов не превышает 300-400 °С. В низу шахты печи температура повышается до 1100 °С, в районе распада до 1200 °С и в верхней части горна до 2000 °С. Основная часть перемещения шихты с радионуклидами сверху вниз находится в области умеренных температур, меньшая часть - в зоне сравнительно высоких. Продолжительность нахождения радионуклидов в расплаве не превышает 10-15% времени нахождения их в доменной печи.
Поведение нуклида 60Со в доменной печи зависит от способа попадания источника в печь: с шихтой или
как индикатора разгара кладки лещади печи. При поступлении с шихтой по мере движения ее вниз источник постепенно прогревается. Заметное взаимодействие нуклида с шихтой и газами начинается в нижней части шахты печи. Некоторая часть источника окисляется и вместе с газами выбрасывается в верх печи. Небольшая часть окисленного 60Со переходит в формирующийся шлак, а большая часть расплавляется в жидком чугуне. Газы, содержащие продукты окисления 60Со, попадают в систему газоочистки, что требует ее очистки и замены фильтров в пылеуловителях. Выщелачивание шлака, содержащего 60Со, приводит к загрязнению окружающей среды. Доля нуклида, растворенного в металле, составляет 50-80% общего его количества, поступающего в доменную печь. Если же нуклид 60Со используется как индикатор разгара кладки, то более 95% источника остается в жидком чугуне, что может представлять опасность для сталеплавильного процесса.
Поведение нуклида 137Сэ определяется в основном типом химического соединения. Если источник представлял собой оксид или нитрид цезия, основное его количество уходит с газами уже в верхней части шахты печи и может загрязнить систему газоочистки. Если источник содержит хлорид цезия, имеющего более высокую температуру разложения, то определенная часть нуклида попадает в шлак. В чугуне цезия содержаться не должно. Доля нуклида, оставшегося в шлаке, не превышает 10-15% общего его количества, поступившего в доменную печь.
Поведение нуклида 239Ри отличается тем, что содержание его в шлаке в 2-3 раза выше, чем в газопылевых
ййщщ
продуктах. В чугуне может остаться лишь небольшое количество (до 2-3%) плутония. В связи с этим 239Ри не является возможным загрязнителем чугуна и не представляет опасности для сталеплавильного процесса.
Определенный вклад в радиационный фактор доменного процесса вносят нуклиды уранового и торие-вого семейств. Семейство урана включает следующие нуклиды: 238и, 234Ра, 23411, 230ТИ, 222Вп, 21бРо,
218А^ 214РЬ1 214В1, 210Д 210РЬ, 210В|, 2Юр0, 206Т1. В ТО-риевый ряд входят: 232ТИ, 228Яа, 228Ас, 228ТИ, 224Яа, 220ТИ, 216Ро, 212РЬ, 212В1, 212Ро, 2°8Т1, 208РЬ. поведение нуклидов в доменном процессе различно - одни поступают в шлак, другие возгоняются и переходят в пылевые фракции. В чугуне могут растворяться только нуклиды ТИ, однако их радиационный вклад незначителен, поэтому заметного загрязнения чугуна от природных радионуклидов не происходит, а сам процесс его производства по существу является радиационным рафинированием минерального сырья.
Анализ поведения нуклидов в доменной плавке показывает, что основные у-излучающие нуклиды не попадают в чугун, а концентрируются в шлаковой фракции. Поведение 214РЬ, 210РЬ и 216Ро, 210Ро отличается от поведения материнских радионуклидов: они практически полностью возгоняются в ходе доменного процесса. Перешедшие в газовую фазу 210РЬ, 210Ро при снижении температуры газов, прошедших через слой шихты в шахте печи, должны концентрироваться и адсорбироваться поверхностью частиц пыли, особенно тонких фракций. Поэтому следует ожидать обогащения пылевой фракции нуклидами 210РЬ, 210Ро. В связи с этим значительного загрязнения газоходов доменной печи не происходит.
Степень радиоактивного загрязнения чугуна зависит от характера этого загрязнения - природного или техногенного. Из природных радионуклидов в чугуне могут остаться нуклиды тория. Содержание нуклида 232ТИ в железорудном сырье составляет 10-100 Бк/кг. Приблизительно половина тория в процессе плавки переходит в шлаковую фазу. Основная часть продуктов распада 232ТИ перераспределяется между шлаковой и пылевой фракциями. Из всех нуклидов в чугуне остается только 232Т1п, 234ТТ|, 230ТИ, 228ТИ. Радиационный выход указанных нуклидов составляет -10% от суммарной радиации 232Т11, находящегося в равновесии с продуктами своего распада. Таким образом, максимальное содержание природных радионуклидов в чугуне в радиационном эквиваленте не превышает 5-10 Бк/кг, что значительно ниже допустимых концентраций радионуклидов в металле (300 Бк/кг).
Из техногенных в чугуне может содержаться практически только нуклид 60Со. В том случае, когда это нуклид используется в качестве индикатора износа огнеупорной кладки лещади доменной печи, в плавку объемом 100-150 т попадает источник активностью 3-10 мКи. Этот нуклид полностью растворяется в жидком чугуне, удельная активность которого может составить 1-2 Бк/г, что значительно превышает допусти-
мую норму содержания радионуклидов в металлическом расплаве. Попадание такого чугуна в конвертер может привести к загрязнению выплавляемой стали до 0,5-1,5 Бк/г. Вопрос о ее использовании и утилизации должен решаться органами Госсанэпиднадзора РФ.
В случае, если в доменную плавку попал радиоизотопный источник 60Со, используемый например, в приборах для измерения уровня поверхности шихты в доменной печи, то 80-90% активности этого нуклида перейдет в жидкий чугун. В настоящее время в радиоизотопных приборах применяются источники различной активности: от нескольких десятков мКи до нескольких Ки; типичные значения 0,3-0,5 Ки. При расплавлении такого источника жидкий чугун в количестве 100-150 т становится радиоактивным, его удельная активность в этом случае может составить 100-200 Бк/г. Использование загрязненного чугуна при выплавке стали в конвертерах приведет к загрязнению выплавляемой стали до 50-150 Бк/г, что более чем в 100 раз превышает норму. Заметного загрязнения доменной печи, ковшей, чугуновоза, конвертера не происходит, так как практически вся активность источника 60Со сосредотачивается в чугуне и стали. Некоторая часть (2-3%) радиоактивного металла может попасть в шлак.
Таким образом, попадание нуклида 60Со в доменную плавку приводит к загрязнению чугуна и выплавляемой стали. При этом возможны два уровня загрязнения: около 1 Бк/г и 100 Бк/г. Заметного загрязнения металлургических агрегатов и территории предприятия не происходит.
Для прогнозирования радиационной опасности сталеплавильного процесса, в котором используется чугун, необходима оперативная оценка радиационной чистоты чугуна. Ее целесообразно проводить в процессе доменной плавки путем анализа радиоактивности проб чугуна, отбираемых по ходу плавки. В связи с тем, что допустимая норма содержания радионуклида 60Со в металле составляет 300 Бк/кг, чувствительность аппаратуры для определения радиационной чистоты чугуна должен составлять 150-200 Бк/кг, что обеспечит гарантированную радиационную безопасность выплавляемой стали, удельная активность которой в 1,5-2 раза ниже удельной активности чугуна. При массе анализируемой пробы 200 г длительность анализа с указанным пределом обнаружения не превысит 2-3 мин. Такая скорость контроля позвол
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.