Файл: Пауков А.В. Радиоактивные изотопы - помощники металлургов об опыте применения радиоактивных изотопов в металлургии.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 01.08.2024
Просмотров: 20
Скачиваний: 0
АВ. Паунов
АМ Снребңов
РАДИОАКТИВНЫЕ
ИЗОТОПЫ —
ПОМОЩНИКИ
МЕТАЛЛУРГОВ
А. В. Пауков А. М. Скребцов
РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗОТОПЫ — ПОМОЩНИКИ МЕТАЛЛУРГОВ
Об опыте применения радиоактивных изотопов в металлургии
ИЗДАТЕЛЬСТВО „ДОНБАС“' ДОНЕЦК-1976
впз.і
П21
Гес. ny4.''-’4'W 1
(каучр- ' - Л**3 І
|адггAÆHOГ’, і S АЛЛ I
,є-зб /ЗО
31005—068 М213(04)—76 56—76
(g) Издательство «Донбас», 1976,
ВВЕДЕНИЕ
Основными направлениями развития народного хо зяйства СССР на 1976—1980 годы предусмотрено широ кое внедрение прогрессивной техники и технологии, обес печивающих повышение производительности труда н ка чества продукции, ускорение внедрения научных дости жений в народное хозяйство.
В век научно-технической революции большую роль играет использование новейших достижений науки и тех ники. Это прежде всего относится к области прикладной ядерной физики, которая дала металлургам новые сред ства и методы исследований и контроля процессов, основанные на применении радиоактивных изотопов и источников ядерного излучения.
Чрезвычайно эффективно применение радиоактивных изотопов в металлургии при использовании их в каче стве меченых атомов (радиоактивных индикаторов) с целью совершенствования технологических процессов.
Металлургические процессы, протекающие в огром ных по своим размерам агрегатах при высоких темпера турах и давлениях, трудно поддаются непосредственным наблюдениям не только визуально, но и при помощи раз личных приборов. Поэтому во многих случаях о ходе процесса судят по косвенным показателям, что очень ча сто не дает возможности получать объективные данные для правильной его оценки.
Метка как средство научного исследования приме няется очень давно. Достаточно сослаться на пример с кольцеванием птиц: на кольце, надетом на ногу птицы,
3
записано, где и когда произведено кольцевание. Такая простая метка позволяет установить маршруты, скорость перелета птиц и ряд других вопросов.
Но как, например, проследить за превращением и рас пределением веществ в сложных металлургических си стемах? В подобных случаях кольцевания не приме нишь.
Присутствие радиоактивных атомов легко обнару жить по тому излучению, которое они непрерывно испу скают. Это излучение и служит «меткой» для других атомов того же элемента. Радиоактивные и стабильные атомы одного и того же элемента ведут себя совершенно одинаково в большинстве физико-химических процессов. Именно это делает их чрезвычайно удобной и универ сальной меткой, так как радиоактивные элементы прак тически можно подмешивать к любому другому веще ству или объекту.
Исключительно высокая чувствительность метода и возможность его применения без нарушения хода изу чаемого процесса в промышленных агрегатах сделали радиоактивные индикаторы универсальным средством исследования.
Радиоактивные изотопы получили широкое распро странение в металлургии и как источники излучения. Здесь необходимо отметить два основных направления: радиоизотопные приборы и гамма-дефектоскопия (про свечивание) металлов.
Измерительные устройства, основанные на существу ющих ранее принципах действия, часто уже не удовле творяют новым повышенным требованиям металлургии. Способность радиоактивного излучения проникать через большие толщи вещества н вызывать в нем ионизацию открыла возможности для создания прежде всего бес контактных методов контроля и регулирования, позво ливших решить ряд важных технических задач, считав шихся ранее неразрешимыми.
4
ОСНОВЫ МЕТОДА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ
Общие понятия об изотопах
Каждый атом химического элемента представляет си стему, состоящую из положительно заряженного ядра и электронных оболочек, несущих отрицательный заряд.; Атомное ядро, в свою очередь, состоит из элементарных' частиц двух видов: протонов и нейтронов. Протон—. частица, обладающая положительным зарядом, равным по величине электрическому заряду электрона; нейтрон заряда не имеет. Величина заряда ядра определяется только числом входящих в него протонов. Число прото-, нов в ядре данного элемента строго постоянно, число же нейтронов может меняться. Разновидности атомов одно-, го и того же химического элемента с одним и тем же ко личеством протонов и разным количеством нейтронов, іносят название изотопов (буквальный перевод — «зани мающий одно и то же место»).
Изотоп элемента принято обозначать символом соот ветствующего химического элемента с двумя цифрами — массовым числом А, помещаемым сверху (слева), и атомным номером или зарядом ядра (число протонов), помещаемым внизу (слева). Например, три изотопа хро ма обозначаются: 2452Сг, 2453Сг и 2454Сг. Атомный номер не всегда записывается, так как величина заряда ядра определяется химическим символом элемента. Поэтому пользуются упрощенным написанием с указанием только массового числа элемента, например 45Са (кальций-45 или Са-45), 60Со (кобальт-60 или Со-60).
Идентичность химических свойств различных изото пов одного и того же элемента лежит в основе метода «меченых» атомов.
Б
Различают устойчивые (природные, стабильные) и не устойчивые (очень часто искусственные радиоактивные) изотопы. Вариант метода «меченых» атомов, в котором метка осуществляется при помощи стабильных изотопов,
называют методом стабильных изотопов.
Преимуществами стабильных изотопов являются их устойчивость и отсутствие ядерных излучений. Сложная техника обнаружения, низкие чувствительность и точ ность методов количественного определения составляют основные недостатки метода.
Вариант метода меченых атомов, основанный на ис пользовании радиоактивных изотопов, называют мето дом радиоактивных индикаторов.
! Ядерные превращения можно вызывать искусственно, если ядра атомов бомбардировать заряженными, пред варительно ускоренными ядерными частицами.
В результате необычайного прогресса ядерной энер гетики появилась практическая возможность получения радиоактивных изотопов практически для всех элементов периодической системы. И для подавляющего большин ства их могут быть выбраны изотопы, пригодные для использования в качестве радиоактивных индикаторов. Это обеспечило универсальность метода меченых атомов.
Свойства радиоактивных изотопов
Как уже отмечалось, первое замечательное свойство состоит в том, что радиоактивные атомы какого-либо элемента не отличаются по обычным физическим и хими ческим свойствам от нерадиоактивных атомов того же элемента. Например, радиоактивный фосфор с атомным весом 32 (фосфор-32) ничем не отличается от обычного фосфора-31. Во всех химических реакциях поведение фосфора-32 и фосфора-31 совершенно идентично: темпе ратура плавления и кипения, цвет, аллотропия и т. п. совершенно одинаковы.
ß
Второе замечательное свойство радиоактивных ато мов заключается в их способности испускать различного рода ионизирующие излучения (в основном, трех типов: альфа, бета и гамма), которые при взаимодействии с ве ществом прямо или косвенно создают в нем заряженные атомы или молекулы — ионы.
Энергия частиц и гамма-квантов у различных изото пов меняется от нескольких десятков килоэлектрон-вольт. (кэВ) до нескольких мегаэлектрон-вольт (МэВ). (Энер гию в 1 электрон-вольт приобретает электрон при про хождении ускоряющей разности потенциалов в 1 вольт). Например, энергия ß-частиц у фосфора-32— 1,7 МэВ, у серы-35 — 0,17 МэВ, энергия гамма-квантов у кобаль та-60— 1,17 и 1,33 МэВ.
Третье свойство — скорость распада радиоактивных веществ. Ее принято характеризовать величиной периода полураспада — промежутка времени, в течение которого распадается половина ядер данного радиоактивного изо
топа.
Активность радиоактивного изотопа определяется числом распавшихся атомов в единицу времени. За еди ницу активности принят 1 кюри — активность такого ко личества радиоактивного вещества, в котором в одну се кунду происходит 3,7-ІО10 распадов. Производные этой единицы — милликюри (мК) и микрокюри (мкК).
Методы исследования и регистрации излучения зави сят от вида излучения и характера взаимодействия его с веществом, результатом которого является ионизация.
Работа с радиоактивными веществами
Выбор радиоактивных изотопов для исследования ка кого-либо металлургического процесса определяется фи зико-химическими свойствами вещества изотопа, видом и энергией излучения, периодом полураспада, общей и удельной активностью. Поэтому далеко не все нзвест-
7
ные искусственные и естественные радиоактивные изо топы могут служить индикаторами. Количество пригод ных для использования в металлургии изотопов ограни чено. Например, желательно, чтобы период полураспада изотопа был минимальным, но не меньше времени экспе римента, от которого зависит общая начальная актив ность. В то же время остаточная интенсивность излуче ния должна быть достаточной для надежной регистра ции соответствующими приборами. В металлургических исследованиях чаще всего применяются изотопы с пе риодом полураспада от нескольких до 60 суток.
Если требуется выяснить поведение какого-либо хи мического элемента в процессе, чрезвычайно желательно использовать радиоактивный изотоп того же элемента и в том же соединении, что и исследуемый элемент.
При исследовании процессов бывает нужно, чтобы вводимый в систему изотоп находился только в металле или только в шлаке. Например, для определения массы металла в металлургическом агрегате следует применять такой радиоактивный изотоп, который не окислялся бы и не переходил в шлак.
Для других целей важны другие физико-химические- характеристики. Так, чтобы проконтролировать процесс износа футеровки металлургических агрегатов, следует использовать радиоактивные изотопы, обладающие вы сокой температурой плавления и большим атомным но мером (примеры выбора изотопов для различных иссле дований приведены дальше).
Радиоактивные вещества изготавливаются и постав ляются потребителям или непосредственно в смеси изо топов соответствующего чистого элемента, причем радио активные атомы составляют тысячные и меньшие доли процента, или в различных химических соединениях. Пре параты характеризуются удельной радиоактивностью в милликюри на грамм вещества. Например, порошкооб разный красный фосфор, содержащий фосфор-32, по
S
ставляется с удельной активностью 100—400 мКУг, каль ция-45 (окись кальция) — 1—6 мК/г, хрома-51 (окись хрома) — 100—1500 мК/г и т. д.
Радиоактивные препараты могут быть твердыми, жидкими, сыпучими и газообразными. Ассортимент хи мических соединений, меченіных по самым различным изотопам, поставляемых Всесоюзным объединением «Изотоп», достаточно широк. Но не всегда нужные со единения оказываются в промышленном выпуске. По этому часто возникает необходимость приготовления их непосредственно в лаборатории, используя для этого в качестве основы наиболее близкое к требуемому мече ное соединение. В лаборатории проводится и дальней шая подготовка радиоактивных изотопов для проведе ния работы в производственных условиях: расфасовка и дозировка (отвешивание или отмеривание), выплавка радиоактивных .металлов или флюсов, дробление шла ков, руд, известняка, различные методы активирования исходных материалов.
Большей частью радиоактивный изотоп можно ввести непосредственно в поставляемых ампулах и пеналах, поместив их предварительно в защитные оболочки (кера мические или металлические ампулы и т. д.). В таком виде ампула крепится к металлической штанге и' вводит ся в изложницу с жидким металлом, в определенную точку расплава в мартеновской печи и т. д. В других случаях источник излучения помещают в отверстие, вы сверленное в куске шихтового материала, после чего от верстие забивают пробкой из того же материала или огнеупорной глиной. Такой способ применяют для приго товления индикаторной шихты при исследовании движе ния шихтовых материалов в доменной печи.
Очень часто пометить материал можно только мето дом пропитки. Так, например, активируют руду и кокс, погружая куски их в раствор соли железа, содержащий радиоактивный изотоп железа-59; известняк мелких
9
фракций для печей кипящего слоя; все исходные мате-' риалы при исследовании агломерационного произвол-: ства; некоторые виды огнеупоров и т. п.
Ввод радиоактивных изотопов. Способов ввода их в жидкие чугун, сталь, шлак может быть очень много. Об щими требованиями к ним являются простота, радиоло гическая безопасность и достижение поставленной цели.
Первый пример. Нужно быстро достичь равно мерного распределения индикатора в шлаке мартенов ской печи,— при этом одновременно вводят несколько ампул (3—5). Материал ампул должен обеспечить бы строе попадание изотопа в ванну, поэтому применяют либо стальные ампулы с медной крышкой и тонкой стен кой, либо ампулы из огнеупора (легко растворяющегося в шлаке).
Второй пример. Нужно в период плавления равномерно «заразить» металл каким-либо изотопом.. Как известно, в период плавления работать у завалоч-- ных окон печи небезопасно. Поэтому изотоп можно в любой ампуле забросить в чугуновозный ковш при на полнении его металлом из миксера. Ампула растворится, в металле при транспортировке чугуна, и изотоп будет введен в печь с залитым чугуном.
Третий пример. Изотоп хрома-51 надо ввести в
металл вместе с феррохромом (2—3 т). Для этого весь феррохром расплавляют в дуговой электропечи и вводят в него в любой ампуле изотоп хрома-51. После охлажде ния феррохром дробят на куски и присаживают в мар теновскую печь или конвертер в период, определяемый технологией сталеварения.
Отбор проб и регистрация излучений. Специфика ра бот в большегрузных металлургических агрегатах за ключается в том, что радиоактивностью «заражаются» большие массы металла и шлака. Для снижения радиол логической опасности, предельного уменьшения концент-. рации радиоактивных веществ в исходной продукции и.
10
удешевления стоимости препаратов, расходуемых на один опыт, нужно максимально снижать общий и удель ный расход радиоиндикаторов.
Проблема снижения расхода изотопов на опыты в металлургии связана с размерами и массой отбираемых проб, а также с чувствительностью аппаратуры, реги стрирующей радиоактивные излучения. Что касается ме тодики отбора проб, то она прежде всего зависит от характера изучаемого объекта. В зависимости от постав ленных задач отбор проб производится из одной или нескольких точек объекта, единовременно или последо вательно, по мере развития процесса. Так, пробы шлака из мартеновской печи отбирают намораживанием на стальную трубу или пробной ложкой сталевара. Пробы металла отбирают специальными пробницами.
Из конвертера пробы металла и шлака отбирают по ходу продувки различными способами. В большинстве случаев для этого останавливают продувку и наклоняют конвертер. Иногда изготовляют специальные штанги с пробницами, которые опускают в конвертер сверху. В та ком случае пробы удается отобрать без прерывания про дувки. Конструкции пробниц и размеры отливаемых проб металла (при отборе ложкой) определяются типом детектора (детектировать — «обнаруживать») излучения и регистрируемой аппаратурой.
Под регистрацией излучения понимается качествен ное обнаружение и количественное определение ядерно го излучения данного радиоактивного препарата. В на стоящее время известно много методов регистрации из лучений. В зависимости от эффекта взаимодействия излучения с веществом их можно подразделить на сле дующие основные типы.
Ионизационные методы. Регистрация излучения про изводится при помощи соответствующих детекторов из лучения: ионизационных камер и газоразрядных счетчи ков (счетчиков Гейгера-Мюллера). Детекторы этого ти
11