| 【発明の名称】 |
活性金属材料の溶解保持方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】草道 龍彦
【氏名】蜷川 伸吾
【氏名】長尾 元裕
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| 【要約】 |
【課題】活性金属材料や高融点物質を高温で溶融して保持する方法において、水蒸気爆発や水素爆発を確実に防止して安全性の高い溶融保持方法を提供する。
【解決手段】溶解用容器の内部または外周部を液体状冷却媒体で冷却しつつ活性金属材料を溶解し液体のまま保持する方法において、上記冷却媒体として、融点が２００℃以下、沸点が１０００℃以上であると共に、主要な構成元素が水や水蒸気と反応しない物質を用いる。本発明方法は、高融点物質の溶解保持方法にも適用でき、上記冷媒としては鉛ビスマスを用いることが推奨される。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 溶解用容器の内部または外周部を液体状冷却媒体で冷却しつつ活性金属材料を溶解し液体のまま保持する方法であって、上記冷却媒体として、融点が２００℃以下、沸点が１０００℃以上であると共に、主要な構成元素が水や水蒸気と反応しない物質を用いることを特徴とする活性金属材料の溶解保持方法。
【請求項２】 溶解用容器の内部または外周部を液体状冷却媒体で冷却しつつ高融点物質を溶解し液体のまま保持する方法であって、上記冷却媒体として、融点が２００℃以下、沸点が１０００℃以上であると共に、主要な構成元素が水や水蒸気と反応しない物質を用いることを特徴とする高融点物質の溶解保持方法。
【請求項３】 冷却媒体として用いる物質が鉛ビスマスである請求項１または２に記載の溶解保持方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、チタンやジルコニウム等の活性な金属材料や、ガラス，セラミック，スラグ，塩類，各種廃棄物類等の高融点物質を溶解し液体のまま保持する方法に関し、詳細には上記活性金属材料や高融点物質を高温で溶融して、それに付随する化学反応や凝固等の処理を行わせる場合に、水蒸気爆発などの激しい事故を確実に防止する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】チタンやジルコニウム等の活性な金属材料を工業規模で溶解し鋳造するにあたっては、真空アーク溶解法，電子ビーム溶解法，プラズマアーク溶解法，コールドクルーシブル誘導溶解法などの溶解法が採用されている。これらの溶解法においては、例えば銅材でるつぼを構成して水冷することで溶解容器としており、銅るつぼと接した溶湯が冷却されて表面に形成された凝固層の内側に溶融金属浴を保持する方式が用いられている。即ち、通常の溶解方法では、溶解容器の冷却に用いる冷媒として水を採用している。このため、何らかの原因で、水による冷却が不充分となった場合には、金属製の溶解容器が高温の溶融物からの伝熱により一部分が溶損して容器に穴が開き、冷媒である水と高温の溶融物とが接触して、水蒸気爆発を招く恐れがある。特にチタンなどの活性な金属の溶解法では、上記水冷銅るつぼが溶解容器として汎用されており、不慮の事故で銅るつぼが破損したり溶損したりすると溶融Ｔｉ（約１７００℃）と冷却水（約５０℃）とが直接に接触することとなり、水が急速加熱されて沸騰し、水蒸気爆発に至る。さらに、水は高温のチタンと反応して、水素ガスを多量に発生させるため、水蒸気爆発により破損した部分から空気が入り込んでくると更に水素爆発も引き起こすことになる。チタン溶解の分野においては、概ね１０年から２０年に一度は世界のどこかの溶解工場で爆発事故が発生している状況にあり、現状では爆発自体を完全に防止することは困難であるため、万が一爆発して溶解設備や工場が破損されたとしても、最低限、人には危害が加わらない様に防爆壁で溶解炉の周囲を囲む方式が一般化している。
【０００３】この様に、溶解を行う一般的な条件である大気圧下では水の沸点は１００℃であるから、数百℃以上の高温物により水が急速加熱されると、水は必然的に沸騰する。このため、冷却媒体として水を使用する限り、水蒸気爆発を完全に防止することは原理的に困難である。
【０００４】水以外の冷媒として、一部のチタン溶解工場では、真空アーク溶解法における冷却媒体にＮａＫ合金の融体物が用いられている。ＮａＫの沸点は８２０℃（１気圧）であり、何らかの原因で高温の溶融チタンと直接に接触する事態に至ったとしても、水の様に直ちに沸騰することはなく、蒸気爆発する可能性は低いので、水に比べて安全な冷媒であるとされている（「Engineering」 vol 31,1968:"Tifurnace safely cooled by NaK"）。しかしながら、多量の溶融Ｔｉと接触すると、かなりの量の冷媒ＮａＫが沸点を超える事態も考えられ、沸騰による上記爆発を完全に防止することは難しい。さらに、溶融したＮａやＫはそれ自体が極めて活性な物質であり、万が一に水に触れると反応して水素ガスを発生し、水素ガス爆発を起こす恐れがある。ＮａＫを冷媒とする場合、溶解炉部分はＮａＫで冷却できるが、冷媒であるＮａＫの熱を熱交換機で抜熱する必要があり、熱交換機の冷媒には水が用いられているので、万一熱交換機で漏れが発生すると、そこで水素爆発に至る可能性がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に着目してなされたものであって、活性金属材料や高融点物質を高温で溶融して保持する方法において、水蒸気爆発や水素爆発を確実に防止して安全性の高い溶融保持方法を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決した本発明とは、溶解用容器の内部または外周部を液体状冷却媒体で冷却しつつ活性金属材料を溶解し液体のまま保持する方法であって、上記冷却媒体として、融点が２００℃以下、沸点が１０００℃以上であると共に、主要な構成元素が水や水蒸気と反応しない物質を用いることを要旨とするものである。本発明方法は、高融点物質の溶解保持方法にも適用でき、上記冷媒としては鉛ビスマスを用いることが推奨される。
【０００７】
【発明の実施の形態】水を冷媒として用いる場合の最大の問題点は、その沸点が大気圧（約１気圧）下では１００℃と著しく低いことにある。例えば、Ｔｉの融点は１６７０℃，Ｚｒの融点は１８５０℃程度であって、水の沸点に比べて著しく高い温度であり、これらの高融点金属の溶融物が水と接触すると、その温度差により瞬時に多量の熱が水に伝熱され、容易に水の沸点を超える事態となる。ある所定量以上（例えば２０ｋｇ以上）の溶融物を水プールに落下させると、急速に水が沸騰して体積膨張をおこし、確実に水蒸気爆発に至ることが知られている（日本原子力研究所報告：JAERI-M-92-35 ）。この水蒸気爆発を引き起こす溶融物の２０ｋｇという重量は、工業規模での一般的な取扱い量がトン規模であることに比べると非常に少量である。従って、工業規模設備において、水冷却を行いつつ確実に水蒸気爆発を回避するのは極めて困難であると言える。
【０００８】この水蒸気爆発の問題を解決するには、沸点の高い冷媒を用いる必要がある。例えば、チタンのような高融点の材料を溶融すると、融体温度は１７００〜１９００℃になることが知られている。容器の冷媒の量が溶融物と同程度は用いられるとすれば、溶融物の熱量の半分が冷媒に伝達されて温度がほぼ１／２に下がった場合でも、冷媒の沸点を超えていないことが望ましいと考えられる。そこで、工業規模で多量に利用される材料の中では高融点であり、溶融温度の高いチタンの場合においても、冷媒を沸騰させないためには、その沸点が１０００℃以上であることが望ましいと言える。
【０００９】尚、水以外の冷媒を用いる場合、その融点が高過ぎると、冷媒を溶融状態にするために加熱用のヒーターが必要となる。しかしながら、工業的に利用するには、そのヒータは簡易な設備であることが望ましく、融点が２００℃以下の物質であれば比較的容易に加熱保温できる。
【００１０】従って、本発明では、溶解用容器の内部または外周部を液体状冷却媒体で冷却しつつ活性金属材料を溶解し保持するにあたり、冷却媒体として、融点が２００℃以下、沸点が１０００℃以上である物質を採用するものである。
【００１１】また上記のような冷媒を実際に使用する際には、溶解容器を冷却する高温部において数百℃程度となり、冷媒の温度を下げる熱交換機部で室温〜２００℃程度に冷却されることとなる。熱交換機部で最も汎用的に用いられるのは冷却水であり、もし万が一、熱交換機の領域で漏れが発生しても、熱力学的に水と反応しない成分組成であることが望ましい。即ち、冷媒を構成する主要元素の酸化物が水よりも不安定であり、水と反応して酸化されることのないことが、水素爆発を防止する見地から必要といえる。
【００１２】以上の様な条件を満足する冷媒を用いることにより、冷媒の沸騰による急激な体積膨張を抑制することが可能となり、これまでの長年の懸案事項であった冷却水による水蒸気爆発の問題を解決できる。このような条件を満足する冷媒であれば、どのような組成のものでも利用可能であるが、例えば、鉛ビスマスやガリウム等が利用できる。Ｐｂ−Ｂｉ系合金の共晶組成における融点は１２５℃前後であり（図１の鉛ビスマスの状態図参照）、沸点は１６７０℃前後であり、しかもＰｂ及びＢｉはいずれもその酸化物の標準生成自由エネルギーを水と比べると、水よりも不安定であることから、水により酸化されることはない。
【００１３】ところで冷却媒体として水を大気圧下で用いる場合、通常の場合の冷却水の入水温は室温付近であり、出口温度は容器の溶損を防止するために５０〜６０℃以下の温度になるように冷却水の流量を制御するのが普通である。このため、冷却水への伝熱から有効にエネルギー回収するのはほとんど不可能である。これに対して本発明方法においては、容器や配管材料としてステンレス鋼や銅等を利用すればよく、例えばステンレス鋼を用いる場合、材料の腐食を抑制する見地から冷媒の温度を５００℃程度にまで上昇させることが可能であり、熱交換機などで入口温度の１５０℃程度にまで冷却する過程で、エネルギー回収を図ることが可能となる。
【００１４】尚、都市ごみ焼却灰の無害化のための溶融処理プロセスにおいても、耐火物の外側を水で冷却した金属製容器により冷却する方式などが用いられる場合があり、この様な溶融処理プロセスをはじめ、ガラス，セラミック，スラグ，塩類，各種廃棄物類等の高融点物質の溶融処理にも、本発明方法は適用できる。
【００１５】以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の主旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲内に含まれるものである。
【００１６】
【実施例】図２は、本発明方法により行ったプラズマアーク加熱方法を示す説明図である。最大出力１００ｋＷのプラズマトーチ（直流電流：最大１０００Ａ，最大電圧：１００Ｖ）１を熱源として、内径１２０ｍｍ，高さ２００ｍｍの底付き円筒形で上面が解放した溶融用容器２を、厚さ５ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）で作製し、冷媒としてＰｂ−Ｂｉ共晶を用いるプラズマアーク加熱炉３を製造した。尚、上記Ｐｂ−Ｂｉ共晶の融点は１２３．５℃であり、密度は１０１００ｋｇ／ｍ3、定圧比熱は０．１５ｋＪ／ｋｇ／Ｋである。また、溶融用容器３は底面から側面上方に向かって冷媒が流れ、側面上端で戻る構造となっている。更に上記溶融用容器３は、ステンレス鋼製の配管に接続されており、配管系はポンプ４と熱交換機５及び冷媒のメンテナンス用部分とから構成されている。熱交換機５では、工業用水で冷媒を冷却した。また、ステンレス鋼配管には、最高温度２００℃まで加熱が可能なヒータが装着されている。
【００１７】溶融を行った材料は、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ：３．５ｋｇ）とフラックス（３０質量％：ＣａＦ2−ＣａＯ−ＭｇＯ−Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2−ＴｉＯ2系：１ｋｇ）の混合物であり、溶融すると溶融炭素鋼浴の上に溶融スラグが乗っている状況となる。ステンレス鋼製の容器と接すると溶融物は凝固して凝固層が形成されて、溶融物は凝固層の内側に保持される形となる。
【００１８】プラズマトーチでは、流量１．８ｍ3／ｈのＡｒガスを用いてプラズマを形成し、電流１０００Ａ、電圧１００Ｖで加熱した。プラズマトーチで発生するエネルギー（１００ｋＷ）の一部はトーチ内で消費されるが、ほとんどはプラズマフレームからの放射とアーク点での伝熱により、溶融物及び容器に伝熱される。
【００１９】冷媒のＰｂ−Ｂｉを、流量がそれぞれ１ｍ3／ｈ，２ｍ3／ｈ，３ｍ3／ｈとなる様にポンプで流動させて、容器の入口温度と出口温度を測定した。結果は表１に示す。
【００２０】
【表１】
【００２１】プラズマトーチで発生したエネルギーのほとんどが冷媒に伝えられており、水を代替する冷媒として使用できることが確認できた。
【００２２】
【発明の効果】本発明は以上の様に構成されているので、活性金属材料や高融点物質を高温で溶融して保持する方法において、水蒸気爆発や水素爆発を確実に防止して非常に安全性の高い溶融保持方法が提供できることとなった。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１１９９
【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所
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| 【出願日】 |
平成１１年１２月２８日（１９９９．１２．２８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６７８２８
【弁理士】
【氏名又は名称】小谷 悦司 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１９４０６９（Ｐ２００１−１９４０６９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年７月１７日（２００１．７．１７） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３７５２７５ |
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