JP3813106B2 - 坩堝の浸食防止方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融炉で用いられる坩堝の浸食防止方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば放射性廃棄物の溶融炉においては、溶融対象物を導電性の坩堝に入れ、高周波誘導加熱によって１５００℃前後の高温に加熱し、溶融スラグとしている。ところがスラグによって坩堝が浸食されて次第に減肉し、最悪の場合には穴あきや割れ等の破損に至る可能性がある。
【０００３】
このような事故を防止するためには、坩堝の交換頻度を多くするか、坩堝の浸食代を大きく取る必要がある。しかし交換頻度を多くすることは溶融炉の停止期間の長期化を招くとともに、坩堝のコストアップを招くこととなる。また、浸食代を大きく取ることはやはり坩堝のコストアップにつながるうえ、仮に浸食代を大きく取っても浸食速度が大きい場合には結局すぐに交換しなければならず、効果が小さい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した従来の問題点を解決し、坩堝の交換頻度を多くしたり、坩堝の浸食代を大きく取る方法ではなく、スラグによる坩堝の浸食の進行自体を抑制することができる坩堝の浸食防止方法を提供するためになされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記の課題を解決するために検討を重ねた結果、設計値を越えて坩堝の浸食速度が大きくなるのは、スラグの成分に坩堝の構成成分が溶け込んだ際に元のスラグより融点が低くなる場合であり、系全体が融点の低い方へ移行しようとするために浸食が加速されることを知った。そして、適切な助剤を添加することによって、坩堝材料が浸食代を越えて溶出するのに伴いスラグ融点を上昇させるように組成を調整しておけば、それ以上の坩堝材料の溶出を抑制できることを究明した。
【０００６】
本発明は上記の知見に基いて完成されたものであって、請求項１の発明は、溶融炉で坩堝を用いて溶融を行う際に、坩堝の構成成分のうち少なくとも１種類を含む助剤を溶融対象物または溶湯中に添加し、坩堝材料が浸食代を越えて溶出するのに伴いスラグ融点を上昇させることを特徴とするものである。また請求項２の発明は、溶融炉で坩堝を用いて溶融を行う際に、化学反応により坩堝の構成成分のうち少なくとも１種類を形成する物質を含む助剤を溶融対象物または溶湯中に添加し、坩堝材料が浸食代を越えて溶出するのに伴いスラグ融点を上昇させることを特徴とするものである。
【０００７】
何れの発明においても、助剤に代えて助剤と同一成分を含む溶融対象物を助剤として添加することができる。また助剤の添加によりスラグ組成が変化するため、溶融対象物がスラグ組成の変化による品質のばらつきが問題となりにくい廃棄物であることが好ましい。坩堝がアルミナ分を含む坩堝である場合、助剤をアルミナの粉末または顆粒としたり、金属アルミニウムとすることができ、これらの助剤の添加量をスラグに対して１〜３０重量％とすることが好ましい。助剤は最初から坩堝の中に仕込んでおいても、溶融炉の運転中に徐々に添加してもよい。
【０００８】
本発明によれば、坩堝の構成成分のうち少なくとも１種類、または化学反応により坩堝の構成成分のうち少なくとも１種類を形成する物質を含む助剤を溶融対象物中または溶湯に添加しておき、坩堝材料が浸食代を越えて溶出するのに伴いスラグ融点を上昇させるようにしたので、系全体が融点の低い方へ移行しようとすると坩堝の浸食が防止されることとなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい実施の形態を示す。
図１は放射性廃棄物の溶融炉の模式的な断面図であり、１は坩堝、２は高周波コイルである。坩堝１の内部には、原子力発電所などから排出されるコンクリート、鉄、保温材などの低レベルの放射性廃棄物が溶融対象物として装入されている。坩堝１はアルミナカーボン系の導電性坩堝であり、導電性高周波コイル２による誘導加熱により坩堝１が発熱体となり、溶融対象物を１５００℃程度の高温で溶融するものである。
【００１０】
この場合スラグの組成は、シリカ−アルミナ−カルシア系のベースに酸化鉄が加わったものとなる。ベースであるシリカ−アルミナ−カルシア系３成分に注目すると、コンクリート、保温材を主体とする通常の溶融対象物は、シリカ（ＳｉＯ2）中に３０〜４０％のカルシア（ＣａＯ）を含有するものである。これは図２のＳｉＯ2、ＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3の３元系状態図ではＸとして示した領域にあり、Ａｌ2Ｏ3が０％の場合にはその融点は１４５０〜１６００℃付近である。この系にアルミナが加わると、図２中に領域ＸからＡｌ2Ｏ3の頂点に向かって引いた直線Ｌに沿ってスラグの組成が変化し、Ａｌ2Ｏ3が２０％となる付近の領域Ｙでスラグの融点は１２００℃以下にまで低下する。このため、系が融点の低い方へ移行しようとして坩堝中のアルミナが溶出し浸食を起こすのである。
【００１１】
更に、上記現象は局部的なスラグの濃度分布によっても発生する。溶融対象物が鉄系金属である場合、持ち込まれる錆や、溶融炉内に酸素が供給されている場合に高温酸化で発生する酸化鉄は、図３の状態図に示すとおりアルミナとは融点が１３５０℃程度の共融混合物を形成する。酸化鉄が連続的に供給されている場合には、供給点付近では酸化鉄濃度が部分的に上昇するので、やはり系が融点の低い方へ移行しようとして坩堝中のアルミナが溶出し浸食を起こすのである。
【００１２】
ところが請求項１の発明では、坩堝の構成成分のうち少なくとも１種類を助剤として溶融対象物中または溶湯に添加する。すなわちこの実施形態では、坩堝１の主成分であるアルミナを溶融対象物中または溶湯に助剤として添加し、予め溶融スラグの組成にアルミナを含有させておく。また請求項２の発明では化学反応によりアルミナとなる金属アルミニウムを溶融対象物中に助剤として添加し、予め溶融スラグの組成にアルミナを含有させておく。
【００１３】
この結果、スラグ組成は図２の直線Ｌ上の領域Ｙ付近にシフトするが、さらにＡｌ2Ｏ3の頂点に向かって進むと（Ａｌ2Ｏ3が増加すると）、融点が上昇する結果となり、浸食代を越えて坩堝１が浸食されることは自然に抑制されることとなる。これは図３でも同様であって、酸化鉄のスラグに僅か５％でもアルミナが添加されておれば、坩堝１のアルミナが溶出しようとしてもスラグ融点は上昇することになるので、浸食が自然に抑制されることとなる。
【００１４】
なお、実施形態のように助剤としてアルミナを添加する場合にはアルミナの粉末または顆粒を用いることが好ましく、助剤が金属アルミニウムである場合にはアルミニウム箔または５ｃｍ角以下の粒を用いることが好ましい。これらは何れも溶融し易く溶融の初期から効果を発揮することができる。またアルミニウム箔は放射性物質を含むガスのフィルタ材料として多用されているので、廃棄物そのものを助剤として利用できる利点がある。特に、酸化鉄が多量に持ち込み、または生成される可能性のある溶融炉では、酸化鉄は浸食の他にガス発生を起こして溶湯の吹きこぼれを誘発する原因物質として問題となっており、金属アルミニウムには酸化鉄を還元する作用があって、酸化鉄そのものを無くしてしまうので、極めて有用な助剤である。
【００１５】
助剤の添加量は、スラグに対して１〜３０重量％とすればよい。図２に示したように溶融対象物中のアルミナ分が０であれば２０％前後の添加が必要となるが、特に廃棄物の場合には溶融対象物の内容が変化するため、上記のように添加量の幅は広くした。しかし３０重量％を越えると坩堝材料の溶出に無関係にスラグの融点が高くなり溶融が困難となるうえ、コスト高となるので好ましくない。助剤は最初から坩堝１中に投入しておいても、あるいは溶融炉の運転中に徐々に添加して行く方法としてもよい。
【００１６】
なお、助剤の添加によるスラグ組成の変動が問題とされる工業製品については、本発明をそのまま適用できない場合があるが、廃棄物については助剤の添加によるスラグ組成の変動が問題とされないので、本発明は特に廃棄物の溶融に適している。
【００１７】
【実施例】
原子力発電所から排出されるコンクリートを主体とする低レベルの放射性廃棄物を溶融対象物として、アルミナカーボン坩堝内に装入し、高周波誘導加熱により１５００〜１５５０℃で溶融した。溶融対象物の化学組成は図２の領域Ｘにあり、１回の溶融により従来は坩堝は約１０ｍｍ浸食された。しかし溶融対象物中にアルミニウム箔を１０重量％程度投入し、スラグ組成を図２の領域Ｙにシフトさせて同様に溶融したところ、１回の溶融による坩堝の浸食は５ｍｍにまで半減した。
【００１８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば坩堝の構成成分のうち少なくとも１種類、または化学反応により坩堝の構成成分のうち少なくとも１種類を含む助剤を溶融対象物中に添加することによって坩堝の浸食を防止することができるので、従来のように坩堝の交換頻度を多くしたり、坩堝の浸食代を大きく取るなどの必要がなく、安全かつ経済的に坩堝による溶融炉の運転が可能となる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶融炉の模式的な断面図である。
【図２】ＳｉＯ2、ＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3の３元系状態図である。
【図３】ＦｅＯ、Ａｌ2Ｏ3の２元系状態図である。
【符号の説明】
１ 坩堝、２ 高周波コイル
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融炉で用いられる坩堝の浸食防止方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば放射性廃棄物の溶融炉においては、溶融対象物を導電性の坩堝に入れ、高周波誘導加熱によって１５００℃前後の高温に加熱し、溶融スラグとしている。ところがスラグによって坩堝が浸食されて次第に減肉し、最悪の場合には穴あきや割れ等の破損に至る可能性がある。
【０００３】
このような事故を防止するためには、坩堝の交換頻度を多くするか、坩堝の浸食代を大きく取る必要がある。しかし交換頻度を多くすることは溶融炉の停止期間の長期化を招くとともに、坩堝のコストアップを招くこととなる。また、浸食代を大きく取ることはやはり坩堝のコストアップにつながるうえ、仮に浸食代を大きく取っても浸食速度が大きい場合には結局すぐに交換しなければならず、効果が小さい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した従来の問題点を解決し、坩堝の交換頻度を多くしたり、坩堝の浸食代を大きく取る方法ではなく、スラグによる坩堝の浸食の進行自体を抑制することができる坩堝の浸食防止方法を提供するためになされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記の課題を解決するために検討を重ねた結果、設計値を越えて坩堝の浸食速度が大きくなるのは、スラグの成分に坩堝の構成成分が溶け込んだ際に元のスラグより融点が低くなる場合であり、系全体が融点の低い方へ移行しようとするために浸食が加速されることを知った。そして、適切な助剤を添加することによって、坩堝材料が浸食代を越えて溶出するのに伴いスラグ融点を上昇させるように組成を調整しておけば、それ以上の坩堝材料の溶出を抑制できることを究明した。
【０００６】
本発明は上記の知見に基いて完成されたものであって、請求項１の発明は、溶融炉で坩堝を用いて溶融を行う際に、坩堝の構成成分のうち少なくとも１種類を含む助剤を溶融対象物または溶湯中に添加し、坩堝材料が浸食代を越えて溶出するのに伴いスラグ融点を上昇させることを特徴とするものである。また請求項２の発明は、溶融炉で坩堝を用いて溶融を行う際に、化学反応により坩堝の構成成分のうち少なくとも１種類を形成する物質を含む助剤を溶融対象物または溶湯中に添加し、坩堝材料が浸食代を越えて溶出するのに伴いスラグ融点を上昇させることを特徴とするものである。
【０００７】
何れの発明においても、助剤に代えて助剤と同一成分を含む溶融対象物を助剤として添加することができる。また助剤の添加によりスラグ組成が変化するため、溶融対象物がスラグ組成の変化による品質のばらつきが問題となりにくい廃棄物であることが好ましい。坩堝がアルミナ分を含む坩堝である場合、助剤をアルミナの粉末または顆粒としたり、金属アルミニウムとすることができ、これらの助剤の添加量をスラグに対して１〜３０重量％とすることが好ましい。助剤は最初から坩堝の中に仕込んでおいても、溶融炉の運転中に徐々に添加してもよい。
【０００８】
本発明によれば、坩堝の構成成分のうち少なくとも１種類、または化学反応により坩堝の構成成分のうち少なくとも１種類を形成する物質を含む助剤を溶融対象物中または溶湯に添加しておき、坩堝材料が浸食代を越えて溶出するのに伴いスラグ融点を上昇させるようにしたので、系全体が融点の低い方へ移行しようとすると坩堝の浸食が防止されることとなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい実施の形態を示す。
図１は放射性廃棄物の溶融炉の模式的な断面図であり、１は坩堝、２は高周波コイルである。坩堝１の内部には、原子力発電所などから排出されるコンクリート、鉄、保温材などの低レベルの放射性廃棄物が溶融対象物として装入されている。坩堝１はアルミナカーボン系の導電性坩堝であり、導電性高周波コイル２による誘導加熱により坩堝１が発熱体となり、溶融対象物を１５００℃程度の高温で溶融するものである。
【００１０】
この場合スラグの組成は、シリカ−アルミナ−カルシア系のベースに酸化鉄が加わったものとなる。ベースであるシリカ−アルミナ−カルシア系３成分に注目すると、コンクリート、保温材を主体とする通常の溶融対象物は、シリカ（ＳｉＯ2）中に３０〜４０％のカルシア（ＣａＯ）を含有するものである。これは図２のＳｉＯ2、ＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3の３元系状態図ではＸとして示した領域にあり、Ａｌ2Ｏ3が０％の場合にはその融点は１４５０〜１６００℃付近である。この系にアルミナが加わると、図２中に領域ＸからＡｌ2Ｏ3の頂点に向かって引いた直線Ｌに沿ってスラグの組成が変化し、Ａｌ2Ｏ3が２０％となる付近の領域Ｙでスラグの融点は１２００℃以下にまで低下する。このため、系が融点の低い方へ移行しようとして坩堝中のアルミナが溶出し浸食を起こすのである。
【００１１】
更に、上記現象は局部的なスラグの濃度分布によっても発生する。溶融対象物が鉄系金属である場合、持ち込まれる錆や、溶融炉内に酸素が供給されている場合に高温酸化で発生する酸化鉄は、図３の状態図に示すとおりアルミナとは融点が１３５０℃程度の共融混合物を形成する。酸化鉄が連続的に供給されている場合には、供給点付近では酸化鉄濃度が部分的に上昇するので、やはり系が融点の低い方へ移行しようとして坩堝中のアルミナが溶出し浸食を起こすのである。
【００１２】
ところが請求項１の発明では、坩堝の構成成分のうち少なくとも１種類を助剤として溶融対象物中または溶湯に添加する。すなわちこの実施形態では、坩堝１の主成分であるアルミナを溶融対象物中または溶湯に助剤として添加し、予め溶融スラグの組成にアルミナを含有させておく。また請求項２の発明では化学反応によりアルミナとなる金属アルミニウムを溶融対象物中に助剤として添加し、予め溶融スラグの組成にアルミナを含有させておく。
【００１３】
この結果、スラグ組成は図２の直線Ｌ上の領域Ｙ付近にシフトするが、さらにＡｌ2Ｏ3の頂点に向かって進むと（Ａｌ2Ｏ3が増加すると）、融点が上昇する結果となり、浸食代を越えて坩堝１が浸食されることは自然に抑制されることとなる。これは図３でも同様であって、酸化鉄のスラグに僅か５％でもアルミナが添加されておれば、坩堝１のアルミナが溶出しようとしてもスラグ融点は上昇することになるので、浸食が自然に抑制されることとなる。
【００１４】
なお、実施形態のように助剤としてアルミナを添加する場合にはアルミナの粉末または顆粒を用いることが好ましく、助剤が金属アルミニウムである場合にはアルミニウム箔または５ｃｍ角以下の粒を用いることが好ましい。これらは何れも溶融し易く溶融の初期から効果を発揮することができる。またアルミニウム箔は放射性物質を含むガスのフィルタ材料として多用されているので、廃棄物そのものを助剤として利用できる利点がある。特に、酸化鉄が多量に持ち込み、または生成される可能性のある溶融炉では、酸化鉄は浸食の他にガス発生を起こして溶湯の吹きこぼれを誘発する原因物質として問題となっており、金属アルミニウムには酸化鉄を還元する作用があって、酸化鉄そのものを無くしてしまうので、極めて有用な助剤である。
【００１５】
助剤の添加量は、スラグに対して１〜３０重量％とすればよい。図２に示したように溶融対象物中のアルミナ分が０であれば２０％前後の添加が必要となるが、特に廃棄物の場合には溶融対象物の内容が変化するため、上記のように添加量の幅は広くした。しかし３０重量％を越えると坩堝材料の溶出に無関係にスラグの融点が高くなり溶融が困難となるうえ、コスト高となるので好ましくない。助剤は最初から坩堝１中に投入しておいても、あるいは溶融炉の運転中に徐々に添加して行く方法としてもよい。
【００１６】
なお、助剤の添加によるスラグ組成の変動が問題とされる工業製品については、本発明をそのまま適用できない場合があるが、廃棄物については助剤の添加によるスラグ組成の変動が問題とされないので、本発明は特に廃棄物の溶融に適している。
【００１７】
【実施例】
原子力発電所から排出されるコンクリートを主体とする低レベルの放射性廃棄物を溶融対象物として、アルミナカーボン坩堝内に装入し、高周波誘導加熱により１５００〜１５５０℃で溶融した。溶融対象物の化学組成は図２の領域Ｘにあり、１回の溶融により従来は坩堝は約１０ｍｍ浸食された。しかし溶融対象物中にアルミニウム箔を１０重量％程度投入し、スラグ組成を図２の領域Ｙにシフトさせて同様に溶融したところ、１回の溶融による坩堝の浸食は５ｍｍにまで半減した。
【００１８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば坩堝の構成成分のうち少なくとも１種類、または化学反応により坩堝の構成成分のうち少なくとも１種類を含む助剤を溶融対象物中に添加することによって坩堝の浸食を防止することができるので、従来のように坩堝の交換頻度を多くしたり、坩堝の浸食代を大きく取るなどの必要がなく、安全かつ経済的に坩堝による溶融炉の運転が可能となる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶融炉の模式的な断面図である。
【図２】ＳｉＯ2、ＣａＯ、Ａｌ2Ｏ3の３元系状態図である。
【図３】ＦｅＯ、Ａｌ2Ｏ3の２元系状態図である。
【符号の説明】
１ 坩堝、２ 高周波コイル
Claims (7)
- 溶融炉で坩堝を用いて溶融を行う際に、坩堝の構成成分のうち少なくとも１種類を含む助剤を溶融対象物または溶湯中に添加して、坩堝材料が溶出するのに伴いスラグ融点を上昇させることを特徴とする坩堝の浸食防止方法。
- 溶融炉で坩堝を用いて溶融を行う際に、化学反応により坩堝の構成成分のうち少なくとも１種類を形成する物質を含む助剤を溶融対象物または溶湯中に添加して、坩堝材料が溶出するのに伴いスラグ融点を上昇させることを特徴とする坩堝の浸食防止方法。
- 助剤と同一成分を含む溶融対象物を助剤として添加する請求項１または２に記載の坩堝の浸食防止方法。
- 溶融対象物が廃棄物である請求項１〜３のいずれかに記載の坩堝の浸食防止方法。
- 坩堝がアルミナ分を含む坩堝であり、助剤がアルミナの粉末または顆粒である請求項１記載の坩堝の浸食防止方法。
- 坩堝がアルミナ分を含む坩堝であり、助剤が金属アルミニウムである請求項２記載の坩堝の浸食防止方法。
- 助剤の添加量をスラグに対して１〜３０重量％とした請求項５または６に記載の坩堝の浸食防止方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002107516A JP3813106B2 (ja) | 2002-04-10 | 2002-04-10 | 坩堝の浸食防止方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002107516A JP3813106B2 (ja) | 2002-04-10 | 2002-04-10 | 坩堝の浸食防止方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003302495A JP2003302495A (ja) | 2003-10-24 |
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Family
ID=29391520
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002107516A Expired - Lifetime JP3813106B2 (ja) | 2002-04-10 | 2002-04-10 | 坩堝の浸食防止方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3813106B2 (ja) |
-
2002
- 2002-04-10 JP JP2002107516A patent/JP3813106B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003302495A (ja) | 2003-10-24 |
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