JPH08166493A

JPH08166493A - 収容容器の連続製造装置及び連続製造方法

Info

Publication number: JPH08166493A
Application number: JP31014894A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Tanaka; 努田中; Yoshiaki Ikenaga; 慶章池永
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-12-14
Filing date: 1994-12-14
Publication date: 1996-06-25
Anticipated expiration: 2020-05-25
Also published as: JP3651035B2

Abstract

(57)【要約】【目的】固化体材料を用いて収容容器を連続して製造
する際に、製造過程における該材料による環境汚染を最
小にし、かつ製造過程の保守を容易に行える装置を提供
する。【構成】少なくとも入口１ａ及び出口１ｂと、材料の
移動方向に沿って配置されたスリット１ｃを有する冷却
坩堝１の入口１ａ付近に固化体材料５と潤滑剤８の供給
装置３，６を配置する。冷却坩堝１の外周部所定位置に
誘導コイル２を設置する。冷却坩堝１の出口１ｂ側に凝
固成形された固化体５ｂを順次引き抜いて移動する引き
抜き移動装置９と、連続的に送られてくる固化体５ｂを
所定長さに切断する切断装置１０と、切断後の固化体５
ｂを筒状に成形する成形装置１１と、成形後の固化体５
ｂの両端を接合する接合装置１２を設置する。これら各
構成要素のうち少なくとも材料を扱う構成要素をチャン
バーで密閉する。このチャンバー内の脱気装置，雰囲気
調整装置，不活性ガス供給装置を具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、成形・加工過程におい
て汚染された金属固化体を材料として、収容容器を連続
的に製造する装置及びその装置を用いて連続的に製造す
る方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、汚染された金属固化体を材料とし
て、収容容器を連続的に製造する装置としては、米国リ
テック（Retech）社が開発した回転炉床式プラズマ溶融
炉（以下、「ＰＡＣＴ」という）がある（Journal of t
he RANDEC No.9(December 1993),p65 ）。

【０００３】ＰＡＣＴは、回転する溶融炉に処理対象物
を供給し、プラズマアークによって溶融するもので、以
下の特徴を有している。遠心力により均一な攪拌が可能であるから、溶融固
化体は均質で安定な性状が得られる。材料の形態に対する自由度が大きい。回転数の調整によって出湯を行うので、特殊な弁や
炉の傾動等の複雑な装置を必要としない。

【０００４】しかしながら、処理の対象が本発明が対象
とするような成形・加工過程において汚染された材料の
場合には、以下の欠点が顕在化してくる。 1) 溶融炉の内張りには高温壁炉の耐火物を使用してい
るので、定期的な交換が必要になる。特に、対象が前記
汚染された材料の場合には、保守過程に於いて発生した
耐火物は二次廃棄物となるので、別のプロセスで処理す
る必要が生じる。

【０００５】2) プラズマ・アークを発生させるために
Ar等のキャリヤー・ガスをトーチに供給する必要がある
が、キャリヤー・ガスを必要とするために排ガス処理設
備を大型化する必要があると共に、ガスの顕熱として失
われるエネルギーが大きい。 3) プラズマ・トーチは消耗品なので定期的に交換する
必要がある。特に汚染された材料を対象とする場合は交
換操作を遠隔で行う必要があるので、装置が複雑にな
る。

【０００６】以上の欠点を解消するためには、以下の公
知の技術を用いれば良いとの考えも存在する。その公知
の技術とは、溶解材料より低い融点を持つ材料からなる
冷却坩堝内で溶解材料を溶融する一連の技術であり、こ
の時、溶解材料は坩堝材料に汚染されることはない。こ
の基本技術は、既に1931年にドイツで特許公告されてい
る（ドイツ特許第518499号）。そして、これ以後、冷却
坩堝に関する特許は多数出願されており、例えば仏国特
許第2609655 号では、連続的に処理するための坩堝の形
状が提案されている。

【０００７】これらの技術は、装置が簡単なので保守
が容易である。溶解炉の壁としては冷却された低温壁
を用いているので、溶解材料が炉壁材料に汚染された
り、あるいは炉壁材料の消耗に起因する定期交換を必要
としない。等の有利な点をもつ。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た技術には一般に成形条件に制約が存在するので、これ
らの技術の多くは中実体にしか適用できない。特に、中
空の収容容器を製造するための方法は過去に提案されて
おらず、冷却壁を持つ炉では中空容器の製造は不可能と
考えられていた。

【０００９】本発明の目的は、主に金属の固化体を材料
として成形加工により収容容器を連続して製造する際
に、製造過程における該材料による環境汚染を最小にす
ると共に、製造過程の保守を容易に行える装置及びこの
装置を用いた製造方法を提供する点にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の収容容器の連続
製造装置は、少なくとも入口及び出口と、材料の移動方
向に沿って配置されて電気的絶縁機能を発現するスリッ
トを有する冷却坩堝と、この冷却坩堝の入口より固化体
材料と潤滑剤をそれぞれ装入すべく、入口付近に配置さ
れたそれぞれの供給装置と、これら供給装置によって冷
却坩堝内に装入された固化体材料と潤滑剤を一旦溶解す
べく、冷却坩堝の外周部所定位置に設置された誘導コイ
ルと、前記冷却坩堝の出口側に設置され、冷却坩堝内に
おいて凝固成形された固化体を順次引き抜いて移動する
引き抜き移動装置と、この引き抜き移動装置の下流側に
配置され、連続的に移動してくる固化体を所定長さに切
断する切断装置と、この切断装置で切断した後の固化体
を筒状に成形する成形装置、及びこの成形装置で成形後
の固化体の両端を接合する接合装置と、これら各構成要
素のうち少なくとも材料を扱う構成要素を密閉するチャ
ンバーと、このチャンバー内の脱気装置及び雰囲気調整
装置並びに不活性ガス供給装置を具備したことを要旨と
する。

【００１１】また、本発明の収容容器の連続製造方法
は、前記した構成の本発明の連続製造装置を使用し、そ
の冷却坩堝内に装入した固化体材料を誘導加熱して一旦
その溶融温度以上に高めた後材料を冷却し、冷却坩堝の
内断面に近い形状の固化体となしつつ冷却坩堝から連続
的に引き抜き、所定の長さに切断した後筒状に形成して
その両端を接合することを要旨とする。

【００１２】

【作用】以下、本発明の装置と方法を図面を参照しなが
ら詳細に説明する。図１は本発明の収容容器の連続製造
装置の概念を正面から見た図、図２は本発明の収容容器
の連続製造装置における冷却坩堝の縦断面の概念図、図
３は同じく冷却坩堝の横断面の概念図である。

【００１３】これらの図面において、１は少なくとも入
口１ａ及び出口１ｂを有する冷却坩堝であり、その内部
は冷却可能な構造で高温に耐えられるようになってい
る。その素材は一般に、熱伝導と電気伝導に優れた金属
材料が使用されるが、本発明では必ずしも金属に限定さ
れるものではない。そして、この冷却坩堝１には電気の
流れに対して絶縁機能を有する複数のスリット１ｃが、
固化体の引き抜き方向に沿って設けられている。このス
リット１ｃの設けられる範囲は、冷却坩堝１の全長では
なく、その一部のみであるが、本発明ではその位置を限
定するものではない。

【００１４】２は冷却坩堝１の外周部所定位置におい
て、螺旋状に多重に巻く態様に配置された誘導コイルで
あり、高周波発振器（図示せず）に接続される。なお、
この誘導コイル２はその内部を冷却体が流通可能な構成
となされている。また、冷却坩堝１は、図示省略した
が、振動架台上に配置されており、必要に応じて引き抜
き方向に沿った振動が付与できるようになっている。

【００１５】３は冷却坩堝１の入口１ａ付近に配置さ
れ、貯留装置４内の固化体材料５を入口１ａから冷却坩
堝１内に装入する供給装置、６は同じく冷却坩堝１の入
口１ａ付近に配置され、貯留装置７内の潤滑剤８を入口
１ａから冷却坩堝１内に装入する供給装置である。

【００１６】９は冷却坩堝１の出口１ｂの下方に設置さ
れた引き抜き移動装置であり、前記冷却坩堝１内に装入
され、誘導コイル２の作用により誘導加熱されて一旦溶
融状態と成された固化体材料（以下、「溶融体５ａ」と
いう）を冷却，凝固して成形された固化体５ｂを順次引
き抜いて下流側に移動するものである。また、この引き
抜き移動装置９の下流側には、移動されてくる固化体５
ｂを所定長さに切断する切断装置１０と、この切断装置
１０で切断した後の固化体５ｂを例えば円筒状に成形す
る成形装置１１と、この成形装置１１で成形した後の固
化体５ｂの両端を接合する接合装置１２が順次設置され
ている。

【００１７】図示省略したが、上記した一連の装置群の
全て、あるいはその一部はチャンバー内に収納され、脱
気装置，雰囲気調整装置及び不活性ガス供給装置によっ
てチャンバー内の雰囲気ガスを脱気し，置換したり、ま
た不活性ガスを供給したりして所定の加圧あるいは減圧
の圧力条件に置けるようになされている。

【００１８】本発明の収容容器の連続製造装置は上記し
たような構成であり、次にこの本発明装置を用いて金属
固化体の材料から収容容器を連続して製造する過程の一
例を挙げて、各装置が固化体材料に対して発現する作用
について説明する。ここで、材料の素材を金属としたの
は、説明を容易にするためであり、僅かであっても電気
伝導度を有する素材は全て本発明による収容容器製造の
対象に成りえることは言うまでも無い。

【００１９】収容容器の製造に際しては、先ず、装置に
冷却水を供給した後チャンバー内の雰囲気ガスを脱気，
置換して、また場合によっては不活性ガスを常に供給し
て所定の処理雰囲気を造る。一般に、雰囲気調整の対象
は材料を扱う装置の近傍であり、例えば高周波発振器は
その対象外になることが多いが、本発明では雰囲気調整
の対象を特に限定するものではない。

【００２０】雰囲気調整後、固化体５ｂの引き抜き移動
装置９に取り付けた金属材料からなる母材（図示省略）
を、電磁場が最も作用する冷却坩堝１の所定位置に位置
させる。

【００２１】続いて、高周波発振器の出力を増加させ
る。これにより誘導コイル２によって生じる冷却坩堝１
の外壁面を流れる誘導電流は、絶縁機能を持つスリット
１ｃによって冷却坩堝１の内壁に導かれ、冷却坩堝１内
に電磁場を発生させる。すなわち、一般には電磁場を透
過しない金属材質からなる冷却坩堝１は、スリット１ｃ
の存在によってその内側に電磁場を透過させる作用を発
現する。

【００２２】高周波発振器の出力の増加と共に、母材に
流れる誘導電流の値が増加し、誘導加熱の作用を受けて
溶解し、やがて母材は溶融体５ａとなる。この時、溶融
体５ａには概ね表皮深さの範囲内でその表面に垂直方向
の電磁力が発生する。一般に、溶融体５ａの自由表面の
形状は、電磁力と重力，表面張力，溶融体５ａの運動量
等の間の力の平衡関係を満足する条件から定まるので、
適正な運転条件を選択することにより溶融体５ａの自由
表面の形状を冷却坩堝１から離反させ、ドーム状に上に
向かって凸となるように隆起させることができる。ドー
ム状に隆起した溶融体５ａの部分は冷却坩堝１から離反
して、伝導熱による抜熱量の低減を図る作用が現れる。
また、この溶融体５ａの内部には不均一な電磁力の発生
に起因して電磁攪拌の作用を受ける。

【００２３】続いて、潤滑剤８を冷却坩堝１に供給する
と、潤滑剤８は溶融体５ａに接触する部分から熱供給を
受け、一旦溶融した後冷却されて凝固した溶融体（以
下、「固化体５ｂ」という）の凝固時の収縮によって、
固化体５ｂと冷却坩堝１の内壁との間に形成された極め
て狭い間隙内に、冷却坩堝１の振動とともに所定量流入
する。

【００２４】このような状態下において、固化体材料５
を冷却坩堝１に供給すると、固化体材料５は電磁攪拌を
受けている溶融体５ａに到達し、電磁攪拌の作用によっ
て熱交換が促進されて溶融する。そして、引き抜き移動
装置９を駆動して前記固化体材料５の装入量に相当する
分だけ冷却坩堝１から固化体５ｂを引き抜き、この引き
抜き移動装置９の下流側所定位置に設置された切断装置
１０で所定の長さに切断する。所定の長さに切断された
固化体５ｂは、成形装置１１によって例えば円筒状に成
形された後、接合装置１２によってその両端面の接合を
行う。なお、引き抜き移動装置９による冷却坩堝１から
の引き抜き時、図２に示すように、剥離装置１３によっ
て必要に応じて固化体５ｂの側面に付着した潤滑剤８を
剥離する。

【００２５】なお、潤滑剤８は少なくとも以下の条件を
満足することが望ましい。当然、選択すべき潤滑剤８の
素材は、対象とする固化体材料５の素材によって異なる
ことはいうまでもない。 a. 溶融温度は固化体材料５のそれよりも１００〜２０
０℃低い。 b. 溶融過程で分解せず、かつ気化しない。 c. 溶融体５ａと反応しない。 d. 電気伝導度と熱伝導度が固化体材料５よりも小さ
い。

【００２６】添加する潤滑剤８は量的にはできるだけ少
なく、かつ抜熱量の減少効果が現れることが一層望まし
い。なぜなら、潤滑剤８は固化体材料５によって汚染さ
れるので、必要とする潤滑剤８の量が多い場合には、こ
れを処理するためにさらに別のプロセスが必要になるこ
とも考えられるからである。

【００２７】

【実施例】以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細
に説明する。本発明の適用例として、加圧水型原子炉の
使用済み核燃料の再処理工程において発生する核燃料被
覆管の素材であるジルカロイを固化体材料として収容容
器の連続製造を行った。連続製造試験の安全性を高める
ために、使用済みの核燃料被覆管を対象に処理する代わ
りに原子炉における使用前の模擬核燃料被覆管を用い
た。同時に核燃料被覆管に付着しているであろうと考え
られる²³⁸Pu,²³⁹Pu,²⁴⁰Pu,²⁴¹Pu,²⁴²Pu,²⁴¹Am,²⁴³Am,
²⁴²Cm,²⁴⁴Cm 等のアクチニド系元素からなる核分裂生成
物の模擬元素として下記表１に示すランタニド系酸化物
を固化体材料の約１Mass％添加した。ジルカロイの組成
はSn:1.5、Fe:0.1、Cr:0.1 Mass%で、残りの大部分はZr
である。溶融温度は1800〜1850℃、密度は6.55g/cm³で
ある。また、潤滑剤としてはCaF₂:75 、MgF₂:25 Mass%
の混合体を固化体材料の約５Mass% 添加した。

【００２８】

【表１】

【００２９】本発明による連続製造装置の実施例を図１
〜図３に示す。冷却坩堝１の材質は銅であり、その内の
り寸法は５０mm×１０００mm、その横断面形状は偏平な
長方形である。また、冷却坩堝１の長さは３００mmで、
壁の厚さは３０mmである。そして、固化体５ｂの移動方
向に沿って、幅０．１mm、長さ２００mmのスリット１ｃ
が約２８mmの間隔で７５本配置されている。なお、この
実施例では、スリット１ｃの存在しない部分が冷却坩堝
１の上下端に設けられているが、この位置は冷却坩堝１
の上端だけ、あるいは下端だけに設けてもよいし、ある
いは存在しなくてもよい。

【００３０】高周波発振器（図示せず）の最大出力は５
００kw、周波数は３０kHz である。銅製の誘導コイル２
の巻数は１０、巻高さは１００mmで、その内部は水冷可
能な構造になっている。

【００３１】収容容器を製造するに当たって、先ず、そ
の上端が概ね誘導コイル２の上端に一致するように、鉄
材質の母材を冷却坩堝１内に挿入した。次に、冷却坩堝
１及び誘導コイル２に冷却水をそれぞれ５０、２５０l/
min 供給した後、高周波発振器の部分を除く装置部分を
チャンバー（図示せず）で密閉した。続いて、チャンバ
ー内を脱気装置である真空ポンプで約２０分排気し、雰
囲気調整装置を駆動させて雰囲気圧力を０．１Pa以下に
５分維持した。この後、不活性ガス供給装置を駆動させ
て０．１％以下の不純物を含むArガスを１００l/min の
供給速度で大気圧より５０hPa を越えない圧力でチャン
バー内に供給した。

【００３２】続いて、高周波発振器の出力を徐々に増加
し、最終的に実効値１０００Ａ、周波数３０kHz の高周
波電流を誘導コイル２に流した。およそ２分の通電で母
材の上端が完全に溶解するとともに、溶融部はドーム状
に隆起して溶融体５ａが攪拌されている状況が観察され
た。

【００３３】この後、供給装置３を介して塊状の固化体
材料５を冷却坩堝１に装入するとともに、母材を３mm/m
inの速度で下方に連続的に引き抜いた。その際、ドーム
状に隆起した溶融体５ａの頂点の位置を特殊な方法で検
出し、この位置がほぼ一定になるように固化体材料５の
装入速度を制御した。これと同時に、供給装置６を介し
て潤滑剤８を冷却坩堝１内の特に溶融体５ａの表面上に
供給した。

【００３４】母材の引き抜き開始からおよそ１２００分
間連続運転した後（固化体材料５の合計装入量約１２０
０kg）高周波電流の通電を停止したところ、冷却坩堝１
の出口１ｂからは３６００mmの長さの金属の固化体５ｂ
が得られた。この固化体５ｂを例えば回転刃を備えた切
断装置１０を用いて３１４０mmの長さに切断した後、例
えば回転ロール，加重印加装置等からなる成形装置１１
で高さ約１０００mm，直径約１０００mmの円筒状に成形
した。そして、この円筒状に成形した固化体５ｂの両端
面を例えば溶接機等の接合装置１２で接合した。

【００３５】この様にして得られた中空容器に底板を接
合すれば収容容器が完成する。なお、本発明者はこの収
容容器内に保管すべき材料を入れて上蓋を閉じれば、収
容容器として機能することを確認した。

【００３６】冷却坩堝１の素材は製造した収容容器から
検出されず、1800〜1850℃程度の温度においても冷却坩
堝１の定期交換等の保守を必要とせず、高温運転に長時
間耐えられる見通しを得た。このように交換部品が少な
くて済むということは、環境に対する汚染を最小にでき
ることを意味するので、汚染された金属の固化体を処理
するプロセスとして極めて優れていることが実証でき
た。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
簡単な構成の保守が容易な装置を用いて、汚染した材料
を環境から遮蔽し、かつ二次廃棄物の発生を最小限に抑
えて収容容器を連続的に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の収容容器の連続製造装置の概念を正面
から見た図である。

【図２】本発明の収容容器の連続製造装置における冷却
坩堝の縦断面の概念図である。

【図３】本発明の収容容器の連続製造装置における冷却
坩堝の横断面の概念図である。

【符号の説明】

１冷却坩堝１ａ入口１ｂ出口１ｃスリット２誘導コイル３供給装置５固化体材料５ａ溶融体５ｂ固化体６供給装置８潤滑剤９引き抜き移動装置１０切断装置１１成形装置１２接合装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも入口及び出口と、材料の移動
方向に沿って配置されて電気的絶縁機能を発現するスリ
ットを有する冷却坩堝と、この冷却坩堝の入口より固化
体材料と潤滑剤をそれぞれ装入すべく、入口付近に配置
されたそれぞれの供給装置と、これら供給装置によって
冷却坩堝内に装入された固化体材料と潤滑剤を一旦溶解
すべく、冷却坩堝の外周部所定位置に設置された誘導コ
イルと、前記冷却坩堝の出口側に設置され、冷却坩堝内
において凝固成形された固化体を順次引き抜いて移動す
る引き抜き移動装置と、この引き抜き移動装置の下流側
に配置され、連続的に移動してくる固化体を所定長さに
切断する切断装置と、この切断装置で切断した後の固化
体を筒状に成形する成形装置、及びこの成形装置で成形
後の固化体の両端を接合する接合装置と、これら各構成
要素のうち少なくとも材料を扱う構成要素を密閉するチ
ャンバーと、このチャンバー内の脱気装置及び雰囲気調
整装置並びに不活性ガス供給装置を具備したことを特徴
とする収容容器の連続製造装置。
【請求項２】請求項１記載の装置を使用し、その冷却
坩堝内に装入した固化体材料を誘導加熱して一旦その溶
融温度以上に高めた後材料を冷却し、冷却坩堝の内断面
に近い形状の固化体となしつつ冷却坩堝から連続的に引
き抜き、所定の長さに切断した後筒状に形成してその両
端を接合することを特徴とする収容容器の連続製造方
法。