JP2004307277A - キャスタブル成形品、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特に、原子力発電所からの低レベル放射性廃棄物を高周波誘導炉で溶融固化して減容して廃棄する際に好適に使用できる、上記廃棄物の溶融が可能で、該溶融に充分に耐え得る耐食性及び耐酸化を有し、且つ安価な高周波誘導炉用るつぼ等のキャスタブル成形品、該キャスタブル成形品の製造方法の提供。
【解決手段】少なくとも４５〜６５質量％のアルミナ原料と、１０〜３０質量％のアルミナ・マグネシア系スピネル原料と、２〜１０質量％の炭素質原料と、結合材とを含むキャスタブルに水を添加して混練し、該混練物を成形してなることを特徴とするキャスタブル成形品、及び該キャスタブル成形品の製造方法。
【選択図】 なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、キャスタブル成形品、及びその製造方法に関し、特に、低レベル放射性廃棄物を高周波誘導炉で溶融固化する際に好適に利用できるキャスタブル成形品である高周波誘導炉用るつぼ、及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、原子力発電所から発生する低レベル放射性廃棄物を、高周波誘導炉にて溶融させて減容し、そのまま、るつぼ内で固化させて廃棄する設備が稼働しつつある。高周波誘導炉には、一般的に黒鉛るつぼが使用されているが、黒鉛るつぼは、高温での耐酸化性に劣り、又、黒鉛自体が誘導発熱するため、上記廃棄物が高温で溶融される前に黒鉛るつぼ自体が高温となってしまい、充分な耐食性が得られない場合がある。
【０００３】
又、従来より、溶鋼容器内張り材として使用されているアルミナ・スピネル質キャスタブルは、熱膨張係数が小さく、スラグ浸潤抵抗性が大きく、耐食性、耐スポーリング性及び容積安定性に優れていることが知られている。しかし、本発明者らの検討によれば、このようなアルミナ・スピネル質キャスタブルを用い、振動法で成形したるつぼを、原子力発電所から発生する低レベル放射性廃棄物の高周波誘導炉での溶融処理に用いた場合においては、該溶融処理する場合に必要となる耐食性を充分に満足できるものが得られないことがわかった。
【０００４】
これに対して、上記した低レベル放射性廃棄物の処理に適したるつぼを得る方法として、高アルミナ質、炭素質及び炭化珪素質を主原料とした高周波誘導炉用るつぼの製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。そして、かかる方法によれば、高周波誘導炉に適した電気比抵抗値を有する、高温での耐用時間が長いるつぼが得られるとされている。
【０００５】
しかしながら、上記した特許文献１に記載されているるつぼの製造方法では、その成形に冷間静圧プレス（ＣＩＰ）が用いられている。かかるＣＩＰでは、上記したような原料に結合材を加えて混練した混練物を、型のキャビティ空間に投入し、常温で圧をかけて成形し、その後、還元焼成することでキャスタブル成形品である高周波誘導炉用るつぼを得ている。このように、ＣＩＰでは、常温で圧をかけて成形するため、原料組成や結合材の種類によらず成形が容易であるという利点がある。しかしながら、型全体に圧をかける必要があるため、大型の設備が必要となり、設備のイニシャルコストが高く、更に、特許文献１に記載の方法では、型への充填、加圧、還元焼成と製造工程が煩雑であり、この点でも製造コストが高くなるという問題がある。
【０００６】
これに対して、上記した原子力発電所から発生する低レベル放射性廃棄物の処理に用いるるつぼは、高周波誘導炉にて該廃棄物を溶融し、そのまま、るつぼ内で溶融物を固化させて廃棄するものであるため、低レベル放射性廃棄物の溶融処理を効率よくすることができ、該溶融処理に充分に耐え得るだけの耐食性及び耐酸化性を有し、且つ、できるだけ簡便な方法で安価に製造できる高周波誘導炉用るつぼの開発が望まれている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−２６７７２１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、特に、原子力発電所で発生する低レベル放射性廃棄物を高周波誘導炉で溶融固化して減容する際に好適に使用することのできる、上記廃棄物の溶融が可能で、該溶融に充分に耐え得るだけの耐食性及び耐酸化性を有し、且つ安価な高周波誘導炉用るつぼ等のキャスタブル成形品、かかるキャスタブル成形品を簡便に製造することのできるキャスタブル成形品の製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、下記の本発明によって達成される。即ち、本発明は、少なくとも４５〜６５質量％のアルミナ原料と、１０〜３０質量％のアルミナ・マグネシア系スピネル原料と、２〜１０質量％の炭素質原料と、結合材とを含むキャスタブルに水を添加して混練し、該混練物を成形してなることを特徴とするキャスタブル成形品である。その好ましい実施形態は、上記キャスタブル成形品が、高周波誘導炉用るつぼであるものが挙げられる。
【００１０】
更に、本発明の別の形態は、上記のキャスタブル成形品の製造方法であって、少なくとも、平均粒度が８ｍｍ以下に調整されてなる４５〜６５質量％のアルミナ原料、平均粒度が１ｍｍ以下に調整されてなる１０〜３０質量％のアルミナ・マグネシア系スピネル原料、２〜１０質量％の炭素質原料、酸化防止剤、分散剤及び結合材を含むキャスタブルを用い、該キャスタブルに対して４〜１０質量％の水を加えて混練し、得られた混練物を型枠に入れて振動成形することを特徴とするキャスタブル成形品の製造方法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、好ましい実施の形態を挙げて本発明を更に詳細に説明する。本発明者らは、前記した従来技術の課題を解決すべく鋭意検討の結果、キャスタブルの原料組成を特定のものとし、更には、該キャスタブルに適宜に水を加えて混練して得られた混練物を型枠に入れて振動成形することによって、例えば、先に説明した原子力発電所で発生する低レベル放射性廃棄物を、高周波誘導炉で溶融した場合に充分に耐え得る耐食性及び耐酸化性を有し、しかも安価な高周波誘導炉用るつぼ等のキャスタブル成形品が得られることを見いだして本発明に至った。
【００１２】
高周波誘導炉で、原子力発電所で発生する低レベル放射性廃棄物を溶融処理した場合には、廃棄物中の導電性金属が誘導発熱することによって廃棄物が溶融する。通常、廃棄物が溶融する温度は１５００℃前後の高温である。従って、高周波誘導炉で低レベル放射性廃棄物を処理する際に用いられるるつぼの特性としては、先ず、１５００℃前後の高温での溶融物に対して充分な耐食性を有することが必要となる。
【００１３】
更に、高周波誘導炉にて低レベル放射性廃棄物を溶融し、そのまま、るつぼ内で溶融物を固化させて廃棄するものであるための、特開平７−２６７７２１号公報に記載されている冷間静圧プレス（ＣＩＰ）のような、大規模な設備や、煩雑な製造工程を必要とせずに、簡便な方法で安価に製造できる、という経済的な特性が要求される。
【００１４】
本発明者らは、上記要求特性を満足し得る高周波誘導炉用るつぼを得るべく鋭意検討の結果、先ず、キャスタブルの原料組成を、４５〜６５質量％のアルミナ原料と、１０〜３０質量％のアルミナ・マグネシア系スピネル原料と、２〜１０質量％の炭素質原料と、適量のアルミナセメント等の結合材、より好ましくは、これに酸化防止剤と微量の分散剤を加えたものとし、このような組成のキャスタブルに水を加えて混練して、該混練物を成形してキャスタブル成形品とすれば、該キャスタブル成形品であるるつぼが、１５００℃前後の高温での溶融物に対して充分な耐食性を有するものとなることを見いだした。
【００１５】
上記で使用するアルミナ原料としては、電融、焼結若しくは仮焼のいずれのものも使用できるが、平均粒度が８ｍｍ以下のものを使用するのが、耐スポーリング性においてより好ましい。又、本発明においては、使用するキャスタブルの組成原料中に、上記したアルミナ原料と共にアルミナ・マグネシア系スピネル原料を併用させるが、このようにすることで、キャスタブル成形品とした場合に、耐食性を向上できる。アルミナ・マグネシア系スピネル原料としては、電融若しくは焼結のいずれのものも使用できるが、特に、平均粒度が１ｍｍ以下のものを使用することにより、耐食性向上に好ましいことがわかった。
【００１６】
又、炭素質原料としては、例えば、ピッチ類、コークス類、黒鉛類から選択したものを、単独で若しくは２種類以上の混合物で用いることができる。本発明者らの検討によれば、これらの炭素質原料を含有させることによって、形成するキャスタブル成形品の、耐食性及び耐酸化性を向上でき、更には、その熱伝導率の向上が達成される。炭素質原料の使用量としては、形成するキャスタブル成形品の種類にもよるが、本発明においては、２〜１０質量％、より好ましくは、５〜１０質量％とする。２質量％よりも少ないと、炭素質原料を含有させることによって得られる耐食性の向上効果が充分でなく、１０質量％よりも多いと、炭素質原料の酸化により成形体の組織劣化を生じる。
【００１７】
本発明で使用することのできる酸化防止剤としては、従来より使用されているものをいずれも使用でき、例えば、金属アルミニウムや金属けい素、炭化けい素及び炭化ホウ素等の非酸化物を、単独で若しくは２種類以上の混合物で用いることができる。酸化防止剤の添加量としては、例えば、５〜１０質量％とすることが好ましい。又、結合材も、従来知られているものをいずれも用いることができるが、例えば、アルミナセメントを使用することが好ましく、その添加量としては５〜１５質量％とすることが好ましい。
【００１８】
更に、本発明で使用するキャスタブル中には、従来より使用されている分散剤を含有させることができる。該分散剤としては、例えば、ピロ燐酸ソーダ、トリポリ燐酸ソーダ、ウルトラピロ燐酸ソーダ、クエン酸ソーダ、グルコン酸ソーダ、ポリアクリル酸ソーダ、ポリアクリル酸エステル等が挙げられ、これらを単独で若しくは２種類以上の混合物で用いることができる。これらの分散剤の添加量は、例えば、０．０５〜１質量％とすることができるが、分散剤の添加量は、後述するキャスタブルの混練の際に用いる水の使用量との兼ね合いで、適宜に決定すればよい。
【００１９】
本発明にかかるキャスタブル成形品は、上記したような原料組成からなるキャスタブルを使用し、これらの原料に適当量の水を加えて混練し、該混練物を成形することによって得られる。例えば、高周波誘導炉用るつぼを成形する場合には、キャスタブルに対して、４〜１０質量％の水を加えて混練し、得られた混練物を、るつぼを成形し得る型枠内に注入し、振動成形することによって得られる。キャスタブルの混練には、従来より用いられているモルタルミキサー、オムニミキサー、パドルミキサー等の混練機を使用すればよい。又、振動成形する場合には、型枠全体を加振することが可能な装置を用い、混練物がチクソトロピックな流動性を発揮し、良好な状態で最密充填がされる条件で行なえばよい。
【００２０】
【実施例】
次に、実施例を挙げて、本発明を更に詳細に説明する。尚、文中に部とあるのは、特に断りのない限り質量基準である。
【００２１】
＜実施例１〜５、及び比較例１〜３＞
（キャスタブルの作製）
表１に示した原料組成の異なる実施例１〜５、及び比較例１〜３で使用するキャスタブルを作製した。アルミナ原料としては、平均粒度が８ｍｍ以下に調整されている焼結アルミナを用いた。アルミナ・マグネシア系スピネル原料としては、平均粒度が１ｍｍ以下に調整されている電融アルミナ・マグネシア系スピネル（表中には電融スピネルと表示）を用いた。又、炭素質原料には、黒鉛類を用い、酸化防止剤には、金属アルミニウム及び炭化ホウ素を４：６の割合で混合したものを用いた。分散剤には、ポリアクリル酸ソーダ（和光純薬工業（株）製）を用いた。
【００２２】

【００２３】
（キャスタブル成形品の作製）
表１に示した各原料組成のキャスタブルに、表１に示した量の水を加えて混練し、混練物を得た。混練する際には、オムニミキサーを用い、混練した。るつぼ型のキャビティ空間を有する型枠を用いて、該空間に、上記で得られた混練物を流し込み、その後、混練物が充填された型枠を振動器に乗せて振動させて、型内にキャスタブルを最密充填し、成形した。その後、４０℃で２４時間養生した後、脱型した。更に、これを４００℃で７２時間乾燥して、実施例１〜５及び比較例１〜３のキャスタブル成形品を得た。得られたるつぼは、図１に示したような形状を有し、開口径がφ３６０ｍｍ、高さが６００ｍｍで厚みが約２５ｍｍあった。
【００２４】
（侵食試験）
上記の実施例１〜５及び比較例１〜３で得られた、各るつぼを用い、炉容量５００ｋｇ、炉入力３００ｋＷの高周波誘導炉を使用して侵食試験を実施した。侵食試験は、金属：スラグ＝３：５に調整したものを侵食材として用いた。この結果、実施例１〜５及び比較例１〜３のいずれのるつぼでも、侵食材を溶融することができた。そして、試験後の各るつぼを冷却した後、各るつぼを切断し、切断面で侵食量を測定した。表１にその結果を示したが、最も侵食されている部分の減肉量を測定し、これを侵食量（ｍｍ）として表した。
【００２５】
その結果、従来の振動法を用いて得られたアルミナ・スピネル質キャスタブル成形品である比較例１〜３のるつぼと比較して、実施例１〜５の高周波誘導炉用るつぼは、いずれも、高い耐食性と耐スポーリング性を兼ね備えたものとなることが確認できた。更に、各組成の比較から、簡便な振動成形によって得られる高周波誘導炉用るつぼとしては、キャスタブルの原料組成が重要であり、少なくとも４５〜６５質量％のアルミナ原料、１０〜３０質量％のアルミナ・マグネシア系スピネル原料、２〜１０質量％の炭素質原料の組み合わせが有効であり、これらの特定の組成を有する原料と、結合材を含むキャスタブルを用いることで、成形が簡便であるにもかかわらず、例えば、低レベル放射性廃棄物を、高周波誘導炉で減容処理する際に必要となる耐食性を充分に満足し得るつぼが容易に得られることがわかった。
【００２６】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、キャスタブルに水を加えて振動成形するという簡便な、経済的な方法で得られたキャスタブル成形品であるにもかかわらず、例えば、高周波誘導炉で低レベル放射性廃棄物を減容処理する場合に用いられる高周波誘導炉用るつぼのように、その内部で、廃棄物中の導電性金属が誘導発熱することで廃棄物が溶融される、といった使用目的に対して充分に満足できる耐食性と耐スポーリング性を兼ね備えたキャスタブル成形品、及びその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例及び比較例で作製したるつぼの概略斜視図である。

Claims (7)

1. 少なくとも４５〜６５質量％のアルミナ原料と、１０〜３０質量％のアルミナ・マグネシア系スピネル原料と、２〜１０質量％の炭素質原料と、結合材とを含むキャスタブルに水を添加して混練し、該混練物を成形してなることを特徴とするキャスタブル成形品。
2. 炭素質原料が、少なくともピッチ類、コークス類、及び黒鉛類のいずれかを含む請求項１に記載のキャスタブル成形品。
3. 更に、キャスタブル中に酸化防止剤及び分散剤を含み、且つ振動成形されてなる請求項１又は２に記載のキャスタブル成形品。
4. アルミナ原料が、電融アルミナ、焼結アルミナ及び仮焼アルミナのいずれかを含み、且つ、アルミナ・マグネシア系スピネル原料が、電融アルミナ・マグネシア系スピネル及び焼結アルミナ・マグネシア系スピネルのいずれかを含む請求項１〜３のいずれか１項に記載のキャスタブル成形品。
5. キャスタブル成形品が、高周波誘導炉用るつぼである請求項１〜４のいずれか１項に記載のキャスタブル成形品。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のキャスタブル成形品の製造方法であって、少なくとも、平均粒度が８ｍｍ以下に調整されてなる４５〜６５質量％のアルミナ原料、平均粒度が１ｍｍ以下に調整されてなる１０〜３０質量％のアルミナ・マグネシア系スピネル原料、２〜１０質量％の炭素質原料、酸化防止剤、分散剤及び結合材を含むキャスタブルを用い、該キャスタブルに対して４〜１０質量％の水を加えて混練し、得られた混練物を型枠に入れて振動成形することを特徴とするキャスタブル成形品の製造方法。
7. 結合材が、アルミナセメントであり、且つ分散剤がピロ燐酸ソーダ、トリポリ燐酸ソーダ、ウルトラピロ燐酸ソーダ、クエン酸ソーダ、グルコン酸ソーダ、ポリアクリル酸ソーダ、ポリアクリル酸エステルからなる群より選ばれる少なくとも１の化合物である請求項６に記載のキャスタブル成形品の製造方法。

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