JPH0275887A

JPH0275887A - 金属溶解用るつぼ

Info

Publication number: JPH0275887A
Application number: JP22777488A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyasu Ito; 義康伊藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-09-12
Filing date: 1988-09-12
Publication date: 1990-03-15

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は溶融金属に対して耐食性、耐熱性を有するコー
ティング層と断熱性を有するコーティング層とを備えた
金属溶解用るつぼに関する。

（従来の技術）一般に、チタニウム、ジルコニウム、ウラニウム（Ｔｉ
、Ｚｒ、Ｕ）のように化学的に活性な金属の溶解用るつ
ぼの基材には、タングステン、タンタル、ニオブ、モリ
ブデン（Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ。

Ｍ　ｏ　）などの高融点金属あるいはグラファイトなど
のセラミックスが用いられている。ところで、これら素
材は活性金属溶湯に直接接触すると反応するので、るつ
ぼが溶解あるいは浸蝕し、溶湯中にその素材が溶出し、
溶湯の純度を低下させる恐れがある。そこで、従来、る
つぼの内面に溶融金属に対して耐食性、耐熱性を有する
イツトリア（ＹＯ）、ジルコニア（Ｚ　ｒ　Ｏ２）など
のセラミックスコーティングを施し、溶湯中にその素材
が溶出しないようにしている。

この種の従来の溶解用るつぼは、第７図に示されるよう
に、グラファイトのるつぼ基材２１の内面にニオブの下
地層２２をコーティングし、その内面に安定化ジルコニ
アの中間層２３をコーティングし、その内面にイツトリ
アのセラミックからなる表面層２４をコーティングして
形成されている。この表面層２４の内側には、ウラニウ
ムの金属溶湯２５が満たされている。この金属２５を均
一に加熱し溶解させるには、るつぼ全体を加熱する、ま
たは電子ビーム、アークなどにより加熱するなどの手段
が採用される。

（発明が解決しようとする課題）ところで、この種の従来の金属溶解用るつぼでは、イツ
トリアの表面層２４と金属溶湯２５との反応温度が１７
００に程度であるので、電子ビームなどを用いて加熱す
る場合、１７００にぎりぎりまで昇温させることができ
る。しかしながら、１７００に程度まで昇温させると、
るつぼ基材２１とそれぞれの層２２，２３．２４との熱
膨張係数の差に起因して、第８図に示されるように、る
つぼの板厚方向に大きな温度差が生じる。ここで、２６
はるつぼ基材２１のまわりに設けられた冷却機能を有す
る銅基材を示している。

この銅基材２６と金属溶湯２５との間の大きな温度差は
、第８図から明らかなように、はとんど中間層２３１表
面層２４において生じる。したがって、るつぼ使用時に
、熱応力はこれら各層２３゜２４に作用し易く、よって
各層２３．２４に剥離、破損などが発生し易くなる。こ
れら各層２３゜２４が剥離、破損などを起こすと、金属
溶湯２５が下地層２２や、るつぼ基材２１に直接接触し
て化学反応し、るつぼの破損などにつながる恐れが生じ
る。一方、この温度差を少なくするためには、各層２３
．２４の厚さを薄くすれば良いが、薄くするとそれ自体
の耐久性に問題が生じ、るつは基材に、タングステン、
モリブデンなどしん性に乏しい素材を用いることができ
なくなるという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する
問題点を解消し、溶融金属に対して耐食性、耐熱性を有
するジルコニア、イツトリアなどのセラミックスコーテ
ィング層の部分に大きな温度差を生じさせないようにし
た金属溶解用るつぼを提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために、本発明は、るつぼ基材の外
側に冷却用基材を配置してなる金属溶解用るつぼにおい
て、前記るつぼ基材の内側に耐食性の有るセラミックか
らなる表面層を形成するとともに、前記冷却用基材の内
側に断熱性の有るセラミックからなる断熱層を形成した
ことを特徴とするものである。

（作　用）本発明によれば、冷却用基材の内側、すなわち冷却用基
材とるつぼ基材の間に、断熱性の有るセラミックからな
る断熱層を形成するとともに、るつぼ基材の内側に耐食
性の有るセラミックからなる表面層を形成したので、上
記断熱層が断熱作用、すなわち温度勾配を大きくするよ
う作用し、したがって、表面層における温度勾配は小さ
くなり、この表面層の割れまたは剥離を防止することが
できる。

（実施例）以下、本発明による金属溶解用るつぼの一実施例を第１
図乃至第６図を参照して説明する。

第１図において、１はタングステンのるつぼ基材を示し
、このるつぼ基材１の内側にはニオブの下地層２と、の
耐食を主目的とするイツトリアの表面層３とが形成され
ている。また、るつぼ基材１の外側には断熱を主目的と
するセラミックからなる断熱層４と、下地層５とが形成
され、この下地層５の外側には冷却用の銅基材６が配置
されている。また、表面層３の内側には金属溶湯７が満
たされている。

断熱層４は、るつぼ基材１の外側に安定化Ｚ　ｒ　Ｏ２
を溶射したのち、ＨＩＰ処理（熱間等方圧加圧）して形
成されている。すなわち、るつぼ基材１を窒化ボロン粉
末でくるみ、鉄製容器の中に真空封入し、Ａ「ガスを媒
体とし、１２００〜１５００℃、１０００〜１５００ｋ
ｇ／ｃシ、６０〜１２０分保持の条件下で処理、形成さ
れている。

また、銅基材６の内側の下地層５は溶射のままで、その
壁面は研磨仕上げされ、断熱層４の壁面に対し密着する
よう形成されている。セラミックのコーティングはプラ
ズマ溶射法により施工し、表面層３の厚さは２００μｍ
、断熱層４の厚さは１０００μｍ程度にされている。

このように形成された溶解用るつぼでは、溶融金属７を
溶解するに際し、第２図に示されるように、表面層３お
よび下地層２の部分で、断面方向の温度勾配を従来のも
の（第８図）に比べ低く抑えることができる。これは、
同図すから明らかなように、断熱層４の存在により断熱
層４とるつぼ基材１との間に隙間９が形成されるからで
あり、これら断熱層４と隙間９において温度勾配を大き
くできるからである。すなわち、破損すると重大な事故
につながる耐食を主目的とした表面層３の部分で、温度
勾配を著しく低減できるので、溶解時に繰返し作用する
熱応力により表面層３が割れまたは剥離を起こすような
現象を確実に防止することができる。

また、表面層３および断熱層４はプラズマ溶射法により
形成されるので、これら層３．４の膜厚は簡単にコント
ロールすることができる。したがって、これをコントロ
ールすることで、溶融金属７と表面層３との反応開始温
度、各素材の熱伝導率などを考慮し、熱損失を最少とす
るよう簡単に調整することができる。

さらに、表面層３の部分には、溶射施工後、ＨＩＰ処理
が施されるので、その溶射被膜内の空孔８の量は、従来
では１０〜３０％混在していたものが、数％に低減され
、また、空孔８の形態も三次元的につながった開気孔か
ら閉気孔へ変化するので、この表面層３内に溶融金属７
が浸透することが無くなる。すなわち、コーティング被
膜のち密化は、表面層３においてのみ重要であり、ＨＩ
Ｐ処理などは表面層３にのみ施工すれば良い。

また、断熱層４においては気孔率が高く、膜厚が薄い方
が良く、さらに所定の熱伝導性を有し、急激な温度勾配
にも柔軟に対処できる被膜が良く、実際には溶射のまま
の状態が好ましい。

第３〜５図は電子ビーム溶射によりウラニウムの溶融金
属７を溶解する場合の熱解析結果を示している。なお、
ここでは断熱層４の膜厚を種々変化させ、熱伝導係数λ
を０．５〜２００ｗ／ｍｋに変化させて解析している。

ウラニウムの溶融金属７と、イツトリアの表面層３との
反応開始温度は１７００にである。したがって、この場
合、溶解時に１７００に以上に温度上昇させることはで
きない。そのためには、第３図から明らかなように、熱
伝導係数λを６．５ｗ　／　ｍ　ｋ以上に大きくする必
要がある。しかしながら、熱伝導係数λが１２Ｗ／ｍｋ
以上になると、溶融金属７が全溶解の状態にならない。

一方、第４図から明らかなように、電子ビーム入力は熱
伝導係数λが大きくなるほど急激に増大する。これらか
ら明らかなように、ウラニウムを溶解するにはλ＞　５
　、　５　ｗ　／　ｍ　ｋ　ｓまたそれを全溶解させる
には６６５くλ＜１２ｗ／ｍｋとする必要がある。

なお、この条件を満たすためには、上述したように各層
３．５の膜厚を変化させれば良い。

第６図は本実施例と従来例の比較実験結果を示している
。実施例１は表面層３のＨＩＰ処理無し、実施例■は表
面層３のＨＩＰ処理有り、比較例は表面層３、断熱層４
の形成有り、下地層５の形成無しのものである。従来例
では１回の溶解により表面層３に割れまたは剥離が生じ
、るつぼ基材１に溶損が生じた。比較例では３回目の溶
解で表面層３に若干の割れが認められたため、そこで試
験を中止した。これに対し、実施例１．　　ＩＩでは大
幅に寿命が伸び、特に実施例■では１０回の溶解を繰返
しても表面層３に異常は認められなかった。

しかして、本実施例では、セラミックコーティング層３
．４の膜厚を調整し、これによって全体的な熱伝導係数
を調整し、熱損失を最少に抑えるようにしているが、他
の実施例では、銅基材６に銅基外の熱伝導係数の低い素
材、例えばタングステン合金（Ｗ−ＴｈＯ２などを使用
し、これによって同様の効果を得ることもできる。また
、この合金で製作すれば、それ自体も耐食性を有するの
で、信頼性の高いものにすることができる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、るつ
ぼ基材の内側に耐食性の有るセラミックからなる表面層
を形成するとともに、冷却用基材の内側に断熱性の有る
セラミックからなる断熱層を形成したから、この断熱層
の存在により、断熱層の部分での温度勾配が大きく、表
面層での温度勾配が小さくなり、よって表面層の割れま
たは剥離を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による金属溶解用るつぼの一実施例を示
す断面図、第２図は同じく温度勾配を示す図、第３図は
表面層の温度と熱伝導係数との関係を示す線図、第４図
は電子ビームと熱伝導係数との関係を示す線図、第５図
は溶融面温度とるつぼ中心からの距離との関係を示す線
図、第６図は表面層に割れまたは剥離が起きるまでの溶
解繰返し回数を示す線図、第７図は従来の金属溶解用る
つぼを示す断面図、第８図は同じく温度勾配を示す図で
ある。１・・・るつぼ基材、２・・・下地層、３・・・表面層
、４・・・断熱層、５・・・下地層、６・・・銅基材、
７・・・溶融金属、８・・・空孔、９・・・隙間。出願人代理人　　佐　　藤　　−雄第１図第２図熱イ云導５．賓父　（Ｗ／ｍｋ１第３図熱イ云導５．数　（Ｗ／ｍ　ｋ　１第４図０　　　　　　　１．０　　　　　　２．０　　　　　
　３．０ルツボ中心力゛うの距離（ｍｍ）第５図な　　　おし　　　　り第６図

Claims

【特許請求の範囲】

るつぼ基材の外側に冷却用基材を配置してなる金属溶解
用るつぼにおいて、前記るつぼ基材の内側に耐食性の有
るセラミックからなる表面層を形成するとともに、前記
冷却用基材の内側に断熱性の有るセラミックからなる断
熱層を形成したことを特徴とする金属溶解用るつぼ。