(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに連通する複数本のステンレス鋼管から成る組立体を鋳型に配置し、前記鋳型にステンレス鋼溶湯を鋳込んだ後、冷却して、前記組立体が前記溶湯のステンレス鋼で鋳ぐるまれているステンレス鋼構造体を製造する方法において、前記溶湯を構成するステンレス鋼を、前記ステンレス鋼管を構成するステンレス鋼をベースとしてケイ素およびホウ素を配合することにより、前記溶湯を構成するステンレス鋼母材の融点を前記ステンレス鋼管を構成するステンレス鋼の融点よりも３０℃以上６０℃以下の範囲で低い温度にすることを特徴とする、ステンレス鋼構造体の製造方法。
【請求項２】
ステンレス鋼管から成る組立体をステンレス鋼母材の溶湯で鋳ぐるんだ後、得られた鋳ぐるみ品に更に高温静水圧圧縮を行うことを特徴とする請求項１に記載のステンレス鋼構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステンレス鋼構造体の製造方法に関し、更に詳しくは、複数本のステンレス鋼管を互いに連通した状態で組み立てた組立体が、同じくステンレス鋼で鋳ぐるまれているステンレス鋼構造体を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、国際的な研究体制の下で進められているトカマク核融合実験炉の建設において、プラズマを閉じ込めるトカマク装置に関しては、モジュールタイプのブランケットが検討されている。
このモジュールタイプのブランケットは、大きさがｍ3 オーダのステンレス鋼ブロックの複数個の積木細工のように組み立てて、全体が巨大な中空ドーナツ形状をしたものである。
【０００３】
前記したステンレス鋼ブロックの１例を、図１〜図３に示す。図１は平面図であり、図２は図１のII−II線に沿う断面図であり、図３は図１のIII −III 線に沿う断面図である。
図に示したように、このステレンス鋼ブロックは、ステンレス鋼から成るマトリックス２の縦、横、上下方向に孔径が異なる孔路１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄが互いに連通して形成されている。これら孔路は、例えばＨ2 Ｏのような冷却材を流して、ブランケットを冷却すると同時に熱核融合により発生した中性子を遮蔽するようになっている。
【０００４】
このステンレス鋼ブロックの製造方法に関しては、各種の方法が考えられる。例えば、中実なステンレス鋼ブロックに機械加工を行うことにより、その内部に冷却材経路に相当する複雑な孔を形成することが考えられる。しかしながら、この冷却材経路は、例えば径や長さが異なる孔が三次元的な模様をなしているものであり、またブランケット全体が中空ドーナツ形状であることからそれに対応して冷却材経路も部分的には湾曲して形成しなければならず、その機械加工は極めて困難である。
【０００５】
また、鋳砂で冷却材経路の形状に相当する中子を製作し、それを鋳型にセットしてそこにステンレス鋼の溶湯を鋳込んで冷却した後、この中子を除去して製造することも考えられる。
しかしながら、上記したように、冷却材経路は非常に複雑な形状をしているので、鋳造後に、中子の鋳砂を除去することは事実上不可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、前記したステンレス鋼ブロックの製造を意図し、その際に、ステンレス鋼ブロックの機械加工や中子を用いた製造における前記した問題を考慮し、これら方法に代わるものとして鋳ぐるみ法を検討した。
すなわち、所定組成のステンレス鋼管を用いて、形成すべき冷却材経路に相当する組立体を組み立てて、その組立体を鋳型にセットし、そこに、所定組成のステンレス鋼の溶湯を鋳込んだのち冷却して、前記組立体を溶湯の冷却固化体であるステンレス鋼母材で鋳ぐるむ方法である。
【０００７】
この場合、製造したステンレス鋼構造体は、トカマク装置のブランケットの組立に使用することを考えると、まず、ステンレス鋼管の組成と溶湯の組成とを同じにすることにより全体として均質なステンレス鋼の構造体にすることが好適である。
【０００８】
また、ステンレス鋼管とそれを鋳ぐるむステンレス鋼母材との間は互いに溶着していることが必要になる。鋼管と母材とが溶着しておらず、両者の間に、例えば微小間隙などが存在していると、この微小間隙が断熱部として機能し、鋼管内を流れる冷却材と、母材を伝達してくる炉心プラズマの高熱との熱鋼管効率、換言すれば、冷却材による冷却効果が低下するという問題を引き起こすからである。
【０００９】
ところで、一般に、鋳ぐるみ時の溶湯の温度は、溶湯を構成する材料の融点よりも１００℃程度高い温度が採用されている。そのような温度に設定しないと、鋳込まれた溶湯は周囲の鋳型などに吸熱されることにより温度降下するため、湯まわりが悪くなって良好な鋳ぐるみ状態を実現することができなくなるからである。
【００１０】
しかしながら、前記したブランケット用のステンレス鋼構造体を上記したような条件下で行われる鋳ぐるみ法で製造する際に、ステンレス鋼管とそれを鋳ぐるむ母材として同質のステンレス鋼を採用すると、これらの融点は略同じであるので次のような問題が生じてしまう。
すなわち、溶湯はそれを構成するステンレス鋼の融点より１００℃程度高い温度で鋳込まれるので、略同じ融点のステンレス鋼管もともに溶湯してしまうという問題である。このような事態が起こると、ステンレス鋼の溶解した個所から溶湯が流入して、形成すべき冷却材経路は全て閉塞してしまう。
【００１１】
このような問題は、用いるステンレス鋼管の肉厚を厚くすれば防止することができる。本発明者らの経験によれば、肉厚が２０mm以上のステンレス鋼管の場合には、当該鋼管の管肉は全て溶解しない。すなわち、肉厚２０mm以上のステンレス鋼管を用いれば、同質のステンレス鋼の溶湯による当該鋼管の鋳ぐるみは可能になる。
【００１２】
しかしながら、実際の冷却材経路の径は多岐に亘り、例えば内径１０mm程度の細径の場合もある。このような細径の経路に相当するステンレス鋼管を溶解することなく鋳ぐるむ場合には、肉厚との関係で当該鋼管としては非常に太いものを使用しなればならない。また、これにより曲げ加工が困難となるので冷却材経路に要求される精密な使用に対処することは極めて難かしい。
【００１３】
本発明の目的は、ステンレス鋼管をそれと略同質のステンレス鋼の溶湯で鋳ぐるむ際における上記した問題を解決し、ステンレス鋼管を溶解することなく、かつ、ステンレス鋼管と溶湯母材との溶着も良好な状態で当該ステンレス鋼管が鋳ぐるまれているステンレス鋼構造体の製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した目的を達成するために、ステンレス鋼管を構成するステンレス鋼の融点（Ｔ1 ）と、それを鋳ぐるむために用いる溶湯の融点（Ｔ2 ）との関係を調査した。その結果、両者が同質のステンレス鋼であったとしても、温度Ｔ1 に対して温度Ｔ2 を制御することにより、ステンレス鋼管の溶解は起こらず、かつステンレス鋼管と溶湯とは良好に溶着した状態で当該ステンレス鋼管を鋳ぐるむことができるとの事実を見い出した。
【００１５】
また同時に溶湯用のステレンス鋼として融点の低い材料を用いれば、温度Ｔ1 と温度Ｔ2 との関係において、温度Ｔ2 を、従来のように温度Ｔ1 よりも１００℃程度高い温度に設定するのではなく、より低い温度に設定しても湯まわりは良好となり、適正な鋳ぐるみ状態を実現できるとの着想を抱いた。
【００１６】
そして、この着想に基づき、溶湯用のステンレス鋼の融点の低下に関して検討を加えた。その結果、Ｓｉ（ケイ素）とＢ（ホウ素）を配合するとステンレス鋼としての全体的な特性を大幅に変質させることなく、好適な溶湯として使用可能であるとの事実を見い出した。
【００１７】
本発明は、これらの知見に基づいて完成に至ったものであり、下記の事項をその要旨としている。
（１） 互いに連通する複数本のステンレス鋼管から成る組立体を鋳型に配置し、前記鋳型にステンレス鋼溶湯を鋳込んだ後冷却して、前記組立体が前記溶湯のステンレス鋼で鋳ぐるまれているステンレス鋼構造体を製造する方法において、前記溶湯を構成するステンレス鋼を、前記ステンレス鋼管を構成するステンレス鋼をベースとしてケイ素およびホウ素を配合することにより、前記溶湯を構成するステンレス鋼母材の融点を前記ステンレス鋼管を構成するステンレス鋼の融点よりも３０℃以上６０℃以下の範囲で低い温度に設定することを特徴とするステンレス鋼構造体の製造方法。
（２） 鋳ぐるみを終了したのち、得られた鋳ぐるみ品に更に高温静水圧圧縮を行うことを特徴とする前記（１）に記載のステンレス鋼構造体の製造方法。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明においては、まず、ある融点Ｔ1 を有する組成のステンレス鋼から成る各種の管径や長さの鋼管を用意し、これら鋼管を、例えば溶接して互いに三次元的に接続し、管路が連通している組立体が製造される。例えば、ブランケット用構造体を製造する場合には、設計基準の冷却材経路として上記組立体が形成される。
【００１９】
次いで、この組立体は鋳型に配置され、当該鋳型には母材になるステンレス鋼の溶湯が鋳込まれる。
このとき、溶湯を構成するステンレス鋼の融点Ｔ2 は、鋳ぐるみ対象のステンレス鋼管のステンレス鋼の融点Ｔ1 との関係で設定される。すなわち、溶湯用ステンレス鋼は、Ｔ1 −Ｔ2 ≧３０℃となるような融点Ｔ2 を有するものが選ばれる。しかし、融点Ｔ2 がＴ1 −３０℃よりも高いステンレス鋼の溶湯を用いると、鋳ぐるまれるステンレス鋼にとって鋳込温度は高くなるので、当該ステンレス鋼管は溶湯に溶解して湯漏れが起ることとなる。
【００２０】
このような溶湯用ステンレス鋼は、鋳ぐるみ対象のステンレス鋼管の組成をベースとし、これに、Ｓｉ（ケイ素）とＢ（ホウ素）を配合して調製することができる。
具体的には、鋼管を構成するステンレス鋼におけるＳｉを１．０〜３．０重量％程度にまで増量し、また新たにＢを０．１０〜０．６０重量％程度配合することにより可能である。
【００２１】
Ｓｉは、融点を調整する元素として働くと同時に溶湯の湯流れ性を良好にするために有用である。また、Ｂは、少量で融点を調整する効果を発揮すると同時に熱中性子の吸収元素であるため、核融合炉のブランケット材を製造する際には好適である。このような処置により、得られた溶湯用ステンレス鋼は、鋳ぐるみ対象のステンレス鋼管の組成と略同質となり、しかも融点Ｔ2 は３０〜６０℃程度低下してその溶湯の湯流れは良好になる。
【００２２】
そして、溶湯用ステンレス鋼の融点Ｔ2 は、鋼管用ステンレス鋼の融点Ｔ1 に比べて低い温度であるため、溶湯の鋳込温度も鋼管の融点Ｔ1 との関係で相対的に低くすることができ、その結果、溶湯によるステンレス鋼管の溶解を抑制することができる。
【００２３】
溶湯の鋳込み終了後、冷却して溶湯が固化される。その結果、ステンレス鋼管の組立体は、固化溶湯のステンレス鋼母材で鋳ぐるまれ、ここに目標とするステンレス鋼構造体が得られる。
【００２４】
このようにして得られたステンレス鋼構造体においては、鋳ぐるまれているステンレス鋼管は溶解しておらず、かつステンレス鋼管の表面と母材とは溶着・一体化した状態になっていて両者の間に存在する微小間隙は非常に少ない。そのため、例えばステンレス鋼管に冷却材を流し、構造体の外表面が高熱流体と接触している場合、この構造体は優れた冷却効果を発揮する。
【００２５】
得られた構造体に対し、更に、例えば高温静水圧圧縮（ＨＩＰ）を適用すると、ステンレス鋼管と母材との間に５mm程度の微小間隙が存在しているとしても、その微小間隙は消滅して両者間の溶着状態は一層良好になる。
【００２６】
ＨＩＰの好適な加工条件は、温度１１５０〜１２５０℃、圧力１１００〜１５００ｋｇ／ｃｍ2 、保持時間５〜１０時間である。
【００２７】
【実施例】
以下に、本発明を実施例を用いてさらに説明する。
まず、表１で示した組成のステンレス鋼から成るパイプと鋳込材を用意した。
【００２８】
【表１】
0003858110.tif 000002
【００２９】
次いで、表１に示に組成のパイプを鋳型に配置し、そこに、鋳込材Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆの各溶湯およびパイプ材の溶湯（これを鋳込材Ｇとする）を、表２に示す温度で鋳込んだ。すなわち、ＳＵＳ３１６ＬＮを鋳込材Ｇとする。
得られた鋳ぐるみ品を切断し、パイプと鋳込材との溶着状態を調べた。その結果を、表２に示した。
【００３０】
【表２】
0003858110.tif 000003
【００３１】
表１，２に示す結果から以下のことが明らかである。
（１）  実施例２と比較例３を対比すると、鋳込温度はともに１４４２℃とパイプ材の融点と同じであるが、実施例２はパイプと母材とは良好な溶着状態を示しているのに対し、比較例３は溶着状態が悪い。これは、鋳込材の融点とパイプ材の融点との温度差が、実施例２は５０℃であるのに対し、比較例３は２６℃であることによる温度差にもとづく効果の差である。
（２）  実施例１と実施例２に示すように、鋳込材とパイプ材の融点の温度差が４０℃以上であると、より肉厚の薄いパイプをも溶解させることなく鋳ぐるむこができる。
（３）  実施例４に示すように、鋳込材の融点はパイプ材よりも３１℃低いが、良好な溶着状態を示している。しかし比較例２及び３に示すように融点の温度差が２６℃の場合は、低い溶着率を呈する。このことから推して、鋳込材の融点はパイプ材のそれより３０℃以上低いものに設定する必要がある。
（４）  実施例５は、鋳込材の融点がパイプ材のそれより５８℃低温である事例であるが、良好な溶着状態を示している。
（５）  比較例１は、パイプ肉厚が２０ｍｍと厚く、鋳ぐるみが容易な従来例に相当するものである。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の鋳ぐるみ法によれば、複雑に組み立てた鋼管の組立体を、当該鋼管を溶解させることなく、それと略同質のステンレス鋼の溶湯で鋳ぐるむことができる。そして、鋳ぐるまれている鋼管と溶湯母材との溶着状態も良好になる。
したがって、本発明は、例えばトカマク装置のブランケット用ステンレス鋼ブロックの製造方法として大きな可能性を備えており、その工業的価値は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るステンレス鋼ブロックの１例を示す平面図である。
【図２】図１のII−II線に沿う断面図である。
【図３】図１のIII −III 線に沿う断面図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ  孔路
２  マトリックス
【図１】
0003858110.tif 000004
【図２】
0003858110.tif 000005
【図３】
0003858110.tif 000006