報告書番号

L06013

タイトル（和文）

高融点材料を急冷微粒化する蒸気爆発促進手法の検討

タイトル（英文）

Investigation on Promoting Method of Vapor Explosion to Quench and Atomize High Melting Point Metals

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

当所では小規模蒸気爆発を持続的に発生させる超急冷・微粒化技術CANOPUSを開発した注１）。CANOPUS技術の急冷特性を活用すると、これまでにない組成の非晶質（アモルファス）材料の製造が可能になる。非晶質材料には、優れた磁気特性を示す磁性体材料や高強度な構造材料などがあり、Fe基やCo基材料の非晶質化が重要である。ただし、これらの金属材料の融点は950℃～1300℃と高温であり、蒸気爆発が生じにくいとされている。これは、溶融金属と冷却材を隔てる安定した蒸気膜が、両者の直接接触を妨げるためである。そこで、高融点の金属材料に対して効率的に蒸気爆発を発生させる手法が望まれている。本報告は、高融点の金属材料を水と接触させる場合に蒸気爆発が効率的に発生する条件を見出し、その発生機構を解明することを目的とする。実用材料と同程度の高い融点を有する銅を模擬材料として用い、単一の高温銅液滴として水プール中に滴下する実験を行った結果、以下が明らかになった。水温が50℃以上の場合、高温溶融銅液滴が厚い水蒸気膜に覆われるため、溶融銅と水が直接接触できず、蒸気爆発に至らないことを高速度ビデオカメラによる可視化で確認した。一方、水温が20℃の場合、水面衝突後の約1msにおいて蒸気爆発に至ることが判明した。水温の低下とともに高温銅液滴を覆う水蒸気膜が不安定化して崩壊しやすくなり、蒸気爆発の発生確率が上昇することが分かった。蒸気爆発が発生する場合、高温銅液滴を覆っている水蒸気膜が不安定化し、局所的な直接接触によって溶融銅液滴からフィラメントが成長することが観測された。この溶融銅フィラメント周囲の水蒸気膜の凝縮を起点として、高温銅液滴周囲の水蒸気膜が連続的に凝縮し、蒸気爆発に至ることが判明した。この溶融銅フィラメントが成長した場合には、殆ど全ての場合で蒸気爆発に至ることが分かった。以上より、高融点の金属材料に対しても、低温水を溶融金属に連続的に供給する、あるいは水温を低く保つ体系とすることで、蒸気爆発による急冷・微粒化効果が期待できることが判明した。本研究で見出した条件に基づき、優れた機能を有するFe基やCo基などの非晶質材料の製作を進めている。

概要 （英文）

We developed ultra rapid solidification and atomization technique, CANOPUS, using small-scale vapor explosion and develop an amorphous metal with a new function. In order to apply CANOPUS method to high melting point metals, we investigated the conditions to generate spontaneous vapor explosions using high melting point metal. Small-scale experiments were conducted in which a molten copper droplet released into water pool. Spontaneous vapor explosion did not occur when water temperature was equal and more than 50 oC. Spontaneous vapor explosion did, however, occur at a rate of 70 %, when water temperature was 20 oC. A high-speed video frames explored the triggering processes of spontaneous vapor explosions: (1) when a molten copper droplet released into water pool, a vapor film was formed and separates the copper droplet and surrounding water, that is film boiling, (2) a filament of molten copper grew from the surface and deformed the vapor film, (3) since the filament of molten copper had a small heat capacity and was rapidly quenched, the vapor film condensed along the filament surface, and the molten copper droplet around the filament directly contacted with water, and finally (4) triggering of spontaneous vapor explosions occurred from the filament to the whole molten copper droplet. When the filament growth was observed, it triggered the spontaneous vapor explosion in almost all cases. When not, spontaneous vapor explosion was not observed and the vapor film was, therefore, stably formed around the molten copper droplet. We concluded that the filament form the molten copper triggered spontaneous vapor explosion in a highly subcooled water. From these results, it is supposed that we can achieve an effect of rapid cooling and atomization with vapor explosions against high melting point metals by continuous supply of low temperature water to molten metal droplets or development of a system to keep the water temperature low.

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