JP2659807B2 - 直接製錬方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はプラズマによって鉱石や金属化合物を直接製
錬する方法に関する。

（従来の技術） 近時、アーク放電により生成した熱プラズマを使用し
て、鉱石や金属酸化物を溶融還元もしくは熱分解するこ
とによって、金属や金属を富化した生成物を直接得る直
接製錬方法が注目されている。

直接製錬方法が注目されているのは、金属製錬に熱プ
ラズマを用いた場合、連続的に安定した超高温が得ら
れ、これによって通常の熱源では得られない超高温を必
要とする反応がおこる。また、反応高速は温度とともに
指数的に増加するから反応処理時間が短くてすみ、小型
の装置で操業できる利点があるからである。

直接製錬方法は、米国特許第3,865,915号や特公昭60
−53088号に開示されているように、陰極と陽極との間
にアーク放電を生じさせ、鉱石等の粉体をプラズマ生成
ガスと共に供給して、該粉体がプラズマアーク中を通過
する途中に溶融分解したり、またアーク外周に粉体を供
給してアークの輻射熱により溶融分解することにより実
施される。この際、還元性プラズマを得るには、プラズ
マ生成ガスとして水素、メタン、一酸化炭素等の還元性
ガスが不活性ガスと共に使用される。また、還元を促進
するには、粉体表面に炭素質物質の被覆層の被覆層を形
成することも、特公昭53−44128号に開示されている通
り公知である。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、叙上の技術では、鉱石粉等がプラズマ
中ないしプラズマ外周部に存在する時間を十分とること
ができず、溶融還元や分解されにくいため、粉体の粉度
調整や、炭素質物質の被覆等の煩雑な前処理が要求され
る。

また、プラズマアークを発生し、安定化させ、さらに
還元反応性を与えるため、プラズマ生成ガスとしての水
素、アルゴン、メタン等のガスを多量に必要とする。

更に、プラズマ発生装置においても、電極冷却手段、
プラズマ生成ガスおよび粉体供給手段等を要し、装置が
複雑となり、プラズマ生成ガスの多量使用と相まって、
製錬コストの上昇を招来する。

本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、製錬対象
物の形態にならず、又プラズマ生成ガスを使用すること
なく、簡単な設備で実施容易な直接製錬方法を提供する
ことを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するためになされた本発明の方法は、
還元性雰囲気の熱プラズマによって鉱石や金属酸化物か
らなる製錬対象物を溶融還元もしくは熱分解し、金属や
金属を富化した生成物を得る直接製錬方法において、空
気環境中に多数の黒鉛電極が製錬対象物から離隔して設
けられ、前記多数の黒鉛電極に多相交流電圧を印加し、
空気環境中で隣接する電極間にアーク放電させると共に
黒鉛電極の酸化分解により生じた強還元性を有する非移
行形プラズマアークを電極の先端部より製錬対象に直接
噴出させ、これによって製錬することを発明の構成とす
るものである。

この場合、電極の先端がほぼ円形状でかつほぼ等間隔
になるように逆円錐状に配置することができる。又、三
本の黒鉛からなる電極群を設け、該電極群に三相交流電
圧を印加すると良い。更に、製錬の際に製錬対象物を回
転させることができる。

（作 用） 多数の電極に多相交流電圧を印加し、アーク放電させ
ると、アーク電流により生じた磁場の作用で電極間に生
成したプラズマアークが電極の先端より噴出する。更
に、噴出するプラズマアークは多相交流によって生じた
回転磁界によって撹拌作用が付加される。このようにし
て生じたプラズマアークは非移行形のものであり、炉床
やるつぼ内に装入した鉱石等の製錬対象物に対して直接
照射することができる。

また、電極に黒鉛棒を使用して空気中でアーク放電す
るので、電極の酸化により生じた一酸化炭素は次の反応
によって（CO）^＋、C⁺のイオンを生じて極めて還元性に
富むプラズマアークを作り、酸化鉱や金属酸化物を還元
する。

CO＋ｅ→（CO）^＋＋ｅ→C⁺＋CO CO＋ｅ→C⁺＋O^-＋ｅ→C⁺＋Ｏ＋2e また、この高温のプラズマアークによって硫化鉱等の
金属化合物は直接熱分解される。

尚、プラズマアークの生成に際し、プラズマ生成ガス
の送入は全く必要なく、電極の冷却保護も不要である。

（実施例） まず、本発明を実施するために使用する多相交流プラ
ズマアーク発生装置を第１図を参照して説明する。

該発生装置は、６本の黒鉛電極2,3,4,2A,3A,4Aと三相
交流電源８からなる。第１図では、黒鉛電極2,3,4の後
方に黒鉛電極4A,3A,2Aがかくれているので、黒鉛電極は
３本に見えている。６本の電極は、各電極の先端が平面
上においてほぼ円形の線上に位置し、かつほぼ等間隔に
なるように、逆円錐状に配置されている。各電極は電極
送り機構（図示省略）によって進退自在とされており、
これによって電極先端部１は上下位置調整自在とされて
いる。電極2,3,4と電極2A,3A,4Aとは各グループ別にシ
リコン制御電流素子（サイリスタ）あるいはリアクトル
等により形成されている電流調整装置5,6,7を通して電
極接続部９に表示した電極番号の順序に従って三相交流
電源部８に接続される。電極接続部９内の端子番号は電
極の符号に対応している。それぞれの電極2,3,4,2A,3A,
4Aに、隣接する電極に対して120゜位相のずれた交流電
圧を印加すると、電極間に環状のアークが発生する。そ
の電極間に発生したアークは電磁力の作用により、電極
先端部１より下方向に噴出する。この非移行形プラズマ
アーク12を黒鉛るつぼ10内の鉱石や造滓剤等の製錬対象
物11に照射して溶融還元若しくは分解して金属の製錬を
行なう。

電極や交流の相の数は第１図に例示したものに限らず
自由であり、少なくとも３極、三相有ればよい。もっと
も、第１図のように黒鉛電極を逆円錐状に配置すると、
非移行形プラズマアーク12が電極先端部１から集中的に
噴出し易い。また、三相交流は、通常、電力会社によっ
て供給されているので利用し易い。

尚、るつぼ10は回転台上に載置し、るつぼ10を回転さ
せながら、るつぼ10内の製錬対象物に対して非移行形プ
ラズマアーク12を照射すると製錬の効率がよい。また、
製錬に際して、るつぼ（炉床）中に鉱石等の製錬対象物
のほか、適正量の造滓助剤や還元助剤として黒鉛粉等を
添加装入してもよい。還元助剤としての黒鉛は、通常、
鉱石に対し10〜40wt％程度使用される。還元された金属
がTi等の活性金属の場合、還元後の冷却過程で酸化や窒
化を防止するには、アークの照射停止後、Arガス等を吹
き付ければよい。

次に、上記還元性プラズマアーク装置を用いて行った
直接製錬の具体的実施例を掲げる。

実施例1:磁鉄鉱の製錬 （１） 実施例を供した磁鉄鉱は第１表に示す化学分析
値（wt％）の粉鉱である。

（２） この磁鉄鉱150gに造滓剤としての珪砂50gを混
合して黒鉛るつぼに入れ、空気中で第１図に示すプラズ
マアーク発生装置を用いて160秒間、黒鉛るつぼ10内の
鉱石11にプラズマアークを照射加熱して溶融還元し金属
塊（銑鉄）69gを得た。なお使用電力水準は70kwであ
る。

（３） 採取した金属塊（銑鉄）の分析値（wt％）は第
２表のとおりである。

この分析値から高炭素・高珪素で還元が十分行われて
いること、また低硫黄で脱硫効果が著しいことがわか
る。

実施例2:クロマイト鉱の製錬 （１） 実施例に供したクロマイト鉱は第３表に示す化
学分析値（wt％）の粉鉱である。

（２） このクロマイト鉱150gに造滓剤としての珪砂20
gを混合して黒鉛るつぼに入れ、実施例１に示した条件
と同一条件でプラズマアークを150秒間照射して、還元
金属塊（フェロクロム）79gを得た。

（３） この分析値は、69.2％Cr、3.60％Ｃであった。
従って、クロムの還元回収率は84％と比較的低いが、ク
ロム沸点が2640℃と低いことから蒸発による損失が大き
いと考えられる。

しかしこのように高クロム含有量のものが得られたこ
とは、該方法による酸化鉱の還元能力が十分であること
がわかる。従って、クロム：鉄が2:1以下の低品位のク
ロマイト鉱の製錬、または鉄鉱石を加えて製錬しステン
レス鋼用素材を製造する方が該方法による製錬に有利と
考えられる。

実施例3:アルミナの還元による銅・アルミニウム合金の
製造 （１） 銅粉40gにアルミナ80gを加えて混合し、黒鉛る
つぼに入れて実施例１と同一条件でプラズマアークを18
0秒間照射し、金属塊（銅アルミニウム合金）70gを得
た。

（２） この合金のアルミニウム含有量は45.2％であっ
た。尚、アルミニウムは実施例２におけるクロム以上に
難還元性で沸点が低く、アルミニウムの活量を下げて還
元を促進するため、容易に還元される銅との合金として
回収した。

（３） この銅・アルミニウム合金にアルミニウム屑を
加えて銅含有量を30〜35％に調整し、公知の三層式溶融
塩電解法によって製錬すれば高純度のアルミニウムが得
られ、銅は再び循環使用される。

実施例4:二流化モリブデンの熱分解による金属モリブデ
ンの製造 （１） 二流化モリブデン試薬（純度99.5％）50gを黒
鉛るつぼに入れて実施例１と同一条件でプラズマアーク
を160秒間照射して溶融分解し、金属モリブデン塊27.5g
を得た。従ってモリブデンの回収率は92.2％である。

照射開始後30秒から100秒までの間、白色絹糸状の物
質がアーク炎周辺に飛散浮遊するのが観察された。これ
は熱分解で生成した硫黄で亜硫酸ガス臭はなく、良環境
で製錬できることがわかった。

（２） ここで得た金属モリブデン塊の炭素含有量は9.
55％、硫黄含有量は0.001％以下であった。かかる低硫
黄の金属モリブデン塊が得られたことは、従来の諸文献
（例えば、米国特許第4,234,334号、特公昭60−53088
号、日本鉱業会春期大会講演要旨集163頁（1984））に
もその類例を見ない。

これは本発明の強還元性プラズマアークによる、るつ
ぼ内の処理によって、二硫化モリブデンが完全に分解さ
れること、また単なる熱分解以外に溶融金属中における
次の脱硫反応によって異常に低くなったものと考えられ
る。

MoS₂＋Ｃ→MoC＋S₂ （３） 金属モリブデン中の炭素は、例えば金属モリブ
デン塊からフェロモリブデンを製造する場合、公知のよ
うにミスケールや酸化鉄を加えて鉄と合金させれば脱炭
することができる。

実施例では、二硫化モリブデン試薬を用いたが、珪
酸、酸化鉄、アルミナ、銅等を含む輝水鉛鉱の場合もこ
れらが製錬時に鉱滓化ないし蒸散するから同様の結果が
得られると考えられる。

実施例5:含鉄チタン鉱の製錬 （１） 実施例に供したイルメナイト鉱は第４表に示す
化学組成（wt％）の粉鉱である。

（２） このイルメナイト鉱200gに還元助剤としての黒
鉛粉60gを加えて混合し、耐火物で囲まれた内径160mmの
黒鉛るつぼに装入して、空気中で第１図のプラズマアー
ク装置により発生したプラズマアークを電力水準70kwで
120秒間照射して加熱・溶融・還元させた。

（３） その結果、酸化鉄が優先的に還元されて金属鉄
となり、溶鉄塊として下部に溜り、その上にチタンが富
化したスラグ層が形成された。冷却固化後、破砕し鉄塊
を回収し、さらに高チタンスラグ層中の微粗粒状の鉄を
磁選して取除いた。

（４） かくして得られた高チタンスラグのチタン含有
量は65.17重量％で、チタン酸化物含有量は二酸化チタ
ン換算108.7重量％となり、TiOやTi₂O₃等の低級酸化物
に還元されていることがわかる。なお、鉄含有量は0.96
重量％であった。従ってチタンは元の鉱石中の含有量3
3.16重量％から65.17％と約２倍に濃縮されたことにな
る。

（５） ここで再び高チタンスラグに約30重量％の黒鉛
を加えて黒鉛るつぼに入れ、先と同一条件で150秒間、
加熱、還元して金属チタンを得た。得られた金属チタン
の分析値（wt％）は第５表の通りである。

（６） 第５表により、鉄含有量は微量で著しく減少し
ている。これは加熱、還元中に蒸散したためで、鉄の分
離に際し若干量の鉄が高チタンスラグ中に残留しても支
障がないことがわかる。

得られる金属チタンの炭素含有量が高く、これは還元
が高温における強力な炭素によって行われたため止むを
得ないが、この粗製チタンを陽極として溶融塩電解によ
り精製チタンを得る方法（日本金属学会誌、第35巻（19
71）、282〜288頁）によって製錬することにより、ま
た、それぞれ鉄、銅、アルミニウム等との合金による母
合金として使用すれば溶製時に脱炭できる。

なお、本発明の製錬対象となる鉱石等は単に実施例に
示した種類に限定されるものではなく、チタン、ハナジ
ウム、ジルコン等の酸化鉱および化合物、鉄、ニッケ
ル、銅等の硫化鉱等を含むことは勿論である。また、鉱
石とは原鉱のみならず選鉱による精鉱、か焼、ばい焼等
をも含み、金属酸化物には湿式製錬や化学処理によって
採取した化合物をも含む。

（発明の効果） 以上説明した通り、本発明の直接製錬方法によれば、
黒鉛電極を用いた多相変流プラズマアーク発生装置を用
いるので、強還元性、指向性かつ撹拌作用のある非移行
形プラズマアークを空気中で容易に生成させることがで
きる。従って、製錬は非移行形プラズマアークを対象物
に照射することによって直接行えるので、製錬対象物と
して、粉状、粒状、塊状を問わず、導電性の有無に拘ら
ず、また浮選精鉱による多少湿潤した状態のものでも差
し支えなく、従来のように厳密な粒径や送入速度の調整
は全く必要がなく、広範囲の性状の鉱石や金属化合物に
対して適用可能である。更に、製錬に際して造滓剤等も
製錬対象物と共に炉床やるつぼに装入することができ
る。

また、前記プラズマアークは、黒鉛電極の酸化分解に
より生じた炭素や一酸化炭素のイオンによって強還元雰
囲気を形成しているため、還元性のプラズマ生成ガスの
供給は全く不要であり、又電極の冷却手段も不要であ
り、極めて簡単なプラズマ発生装置で本発明を実施する
ことができ、規模の拡大や生産性の向上、コストの低廉
性に優れる。

更に、電極の先端がほぼ円形状でかつほぼ等間隔にな
るように逆円錐状に配置するため、電極先端部から非移
行形プラズマアークを集中的に容易に噴出できる。そし
てプラズマアークを製錬対象物に照射する際、製錬対象
物を回転させておくため、製錬を効率よく行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施に使用される多相交流プラズマア
ーク発生装置の概要説明図である。 １……電極先端部、2,2A,3,3A,4,4A……黒鉛電極、 ８……三相交流電源、12……非移行形プラズマアーク。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】還元性雰囲気の熱プラズマによって鉱石や
   金属酸化物からなる製錬対象物を溶融還元もしくは熱分
   解し、金属や金属を富化した生成物を得る直接製錬方法
   において、 空気環境中に多数の黒鉛電極が製錬対象物から離隔して
   設けられ、前記多数の黒鉛電極に多相交流電圧を印加
   し、空気環境中で隣接する電極間にアーク放電させると
   共に黒鉛電極の酸化分解により生じた強還元性を有する
   非移行形プラズマアークを電極の先端部より前記製錬対
   象物に直接噴出させ、これによって製錬することを特徴
   とする直接製錬方法。
2. 【請求項２】多数の黒鉛電極は、各電極の先端がほぼ円
   形状でかつほぼ等間隔になるように逆円錐状に配置され
   ていることを特徴とする請求項１に記載の直接製錬方
   法。
3. 【請求項３】三本の黒鉛電極からなる電極群を設け、該
   電極群に三相交流電圧を印加することを特徴とする請求
   項１に記載の直接製錬方法。
4. 【請求項４】製錬の際に製錬対象物を回転させることを
   特徴とする請求項１に記載の直接製錬方法。