JPS5827937A - 化学的及び冶金学的利用のための移行ア−ク式プラズマ反応器 - Google Patents

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】 本発明は化学的及び冶金学的利用のための移行アーク式
プラズマ反応器に関する。

化学操作及び冶金学操作に対するンラズマ技術の利用は
、過去２０年間にわたって次第に増大する注目を受けて
来た。下記の記載の目的に対してプラズマは、非常に高
温下において解離された分子、原子、イオン及び電子の
気体混合物として定義することができる。イオン及び電
子への電離の程度はガス権及びその温度に関係する。工
業的利用の目的に対しては、プラズマの温度は約６００
００にから２５０００°Ｋまでにわたる。

プラズマを発生させ、使用する主目的は非常に高温の環
境を作り出すことである。この高温環境は工業的に興味
のあるたいていの工程において反応速度を大いに増大さ
せることができるのみならず、該高温環境は例えば燃焼
炎又は酸素アセチレン炎のような慣用の方法によって得
られる、より低い温度水準に訃いては実現不能である反
応を屡屡起させる。この良い例は、元素状硫黄の蒸気の
発生を伴った、直接に金属モリブデンを得るだめの、２
９０００Ｋまでの温度における、天然には輝水鉛鉱とし
て見出される二硫化モリブデン、　ＭＯ８２、の熱分解
である。上記元素状硫黄の蒸気は別個に固体硫黄に凝縮
させることができ、したがって汚染問題を排除すること
ができる。そのほか該プラズマ形成ガスは、例えば酸化
（酸素及び／又は空気）、還元（−酸化炭素、水素又は
天然がス）、塩素化（塩素）、又は窒化（窒素）の各反
応に対する反応物として屡々使用することができる。

実用的な目的に対してプラズマを発生させる最善の方法
は、２つの電極（陰極及び陽極９間に打ち出される直流
電気アークによるか、又は無電極の無線周波誘導（ｅｌ
ｅｃｔｒｏｄｅｌｅｓｓ　ｒａｄｉｏ　ｆｒｅｑｕｅｎ
ｃｙｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　）もしくはキャパシタ
ンスによるものである。

工業的見地からしてプラズマ方式は、技術的かつ経済的
に実行可能であるためには下記の強制事項を満足させな
ければならない： １、該方式は高度にエネルギー効率的でなければならな
い。このことは電気エネルギーが石炭、石油及び天然ガ
スのような慣用の燃料と比較した場合に一般的に高価で
あることの故に、プラズマ方式に課せられた最も重要な
制限であろう。一般的に、上記のような慣用の燃料が所
望の高温環境を経済的に作り出し得ないことが証明され
た場合にのみプラズマの利用を考慮すべきである２、生
成物の純度規格に適合すべきである。多くの冶金学的又
は化学的な処理反応の生成物は厳重な純度規格に適合し
なければならない。これらの場合に、所望の生成物を得
るための反応の転化率はほぼ１００係でなければならな
い。それはまた、装置の構造材料から、又は系内への空
気もしくはその他の気体汚染物の進入からのいずれから
も汚染物は殆んど、または全く導入され得ないことをも
意味する。

式は微粉形態の固体生成物の生成に限定される。

そのような形態の生成物は冶金学的方法において限定さ
れた用途（例えば粉末冶金）のみが見出されているので
、その後にインプットとして鋳造することのできる溶融
形態の生成物を生成することのできるプラズマ方式が好
ましい。なぜならばインゴットは、より容易に所望の最
終形状に変えることができるからである。

４、資本費及び運転費が手ごろであるべきである。

プラズマ方式は簡単で、かつ大規模な供給物調製又は流
出物処理を要しないものであるべきである。

運転は連続的又はほぼ連続的で、かつ完全なオートメー
ションが可能であるべきである。流れ運転（ｏｎ−ｓｔ
ｒｅａｍ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　）は保守を余り必要と
せずに高度であるべきである。電極の寿命は適度である
べきであり、かつ交換は最小時間を必要とすべきである
。

５、作業条件及び環境条件が高水準であるべきで鮫。プ
ラズマ方式の作業環境は比較的に騒音及び熱の刺激なら
びに有毒な蒸気及び塵埃のないものであるべきである。

プラズマ方式から発散する気体流出物は、塵埃の回収及
び循環、有用な熱の回収ならびに化学汚染物の除去のた
めの処理が可能であるべきである。

アークによりプラズマを発生させるための多くの装置が
開発されて来た。これらのうちで最も普通のものは直流
ジェットアークであり、この装置においては密接した陰
極と水冷陽極との間にプラズマ生成ガスが吹き込まれる
。プラズマはノズルから膨張ジェット又はテール炎（ｔ
ａｉｌ−ｆｌａｍｅ　）の形状で非常に高速で発生する
。もう一つの通常の形状は無線周波誘導プラズマ発生装
置であり、この装置においては該装置の外部電界と内部
磁界とが組み合わされ、それにより、高められた温度に
おける火球（ｆｉｒｅｂａｌｌ　）をつくり出すプラズ
マはノズルから膨張ジェットの形状で発生するけれど典
型的には直流ジェット発生装置におけるよりも低温かつ
低速で発生する。非ジェット式の中で、大容量でかつ低
速のプラズマは、６相交流回路に接続された３個の電極
間において、起動用のパイロットアークを使用して発生
させることができる。最後に、近年の間にセラミックス
の製造用及び冶金学的操作用に移行アーク（ｔｒａｎｓ
ｆｅｒｒｅｄａｒｃ　）が大きく注目を受けている。こ
の形式のプラズマ発生装置崖においては、２〜５ｃｍか
ら１ｍまたはそれ以上までにわたる非常に長い直流アー
クが、陽極と、融解した所望の生成物より成る陽極との
間に打ち出される。該アークは高温におけるプラズマガ
スの円柱形状を取る。該温度は陰極の先端付近において
最高であり、陽極に接近するにつれて徐々に低下する。

陰極付近の温度は典型的にはアルゴンに対して２０００
００Ｋに接近し、しかも成る程度プラズマ形成ガスの性
質及びその他プラズマ装置及びそれらの利用に対する科
学文献及び特許文献は全く多方面にわたっている。今日
までこの分野における大部分の研究は、プラズマ方式を
経済的に実施可能ならしめるように、それを最適化し、
かつ制御することよりも、フ０ラズマ条件下に所望の反
応を行う技術的実行可能性の探究に向けられて来た。こ
の前者は電気エネルギーの高い費用の見地から、最も重
要な考慮事項で）〕る。その結果として、しかも数メが
ワットの電力における連続運転をすることのできるプラ
ズマ発生装置が市販されているけれど、工業的規模にお
けるプラズマ反応器の使用は２〜３の方法圧限定される
：すなわちアセチレンの製造、酸化チタンの製造、ジル
コン砂の解離、製鋼における精練工程及び特殊鋼の製練
である高温不均一系に対するプラズマの利用について最
近、Ｐ−ＦａｕｃｈａｉｓによるＵｔｉｌｉｓａｔｉｏ
ｎ工ｎｄｕｓｔｒｉｅｌｌｅ　Ａｃｔｕｅｌｌｅ　ｅｔ
ＰｏｔｅｎｔｉｅＬｌｅ　ｄｅｓ　Ｐｌａｓｍａｓ　（
Ｒｅｖｕｅ　Ｐｈｙｓ、　Ａｐｐｌ。

において刊行、第１５巻、１２８１負より、１ １９８０年〕の標題の論文において十分に概説された。

合金鉄をそれらの精鉱〔例えばフェロクロム、フェロモ
リブデン、フェロバナジウム、フェロニオブ（フェロバ
ナジウムとしても知られている）など〕から、玩存の慣
用方法よりもより安価に、かつより汚染を少く製造する
新規な方法を探究するに当り、プラズマ方式は屡々成る
錘の利点を有するものと思われる。例えば、フェロモリ
ブデンの製造に対する現在の科学技術は、ＭＯ８２の精
鉱を焙焼し、スクラツピングするか、または硫酸に転化
させるかしなければならないＳ０２ガスの大量の副生を
伴って工業縁Ｍ００３を生成させることを包含する。次
めで該酸化物をバッチ法により鉄の存在下にフェロシリ
コン及びアルミニウムと反応させる。この場合、該混合
物をれんがと砂とより成る浅いビットに入れて強熱する
。反応自体は非常に迅速であるけれど、生成したフェロ
モリブデンの塊状インイツトを冷却するだめに一長時間
を費さなければならない。スラブキャップを分離した２ 後、フェロモリブデンを適度の大きさの破片に破砕する
。全操作は重労働であり、しかも大量の塵埃、煙及び熱
を発生する。一方、プラズマ技術は上記と同一の操作を
、方程式； ％式％ にしたがって１工程で行う可能性を提供する。

このようにして生成されたモリブデンは次いで必４）−
量の鉄に添加して所望のＭ、含量を有する最終フエロモ
ＩＪプデン生成物を生成させる。硫黄はその元素形態の
蒸気として発生し、そのため汚染問題を生ずることなく
、別個に採集し、凝縮させることができることに注目す
べきである。Ｒ，Ｊ。

Ｍｕｎｚ及びＷ＋Ｈ，Ｇａｕｖｉｎによるｒ　ＴｈｅＤ
ａｒ：ｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎＫｉｎｅｔｉｃ　ｏｆ　Ｍ
ｏ１ｙｂｄｅｎｉｔｅ　ｉｎ　ａｎ　Ａｒｇｏｎ　Ｐｌ
ａｓｍａ（アルゴンプラズマ中における輝水鉛鉱の分解
動力学）」（Ａ工０ｈｌｉｉＪ発行、第２１巻、第６号
、１１６２〜１１４２負、１９７５年）の表題の論文に
、反応温度が高くなればなるほど反応速度が速くなるこ
とが示されている。しかしながら製鋼に使用されるフェ
ロモリブデン（その主要な用途）の硫黄含量に対する工
業規格は極めてきびしい。

０．１５　％に過ぎない硫黄が生成物中に存在しなくて
はならない。このことは反応が９９．９　％完了しなけ
ればならず、さもなければ生成物中に残留する硫黄がそ
の仕様ン超過することを意味する。炭素含量に対する仕
様もまた同様に厳格である。結局、融解状態のモリブデ
ンまたはフェロモリブデンを１０沫生成することのでき
るプラズマ反応器は、モリプ゛デン粉末を生成するもの
よりは非常に好ましｌＡ。

新規なプラズマ法を探究″４−ろに当り、刊行〜された
科学文献及び特許文献を厳重に検削し、多くの実験的な
実験室試験を行った。粉末精鉱とプラズマ炎との接触を
包含するすべての方式は次の二つの点により、すなわら
；該粉末と、それを同伴するプラズマ炎との間の接触時
間が、反応をイｆ゛進して完了させるのに短か過きる（
わずかに数ミＩＪ秒が利用可能である）か、又は粉末の
一部がプラズマの高温帯域から漏出して不完全処理され
、もしくは全く処理されないかのいずれかであることに
より拒否されなければならなかった。転化率９９．９係
とは１０００個の粒子中わずかに１個のみが未処理であ
ることが許されるという意味であることを理解すべきで
ある。同様にインダクタンスプラズマ及びギヤパシタン
スプラズマはプラズマの形成に要する高周波領域（代表
的には４　ＭＨｚ　）を生成させるに当って効率が低い
ことの理由から拒否されなければならなかった。高周波
電流を生ずるオシレーターにおいて、ブスバーにおける
エネルギーの約６０係が失われる。種々のプラズマ発生
装置を使用して行った不成功実験の概略がＧ、ＲｏＫｕ
ｂａｎｅｋ　、　Ｒ，Ｊ、　Ｍｕｎｚ及びＷ、　Ｈ，Ｇ
ａｕｖｉｎにより刊行されたｒ　Ｐｌａｓｍａ　Ｄｅｃ
ｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ＭｏｌｙｂｄｅｎｕｍＤ
ｉｓｕｌｆｉｄｅ　（二硫化モリブデンのプラズマ分解
）Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　Ｔｈ１ｒｄ工ｎｔｅｒ
ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎ　Ｐｌａｓ
ｍａ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　（第６回プラズマ化学国際
シンポジウム議事録）、フランス、リモージエ、１９７
７年、において見出すことができる。

上記の作業の結果の見地から、融解物に移行するアーク
を有するプラズマ反応器方式を開発して、５ エネルギー動車、生成物純度などに対する要求を満たす
べきであることが決定された。融解形態の粉末供給物の
処理に対する種々の直流アーク方式が従来において提案
され、かつ開発されて来た。

これらのうちで注目に値するものは： ａ、微粒微粒供給力ッ−Ｖの周辺に画状に降らせて供給
しつつ、アークを、中心軸の周囲を回転しているカソー
ドから融解浴に移行させる膨張した、すりこぎ運動プラ
ズマ方式（Ｊ、　Ｋ、　Ｔｙｌｋｏによる米国特許第３
．９３２．１７１号、及び第４，１５４．９７２号各明
細書ならびにその他の関連特許明細書により開示される
ような）。可能性のある応用としてはクロム鉄鉱からの
フェロクロムの製造である。

ｂ、熱がスが円筒状反応器の頂部に流入される慣用の直
流プラズマトーチ（ｐｌａｓｍａ　ｔｏｒｃｈ　）より
成る熱壁（ｈｏｔ　ｗａｌｌ　）連続プラズマ反応器（
Ｊ。

Ｆ、　５ｋｒｉｖａｎ及びＪ、　Ｄ、　Ｃｈａｓｅによ
る米国特許第３．８５６．９１８号明細書）。微粒（チ
タン鉄鉱）を該反応器の頂部の真下に約４５°の角度に
おいて空力的に供給して壁面に衝突させ、該壁面を流下
６ させて還元ガスと反応させる。生成物は下のるつはｆ滴
下させる。

Ｃ０頂部陰極と円筒壁陽極とより成り、固体粒子を陽極
の頂部付近に空力的に、接線方向に供給し、該陽極の内
面上に融解流下液膜を形成する流下液膜式プラズマ反応
器（Ｄ、　ＲｏＭａｃＲａｅらによる米国特許第４．０
０２．４６６号及びカナダ特許第１．０６５．７９４号
各明細書）。アークがとの液膜を、最小の電気抵抗を示
す地点において不規則に打撃する。このように該液膜は
、それが連続的であれば陽極を保護し、その腐食速度を
減少させ、かつ熱絶縁物として作用して、水冷に対する
熱損失を減少させる。次いで融解物がるつは内に流下し
、そこから出湯される。

後者の流下液膜直流移行アーク式プラズマ反応器方式が
最も有望であることがわかった。この方式は、炭素質固
体還元体とガス中のメタン及び水素の混合物とによる鉄
鉱石の還元に応用されて来た。その他の応用としては、
１９７７年、フランス　リモージュにおける第６回国際
プラズマ化学シンポジウム議事録におけるり、　Ｒ，Ｍ
ａｃＲａｅ、Ｒ。

Ｇ、　Ｇｏｌｄ　、　Ｏ，Ｄ、　Ｔｈｏｍｐｓｏｎ及び
Ｗ、　Ｒ，５ａｎｄａｌｌによる「Ｆｅｒｒｏｖａｎａ
ｄｉｕｍ　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｂｙ　Ｐｌａｓｍａ
Ｃａｒｂｏｔｈｅｒｍｉｃ　　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　　
ｏｒ　　Ｖａｎａｄｉｕｍ　　０ｘｉｄｅ（酸化バナジ
ウムのプラズマカルボザーミツク還元によるフェロバナ
ジウムの製造〕」と題する論文に開示されている酸化バ
ナジウムのカルボザーミツク還元（ｃａｒｂｏｔｈｅｒ
ｍｉｃ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　）　ＩＩＣよるフェロバ
ナジウムの製造、及びり、　Ｒ，ＭａｃＲａｅ及びＲ２
Ｏ，Ｇ、）１４による米国特許第４．２３４．３３４号
明細書により開示されているよりな二硫化モリブデンか
らのモリブデンの製造を包含する。後者の特許明細書に
おいて、最初に非導電性であったＭｏＳ２の薄膜がアー
クを生じさせて陰極と、陽極の非被穆部分との間を短絡
することを述べている。

この問題は供給原料に導電性物質（好ましくは炭素）を
添加することにより回避された。るつは中の物質は、そ
の表面上を流れる熱流出ガスからの対流熱伝達によって
のみ加熱されることに注目すべきである。この特許明細
書を綿密に研究するととにより、」二連したような方法
は、厳重な性能要求を伴う工業的な利用に対して下記の
理由により望ましくないことが示される。すなわち１、
壁面上の薄膜を導電性にするためては、ＭＯ８２供給物
に炭素を添加する必要がある。この炭素の添加は炭化モ
リブデンを生成することになり、該炭化モリブデンは熱
力学的に安定で、生成物中に不純物として残留し、該炭
化そリプデンはプラズマ反応器系のほかにもう一つの高
温処理工程において該生成物から除去する必要がある。

２、生成物に対する純度の要求が満足されない。

前項において論じたように許容できない水準の炭素によ
り生成物が汚染されるのみならず、その硫黄含量も高過
ぎ、マグネシウムも、それはるつぼ物質を適当に選択す
るか、または溶融することにより除去することができる
けれど、炭素と同様に高過ぎる水準（該特許明細書の実
施例乙に示されるように）にあ′る。

３、該方式は、そのエネルギーの利用において比較的に
非効率的である。壁隔極上においてプラグ９ マガス中の電子が再結合する際に該壁隔極上に発生する
高熱から該壁陽極を保護するため、該壁陽極を循環水に
より強く冷却する必要がある。したがって、このエネル
ギーの一部のみがＭＯ＋９２膜の融解及び分解に利用さ
れる。そのほか、供給粉末混合物を熱プラズマガスと共
に運搬するために大量の冷ガスを必要とし、このことが
、るつぼ物質を加熱するのに利用される流出ガスの温度
を大いに下げることになる。その結果、該流出ガスは中
間温度において出て行くが、この温度は該るつぼを加熱
するのに効果的に使用することができないにも拘らず、
系全体における重大な熱損失を構成する。

４、該特許明細書は、新規に製造されるモリデヂ゛　ン
としての７工ロモリブデン母合金を生じさせるために最
初に鉄融解物をるつほに仕込むことにより該るつぼが鉄
を混入されること、及び陽極の腐食問題及び／又は破壊
をなくすために供給物に添加する導電性物質としての鉄
粉の添加について述べている。しかしながら鉄は系中に
存在する硫黄０ と結合してＦｅＳを生成し、該ＦｅＳは熱力学的に非常
に安定であることに注目すべきである。これにより、生
成物中における有意の硫黄水準をもたらすことになり、
硫黄に対する厳重な規格に合格することを技術的及び経
済的に更に困難にする。

５、工程が動作中である間、陽極壁は融解ＭＱＳ２の流
下液膜により保護されており、該流下液膜は点弧根元（
ｓｔｒｉｋｉｎｇ　ａｒｃ　ｒｏｏｔ　）において発生
する熱のかなりの部分を吸収する。工程中の任意の時間
に流下液膜の中断が生じて陽極壁面の小区域が露出した
ままとなれば、その地点のより良好な導電性の故にその
地点においてアークが選択的に点弧され、前記Ｍａ　Ｃ
Ｒａ　ｅ及びＧｏｌｄの二つの特許明細書の集施例に記
載のように、陽極のこの部分が破壊される。安全上の見
地からすれば、水が冷却ジャケットから系内に入り込む
恐れのある、このような事故は該水とるつば中の大量の
融解金属との接触により爆発を起こす場合がある。

本発明者らは実験を通して、上記米国特許第４．２３４
，３３４号明細書ならびに科学文・献及び特許文献に挙
げられている種々のその他の方式の多くの欠点が、新規
な反応器の設計を利用することにより克服できることを
発見した。該新規な反応器の設計は、融解物を採集する
ためのるつばを形成する底部と；該るつは中の融解物と
接触するように適合させた陽極と；該るつぼの頂部に取
りつけられ、そこから電気的に絶縁されているスリーブ
と；該スリーブの頂部に取りつけられ、そとから電気的
に絶縁されている陰極を包含する陰極組立物と；キャリ
ヤーガスによって輸送される供給材料を該スリーブの頂
部付近に導入して該材料を該スリーブの内壁に対して供
給し、かつ該陰極と該融解物との間に形成されるプラズ
マアークによって放射されるエネルギーの熱作用のもと
（で融解させて、該スリーブの内壁に沿って流下し、そ
の下の該るつは中に滴下する該融解物の流下液膜を形成
させる手段と；該キャリヤーガス及び未反応のプラズマ
形成ガスを流出させろだめの該反応器の底部における出
１コとを包含する。

陰極は、該陰極先端を融解物に接近させろように移動さ
せることによってプラズマアークを起動させ、かつ該プ
ラズマアークを最適動作に制御するために上下方向に動
くことができる。

通常には陰極組立物を冷却するだめの手段を設ける。本
発明の好ましい実施態様においては該陰極組立物を冷却
するために低温プラズマ形成ガスを該陰極組立物を通し
て循環させることができる。

スリーブは、もし反応の温度水準が冷却を必要とするな
らば水又は他の冷却剤により冷却することができる。

反応器の底部は、融解物に対して不活性な導電性物質よ
り成る陽極を収容している。該底部は冷却（必要により
水、空気、油）を必要とすることがある。一般的に反応
器壁及びその他の構成要素の冷却は、絶縁を利用するこ
とによって最小化するか、又は回避すべきである。

本発明の一つの特色は、精練又は不純物のスラッギング
を目的とする融剤の添加を、供給原料と共にスリーブを
通すか、又は別個にるつほの壁面、もしくは頂部におけ
る再閉開口を通して融解物上３ のいずれかにおいて行うことができる。合金形成成分の
添加も１だ供給原料と共にスリーブを通すか、又は別個
にるつぼの壁面又は頂部の再閉開目を通して融ｗｒ上の
いずれかにおいて行うことができる。

本発明を、図面を参照して実施例により開示する： ４ 第１図は本発明のプラズマ反応器の好ましい実施態様に
よる断面図である。

第２図及び第３図は、アルゴンプラズマ及び窒素プラズ
マによる反応器において測定したエネルギーの電力分布
を説明する。

第４図及び第５図はアルゴンプラズマ及び窒素プラズマ
な使用した本発明の反応器の電圧−電流ｆｉ−性な説明
する。

第１図において、該新規な反応器は組立て及び保守を容
易にするため３つの部分、すなわち頂部１０、中央部１
２及び底部１４から成る底部を包含する。３つの部分は
すべて耐火物１６でライニングした金属製である。中央
部及び底部は融解物１８を採集するためのるつぼを形成
する。中央部にはスラグ及び金属生成物を定期的に取り
出すための孔２０が設けである。底部はまた底部陽極２
２をも収容し、該陽極は、必要な場合には導入管２４（
出口ゆ図示省略）中に供給される水、油又は空気により
冷却し、かつ直流整流板の正極側に接Ｈするのに適合さ
せである。［楊様は融解物によりプラズマアークの面接
衝突から十分に保膿されている。ｍ部すなわち蓋１０に
は中央開口が設けられ、その中にスリーブ２６が取りつ
けられ、該スリーブは現状絶縁体２８により蓋から電気
的に絶縁されている。スリーブ２６は２本の同心管で囲
まれ、該２本の同心管の間を水又はその他の冷却剤が入
口３０を通って入り、出口３２を通って出て循環する。

該スリーブは好ましくは用途によって銅又は銅のような
金属製である。またスリーブ２６は、成る用途において
は黒鉛製スリーブに置き換えることもできる。その代り
に、成る用途においては非冷却の円部状スリーブを使用
することができる。スリーブ２６の頂部に環状板３４が
溶接され、環状板３４上に陰極組立物が取りつけである
。該陰＠組立物は、交換可能なトリウム入りタングステ
ン陰極先端３８を下端に取りつけた陰極３６を包含する
。該陰極は外装ノズルによって囲ぜれ、該外装ノズルは
頂部及び底部の電気絶縁体４２により陰極から間隔を明
けられており、プラズマガスが該外装ノズルの入口４４
の内側に供給され、下部絶縁体４２における配分孔を通
って陰極先端に供給される。冷却剤用に冷却ジャケット
４６が陰極外装ノズルの周囲に設けられ、該冷却剤は入
口４８を通って供給され、出口５０を通って出て行く。

陰極先端もまた冷却剤を入口５２を通って流入させ、出
口５４を通って流出させることにより冷却する。接続器
５６を、直流整流機の負側に接続するために陰極に溶接
する。又はその代りに、改良された外装ノズル及び冷却
配置と共に他の形式の１極、例えば項の内側及び外側に
プラズマガスな供給する環状陰極、又はアークを磁気的
もしくはガス流的に安定させた空洞陰極のような当業界
に周知の陰極を使用することができる。

陰極組立物は、ボルト５９により猿６０に固定された電
気絶縁体５８内にすべり可能に取りつける。壌６０はポ
ルト６２により環状板３４に固定させる。該陰極先端を
陽極（るつは中の融解膜）に接近させることによりアー
クを起動（又は再起動）させて陰極と陽極との間にプラ
ズマ柱を開始７ させるために、該陰極の垂直位ｇＦ１．をスリーブ２６
内に調整する可動機構（図示省略）が設けられである。

該プラズマ柱の長さもまた陰極を最適動作に対し上下に
移動させることによって調整することができる。該陰極
組立物を動かしている間、反応器を密閉するためにＯリ
ング６３を備える。

供給原料は低温キャリヤーガスにより供給入口６６を通
してスリーブ２６内に逢ばれる。供給原料は該材料がス
リーブ２６の内壁に対して遠心的に投じられるように接
線方向に供給することが好ましい。該原料はプラズマ柱
６４により放射されるエネルギーの熱作用のもとに融解
され、スリーブ２６の内壁に沿って流下し、次いで下の
るつぼ内に落下する。陰極において、及びプラズマ柱に
おいても発生する電子は融解膜１８の表面において中和
され、それによりそれらのかなりの杓結合熱を放出し、
融解膜１８を加熱する。粉末状供給材料を同伴している
低温キャリヤーガスがスリーブとプラズマ柱の間の環状
空間を流下し、該キャリヤーガスの若干量のみが該供給
材料内に同伴さ８ れる。該キャリヤーガスはスリーブ２６の表面上の融解
膜との接触状態において対流熱伝達により成る程度加熱
されるけれど、輻射に対する該キャリヤーガスの吸収性
が無視し得る程度に小さいのでプラズマ柱からの輻射に
よっては加熱されない。

換盲すれば、該キャリヤーガスは輻射に対して透明であ
る。一般的にスリーブから出現するキャリヤーガスはプ
ラズマ柱の温度よりも大いに低い温度にある。次いで該
キャリヤーガスは出口開口６８に向って流れて行き、該
ガスは比較的低温であるので反応器の上部、スリーブ２
６の背面及び反応器の屋根を効果的に冷却し、かつ出口
開口６８の過熱防止を助ける。

系に供給される電気エネルギーを最大効率を以って利用
することが、なによりも重要であることが以前から強調
されていた。第２脚は窒素プラズマを使用し、１５０〜
６５０アンペアの電流における上記に開示した形式の反
応器において、種々のアーク長さについて測定した１０
０分率における電力分布を説明する。一方第３図は窒素
ゾラズマ及びアルコゝンプラズマを使用し３５０アンペ
アの電流において、神々のアーク長さに対しての豆で表
わした電力分布を説明する。

フ０ラズマに供給されるエネルギーの大部分はプラズマ
柱からの輻射によって被処理物１ｈの流下液膜に、及び
電子の１１１結合を通じてるつば中の融フ’ｌｆｆ物に
至ること、ならびに少量部分のみが陰極組立物において
失われることが注［ゴされる。すなわち供給されるエネ
ル・＼ターの大部分は有効に利用されている。しかし熱
損失についての６つの不可避の原因がなおも存在する。

づ−なわち第一の熱損失はスリーブ人びＩ（４極ａ立ｑ
勿を冷去［１することであることがわかる；第二にｒ流
出ガスに対する熱損失であり：第三は反応器壁を通Ｉ−
て周囲への熱損失である。第一の熱ｔｔ４失に関しては
、第２図から陰極組立物を冷たく保つために除去される
熱は全供給エネルギーの１０φ以下であると削ｑニされ
ることがわかる。そのことは釉々の連転条件（アーク長
さ、電流、プラズマガス流量）に対して殆んど一定であ
ることが示されている。陰極組立物に対して水又は油に
より冷却するよりはむしろ冷媒として低温プラズマ形成
ガスを使用することにより核熱の一部を回収できること
が実験的に示された。また陰極先端の保護冷却に対して
重要であり、かつ陰極の寿命を定めるのは、このガスの
容積流量よりはむしろ速度であることもわかった。反応
器及びるつぼの壁及び屋根を通しての熱損失は、これら
の部分の水冷をなくすことにより、及び強力な絶縁体の
使用にまり郁小化することができる。

結局、流、出ガス１／′Ｃおける熱損失は、該ガスが比
較的に低温であり、しかも該ガスの熱容量が小である故
に比較的に小さい。

るつほを間欠的に出湯（ｔａｐ　）　Ｉ、た場合に最良
の運転が逮成できることが実験により示された。

例えば、８時間の運転から得られる十分な生成物を保持
することのできるるつぼに対しては、その内容物の出湯
を４時間ごとに行うべきであり、その間に仕込物の約半
分を取り出すことができる。

処理される物質が、融解生成物の頂部にスラグ層を形成
するような性質のものである場合には、該１ スラグ層は上部浸出し口２０から容易に取り出すことが
できる。スラグな取り除いた生成物は下部の２つの渇出
し口２０を経て、又は該るつほの底部を経て出湯１−る
ことにより取り出すことができる。

るつほからの生成物の出湯中、運転を中断する必要はな
い。原料の供給は従前どおりに進めることができ、これ
により、るつは中の融痙ｒ金属１８゛の水準が下るにつ
れてプラズマ柱６４が伸長する結果となる。またはその
代りに、可動機構（図示省略）に取りつけた陰極組立物
をスリーブ２６内において下方へ動かして、プラズマ柱
の長さが過度にならないようにすることができる。

るつぼ中における生成物の而」熱性の汚染はサラマンダ
−（ｓａｌａｍａｎｄｅｒ　）又は冷えて固まった生成
物の層をるつぼの壁及び底部に沿って供給することによ
り回避することができる。より大きな反応器に対する浴
のかくはんは、複数の陽極及び／又は磁気かくはんによ
り行うことができる。後者の方法が当業界に周知である
。

２ このプラズマ反応器が反応物の添加について独特の操作
上の弾力性を与える若干の用途がある。

このことは輝水鉛鉱をモリブデンに分解する場合におい
て最もよく例証される： ａ、アークを維持し、そのエネルギーを、それを必要と
する融解物中において消費させつつ、生成物の出湯に先
立っての粉末供給物の供給を中止することにより、炭素
を添加することなく完全な脱硫を行うことができる。陰
極を下げることにより、・融解物中において消費される
エネルギーの部分を更に増加させることができる。次い
で生成物をモリブデンとして出湯することができ、ある
いは別の精錬炉において鉄を添加することＫより更に処
理してフェロモリブデンを生成することができる。

ｂ、炭素の添加により、炭素による汚染を悟性にして低
硫黄水準の脱硫が促進される。炭素プラス残留硫黄を別
の精錬炉において除去してモリブデンを生成することが
でき、あるいはその代りに精錬炉において鉄を添加して
フェロモリブデンな生成することができる。

このプラズマ方式において多数の応用が研究された。下
記は、それぞれモリブデン、フェロバナジウム及びフェ
ロコロンぎラムの製造に対する三つの実施例である。

ａ、、Ｑｊ水鉛鉱精鉱（５４，５％　Ｍｏ、３９％Ｓ）
を上記に開示した形式のプラズマ反応器に供給し、電力
水準２２　ＫＷにおいて餠素のプラズマガス及び１１ｃ
ｎ＆のアーク長さを使用し、スリーブ（内径６８鵡）の
内壁如流下液膜（典壓的ては厚さ２．５賜）を形成させ
た。炭素は添加しなかった。供給を行わずに凝固及び熱
処理を省った後にイ４ｆられた最終生成物の化学分析価
を下表に示す。砧黄の除去のほか圧不純物（鉛、アンチ
モン、ビスマス、銅、リンなど）の除去がかなり行われ
ていることに注目することが重要である。

５ ６ ｂ、黒鉛でライニングしたスリーブ及びるつほを有する
上記にシミ］示した形式のプラズマ反応器に輝水鉛鉱精
鉱を連続的に供給し、アルゴンプラズマガス及び１８は
のアーク長さを使用し、２４　ＫＷの電力水率において
流下液膜を形成させた。生成物はＭｏ　９４−２　’１
１．８２．８　％及びｃ　２．９５％を含有した。、３
８．５ＫＷにおいて窒素を使用する同様な試験において
該生成物はＭｏ　９２．５　％、Ｓ　ｏ、２４係及び０
４．６　％を含有した。炭素含量はスリーブ及びるつぼ
のライニングに起因した：それ故、炭素はこの用途にお
ける構造材料として望ましくない。

Ｃ２共に黒鉛でライニングしたスＩＪ−ブ及びるつｔミ
をそり、えた上記に開示した形式のプラズマ反応器に、
輝水鉛鉱の精鉱に炭素８重Ｍチを加えたものを連続的に
供給し、プラズマガスとして窒素を使用して電力水準３
７　ｘｗ及びアーク長さ１２眞ておいて流下液膜を形成
させた。生成物はＭ０９２．１％、Ｓ　Ｏ，０８５％及
びＣ６，７％を含有しも後者の実施例において、さきに
引用したＭａ、ｃＲａθ及びＧｏｌｄの教示において必
要であったように炭素は供給原料を導電性とする目的に
対して添加せずに置換反応Ｍｏ　Ｓ　ｚ十〇−＋Ｍｏ　
Ｏ＋８２による硫黄の最＃く的除去をりＪ′：進するた
めに添加したことに注目することが重要である。

上記実施例す及びＣにおいて生成物中の炭素の除去は別
容器において、ミルスケール（酸化物皮膜）又は酸化鉄
の添加により、当業界に周知の方法において行うことが
できる。

五酸化バナジウム（９９％）をプラズマ反応器に仕込み
、アルゴン及び窒素のプラズマガスならびにアーク長さ
５．５−を使用し、１７ＫＷにおいて鉄及び炭素延より
処理した。生成物はＶ　７９．４ヂ、Ｆθ１８ｑ６、及
びＯＯ，６％を含有した。したがってこの生成物は、こ
の高い＃級の合金に適合する８０％フェロバナジウムの
目的物に非常に近かった。

黄縁石（ｐｙｒｏｃｈｌｏｒｅ　）　（Ｎｂ２Ｏ５６２
％、Ｓ１０゜６％％Ｔ１０２６％、　　Ｃａ０１３％、
Ｎａ２Ｏ＋に２０６　％　）をプラズマ反応器に仕込み
、アルゴン及び窒素のプラズマガスならびに７龜のアー
ク長さを使用して２２　ＫＷにおいて鉄及び炭素により
処チ１−シた。該生成物はＮｂ４３％、Ｆｅ４６％及び
０２．６　’％を含有し、不活性成分はスラグを形成し
た。

実施例２及び乙において、この場合もまた炭素を冶金学
的還元の目的にのみ旅、加したことを強調する。

上記に開示したプラズマ反応器の最も重要な特長を下記
に要約する。

１、プラズマガスに供給されたエネルギーの大部分は、
プラズマ柱からの輻射により処理される物質の流下液膜
、及びるつぼ内の融解物に、電子再結合により到達する
。熱損失の減少は、可能な限り常に強度の絶縁（融解膜
に適合する温度において、るつぼの耐熱性を維持するの
に適する）を利用することによりるつぼの冷却を回避す
ること、陰極組立物に対する冷却媒体として低温プラズ
マ形成ガスを使用すること、及び低温キャリヤーガスを
使用して、スリーブの背面及び反応器の屋根の冷却を補
助することにより行う。流出ガスにおける熱損失も小さ
い。なぜならば該流出ガスはスリーブの表面上の融解膜
との接触状態において対流熱伝達により成る程度加熱さ
れるのみであって、該ガスの輻射に対する吸収性は無視
できる程度に小さいのでプラズマ柱からの輻射によらな
いからである。

２、本発明によるプラズマの設計においては前記米国特
許第４，２３４，３３４号明細書のものと異なり、導電
性の流下液膜を維持し、したがって陽極の破損を防止す
る目的で、炭素のような導電性物質を供給物に添加する
必要がない。なぜなら、効果的に電流を導き、かつ陽極
と電気的に接触しているのはるつば中の融解物であるか
らである。他方において、必要の際はカーがメトリック
（ｃａｒｂｏｎθｔｒｉｃ　）還元を行うために反応物
として炭素を添加することができる。

６、本発明のもう一つの重要な特色は可動性陰極を使用
することである。このことは陰極先端を陽９ 極に極く接近させることＫよりアークの起動（又は再起
動）を非常に容易にする。そのことはまた、最適運転の
ためにアーク長さを調を−すること、すなわち融解物及
び流下液膜に対するイ１」対画なエネシャー匁布を変え
ることを可能とする。最後に、そのことは融ｗ１浴の水
準にしたがってアーク長さの調弊をすることを可能とす
る。

４．２１Ｊ−ブ内のキャリヤーガスの強力な遠心６用に
より、アーク及びそれが作り出すプラズマ柱の安定性が
与えられる。

５、るつほが高容量であるので、反応を完結に導くため
の非常に永い滞留時間が与えられる。アノードアークの
根もどにおける大量の放出熱により反応が促進される。

この特色は、供給物の停止後に更に反応を行わせる目的
に対し良好に利用することができる。

上記の特色のほかに、本発明のプラズマ反応器は更に下
記の特色をも有する： １、反応器の設計が気密である。この設計は空気による
汚染なしに、反応器内の制飴ｊされた雰囲気０ を維持することを保証する。

２、マたこの反応器は良好な作業条件、すなわち低い騒
音水準、作業領域における過剰な熱が存在せず塵埃のな
い条件を与える。

３、反応器の設計は全く安全である。水の漏洩がアーク
を消滅させる。

４、プラズマ形成ガスの選択に関してかなりの融通性が
ある。アルゴン及び窒素は共に児全に研究されており、
種々のアーク長さに対するそれらの電圧一定流特性が、
アルゴンプラズマに対する第４図及び窒素プラズマに対
する第５図に示されるように、測定された。還元雰囲気
が必要ならば水素を使用することができる。水素はまた
非常圧大きなエネルギー含量を有する炎をも供給する。

還元状態が必要である場合にはメタン及び−酸化炭素Ｙ
使用することもできる。例えばＺｒＯ２をＺｒＣ４゜に
転化することのような、塩化物の化合物を製造するため
に塩素ガスのプラズマを使用し得ることも示された（第
４回インターナショナル　シンポジウムオンプラズマケ
ミストリー、スイス国チューリッヒ、１９７９年８月に
おいて提出された論文であるＯ、Ｂｉｃｅｒｏｇｌｕ及
びＷ、Ｈ，Ｇａｕｖｉｎの０ｈｌ−ｏｒｊ、ｎａｔｉｏ
ｎＫｉｎｅｔｉｃ　ｏｆ　ＺｒＯ２ｉｎ　ａｎ　Ｆｔ、
Ｆ、Ｐｌａｓｍａ　Ｆｌａｍｅ）。

５、構造が簡単であるので、いかなる電力の要求に対し
ても反応器の規模を拡大するための設計パラメーターを
容易に確−立することができる。例えば電流が増加する
につれて、火炎柱の単位長さで表わした電圧勾配が安定
した飴に達１−ることが莢験的に確立された。このよう
に、該プラズマ柱により非常に高い電流、したがって非
フ１８に高い電力を維持することができる。

６、該役割は供給原料中の揮発性不純物の大部分又は一
部を排除する。すなわち、モリブデンの製造において、
マグネシウム、ナトリウム及びカリウムが全体的に除去
される。鋼、鉛、亜鉛、ヒ素、リン、ビスマス及びアン
チモンの各不純物は大いに減少される。したがって不純
物をＩＶ６い１００分率において含有する供給原料な品
）ｊ１向」ニさせて、許容し得る品質の生成物を生成さ
せることができる。

作に対し、あるいは揮発性不純物の除去のために融解金
属の流れを、低い追加のエネルギー費用において処理す
ることに対しても利用することかできる。

８、精製及び不純物のスラッヤングの目的に対する融剤
の添加を、スリーブ入口６６を通して粉末供給物と共に
行うか、あるいは別個にるつぼの器壁又は屋根における
開銀し得る開口を通して融解物上において行うか、のい
ずれかによって行うこともできる。

９鉄又はその他の合金形成成分の添加を、スリーブ入口
６６を通して粉末供給物と共に行うか、あるいは別個に
るつは壁における閉録し得る開口を通して酸１１解物上
において行うかのいずれかにおいて行うこともできる。

またその代りに、鉄をプラズマ反応器に添加することが
例えば髄黄の存在により熱力学的に不利である場合には
、追加の精製にも使用することのできる外部炉において
、それを行うべきである。

３ 本発明によるプラズマ反応器は、ジャーナルオブ　メタ
ルズ（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｅしａｌｓ　）、第２
６巻、第１号、４２〜４６員、１９８１年１月発行にお
ける［Ｔｈｅ　Ｐｌａｓｍａ、　Ｐｒｏｄｕｎｔｉｏｎ
　ｏｆ　Ｆｅｒｒｏｍｏｌｙｌ）　ｄ　ｅ　ｎ　ｉＬｌ
　ｎｌ　　Ｐ　ｒ　ＯＣｅ　Ｂ　Ｓ　　Ｄ　ｅ　Ｖ　ｅ
　１０　ｐ　ｍ　ｅ　ｎ　ｔａ　ｎ　ｄ、　　Ｉｊｉ　
ＣＯｎ　Ｏｍ　１０　Ｂ（フェロモリブデンのプラズマ
製造法の進歩及び゛経済性）」と題する６ｍ１文におい
てＷ、Ｈ，ガラビン（Ｇａｕｖｉｎ　）、Ｇ、Ｒ，クバ
ネク（Ｋ、ｕｂａｎｅｋ　）及びＧ、Ａ、アイアンズ（
Ｉｒｏｎｓ　）により開示されたようなフェロモリブデ
ン又はモリブデンの製造に対する工程流れ図において、
又はその他の合金鉄及び金属の製造に有利に使用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のプラズマ反応器の好ましい実施態様に
よる断面図である。 第２図及び第６図はアルゴンプラズマ及び窒素プラズマ
による反応器において測定したエネルギーの電力分布を
示すグラフ図である。 第４図及び第５図はそれぞれアルゴンプラズマ及び窒素
プラズマ？使用した本発明の反応器の電４ 圧−電流特性を示すグラフ図である。 代理人浅村　皓 外４名 第４図 ７−り１電ヲ謎、７ンＲ了 第５図 フーフ噸す糺、７ンで了

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （ｌｌ＆）　　融解物を採集するためのるつぼを定める
   底部； ｂ）るつぼ中の融解物に接触するように適合させた陽極
   ； Ｃ）前記るつぼの頂部に取りつけ、しかもそれから電気
   的に絶縁させたス１１−プ； ｄ）前記スリーブの頂部に取りつけ、しかもそれから電
   気的に絶縁させた陰極を包含する陰極組立物； ｅ）キャリヤーガスにより運搬される供給原料を、 該供給原料がスリーブの内壁に対して供給され、 陰極と融解物との間に形成されるプラズマ柱により幅対
   される加熱エネルギー下に融解して、 該スリーブの内壁に沿って流下して下のるつぼ内に滴下
   する融解物の流下液膜を形成する、ように 前記スリーブの頂部付近に導入する手段；及び ｆ）プラズマガス及びキャリヤーガスを排出するための
   、反応器の底部における出口；を包含することを特徴と
   する化学的及び冶金学的応用のための移行アーク式プラ
   ズマ反応器。 （２）陰極先端を融解物に接近させることにより、プラ
   ズマアークを起動させるため及び最適運転に対してアー
   クの長さを調整するために陰極を垂直に可動にした特許
   請求の範囲第（１）項記載のプラズマ反応器。 （３）陰極組立物を冷却する手段を特徴とする特許請求
   の範囲第（１）項又は第（２）項記載のプラズマ反応器
   。 （４）スリーブを冷却するだめの手段を特徴とする特許
   請求の範囲第（１）項又は第（２）項記載のデラズマ反
   応器。 （５）融解生成物をるつほから周期的に取り出すために
   反応器の底部に数個の湯出し口を設けた特許請求の範囲
   第（（）項記載のプラズマ反応器。 （６）＃極を冷却するだめの手段を特徴とする特許請求
   の範１ｆｆ（第（１）項記載のプラズマ反応器。 （７）　　るつぼを冷却するだめの手段を特徴とする特
   許請求の範囲第（１）項記載のプラズマ反応器。 （８）　　るつほを、最低の追加の冷却を必要とし、又
   は全く必要としないように、強度の絶縁を形成する馴火
   制科により製造−「る特許請求の範囲第（７）項記載の
   プラズマ反応器。 （９）スリーブを金属で製造する特許請求の範囲第（１
   ）項記載のプラズマ反応器。 （１０）　　スリーブを耐火制料によりライニングする
   特許請求の範囲第（９）項記載のプラズマ反応器。 ０１）融解物を受は入れるためのるつばを形成する底部
   と、該るつは中の融解物と接触している陽極と、該るつ
   ばの頂部に取りつけられ、かつそれから電気的に絶縁さ
   れているスリーブと、前記スリーブの頂部に取りつけら
   れ、かつそれから電気的に絶縁されている陰極を包含す
   る陰極組立物と、反応器の底部におけるガス出口とを包
   含するプラズマ反応器を使用する微粒状物質を高温処理
   する方法において、 ａ）キャリヤーガスにより運搬される供給原料を、該原
   料がスリーブの内壁に対して供給されるように、加圧下
   において前記ス１１−プの頂部付近に供給し： ｂ）陰極と陽極との間にアークを樹立して、供給原料を
   融解させ、かつ下のるつぼに滴下する融解物の流下液膜
   を該スリーブの内壁上に形成させ；次いで Ｃ）該融解物をるつぼから出湯する、 各工程を包含することを特徴とする前記方法。 （Ｉり　　金属を回収するだめの金属成分の分解に使用
   する特許請求の範囲第００項記載の方法。 （＋３＋　　金属を回収するだめの金属成分の還元に使
   用する特許請求の範囲第（１１）項記載の方法。 αａ　金属成分を融解するために使用する特許請求の範
   囲第０１）項記載の方法。 ０■　供給原料中の不純物の精製及びスラッギングの目
   的のために供給原木・１に融剤を添加すンノ特許請求の
   範囲第０９項、第（Ｉ３）項又は第（１４）項記載の方
   法。 （１６）　　融剤をスリーブを通して添加する特許請求
   の範い１第（１５１項記載の方法。 αη　融剤を反応器の開口を通して融解物上に添加すて
   ）特許請求の範囲第（１：５１項記載の方法。 （ｌ紛　　合金にてれる化合物を供給原料に添加して合
   金を形成させて）特許請求の範囲第（１７）項、第（１
   ９項又は第０４）項記載の方法。 （１０合金化合物をスリーブを通して添加する特許請求
   の範囲第（１〜項記載の方法。 （２０合金化合物を反応器の開口を通して融解物上に添
   加する特許請求の範囲第０８）項記載の方法。 ■υ　微粒物質が実質縫の硫黄を含有し；しかもアーク
   エネルギーが融解物中におＶ・て十分に消費しつくされ
   るように、予め定めた時間間隔にわたり、アークの消滅
   前にｂ・ける供給原料の供Ｍ１を停止して、実質的に完
   全な供給原料の脱偵、゛を行う特許５ｒｊ求の範囲第０
   ２項、第０３）項又は第α榎項記載の方法。 （２渇　　プラズマ形成ガスを供給原料との酸化、還元
   、塩素化又は窒化の各反応の反応物として使用する特許
   請求の範囲第（Ｉｆ）項、第（１２）項又は第（１３）
   項記載の方法。 （２３１供給原料を、該原料がスリーブの内壁に向って
   遠心的に投げつけられるように該スリーブに対し接線方
   向に供給する特許請求の範囲第圓項、第（１２１項又は
   第０３）項記載の方法。