JPH0770358B2 - プラズマ反応装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は鉱石あるいは他の金属化合物または非金属化合
物を物理的または化学的に転化させるために極めて高い
温度で処理するために使用される改良されたプラズマ反
応装置に関する。

［従来の技術］ プラズマ反応装置は過去何十年にもわたって多数の研究
および開発の主題となってきたよく知られた装置であ
る。定義によればこのような反応装置は１対の電極間に
熱を発生するアークカラムを生成させるプラズマを利用
して、処理すべき鉱物または化合物を極めて高い温度で
加熱することにより、他の方法では起り得ない反応を生
起させるものである。アークカラムを生成させるプラズ
マは、陽極と陰極との間に生成されたアーク（通常D.
C.）によって部分的にイオン化されたガス（以後、“プ
ラズマガス”と呼ぶ）から得られる活性化された分子お
よび／または解離した分子、プラスに帯電したイオンお
よび自由原子よりなる。

実際、プラズマガスは反応体として利用されることが少
なくない。すなわち、例えば酸素または空気は酸化反応
に利用することができる。一酸化炭素または水素は還元
反応に利用することができる。塩素は塩素化反応に、窒
素はニトロ化反応に利用することができる。

現在利用可能なプラズマ反応装置は、反応装置中でプラ
ズマを発生させて維持するために“プラズマトーチ”と
呼ばれる装置を利用している。このようなプラズマトー
チには二つの異なる設計のものがある。

以後、“中空トーチ”と呼ぶこれらの設計の一つによれ
ば、プラズマトーチは銅またはステンレス鋼よりなる二
つの管形状の電極を有し、この電極は同軸に配置されそ
の端部は小さい絶縁リングによって離隔させられてい
る。プラズマガスは絶縁リングに形成された孔から電極
の間に注入される。電極間に生成されたアークによって
発生するプラズマは、トーチの電極がノズルとして作用
し、極めて高速度のジェットが得られる。

このような中空のトーチ中にガスを接線方向に注入して
渦を生成させ、ノズルの軸に沿ってアークを安定化させ
ることは通常行われていることである。場合によって
は、一方あるいは両方の電極の周りに電極コイルを使用
して電極に対するアークの連結部分を回転させ、電極表
面全体の浸食の危険性を減少させることも通常行われて
いることである。さらに、電極の平均寿命を増大させる
ために、水ジャケットで電極を冷却することも通常行わ
れていることである。

以下に“中実トーチ”と呼ばれる他の設計によれば、プ
ラズマトーチは普通はタングステンのチップの形態の固
体陰極を有し、この陰極は中空の陽極の内部に絶縁体に
よって中心部に保持されている。プラズマガスはタング
ステンチップとそれを囲む陽極との間の環状の中空部に
注入される。

さらにまた、中実トーチの構成部品、特にそのタングス
テンチップの平均寿命を増大させるために、このような
中実トーチに冷却手段を付加することは通常行われてい
る。

反応装置で使用されるプラズマトーチの設計がどうであ
ろうと、このトーチの使用および反応装置の操作への二
つの基本的なアプローチ（解決手段）がある。

これらのアプローチの一方は、要求される処理温度で処
理すべき物質を加熱するためにこの物質に放射されるプ
ラズマ炎を発生させるのにトーチを使用することよりな
る。このアプローチにおいては、プラズマアークカラム
が、注入されたプラズマガスによって所定の距離におい
てトーチの組込み陽極と陰極の間から吹払われて細長い
ループを形成しても、該カラムは組込み陽極と陰極の間
に常に拡がる。

他方のアプローチは、プラズマトーチ、詳しくはトーチ
の二つの組込み式電極を使用して、この方法が始まると
すぐに電極の間にプラズマアークカラムを発生させ、続
いてこのようにして発生されたアークカラムを通常反応
装置の底部に溶融形態で存在している被処理物に転移さ
せることよりなる。このようなアーク転移は実際には、
中空トーチの場合にはダウンストリーム電極から、中実
トーチの場合にはスリーブの形状の陽極から、反応装置
の底部にある溶融物質の浴と接触しているもう一つの電
極（通常は陽極）に、電源の接続の一つを切替えること
によって実現される。

もちろん、このアーク転移アプローチは処理すべき溶融
物質が電気伝導性である場合にのみ利用できる。しかし
ながら、このアプローチが利用されるときには、幾つか
の利点、すなわち陽極の熱損失が避けられ、アーク電力
が反応装置の内部に均一に分配され、また、反応装置の
底部にある浴が高温に保持される（アークが終るときに
は浴が加熱されるが）。

アメリカンシアナミド株式会社に譲渡された米国特許第
3,856,918号は、垂直なスリーブの頂部に軸方向に配置
された中実あるいは中空のトーチを有する非アーク転移
プラズマ反応装置を開示している。被処理物質がトーチ
によってスリーブ中に吸込まれたプラズマ炎によって加
熱される間に、スリーブの内壁に突当ってこの内壁を流
下してるつぼに入るように、被処理物質はトーチの真下
でスリーブの頂部にある角度で空気によって注入され
る。

ベツレヘム・スチール株式会社に譲渡された米国特許第
4,002,466号は、垂直なスリーブの頂部に軸方向に設け
られた中実トーチを備えた転移アークプラズマ装置すな
わち“コリメーター”を開示している。アークとトーチ
の陰極チップから、電源に接続されて陽極として作用す
るコリメーターの内壁に転移される。被処理物質はコリ
メーターの頂部の近くに空気によって接線方向に注入さ
れコリメーターの内面上に落下フィルムを形成する。ア
ークはこのフィルムが落下する間にフィルムをランダム
に照射して物質がるつぼの中に落ちる前にこの物質を望
ましい処理温度に加熱する。この反応装置の主要な利点
は落下フィルムが陽極として作用するコリメーターの内
面を保護してこの内面の浸食速度を低下させる。このフ
ィルムは断熱材としても作用し、外部で冷却される陽極
での熱損失を減少させる。

テトロニクス・リサーチ＆デベロプメント株式会社に譲
渡された米国特許第3,932,171号およひ 第4,154,972号
は、アークカラムが中空トーチの陰極から環状の陽極と
接触している溶融物質の浴に転移するようになっている
転移アークプラズマ反応装置を開示している。中空トー
チは、反応装置の頂部にある角度で設けられており、永
久に同じ角度を狙うために陽極に対して同軸の垂直軸の
周りに軌道をとっている。被処理物質は、反応装置の頂
部にあるトーチを囲む複数の開口部から反応装置中に落
下されるだけで、実質的に均一な円筒状落下カーテンを
形成し、このカーテンはトーチが回転している間にプラ
ズマアークカラムが掃引照射される。

最後に、ノランダ・マインズ株式会社に当初付与されて
ハイドロ・ケベックに譲渡された米国特許第4,466,824
号は、前述の米国特許第4,002,466号に開示されたもの
と実質的に同じ設計の転移アークプラズマ反応装置を開
示しているが、陽極がスリーブまたはコリメーターから
流れる溶融物質が垂れ落ちるるつぼの底部に配置されて
いる点が異なる。もちろん、被処理物質が接線方向に注
入されるコリメーターは陽極浴から電気的に絶縁されて
おり、このためトーチの陰極チップとプラズマアークカ
ラムによって発生した熱によってスリーブに沿って溶融
物質が流下して生成される浴との間にスリーブからアー
クが拡がる。この実施態様においては、プロセスを開始
するために、中実のトーチも陰極のタングステンチップ
を浴に接近させるように垂直に動かすことができるよう
になっている。粉末状の物質も、キャリヤーガスによっ
てスリーブの内面に向って投げ出され、好ましくは遮蔽
として作用する必要な流下フィルムを形成し、スリーブ
の表面の摩耗とその表面からの熱損失を抑制する。

［発明が解決しようとする課題］ ベツレヘム・スチールの一つを含む他の公知の設計に対
するノランダの設計の主要な利点は、本質的にはこの設
計がプロセスの熱効率を増大させるということである。
しかしながら、ノランダの設計は、微粉砕された被処理
物質を貯蔵ホッパーから反応装置へ続く供給パイプを経
由して運ぶために相当の圧力の下でキャリヤーガスを使
用しており、またこの物質を十分な速度で接線方向に注
入してスリーブの内面全体を被覆する均一な円筒状フィ
ルムを造り出すことが絶対に必要である同じ型の他の公
知の設計と同じ主要な欠点を有している。

本発明の一つの目的は、既存のあらゆる反応装置の前述
の欠点をなくしたプラズマ反応装置を提供することであ
る。

さらに詳しくは、本発明の目的は、前述の欠点の大部分
を有利に避けるように非転移アーク型と転移アーク型の
両方の既存の様々の反応装置において今までは両立でき
ないと考えられていた諸特徴を組合せた改良された設計
を有するプラズマ反応装置を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、完全に切替え可能なプラズ
マ反応装置を提供してこのことによって必要なときには
何時でも非転移アーク処理の利用から転移アーク処理の
利用への切替え、あるいはその逆のことを可能にするこ
とである。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、これらの目的およびその他の目的は粉
末状の物質を極めて高い温度で処理するために使用され
るプラズマ反応装置であって、上端部７、下端部９およ
び円筒形状の内壁11を有する電気的に絶縁された垂直な
スリーブ５と、スリーブ５の上端部７に同軸状に設けら
れており、プラズマアークカラムを発生させるために使
用される、前記スリーブと同軸の少なくとも一つの管形
状の第１の電極15,17を有するトーチ13と、前記粉末状
物質を該スリーブ５内に供給するための供給手段27,2
7′,29,29′と、スリーブ５の下端部においてスリーブ
５から垂れ落ちる溶融状態の処理された粒子を収集する
ためにスリーブの下に置かれたるつぼ33と、前記中空ト
ーチ13の前記第１の電極とともに電源に接続されること
によって前記電極と協同して前記プラズマカラム25,2
5′を発生させる第２の電極17,35と、を備えてなてるプ
ラズマ反応装置において、該トーチは中空トーチ13であ
り、このトーチの内部に渦23を発生させて前記第１の電
極15,17から拡がるプラズマアークカラム25,25′を安定
化させるために前記中空トーチ13にガスを接線方向に注
入する手段21を備えており、前記供給手段27,27′,29,2
9′は、処理すべき粉末状物質を中空トーチ13を取り巻
くスリーブ５の上端部７から該スリーブの内部に重力の
みによって落下させ、スリーブ５中に、落下する粒子の
均一で実質的な円筒状カーテン31を形成させると共に、
この落下しつつある粒子を、中空トーチ13からもれて前
記内壁11を完全に被覆する渦23によって前記スリーブの
内壁11に向って遠心的に投射し、前記プラズマカラム2
5,25′によって処理しながら前記内壁11をシールドする
ように構成されていることを特徴とするものである。

［作用］ 本発明によるプラズマ反応装置は、スリーブの上端部に
対し粉末状物質を空気によって注入する必要がないの
で、スリーブの頂部に物質を供給するために圧力をかけ
たキャリヤーガスを使用する必要がない。本発明の装置
は、もっぱら機械的であり米国特許第3,932,171号およ
び第4,154,972号に開示されたテクトロニクス・プラズ
マ反応装置で使用されているものと非常によく似た物質
供給システムを利用しており、このシステムは簡単で効
率がよく空気による接線方向注入システムよりもずっと
目詰りが起りにくい。

本発明によるプラズマ反応装置も、中実トーチの代りに
通常の構造の中空トーチを使用しており、この中空トー
チはタングステンチップが苛酷な加熱を受けて度々交換
しなければならないどのような中実トーチよりも耐久性
がよいことが知られている。

本発明によれば、スリーブの内壁に対する被処理物質の
粒子の投射は、もっぱら中空トーチの内部のプラズマガ
スにより発生する渦によって行われ、この渦はガスがト
ーチから出るときに拡がる。

“他の”電極がどこに配置されているかに応じて、本発
明によるプラズマ反応装置は、転移アークプラズマ反応
装置として、あるいは非転移アークプラズマ反応装置と
して作動する。

前述の最初のモードで作動させるためには、他の電極は
るつぼの中に配置されてこのるつぼの中に収集された溶
融物質と電気的に接触され中空トーチの管形状電極から
溶融物質へのアーク転移を生起させてスリーブから垂直
に拡がるプラズマアークカラムを発生させる。この特殊
なモードにおいては、るつぼ中の他の電極は米国特許第
4,466,824号におけるような陽極になる必要はないとい
うことは言及する価値がある。実際上の問題として、こ
の電極は中空トーチの電極の極性に対応して陽極であっ
ても陰極であってもよい。

アークが物質に転移されない第２のモードで作動させる
ためには、“他の”電極は任意の中空トーチの一部を形
成する他の管形状電極だけからなるものである。

本発明によるプラズマ反応装置は、他の電極の一つか、
またはその他のものを電源に接続するものとして本来知
られている適当なスイッチ手段とともに前記“他の”電
極の両方が組込まれているという利点がある。だから、
プラズマ反応装置は被処理物質の種類、例えば非導電性
のガラスに対応して十分に適用可能であり、前述のどち
らのモードでも使用することができる。どのような場合
でも、粉末物質を落下させるために利用される手段はス
リーブの下端部にある中空トーチの周りに配置された複
数の開口部を含み、粉末物質はこの開口部からスリーブ
の内壁に接近して実質的に重力によってスリーブ中に供
給される。粉末物質は物質貯蔵ホッパーから続いている
エンドレススクリューまたは任意の同様の手段によって
これらの開口部に直接に供給される。そうでなければ、
物質は米国特許第4,154,972号に開示されているように
比較的低い圧力で空気によって供給される。

［発明の効果］ タングステンチップ・トーチの代りに渦が発生される中
空トーチを使用する本発明によるプラズマ反応装置の主
要な利点は下記のように列記することができる。

（１）タングステンチップ電極の使用、特殊なアークガ
スおよび酸化からの保護の必要性がなくなる。

（２）このプロセスは任意のガスを使用する。一酸化炭
素は標準的中空トーチの銅電極に適合する良好な還元プ
ラズマガスとして使用される。

（３）中空トーチはタングステン・トーチよりも多くの
プラズマガスを使用する。ガスの流速が増大すると物質
の注入供給を助ける強力な接線方向の力を発生させる。
その結果として、様々な粒径の供給物質が供給パイプに
落込む。

（４）中空トーチは安定したプラズマアークカラムを発
生させるものとして知られている。このため融解／溶融
のための滞留時間が長くなる長いスリーブパイプを使用
することができる。

（５）アークが停止した場合の中空トーチの再始動は常
にタングステン・チップの酸化が心配される中実トーチ
と比較して全く容易である。

（６）電極はプロセスに要求されるどちらの極性のもの
でもよい。

［実施例］ 本発明の理解を助けるために以下に添付図面と関連させ
て本発明の好ましい実施態様を説明する。

第１図に示される本発明によるプラズマ反応装置は、好
ましくは反応装置の上方に配置された複数の貯蔵ホッパ
ー３に粉末状で貯蔵された物質を処理するために使用さ
れるようになっている。

反応装置１は、壁で閉塞された上端部７と、下端部９
と、円筒形状の内壁11とを有し、拡がり電気的に絶縁さ
れ、鉛直方向に延在されたスリーブ５を備えている。

反応装置１は第２図により詳しく示されている中空トー
チ13をも有する。スリーブ５の頂部に同軸に設けられて
いるトーチ13は一対の管形状の電極15および17を有し、
これらの電極は銅、ステンレス銅その他の適当な材料よ
りなり、それぞれ互いにそしてスリーブに対して同軸に
配列されている。電極15および17は少なくとも一つの孔
21を有する小さい絶縁リング19によって離隔配置されて
おり、中空トーチ13の内部および外部に矢印23で示され
る渦を発生させるために、この孔21から窒素、酸化炭素
などの公知のガスが接線方向に注入される。この中空ト
ーチの基本的な構造はそれ自体よく知られておりこの型
のトーチは例えばプラズマエネルギー株式会社などの様
々な会社から商業的に入手される。

中空トーチに接線方向にガスを注入することの利点は本
質的にはトーチの内部に渦23を発生させて以下に説明す
るようにこのトーチによって発生されたプラズマアーク
カラム25または25′を安定化させることである。

反応装置１はさらにホッパー３および３′に貯蔵されて
いる粉末物質をスリーブ５の内部に垂直に下方に落下さ
せる手段を備えている。エンドレススクリューコンベヤ
ー27および27′よりなるこれらの手段は、重力によって
スリーブ５中に落込む物質粒子の実質的に均一な円筒状
カーテン31を形成するために貯蔵ホッパー３および３′
の底部から内壁11に接近してトーチ13の全周にスリーブ
の上端部７に設けられている開口部29および29′に続い
ている。

運転中においては、中空トーチ13から出てくる渦23が電
極17の丁度出口のところにおいて拡開したときに、これ
らの粒子はこの渦23によってスリーズ５の内壁11に対し
て遠心的に投射される。その結果として、これらの粒子
は内壁11を完全に被覆して内壁11を保護し、同時に粒子
は反応装置の内部に発生したプラズマアークカラムによ
って処理される。

反応装置は、さらに、スリーブの下端部でスリーブ５か
ら垂れ落ちる溶融状態の処理された粒子を収集するため
のスリーブ５の下に置かれたるつぼ33を備えている。る
つぼ33はその底壁に配置された電極35を有しており、こ
のるつぼの内部の浴37の形態で収集された溶融物質と電
気的に接触するようになっている。

本発明の一つの実施態様においては、この電極35はトー
チ13の管形状電極の一つと協同してこの電極15から浴37
まで拡がるプラズマアークカラム25を発生させるように
電源39に接続されることによって活性化される。この特
別の実施態様においては、プラズマ反応装置１はトーチ
の上端部から浴37を形成する溶融物質へ垂直に拡がる発
生プラズマアークを伴なう転移アークモードにおいて作
動する。

本発明のもう一つの実施態様において、（この態様は、
プラズマを浴に転移させる前にプラズマアークカラムを
始動させる場合に適用でき、また、被処理物質が例えば
非伝導性であるような特定の他の応用に利用できるもの
である。）、電極15とともに電源39に接続される“他の
電極”はトーチの他の管形状電極17である。この特殊な
場合には、アーク25′（第２図参照）は浴までは転移さ
れないでプラズマガスによって押されるだけであり、ト
ーチから出てくるループを形成してスリーブ５の内部の
中央部に下方に拡がる。もちろん、今までに開示された
ようにスリーブ５の内部に拡がる非転移アークはスリー
ブ５を加熱して開口部29および29′から落下される粒子
のカーテンを必要に応じて融解し反応させる。手段（図
示しない）は必要なときには何時でも電極17および35を
スイッチオンおよびスイッチオフするために利用できる
という利点がある。

前述のプラズマ反応装置の工業的な応用は、もちろん前
述の「従来の技術」において簡潔に言及された米国特許
に開示されたものなどの既存のあらゆる反応装置の応用
と同様である。これらの応用のすべて、例えば金属酸化
物（鉄鉱、アルミナ）など、チタンを含む鉱石の選鉱、
セラミックスなどの粒状物質の焼結または溶融などは、
この技術分野ではよく知られており、これ以上詳細に記
載する必要はない。

同様に、本発明によるプラズマ反応装置にこの装置を工
業的に運転可能にするために組込むことのできるあらゆ
る運転制御システムおよび／または安全システム（ガス
精製システム、アーク始動器、スリーブの水冷内でのト
ーチの上下動など）は、この技術分野ではよく知られて
おり詳細に記載する必要はなく、本発明は特許請求の範
囲に記載された内容に忠実に限定されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるプラズマ反応装置を示す図解的縦
断面図であり、第２図は第１図に示すプラズマ反応装置
に使用される中空トーチを示す図解的縦断面図である。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】粉末状の物質を極めて高い温度で処理する
   ために使用されるプラズマ反応装置であって、 上端部７、下端部９および円筒形状の内壁11を有する電
   気的に絶縁された垂直なスリーブ５と、 スリーブ５の上端部７に同軸状に設けられており、プラ
   ズマアークカラムを発生させるために使用される、前記
   スリーブと同軸の少なくとも一つの管形状の第１の電極
   15,17を有するトーチ13と、 前記粉末状物質を該スリーブ５内に供給するための供給
   手段27,27′,29,29′と、 スリーブ５の下端部においてスリーブ５から垂れ落ちる
   溶融状態の処理された粒子を収集するためにスリーブの
   下に置かれたるつぼ33と、 前記中空トーチ13の前記第１の電極とともに電源に接続
   されることによって前記電極と協同して前記プラズマカ
   ラム25,25′を発生させる第２の電極17,35と、 を備えてなるプラズマ反応装置において、 該トーチは中空トーチ13であり、 このトーチの内部に渦23を発生させて前記第１の電極1
   5,17から拡がるプラズマアークカラム25,25′を安定化
   させるために前記中空トーチ13にガスを接線方向に注入
   する手段21を備えており、 前記供給手段27,27′,29,29′は、処理すべき粉末状物
   質を中空トーチ13を取り巻くスリーブ５の上端部７から
   該スリーブの内部に重力のみによって落下させ、スリー
   ブ５中に、落下する粒子の均一で実質的な円筒状カーテ
   ン31を形成させると共に、この落下しつつある粒子を、
   中空トーチ13からもれて前記内壁11を完全に被覆する渦
   23によって前記スリーブの内壁11に向って遠心的に投射
   し、前記プラズマカラム25,25′によって処理しながら
   前記内壁11をシールドするように構成されている ことを特徴とするプラズマ反応装置。
2. 【請求項２】前記第２の電極35は、前記るつぼ33中に配
   置され、前記るつぼ中に収集された溶融物質37と電気的
   に接触して前記中空のトーチ13の前記第１の電極から前
   記溶融物質へのアーク転移を生じさせ、前記スリーブか
   ら垂直に拡がるプラズマアークカラム25,25′を発生さ
   せることを特徴とする電気伝導物質を処理するために使
   用される特許請求の範囲第１項のプラズマ反応装置。
3. 【請求項３】前記スリーブ５中に粉末物質を落下させる
   手段は、スリーブ５の上端部７にある中空のトーチ13の
   周囲に配置された複数の開口部29,29′を有しており、
   この開口部から粉末状物質が実質的に重力によってスリ
   ーブの内壁11に接近してスリーブ５中に供給されること
   を特徴とする特許請求の範囲第２項のプラズマ反応装
   置。
4. 【請求項４】前記第２の電極が前記中空のトーチ13の一
   部を構成する電極17よりなり、該第１及び第２の電極が
   同軸に配列され、前記プラズマガスを前記中空のトーチ
   13に注入する孔21を有する絶縁リング19によって互いに
   離隔されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   のプラズマ反応装置。
5. 【請求項５】前記スリーブ５中に粉末物質を供給する手
   段は、スリーブ５の上端部７にある中空のトーチ13の周
   囲に配置された複数の開口部29,29′を有しており、こ
   の開口部から粉末物質が実質的に重力によってスリーブ
   の内壁11に接近してスリーブ５中に供給されることを特
   徴とする特許請求の範囲第４項のプラズマ反応装置。
6. 【請求項６】処理に必要なアーク転移の種類に応じて前
   記電源39に独立して接続され得る２個の前記第２の電極
   17,35を含み、該第２の電極のうち一方35が前記るつぼ3
   3中に配置され、前記るつぼ33中に収集された溶融物質3
   7と電気的に接触して前記中空のトーチ13の前記第１の
   電極から前記溶融物質37へのアークの転移を生じさせ
   て、前記スリーブから垂直に拡がるプラズマアークカラ
   ム25を発生させ、前記第２の電極の他方が前記中空のト
   ーチ13の一部を構成する管形状電極17よりなり、該管形
   状電極17が前記第１の電極15に対して同軸に配列され、
   前記プラズマガスを前記中空のトーチ13に注入する孔21
   を有する絶縁リング19によって該第１の電極から離隔さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項のプラ
   ズマ反応装置。
7. 【請求項７】前記スリーブ５内に粉末物質を供給する手
   段は、スリーブ５の上端部７にある中空のトーチ13の周
   囲に配置された複数の開口部29,29′を有し、この開口
   部から粉末物質が実質的に重力によってスリーブの内壁
   11に接近してスリーブ５中に供給されることを特徴とす
   る特許請求の範囲第６項のプラズマ反応装置。