JP2004526864A - マイクロ波による直接金属製造方法 - Google Patents

Abstract

金属含有材料から金属を直接生成するための方法であって、金属含有材料及び還元剤を供給し、金属含有材料を還元剤と混合して混合物を形成し、混合物を微粒子の流れを流動させることなく、適切な方法によりコンテナへと充填し、溶融金属が金属含有材料から放出されるまで、混合物を、マイクロ波の適用により、汚染を最小限にとどめて加熱し、溶融金属を重力によってコンテナの底に蓄積し、金属をコンテナから排出する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、一次及び二次のエネルギーとしてマイクロ波のエネルギーを利用して、金属含有材料を還元及び溶解し、溶融金属をスラグから分離する直接金属製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各鉱石から金属を抽出する現在の工程は、大量のエネルギー消費、及び環境保護の観点で有害な、大量の微粒子、ＳＯ₂、ＣＯ₂やＮＯ₂を含む副産物の放出といった特徴がある。
【０００３】
従来における鋼の製造は、鉱石やスクラップ金属から鉄を最初に製造する間接方法を用いて行われていた。そして、そのようにして製造された鉄が、鋼に転化される。代表的な鉄の精錬工程においては、鉄鉱石は、酸化鉄を他の鉱物から遊離（分離）させるために、５００メッシュに粉砕される。その結果として生じた材料は、酸化鉄を集めるために、磁力選鉱及び／又は泡沫浮遊選鉱のような分離工程へと送られる。この結果として生じた微粒子は、通常、石灰石やベントナイトと共にペレット化される。ペレットは、それらを強くするために焼結されて、原材料が高温の空気の通風を受ける炉へ、コークスと共に充填される。炉の中で、酸化鉄は、還元され、溶解される。溶融の間、鉄は、ペレットと共に炉へと充填されたコークスから、炭素及び硫黄を取り込む。
【０００４】
鉄の炭素含有量は、鋼を製造するために減らさなければならない。これは、標準的な酸素炉（ＢＯＦ）で一般的に行われる。純酸素は、ボトル形の炉に含まれる溶鉄を含む溶融塊中に、超音速の速度で吹き付けられる。酸素は、溶融鉄中の炭素と反応し、ＣＯ及びＣＯ₂を形成する。ほとんどの鋼に対して有害な硫黄は、溶融鋼に粉末状の材料を注入し、硫化物を形成することによって取り除かれる。硫化物は、溶融塊の上部からスラグとして捕集される。
【０００５】
この製造経路は、エネルギー及び材料の点でとても効率が悪く、重大な環境問題の原因となる。ペレット化及び焼結された鉄鉱石は、通風空気のために必要とされる透過性と、高炉内で重い荷重を支持するための強度とを有することが必要である。全工程は、非常にほこりっぽく、騒々しいため、そのエリアの作業者及び他者の健康及び環境問題を引き起こす。コークスは、鉄を溶解させるのに十分高い温度を生成するために使用される。しかしながら、コークスを混合物に加えることで、炭素及び硫黄が鉄に導入されてしまう。その後、これらの成分は、後工程で除去されなければならなくなる。また、コークスの製造は、環境上不利な工程であり、近年のコークスの不足もまた、重大な問題である。
【０００６】
銅、ニッケル、鉛、亜鉛、及び合金鉄のような他の金属の製造においても、同様の問題が生じる。ＳＯ₂の放出は、硫黄を含む鉱石における付加的な問題である。
【０００７】
種々の方法が、金属及びそれらを分離する材料を溶解させるのに必要な熱を供給するために使用されてきた。これらの方法では、石炭、コークス及び油のような化石燃料を燃焼させて、電気加熱器を使用する。
【０００８】
電気誘導加熱は、溶解された金属へ付加的な汚染を引き起こさず、また、局所的な放出を生じさせないため、特に有用であった。しかしながら、誘導加熱の一つの欠点は、加熱された材料中の渦電流の誘導に依存することである。誘導加熱は、材料が金属鉱石のように電気伝導体でない場合、不可能である。通常の誘導加熱は、炉への初充填にスクラップ金属を使用可能な場合にのみ使用される。
【０００９】
電気アーク加熱は、スクラップ物から金属を製造するための一般的な方法である。誘導加熱の欠点と同様に、加熱される材料は、電気伝導体でなければならない。金属鉱石は、電気アークによって直接加熱することができない。
【００１０】
マイクロ波加熱は、以下に開示されるように、非電気伝導材料や金属材料の小塊に対して、誘導加熱や電気アーク加熱より効率的に、エネルギーを伝導する。マイクロ波加熱は、化石燃料の燃焼に対する代替案となり、後で誘導加熱や電気アーク加熱の使用を可能とする初期加熱を行うことができる。
【００１１】
種々の工程は、金属化合物の精製において、マイクロ波のエネルギーを用いることで発展されてきた。米国特許第４，３２１，０８９号は、モリブデン及びレニウムの硫化鉱石からモリブデン及びレニウムを回収する工程を開示している。この開示された工程では、モリブデン及びレニウムの硫化鉱石は、それぞれが（酸化物又は）塩化物を生成する酸素又は塩素の存在下で、マイクロ波のエネルギーを受ける。いずれの場合も、金属は還元されない。そして、これら酸化物又は塩化物といった中間生成物は、金属を製造するための還元条件下で、さらに加工される。これらの工程は共に、開示された直接還元工程とは異なり、酸化中間生成物のみを生じさせるマイクロ波工程である。
【００１２】
また、クルエシ（Ｋｒｕｅｓｉ）らの米国特許第４，３２４，５８２号（’５８２号特許）は、銅化合物を、銅をより容易に回収可能な酸化物及び塩化物のような他の化合物に転化するために、銅化合物に対してマイクロ波のエネルギーを適用する工程を開示している。’５８２号特許の請求項は、「鉱石中の硫化及び酸化化合物を、銅をより容易に回収可能な化合物に転化する」、マイクロ波エネルギーの利用範囲に限定されている。
【００１３】
’５８２号特許の明細書には、特に、「遷移金属である鉄及びクロムの酸化物は、マイクロ波を吸収しない」、「鉱石の脈石は、マイクロ波の放射を認めうるほどに吸収しない」ことが記載されており、ここに開示される鉄合金工程とは異なる。
【００１４】
上述した中間材料の精製にマイクロ波を適用することとは対照的に、本発明の工程は、酸化物、硫化物及び他の鉱石の化学還元による金属の精製と、マイクロ波及び誘導加熱又は電気アーク加熱と組み合わされた適切な還元剤の適用による金属源の直接生成である。
【００１５】
１９９２年７月２１日に発行されたレメルソン（Ｌｅｍｅｌｓｏｎ）の米国特許第５，１３１，９４１号は、反応帯へと流れる鉱石の微粒子の流れを含む鉱石から金属を精錬する工程を開示している。
【００１６】
従って、先行技術から上述の例が、金属のクリーンな直接製造、及び金属産業に対する材料の効率的な使用という、本発明の新しい特性を持たないことは明らかである。本発明は、一次加熱源としてマイクロ波のエネルギーを利用することにより、鉱石から金属を直接製造する革命的な方法を示す。この工程は、現在の金属製造技術とはめざましく異なる。この新しい金属製造方法の予測可能な利点は、従来の金属製造方法と比較して、エネルギー消費及び燃焼の放出の削減、環境問題に繋がるコークスの除去又は削減、より低い資本投資、及びより低い生産コスト、さらに、金属製品の汚染を最小限にとどめることが挙げられる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、金属鉱石又はスクラップ金属のような金属含有材料から金属を直接生成する方法を含む。本発明を実行するにあたり、金属含有材料と、還元剤とを供給し、それらをコンテナ（容器）へ導入する前又は導入した後に混合する。このコンテナは、マイクロ波のキャビティとして使用可能な適切な材料であり、実質的に劣化することなく、高温に耐えられ、誘導加熱又は電気アーク加熱を適用することができなければならない。ひとたび、ペレット、ケーク又は他の適切な形状の金属含有材料と還元剤との混合物が、微粒子の流れを流動させることなく、コンテナに充填されたならば、マイクロ波源より放出されたマイクロ波が発生され、コンテナの内容物に放射される。マイクロ波の周波数は、金属鉱石又は金属含有材料を選択的に加熱する周波数を使用することが望ましい。金属含有材料へのマイクロ波の適用は、金属を放出するために、還元剤が金属鉱石中の金属原子と他の原子との間の結合を破壊し、金属が溶解されるのに十分なエネルギーを吸収するまで継続する。同時に、付加的な誘導又は電気アークのエネルギーは、金属含有材料群が電気伝導体になった後、加熱を補助して、且つ、重力の作用下、コンテナの底において、溶融金属が蓄積される時間を与えることが可能である。
【００１８】
本発明は、請求項の発明の範囲に限定されることなく、添付図面を参照して更に説明される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、従来の金属製造方法と比較して、エネルギー消費及び燃焼の放出の削減、環境問題に繋がるコークスの除去又は削減、より低い資本投資、及び低い生産コスト、さらに、金属製品の汚染を最小限にとどめる効果をもたらす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の実施の際には、鉱石は、破砕され、粉砕され、分離工程において集められる。分離工程は、浮揚、重力、磁気、静電気、又は他の物理的分離工程である。鉱石の集められた微粒子は、ある比率で、還元剤、内燃補助燃料及びフラックス剤と混合されている。これら還元剤、内燃補助燃料及びフラックス剤は、粉末状の固体、ペレット又はケークとして導入されることが望ましい。ガス又は流体もまた使用可能である。好ましい還元剤は、炭素、水素、炭化水素、Ａｌ、ＳｉＭｎ、Ｍｇ、Ｔｉ、ＣｒＮａ、Ｌｉ、ＣａＹ、及びＺｒを含む材料である。好ましい内燃補助燃料は、石炭、コークス、炭素、木材、油、及び炭化水素の廃棄物を含む。好ましいフラックス剤は、石灰、石灰石、ＣａＦ₂、及びＮａ₂Ｏを含む。好ましい比は、集められた鉱石、還元剤、内燃補助燃料、及びフラックス剤の配合によって決定される。内燃補助燃料によって供給されるエネルギーの所望の割合もまた同様である。一般に、還元剤、内燃補助燃料及びフラックス剤は、コンテナの内容物の重さに対して、それぞれ、５〜４０％、１〜２０％、１〜１５％である。
【００２１】
精錬ダスト、ロールスケール（ｒｏｌｌ ｓｃａｌｅ）及びめっきスラッジなどの副産物や金属を含有する廃棄物を、金属含有材料として使用することが可能である。従って、これら副産物や廃棄物中の金属は、部分的に又は完全に、本発明の使用により再生することが可能である。副産物や廃棄物は、粉末又は粉末塊であることが望ましい。また、金属廃棄物及び他の再利用可能な金属は、集められた鉱石、副産物又は廃棄物に加えることが可能である。
【００２２】
いくつかの場合においては、金属含有材料は、利用可能な周波数のマイクロ波放出を効果的に吸収することができない。そのような場合、マイクロ波吸収材料を鉱石又は金属含有材料に混合し、そのマイクロ波の吸収を増進させてもよい。マイクロ波吸収材料は、無煙炭、輝銀鉱、硫砒鉄鉱、ビスマス、斑銅鉱、ブラウン鉱、輝銅鉱、黄銅鉱、温石綿、輝コバルト鉱、銅藍、硫砒銅鉱、方鉛鉱、黒鉛、赤鉄鉱、チタン鉄鉱、磁鉄鉱、水マンガン鉱、白鉄鉱、モリブデン鉱、淡紅銀鉱、濃紅銀鉱、黄鉄鉱、軟マンガン鉱、磁硫鉄鉱、スマルト鉱、四面銅鉱、紅亜鉛鉱、又は炭化水素を含む材料群から選択される。マイクロ波吸収材料としては、粉末状のもの又は０．１〜２０％濃度の溶液が使用可能である。代替案として、金属含有材料を、ガス、油、石炭又は電気炉により臨界温度に予熱し、金属含有材料を良好なマイクロ波吸収体に形成してもよい。そして、金属含有材料は、金属製造を継続すべく、マイクロ波炉へと充填される。
【００２３】
図１Ｃに示すように、混合の後、原材料１０１は、ペレット、ケーク、又は他の適切な形状で、微粒子の流れを流動させることなく、るつぼ１０２に充填される。混合された原材料に比べて、比較的小さいマイクロ波のエネルギーを吸収する材料からなるるつぼを使用することが望ましい。また、るつぼは、混合された原材料の融点より高い軟化温度を有していなければならない。適切なるつぼの材料は、耐火粘土、ムライト、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、ＭｇＯ、ジルコン、クロム鉄鉱を含む。
【００２４】
充填後に、るつぼは、単一モード又は多重モードのキャビティ１０３Ａを有する、特別な高出力マイクロ波炉１０３へ移される。放出されたマイクロ波１０４は、導波管１０５を通って、キャビティへと導入される。高出力マイクロ波炉は、小空間に集中的なマイクロ波のエネルギーを伝えることが可能である。例えば、マイクロ波の出力は、１０Ｗ／ｃｍ³以上に達することが可能である。マイクロ波の周波数は、０．９１５ＧＨｚ、２．４５ＧＨｚ、或いは他の周波数、又は連続的に調整可能である。ガスを導入し、排気ガスを放出することでマイクロ波のキャビティの圧力雰囲気を制御する弁を有する吸気口１０６及び排気口１０７は、マイクロ波のキャビティの上に構成される。
【００２５】
金属を製造するために、マイクロ波の電源が入れられると、混合された原材料は、マイクロ波のエネルギーを吸収し始め、温度が上昇される。鉱石は、直接又は間接に、金属を生成させるための還元剤と反応する。間接反応の場合、まず、還元剤が、還元ガスを形成するための空気と反応する。その後、鉱石が、金属を形成するための還元ガスと反応する。または、まず、鉱石は、化合物を形成するために分解し、そのように形成された化合物が、金属を形成するための還元剤と反応する。
【００２６】
るつぼ内の混合物が適切な温度に到達したとき、内燃補助燃料が、熱１０８を生成し、さらに温度を上昇させるために点火される。鉱石は溶解し始め、溶融金属の融滴１０９及び溶融スラグ１１０を形成する。金属とスラグとの間の特定の密度差により、溶融金属の融滴は、重力により沈んで、るつぼの底において溶融溜まり１１１を形成し、スラグ１１０は、溶融金属の上部に浮く。フラックス剤は、溶けて、スラグの粘性を還元すべく、スラグと反応する。その結果、溶融金属と溶融スラグとがより良好に分離する。
【００２７】
溶融金属の形成の後、スラグとるつぼの材料は、マイクロ波のエネルギーを吸収し続け、昇温された温度を持続する。溶融金属とスラグとの分離後、マイクロ波発生器の電源が切られて、るつぼがマイクロ波炉から取り出され、るつぼの冷却が可能となる。この冷却により、固体金属のインゴットが形成される。凝固されたスラグは、機械的衝撃を用いて、インゴットから分離される。または、スラグは、るつぼをマイクロ波炉から取り出した後、溶融している間に除去される。そして、溶融金属は、凝固させるための金型へと注がれ、インゴットが形成される。
【００２８】
鉱石が、Ｃｕ₂Ｓ、Ｎ₂Ｓ₃、ＰｂＳ、及びＺｎＳのような大量の硫黄を含む場合、硫黄の蒸気を冷却し、加熱中に混合物から放出されたＳＯ₂を捕らえるために、硫黄冷却器１１２又はＳＯ₂洗浄器が、炉の排気口１０７に接続されるべきである。
【００２９】
いくつかの鉱石は、外気温度においては、乏しいマイクロ波吸収体であるが、高温下においては、マイクロ波をより効率的に吸収する。これらの材料を処理するために、鉱石、還元剤、及びフラックス剤の混合物は、一定温度まで通常の電気、ガス、又は油炉で予熱された後、マイクロ波のエネルギーの印加の影響下において、還元及び溶解工程が継続されるマイクロ波炉へと移すようにしてもよい。
【００３０】
気体還元剤の使用は、いくつかの状況において効果的である。そのような場合、還元ガスを、マイクロ波の加熱の間、マイクロ波炉のキャビティへと継続的に導入することが可能である。還元ガスは、効果的に、金属含有材料と反応する。ＣＯ、Ｈ₂及び水素ガスを、還元ガスとして使用することが可能である。もし、還元剤が炭素を含むならば、アンモニアのような、ＣＯ₂放出、Ｈ₂又は水素を主成分とする還元剤が望ましい。
【００３１】
いくつかの鉱石は、還元剤なしに、高温の真空下において、還元することが可能である。そのような状況では、還元剤を使用する必要はなく、不要なＣＯ₂の放出を除去できる。鉱石及びフラックス剤は、共に混合されて、ペレット化される。ペレットは、るつぼへと充填され、図１Ｃに示すキャビティ１０３Ａへと配置される。真空ポンプ１１３が排気口１０７に接続され、吸気口１０６が閉じられる。ポンプは、約２００μｍ以下にすべく、キャビティ１０３Ａの空気（ガス）を抜く。マイクロ波のエネルギーは、真空状態でペレットを加熱し、ペレットは、溶融金属及びスラグを形成するために、還元、溶解される。水晶窓１１４は、導波管１０５に密封して取付けられるが、マイクロ波１０４の通過は許容する。
【００３２】
代替の方法においては、図２に示すように、高出力のマイクロ波炉は、水冷された金属ベッセル（容器）２０１と、取外し可能な水冷した金属カバー２０２とで構成される。ベッセルとカバーの両方は、耐熱材料２０３で内側を覆われている。吸気口２０５及び排気口２０４は、カバー２０２に含まれる。ガスは、吸気口２０５を通して導入され、排気ガスは、排気口２０４を経て放出される。それにより、炉内の圧力雰囲気が制御される。金属を製造するために、カバー２０２が取り外され、ペレット、ケーク、又は他の形状の鉱石及び還元剤を含む混合された原材料が、微粒子の流れを流動させることなく、マイクロ波のキャビティ２０６に充填される。そして、カバー２０２は、ベッセルを閉じるために戻される。マイクロ波は、導波ポート２０７を通って、キャビティ２０６へと導入され、キャビティ内に放出される。その後、混合された原材料は、マイクロ波のエネルギーを吸収し始め、温度上昇される。温度が十分高くなったとき、更に熱２０８を生成するために、混合された原材料に導入されたいくらかの補助燃料が点火され、ベッセル内の温度をさらに上昇させる。鉱石との直接接触による還元剤は、鉱石中の金属原子と他の原子との間の結合を破壊する。鉱石は、溶解し始め、溶融金属の融滴２０９及び溶融スラグ２１０を形成する。特定の密度差により、溶融金属の融滴は、るつぼの底において溶融溜まり２１１を形成すべく沈み、スラグ２１０は、溶融金属の上部に浮く。フラックス剤は、溶解し、スラグと反応して、溶融金属と溶融スラグとをより良好に分離するための低粘性のスラグを形成する。スラグは、マイクロ波のエネルギーを吸収し続ける耐熱材料であり、金属とスラグとの分離の間、上昇した温度を持続する。溶融金属とスラグとの分離の後、マイクロ波の発生器の電源が切られ、溶融塊の冷却が可能となる。この冷却により、固体金属のインゴット及びスラグが形成される。凝固されたスラグは、機械的衝撃を用いて、インゴットから分離される。または、溶融スラグは、マイクロ波の電源を切った後に、除去するようにしても良い。カバー２０２が取り外される。ベッセルが、溶融スラグを、排出ポート２１２を通してスラグコンテナへと注ぐために、傾けられる。その後、溶融金属は、インゴットを形成するための金型、又は連続鋳片を製造するための鋳造機へと注がれる。また、溶融金属は、取鍋（ｌａｄｌｅ）へと注ぎ、再精製のための他の溶解炉へと移すことも可能である。
【００３３】
他の代替の方法として、図３に示すように、マイクロ波加熱及び誘導加熱の能力の両方を有する炉が構成可能である。炉は、水冷した金属ベッセル３０１と、取外し可能な水冷した金属カバー３０２とを備え、両方は、耐熱材料３０３で内側を覆われている。耐熱材料は、水晶のようにマイクロ波を吸収しにくい特性を有する材料から選択可能である。金属ベッセル３０１の一部は、誘導コイル３０４としての役目をする銅管からなるコイルである。装置は、コイルを冷却するために、管内を冷水が自在に流れるように配置されている。コイルのターン間の間隔は、マイクロ波の漏れを防止するために小さい。金属ベッセル３０１、カバー３０２、及び誘導コイル３０４は、マイクロ波のキャビティ３０５を形成する。吸気口３０６及び排気口３０７は、プロセスガスの導入及び排気ガスの放出を可能にするために、カバー３０２に設けられている。このように、炉内の圧力雰囲気は、制御可能である。
【００３４】
金属を製造するために、カバー３０２は、取り外され、特定の状況に適した、金属含有材料、還元剤、及び他の工程を促進する化学物質の混合物３０７Ａが、ペレット、ケーク、又は他の適切な形状で、微粒子の流れを流動させることなく、キャビティ３０５へと充填される。そして、カバー３０２が、ベッセルを閉じるために戻される。マイクロ波のエネルギーが、導波管３０８を通して導入され、原材料の混合物３０７Ａは、マイクロ波を吸収し始めて、その結果、温度が上昇される。鉱石は、金属を放出すべく、混合物中の還元剤、又は吸気口３０６を経て導入された還元ガスと反応する。ひとたび、金属が発生し始め、原材料塊が、電気伝導体になると、誘導加熱の電源が入れられる。電流は、誘導コイル３０４を通って流れ、金属は、誘導電流の作用によってさらに加熱される。この付加的な熱入力は、ベッセル内の混合物の温度をさらに上昇させる。温度が上昇すると、溶融金属の融滴３０９が、蓄積し、溶融スラグ３１０が形成される。溶融金属とスラグとの間の特定の密度差により、溶融金属の融滴が重力により沈み、溶融溜まり３１１を形成し、スラグ３１０が、溶融金属の上部に浮かぶ。混合物の残りと共に溶けるフラックス剤は、スラグの粘性を低下させて、溶融金属と溶融スラグとの間の分離を可能にする。スラグは、マイクロ波のエネルギーを吸収し続け、溶融金属は、誘導電流によって加熱され続ける。溶融金属及びスラグが分離するための短時間が経過した後、マイクロ波及び誘導加熱の電源が切られる。ベッセルは、溶融スラグを、排出ポート３１２を通してスラグコンテナへと注ぐために、傾けられる。そして、ベッセルは、溶融金属を、インゴットを形成するための金型、又は連続鋳片を製造するための鋳造機へと注ぐために、さらに傾けられる。また、溶融金属は、取鍋へと注ぎ、再精製のための他の溶解炉へと移すことも可能である。
【００３５】
再精製のために本発明の炉を使用することもまた可能である。スラグがスラグコンテナへと注がれた後、ベッセルが直立位置に戻されて、カバー３０２が元に戻される。再び、誘導加熱の電源が入れられる。ＣａＯやＮａＣＯ₃のような粉末状の材料が、ベッセル３０１の底にある孔３１３、又はＳ及びＰを除去するために溶融金属へと浸けられる移動可能な管３１４を通して、キャビティ３０５へと吹き付けられる。スクラップ金属及び合金が、特定の仕様に合致するように組成を調整すべく、溶融金属に加えられる。この工程の間、誘導加熱は、温度を制御するために使用される。
【００３６】
他の代替の方法として、図４に示すように、マイクロ波加熱及び電気アーク加熱の能力の両方を有する炉が、構成可能である。炉は、水冷したベッセル４０１と、取外し可能な水冷した金属カバー４０２とを備え、両方は、耐熱材料４０３によって内側を覆われている。直径５０ｍｍ以上の黒鉛電極が、金属カバー４０２を通して、炉のチャンバ（炉室）４０４へと導入される。カバー４０２上にはポート４０５が開口されている。このポート４０５に接続されている導波管４０７を通して、マイクロ波４０６がチャンバ４０４に導入される。
【００３７】
金属を製造するために、カバー４０２が取り外され、特定の状況に適した、金属含有材料、還元剤、及び他の工程を促進する化学物質の混合物４０８が、キャビティ４０４へと充填される。そして、カバー４０２がベッセルを閉じるために戻される。マイクロ波のエネルギーが、導波管４０７を通して導入され、原材料の混合物４０８が、マイクロ波を吸収し始めて、その結果、温度が上昇される。温度が十分高いとき、更に熱４０９を生成させるために、混合された原材料に導入されたいくらかの補助燃料が点火され、ベッセル内の温度をさらに上昇させる。温度が上昇すると、鉱石は、還元金属に直接なるべく、混合物内の還元剤と反応し始める。ひとたび、金属が発生し始めて、原材料塊が電気伝導体になると、出力電極４１０が、電極のｓ−チップと金属との間に電気アークを形成するために降ろされ、金属は、アークの作用によりさらに加熱される。この付加的な熱入力は、ベッセル内の混合物の温度をさらに上昇させる。温度が上昇すると、溶融金属の融滴４１１が蓄積し、溶融スラグ４１２を形成する。溶融金属とスラグとの間の特定の密度差により、溶融金属の融滴が重力により底に沈み、溶融溜まり４１３を形成し、スラグ４１２が、溶融金属の上部に浮かぶ。混合物の残りと共に溶けるフラックス剤は、スラグの粘性を低下させて、溶融金属と溶融スラグとの分離を容易にする。溶融金属及びスラグが分離するための短時間が経過した後、マイクロ波及び電気アークの電源が切られる。ベッセルは、溶融スラグを、排出ポート４１４を介してスラグコンテナへと注ぐために、傾けられる。そして、ベッセルは、溶融金属を、インゴットを形成するための金型、又は連続鋳片を製造するための鋳造機へと注ぐために、さらに傾けられる。また、溶融金属は、取鍋へと注ぎ、再精製のための他の溶解炉へと移すことも可能である。
【００３８】
連続製造を目的とする代替の方法として、図５に示すように、連続的なマイクロ波／誘導加熱炉が構成可能である。これは、主に、水冷した金属シェル（容器）５０１と、水冷した誘導加熱コイル５０２と、原材料充填ポート５０３と、導波ポート５０４と、スラグ排出ポート５０５と、溶融金属排出ポート５０６とを備えている。金属シェル５０１及び誘導コイル５０２は、マイクロ波を吸収しにくい耐熱材料５０７で内側を覆われている。工程を始めるために、ペレット、ケーク、又は他の適切な形状で、混合された原材料５０８が、充填ポート５０３を通して、微粒子の流れを流動させることなく、炉へと充填される。マイクロ波の電源が入れられて、マイクロ波が、導波管５０４を通して、炉のチャンバ５０９へと導入されて、チャンバ内に散乱する。混合された原材料は、マイクロ波のエネルギーを吸収し始め、温度が上昇される。温度が上昇すると、内燃補助燃料が、熱５１０を生成すべく点火され、さらに温度が上昇される。鉱石は、金属になるべく、原材料中の還元剤と、直接又は間接に反応する。原材料塊が電気伝導体になった後、誘導加熱の電源が、金属を加熱するために、入れられる。金属は、溶解し始め、溶融金属の融滴５１１及び溶融スラグ５１２を形成する。特定の密度差により、溶融金属の融滴が重力により底に沈み、溶融溜まり５１３を形成し、スラグ５１２が、溶融金属の上部に浮かぶ。また、フラックス剤は、溶解し、スラグと反応して、溶融金属と溶融スラグとをより良好に分離するための低粘性のスラグを形成する。溶融金属が形成されて、底に沈んだ後、誘導加熱は継続され、溶融金属の温度を維持する。スラグは、マイクロ波のエネルギーを吸収し続ける。十分な溶融スラグ又は溶融金属が蓄積された後、スラグ及び金属は、それぞれ、排出孔５０５及び５０６を通して、別々に排出される。孔５０５及び５０６は、鋼棒によって開孔されるまでは耐火粘土で閉鎖された。溶融金属は、インゴット、又は連続鋳片へと鋳造されるか、高品質の合金を製造すべく、不純物を除去し、組成を調整し、温度を制御するための再精製炉へと移すことが可能である。溶融スラグ及び金属が排出されると、さらに原材料が、充填ポート５０３を通して、炉へと充填される。加熱、鉱石の還元、溶解、排出及び再充填が、循環して続けられる。
【実施例１】
【００３９】
還元剤としての１５％のカーボンブラックと混合された６５％のＦｅとを含んでいる鉄鉱石と、フラックス剤としての１％の石灰と、補助燃料としての５％の微粉状の石炭とで構成される試料が準備された。その混合物は、耐熱粘土るつぼへと充填されて、ウェーブマット社（Ｗａｖｅｍａｔ，Ｉｎｃ．）製のマイクロ波処理システムＭＣＲ２００へとはめこまれた。この装置（ユニット）は、出力が３００〜３０００ワットで、２．４５ＧＨｚのマイクロ波発生器を含んでいる。このマイクロ波のシステムは、マイクロ波のキャビティが、単一モード又は制御された多重モードに切換可能に操作される。キャビティは、排気、又は不活性ガス又は還元ガスによる連続的なパージが可能である。試料は、１ｋＷの出力で、単一モードを用いて、１２００℃で十分間加熱された。温度は、るつぼの外面の高温計を用いて、測定された。るつぼ内の温度は、測定されなかったが、１２００℃より高くなったと思われる。加熱の間、微粉状の石炭が燃え、炎が発生した。試料の温度は、約１２００℃に二分間維持され、その後、電源が切られた。この試料は、上記工程の後、金属とスラグが形成される室温へと冷却された。金属は、るつぼの底に蓄積し、スラグは、るつぼの上部に浮かんだ。化学成分解析は、金属が、１．５３％のＳｉ、９７．７２％のＦｅ、０．４２％のＡｌ、０．１３％のＳ、及び０．２％のＣを含み、スラグが、５３．５８％のＳｉＯ₂、１５．４８％のＦｅＯ、０．４８％のＣａＯ、１．５６％のＭｇＯ、１５．４０％のＡｌ₂Ｏ₃、０．５３％のＫ₂Ｏ、０．３９％のＭｎＯ、及び１２．５９％のＴｉＯ₂を含むことを示す。
【実施例２】
【００４０】
還元剤としての理論量（すなわち、７．５％）のカーボンブラックと混合されたＣｕ₂Ｓの粉とで構成される試料が準備された。その混合物は、耐熱粘土ディスクで覆われた耐熱粘土るつぼへと充填され、マイクロ波処理システムＭＣＲ２００内に配置された。マイクロ波のキャビティは、Ｎ₂で連続的にパージされ、キャビティの排気ポートは、洗浄器に接続された。洗浄器は、側管（side tube）を備えたガラスフラスコと、その口を密封するためのゴム栓とからなる。フラスコは、アルカリ性の１０％ＮａＯＨ溶液で半分満たされた。管は、ゴム栓を貫通して設けられ、その一端はアルカリ性溶液の中に沈められた。管の他端は、マイクロ波のキャビティの排気ポートに、ホースで接続された。加熱の間、大量の煙が試料から出て、ＮａＯＨ溶液へと導入された。試料は、単一モードにおいて、１１００℃で五分間加熱された。温度は、高温計を用いてるつぼの外面温度が測定された。温度は、約１１００℃に二分間持続され、その後、電源が切られた。銅がるつぼの底に沈み、スラグがるつぼの上部に形成された。解析は、洗浄器の溶液が硫黄を含むことを示した。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１Ａ】真空ポンプを示す。
【図１Ｂ】硫黄冷却器を示す。
【図１Ｃ】弁を有する吸気口と、弁を有する排気口と、導波管とを含むマイクロ波のキャビティ内のるつぼを示す。
【図２】高出力マイクロ波炉を示す。
【図３】金属含有材料の導入のための装置と、誘導コイルとを含む、高出力マイクロ波炉の他の実施の形態を示す。
【図４】金属含有材料の導入のための装置と、電気アーク加熱とを含む、高出力マイクロ波炉の他の実施の形態を示す。
【図５】原材料充填ポートと、分離溶融金属排出ポートと、スラグ排出ポートとを含む、連続製造用の炉を示す。

Claims (16)

1. 金属含有材料から金属を直接生成するための方法であって、金属含有材料及び還元剤を供給し、上記金属含有材料を上記還元剤と混合して混合物を形成し、上記混合物を微粒子の流れを流動させることなく、適切な方法によりコンテナへと充填し、溶融金属が上記金属含有材料から放出されるまで、上記混合物を電気アーク加熱にマイクロ波のエネルギーの適用を加えた組合せ効果によって、汚染を最小限にとどめて加熱し、上記溶融金属を重力によって上記コンテナの底に蓄積し、上記金属を上記コンテナから排出することを特徴とする方法。
2. フラックス剤を上記金属含有材料と混合するステップをさらに備える請求項１記載の方法。
3. 補助燃料を上記金属含有材料と混合するステップをさらに備える請求項１記載の方法。
4. マイクロ波吸収材料を混合するステップをさらに備える請求項１記載の方法。
5. 上記金属含有材料を、そのマイクロ波吸収性を高めるために予熱するステップをさらに備える請求項１記載の方法。
6. 上記混合物を電気誘導により加熱するステップをさらに備える請求項１記載の方法。
7. 加熱するステップにおいて、上記混合物が溶融スラグを生ずる請求項１記載の方法。
8. 上記加熱の間、上記混合物の周囲の圧力雰囲気を制御するステップをさらに備える請求項１記載の方法。
9. 上記加熱の間、上記金属含有材料から放出された硫黄蒸気又はＳＯ₂を集めるステップをさらに備える請求項１記載の方法。
10. 上記コンテナがセラミックるつぼを備える請求項１記載の方法。
11. 上記コンテナが耐熱材料で内側を覆われた傾斜可能な金属ベッセルを備える請求項１記載の方法。
12. 上記コンテナが誘導コイルを備える請求項１記載の方法。
13. 上記コンテナが電極を備える請求項１記載の方法。
14. 上記コンテナが溶融金属排出孔を有する、静止した金属加熱炉を備える請求項１記載の方法。
15. 上記コンテナが真空システムを備える請求項１記載の方法。
16. 上記金属含有材料が、鉄、銅、ニッケル、コバルト、鉛、及び亜鉛からなる群から選択された金属を備える請求項１記載の方法。

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