JP2005347277A

JP2005347277A - 高周波熱プラズマ装置

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Publication number: JP2005347277A
Application number: JP2005197005A
Authority: JP
Inventors: Akira Terajima; 章寺島; Yoshiaki Inoue; 好明井上; Seiji Yokota; 誠二横田; Kazuhiro Kawasaki; 一博川嵜
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 2005-07-06
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2021-11-29
Also published as: JP3949694B2

Abstract

【課題】プラズマトーチの失火のおそれなしに温度の低い均一温度領域の広いプラズマフレームが得られる高周波熱プラズマ装置。
【解決手段】第１プラズマ１を発生する第１トーチ１１と第２プラズマ２を発生する第２トーチ２１の２段トーチ（石英管）１０を備える。ガス放出によりプラズマフレームを拡散する拡散ガス放出部３３と、フレームを衝突させて拡散する緩衝ブロック３４を備えたプラズマフレーム拡散手段３１をプラズマフレーム中に設けて、プラズマフレームを拡散してプラズマフレームの温度を低下させ均一温度の範囲を広くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱プラズマ加熱により物質の熱化学合成をしたり、粒体を加熱溶融して球状化処理したり、あるいは表面物質を溶融化してコーティングするなどの材料、物質を加熱処理する高周波熱プラズマ装置に関するものである。

１２００Ｋを超える高温が必要な化学物質の熱合成や、化学物質を溶融球状化して球状粉末を得るためなどに熱プラズマによる加熱処理装置が使用される。このような高周波熱プラズマによる加熱は、高温度が容易に得られて、物質の汚染がない点で有利であり、物質の熱合成や粉末の球状化の加熱方法として望ましい。

上記の熱合成の際に温度が低すぎると反応速度が低下し、あまり温度が高すぎると再分解して所要の組成の生成物が得られない。また、前記原料粒体を熱プラズマにより加熱溶融して球体とする場合には、加熱温度が物質の融点より低いと溶解しないために球状化せず、加熱温度が沸点より高すぎると成分が蒸発して原料粒体と異なる構造または組成になってしまうという問題点がある。したがって、熱プラズマにより加熱処理する場合には熱プラズマにおける加熱部の温度を一定に保持する必要がある。とくに融点温度が高く融点と沸点の温度差が少ない物質の場合には高温でかつ狭い温度範囲で管理することが要求される。
そのために、特許文献１のような２段プラズマなどが使用されている。
特開平６−２８７０１２号公報

しかしながら、高周波熱プラズマの温度はプラズマフレームの渦流中心の温度が１０，０００Ｋにも達し、高周波熱プラズマによる直接加熱方式ではプラズマフレームが超高温で温度均一領域が狭いために、融点の低い複合材料や金属間化合物では温度が高すぎて分解を生じ、原料粒体と同じ特性が得られなくなるという問題点がある。また、低融点物質の球状化の場合にはプラズマの温度が高すぎて超微粒子が多量に発生し、所要の粒度の球状粒子の収率が低下するほか、超微粒子の分級を要しコスト増となるのみでなく分級が不可能な場合も生ずる。

一方、プラズマの渦流中心の温度を下げればプラズマフレーム中の所要温度領域が広くなるが、プラズマの温度を下げすぎると失火するなどプラズマフレームが不安定になるという問題点がある。そのためプラズマ加熱には、必要な処理温度を得るための温度コントロールが難しく局部加熱されて均一な加熱が困難であるという問題点がある。

そこで本発明は、プラズマトーチにおいてプラズマの失火を防止しながら反応に必要な加熱温度までフレームの温度を下げて均一な温度領域を拡大し、物質熱合成や球状化などに使用する場合に安定したプラズマフレームが得られる高周波熱プラズマ装置を提供することを目的とする。

前記問題点を解決するために本発明の高周波熱プラズマ装置は、被処理物質を加熱処理する高周波熱プラズマ装置において、ガス放出によりプラズマフレームを拡散する拡散ガス放出部又は／及び該フレームを衝突させて拡散する緩衝ブロックを備えたプラズマフレーム拡散手段がプラズマフレーム中に設けられたことを特徴とするものである。

前記拡散手段は前記拡散ガス放出部と緩衝ブロックとが一体に形成され、プラズマ加熱部に原料を投入する原料投入管に設けられることが望ましい。

このように、プラズマフレーム中を貫通する原料投入管に拡散ガス放出部を設けて、フレーム中心の拡散ガス放出部から拡散ガスを放出することにより、プラズマフレームの温度が下がり、かつフレームが拡散されて均一温度の領域が広くなり物質の加熱が容易になる。また、緩衝ブロックを設けることにより、流出するプラズマフレームが緩衝ブロックに衝突してフレームの流れが拡散されてフレームの温度が均一になる。この緩衝ブロックはプラズマフレームが衝突して流れが乱れる形状であれば、どのようなものでも良いが、拡散ガス放出部と一体にすることが簡易である。また、拡散ガス放出部と緩衝ブロックはいずれか一方の設置でも効果があるが、両者を併用すれば一層効果が向上する。

また、本発明の高周波熱プラズマ装置は、プラズマフレームの流れを分散させる複数のフレーム通過孔が設けられた孔付部材からなる拡散手段がプラズマフレームの流路の途中に配設されたことを特徴とするものである。このようにすると、孔付部材に衝突したプラズマフレームは、複数のフレーム通過孔を分散して通過し、フレームが拡散されるのでフレーム温度を均一にすることができる。

また、前記プラズマフレームを発生するトーチは、プラズマフレーム径の小さい第１プラズマを発生する第１トーチとフレーム径の大きい第２プラズマを発生する第２トーチとからなり、前記拡散手段は前記第２トーチに設けられることが望ましく、前記第１トーチのフレームと第２トーチのフレームが繋がっていることが望ましい。

従来の高周波熱プラズマ装置は、図４に示すように石英管５の内部にプラズマガスを流しながら外周に巻かれた誘導加熱コイル６に高周波電流を付加して熱プラズマ４を発生させる１段トーチの装置が使用されている。このような装置の熱プラズマにより被処理物質を直接加熱する場合には、熱プラズマの温度が局部的に非常に高いため、被処理物質が所定温度より過温度に加熱されるおそれがある。また、これを避けるために熱プラズマの温度を下げると失火するという使い難さがあった。

そこで本発明らは、プラズマトーチをプラズマフレーム径の小さい第１トーチとフレーム径の大きい第２トーチとの２段トーチにして、第１トーチの高温フレームを第２トーチにより拡散してプラズマフレームの均一温度の領域を広くした。また、第１トーチと第２トーチの誘導加熱コイルを直列に接続して１電源により電力を付加することにより、第１トーチのプラズマフレームと第２トーチのフレームが切れないで繋がることを見出だした。これによりフレームの拡大効果を増すことができ、プラズマトーチの失火のおそれなしに温度の低い均一温度領域の広いプラズマフレームを得ることができた。

本発明の拡散手段は、第１トーチに設けてもよいが、第２トーチに設けると一層効果が大きい。また、上記の拡散手段は、２段トーチの熱プラズマのみでなく、従来の１段トーチの熱プラズマ装置に使用しても効果があり、また、上記の拡散手段の各要素を組み合わせて採用することにより、一層プラズマフレームの拡散効果が増進される。

本発明の高周波熱プラズマ装置は、プラズマトーチの失火のおそれなしに、温度の低い均一温度領域の広いプラズマフレームを得ることができるので、従来のプラズマ装置ではできなかった組成などに変質が生じない物質のプラズマ加熱による熱合成や、収率の高い粉末の溶融球状化などのプラズマ加熱の用途が拡大される。

以下、本発明を図示の実施形態について具体的に説明する。図１は本発明第１実施形態の高周波熱プラズマ装置の断面図、図２はその拡散手段の詳細図である。図３は本発明第２実施形態の拡散手段の詳細図である。

まず図１に基づき本発明実施例１の高周波熱プラズマ装置の構成について説明する。本発明実施例１の熱プラズマによる加熱処理装置は、第１トーチ１１、第１トーチ２１からなる２段プラズマトーチと拡散手段３１及び原料供給手段４１により構成されている。

２段プラズマトーチになる水冷される二重管構造の石英管（図には一重に図示）１０は、小径管１２と大径管２２とが連結された２段円筒になっている。小径管１２と大径管２２の外周には、それぞれ高周波誘導コイル（以下単にコイルという）１７、１８が巻かれ、コイル１７、１８に同方向の電流が流れるように接続部１７ａにより接続されている。そして、図示しない高周波電源に接続されてコイル１７、１８に高周波電流が付加されるようになっている。こうして小径管１２が第１トーチ１１を、大径管２２が第２トーチ２１を構成している。

小径管１２の上部は水冷の（水冷は図示しない）トーチヘッド１６に固定され、大径管２２の下部は水冷ジャケット（水冷は図示しない）１９に固定され、トーチヘッド１６と水冷ジャケット１９はタイバー２０により締結されて、石英管１０を保持している。そして水冷ジャケット１９が図示しない加熱処理装置のタンクなどに装着されるようになっている。

トーチヘッド１６の中心に原料供給管４１を挿通した拡散手段保持管３２が装着されている。拡散手段保持管３２の外側に円筒状のシース管４５が小径管１２の内周との間に隙間を持たせて設けられトーチヘッド１６に固定されている。

トーチヘッド１６にコアガス供給管１３、クーリングガス供給管１４、拡散ガス供給管１５が設けられ、コアガス供給管１３から拡散手段保持管３２とトーチヘッド１６の中心孔との隙間を通してコアガスが供給され、クーリングガス供給管１４からシース管４５と小径管１２との隙間を通してクーリングガスが供給され、拡散ガス供給管１５から拡散手段保持管３２の内部に拡散ガスが供給される。これらのガスは、目的に応じて適切な種類のガスが選択される。

上記構成の石英管（プラズマトーチ）１０に、コアガス、クーリングガス供給管１３、１４からガスを流入しながらコイル１７、１８に高周波電力を掛けると図の鎖線で示すように小径管１２の第１プラズマ１と大径管２２の第２プラズマ２の２段プラズマが発生し、大径管２２の下部側から噴出する。

この際に、小径管１２と大径管２２のコイル１７、１８は連結されて１電源により加熱され、図の鎖線で示すような形の第１プラズマと第２プラズマが切れることなく繋がることに本発明の特徴がある。

次に図１及び２により拡散手段３１について詳細説明する。拡散手段３１は、第２トーチのプラズマフレーム２中に配設され、拡散手段保持管３２と拡散ガス放出部３３とにより構成され、拡散ガス放出部３３の外形が緩衝ブロック３４を構成している。拡散手段保持管３２の内部に原料供給管４１が挿通され、拡散手段保持管３２の一端がトーチヘッド１６に支持されている。

拡散ガス放出部３３は拡散手段保持管３２の他端が膨らんだ形状をなし外周に複数の放射状ガス孔３３ａが設けられ、拡散手段保持管３２の内周と原料供給管４１との隙間から拡散ガス供給管を通じて供給される拡散ガスを放射方向に放出するようになっている。これによって、プラズマフレームは温度が低下するとともに拡散されて均一温度領域が広くなる。

拡散ガス放出部３３の形状の詳細を図２に示す。拡散ガス放出部３３の外形は肩を張った円筒状をなし、プラズマフレームをこの肩部に衝突させて拡散する緩衝ブロックを構成している。これにより、図２に示すようにプラズマフレームが拡がって拡散され、前述の拡散ガス放出部３３の効果を一層助長する。

拡散手段保持管３２の内部に挿通された原料供給管４１は中空パイプをなし、図示しないホッパーに装入された原料粉末を一端４１ａからキャリヤガスにより第２プラズマフレーム２中に供給する。

上記実施例１の構成の高周波熱プラズマ装置の動作について説明する。まずコアガス、クーリングガス供給管１３、１４からＡｒ，Ｈ₂などのガスを供給しながらコイル１７、１８に高周波電流を付加すると図１の鎖線で示すように第１、第２プラズマが発生する。このとき、第１プラズマの中心部は１０，０００Ｋもの超高温になり中心と外周の温度差が大きい。本発明の装置では、この第１プラズマが第２プラズマと繋がり、第２プラズマはコイル１８の位置で拡大されるので、第２プラズマでは温度がやや低下し均一温度領域も広くなる。

第２プラズマフレームは、緩衝ブロック３４に衝突して拡散されるので、フレーム温度の均一領域がさらに広くなる。また、拡散ガス供給管１５から拡散ガスが供給され、拡散手段３１の拡散ガス放出部３３から第２プラズマ２のフレーム中にガスを放出されるので、プラズマフレームの温度が低下するとともに、均一温度領域が一層が広くなる。

この状態で原料供給管４１からキャリヤガスとともに原料粉末をプラズマフレーム中に供給することにより、物質の熱合成や粉末の溶融球状化が行われる。本発明の高周波熱プラズマ装置は、所要の温度の均一温度領域の広いプラズマフレームが得られるので、加熱温度が高すぎて物質が再分解したり、温度が沸点より高すぎて異なる組成になったりすることなく、熱合成や溶融球状化を行うことができる。

上記構成の本発明の高周波熱プラズマ装置と図４に示す従来の高周波熱プラズマ装置を用いてＡｌＰＯ₄材料の溶融球状化を行った。その結果を図５〜１０に示す。図５はプラズマ条件を示す図、図６は原料のＡｌＰＯ₄のＸ線回折パターン、図７は従来装置で球状化した球状粉末のＸ線回折パターン、図８は本発明装置で球状化した球状粉末のＸ線回折パターンを示す。また、図９及び図１０は、それぞれ従来装置と本発明装置で球状化した球状粉末のＳＥＭ写真である。

図５に示すようにプラズマ条件は従来装置、本発明装置ともほぼ同一であるが、入力電力は従来装置は１０ｋＷに対し本発明装置は２０ｋＷと２倍の入力をかけて加熱処理能力を増加させた。

図９及び図１０のＳＥＭ写真に見られるように従来装置、本発明装置ともに良好な球状体が得られた。しかし、Ｘ線回折パターンを見ると、図７の原料のパターンはＡｌＰＯ₄の回折線を示しているが、図７の従来装置で球状化した粉末のパターンはＡｌ₂Ｏ₃のパターンを示している。すなわち、従来装置ではプラズマ温度が高温過ぎてＡｌＰＯ₄がＡｌ₂Ｏ₃に分解してしまったことを示す。これに対し、図８の本発明の装置により球状化した粉末のパターンは原料と同じＡｌＰＯ₄のパターンを示している。これは、本発明の装置では、従来装置より２倍の電力を入力して加熱能力を増したにもかかわらず、プラズマ温度は低下して均一温度領域が広くなったため、粒子の組成の変化を生じない適正な温度で球状化されたことを示すものである。

このように本発明の高周波熱プラズマ装置によれば、従来のプラズマ装置では組成の変化なしに球状化できなかった物質の球状化が能率良く可能になる。

また、Ｎｂ・Ａｌ系金属材料について、上記構成の本発明の高周波熱プラズマ装置と図４に示す従来の高周波熱プラズマ装置を用いて溶融球状化を行った。その結果は、従来の高周波熱プラズマ装置によって球状化した場合は球状粉末の収率が３０％であったが、本発明の装置を使用した場合は８５％の収率が得られた。

次に実施例２の拡散手段について説明する。図３は実施例２の拡散手段の概念図である。実施例２の拡散手段はプラズマフレームの流路に孔付部材３５を設けたものである。孔付部材３５は、図のようにプラズマフレームが通過する多数の貫通孔３５ａが設けられた円板からなる。これをプラズマフレームの流路に配設すると、プラズマフレームが貫通孔を通過する際に拡散されて渦流が生ずるのでフレーム断面の温度が均一になる。貫通孔３５ａは、図に示すように螺旋状に設けることが拡散効果を増すために望ましい。

上記実施例１、２の拡散手段は、２段プラズマのみでなく従来の１段プラズマに使用しても効果が得られる。

以上述べたように、本発明実施形態の高周波熱プラズマ装置は、プラズマフレームを拡散させる拡散手段が設けられているので、プラズマフレームの温度が下がり、かつフレームの均一温度領域が広くなって物質加熱の取り扱いが容易になる。

この拡散手段として、緩衝ブロックを設けてプラズマフレームを衝突させて拡散し、拡散ガス放出部を設けてプラズマフレームをガスにより拡散するので、フレームの温度を低下させるとともに均一温度領域を拡大する。

また、拡散手段には、フレーム通過孔を設けた孔付部材をプラズマフレームの流路の途中に配設してプラズマフレームの流れを分散させても良い。

また、本発明実施形態の高周波熱プラズマ装置は第１プラズマを発生する第１トーチと第２プラズマを発生する第２トーチの２段トーチを備えて、第１プラズマと第２プラズマのフレームが繋がっているので、第２プラズマの拡大効果を増し、プラズマフレームの十分な拡大効果が得られる。そして、プラズマフレームの局部の超高温部の温度を低下し、プラズマトーチの失火のおそれなしに温度の低い均一温度領域の広いプラズマフレームを得ることができる。これにより、プラズマフレームで直接物質を加熱する場合に熱プラズマの温度が局部的に高すぎて過温度に加熱されることが防止される。

以上説明したように、本発明の高周波熱プラズマ装置によれば、プラズマトーチの失火のおそれなしに、温度の低い均一温度領域の広いプラズマフレームを得ることができるので、従来のプラズマ装置ではできなかった組成などに変質が生じない物質のプラズマ加熱による熱合成や、収率の高い粉末の溶融球状化などのプラズマ加熱の産業上の用途が拡大される。

本発明実施例１の高周波熱プラズマ装置の断面図図１の拡散手段の詳細を示す詳細図本発明実施例２の拡散手段の１例を示す詳細図従来の１段プラズマの説明図本発明の高周波熱プラズマ装置と従来のプラズマ装置とによる球状化実験のプラズマ条件を示す図本発明実施形態の原料のＸ線回折パターンを示す図従来のプラズマ装置により球状化した粉末のＸ線回折パターンを示す図本発明の高周波熱プラズマ装置により球状化した粉末のＸ線回折パターンを示す図従来のプラズマ装置により球状化した粉末のＳＥＭ写真本発明の高周波熱プラズマ装置により球状化した粉末のＳＥＭ写真

符号の説明

１第１プラズマフレーム、２第２プラズマフレーム、４熱プラズマ、５石英管、６誘導加熱コイル、１０石英管（プラズマトーチ）、１１第１トーチ、１２小径管、１３コアガス供給管、１４クーリングガス供給管、１５拡散ガス供給管、１６トーチヘッド、１７高周波誘導コイル、１８高周波誘導コイル、１９水冷ジャケット、２０タイバー、２１第２トーチ、２２大径管、３１拡散手段、３２拡散手段保持管、３３拡散ガス放出部、３４緩衝ブロック、３５孔付部材、４１原料供給管

Claims

被処理物質を加熱処理する高周波熱プラズマ装置において、ガス放出によりプラズマフレームを拡散する拡散ガス放出部又は／及びプラズマフレームを衝突させて拡散する緩衝ブロックを備えたプラズマフレーム拡散手段がプラズマフレーム中に設けられたことを特徴とする高周波熱プラズマ装置。
前記拡散ガス放出部と緩衝ブロックとが一体に形成された拡散手段がプラズマ加熱部に原料を投入する原料投入管に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の高周波熱プラズマ装置。
プラズマフレームの流れを分散させる複数のフレーム通過孔が設けられた孔付部材からなる拡散手段がプラズマフレームの流路の途中に配設されたことを特徴とする高周波熱プラズマ装置。
前記プラズマフレームを発生するトーチは、プラズマフレーム径の小さい第１プラズマを発生する第１トーチとフレーム径の大きい第２プラズマを発生する第２トーチとからなり、前記拡散手段は前記第２トーチに設けられたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高周波熱プラズマ装置。
前記第１トーチのフレームと第２トーチのフレームが繋がっていることを特徴とする請求項４に記載の高周波熱プラズマ装置。