JP2015137410A - Reducer and reduction method - Google Patents
Reducer and reduction method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2015137410A JP2015137410A JP2014010926A JP2014010926A JP2015137410A JP 2015137410 A JP2015137410 A JP 2015137410A JP 2014010926 A JP2014010926 A JP 2014010926A JP 2014010926 A JP2014010926 A JP 2014010926A JP 2015137410 A JP2015137410 A JP 2015137410A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- magnesium
- gas
- laser
- magnesium oxide
- oxygen
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
Abstract
Description
本発明は、酸化マグネシウムを還元してマグネシウムを取得する還元装置、及び還元方法に関する。 The present invention relates to a reduction device that reduces magnesium oxide to obtain magnesium, and a reduction method.
金属酸化物にレーザを照射して蒸発させることで、酸化物を還元し、純度の高い金属を取得する技術がある。例えば、特許文献1は、容器内に不活性ガスを導入しながら、酸化マグネシウム等の金属酸化物にレーザを照射し、金属酸化物からの蒸発物を不活性ガスによって、付着媒体に向けて進路を変更させて、その付着媒体に蒸発した金属を付着させる技術を開示している。 There is a technique for obtaining a highly pure metal by reducing the oxide by irradiating the metal oxide with a laser and evaporating it. For example, Patent Document 1 discloses a method of irradiating a metal oxide such as magnesium oxide with a laser while introducing an inert gas into a container, and using the inert gas to evaporate the metal oxide toward a deposition medium. Is disclosed, and a technique for depositing evaporated metal on the deposition medium is disclosed.
しかし、特許文献1において、金属酸化物からの蒸発物について、酸素と、金属とが十分に分離されておらず、還元効率が十分ではない。 However, in Patent Document 1, oxygen and metal are not sufficiently separated in the evaporated product from the metal oxide, and the reduction efficiency is not sufficient.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、より効率的に酸化マグネシウムを還元することが可能な還元装置、及び還元方法を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of this problem, Comprising: It aims at providing the reducing apparatus and the reduction | restoration method which can reduce | restore magnesium oxide more efficiently.
上記目的を達成するため、本発明の還元装置は、
酸化マグネシウムを還元してマグネシウムを取得する還元装置であって、
酸化マグネシウムにレーザを照射するレーザ照射部と、
照射された前記レーザにより、前記酸化マグネシウムから蒸発したマグネシウムの気体と、酸素の気体と、に、水平方向に作動ガスを吹き付けるガス吹き付け部と、
前記マグネシウムの気体が付着する付着部と、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the reduction apparatus of the present invention comprises:
A reduction device for reducing magnesium oxide to obtain magnesium,
A laser irradiation unit for irradiating a magnesium oxide with a laser;
A gas spraying unit that sprays a working gas in a horizontal direction on the magnesium gas evaporated from the magnesium oxide and the oxygen gas by the irradiated laser;
An adhering portion to which the magnesium gas adheres;
It is characterized by providing.
本発明によれば、より効率的に酸化マグネシウムを還元することが可能な還元装置、及び還元方法を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a reduction device and a reduction method that can reduce magnesium oxide more efficiently.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本実施形態に係る還元装置1の構成を模式的に示す図である。図1に示すように、還元装置1は、処理室100と、レーザ照射部200と、ガス吹き付け部300と、コレクタ400とから構成される。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a reduction apparatus 1 according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the reduction apparatus 1 includes a processing chamber 100, a laser irradiation unit 200, a gas blowing unit 300, and a collector 400.
処理室100は、一般的にチャンバーと呼ばれ、処理室100内に載置された酸化マグネシウム2の還元が行われる場所である。処理室100内は、図示しない排気ポンプが取りつけられ、必要に応じて、処理室100内の排気が行われる。また、処理室100内には、図示しないガス導入管が設けられ、選択的に、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、不活性ガスなどが導入される。また、処理室100の上部には、レーザ照射部200から照射されたレーザを処理室100内に取り込むために、既知の入射窓110が設けられている。 The processing chamber 100 is generally called a chamber and is a place where the magnesium oxide 2 placed in the processing chamber 100 is reduced. An exhaust pump (not shown) is attached in the processing chamber 100, and the processing chamber 100 is evacuated as necessary. In addition, a gas introduction pipe (not shown) is provided in the processing chamber 100, and nitrogen gas, argon gas, helium gas, inert gas, or the like is selectively introduced. In addition, a known incident window 110 is provided in the upper portion of the processing chamber 100 in order to take the laser irradiated from the laser irradiation unit 200 into the processing chamber 100.
ステージ120は、酸化マグネシウム2が載置される台である。ステージ120は、図示しない駆動機構により、移動可能であってもよい。 The stage 120 is a table on which the magnesium oxide 2 is placed. The stage 120 may be movable by a driving mechanism (not shown).
レーザ照射部200は、例えば数kwの固体レーザ、気体レーザ、又は半導体レーザを照射するレーザ照射装置から構成される。ここで、レーザ照射部200として、太陽光を含むエネルギー源を利用する固体レーザ、気体レーザ、又は、半導体レーザ照射装置を用いてもよい。 The laser irradiation unit 200 includes a laser irradiation apparatus that irradiates, for example, a solid laser, a gas laser, or a semiconductor laser of several kw. Here, as the laser irradiation unit 200, a solid laser, a gas laser, or a semiconductor laser irradiation apparatus using an energy source including sunlight may be used.
レーザ照射部200から照射されたレーザは、反射鏡210によりその進路が変更され、入射窓110を通って、処理室100内に導入される。なお、少なくともレーザ照射部200と反射鏡210との間は、図示しない光ファイバなどを用いて接続してもよい。同様に、反射鏡210から入射窓110までの間も、さらには、入射窓110から酸化マグネシウム2付近までの間も、光ファイバなどを用いて接続してもよい。これにより、酸化マグネシウム2に到達するレーザの光損失を抑止することができる。 The path of the laser irradiated from the laser irradiation unit 200 is changed by the reflecting mirror 210 and introduced into the processing chamber 100 through the incident window 110. Note that at least the laser irradiation unit 200 and the reflecting mirror 210 may be connected using an optical fiber (not shown). Similarly, the connection from the reflecting mirror 210 to the entrance window 110 and the connection from the entrance window 110 to the vicinity of the magnesium oxide 2 may be performed using an optical fiber or the like. Thereby, the optical loss of the laser which reaches the magnesium oxide 2 can be suppressed.
ガス吹き付け部300は、作動ガスGを、酸化マグネシウム2の表面に導入する管から構成される。ガス吹き付け部300は、酸化マグネシウム2から蒸発したマグネシウムの気体と、酸素の気体と、に対して、水平方向に作動ガスを吹き付ける。 The gas spraying unit 300 is configured by a pipe for introducing the working gas G to the surface of the magnesium oxide 2. The gas blowing unit 300 blows working gas in the horizontal direction against the magnesium gas evaporated from the magnesium oxide 2 and the oxygen gas.
コレクタ400は、酸化マグネシウム2から蒸発したマグネシウムGMを、その冷却過程において衝突させることにより、表面に付着させる。コレクタ400は、酸化マグネシウム2の上方に、所定距離離れて配置される。コレクタ400は、図示しない駆動機構により、酸化マグネシウム2に対して移動可能であってもよい。コレクタ400は、表面に付着する蒸発物の熱によって溶解されない耐熱条件を満たすものであれば、どのような材料を採用してもよい。例えば、コレクタ400として、銅板やチタン板を採用しうる。 The collector 400, magnesium G M evaporated from magnesium oxide 2, by impinging in the cooling process, is deposited on the surface. The collector 400 is disposed above the magnesium oxide 2 with a predetermined distance. The collector 400 may be movable with respect to the magnesium oxide 2 by a driving mechanism (not shown). The collector 400 may be made of any material as long as it satisfies the heat resistance condition that is not dissolved by the heat of the evaporate adhering to the surface. For example, a copper plate or a titanium plate can be adopted as the collector 400.
次に、本実施形態に係る還元装置1において、ガス吹き付け部300が噴出する作動ガスの速度及び流量について説明する。 Next, in the reduction apparatus 1 according to the present embodiment, the speed and flow rate of the working gas ejected by the gas blowing unit 300 will be described.
一般に、静止している質量Mの原子に、質量mの原子が速度Vで衝突する場合において、その衝突が完全に一次元方向のみで起こるとすると、運動量とエネルギーの保存則から、質量Mの原子が得る速度VMは、以下の数1式で表される。
ここで、マグネシウム原子と酸素原子の質量数はそれぞれ24と16であるから、マグネシウム原子と酸素原子とにそれぞれ作動ガスGの粒子が衝突した場合、数1式より、マグネシウムが得る速度は、酸素原子が得る速度に比べて小さくなる。また、マグネシウムと酸素分子との衝突を考えると、それぞれ質量数は24と32であるから、この場合もそれぞれが得る速度は異なる。 Here, since the mass numbers of the magnesium atom and the oxygen atom are 24 and 16, respectively, when the particles of the working gas G collide with the magnesium atom and the oxygen atom, respectively, according to the formula 1, the speed that magnesium obtains is the oxygen Smaller than the speed that the atoms can get. Considering the collision between magnesium and oxygen molecules, the mass numbers are 24 and 32, respectively.
従って、本実施形態では、この速度の差を利用して、マグネシウムと酸素との分離を行う。図2(a)に作動ガスGを吹き付けない場合、(b)に作動ガスGを吹き付ける場合の、レーザLを酸化マグネシウム2に照射して発生した蒸気の流れを模式的に示す。図2(a)に示すように、作動ガスGを吹き付けない場合、酸化マグネシウム2から蒸発したマグネシウムと酸素の蒸気Gaは、レーザLの照射方向に関係なく、酸化マグネシウム2の表面に対し垂直方向に噴出する。なお、実際に酸化物にレーザを照射した場合、蒸気Gaは横方向に広がるが、この広がりは、主に温度による熱速度に起因し、蒸気Gaの噴出速度が大きい場合には、この広がりは無視できる。 Therefore, in this embodiment, separation of magnesium and oxygen is performed using this difference in speed. FIG. 2A schematically shows a flow of vapor generated by irradiating the magnesium oxide 2 with the laser L when the working gas G is not sprayed and when the working gas G is sprayed in FIG. As shown in FIG. 2 (a), if not blown working gas G, steam G a of the evaporated magnesium and oxygen from the magnesium oxide 2, regardless of the direction of irradiation of the laser L, perpendicular to the surface of the magnesium oxide 2 Spouts in the direction. Incidentally, when irradiating actually the oxide laser, although steam G a laterally extending, this divergence is primarily due to thermal velocity with temperature, when a large ejection speed of the vapor G a, the The spread is negligible.
また、図2(b)に示すように、作動ガスGを水平方向に吹き付けると、酸化マグネシウム2から蒸発したマグネシウムの蒸気Gmgと、酸素の蒸気Goとは、作動ガスGにより異なる速度を得るため、分離しながら上昇する。ここで、図2(b)に示すように作動ガスGを吹き付けると、密度が低く、流体間の衝突が少なく、粒子同士がほぼすり抜けるような状況では、粒子の間の衝突により各粒子が得る速度は、数1式により決定される。すなわち、酸素原子が得る水平方向の速度VOと、マグネシウム原子が得る速度Vmgとは異なる。ここで、酸素質量MOと、作動ガスGの質量mとは、以下の数2式で表されるとする。
また、酸素原子とマグネシウム原子の質量の比は、16:24=2:3なので、この質量比と数2式とから、マグネシウム原子の質量Mmgは、以下の数3式で表される。
数1式と数3式から、酸素原子の速度Voとマグネシウム原子の速度Vmgとの比は以下の数4式で表される。
数4式より、αが大きいほど、すなわち作動ガスGの質量mが小さいほど、酸素とマグネシウムの速度比が大きくなり、酸素原子とマグネシウム原子とを分離しやすくなることがわかる。これは、実際に作動ガスを変えて行った実験である図3によって裏付けられる。図3のようにアルゴン、窒素に比べてヘリウムを作動ガスとした場合が最も高い還元効率を得ている。 From the equation (4), it can be seen that as α is larger, that is, as the mass m of the working gas G is smaller, the rate ratio of oxygen and magnesium becomes larger, and it becomes easier to separate oxygen atoms and magnesium atoms. This is supported by FIG. 3, which is an experiment actually performed by changing the working gas. As shown in FIG. 3, the highest reduction efficiency is obtained when helium is used as the working gas compared to argon and nitrogen.
次に、マグネシウム原子及び酸素原子の熱に関与する運動エネルギーが、熱エネルギーに等しいとすると、マグネシウムの熱速度Vtmg[cm/sec]及び酸素原子の熱速度Vtoは、温度をT[K]として、ボルツマン定数k=1.38×10−16[erg/K]、マグネシウム原子の質量Mmg=24×1.673×10−24[g]及び酸素原子の質量Mo=16×1.673×10−24[g]を用いて、それぞれ以下の数5式及び数6式で表される。
数5式及び数6式において、例えば、T=1000[K]のとき、Vtmg=5.8×104[cm/sec]、Vto=7.2×104[cm/sec]となる。マグネシウム原子及び酸素原子はそれぞれ、数5式及び数6式で示されるVtmg及びVtoの熱速度で空間に広がっていく。従って、これらの原子を分離するためには、酸素原子の速度Voとマグネシウム原子の速度Vmgとの速度の差が、マグネシウムの熱速度Vtmgと酸素原子の熱速度Vtoとの和よりも大きくならなくてはならない。すなわち、以下の数7式を満たす必要がある。
従って、数7式より、作動ガスGの速度Vは、以下の数8式を満たす必要がある。
次に、吹き付ける作動ガスGの量について説明する。酸素原子及びマグネシウム原子の半径をa、作動ガスの数密度をn[/m3]とすると、酸素原子及びマグネシウム原子が、作動ガスを構成する原子と衝突するまでの飛距離Lは、以下の数9式で表される。
吹き付ける作動ガスGの縦方向の高さをHとし、レーザによって噴出するマグネシウムと酸素の高さ方向の流速をVaとすると、マグネシウムの蒸気が距離Hを通過するのにかかる時間tは、以下の数10式で表される。
作動ガスGの噴射速度をVとすると、時間tの間に作動ガスGは飛距離Lを進んでマグネシウムの蒸気と衝突するため、以下の数11式を満たす必要がある。
数9式〜数11式より、吹き付けるガスの噴射速度Vは、以下の数12式で表される。
数12式において、H=1[mm]、Va=106[cm/sec]、aをボーア半径を代用して5×10−9、n=1×1018とすると、V=1.3×105[cm/sec] となり、Vtよりも大きくなる。このときの作動ガス流量Qは、以下の数13式より、1000[cm3/sec]となる。
以上のように構成される還元装置1によれば、効率よく、酸化マグネシウムから蒸発したマグネシウムと酸素とを分離し、高純度のマグネシウムを回収することができる。 According to the reducing apparatus 1 configured as described above, magnesium and oxygen evaporated from magnesium oxide can be efficiently separated and high-purity magnesium can be recovered.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態によって限定されるものではない。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited by said embodiment.
1 還元装置
100 処理室
110 入射窓
120 ステージ
200 レーザ照射部
210 反射鏡
300 ガス吹き付け部
400 コレクタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reduction | restoration apparatus 100 Processing chamber 110 Incident window 120 Stage 200 Laser irradiation part 210 Reflector 300 Gas spraying part 400 Collector
Claims (4)
酸化マグネシウムにレーザを照射するレーザ照射部と、
照射された前記レーザにより、前記酸化マグネシウムから蒸発したマグネシウムの気体と、酸素の気体と、に、水平方向に作動ガスを吹き付けるガス吹き付け部と、
前記マグネシウムの気体が付着する付着部と、
を備える還元装置。 A reduction device for reducing magnesium oxide to obtain magnesium,
A laser irradiation unit for irradiating a magnesium oxide with a laser;
A gas spraying unit that sprays a working gas in a horizontal direction on the magnesium gas evaporated from the magnesium oxide and the oxygen gas by the irradiated laser;
An adhering portion to which the magnesium gas adheres;
A reduction device.
ことを特徴とする請求項1に記載の還元装置。
When the mass ratio of oxygen atoms to the mass of the working gas is α, the thermal velocity of magnesium atoms is V tmg , and the thermal velocity of oxygen atoms is V to , Spray at a speed of V
The reduction apparatus according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項1または2に記載の還元装置。
The gas spraying unit is configured such that the distance from the point where the laser is irradiated to the magnesium oxide to the working gas is H, the velocity in the height direction of the magnesium gas and the oxygen gas is V a , the magnesium atom, and When the radius of oxygen atoms is a and the number density of the working gas is n, the working gas is blown at a flow rate Q that satisfies the following formula.
The reduction apparatus according to claim 1 or 2, wherein
酸化マグネシウムにレーザを照射するレーザ照射ステップと、
照射された前記レーザにより、前記酸化マグネシウムから蒸発したマグネシウムの気体と、酸素の気体と、に、水平方向に作動ガスを吹き付けるガス吹き付けステップと、
前記マグネシウムの気体を付着部に付着させる付着ステップと、
を備える還元方法。 A reduction method for obtaining magnesium by reducing magnesium oxide,
A laser irradiation step of irradiating the magnesium oxide with a laser;
A gas spraying step of spraying a working gas in a horizontal direction to the magnesium gas evaporated from the magnesium oxide and the oxygen gas by the irradiated laser;
An attaching step of attaching the magnesium gas to the attaching portion;
A reduction method comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014010926A JP2015137410A (en) | 2014-01-24 | 2014-01-24 | Reducer and reduction method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014010926A JP2015137410A (en) | 2014-01-24 | 2014-01-24 | Reducer and reduction method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015137410A true JP2015137410A (en) | 2015-07-30 |
Family
ID=53768631
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014010926A Pending JP2015137410A (en) | 2014-01-24 | 2014-01-24 | Reducer and reduction method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2015137410A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017164148A1 (en) * | 2016-03-24 | 2017-09-28 | 株式会社シーアイピーソフト | Magnesium refining and high purity magnesium production device and method |
-
2014
- 2014-01-24 JP JP2014010926A patent/JP2015137410A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017164148A1 (en) * | 2016-03-24 | 2017-09-28 | 株式会社シーアイピーソフト | Magnesium refining and high purity magnesium production device and method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Matthews et al. | Denudation of metal powder layers in laser powder-bed fusion processes | |
Yin et al. | Dual-beam laser-matter interaction at overlap region during multi-laser powder bed fusion manufacturing | |
Depierreux et al. | Laser smoothing and imprint reduction with a foam layer in the multikilojoule regime | |
JP2589033B2 (en) | Laser assisted chemical vapor deposition. | |
WO2012170144A1 (en) | Systems and methods for buffer gas flow stabilization in a laser produced plasma light source | |
JP2014529010A5 (en) | ||
WO2002005969A2 (en) | Apparatus and method for synthesizing films and coatings by focused particle beam deposition | |
Anoop et al. | Direct femtosecond laser ablation of copper with an optical vortex beam | |
JP4496355B2 (en) | Droplet supply method and apparatus | |
Tokarev et al. | Optimization of plasma effect in laser drilling of high aspect ratio microvias | |
JP2015137410A (en) | Reducer and reduction method | |
TW201735086A (en) | Liquid target X-ray source with jet mixing tool | |
Khasanah et al. | Large-area suspended graphene as a laser target to produce an energetic ion beam | |
CN114216605B (en) | Method for enhancing steam back stamping in-situ measurement additive manufacturing through multiple high-energy beams | |
EP1367445B1 (en) | Linear filament array sheet for EUV production | |
RU2516632C1 (en) | Method to produce diamond-like coatings by combined laser action | |
TW202004352A (en) | Apparatus and method for generating an electromagnetic radiation | |
JP5717165B2 (en) | Electron accelerator | |
TW202209933A (en) | Apparatus for and method of accelerating droplets in a droplet generator for an euv source | |
JP2008031529A (en) | Nanoparticle deposition method and nanoparticle deposition apparatus | |
JP2019147995A (en) | Film-attached member and method for producing the same | |
JP2004170353A (en) | Electron beam irradiator and method for irradiation by it | |
KR20200133276A (en) | Texturing of surfaces without bead blasting | |
JP2014086247A (en) | Ultrasonic beam device | |
TWI812635B (en) | Receptacle for capturing material that travels on a material path |