JP3454903B2 - プラズマ反応装置 - Google Patents

プラズマ反応装置

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JP3454903B2 JP02760594A JP2760594A JP3454903B2 JP 3454903 B2 JP3454903 B2 JP 3454903B2 JP 02760594 A JP02760594 A JP 02760594A JP 2760594 A JP2760594 A JP 2760594A JP 3454903 B2 JP3454903 B2 JP 3454903B2
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正豊 渋谷
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0894Processes carried out in the presence of a plasma

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  • Plasma Technology (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、アークプラズマの高
温、活性特性を利用した反応装置に関し、特に酸化ウラ
ン、酸化ジルコニューム、酸化タンタル等の高融点酸化
物の溶融還元に好適なプラズマ反応装置に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来のアークプラズマの高温、活性特性
を利用したプラズマ反応装置としては、図3に示すよう
な装置が用いられていた。この従来のプラズマ反応装置
は、反応炉1の上部に柱状のトーチ電極2と、その外側
に設けられた下方にアークプラズマの通路となる小孔を
有する円筒状のトーチノズル3とからなるプラズマトー
チ4が設けられている。また、反応炉1の下部には中心
部方向に凹状となっていてる円形状の反応電極5が設け
られており、この反応電極5には高融点酸化物である被
還元材料7が載置される。そして、トーチ電極2と反応
電極5とにはその両電極間に直流電圧を印加する直流電
源6が接続されている。このプラズマ反応装置では、反
応電極5の上に被還元材料7を載置し、トーチノズル3
から加熱用プラズマガスとして、例えばアルゴンガスを
その貯蔵ボンベ8から供給パイプ9を介してトーチノズ
ル3に供給される。このとき直流電源6が投入され、ト
ーチ電極2と反応電極5との間に移行形アークプラズマ
が発生し、これによる熱プラズマガス10で被還元材料
7が高温加熱され、溶融還元が行われる。なお、この従
来装置における両電極に帯する直流電源6の極性は、ト
ーチ電極2側を負極性、反応電極5側を正極性にしてい
るが、これはトチー電極2に正極性の電力を印加するこ
とによるトーチ電極2の急速な消耗を回避するために特
定しているものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来技術は、反応電極5上に被還元材料7を載置した
状態でアークプラズマによる熱プラズマで加熱するもの
であり、また、トーチ電極2に負極性、反応電極5に正
極性の直流電圧を印加するものであるため、被還元材料
7への高温加熱が不十分で、かつ反応の高速化が望め
ず、高融点酸化物の溶融還元には適していなかった。本
発明は、このような従来技術の問題を解決するために成
されたもので、高温加熱により高融点酸化物の溶融還元
が容易に行えるようにすると共に、溶融還元の高速化を
行い得るプラズマ反応装置を提供することを目的とする
ものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明によるプラズマ反
応装置は、反応炉の上部に設けられたトーチ電極と、加
熱用プラズマガスおよび被還元材料の供給部とを備えた
プラズマトーチと、前記反応炉の下部に設けられた反応
場としての機能を有する反応電極と、前記トーチ電極と
反応電極との間に熱源でかつ反応場である移行形アーク
プラズマを発生させるための電圧を印加する電源と、前
記反応炉の外周に巻回されたコイルと、このコイルに高
周波電力を供給する交流電源とを備えたものである。ま
た、本発明による他のプラズマ反応装置は、反応炉の上
部に設けられたトーチ電極と、トーチ電極保護用ガス,
加熱用プラズマガスおよび被還元材料の供給部とを備え
たプラズマトーチと、前記反応炉の下部に設けられた反
応場としての機能を有する反応電極と、前記トーチ電極
と反応電極との間に熱源でかつ反応場である移行形アー
クプラズマを発生させるための電圧を印加する電源と、
前記反応炉の外周に巻回されたコイルと、このコイルに
高周波電力を供給する交流電源とを備えたものである。
【0005】
【実施例】本発明による第1の実施例を図1に示す。図
1はプラズマ反応装置の縦断面の模式図で、20は反応
炉、21は反応炉20の上部に設けられた円筒状のトー
チ電極22と、そのトーチ電極22の外側に設けられた
下方が狭まっている円筒状のトーチノズル23とから成
るプラズマトーチであって、円筒状のトーチ電極22の
内径部は、被還元材料7をその貯蔵部24から供給パイ
プ25を介して反応炉20内に供給するための被還元材
料送入口26になっている。また、反応炉20の下部に
は、上方から供給される被還元材料7を溶融還元するた
めの円形状の反応電極27が設けられている。そして、
前記トーチ電極22と反応電極27との間に移行形アー
クプラズマを発生させるための電源28が接続されてい
る。この電源28は、交流電源281(商用交流電源)
と直流電源282とからなり、そのいずれか一方を接続
することもできるし、或いは両電源を同時に印加し直流
に交流を重畳した電源としてもよい。しかし、好ましく
は交流電源を用いることである。また、反応炉20の外
周には、反応炉20内部に高周波熱プラズマを発生させ
るためのコイル29が巻回されており、コイル29の両
端には高周波電源30が接続されている。なお、反応炉
20の上面の適当箇所には、熱プラズマと反応炉20と
の間を熱絶縁するための旋回ガスを供給する送気孔31
が設けられている。
【0006】このプラズマ反応装置では、先ずトーチノ
ズル23に加熱用プラズマガスとして、好ましくはアル
ゴンと水素の混合ガスを、その貯蔵ボンベ32から供給
パイプ33を介して供給すると共に、トーチ電極22と
反応電極27との間に移行形アークプラズマを発生させ
るための電源28を投入し、かつ反応炉20内に高周波
熱プラズマを発生させるコイル29の高周波電源30を
投入する。この両電源の投入により、移行形アークプラ
ズマに高周波熱プラズマが重畳され、その熱プラズマガ
スの高温部34は、図1に示されるように中間部が膨ら
んだ円筒状になる。即ち、熱プラズマガスの高温部領域
が拡大し、均質で安定性のある反応炉となる。この状態
で被還元材料7が、その貯蔵部24から供給パイプ25
を介して反応炉20のトーチノズル23に供給される
と、被還元材料7はトーチノズル23から反応電極27
に向けて落下するが、この過程で高温の熱プラズマによ
って一部溶融還元されながら反応電極27に到達する。
【0007】反応電極27に到達した被還元材料7は、
反応場としての反応電極27上で更に熱プラズマガスに
より溶融還元されるが、反応電極27が負極性になるよ
うにした状態では、反応電極27近傍で水素ガスまたは
水素混合ガスの水素イオンの強い還元作用が有効に作用
し、還元の高速化が図れる。なお、トーチ電極22と反
応電極27との間に印加される電圧は、前述したように
直流電源でもよいが、水素イオンの還元作用を利用する
ことによる還元の高速化を図るうえからは、反応電極2
7が一時的に負極性となる交流電源か直流に交流を重畳
した電源を用いることが好ましい。また、この交流電源
を使用した場合は、移行形アークプラズマが瞬間的に停
止することになるが、高周波熱プラズマは常に発生して
いるため、移行形アークプラズマは安定に縦続発生し、
溶融還元の作用に対する影響は殆ど生じない。
【0008】また、トーチ電極22と反応電極27との
間に印加する直流電源の極性を、従来例で示した極性と
逆の極性とした場合、即ちトーチ電極22を正極性、反
応電極27を負極性とした場合は、通常タングステンに
より形成されたトーチ電極22の消耗が著しく、寿命の
点で問題があり実用的でない。なお、図1に示した実施
例では、トーチ電極22を円筒状とし、その内径部から
被還元材料7を供給するようにしているが、トーチ電極
22を棒状とし、その外側に設けられた加熱用プラズマ
ガスを供給するトーチノズル23から、被還元材料7を
加熱用プラズマガスと一緒に供給するようにしてもよ
い。
【0009】次に、本発明の他の実施例を図2に基づい
て説明する。図2もプラズマ反応装置の縦断面の模式図
であり、図1の実施例と同一部分は同一符号で示してあ
るので、その説明は省略する。図2に示した実施例は、
反応炉20の上部のトーチ電極22の外側にトーチ電極
保護用ガス供給用の下方が狭まった円筒状のノズル35
を設け、そのノズル35の外側に加熱用プラズマガスを
供給する下方が狭まった円筒状のトーチノズル36が設
けられており、これら全体はプラズマトーチ37として
形成されている。従って、加熱用プラズマガスとして例
えば窒素ガスを用いた場合は、タングステンを用いたト
ーチ電極22に悪影響を及ぼし、トーチ電極22の寿命
を短くする問題があるが、トーチ電極保護用のガスとし
て、例えばアルゴンガスをその貯蔵ボンベ38から供給
パイプ39を介して加熱用プラズマガスの内側に供給す
ることにより、トーチ電極22に影響を及ぼす加熱用プ
ラズマガスが使用されたとしても、トーチ電極22は保
護されることになる。なお、このトーチ電極保護用のガ
スも加熱用プラズマガスと混合して、高温の熱プラズマ
ガスとして被還元材料7の溶融還元に作用する。なお、
この図2に示した実施例の場合では、トーチ電極22を
円筒形とし、その内径部から被還元材料7を供給してい
るが、電極付近で被還元材料7の還元がはじまり、電極
付近が酸化性雰囲気になり、トーチ電極22の寿命を短
くする場合がある。この場合はトーチ電極22を棒状と
し、前記した加熱用プラズマガスを供給するトーチノズ
ル36から、被還元材料7を加熱用プラズマガスと一緒
に供給する。
【0010】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、被
還元材料の溶融還元を反応炉の上方から落下する過程で
溶融還元されると共に、反応場としての反応電極上で溶
融還元されるので還元が促進される。また、トーチ電極
と反応電極との間に移行形アークプラズマを発生させる
と共に、反応炉の外周に巻回されたコイルによる高周波
熱プラズマを発生させるものであるため、反応炉内の高
温の熱プラズマは円筒状に膨らみ、高温部領域が拡大
し、均質で安定性のある反応炉を得ることができる。ま
た、プラズマガスとして水素ガスまたは水素混合ガスを
用いた場合において、トーチ電極と反応電極との間に交
流電圧または直流に交流を重畳した電圧を印加すること
により、反応電極が負極性になった際、その反応電極近
傍で水素イオンが生じ、還元作用が促進されるなどの極
めて優れた効果を奏するものである。さらに、電極保護
ガスや被還元材料の加熱用プラズマガス中への供給はト
ーチ電極の長寿命化に効果絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例によるプラズマ反応装置の縦
断面模式図である。
【図2】本発明の他の実施例によるプラズマ反応装置の
縦断面模式図である。
【図3】従来例によるプラズマ反応装置の縦断面模式図
である。
【符号の説明】
1,20 反応炉 2,22 トーチ電極 3,23,36 トーチノズル 4,21,37 プラズマトーチ 5,27 反応電極 6,29 直流電源 7 被還元材料 8,32 加熱用プラズマガスの貯蔵ボンベ 9,33 加熱用プラズマガスの供給パイプ 10 熱プラズマガス 24 被還元材料の貯蔵部 25 被還元材料の供給パイプ 26 被還元材料の送入口 28 電源 30 高周波電源 31 送気孔 34 熱プラズマ高温部 35 トーチ電極保護用ガスのノズル 38 トーチ電極保護用ガスの貯蔵ボンベ 39 トーチ電極保護用ガスの供給パイプ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B01J 19/08 H05H 1/42

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高融点材料を溶融還元するためのプラズ
    マ反応装置において、 反応炉の上部に設けられたトーチ電極と、加熱用プラズ
    マガスおよび被還元材料の供給部とを備えたプラズマト
    ーチと、 前記反応炉の下部に設けられた反応場としての機能を有
    する反応電極と、 前記トーチ電極と反応電極との間に熱源かつ反応場であ
    る移行形アークプラズマを発生させるための電圧を印加
    する電源と、 前記反応炉の外周に巻回されたコイルと、 このコイルに高周波電力を供給する交流電源とを備え移
    行形アークプラズマ中と反応電極を反応場とすることを
    特徴とするプラズマ反応装置。
  2. 【請求項2】 高融点材料を溶融還元するためのプラズ
    マ反応装置において、 反応炉の上部に設けられたトーチ電極と、トーチ電極保
    護用ガス,加熱用プラズマガスおよび被還元材料の供給
    部とを備えたプラズマトーチと、 前記反応炉の下部に設けられた反応場としての機能を有
    する反応電極と、 前記トーチ電極と反応電極との間に熱源かつ反応場であ
    る移行形アークプラズマを発生させるための電圧を印加
    する電源と、 前記反応炉の外周に巻回されたコイルと、 このコイルに高周波電力を供給する交流電源とを備え移
    行形アークプラズマ中と反応電極を反応場とすることを
    特徴とするプラズマ反応装置。
  3. 【請求項3】 前記加熱用プラズマガスとして、水素ガ
    スまたは水素混合ガスを用い、前記トーチ電極と反応電
    極との間に移行形アークプラズマを発生させるための電
    源として、交流電源または交流に直流を重畳した電源を
    用い、反応電極の極性が負極となる瞬時を確保し、水素
    イオンの還元作用を利用したことを特徴とする請求項1
    および2に記載のプラズマ反応装置。
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