JPS6350058B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電気アーク放電の影響を受ける領域
内における粒状物体の処理に係わり、特にこのよ
うな放電中に生成された低温プラズマとこれらプ
ラズマ中に同伴された密集粒子との相互作用に関
する。

プラズマとは、今日の語法では、集合行動をと
る電気的に荷電された粒子の集成体と定義され得
る。このような集成体は、例えば、熱いイオン化
ガス体によつて与えられ、このガス体において
は、陽電荷（イオン）と陰電荷（電子）との数が
通常、必ずというわけではないが、ほぼ等しく、
全体的に電気的中性、即ち「擬似中和状態」にあ
る。

「低温プラズマ」という表現は、ここでは
100000〓以下のイオン温度を有するプラズマを随
意に指すものとする。ここで用いられるアーク放
電は、著しい減圧時に生ずるグロー放電とは区別
されなければならない。本発明の場合、放電は、
ある媒体中において、局部的にかなり変化はある
が、通常ほぼ大気圧あるいはそれ以上の圧力の下
で行なわれ、実際、本発明の好ましい特徴を形成
している。

低温プラズマは、鋼および合金鉄の製造、種々
の合成、ポゾラン物質および水硬セメントの製造
のような多くの工業方法に対して可能な他の処理
手段として、ここ10年間かなり注目の的になつて
いる。

提案されたあらゆる方法は、これらの設計ある
いは配置がどのようなものであろうと、共通して
１つのことを有している。即ち、それら方法はす
べて電流をある種の、あるいは他の種の高温流出
物に転換することに依存しており、上記流出物
は、これらの高い温度およびエンタルピーによつ
て、供給原料と接触し、低温時の場合よりも高い
反応速度を生じる。この意味において、これらす
べての方法は、主に熱によるものとみなされ、生
じる反応は高温度の気体（あるいは部分的にイオ
ン化されている）相と固体との間で行なわれる。
供給原料の温度を、これら原料が解離するのに充
分高く増加させることは、−これは可能ではある
が−、電気エネルギーをあまりにも大量に費すた
め工業的には望ましくない。他方では、低温プラ
ズマを生成する最も一般的な方法は、例えば、放
射状に構成されたアーク放電あるいはRFトーチ
に基づくプラズマトーチ（「プラズマトロン」）
は、極端に高い温度でほんのわずかの量のプラズ
マを発生するにすぎず、工業的に応用することは
できない。

粒状原料を低温プラズマに導入するために、過
去においてさまざまな試みがなされている。例え
ば、プラズマトーチのアーク室に粒子を導入する
ことが試みられたが、これは重大な問題を引き起
した。特に、カソードの汚染は、電子放出の能率
がこのカソードに依存しているため、作業性を低
下させる。また、トーチの狭いチヤネルの腐食、
付着物堆積がしばしばみられる。他方、狭いチヤ
ネル自体に粒子を導入することは、プラズマの生
成を妨害し、かつ導入される粒子の量を著しく制
限する。しかしながら、この粒子導入方法はいわ
ゆる「プラズマ噴霧」として実施され、この場
合、導入される粒子は比較的少量に限られてい
る。

また、プラズマ中における粒子の処理について
も、さらに一般的な問題があり、それらのうち最
も重要なことは次の通りである。

１ アーク放電のプラズマ中への粒子の導入およ
び保持に関する問題。これら問題は、主にプラ
ズマ粒子の熱運動エネルギーが大きいので、こ
れより熱運動エネルギーが小さい周囲の低温ガ
ス粒子が、プラズマ領域に入ると、プラズマ粒
子によつて撥き出されるためである。

２ 粒子の存在の下においてアーク放電を保持す
ることの問題。粒子は大量に存在する時、主と
して種々の電子スキヤベンジング機能により放
電を消失させる性質があり、この電子スキヤベ
ンジング機能とはプラズマ中の電流負荷電子を
捕獲することである。

３ 反応領域に流入した粒子すべてを、それらの
大きさにかかわらず、同様に処理することの問
題。従つて、より大きな粒子がまだ充分に処理
されていない時、より小さな粒子はすでに部分
的に、あるいは充分に蒸発され、電子スキヤベ
ンジング作用を引き起こし、放電の不安定化お
よび衰弱化を生ずる。

４ さらに、電極の材料およびこれら電極の耐熱
材料の選択の問題がある。もし通常行なわれる
ように直流が採用されるならば、カソードは、
移動状態において作動するプラズマトーチ内に
おいて消費されない酸化トリウム処理したタン
グステンのロツドの形を取ることが多い。しか
しながら、このような状況においては、アーク
がアノードに移動され、このアノードは大量の
高価なエネルギーを消費し、その結果激しく冷
却しなければならず、このことは著しいエネル
ギーの損失を意味する。同様に、反応領域を包
囲している耐熱材料は、プラズマ中のできるだ
け多くの粒子と接触するように、少量に保たれ
ている。この結果、耐熱材料はしばしば破損を
起こし、さらに多くの耐熱材料の面は、特に発
散された供給原料によつて汚染された時、電気
的に伝導性となり、短絡を生じる。

５ このような装置は特に厳密な電流および電圧
制御を要求するので、数メガワツトの電力にさ
えスケールアツプした時、それらの直流供給は
大変やつかいになり、かつ高価になる。他方、
プラズマトーチにおける電力の増加は、上記し
たすべての問題をさらに浮き彫りにしている。

上記の問題は当業者によつて充分に認められて
おり、その結果、低温プラズマ技術の工業利用
は、大ざつぱにいつて、２つの異なつたルートに
従つた。

第１のルートは、同伴される供給原料にアーク
放電の体積を利用しておらず、アノードにおいて
アークが衝突する点を主として利用し、この点に
おいて電気アーク炉と殆んど同様であつた。これ
らの主な利点は、非消費電極（即ち、プラズマト
ーチ）の利用およびプラズマ流出物の高運動エネ
ルギーが溶融液を撹伴し、それによりその温度を
分配するという事実にあるといわれている。１つ
あるいはそれ以上のプラズマトーチに基づく種々
のそのような装置、あるいは伝統的な電気アーク
と共に作動するプラズマトーチは文献に述べられ
ており、通常パイロツトプラントレベルで稼動す
る。これら装置のいくつかの場合、固体粒子はア
ーク操作中に導入されるが、このアーク操作によ
るそれら粒子の相互作用は極めて小さなものであ
る。

第２のルートは、生じたプラズマの全体量にお
ける粒子の処理をねらつたものである。この目的
のためには、プラズマを拡張することが要求さ
れ、このことは、その温度および粘度勾配の同時
低下と共にその最初の体積を増加させることを意
味する。この目的のために、２つの全く異なつた
方法が使用されている。これらのうちの第１の方
法は、電気アーク放電を中空回転シリンダの中央
に対称的に配置した時、一定の角速度でシリンダ
全体を満たすまで、アーク放電は、プラズマカラ
ムの周辺が、シリンダ壁に向けて引つ張られ外側
に放射状に拡張する。この原理はダブリユ・ワイ
ツエル（W.Weizel）等により「セオリー・エレ
クトリツシエル・リヒトボーンゲン・ウント・フ
ンケン」（Theorie Elektrischer Lichtbogen
und Funken）、バース（Barth）、（ライプジグ
（Leipzig）、1949）において最初に述べられた。
この原理に基づく多数の装置が組み立てられた
が、この方法に対しては重大な限界がある。これ
ら限界は、主にこのような炉が要求する大きな円
筒形本体の高速の回転、およびプラズマが充分に
拡張されている時にのみプラズマが安定するとい
う事実のためである。しかしながら、回転が行な
われている時、プラズマは、回転している耐熱内
壁と接触し、この内壁を破損する傾向がある。主
にこれらの理由のために、この技術の応用範囲は
限られ、プラズマに同伴される粒子は大量に処理
することはできない。

低温プラズマアーク放電を拡張させる第２の方
法は、1971年に本願の発明者によつて見い出さ
れ、英国特許第1390351号ないし第1390353号に開
示された。この方法の場合、カソードとして作用
するプラズマトーチは、下流の環状アノードにア
ークを放出しながら、垂直に対して小さな角度で
循環路を旋回するように作られた。この意味で
は、切頭円錐領域が旋回アーク放電によつて形成
されていた。英国特許第1201911号に述べられて
いるように、プラズマ噴射の水平拡張についての
同じ発明者の前の研究から引き続き誘導されたこ
の方法は、固体粒子を処理する大量のプラズマの
生成を意図していた。拡張プリセツシブプラズマ
（E.P.P.）として知られているこの方法は、約１
〜2MWで小規模に断続的に実施された時、以前
の方法以上の利点を示したし、また多くの反応を
研究する実験室用プラズマ炉として充分に役立つ
た。しかしながら、この主な欠点はプラズマトー
チの旋回速度が制限されていること、および消費
されるアノードをしばしば取り替える必要のある
ことである。その８年間の開発中に、トーチを旋
回させる種々の方法が試みられたが、傾斜された
プラズマトーチにおいて当然生じる大きな不均衡
慣性力の点からみて、得られた最大角速度は
2000rpmであつたが、安全操作速度は1500rpmで
あると考えられていた。これらの低い速度は、写
真技術によつて確認されているように、主として
一次プラズマ噴射の拡張を非常に限定する原因と
なつていた。この結果、プラズマ噴射は落下粒子
を限定的にかつしばしば散発的に妨害するという
ことのみが存在し、この方法は比較的少量の注入
に限定され、供給原料を均一に分散させることが
できなかつた。

プラズマに対して落下固体を均一に分散させる
望ましい制御の不在は、この技術の主な限界であ
る。上記したように、一次プラズマ噴射の単なる
電力増加は、粒子の反撥に対する抵抗力を弱め、
粒子の拒絶割合を増加させる。これらの現象はさ
らに同じ発明者の最近の研究において確認され、
英国特許出願第45839／76号および28881／77号に
おいて述べられており、ここにおいてEPP技術
は炭鉱廃棄物からポゾラン物質を作るために利用
された。この場合、生成物の均一性の不足はこの
限界を明確にした。しかしながら、溶融する場
合、即ち、一次プラズマ噴射を電気伝導性溶融体
に移転させる場合、EPP方法は、上記したよう
に、第１グループの装置の方法と同様に作用し
た。

工業上の要件に完全に答えてEPP設備をスケ
ールアツプすることは、また困難であることがわ
かる。大きなプラズマトーチは有用であるけれど
も、これらトーチを速い角速度で旋回させること
は、さらに困難である。このようなトーチはま
た、それらのアークがアノードに移動された時、
重大なアブレーシヨン（削耗）を生じがちであ
る。結局、EPP設備はアークを保持するために
複雑な制御部材を要求するけれども、粒子それら
自体の同伴および処理のための工程を適切に制御
すを手段はないといわれている。その結果、これ
ら工程の能率は、プラズマ流出物の大部分のエネ
ルギーが利用されるとした場合ほど高くはない。

さて、本発明によると、離隔された固定電極構
造体間に電気アーク放電を起させ、各電極構造体
の周囲において放電の電力および分布を急速に変
化させて電極間の空間部にプラズマの領域を形成
し、この形成されたプラズマ領域に同伴粒子物体
を導入することからなる低温プラズマにより粒子
物体を処理する方法が提供される。

さらに本発明によると、反応領域を設けるため
に別々に隔離され少くとも１つの電極が通常環状
である一対の固定電極構造体と、反応領域に粒子
物体を導入する手段と、放電を安定保持させるこ
とのできる電極構造体間に速やかに変動する電位
差を印加する電力供給手段と、各環状電極構造体
の周囲に放電配置を急速に循環させる手段とから
なる低温プラズマにより粒子物体を処理する装置
が提供され、これにより拡張したプラズマが反応
領域に保持されるのである。

上記した先行技術の限界を考慮し、さらに基礎
的な研究が本願の発明者によつて開始され、本発
明に到達したのである。本発明は発明者の２つの
最近の観察結果から生じたのであつた。第１に、
旋回アーク放電を生じる電極間領域が同伴された
粒子でほぼ満たされた時、一次アーク放電は、固
体粒子間の曲りくねつた通路を取らざるを得ず、
いくつかの分路に分かれ、このような粒子の存在
の下では最短通路から逸脱した。この現象は、充
分な量の粒子が電極間領域に同伴された時にのみ
観察された。この結果、旋回アークによつて範囲
限定された円錐部分を通過する実効エネルギー流
量が増加され、直径2rを有する円錐部分の断面に
おけるエネルギー流量φは、次の式によつて与え
られる。

φ₁＝エネルギー／自由断面積＝Ｅ／πr² しかしながら、円錐部分が多量の同伴粒子を含
む時、実効エネルギー流量は次の通りになる。

φ₂＝Ｅ／πr²−（粒子の断面積） 従つて、φ₂＞φ₁である。その結果、プラズマ
円錐域中の密集懸濁粒子の存在は、実効エネルギ
ー流量を増加させ、速やかなプラズマ−固体相互
作用をひき起こす。これらの相互作用は純枠に熱
による必要はない。なぜならば実際、下記に示さ
れているように、種々の他の機構が作用するとい
う証拠があるからである。しかしながら、周知の
ように、このような濃密な粒子条件の下では、ア
ークの安定性は著しく減少され、アーク消滅を起
こすこともしばしばある。このことは通常慎重に
平滑にした直流電源が用いられた時でも必ず起こ
る。この理由のために、今まで比較的少量の粒子
しかこのようなアークに導入することができなか
つたのである。しかしながら、もし粒子が電極間
領域に導入される前に荷電されるならば、あるい
は電離が下記のような代わりの手段によつてこの
領域内に保持されるならば、比較的低い電圧でさ
えも放電を保持するのに充分であることがわかつ
た。

本願の発明者によつて為された第２の観察結果
は、このようなプラズマ中における明らかに異例
な固体の作用であつた。例えば、なかんずく、約
300〜500ミクロンの平均直径の石炭粉末および酸
化鉄からなる粒子が不安定な電気アーク放電の領
域を通過する時、常識的な期待に反して、このよ
うな粒子中に例えば直径５〜10ミクロンの小球体
の純度の高いセミスチールがこの粒子内に生成さ
れた。通常、純枠な熱作用は、酸化鉄と石炭の混
合物の還元において起こると思われている。従つ
て、還元は主に明確な段階において酸化鉄を順次
還元し、一酸化炭素の生成を伴なつて進行する。
赤銑鉱から開始した場合、この鉱石は磁鉄鉱、そ
れからウスタイト（westite）になり、最終的に
一定量の炭素を内部に溶解している金属の鉄とな
る。このような拡散制御反応は外部から内側に向
つて進行するはずであり、実際この結果に対する
充分な証拠がある。しかしながら、この場合、粒
子は200ミリ秒以下の時間、電極間領域に存在し、
これら粒子がアークによつて遮断された実際の時
間は、上記時間のほんのわずかな部分であつた。
公知のように、固体炭素と酸化鉄との反応は高温
においてさえも非常に不活発であり、このことの
説明は熱力学的には可能であるが、実際には認め
られていない。他の例外もまた観察され、これら
例外はこのような処理に付された別の原料によつ
て時々起こつた。例えば炭鉱廃棄物を処理して、
この廃棄物基材から炭素含有量のすべてを分離し
たということがしばしば見られた。通常、これら
の異例の現象は、望ましくないプラズマ中におい
て起り、そのため無視されたか、あるいはあまり
予想外であつたのでそれ以上の研究に価値がある
とは考えられなかつた。このことは例えば英国特
許第1390351号に関する上記のEPPタイプの装置
内で鉄鉱を処理した場合にある。それにもかかわ
らず本発明の重要な部分を形成するのは、このよ
うなプラズマの微視的な作用に関するこれらの非
熱的現象を利用する方法および装置である。

本発明は、アークを消滅させることなく比較的
多量の粒子を旋回あるいは循環しているアーク反
応器のプラズマ領域内に同伴し、他方均一な処理
および必要な接触時間を放電条件の独特な制御に
よつて獲得する方法および装置を提供する。

本願発明者によつて研究され、かつ大量の粒子
を連続的に同伴し、均一に処理することのできる
プラズマを供給する際に重要であると考えられる
実用的な要因のうち、次の事項が最も重要である
と認められる。

(a) 非機械的な手段によるアークの旋回。これに
より機械的手段によるよりもずつと大きな回転
速度が得られる。

(b) 印加された電力の急速な変化によるアークの
脈動。これによりプラズマ中に音響衝撃波ある
いは不連続を生じ、プラズマの擬似中性化およ
び熱平衡を局部的に妨止する。

アークの旋回あるいは循環速度は、脈動および
導入された粒子の作用と協働して、望ましい反応
に必要な粒子滞留時間を与えるのに充分なもので
なければならない。いくつかの場合、1000rpmの
低い循環速度を用いることができるが、一般的に
循環速度は、上記のEPP反応器について述べた
値、即ち、英国特許第1390351号において明示さ
れたrpmおよび英国特許第1529526号における
400rpmを超える。好ましい速度はこれらの値か
ら60000rpmまでの範囲、あるいはさらにそれ以
上のものである。

次の一連の事項が前提とされるが、本発明の実
用性はこの理論に正確には依存していない。

(1) プラズマへの電力供給が急速に増加される
と、アークチヤネルの拡大および包囲する大気
の気体温度の急速な増加を生じる。このこと
は、すぐ近くの気体を膨張させ、希薄にさせ、
さらにその気体を前方に圧縮する。

(2) 次にプラズマへの電力供給が急に減少される
と、これによりアークチヤネルが狭くなり、包
囲する大気の温度が低下する。この作用は気体
膨張を停止させ、上記(1)で生じた音響波をいく
ぶん減少させる。

(3) 旋回しているプラズマアークは、音響波が発
達している領域に入ると、このような波によつ
てかなり影響される。従つて、プラズマが圧縮
領域を移動する場合、プラズマは速やかにその
イオン温度と電子温度との平衡（Ti〓Te）に
近づくが、プラズマが希薄領域に入つた場合、
非平衡なプラズマ（Te＞Ti）を生ずる。同伴
された粒子の存在は、新たな不連続を導入する
ことにより、かつすでに存在する強い不連続、
即ち、衝撃波を強化することにより、上記状態
をかなり変更させる。

さらに、プラズマ中のこれらの強い不連続は
「マイクロフイールド」の形成を強化し、このマ
イクロフイールドにおいては非常に高い局部電位
差および他の複合した変動状態の例外的現象が生
じる。これら局部的高位差および複合の例外現象
は、電気的および機械的応力の賦課のような同伴
粒子に対する著しい効果を有し、分裂を助長し、
分極をひき起こし、イオン化を増加し、固体状態
の欠点による相互作用をひき起こすように思われ
る。本質的に熱に関係せず、かつプラズマの微視
的な機構に存在するこの特徴の効果は、以前に観
察されているけれども（デイー・エイ・フランク
−カメネツキ（D.A.Frank−Kamenetskii）：レ
クチヤー・イン・プラズマ・フイジクス
（Lectures in Plasma Physics）；パブ・アトミ
ザツト（Pub.Atomizdat）、モスクワ、1964参
照）、プラズマ中における固体の処理には今まで
に採用されていない。

上記記載はかなり簡略化されているけれども、
基本的な機構を提示しており、この機構により本
発明は、周囲の媒体からその中の本体にエネルギ
ーを速やかに移転させる主な問題を解決してい
る。統計的な見地から、この機構により高拡散勾
配は速やかに再設定される。

電極構造体は固定しているので、これら電極は
回転されず、アークを旋回させる意図において
（下記のように、これら電極は種々の目的のため
に軸方向あるいは半径方向に移動できるけれど
も）、アークを旋回させることは非機械的、ある
いは本質的に電子的および／または電磁的手段に
よつて達成されなければならない。本発明による
装置の１つにおいて、特に例えば6MWまでの低
電力反応器のためのカソードは、反応器内に同軸
状に配置された単一環状電極である。次に一次ア
ーク放電は、カソード構造体内に設けられた１つ
あるいはそれ以上のコイルにより電磁的に、カツ
ードの回りを循環する。特徴として、本発明のす
べての態様においてアークそれ自体は回転されず
（電磁手段が電極内間隙において作用するように
配列される場合はあるけれども）、むしろカソー
ドおよびアノードにおけるアークのアタツチメン
トの先端が動くように作られている。電力が
6MWを越える場合に特に有用な他の装置におい
て、カソード構造は環状配列の隔離プラズマトー
チからなり、このトーチは順次付勢され、一次ア
ークの効果的な旋回を確実にしている。この順次
付勢は、各トーチにおけるアークの消滅を必要と
しているのではなくて、単に電力の低減を目的と
しているのである。

アノード構造体も通常環状形であるが、セグメ
ントからなるアノードの使用は特に好ましい。こ
のアノードによつてセグメントは放射状内側に前
進することができ、使用中のアノードの材料の損
傷を補償し、また電気的手段によるアノード構造
の回りにおける一次アークの循環を促進する。固
体粒子によつて与えられた妨害のために、アーク
はアノードに到達した時、ずつと少ないエネルギ
ーを有しており、それゆえアノードにおいて循環
し易い。これを達成する１つの方法は、各アノー
ドセグメントを単独のサイリスタ（整流器−
SCR）に接続することである。次に、これらの
サイリスタは順次付勢され、望ましい方法でアー
クを循環させる。アノードにおいてアークを循環
させる他の方法は、可変周波数多相発振器を使用
することであり、これによりアノードセグメント
間に取り付けられ、かつ向い合つた対の形で接続
された電磁コイルを付勢する。これらコイルの各
対は１つの相に接続されている。

アノードにおけるアークの制御された循環の顕
著な利点は、一次アーク放電のアタツチメントの
カソードおよびアノードの先端間にアーク循環の
前進あるいは遅延を容易に供給することである。
このことにより一次放電は、やむをえず非直線通
路に従い、その結果通路を延長し、このためプラ
ズマ中に支持された粒子の滞留時間を長くするこ
とになる。

プラズマの旋回および脈動領域を降下する粒子
の効果的な浮力は、滞留時間を延長させるもので
あり、次の主な要因によつている。

(i) 降下通路を延長させ、かつこれにより種々の
抗力とのより大きな相互作用を可能にするアー
クの旋回運動の水平成分。いずれか一方の電極
において独立してアーク循環を前進あるいは遅
延させる能力、並びに円錐構造を変化させる能
力は、ここで重要な役割を演ずる。

(ii) 脈動している衝撃波の効果によつて増強され
た粒子の抗力。この抗力は著しく曲がりくねつ
た通路を作りあげる。

(iii) 密集粒子によるアークの経路を定める水平成
分、および結果として起こる粒子相互の衝突。

(iv) 粒子面上の、あるいは粒子内の静電的、およ
び電磁的相互作用、並びに速やかな気体発生
（降下の初期において）。この気体発生はしばし
ば粒子を崩壊させる。

上記２項の要因、および最初の要因に寄与され
ている非常に広い制限内においてアークを旋回さ
せ、かつ制御する能力は、本発明にとつて独特な
ものであり、原料の処理に優れた均一性を与え
る。

本発明の広範囲な原理は、実際交流アーク放電
に応用できるけれども、直流アークが好ましい。
しかしアーク脈動あるいは循環の目的のために
は、変動あるいは交流成分が基礎の直流に重ねら
れる。交流アークは各サイクルにおいて２界消滅
され、殆んどのサイクルは有効に使用されない。
さらに、交流アークは自己整流する傾向がある。
さらにまた、直流アークの場合、電極に対して失
なわれたエネルギーの約2/3はアノードにおいて
消費され、わずか1/3がカソードにおいて消費さ
れ、この結果、カソードの熱負荷は一層速やかに
避けられる。加えて、アノードにおける閃光直流
アークは、その大部分のエネルギーをアノードス
トリーマに変換し、このストリーマは、環状アノ
ードを有する反応器において、有用なテールフレ
ーム（tail flame）を供給する。このようなスト
リーマは、下記のように、セグメント状のアノー
ドの使用によつて強度および有用性がさらに増加
される。

従つて、本発明の目的のために必要なプラズマ
への好ましい電力供給源は、非平坦化の直流、即
ち、本発明の特徴を形成する速やかに脈動を与え
るように変化された直流である。サイリスタ
（SCR）型整流器の「点火角度制御」によつて得
られるような正弦波形の部分からなる非平坦化直
流供給源は、この目的のために特に望ましい。供
給源の変動は50サイクルから1kHzの範囲内の周
波数を有する。プラズマには電子を連続供給し、
プラズマ自体が減少するのを防止するが、このこ
とはアークの速やかな循環によつて助けられる。
アークから内側に向う拡散のベクトルは分散性で
あるが、外側に向う拡散のベクトルは収束性であ
るため、荷電した物体は、循環しているアークに
よつて限定された円錐領域の内側に集まる傾向に
ある。すべての電子が分散する前に、アークは臨
界速度以上で以前の位置に戻り、「なだれ」現象
により電荷を増加させる。さらに、アークの脈動
によつてひき起こされるプラズマの振動はまたプ
ラズマ自体の保持に役立つ。脈動によつて生成さ
れた音響衝撃波は、反応器の壁から反射され、す
でに述べたようにプラズマをくり返し相互作用す
る。

本発明によつて与えられた制御可能な浮力のた
めに、広範囲の粒子サイズが本発明に従つて反応
器内で成功裡に処理され、かつ広範囲な滞留時間
が達成される。

好ましい粒子サイズの範囲は、直径100〜500ミ
クロンであるが、１〜10ミクロンの細かい粒子お
よび3000ミクロンの荒い粒子も満足に処理され
る。

滞留時間は、回転速度、アノードの進みあるい
は遅れ、および脈動周波数の適切な調節によつて
約10ミリ秒から約１秒までの値で制御され得る。
完結にほんの数ミリ秒を要する反応もあれば、特
にガラス製造のように1/2〜1/4秒の時間を要求す
るものもある。

種々の異なつた形の反応器が利用でき、それら
のすべては本発明の原理に従つているが、特に特
殊なタイプの反応をなし遂げるのにふさわしい。

本発明の第１の好ましい態様によれば、低温プ
ラズマに密集粒子を同伴し、処理する反応器は、
周囲に複数の隔離され、締め付けられたアークプ
ラズマトーチ（移動する形で作動する）から好都
合に構成された上流カソード部材と、複数の放射
状に延びているアノードセグメントから好ましく
構成されている下流環状アノード部材と、プラズ
マ生成ガスをカソード集合体に供給する手段と、
好ましくは部分的に、あるいは全体的に制御可能
なソリツドステート整流器からなる反応器用電源
と、制御可能な所定順序で各カソードに印加され
る電力の独立制御用手段と、すべての協働対にお
いて各電極間の制御された進みあるいは遅れの変
位によつて、カソードおよびアノード集合体間の
切頭円錐の母線に沿つて伝搬される放電中におい
て電力を急速に変化させるような一連の方法で、
各集合体のカソードおよびアノードのそれぞれの
間に一次プラズマ噴射を確立させる手段と、カソ
ード集合体の付近に粒状原料を導入する手段と、
反応器の生成物をさらに処理し、あるいは回収す
る手段とからなつている。この反応器は、粒子を
プラズマ領域に導入する前にこれら粒子を処理す
る手段を含むことができ、さらにこの処理手段は
プラズマ処理された粒子を急冷して、これらの反
応を停止させる手段を有することができる。セグ
メント状のアノードを使用する時には、カソード
として単一の固定プラズマトーチで充分である。

上記の配置によつて、一連の交互の高電力およ
び低電力プラズマ噴射は、装置を開閉および整流
する制御電力において現在利用できる種々のタイ
プのソリツドステート点火手段を用いることによ
つて1kHzまで、あるいはそれ以上の高い周波数
で設けられる。この配置の利点はプラズマのアノ
ード成端を１つのアノードセグメントから次のセ
グメントに置き替える電磁手段を設けることによ
りさらに増加され、主に機械的な移動部材を含ま
ないことにあり、それにもかかわらずアークの整
流は確実にかつ容易に制御し得る。この配置は円
錐形反応領域内に、熱的に非平衡なプラズマおよ
び局部的界磁振動あるいはマイクロ界磁を速やか
に弱める波を作り出し、これらの波は、上記した
ように、同伴された粒子内に大変有利な熱的現象
および非熱的現象を交互にひき起こす。これらの
現象の詳細な機構はまだ充分には理解されていな
いけれども、これらの特徴のいくつかは明らかに
されており、また説明として述べることも可能で
ある。多くの物質、特に非化学量論型の結晶体か
らなる物質は、このようなプラズマ中に同伴され
た時、あたかも周囲のプラズマを通過させるかの
ように「内部からの作用」を示し、且つ非熱的プ
ラズマは、自然な分極の結果として供給原料粒子
の微視的な孔内に形成されることが考えられる。
この現象は、鉱物中に必ず存在する種々の欠陥を
有する広範囲な結晶格子に応用できる。従つて、
このタイプのプラズマは粒子の孔内に殆んど即座
に現われるが、粒子が周囲のプラズマ中において
熱くなる前に、この粒子は外側面に拡散する以前
にかなり長い時間保持され、気体発生の結果、周
囲のプラズマと反応を生ずる。あるいはまた、他
の型の結晶性物質は、プラズマ中に同伴されると
自然の分極によりその結晶内の孔にそれ自身特有
のプラズマを即座に発生させる。従つて、この内
部のプラズマは、一方では酸化鉄の場合のように
イオン化物質の存在の下における極端に速い反
応、あるいは炭鉱廃棄物からの炭素の同様に速か
な完全な分離の原因となり、他方ではプラズマを
系に追加導入することにより得られた密集粒子の
存在下における放電の保持を可能にする。

この現象が現われない場合、あるいはほんのわ
ずかな程度しか現われない場合、本発明の方法
は、反応器のプラズマ領域内への導入前における
粒子の静電荷電を当てにすることになり、電子ス
キヤベンジングを効果的に減少させ、放電を保持
する。上記場合のいずれか一方において、本発明
は、プラズマが粒子を通過するのを収斂させる目
的でプラズマ中同伴される粒子を密集状態で使用
する。この作用はプラズマトーチ内における一次
アークの収斂に匹敵し、同様に動的安定化のため
の確実な対策を提供している。上記条件の下で、
プラズマ中に同伴された粒子はしばしば激しくガ
ス発生を起こし、ここにおいて微視的な衝撃波が
生成される。これら衝撃波は粒子および周囲のプ
ラズマの局所的な乱流および全体にわたる渦巻き
運動に重ねられる。これら現象の相互作用は供給
原料に特有の均一な処理を加え、一方各一次噴射
の脈動の程度およびカソードとアノードとの間の
制御された遅れ、あるいは進みによつて生成され
る螺旋勾配は、反応領域中における粒子の滞留時
間を決定する。

ここに述べられた本発明の態様は大規模な工業
設備に対し特に充分にスケールアツプすることが
可能であり、この場合、いくつかのプラズマトー
チ内に全プラズマ電力を濃縮させることなしに、
好都合に分布した多数のプラズマトーチが用いら
れ、その結果、展開されたプラズマ中において粒
子を処理する方法を利用する場合、設計上の拘束
はかなり緩和される。多数のプラズマトーチが使
用される場合、これらトーチは１つあるいはそれ
以上の同心円周に沿つて等しく隔離された形で、
あるいは好ましくは別の対称的な配置で都合よく
並べられる。カソード設計の問題のこのような解
決は、プラズマトーチ間の入口を通して、あるい
はトーチ間の円周に沿つて粒状供給原料を好都合
に導入させることを可能にし、上記円周上にはト
ーチが隔離されている。しかしながら、少量の鉱
物試料を処理することがあらかじめ要求される場
合もしばしばあり、このような目的のためには本
発明のもう１つの具体例が実施される。

本発明のこの第２の好ましい態様によれば、プ
ラズマ反応器上流のカソードは、環状あるいは中
空円筒形の消費されず、かつ電子放出端部におけ
る縁までとがらせた電極から構成されている。こ
のカソードは、外側に傾斜された環状通路を形成
している周縁がくびれた構造のアーク室内に設け
られている。中空カソードの中心部はアークを電
磁的に旋回させる電気絶縁手段を保有し、この手
段は、界磁を変化させることができ、かつカソー
ドのリムに沿つてアークの着弧点（以下アタツチ
メントともいう）を移動させることのできる円錐
曲線回転体状電磁石から成つている。このタイプ
の中空プラズマトーチ配置には、前の実施態様の
プラズマトーチのように、プラズマ生成ガスが供
給される。このタイプのカソードは、本発明の第
１の実施態様におけるのとほぼ同じタイプのアノ
ード集合体に向けて一次アークを放出する。ある
いはまた、このカソードには、アノードのセグメ
ント間に配置された１連の脈動界磁電磁石が設け
られ、アノードにおいて独立の制御された循環を
達成し、またすでに述べた非常に有利な渦巻き効
果をひき起こす。それゆえ、これは「滑動カソー
ド」と呼ばれている。このタイプの滑動アークカ
ソードは大きな作用面を有するため、カソード冷
却水の要求は低く、容易に満足される。

本発明のいくつかの特別な実施態様は、添付図
面に従つて実施例として次に述べられる。

第１図は本発明による多数トーチプラズマ反応
器の１つの形を例示している。この反応器におい
て、必要な気体、電流および冷却水の接続部を有
するプラズマトーチ１は、垂線に対して傾斜して
取り付けられ、等しく隔離され、かつプラズマソ
ースヘツド２内に周囲から係止されている。単位
構造をとつているため、外枠３および耐火物４を
有するヘツドセクシヨン２の全体を容易に取りは
ずすことができる。このヘツド２はまた、プラズ
マトーチ１と同じ周辺上に供給原料注入用の傾斜
状通路を含むことができるが、この断面図には示
されておらず、他の供給原料通路５が別の周辺上
に設けられている。これらの通路は静電荷電プロ
ーブ（図示せず）を通過して供給原料用分散器
（図示せず）まで延びている。ヘツドセクシヨン
３のすぐ下には反応室６がある。破線７は、プラ
ズマトーチから各アノード部材８の中心点の方向
に発する一次プラズマ噴射の方向を示している。
プラズマトーチ１およびこれに対応するアノード
部材８は、ソリツドステート整流器９のような制
御可能な電力供給源に接続されており、この整流
器の１つだけが、理解を助けるため図示されてい
る。コイル１０は一次プラズマ噴射のアノード基
部のアタツチメントを前進あるいは遅延させるパ
ルスを送るものであり、これらコイルはアノード
部材８の間に位置され、全アノード部材１１のた
めの電力源および冷却手段は、明療化のために省
略されている。コイル群か形成するアノードセク
シヨン１０の下には、短かい「テールフレーム」
セクシヨン１２が延びており、このセクシヨン１
２は多数のアノードの輪によつて形成されてお
り、そのうちの１つが１３の番号で示されてい
る。反応器の使用目的に従つて、第３図および第
４図に示されているように、さらに種々の単位装
置を含むことが可能である。もし第１図に示され
ている反応器で溶融金属およびスラグを生成しよ
うとするならば、第４図において番号４１で表わ
されるような第２の、あるいは底部のアノードが
設けられ、アノードセクシヨン１０は底部アノー
ドよりも下い電位に保持される。あるいは、単な
る融解あるいは合金製造を要求する場合、アノー
ドセクシヨン１０は除去され、回転および脈動し
ているプラズマの円錐部分が、溶融プール上に直
接衝突するように作られる。

第２Ａ図は本発明による低電力反応器用の滑動
カソード配置を例示している。電流導線１５を有
する中空の消耗されないカソード１４は、プラズ
マ生成室１６内の中央に取り付けられ、この室１
６は、冷却管１８を有する水冷外部部材１７と中
央管２０を通つて導入される水によつて同様に冷
却される内部部材１９とによつて形成されてい
る。これら外部内部材の両者はカソード１４から
絶縁されており、環状絶縁体２１はまた、管２２
を通つて導入されるプラズマ生成ガスのために渦
巻き状の通路を提供する。アークのカソードスポ
ツトアタツチメント２３は、内部部材１９の内側
に取り付けられたコイル２４によつてひき起こさ
れた回転フイールドに応じて循環するように作ら
れている。

コイル２４は、回転フイールドのフイールド強
度を改良させるために変圧器スチール積層コアを
有するのが好ましい。

第２Ｂ図に示された他の構成の場合、「滑動」
カソードのリムは電磁石の間隙内に設けられてい
る。中空カソード本体１４の内側に取り付けら
れ、且つ冷却水領域２６によつて包囲されている
コア２５の回りの内部電磁コイル２４はフイール
ドを形成し、このフイールド内において磁力線が
環状間隙２７において集中され、この間隙２７に
はカソードの先端２８が入り込んでいる。この配
置はカソードのリムにおいて非常に効果的なアー
ク循環を提供し、また電磁石による電力消費も非
常に少ない。

第２Ｃ図には、カソード１４の水冷本体内に同
様に取り付けられたアークを回転させるコイル２
４を用いて簡単に構成された滑動カソード構造が
示されている。セラミツク絶縁渦巻き２１は、カ
ソードと外側壁２９との間に流れるガス流に回転
を与える。この簡単な配置は、カソードのリムの
回りのアークの循環による抗力から単独で誘導さ
れるほんの弱いアーク収縮を提供する。

第３図は、炭素含有廃棄物からエネルギーを回
収するのにふさわしい本発明による反応器を図式
により示している。本発明のこの態様は、多くの
工業分野において利用でき、この態様における供
給原料の処理は、反応器により「飛行中に」達成
され得る。このような利用は、とりわけ金属酸化
物の部分的な、選択的な、あるいは完全な還元；
種々の炭素含有廃物、例えば炭鉱廃物からの多量
のエネルギーの回収；および種々の反応の完遂、
特にアセチレンのような吸熱合成を含み、この場
合、生成物は急冷および反応領域からの速やかな
取り出しを要求する。第３図のタイプの反応器の
場合、供給原料分散器３０は、静電荷電プローグ
３１を経て単位プラズマヘツド２に接続されてお
り、このヘツド２にはまた、プラズマ生成ガス、
冷却水、およびプラズマトーチのカソードへの電
源が供給されている。プラズマヘツド２の下流に
は、反応室６およびアノード部材セクシヨン１１
がある。もし例えば、反応器が炭鉱廃物からエネ
ルギーを回収するために使用されるならば、燃焼
室３３はアノードセクシヨン１１のすぐ下に設け
られ、このセクシヨン１１には制御された量の空
気が３４において注入され、反応器６において炭
鉱廃物から分離された炭素を燃焼させる。側管３
５は、蒸気生成および電気発生等の次の用途のた
めに、生じた熱ガスを排出し、一方固体残分は冷
却室３６を通つて集収器３７に集められ、上記残
分はポゾラン性をかなり獲得し、活性化されて広
範囲の水硬セメントを生成するものである。この
特別な実施例において、少量のセミスチールは鉄
含有廃物から生成され、またこれらは電磁分離に
より冷却された粉末物質から同時に回収される。
低級オイルシエールを処理する時にも同様の方法
が採用される。

基本的には同じタイプの同伴粒子プラズマ反応
器が、また広範囲のポゾランおよび水硬セメント
を製造するために使用され、この時望ましい冷却
手段が設けられる。同様な反応器が鉄鉱石および
濃縮物の直接還元のために、小球形状化する必要
なしに、また利用される。この場合、多数アノー
ド部材１１の下に溶融金属およびスラグの集収器
が設けられ、且つそれぞれの高さで、これら溶融
金属およびスラグの２つの生成物を取り出すこと
により細かい金属構造を生成するか、あるいは液
体セミスチールを生成することが可能である。さ
らに他の変形の場合、本発明による１つのプラズ
マ反応器において炭鉱廃物のような安価で炭素の
豊富な廃物から高度に活性な還元ガスを生成し、
この還元ガスを殆んどの現存の設備において、あ
るいは小球形状にする必要がない場合、本発明の
別のプラズマ反応器において、直接還元するため
に使用することが可能である。

第４図は、セミスチールあるいは鉄合金のバツ
チ製造、スチールダストからの金属の回収、およ
び同様な冶金操作に特にふさわしい傾斜可能な反
応器を図示している。本発明のこの変形の場合、
反応器６を包含している外枠３８は４分円体３９
内に吊持され、この円体３９は水圧ピストンによ
り傾斜され、流出口４０を通してその内容物をあ
けることができる。この場合、電流接続部１５を
有するプラズマヘツド２から生じるプラズマ噴射
は、接続部４２を有する低部グラフアイト電極４
１の方向に放出され、この電極４１の上方に溶融
金属４８およびスラグ４４の層が蓄積される。

本発明が反応器の底で材料を溶融することに応
用される場合、プラズマにおける同伴粒子含有物
は、滲炭剤、合金成分、あるいは溶融成分のよう
な必要な添加剤と共に供給される。

アノードにおいて放電の制御された循環を達成
するために、セグメントに分離したアノード（第
１図に示されているように）の付勢を制御する好
ましい手段が、第５図および第６図に例示されて
いる。

第５図は、アノード部材のセグメントにおいて
順次にアノードアークアタツチメントを旋回させ
る電気／電子手段を図示している。アノードの
各々のセグメントは供給電流を順次受け、アノー
ドセグメントにおけるアークアタツチメントを旋
回させる。アークの安定性が非常に満足なもので
ある場合には、１群の隣接するセグメントを付勢
した状態に保持することもまた可能である。さら
に、多数のプラズマトーチを使用しているこのタ
イプの大きな設備においては、上記の方法で多数
のアークを旋回させることもまた可能である。こ
のタイプの旋回を達成する従来の方法は第５図に
示されており、ここでは（６つのアノードセグメ
ント８に対して）６つのSCR装置９が、それら
のアノード端子側においてプラズマ電力供給源の
共通のアノード端子５０に接続され、且つそれら
のカソード端子側において各々のアノードセグメ
ント８に接続されている。各SCRのゲート端子
は放電発生回路５１に接続され、また強制整流回
路５２は、各SCRのアノードおよびカソードを
横切つて接続されている。操作中、各SCR９の
連続放電は、望ましい強度および持続時間の小パ
ルスをゲート端子に当てることにより成し遂げら
れ、装置が伝導状態になる。この作用は放電発生
回路５１によつて成し遂げられる。他方、各伝導
SCRのスイツチオフは、強制整流回路５２によ
つて与えられる強制整流方法、例えばＣ級強制整
流によつて行なわれる。

上記（第５図）したように、旋回するアークア
タツチメントの電気／電子制御にもかかわらず、
本発明はまた、アノードアークアタツチメントの
制御された周囲の配置変更に基づく他の電磁旋回
システムを提供する。本発明のこの態様は第６図
に示されている。電磁コイル部材はアノードの面
に、あるいはそれより幾分上方に対称的に配置さ
れ、このアノードのセグメント（明療化のために
図示せず）はコイル間の空間を占めている。積層
コア５３の６つの放射状に配置されたコイル１０
（この場合、アノードセグメントの数は６つ）の
それぞれは、積層外側コアリング５４内に配置さ
れる。向い合うコイルは組になつて接続され、こ
れらコイルは各フイールドが累積的になるように
巻かれている。コイルの各対は、100Hz〜5kHzの
周波数範囲内で好ましく作用する可変周波数多相
供給源（VFPS）の各相φ₁，φ₂に接続されてい
る。３相供給源は図示されており、これは６つの
アノードセグメントに対応している。このような
供給源は、上記の方法で接続される時、図面の面
において磁界に対して３つの主要な成分を生成す
る。供給源の極性が変更される時、これらフイー
ルドの合成運動は回転するようにみえる。従つ
て、カソード（例えばプラズマトーチ）およびア
ノードセグメント間に衝突したアークは、このフ
イールドによつて力を受ける。この結果、アーク
はアノード部材を横切り、アタツチメントのその
点をセグメントからセグメントへ周囲に移動させ
る。VFPS供給源の周波数を変えることにより、
アノードアークアタツチメントの旋回速度は非常
に正確に制御される。

本発明の上記特徴は、アークを包囲するコイル
の使用のような他のアーク旋回手段に勝り、多く
の利点を提供する。第１に、本発明によるアーク
アタツチメントを旋回させるのに必要なエネルギ
ーの量はほんのわずかな量にすぎず、第２に、旋
回アークは、力学的に安定な平衡状態で旋回させ
る周波数に常に確実に固定されている。

アークを旋回させる上記方法は、（第２Ａ図、
第２Ｂ図、および第２Ｃ図に示されているよう
に）滑動カソードにも応用され得る。例えば、
VFPSのかわりに、所定の順序でコイルを付勢す
るようにデイジタル的に制御されたサイリスタ電
力供給源が使用される。このような配置は特に大
規模な設備に適合可能であり、この場合、別々の
プラズマトーチ（第１図参照）から発生する多数
のアークが正確に循環される。なお滑動カソード
に応用する場合は外側の積層リング５４を、コア
５３上にコイル１０を設けた内側の移層コアによ
つて置換える。このコアはカソード１４の滑動リ
ムに向かつて外側に指向する。

第７図の線図は、代表的な反応器の主要構成要
素の一般的な配置を示している。反応器は特別な
応用に従つて変更するものである。例えば、供給
原料調整器５６は、粉砕機により鉱石濃縮物を粉
砕し、混合することを含み、あるいは水硬セメン
ト製造の場合、石灰岩増量物と炭鉱廃物を混合す
ることを含む。供給原料分配器３０の役割は、旋
回プラズマによつて形成された切頭円錐領域の上
方部付近に一定量の供給原料を導入することであ
り、この導入の間、静電荷電器３１が使用され、
供給原料粒子を有利に荷電する。カソード部材２
は、５７においてその主要なプラズマ電力供給お
よびアルゴンのような小量の不活性ガス５８を受
けて一次プラズマアークを形成し、さらに５９に
おいて補助電力供給を受けてカソードアークアタ
ツチメントを旋回させる。さらに１つのカソード
あるいは複数のカソードは、通常高純度脱イオン
化水によつて冷却され、この脱イオン化水は、設
けられた冷却水モジユール６０内の通常の水でも
つて熱交換器中で順次冷却される。このモジユー
ルはまたアノード部材１１も冷却する。この装置
の電気供給源は、カソードとアノードとの間に単
一アークあるいは複数のアークを付勢する主要プ
ラズマ電力供給源６１、および中央コントロール
６３、カソードおよびアノード回転機構６４およ
び６５（上記のように）、および「パルセーター」
６６のための独立電源を提供する補助電力供給源
６２から成つている。この装置はSCRの点火
（フアイヤリング）角度を前進させ、あるいは遅
延させ、これに従つてプラズマ電力供給源におけ
るSCRに対する電力を減少あるいは増加させる。
電力の低下および低下電力の持続時間、即ちパル
ス時間対パルス間のスペース時間の比は制御さ
れ、これにより必要な強力な不連続を音響波中に
生成する。アノード室（即ちアノード集合体）１
１の下方において、自由落下室６８の上部６７の
内部には、補助ガスおよび（または）他の物質を
６９において注入する手段を備えている。この配
置は、例えば水硬セメント製造中炭鉱廃物の炭素
および水素を能率的に燃やすために、あるいは一
般にアーク室流出物の化学電位を変化する必要が
ある時に、あるいは特殊な反応を行なうために、
あるいは例えば吸熱反応を開始させることによつ
て、このような流出物の温度を下げるために利用
される。

非気体物質（液体および固体）が自由落下室６
８（ここでこれらの非気体物質が、急冷および分
離のような処理をさらに受ける）の下物部７０に
送られている間に、いくらかの同伴微粒子を含む
排出気体は、７１で熱交換され、必要に応じてサ
イクロン７２によつてダストが除去され、放出さ
れる前に供給原料を５６において予熱するために
部分的に、あるいは完全に使用される。

第７図は一次アークを発生させる手段を示して
いない。この一次アーク発生は、この技術分野に
おいて公知のように、高周波数放電あるいは他の
導電通路の供給の助けによりパイロツトアークを
設けるような標準的な手段によつて成し遂げられ
る。

第８図は２つの変形を示しており、これらによ
つて鉄鉱石の還元が成し遂げられる。接尾辞ａお
よびｂを有する同じ数字が２つの反応器Ａおよび
Ｂにおいて同じ部材を指している。第１の変形に
おいては、図面の右側に示されている単一プラズ
マ反応器（反応器Ａ）が利用される。鉱石濃縮物
および石炭のような還元体が５６ａにおいて完全
に混合され、分配器３０ａを通りアーク室６ａに
分配される。供給原料は、旋回および脈動してい
るプラズマと共にアーク室を通過し、アノードの
間隙およびそのすぐ下の「テールフレーム」室６
８ａを通り落下し、この室６８ａの下方の６９ａ
において、この原料は急冷される。７０ａに現わ
れた生成物はほぼ完全に金属化された粒状セミス
チールであり、このセミスチールは軽圧搾および
接着しているスラグからの電磁的分離を要するに
すぎない。生じるセミスチールの炭素含有量は操
作上のパラメーターを変えることにより広範囲に
調節される。７８ａにおける一部の廃物は、供給
原料を直接予熱し、いくらかの使用済みガスを再
炭化するために便利に利用される。この配置の場
合、石炭の灰含有量は必然的に全体的な負担を増
加させるので、必要なエネルギーの量は次の第２
の変形の場合より比較的高い。

第８図にまた示されている第２の変形によれ
ば、反応器ＡおよびＢの両方が用いられる。反応
器Ａには鉱石濃縮物のみが供給され、他方反応器
Ｂには広範囲な炭素含有廃物および（または）低
級燃料、例えば炭鉱廃物が供給される。反応器Ｂ
の主な役割は反応器Ａに高度に反応性に富んだ還
元体を供給することである。この場合、第８図の
左側全体はガス化プラントを表わし、還元設備を
要する他の「直接還元」工程に接続して使用され
る。反応器Ｂにおいて、炭鉱廃物は分散器３０ｂ
から旋回および脈動しているプラズマ領域へ分配
され、この領域では、粒子がアーク室６ｂに滞留
している間に、炭素成分が非炭素含有鉱物原料か
ら速やかに放出されると共に反応器Ａからの部分
的に酸化された廃物と反応され、この酸化廃物は
ライン７７を通り、反応器Ｂの自由落下室６８ｂ
の上方領域６７ｂに供給される。反応器Ｂからの
再増炭化されたガスは、熱交換器７８ｂにおいて
好適に冷却され、鉱石濃縮物と別々に、あるいは
一緒に反応器Ａに導入される。この意味におい
て、セミスチールを製造する反応器Ａには、充分
に再増炭化され且つ高度に反応性のある還元体が
連続的に供給される。この還元体は一酸化炭素ガ
ス中における高度に反応性のある炭素粒子の極端
に細かい浮遊物から本質的に構成されている。ま
た少量の不飽和炭化化水素、水素、および種々の
励起しイオン化した物質も存在する。さらに特徴
として、本発明によるこの還元体混合物は、供給
原料に大量に存在する不用（脈石）成分を含んで
いない。

価値のあるポゾランタイプの水硬セメントの原
料として、７０ｂにおいて反応器Ｂから送られた
固体を利用することもまた本発明のこの変形の範
囲に入る。この目的のため、これら固体は熱風の
吹き付けにより酸化されて残留炭素を除去し、そ
れから速やかに急冷される。得られた固体は優れ
たポゾラン性を示し、公知の技術によつて活性化
され、広範囲のポゾランセメントを生じる。セメ
ントを製造するためには、石灰岩が５６ｂにおけ
る供給原料調整工程に加えられる。

「並んだ」２つのプラズマ反応器（第８図参
照）を使用する第２の変形はまた、種々の成分の
混入した鉱石縮合物の選択的な還元を必要とする
場合、特に有用である。このタイプの工程は、
Cr：Feの比の低い低級クロム鉄鉱石を処理する
場合に充分に例示される。このような鉱石はかな
り一般的であるしこれら鉱石は、例えば北アメリ
カおよびグリーンランドに存在する）。しかしな
がら、これらの利用は従来非経済的であると考え
られていた。本発明のこの態様によると、このよ
うな鉱石濃縮物は、非常に低いCr：Feの比とす
るため直接溶融される時、第１に高速度で反応器
Ａ（ここには反応器Ｂによつて還元体が供給され
ている）を通過し、おだやかな還元電位のみを保
持し、この電位は鉄を選択的に還元する。得られ
た鉄は通常の方法（例えば粉砕および電磁的分
離）により除去され、望ましいCr：Feの比の残
留スラグは、今度は強烈な還元条件の下で再び溶
融され、亜クロム酸塩および残留酸化鉄を還元す
る。好都合なことに、この還元処理は、第４図に
示された配置を使用して行なわれる。

実施例 １ 単一反応器におけるセミスチールの製造。

95.8％の磁鉄鉱および4.2％の主にシリカ含有
の脈石を含むタコナイト鉱石濃縮物が使用され
た。供給原料は、60％の上記濃縮物、1.2％の石
灰岩、および38.8％の粉コークスを採取し、これ
らを緊密に混合し、300ミクロン以下に粉砕する
ことにより調製された。これらの供給原料は自重
により毎秒19ｇの速度で反応器の旋回および脈動
円錐領域の上方部分に供給された。この実験用反
応器は１つのプラズマトーチとセグメント式アノ
ードを採用し、このトーチは毎時45立方フイート
のアルゴンが供給された。この反応器は最大電力
200kWで循環するパルセーターを操作し、プラ
ズマに対し各サイクルにおいて最大電力で16ミリ
秒、次に120kWで４ミリ秒間、平均で184kWで
処理した。約26cmの長さのアークを、第６図に示
された手段により30000rpmの速度でアノード環
において旋回させた。反応器からの固体生成物
は、軽い粉砕のみにより容易に分離された。スチ
ール片は電磁的に集められ、約0.3％の炭素を含
む、ほぼ充分に金属化したセミスチールを生じ、
このものは少量のパーライトを含む特徴的な優れ
たアルフアフエライト構造を示した。気体廃物は
供給原料を予熱するために利用された。

実施例 ２ ２つの反応器、および工場において石炭から分
離された炭鉱廃物を使用するセミスチールの製
造。

93.8％の磁鉄鉱および6.2％の主にシリカ含有
の脈石を含むタコナイト鉱石濃縮物が使用され、
高品質のセミスチールを製造した。反応器Ａ（第
８図参照）用供給原料は２％の石灰岩添加物を含
む上記鉱石から成り、混合され、350ミクロン以
下に粉砕された。この原料は反応器Ｂからの一部
の排気により直接予熱された後、毎秒134ｇの速
度でプラズマ円錐領域の上方部に導入された。反
応器Ｂからの排気の大部分もまた反応器Ａのプラ
ズマ室に導入された。実験用反応器Ａは第２Ａ図
に示されているような滑動カソードタイプのプラ
ズマ源を採用し、この反応器Ａには第５図に示さ
れているようなローター配列が与えられた。カソ
ードおよびアノードローターの速度は共に約
10000rpmに保持され、アノードがカソードを誘
導した。反応器Ａにおけるプラズマに対する平均
電圧は116kWであり、パルセーターは120kWで
18ミリ秒、その後80kWで２ミリ秒のサイクルに
セツトされた。反応器Ｂには、分離工場からの廃
物れきせい炭が供給され、この石炭は23％の炭
素、1.1％の水分、0.9％のイオウ、および67.5％
の灰から成つている。この廃物の発熱量は１ポン
ド重量当り約4000Btu（英国熱単位）（2220Kcal／
Kg）であつた。８％の石灰岩がこの廃物に加えら
れ、生じた混合物は250ミクロン以下に粉砕され、
毎秒200グラムの速度で反応器Ｂに供給された。
この反応器におけるプラズマに対する平均電力は
200kWであつた。反応器には毎時65立方フイー
ト（1.82m³）の速度でアルゴンが供給され、この
パルセーターは230kWで12ミリ秒、その後
130kWで５ミリ秒のサイクルにセツトされた。
反応器Ｂは第２Ａ図に示されるような滑走カソー
ドプラズマ源および第６図に例示されているよう
なアノードを有する。旋回は40000rpmに保持さ
れた。反応器Ａからの固体生成物は急水冷され、
粉砕された。これにより付着していたスラグは容
易にセミスチール粒子から分離された。このセミ
スチールは約0.6％の炭素を有していた。反応器
Ａからの気体生成物は、燃焼するため予熱された
空気と混合され、反応室Ｂの自由落下室の下流で
使用され、排出固体中の残留炭素を燃やした。最
後にこれらの生成物は水冷され、粒状ポゾラン生
成物を得た。この実施例は、エネルギーの回収お
よび炭素含有廃物の完全な利用により、高質セミ
スチールの製造において電気エネルギーをかなり
節約している。

実施例 ３ 炭鉱廃物からの高ポゾラン性物質の製造。

分離工場からの粗粒状の廃物れきせい炭の形の
炭鉱廃物がこの実施例において使用され、同時に
エネルギーを回収して高ポゾラン性生成物を得
た。上記原料の炭鉱廃物の分析値は、炭素32.30
％、灰56.40％、イオウ1.60％、および水分0.90％
であつた。さらに上記廃物は43.20％の強熱減量
（LOI）および5740Btu／lb（3190kcal／Kg）の発
熱量を示した。灰の元素分析値は、全廃物に対す
るパーセンテージにおいて、Si14.59、Al2.72、
Fe2.74、Ti0.01、Ca0.01、Mg0.01、K0.36、およ
びNa0.13を示した。上記炭鉱廃物には25％の石
灰岩が加えられ、この混合物は200ミクロン以下
に粉砕され、毎秒280ｇの速度で、第３図に図示
されているのと同様なプラズマ反応器に分散され
た。この反応器は、第２Ａ図に示されているよう
な滑動カソードタイプのプラズマ源、および第１
図に示されているようなセグメント式アノードを
採用し、第６図に示されているようなロータータ
イプである。ローター速度は50000rpmに保持さ
れ、パルセーターは12ミリ秒間最大の270kW、
次に４ミリ秒間200kW、プラズマに対する平均
電力が252kWとなるようにセツトされた。粒子
は、旋回プラズマ円錐領域およびアノードのすぐ
下のテールフレーム領域を通過した後、圧縮空気
により予熱された自由落下室の上方部に注ぎ込ま
れ、理論量の約130％の酸素と反応させた。粒子
は自由落下室の全長を横切つた後、急水冷され
る。乾燥され且つ粉砕された生成物は、とりわけ
Ｘ線回折図において充分にガラス化された構造を
示す著しいポゾラン性を表わした。40％置換によ
るリー（Lea）ポゾラン性テストは、18℃で硬化
された時36.4MN（メガニユートン）／m²の圧縮
強度、28日後には48.2MN／m²の圧縮強度を示し
た。生じた気体流出物は1380℃の平均温度を有
し、適宜利用された。特徴として、上記テストに
おいて高旋回速度が3000rpmまで、低下しパルセ
ーターが停止された時、得られた生成物中のポゾ
ラン性は著しく減じられる。

実施例 ４ クロム鉄鉱石の改良 この実施例においては、Cr：Feの比が0.99と
低いクロム鉄鉱石がプラズマ反応器の単一通過に
よつて選択的に還元され、Cr：Feの比が3.5に引
き上げられた。クロム鉄鉱石の分析値は、CrO₃
が34.48％、全鉄量が24.14％、Al₂O₃が24.03％、
MgOが6.20％、SiO₂が0.81％、TiO₂が0.46％、
MnOが0.29％、V₂O₅が0.26％、K₂Oが0.15％、
Na₂Oが0.07％、およびP₂O₅が0.09％であつた。
5.2％のグラフアイトの粉末が加えられ、得られ
た混合物が200ミクロン以下に粉砕され、実施例
１と同じ速度でプラズマ反応器に分配され、且つ
実施例１と同じ操作パラメーターに保持された。
生成物は集められ、軽くハンマーミルで粉砕さ
れ、電磁的に分離された18％の鉄粒子を取り出さ
れた。次に、残留固体が、第４図に示されたタイ
プのプラズマ反応器内において単独でバツチ溶融
され、スラグ中に5.6％のCr₂O₃を保持し、3.5の
Cr：Fe比を生じた。

本発明の利点は次のごとくである。

本発明の反応器は比較的小体積で比較的大出力
であるので、資本費が低く、かつ本発明は大規模
な装置にも、比較的小出力の反応器にも同様に適
用できる。本発明の反応器は比較的小型であるの
で、短時間で始動することができる。

またこの反応器は構造用材料が経済的である。
すなわち高価な特殊な耐火材料を使用しない。こ
れはプラズマが反応室の壁に衝突しないためであ
る。潜在的な侵食性原料も接触しない。従つて周
知のように、ガラス製造において組成物は反応が
終了するまで極めて侵食性であるが、本発明の反
応器においては全くプラズマに同伴された粒子内
で反応がおきる。また電極材料も経済的である。
焼成カーボンまたはゼーダーベルグ電極とは異な
つて、小型な鉛筆状タングステンカソードを
25MW出力のプラズマに使用することができる。
アノードセグメントは作動中に摩損を補償するよ
うに放射方向に内側に進めることができる。

この反応器は組立て式に容易に構成することが
できるたとえば、原料予熱器、プラズマヘツド、
反応室、アノードセクシヨン、燃焼室、冷却室、
生成物捕集器および廃熱ボイラなどの組立部品は
使用および置換などのためにはずすことができ、
また種々な処理または生成物に適応するように装
置に加えたり脱したりすることができる。

粒子の加熱速度および冷却速度は顕著に迅速で
あつて、これは以前に実施できなかつた処理を完
遂することができ、生成物を得ることができる。

この反応器は実質的に単純な装置であり、これ
は種々な固体原料およびガスを使用して種々な反
応を容易に行なうことができ、これによつて種々
な生成物を得ることができる。この反応器は経済
的変化なしに多くの用途に使用することができ
る。これは必要に応じてこの時点で生成する生成
物に適するように転換できるからである。またこ
の反応器は一時に一つ以上の生成物を得ることが
できる。たとえば、含鉄粘土を処理して、セメン
トと鋼製品を二つとも得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を具体化しているプラズマ反応
器の概略縦断面図であり、ここにおいてカソード
構造は複数のプラズマトーチから構成されてい
る。第２Ａ図、第２Ｂ図および第２Ｃ図は、本発
明を具体化している反応器における種々の環状カ
ソード構造の概略断面図である。第３図はエネル
ギーの回収、セメントの製造、あるいは鉱石の還
元を意図した本発明による反応器の概略正面図で
ある。第４図はスチールあるいは合金製造を意図
した本発明による他の反応器の概略断面図であ
る。第５図はセグメント式電極の順次付勢を例示
する概略線図である。第６図は電磁手段によるア
ークのアノードアタツチメントの順次付勢を例示
する概略線図である。第７図は本発明を具体化し
ている反応器を含む装置の構成図である。第８図
は本発明を具体化している鉄鉱石還元装置の２つ
の態様を示す構成図である。 １……プラズマトーチ、２……ヘツド、６……
反応室、８……アノード部材、９……整流器、１
０……コイル、１４……カソード、１６……プラ
ズマ発生室、２４……電磁コイル、２５……コ
ア、３０……分配器、３３……燃焼室、３９……
４分円体、４１……電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 隔設された一対の静止電極構造体間にアーク
   放電を起こさせ、電極構造体の周りにおいて放電
   の電力およびアークの分布を急速に変化させ、こ
   れによつて電極構造体間の空間部を回つてアーク
   放電を移動させて、この領域で生成する低温プラ
   ズマを拡げ、このプラズマ領域に同伴粒子物体を
   導入することからなる、低温プラズマによる粒子
   物体の処理方法。 ２ 放電の電力を上記プラズマ領域内に衝撃波を
   生起させるのに充分な速度で変化させる、特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 ３ 放電は周波数が毎秒50サイクルから1KHzま
   での範囲内で変動する平坦化されていない直流放
   電である、特許請求の範囲第１または２項記載の
   方法。 ４ 放電あるいは変動が1000〜60000rpmの速度
   で電極の周りにおいて循環する、特許請求の範囲
   第１〜３項のいずれかに記載の方法。 ５ 放電あるいは変動の循環が、単一の静止環状
   と環状アノード構造体との間の１次放電を電磁制
   御することによつて生起される、特許請求の範囲
   第１〜４の項いずれかに記載の方法。 ６ 放電あるいは変動の循環が、対称的に配列さ
   れた静止カソードの付勢を個別に制御することに
   より生起される、特許請求の範囲第１〜４項のい
   ずれかに記載の方法。 ７ カソード構造体とアノード構造体との間の１
   次放電の径路が、カソード構造体の周りにおける
   放電および／または変動の循環と、アノード構造
   体を構成している環状配列のアノードセグメンの
   周りにおける循環との間の相対的な角度配列によ
   つて制御される、特許請求の範囲第５または６項
   記載の方法。 ８ アノードの着弧点の循環が、アノードのセグ
   メント間に生起した電磁界によつて確実に行なわ
   れる、特許請求の範囲第７項記載の方法。 ９ 粒子物体がプラズマ領域内に導入される前に
   電気的に荷電される、特許請求の範囲第１〜８項
   のいずれかに記載の方法。 １０ プラズマ領域内における粒子物体の平均滞
   留時間が10ミリ秒から１秒である、特許請求の範
   囲第１〜９項のいずれかに記載の方法。 １１ セメントあるいはセメント先駆物質を製造
   するために、導入される粒子物体がシリカおよ
   び／またはアルミナ成分からなる、特許請求の範
   囲第１〜１０項のいずれかに記載の方法。 １２ エネルギーあるいは燃料を回収するために
   導入される粒子物体が炭素成分からなる、特許請
   求の範囲第１〜１０項のいずれかに記載の方法。 １３ 粒子物体が炭鉱廃棄物あるいは他の炭素含
   有鉱物からなる、特許請求の範囲第１１または１
   ２項記載の方法。 １４ 金属を生成するために導入される粒子物体
   が金属鉱石あるいは他の金属含有物質を含み、か
   つプラズマを導入する雰囲気あるいは粒子物体が
   必要な還元剤を含む、特許請求の範囲第１〜１０
   項のいずれかに記載の方法。 １５ 金属を溶融するために、溶融すべき金属が
   アノード領域内でプラズマと接触し、かつ粒子物
   体が合金金属、浸炭材料、融剤あるいは他の添加
   物を含む、特許請求の範囲第１〜１０項のいずれ
   かに記載の方法。 １６ 鉱石が第１反応器の反応領域に導入され、
   ここで鉱石は、プラズマ、および第１反応器とほ
   ぼ同様な第２反応器によつて供給される還元ガス
   と相互に作用して、金属粒子および流出ガスを生
   成し、かつ流出ガスが第１反応器から第２反応器
   に送られ、ここで炭素含有物質がプラズマと接触
   し、また上記の如く第１反応器に供給される還元
   流出ガスを生成する、特許請求の範囲第１４項記
   載の方法。 １７ 炭素含有物質がシリカ含有鉱物を含み、か
   つ第２反応器中の相互作用によつて、この方法の
   第２生成物としてポゾラン物質、またはセメント
   を生成する、特許請求の範囲第１６項記載の方
   法。 １８ 低級クロム鉄鉱石の選鉱のために、鉱石が
   穏和な還元ガスおよびプラズマの相互作用による
   第１還元に付されて鉄の粒子および残留鉱石を生
   成し、鉄粒子は除去され、さらに残留鉱石がより
   強力な還元ガスおよびプラズマの相互作用による
   第２還元に付されてクロムおよび残留鉄を含有す
   る金属粒子を生成する、特許請求の範囲第１４、
   １６または１７項記載の方法。 １９ 少なくとも１つが一般に環状電極構造体で
   あり隔設して反応領域を形成する一対の静止電極
   構造体と、反応領域に粒子物体を導入する手段
   と、放電を設定保持させることのできる、電極構
   造体間に速かに脈動する電位差を印加する電力供
   給手段と、環状電極構造体の周りに放電配列を速
   かに循環させるように、環状電極構造体のアーク
   着火点を順次変更する付勢制御手段とからなる低
   温プラズマ粒子物体を処理する装置。 ２０ 電力供給手段が周波数毎秒50サイクルから
   1kHzの範囲で変動する事実上の直流を供給する
   ために利用される、特許請求の範囲第１９項記載
   の装置。 ２１ カソード構造体が単一環状カソードからな
   り、かつ放電配列変更手段はカソード手段に隣接
   するコイルを含み、このカソード手段は放電が環
   状カソードを回つて循環するように上記コイルを
   付勢させるものである、特許請求の範囲第１９ま
   たは２０項記載の装置。 ２２ コイルが環状カソード構造体の中に配置さ
   れている、特許請求の範囲第２１項記載の装置。 ２３ カソード構造体がこのカソード構造体の周
   りにおいて隔離された複数のカソードからなり、
   かつ放電配列変更手段が各カソードの付勢を制御
   可能に変更する手段を含む、特許請求の範囲第１
   ９または２０項記載の装置。 ２４ アノード構造体が個別に隔離され環状に配
   列されたセグメントからなり、これらセグメント
   は付勢を個別に制御するように接続されている、
   特許請求の範囲第１９〜２２項のいずれかに記載
   の装置。 ２５ アノードが、反応器の底に、あるいは底の
   付近に設けられている、特許請求の範囲第１９〜
   ２３項のいずれかに記載の装置。 ２６ セグメントが、順次付勢される各サイリス
   タに各々接続されている、特許請求の範囲第２４
   項記載の装置。 ２７ 電磁コイルがアノードセグメント間に配置
   されると共に可変周波数多相発電機の各相に対と
   なつて接続されている、特許請求の範囲第２４項
   記載の装置。 ２８ 粒子導入手段が、粒子を電気的に荷電さ
   せ、かつ荷電した粒子を１つのカソードあるいは
   複数のカソードの付近に供給する手段を含む、特
   許請求の範囲第１９〜２７項のいずれかに記載の
   装置。 ２９ 一方の、あるいは両方の電極から下流に、
   さらに反応原料を導入する手段を含む、特許請求
   の範囲第１９〜２８項のいずれかに記載の装置。 ３０ 粒子物体を、反応領域通過後に、さらに処
   理する手段を有する特許請求の範囲第１９〜２８
   項のいずれかに記載の装置。 ３１ 処理手段が急冷手段を有する、特許請求の
   範囲第３０項記載の装置。 ３２ 処理手段が反応生成物を捕集する手段を有
   する、特許請求の範囲第３０項記載の装置。 ３３ 処理手段が反応生成物を回収する手段を有
   する、特許請求の範囲第３０項記載の装置。 ３４ 流出ガスを第１装置から第２装置のアノー
   ドの第２下流に移送し、かつ流出ガスを第２装置
   から第１装置のアノードの第１下流に移送するた
   めの第１および第２装置を連結する手段を含む、
   第１装置とほぼ同様な第２装置と結合した、特許
   請求の範囲第１９〜３３項のいずれかに記載の装
   置。