減圧窒素プラズマによる溶鋼スクラップからの脱銅精錬

1997 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09450279
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 鈴木 亮輔 京都大学, エネルギー科学研究科, 助教授 (80179275)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小野 勝敏 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (10026049)
• Keywords: プラズマ / 窒素 / アーク / 脱銅 / アンモニア / スクラップ / リサイクル

Research Abstract

アンモニアガスは純銅の蒸発を促進し、含銅鉄スクラップでは、減圧アンモニア中で30分の精錬でCu100ppmまで除去できる。これはアンモニアガスの分解による活性化学種の窒素が熱化学的に活性化されて原子状で溶融金属に溶解するためと解釈し、窒素ガスもイオン化されプラズマ状態となれば熱化学的に活性化されると推測した。まず減圧ガス閉じこめ式非消耗型小型アーク溶解を用いてこの仮説を検討した。不活性ガスアークでは何ら変化はないが、窒素ガス雰囲気中では溶融純銅の表面から大量の微細な粉末銅の噴煙が立ち上った。なおアンモニア雰囲気下では溶融純銅が多量の微粉末を発生しつつ上部の電極に達するまでむくむくと盛り上がるという極めて特異な溶解挙動を示した。冷却後の銅は内部に多数の気泡を含む多孔質体であった。これらの知見は窒素やアンモニアがアークの中でプラズマ化し、高い化学活性が付与されたと考えざるを得ない。
工業生産プロセス中にアンモニアを直接導入するには採算性、毒性などの理由で実用化に困難があるので、非アンモニア溶鋼脱銅手段として窒素アークプラズマを考案した。窒素のプラズマ化に適した高電圧印加型のアルゴンプラズマ・ガウジング機用インバータ式電源を準備し、含銅鉄鋼スクラップに対して大気中でアルゴンガスを3分精錬したところCuの除去には至らなかった。ところが少量の水素または窒素を添加するとアーク温度が上昇し、大気中では酸素による酸化反応とともにスプラッシュが多く定量化することは難しいが、若干の脱銅促進効果が見られた。よって水冷式真空チャンバーを設計製作し、減圧窒素プラズマの適用を検討する段階に入った。現在、排気速度、ガス供給速度、印加電圧を制御し純窒素減圧プラズマ発生を検討している。