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

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09450279
• Research Institution: KYOTO UNIVERSITY
• Principal Investigator: 鈴木 亮輔 京都大学, 大学院・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, 大学院・エネルギー科学研究科, 教授 (10026049)
• Keywords: アークプラズマ / 窒素 / アーク溶解 / 脱銅 / アンモニア / スクラップ / リサイクル / 水素プラズマ

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。アンモニア分解による活性化学種の窒素が原子状で溶融金属に溶解するためであるが、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。よってプラズマ化窒素も脱銅効果がある。連続排気型窒素ガスプラズマ溶解装置を主として用い窒素プラズマ脱銅を検討した。
排気速度、ガス供給速度、印加電圧を最適化して制御し純窒素減圧プラズマの安定な発生が可能となった。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・ガウジング機と水冷式中型真空チャンバーとの組み合わせに加え、鉄の溶解と共にプラズマを通した二色温度計による溶鉄温度測定が可能となった。なおこの計測に当たりアルゴンプラズマの放射スペクトルに二色温度計の測定波長が重なり妨害するので、その除去のための適切な温度補正をおこなった。
不活性ガスアークでは1900℃に加熱された溶鉄からの通常の蒸発以外、何ら著しい変化はないが、窒素ガス雰囲気中、あるいはアンモニア雰囲気中では溶鉄の表面から大量の微粉末のスプラッシュが生じた。これらの知見は窒素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。しかしながら、スプラッシュの組成が溶鉄と同濃度であったことから窒素プラズマ、アンモニアプラズマのみでは脱銅効果は小さい。少量の水素をさらに添加するとアーク温度が上昇し、スプラッシュ以外に銅濃度の高い超微粉が発生し、速度論的に検討した結果、著しい脱銅促進効果が見られた。