この紹介論文は、TMS(The Minerals, Metals & Materials Society)が発行した["MEASURED SF₆ EMISSIONS FROM MAGNESIUM DIE CASTING OPERATIONS"]論文の研究内容です。
1. 概要:
- タイトル: マグネシウムダイカスト作業におけるSF₆排出量の測定 (MEASURED SF₆ EMISSIONS FROM MAGNESIUM DIE CASTING OPERATIONS)
- 著者: Scott Bartos, Jerry Marks, Ravi Kantamaneni and Curtis Laush
- 出版年: 2003年
- 発表ジャーナル/学会: 第132回TMS年次会議 (PRESENTED AT THE 132ND TMS ANNUAL MEETING)
- キーワード: 六フッ化硫黄(SF₆)、マグネシウム、ダイカスト、排出、温室効果ガス、溶湯保護
2. 抄録
工業用溶融マグネシウムプロセスでは、主に表面酸化を抑制するために六フッ化硫黄(SF₆)をカバーガスとして使用しており、制御されない場合は火災を引き起こす可能性があります。最近の地球温暖化への懸念とそれに続く研究により、SF₆は強力で寿命の長い温室効果ガスであることが判明しています。工業用マグネシウムプロセスからのSF₆排出量を推定するための現在の気候変動に関する政府間パネル(IPCC)の適正実施基準ガイダンスでは、特定のプロセスに使用されたガスの100%が大気中に直接放出されると仮定しています。この研究では、マグネシウムダイカストプロセスにおけるSF₆の使用を調査した結果、特定の運転条件下では、SF₆の破壊レベルはプロセスに依存することがわかりました。SF₆の最大破壊はインゴット供給作業中に発生することが観察され、16〜20%の範囲でした。非供給期間中、破壊レベルは供給期間中に観察されたレベルの約半分に減少しました。この論文は、ホットチャンバーダイカスト装置を使用している1つの施設に限定されていますが、マグネシウム産業全体からのSF₆排出の真の性質を定義するための有用なステップを提供します。
3. 研究背景:
研究テーマの背景:
溶融マグネシウムは激しい酸化特性を持っています。マグネシウム産業では、主に溶融金属の酸化と表面燃焼を防ぐために六フッ化硫黄(SF₆)を使用しています。SF₆は、溶融マグネシウム表面に緻密な保護膜を形成するフッ素種の供給源として使用されます(2)。
先行研究の現状:
- 現在の気候変動に関する政府間パネル(IPCC)は、溶湯保護作業中に使用されたSF₆の100%が大気中に放出されると仮定しています(5)。
- 過去の測定研究は、SF₆が提供する保護メカニズムをレビューするために実施されました。1972年のX線回折では、二酸化硫黄(SO₂)やフッ化マグネシウム(MgF₂)を含むいくつかの潜在的なSF₆副生成物が確認されました(8)。
- 1977年にBattelle's Columbus Laboratoriesのマグネシウム研究センターで実施された研究。この研究では、金属表面のSF₆濃度が計量システムから供給される濃度の約半分であると報告されており、これはSF₆の化学分解を示唆している可能性があります(9)。
- SF₆、二酸化炭素(CO₂)、空気を含むカバーガス混合物を使用した追加の研究では、溶融マグネシウム表面でCO₂とSF₆の分解生成物である一酸化炭素(CO)とフッ化水素(HF)の存在が確認されました(10)。
- 最近の研究では、SF₆溶湯保護の一般的なメカニズムは、SF₆がFやF₂などの反応性の高いフッ素種に分解することに起因すると推定されています。これらの種は、多孔質酸化マグネシウム(MgO)層を通って拡散し、MgF₂を含む緻密な保護膜を形成します(11)。
研究の必要性:
- 専門家の意見によると、溶湯保護中に化学反応によってSF₆の破壊が発生する可能性があります。
- 本研究は、マグネシウムの製造および加工作業中のSF₆の破壊率を定量化するための最初のステップを提供します。
- マグネシウムの製造および加工中のSF₆破壊の程度に関する業界の意見は大きく異なるため、これらの作業中のSF₆排出量を測定して、より正確な排出係数を設定する必要があります。
4. 研究目的と研究課題:
研究目的:
- マグネシウムの製造および加工作業中のSF₆の破壊率を定量化する。
- マグネシウム産業からのSF₆排出の真の性質を定義する。
主要な研究:
- 2台のホットチャンバーダイカストマシンにおける溶融マグネシウム保持炉で発生するSF₆破壊の程度を特定する。
5. 研究方法
- 研究デザイン: 定量的実験測定。
- データ収集:
- MKS Instrumentsの抽出型フーリエ変換赤外分光(FTIR)システムを使用して、連続的かつリアルタイムの測定を実施しました。
- FTIR排気流から1mlシリンジでガスサンプルを採取し、HP 5890Aガスクロマトグラフ(GC)に手動で注入しました。
- 分析方法:
- FTIR: Monelサンプルプローブからのガス流のリアルタイムモニタリング。装置の分解能は0.5 cm¯¹に設定し、信号平均化は1分または2分間実施しました。
- GC: 熱伝導度検出器(TCD)とHayeSep Q 80/100カラムを使用しました。ヘリウムをキャリアガスとして使用しました。ガスクロマトグラフは、毎日使用する前に多点校正曲線で校正しました。
- 研究範囲: ミネソタ州にあるProduct Technologies Inc.の施設に設置されている2台のホットチャンバーダイカストマシン(マシンAおよびB)。これらのマシンは、溶融マグネシウム用の保持炉アセンブリ、空気圧噴射ピストン、およびダイプレス装置で構成されていました。
6. 主要な研究結果:
主要な研究結果と提示されたデータ分析:
- 特定の運転条件に基づいており、観察されたプロセスの変動を無視した全体的な平均SF₆破壊は、約10%であると決定されました。
- マシンAの場合、SF₆破壊は6.5〜16%の範囲であり、マシンBは12.5〜20%の範囲でした。
- SF₆の最大破壊は、インゴット供給直後に発生することが観察されました。この期間中、両方のマシンでSF₆の破壊は約16〜20%であることが観察されました。
- 非供給期間中、SF₆破壊はマシンAとBでそれぞれ平均6.5%と12.5%でした。
- 鋳造機が稼働していないとき、SF₆の全体的な破壊は最小レベル(約0.6〜1.4%)に減少しました。
- FTIRサンプリングにより、2つの気体反応副生成物であるHFとSO₂が確認されました。
図表の名称リスト:
- 図1. カバーガスCO₂、H₂OおよびSF₆濃度: マシンA
- 図2. カバーガスCO₂およびSF₆減少率: マシンA
- 図3. SF₆希釈および破壊: マシンA
- 図4. SF₆希釈および破壊: マシンB
7. 結論:
主要な調査結果の要約:
SF₆の破壊レベルは、ダイカストプロセスの操作と密接に関連していました。インゴット供給作業中、6〜8kgのインゴットが溶融炉に追加され、その結果、現場のSF₆保護膜が破壊されます。このように溶湯表面の乱流が激しくなると、SF₆の破壊が最大(16〜20%)に達します。鋳造機が稼働していないとき(つまり、作業員の休憩時間またはシフト交代中)にSF₆の破壊レベルが約1%に低下するため、鋳造作業中に最小レベルのSF₆破壊が発生すると結論付けることができます。この平均最小レベルは、マシンAとBでそれぞれ6.5%と12.5%であることが観察されました。
研究結果の要約、研究の学術的意義、研究の実用的意義
- この研究は、特定の運転条件下では、SF₆の破壊レベルがプロセスに依存することを示しています。
- すべてのSF₆分解は、気体副生成物の放出なしに、溶湯表面で発生すると推定されます。
- この論文は、マグネシウム産業からのSF₆排出の真の性質を定義するための有用なステップです。
8. 参考文献:
- Roskill Consulting Group, The Economics of Magnesium Metal, 2001.
- Tranell, G., et al., “A Systematic Approach for Identifying Replacements to SF6/SO2 in the Magnesium Industry – An IMA / SINTEF-NTNU Cooperative Project," Proceedings of the 57th Annual International Magnesium Association Conference, May 2001.
- Hanawalt, J.D., “Practical Protective Atmospheres for Molten Magnesium," Metals Engineering Quarterly, November 1972. pp. 6.
- IPCC, Climate Change 2001: The Scientific Basis, Intergovernmental Panel on Climate Change, Third Assessment Report, 2001.
- IPCC, Good Practice Guidance and Uncertainty Management in National Greenhouse Gas Inventories, Section 3.4, SF 6 Emissions from Magnesium Production, http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/gp/pdf/3_Industry.pdf
- Bartos, S., "Building a Bridge for Climate Protection: U.S. EPA and the Magnesium Industry,” Proceedings of the 59th Annual International Magnesium Association Conference, May 2003.
- U.S. EPA. Inventory of Greenhouse Gas Emissions and Sinks: 1990-2000, ΕΡΑ 236-R-01-001, April 2002.
- Hanawalt, J. D., "Practical Protective Atmospheres for Molten Magnesium," Metals Engineering Quarterly, pp 6 – 10, November 1972.
- Couling, S., Bennett, F., Leontis, T., "Fluxless Melting of Magnesium," Light Metals, pp 545 – 560, 1977.
- Couling, S., Leontis, T., “Improved Protection of Molten Magnesium with Air/CO2/SF6 Gas Mixtures," Light Metals, pp 997-1009, 1980
- Tranell, G., G. Pettersen, K. Aastad, T. A. Engh, I. Solheim, M. Syvertsen, B. Oye, “A Systematic Approach for Identifying Replacements to SF 6/SO2 in the Magnesium Industry - An IMA / SINTEF-NTNU Cooperative Project," 57th Anuual IMA Conference Proceedings, May 2001.
9. 著作権:
- 本資料は、"Scott Bartos, Jerry Marks, Ravi Kantamaneni and Curtis Laush"による"MEASURED SF₆ EMISSIONS FROM MAGNESIUM DIE CASTING OPERATIONS"論文に基づいています。
- 論文の出典: OCRテキストには記載されていません。
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