JP2001170760A - 移行型プラズマ加熱用陽極 - Google Patents
移行型プラズマ加熱用陽極Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】移行型プラズマ加熱用陽極における先端部の溶
損速度を遅延させ、寿命を延長させる。 【解決手段】直流電流を容器内の溶融金属に通電し、Ａ
ｒプラズマを発生させながら溶融金属を加熱する移行型
プラズマトーチであって、内部水冷構造を有する導電性
金属からなる陽極と、前記陽極の外側に一定の間隔を設
け内部水冷構造を有する金属製保護体と、前記陽極と前
記保護体の間隙にＡｒを含有する気体を供給する気体供
給手段を有し、前記陽極先端外表面の中心部が内側に凹
んでいることを特徴とする移行型プラズマ加熱用陽極。
損速度を遅延させ、寿命を延長させる。 【解決手段】直流電流を容器内の溶融金属に通電し、Ａ
ｒプラズマを発生させながら溶融金属を加熱する移行型
プラズマトーチであって、内部水冷構造を有する導電性
金属からなる陽極と、前記陽極の外側に一定の間隔を設
け内部水冷構造を有する金属製保護体と、前記陽極と前
記保護体の間隙にＡｒを含有する気体を供給する気体供
給手段を有し、前記陽極先端外表面の中心部が内側に凹
んでいることを特徴とする移行型プラズマ加熱用陽極。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は移行型プラズマ用陽
極の改良に係り、特にタンディッシュ内溶鋼加熱用とし
て適用するのが好適な移行型プラズマ加熱用陽極に関す
る。
極の改良に係り、特にタンディッシュ内溶鋼加熱用とし
て適用するのが好適な移行型プラズマ加熱用陽極に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】タンディッシュ内溶鋼を加熱するための
直流電流ツイントーチ型プラズマ加熱装置の概要は図１
の様になっている。タンディッシュカバー２にはそれぞ
れ陽極３と陰極４である２本のプラズマトーチが挿入さ
れており、それぞれのトーチ３，４と溶鋼５との間にプ
ラズマアーク６を発生させ、溶鋼を加熱するものであ
る。このとき電子の流れ７は、陰極４から溶鋼５を通り
陽極３に向かう。
直流電流ツイントーチ型プラズマ加熱装置の概要は図１
の様になっている。タンディッシュカバー２にはそれぞ
れ陽極３と陰極４である２本のプラズマトーチが挿入さ
れており、それぞれのトーチ３，４と溶鋼５との間にプ
ラズマアーク６を発生させ、溶鋼を加熱するものであ
る。このとき電子の流れ７は、陰極４から溶鋼５を通り
陽極３に向かう。
【０００３】上記陽極プラズマトーチの1例を図２に示
す。同図は上記陽極トーチの先端部断面を示す。陽極３
の材質として、例えば無酸素銅が用いられる。上記陽極
トーチは外側を覆うステンレス又は銅製の外筒ノズル８
と、内側の銅製の陽極本体３からなる。陽極３の先端部
は平らな円盤状であり、陽極３及びノズル８はいずれも
冷却構造となっており、冷却水入側と出側水路はそれぞ
れ円筒形の仕切版９，１１で仕切られている（図中、１
０及び１２は冷却水の流れを示す）。また、ノズル８と
陽極３の間は隙間１３があり、その隙間１３からプラズ
マガスを吹き出す構造となっている。
す。同図は上記陽極トーチの先端部断面を示す。陽極３
の材質として、例えば無酸素銅が用いられる。上記陽極
トーチは外側を覆うステンレス又は銅製の外筒ノズル８
と、内側の銅製の陽極本体３からなる。陽極３の先端部
は平らな円盤状であり、陽極３及びノズル８はいずれも
冷却構造となっており、冷却水入側と出側水路はそれぞ
れ円筒形の仕切版９，１１で仕切られている（図中、１
０及び１２は冷却水の流れを示す）。また、ノズル８と
陽極３の間は隙間１３があり、その隙間１３からプラズ
マガスを吹き出す構造となっている。
【０００４】
【本発明が解決しようとする課題】上記直流電流陽極プ
ラズマトーチの問題点の１つに、陽極先端が損傷し寿命
が短いということがある。陽極はプラズマ加熱稼働時に
おいては、電子の受け手となるために電子が陽極先端外
表面に衝突し、先端外表面にかかる熱負荷が大きい。ま
た、陽極先端外表面中心部には熱が集中しやすく、陽極
が寿命に至る場合の殆どは先端中心部における穴あきに
よるものである。更に、陽極表面に一旦電流の集中ヶ所
（アノードスポット）が形成されると、そのアノードス
ポットに更に電流が集中する性質がある。つまり、陽極
先端外表面において、溶解によって損傷し始めると更に
損傷が促進し、最終的に冷却水側まで溶損し寿命に至
る。
ラズマトーチの問題点の１つに、陽極先端が損傷し寿命
が短いということがある。陽極はプラズマ加熱稼働時に
おいては、電子の受け手となるために電子が陽極先端外
表面に衝突し、先端外表面にかかる熱負荷が大きい。ま
た、陽極先端外表面中心部には熱が集中しやすく、陽極
が寿命に至る場合の殆どは先端中心部における穴あきに
よるものである。更に、陽極表面に一旦電流の集中ヶ所
（アノードスポット）が形成されると、そのアノードス
ポットに更に電流が集中する性質がある。つまり、陽極
先端外表面において、溶解によって損傷し始めると更に
損傷が促進し、最終的に冷却水側まで溶損し寿命に至
る。
【０００５】図３はプラズマにかかるピンチ効果を説明
したものである。ノズルと陽極との隙間１３から吹き出
るプラズマに比べて十分温度の低いガスの流れ１４によ
り、プラズマ１５は中心方向に集中しやすい性質（サー
マルピンチ効果）をもっている。プラズマ中の電流密度
は一般に温度に対する増加関数であり、プラズマ中心部
１６の電流密度は全体の平均に比べ大きいと言えるの
で、陽極先端外表面中心部１７に入射する電流密度は大
きくなる。従って、陽極先端外表面中心部１７は先端外
表面外周部１８に比べ損傷の度合いが大きい。また、プ
ラズマ中を流れる電流１９が作り出す回転磁場２０との
相互作用によりプラズマ中を陽極に向かって運動する電
子２１は中心方向に向かう力２２を受ける（磁気的ピン
チ効果）。
したものである。ノズルと陽極との隙間１３から吹き出
るプラズマに比べて十分温度の低いガスの流れ１４によ
り、プラズマ１５は中心方向に集中しやすい性質（サー
マルピンチ効果）をもっている。プラズマ中の電流密度
は一般に温度に対する増加関数であり、プラズマ中心部
１６の電流密度は全体の平均に比べ大きいと言えるの
で、陽極先端外表面中心部１７に入射する電流密度は大
きくなる。従って、陽極先端外表面中心部１７は先端外
表面外周部１８に比べ損傷の度合いが大きい。また、プ
ラズマ中を流れる電流１９が作り出す回転磁場２０との
相互作用によりプラズマ中を陽極に向かって運動する電
子２１は中心方向に向かう力２２を受ける（磁気的ピン
チ効果）。
【０００６】また、図４に示す様に、内部を流れる冷却
水水圧、熱応力やクリープにより陽極先端は外側に凸型
に変形をおこす。この凸型変形は陽極先端外表面中心部
１７に突起２３を形成することとなり、電場３２は前記
突起部２３へ集中する。プラズマ中を運動する電子２１
は電場３２の方向に加速されるので、電流１９は突起部
２３に集中しやすいことから、更に陽極先端外表面中心
部への電流集中を招くことになる。つまり、陽極先端外
表面中心部１７は更に損傷を受けやすくなる。陽極先端
外表面中心部１７の損傷が進行すると、最終的に、陽極
先端外表面中心部１７において冷却水路２５が破れ操業
不能状態に陥る。このように、陽極先端外表面中心部へ
の電流集中により陽極の耐用時間は著しく短縮されてし
まう。
水水圧、熱応力やクリープにより陽極先端は外側に凸型
に変形をおこす。この凸型変形は陽極先端外表面中心部
１７に突起２３を形成することとなり、電場３２は前記
突起部２３へ集中する。プラズマ中を運動する電子２１
は電場３２の方向に加速されるので、電流１９は突起部
２３に集中しやすいことから、更に陽極先端外表面中心
部への電流集中を招くことになる。つまり、陽極先端外
表面中心部１７は更に損傷を受けやすくなる。陽極先端
外表面中心部１７の損傷が進行すると、最終的に、陽極
先端外表面中心部１７において冷却水路２５が破れ操業
不能状態に陥る。このように、陽極先端外表面中心部へ
の電流集中により陽極の耐用時間は著しく短縮されてし
まう。
【０００７】図５ａから図５ｄはアノードスポットへの
電流集中について説明したものである。陽極先端外表面
表面の清浄性が良好な初期状態（図５ａ）において、電
子２１は陽極先端外表面２６に対しほぼ垂直に入射す
る。しかし、前述した様に、図４に示した陽極先端外表
面中心部１７には電流が集中しやすく、陽極先端外表面
が高温になることで銅が融解・蒸発し外表面中心近傍に
銅蒸気の雲２７を形成する（図５ｂ）。電子２１の衝突
により、蒸発した銅原子２８の中の電子は励起し、電離
する。この時、銅原子より電離した電子２９は質量が小
さく移動度が大きいため、すぐに陽極先端外表面に入射
する。しかし、銅イオン３０は移動度が小さく蒸気雲２
７中に停滞するので、蒸気雲は正に帯電する（図５
ｃ）。この蒸気雲２７の正電荷ポテンシャルにより、プ
ラズマアーク中の電子２１は蒸気雲２７へ向かう加速度
を受ける（図５ｄ）。結果として、アノードスポット３
１が生じると、プラズマアーク中の電子は陽極先端外表
面近傍において陽極先端外表面中心部に加速度的に集中
する。このような機構により、陽極先端の損傷は加速度
的に進行する。本発明は、プラズマ加熱用陽極における
上記のような陽極先端の損傷速度を遅延させ、寿命を延
長させるための、上記陽極先端形状及び材質に関するも
のである。
電流集中について説明したものである。陽極先端外表面
表面の清浄性が良好な初期状態（図５ａ）において、電
子２１は陽極先端外表面２６に対しほぼ垂直に入射す
る。しかし、前述した様に、図４に示した陽極先端外表
面中心部１７には電流が集中しやすく、陽極先端外表面
が高温になることで銅が融解・蒸発し外表面中心近傍に
銅蒸気の雲２７を形成する（図５ｂ）。電子２１の衝突
により、蒸発した銅原子２８の中の電子は励起し、電離
する。この時、銅原子より電離した電子２９は質量が小
さく移動度が大きいため、すぐに陽極先端外表面に入射
する。しかし、銅イオン３０は移動度が小さく蒸気雲２
７中に停滞するので、蒸気雲は正に帯電する（図５
ｃ）。この蒸気雲２７の正電荷ポテンシャルにより、プ
ラズマアーク中の電子２１は蒸気雲２７へ向かう加速度
を受ける（図５ｄ）。結果として、アノードスポット３
１が生じると、プラズマアーク中の電子は陽極先端外表
面近傍において陽極先端外表面中心部に加速度的に集中
する。このような機構により、陽極先端の損傷は加速度
的に進行する。本発明は、プラズマ加熱用陽極における
上記のような陽極先端の損傷速度を遅延させ、寿命を延
長させるための、上記陽極先端形状及び材質に関するも
のである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明の要旨とするところは、 （１）直流電流を容器内の溶融金属に通電し、Ａｒプラ
ズマを発生させながら溶融金属を加熱する移行型プラズ
マトーチであって、内部水冷構造を有する導電性金属か
らなる陽極と、前記陽極の外側に一定の間隔を設け内部
水冷構造を有する金属製保護体と、前記陽極と前記保護
体の間隙にＡｒを含有する気体を供給する気体供給手段
を有し、前記陽極先端外表面の中心部が内側に凹んでい
ることを特徴とする移行型プラズマ加熱用陽極。 （２）直流電流を容器内の溶融金属に通電し、Ａｒプラ
ズマを発生させながら溶融金属を加熱する移行型プラズ
マトーチであって、内部水冷構造を有する導電性金属か
らなる陽極と、前記陽極の外側に一定の間隔を設け内部
水冷構造を有する金属製保護体と、前記陽極と前記保護
体の間隙にＡｒを含有する気体を供給する気体供給手段
を有し、前記陽極先端外表面の全体が内側に凹んでいる
ことを特徴とする移行型プラズマ加熱用陽極。 （３）直流電流を容器内の溶融金属に通電し、Ａｒプラ
ズマを発生させながら溶融金属を加熱する移行型プラズ
マトーチであって、内部水冷構造を有する導電性金属か
らなる陽極と、前記陽極の外側に一定の間隔を設け内部
水冷構造を有する金属製保護体と、前記陽極と前記保護
体の間隙にＡｒを含有する気体を供給する気体供給手段
を有し、前記陽極先端冷却面にリブを有することを特徴
とする移行型プラズマ加熱用陽極。 （４）直流電流を容器内の溶融金属に通電し、Ａｒプラ
ズマを発生させながら溶融金属を加熱する移行型プラズ
マトーチであって、内部水冷構造を有する導電性金属か
らなる陽極と、前記陽極の外側に一定の間隔を設け内部
水冷構造を有する金属製保護体と、前記陽極と前記保護
体の間隙にＡｒを含有する気体を供給する第１の気体供
給手段を有し、前記陽極内部に第２の気体供給手段を有
し、前記第２の気体供給手段は陽極先端外表面より気体
を吹き出す機能を有することを特徴とする移行型プラズ
マ加熱用陽極。 （５）陽極先端外表面の中心部及び全体が内側に凹んで
いることを特徴とする（１）に記載の移行型プラズマ加
熱用陽極。 （６）陽極先端冷却面にリブを有することを特徴とする
（１），（２）又は（５）のいずれか１項に記載の移行
型プラズマ加熱用陽極。 （７）陽極内部に第２の気体供給手段を有し、前記第２
の気体供給手段は陽極先端外表面より気体を吹き出す機
能を有することを特徴とする（１），（２），（３），
（５）又は（６）のいずれか１項に記載の移行型プラズ
マ加熱用陽極。 （８）陽極先端外表面の全体及び／又は中心部が凹んで
おり、かつ、前記陽極先端の内側に円周方向に回転自在
な１又は２以上の永久磁石を有することを特徴とする
（１）から（７）のいずれか１項に記載の移行型プラズ
マ加熱用陽極。 （９）陽極先端材質をＣｒ又はＺｒを含む銅合金とする
（１）から（８）のいずれかに記載の移行型プラズマ加
熱用陽極。である。
め、本発明の要旨とするところは、 （１）直流電流を容器内の溶融金属に通電し、Ａｒプラ
ズマを発生させながら溶融金属を加熱する移行型プラズ
マトーチであって、内部水冷構造を有する導電性金属か
らなる陽極と、前記陽極の外側に一定の間隔を設け内部
水冷構造を有する金属製保護体と、前記陽極と前記保護
体の間隙にＡｒを含有する気体を供給する気体供給手段
を有し、前記陽極先端外表面の中心部が内側に凹んでい
ることを特徴とする移行型プラズマ加熱用陽極。 （２）直流電流を容器内の溶融金属に通電し、Ａｒプラ
ズマを発生させながら溶融金属を加熱する移行型プラズ
マトーチであって、内部水冷構造を有する導電性金属か
らなる陽極と、前記陽極の外側に一定の間隔を設け内部
水冷構造を有する金属製保護体と、前記陽極と前記保護
体の間隙にＡｒを含有する気体を供給する気体供給手段
を有し、前記陽極先端外表面の全体が内側に凹んでいる
ことを特徴とする移行型プラズマ加熱用陽極。 （３）直流電流を容器内の溶融金属に通電し、Ａｒプラ
ズマを発生させながら溶融金属を加熱する移行型プラズ
マトーチであって、内部水冷構造を有する導電性金属か
らなる陽極と、前記陽極の外側に一定の間隔を設け内部
水冷構造を有する金属製保護体と、前記陽極と前記保護
体の間隙にＡｒを含有する気体を供給する気体供給手段
を有し、前記陽極先端冷却面にリブを有することを特徴
とする移行型プラズマ加熱用陽極。 （４）直流電流を容器内の溶融金属に通電し、Ａｒプラ
ズマを発生させながら溶融金属を加熱する移行型プラズ
マトーチであって、内部水冷構造を有する導電性金属か
らなる陽極と、前記陽極の外側に一定の間隔を設け内部
水冷構造を有する金属製保護体と、前記陽極と前記保護
体の間隙にＡｒを含有する気体を供給する第１の気体供
給手段を有し、前記陽極内部に第２の気体供給手段を有
し、前記第２の気体供給手段は陽極先端外表面より気体
を吹き出す機能を有することを特徴とする移行型プラズ
マ加熱用陽極。 （５）陽極先端外表面の中心部及び全体が内側に凹んで
いることを特徴とする（１）に記載の移行型プラズマ加
熱用陽極。 （６）陽極先端冷却面にリブを有することを特徴とする
（１），（２）又は（５）のいずれか１項に記載の移行
型プラズマ加熱用陽極。 （７）陽極内部に第２の気体供給手段を有し、前記第２
の気体供給手段は陽極先端外表面より気体を吹き出す機
能を有することを特徴とする（１），（２），（３），
（５）又は（６）のいずれか１項に記載の移行型プラズ
マ加熱用陽極。 （８）陽極先端外表面の全体及び／又は中心部が凹んで
おり、かつ、前記陽極先端の内側に円周方向に回転自在
な１又は２以上の永久磁石を有することを特徴とする
（１）から（７）のいずれか１項に記載の移行型プラズ
マ加熱用陽極。 （９）陽極先端材質をＣｒ又はＺｒを含む銅合金とする
（１）から（８）のいずれかに記載の移行型プラズマ加
熱用陽極。である。
【０００９】
【発明の実施の形態】前述した様に、陽極先端中心部損
傷を引き起こすものは、プラズマにかかるピンチ効果に
よる電流集中、電流集中を加速させる陽極先端の凸変形
やアノードスポットの形成である。本発明では、この様
な電流集中、凸変形やアノードスポットの形成を防止す
るために、陽極先端形状を変更し、陽極先端に高強度合
金を適用し、アノードスポット形成防止のための外乱発
生装置を設置する。プラズマのピンチ効果から生じる陽
極先端外表面中心部への電流集中を防止するためには、
陽極の有効面積を大きくすることが考えられる。しか
し、設備の取り合い上の問題や、陽極を大きくすること
でトーチの質量が増加するのでトーチ保持設備限界の問
題等、陽極の有効面積を十分大きくできない場合があ
る。そのため、陽極部を適当な形状とすることで陽極先
端外表面中心部への電流集中を防止する必要がある。そ
のような形状の前記（１）に係る本発明例を図６に示
す。図６において、陽極先端外表面中心部１７を凹ませ
る。図７において、電場３２は導体表面に対して垂直に
入射するので、図１６に示す比較例に比べ陽極先端外表
面中心部を凹ませることにより陽極先端外表面中心部の
電束密度を低下させ電流集中を防ぐことができる。
傷を引き起こすものは、プラズマにかかるピンチ効果に
よる電流集中、電流集中を加速させる陽極先端の凸変形
やアノードスポットの形成である。本発明では、この様
な電流集中、凸変形やアノードスポットの形成を防止す
るために、陽極先端形状を変更し、陽極先端に高強度合
金を適用し、アノードスポット形成防止のための外乱発
生装置を設置する。プラズマのピンチ効果から生じる陽
極先端外表面中心部への電流集中を防止するためには、
陽極の有効面積を大きくすることが考えられる。しか
し、設備の取り合い上の問題や、陽極を大きくすること
でトーチの質量が増加するのでトーチ保持設備限界の問
題等、陽極の有効面積を十分大きくできない場合があ
る。そのため、陽極部を適当な形状とすることで陽極先
端外表面中心部への電流集中を防止する必要がある。そ
のような形状の前記（１）に係る本発明例を図６に示
す。図６において、陽極先端外表面中心部１７を凹ませ
る。図７において、電場３２は導体表面に対して垂直に
入射するので、図１６に示す比較例に比べ陽極先端外表
面中心部を凹ませることにより陽極先端外表面中心部の
電束密度を低下させ電流集中を防ぐことができる。
【００１０】凹部の領域は、電流集中防止領域を確保す
るため、陽極先端中心から陽極先端半径Ｒａの１／５〜
３／４を半径とする円であることが望ましい。また、凹
部の中心高さＨｄは、電流拡散効果を確保するため、凹
部領域半径Ｒｄの１／３〜２／１とすることが望まし
い。また、本発明において、気体供給手段から供給する
気体は、Ａｒ１００％でも良いし、Ａｒ７５％以上で電
圧上昇のためＮ2０．１〜２５％を含有し、残部不可避
的不純物としても良い。
るため、陽極先端中心から陽極先端半径Ｒａの１／５〜
３／４を半径とする円であることが望ましい。また、凹
部の中心高さＨｄは、電流拡散効果を確保するため、凹
部領域半径Ｒｄの１／３〜２／１とすることが望まし
い。また、本発明において、気体供給手段から供給する
気体は、Ａｒ１００％でも良いし、Ａｒ７５％以上で電
圧上昇のためＮ2０．１〜２５％を含有し、残部不可避
的不純物としても良い。
【００１１】前記（２）に係る本発明において、陽極先
端の凸型変形を防止するための陽極先端外表部形状の１
例を図８に示す。図８において、陽極先端にかかる水圧
と熱応力による凸変形をキャンセルするために陽極先端
外表面全体３３に内側に凹み（クラウン）を形成する。
クラウンの高さＨｃは、プラズマ加熱時において陽極先
端外表面が変形により水平面を保持するため、１００〜
５００μｍとすることが望ましい。
端の凸型変形を防止するための陽極先端外表部形状の１
例を図８に示す。図８において、陽極先端にかかる水圧
と熱応力による凸変形をキャンセルするために陽極先端
外表面全体３３に内側に凹み（クラウン）を形成する。
クラウンの高さＨｃは、プラズマ加熱時において陽極先
端外表面が変形により水平面を保持するため、１００〜
５００μｍとすることが望ましい。
【００１２】前記（５）に係る本発明では、（１）と
（２）に係る本発明を組み合わせることにより、更に電
流集中を防ぐことができる。
（２）に係る本発明を組み合わせることにより、更に電
流集中を防ぐことができる。
【００１３】陽極先端の凸変形を防止するために、陽極
先端に高温状態においても陽極先端の剛性を高く保つ必
要がある。前記（３）又は（６）に係る本発明として、
高剛性を保持するための手法の１つとして、陽極先端冷
却面側においてリブを設置する。図９は、陽極先端冷却
面側の外周部にリブ３４を設置した陽極の断面図を表
す。リブは円周方向に１枚以上、好ましくは等間隔に４
枚以上設置する。リブの高さＨｒ、半径方向の長さＬｒ
及び幅Ｄｒはそれぞれ、高剛性を保ちかつ冷却水の流れ
を妨げないようにするため、陽極先端半径Ｒａの１／５
〜２／３、陽極先端半径Ｒａの１／５〜２／３及び陽極
先端冷却水路幅Ｄｃの１／４〜１／１とするのが好まし
い。しかし、冷却面内にリブを設置する場合、冷却水路
や仕切版の形状を変更する必要があるので、高剛性を保
持するためにはＣｒ−Ｃｕ、Ｚｒ−Ｃｕ又はＣｒ−Ｚｒ
−Ｃｕ等の高強度材を適用することが望ましい。
先端に高温状態においても陽極先端の剛性を高く保つ必
要がある。前記（３）又は（６）に係る本発明として、
高剛性を保持するための手法の１つとして、陽極先端冷
却面側においてリブを設置する。図９は、陽極先端冷却
面側の外周部にリブ３４を設置した陽極の断面図を表
す。リブは円周方向に１枚以上、好ましくは等間隔に４
枚以上設置する。リブの高さＨｒ、半径方向の長さＬｒ
及び幅Ｄｒはそれぞれ、高剛性を保ちかつ冷却水の流れ
を妨げないようにするため、陽極先端半径Ｒａの１／５
〜２／３、陽極先端半径Ｒａの１／５〜２／３及び陽極
先端冷却水路幅Ｄｃの１／４〜１／１とするのが好まし
い。しかし、冷却面内にリブを設置する場合、冷却水路
や仕切版の形状を変更する必要があるので、高剛性を保
持するためにはＣｒ−Ｃｕ、Ｚｒ−Ｃｕ又はＣｒ−Ｚｒ
−Ｃｕ等の高強度材を適用することが望ましい。
【００１４】以上のことから、陽極先端外表面中心部へ
の電流集中を防止できるが、前述したように、アノード
スポットが形成されるとそのアノードスポットに更に電
流集中が生じるので、陽極先端外表面中心部以外にアノ
ードスポットが形成されてもそのアノードスポットにや
はり電流集中を生じる虞がある。そこで、アノードスポ
ット形成防止用外乱発生装置の例を図１０と図１１に示
す。
の電流集中を防止できるが、前述したように、アノード
スポットが形成されるとそのアノードスポットに更に電
流集中が生じるので、陽極先端外表面中心部以外にアノ
ードスポットが形成されてもそのアノードスポットにや
はり電流集中を生じる虞がある。そこで、アノードスポ
ット形成防止用外乱発生装置の例を図１０と図１１に示
す。
【００１５】前記（４）に係る本発明例を示す図１０に
おいて、プラズマ作動ガスを陽極先端外表面２６から吹
き出し、陽極先端外表面近傍においてガス流れに擾乱や
旋回を引き起こすための第２の気体供給手段４３を設け
ることで、アノードスポット３１を移動させることがで
きる。第２の気体供給手段４３は陽極先端外表面を貫通
する円筒管とすることが好ましく、前記円筒管の外径は
冷却水の流れを妨げることなく確実に気体を供給できる
ように１ｍｍ〜５ｍｍとし、材質は腐食防止のためステ
ンレス、銅又は腐食防止メッキを施した銅が好ましい。
また、効果は１本でも得ることができ、好ましくは図１
０に示すように、陽極中心部に１本と陽極内部に設置さ
れた冷却水路仕切版９の内部に円周方向に等間隔に４〜
１０本設置することが好ましい。
おいて、プラズマ作動ガスを陽極先端外表面２６から吹
き出し、陽極先端外表面近傍においてガス流れに擾乱や
旋回を引き起こすための第２の気体供給手段４３を設け
ることで、アノードスポット３１を移動させることがで
きる。第２の気体供給手段４３は陽極先端外表面を貫通
する円筒管とすることが好ましく、前記円筒管の外径は
冷却水の流れを妨げることなく確実に気体を供給できる
ように１ｍｍ〜５ｍｍとし、材質は腐食防止のためステ
ンレス、銅又は腐食防止メッキを施した銅が好ましい。
また、効果は１本でも得ることができ、好ましくは図１
０に示すように、陽極中心部に１本と陽極内部に設置さ
れた冷却水路仕切版９の内部に円周方向に等間隔に４〜
１０本設置することが好ましい。
【００１６】前記（８）に係る本発明例を示す図１１に
おいて、陽極内部に永久磁石３６を埋め込み、その永久
磁石を回転させることで時間的に変動する外部磁場３８
（図１９）を形成し、アノードスポットを移動させるこ
とができる。図１３に示すように、永久磁石に繋がる羽
を冷却水路内に有し冷却水の流れにより永久磁石の回転
を実施できる。
おいて、陽極内部に永久磁石３６を埋め込み、その永久
磁石を回転させることで時間的に変動する外部磁場３８
（図１９）を形成し、アノードスポットを移動させるこ
とができる。図１３に示すように、永久磁石に繋がる羽
を冷却水路内に有し冷却水の流れにより永久磁石の回転
を実施できる。
【００１７】高剛性を保持するための手段の１つとし
て、前記（９）に係る本発明では、高強度を保てる銅合
金を陽極先端に適用する。但し、陽極先端外表面温度を
低く保つために、前記銅合金の熱伝導率は従来材質であ
る無酸素銅と同程度、若しくは、それ以上である必要が
ある。この様な条件を満たす銅合金の例として、Ｃｒ−
Ｃｕ、Ｚｒ−ＣｕとＣｒ−Ｚｒ−Ｃｕがある。例えば、
Ｃｒ−Ｚｒ−Ｃｕでは、市販されているＣｒ０．５〜
１．５％、Ｚｒ０．０８〜０．３０％、残部銅がある。
て、前記（９）に係る本発明では、高強度を保てる銅合
金を陽極先端に適用する。但し、陽極先端外表面温度を
低く保つために、前記銅合金の熱伝導率は従来材質であ
る無酸素銅と同程度、若しくは、それ以上である必要が
ある。この様な条件を満たす銅合金の例として、Ｃｒ−
Ｃｕ、Ｚｒ−ＣｕとＣｒ−Ｚｒ−Ｃｕがある。例えば、
Ｃｒ−Ｚｒ−Ｃｕでは、市販されているＣｒ０．５〜
１．５％、Ｚｒ０．０８〜０．３０％、残部銅がある。
【００１８】
【実施例】以下に本発明の実施例について説明する。図
１２、図１３、図１７及び図１８はそれぞれ本発明の一
実施例を示す断面図である。図１２及び図１７で示され
る陽極の特徴は以下の（１）〜（５）の通りであり、図
１２は本発明の垂直断面図、図１７は本発明の水平断面
図を示す。 （１）陽極先端半径Ｒａ＝２５ｍｍ、陽極先端厚みＤａ
＝３ｍｍである。 （２）陽極先端外表面全体の凹み（クラウン）は曲率Ｒ
ｃ＝１０４１ｍｍの球面であり先端中心における高さは
Ｈｃ＝３００μｍである。このクラウンにより、プラズ
マ加熱操業時における陽極先端外表面は熱応力変形によ
りほぼ平面となる。
１２、図１３、図１７及び図１８はそれぞれ本発明の一
実施例を示す断面図である。図１２及び図１７で示され
る陽極の特徴は以下の（１）〜（５）の通りであり、図
１２は本発明の垂直断面図、図１７は本発明の水平断面
図を示す。 （１）陽極先端半径Ｒａ＝２５ｍｍ、陽極先端厚みＤａ
＝３ｍｍである。 （２）陽極先端外表面全体の凹み（クラウン）は曲率Ｒ
ｃ＝１０４１ｍｍの球面であり先端中心における高さは
Ｈｃ＝３００μｍである。このクラウンにより、プラズ
マ加熱操業時における陽極先端外表面は熱応力変形によ
りほぼ平面となる。
【００１９】（３）陽極先端外表面中心部１７に形成し
た半径ｒｄ＝１０ｍｍの範囲における曲率Ｒｄ＝１５ｍ
ｍの球面状の凹部４０を設置する。先端中心における凹
部４０の高さはＨｄ＝４ｍｍである。図１６に示すよう
に凹部４０がない従来型にくらべ陽極先端外表面中心部
１７に入射する電場３２は分散し、電流密度は低下す
る。但し、陽極先端外表面の凹部とその外側との境界４
１は大きな凸部を形成しないように滑らかに繋げる必要
がある。その境界４１の曲率はＲｂ＝３０ｍｍ以上が望
ましく、本実施例の場合、Ｒｂ＝５０ｍｍとした。
た半径ｒｄ＝１０ｍｍの範囲における曲率Ｒｄ＝１５ｍ
ｍの球面状の凹部４０を設置する。先端中心における凹
部４０の高さはＨｄ＝４ｍｍである。図１６に示すよう
に凹部４０がない従来型にくらべ陽極先端外表面中心部
１７に入射する電場３２は分散し、電流密度は低下す
る。但し、陽極先端外表面の凹部とその外側との境界４
１は大きな凸部を形成しないように滑らかに繋げる必要
がある。その境界４１の曲率はＲｂ＝３０ｍｍ以上が望
ましく、本実施例の場合、Ｒｂ＝５０ｍｍとした。
【００２０】（４）陽極先端外表面は５００度以上の高
温に曝されるので、従来の無酸素銅を用いた陽極ではク
リープによる変形の虞がある。特に、陽極先端外表面の
損傷が進行し先端厚みが減少すると、クリープ変形は大
きくなり陽極先端は凸型に変形してしまう。そこで、陽
極の材質にＣｒ０．０８％、Ｚｒ０．１５％を含む銅合
金を適用した。図１４は、半径２５ｍｍの銅（又は銅合
金）円盤の板厚に対する中心のクリープ変形変形量（図
１５で示されるｈｃ［ｍｍ］）を示したものである。図
中◇直線４９で示される無酸素銅に対して、図中○直線
５０で示されるＣｒ−Ｚｒ−Ｃｕはクリープ変形が小さ
く、特に、陽極先端厚み１．５ｍｍにおいては３桁小さ
い。つまり、Ｃｒ−Ｚｒ−Ｃｕは無酸素銅に比べクリー
プ変形しにくく、陽極先端の凸型変形を抑えることがで
きる。
温に曝されるので、従来の無酸素銅を用いた陽極ではク
リープによる変形の虞がある。特に、陽極先端外表面の
損傷が進行し先端厚みが減少すると、クリープ変形は大
きくなり陽極先端は凸型に変形してしまう。そこで、陽
極の材質にＣｒ０．０８％、Ｚｒ０．１５％を含む銅合
金を適用した。図１４は、半径２５ｍｍの銅（又は銅合
金）円盤の板厚に対する中心のクリープ変形変形量（図
１５で示されるｈｃ［ｍｍ］）を示したものである。図
中◇直線４９で示される無酸素銅に対して、図中○直線
５０で示されるＣｒ−Ｚｒ−Ｃｕはクリープ変形が小さ
く、特に、陽極先端厚み１．５ｍｍにおいては３桁小さ
い。つまり、Ｃｒ−Ｚｒ−Ｃｕは無酸素銅に比べクリー
プ変形しにくく、陽極先端の凸型変形を抑えることがで
きる。
【００２１】（５ａ）陽極先端外表面に作動ガスを吹き
出すための８個の吹き出し口４２ａ〜４２ｈを陽極先端
外表面において円周上に、更に１個の吹き出し口４２ｉ
（図示しない）を陽極先端外表面中心部に設置し、更
に、吹き出し口４２ａ〜４２ｈに繋がる作動ガスを通す
ための内管４３ａ〜４３ｈを仕切版９の内部に、吹き出
し口４２ｉ（図示しない）に繋がる内管を陽極中心軸上
に有する。また、作動ガスの旋回を引き起こすために、
内管４２ａ〜４２ｈは陽極下方において斜めになってい
る。吹き出し口４２ａ〜４２ｉから吹き出される作動ガ
スにより、陽極先端外表面近傍における作動ガスの流れ
に旋回をおこさせることで、アノードスポットを移動さ
せることができる。図２に示す従来の移行型プラズマ加
熱用陽極に比べ、本発明による移行型プラズマ加熱用陽
極の寿命は１．５〜２倍に増加した。図１３及び図１８
は図１２及び図１７で示される陽極の（１）〜（４）と
同じ特徴を有し、更に５つめの特徴として以下の特徴を
有し、更に５つめの特徴として以下の特徴を有し、図１
３は本発明の垂直断面図、図１８は本発明の水平断面図
を示す。
出すための８個の吹き出し口４２ａ〜４２ｈを陽極先端
外表面において円周上に、更に１個の吹き出し口４２ｉ
（図示しない）を陽極先端外表面中心部に設置し、更
に、吹き出し口４２ａ〜４２ｈに繋がる作動ガスを通す
ための内管４３ａ〜４３ｈを仕切版９の内部に、吹き出
し口４２ｉ（図示しない）に繋がる内管を陽極中心軸上
に有する。また、作動ガスの旋回を引き起こすために、
内管４２ａ〜４２ｈは陽極下方において斜めになってい
る。吹き出し口４２ａ〜４２ｉから吹き出される作動ガ
スにより、陽極先端外表面近傍における作動ガスの流れ
に旋回をおこさせることで、アノードスポットを移動さ
せることができる。図２に示す従来の移行型プラズマ加
熱用陽極に比べ、本発明による移行型プラズマ加熱用陽
極の寿命は１．５〜２倍に増加した。図１３及び図１８
は図１２及び図１７で示される陽極の（１）〜（４）と
同じ特徴を有し、更に５つめの特徴として以下の特徴を
有し、更に５つめの特徴として以下の特徴を有し、図１
３は本発明の垂直断面図、図１８は本発明の水平断面図
を示す。
【００２２】（５ｂ）陽極内部の仕切版９の中に永久磁
石３６を２個有する。この２個の永久磁石３６ａ、３６
ｂは陽極対称軸に対して対称な位置に設置され、連結棒
４４によって繋がっており、連結棒４４は陽極先端冷却
側中心から垂直上方５ｍｍに設置された回転軸４５と連
結しており、永久磁石３６ａ、３６ｂは回転軸を中心に
円周方向に回転可能である。また、連結棒４４に固定さ
れた羽４６を冷却水路４７内に設置することで、冷却水
の流れ４８により永久磁石３６ａ、３６ｂは円周方向に
回転する。陽極先端外表面近傍において、永久磁石３６
ａ、３６ｂによって形成される磁場３８（図１９参照）
は永久磁石３６ａ、３６ｂが回転することで時間に対し
て周期的に変動する。磁場と運動する荷電粒子は相互作
用するので、時間的に変動する磁場３８によりプラズマ
中のイオンや電子の運動も変動の影響を受ける。そのた
め、陽極先端外表面においてアノードスポットが形成さ
れても時間的に変動する磁場により荷電粒子は外乱を受
けアノードスポットを移動することができる。図２に示
す従来の移行型プラズマ加熱用陽極に比べ、本発明によ
る移行型プラズマ加熱用陽極の寿命は１．５〜２倍に増
加した。
石３６を２個有する。この２個の永久磁石３６ａ、３６
ｂは陽極対称軸に対して対称な位置に設置され、連結棒
４４によって繋がっており、連結棒４４は陽極先端冷却
側中心から垂直上方５ｍｍに設置された回転軸４５と連
結しており、永久磁石３６ａ、３６ｂは回転軸を中心に
円周方向に回転可能である。また、連結棒４４に固定さ
れた羽４６を冷却水路４７内に設置することで、冷却水
の流れ４８により永久磁石３６ａ、３６ｂは円周方向に
回転する。陽極先端外表面近傍において、永久磁石３６
ａ、３６ｂによって形成される磁場３８（図１９参照）
は永久磁石３６ａ、３６ｂが回転することで時間に対し
て周期的に変動する。磁場と運動する荷電粒子は相互作
用するので、時間的に変動する磁場３８によりプラズマ
中のイオンや電子の運動も変動の影響を受ける。そのた
め、陽極先端外表面においてアノードスポットが形成さ
れても時間的に変動する磁場により荷電粒子は外乱を受
けアノードスポットを移動することができる。図２に示
す従来の移行型プラズマ加熱用陽極に比べ、本発明によ
る移行型プラズマ加熱用陽極の寿命は１．５〜２倍に増
加した。
【００２３】
【発明の効果】本発明により、直流電流ツイントーチ型
プラズマ加熱装置の陽極先端の損傷速度を遅延させ、寿
命を延長させることができる。
プラズマ加熱装置の陽極先端の損傷速度を遅延させ、寿
命を延長させることができる。
【図１】タンディッシュとプラズマトーチの概略図。
【図２】従来技術によるタンディッシュ内溶鋼加熱用移
行型プラズマ陽極の概略図。
行型プラズマ陽極の概略図。
【図３】プラズマのピンチ効果の説明図。
【図４】陽極先端凸型変形による電流集中の説明図。
【図５】アノードスポット形成による電流集中の説明
図。
図。
【図６】本発明に係る移行型プラズマ加熱用陽極の１例
の垂直断面図。
の垂直断面図。
【図７】図６で示す移行型プラズマ加熱用陽極の１例の
先端から出る電場の概略図。
先端から出る電場の概略図。
【図８】本発明に係る移行型プラズマ加熱用陽極の１例
の垂直断面図。
の垂直断面図。
【図９】本発明に係る移行型プラズマ加熱用陽極の１例
の垂直断面図。
の垂直断面図。
【図１０】本発明に係る移行型プラズマ加熱用陽極の１
例の垂直断面図。
例の垂直断面図。
【図１１】本発明に係る移行型プラズマ加熱用陽極の１
例の垂直断面図。
例の垂直断面図。
【図１２】本発明に係る移行型プラズマ加熱用陽極の１
例の垂直断面図。
例の垂直断面図。
【図１３】本発明に係る移行型プラズマ加熱用陽極の１
例の垂直断面図。
例の垂直断面図。
【図１４】クリープ変形量の材質比較。
【図１５】図１４で示されるグラフの説明図。
【図１６】図２で示される従来技術による移行型プラズ
マ加熱用陽極の先端から出る電場の概略図。
マ加熱用陽極の先端から出る電場の概略図。
【図１７】図１２で示される移行型プラズマ加熱用陽極
の水平断面図。
の水平断面図。
【図１８】図１３で示される移行型プラズマ加熱用陽極
の水平断面図。
の水平断面図。
【図１９】図１３で示される本発明における、磁場の概
略図。
略図。
【図２０】図１０で示される移行型プラズマ加熱用陽極
の水平断面図。
の水平断面図。
１ タンディッシュ ３ 陽極 ５ 溶鋼 ６ プラズマアーク ７ 電子の流れ ９ 仕切版 １７ 陽極先端外表面中心部 １９ 電流 ２１ プラズマ中の電子 ２３ 陽極先端凸変形部 ２６ 陽極先端外表面 ３１ アノードスポット ２９ 陽極先端外表面クラウン ３２ 電場 ３４ リブ ３６，３６ａ，３６ｂ 永久磁石 ３８ 磁場 ４０ 陽極先端凹部 ４２ 作動ガス吹き出し口 ４３ 第２の気体供給手段（作動ガス吹き出し用小管）
フロントページの続き (72)発明者 三武 裕幸 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 川畑 輝夫 北海道室蘭市仲町12番地 新日本製鐵株式 会社室蘭製鐵所内 (72)発明者 木下 潤一 千葉県君津市君津１番地 新日本製鐵株式 会社君津製鐵所内 (72)発明者 今永 克洋 千葉県君津市君津１番地 新日本製鐵株式 会社君津製鐵所内 (72)発明者 土岐 正弘 千葉県君津市君津１番地 新日本製鐵株式 会社君津製鐵所内 (72)発明者 木村 欣晃 千葉県君津市君津１番地 新日本製鐵株式 会社君津製鐵所内 Ｆターム(参考） 4E014 AA01 EA01
Claims (9)
- 【請求項１】直流電流を容器内の溶融金属に通電し、Ａ
ｒプラズマを発生させながら溶融金属を加熱する移行型
プラズマトーチであって、内部水冷構造を有する導電性
金属からなる陽極と、前記陽極の外側に一定の間隔を設
け内部水冷構造を有する金属製保護体と、前記陽極と前
記保護体の間隙にＡｒを含有する気体を供給する気体供
給手段を有し、前記陽極先端外表面の中心部が内側に凹
んでいることを特徴とする移行型プラズマ加熱用陽極。 - 【請求項２】直流電流を容器内の溶融金属に通電し、Ａ
ｒプラズマを発生させながら溶融金属を加熱する移行型
プラズマトーチであって、内部水冷構造を有する導電性
金属からなる陽極と、前記陽極の外側に一定の間隔を設
け内部水冷構造を有する金属製保護体と、前記陽極と前
記保護体の間隙にＡｒを含有する気体を供給する気体供
給手段を有し、前記陽極先端外表面の全体が内側に凹ん
でいることを特徴とする移行型プラズマ加熱用陽極。 - 【請求項３】直流電流を容器内の溶融金属に通電し、Ａ
ｒプラズマを発生させながら溶融金属を加熱する移行型
プラズマトーチであって、内部水冷構造を有する導電性
金属からなる陽極と、前記陽極の外側に一定の間隔を設
け内部水冷構造を有する金属製保護体と、前記陽極と前
記保護体の間隙にＡｒを含有する気体を供給する気体供
給手段を有し、前記陽極先端冷却面にリブを有すること
を特徴とする移行型プラズマ加熱用陽極。 - 【請求項４】直流電流を容器内の溶融金属に通電し、Ａ
ｒプラズマを発生させながら溶融金属を加熱する移行型
プラズマトーチであって、内部水冷構造を有する導電性
金属からなる陽極と、前記陽極の外側に一定の間隔を設
け内部水冷構造を有する金属製保護体と、前記陽極と前
記保護体の間隙にＡｒを含有する気体を供給する第１の
気体供給手段を有し、前記陽極内部に第２の気体供給手
段を有し、前記第２の気体供給手段は陽極先端外表面よ
り気体を吹き出す機能を有することを特徴とする移行型
プラズマ加熱用陽極。 - 【請求項５】陽極先端外表面の中心部及び全体が内側に
凹んでいることを特徴とする請求項１に記載の移行型プ
ラズマ加熱用陽極。 - 【請求項６】陽極先端冷却面にリブを有することを特徴
とする請求項１，２又は５のいずれか１項に記載の移行
型プラズマ加熱用陽極。 - 【請求項７】陽極内部に第２の気体供給手段を有し、前
記第２の気体供給手段は陽極先端外表面より気体を吹き
出す機能を有することを特徴とする請求項１，２，３，
５又は６のいずれか１項に記載の移行型プラズマ加熱用
陽極。 - 【請求項８】陽極先端外表面の全体及び／又は中心部が
凹んでおり、かつ、前記陽極先端の内側に円周方向に回
転自在な１又は２以上の永久磁石を有することを特徴と
する請求項１から７のいずれか１項に記載の移行型プラ
ズマ加熱用陽極。 - 【請求項９】少なくとも陽極先端材質をＣｒ又はＺｒを
含む銅合金とする請求項１から８のいずれかに記載の移
行型プラズマ加熱用陽極。
Priority Applications (9)
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|---|---|---|---|
| JP35377299A JP3682192B2 (ja) | 1999-12-13 | 1999-12-13 | 移行型プラズマ加熱用陽極 |
| TW089126456A TW469757B (en) | 1999-12-13 | 2000-12-12 | A transferred plasma heating anode |
| CA002362657A CA2362657C (en) | 1999-12-13 | 2000-12-13 | A transferred plasma heating anode |
| BRPI0008795-5B1A BR0008795B1 (pt) | 1999-12-13 | 2000-12-13 | Anodo de aquecimento de plasma transferido |
| AU18886/01A AU762693B2 (en) | 1999-12-13 | 2000-12-13 | Transfer-type plasma heating anode |
| KR10-2001-7010216A KR100480964B1 (ko) | 1999-12-13 | 2000-12-13 | 이행형 플라즈마 가열용 양극 |
| US09/913,342 US6649860B2 (en) | 1999-12-13 | 2000-12-13 | Transfer type plasma heating anode |
| PCT/JP2000/008828 WO2001043511A1 (fr) | 1999-12-13 | 2000-12-13 | Anode de chauffage de plasma de type transfert |
| EP00981694A EP1154678A4 (en) | 1999-12-13 | 2000-12-13 | ANODE FOR HEATING TRANSFER TYPE PLASMA |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35377299A JP3682192B2 (ja) | 1999-12-13 | 1999-12-13 | 移行型プラズマ加熱用陽極 |
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|---|---|
| JP2001170760A true JP2001170760A (ja) | 2001-06-26 |
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Family
ID=18433121
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35377299A Expired - Fee Related JP3682192B2 (ja) | 1999-12-13 | 1999-12-13 | 移行型プラズマ加熱用陽極 |
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|---|---|
| JP (1) | JP3682192B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002307160A (ja) * | 2001-04-11 | 2002-10-22 | Nippon Steel Corp | 移行型プラズマ加熱用陽極 |
| JP2018507316A (ja) * | 2014-12-12 | 2018-03-15 | エリコン メテコ（ユーエス）インコーポレイテッド | プラズマガンノズルの腐食防止及びガンノズルの腐食防止方法 |
-
1999
- 1999-12-13 JP JP35377299A patent/JP3682192B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002307160A (ja) * | 2001-04-11 | 2002-10-22 | Nippon Steel Corp | 移行型プラズマ加熱用陽極 |
| JP2018507316A (ja) * | 2014-12-12 | 2018-03-15 | エリコン メテコ（ユーエス）インコーポレイテッド | プラズマガンノズルの腐食防止及びガンノズルの腐食防止方法 |
| US11511298B2 (en) | 2014-12-12 | 2022-11-29 | Oerlikon Metco (Us) Inc. | Corrosion protection for plasma gun nozzles and method of protecting gun nozzles |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3682192B2 (ja) | 2005-08-10 |
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