JP2002307160A - 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、前記陽極先端材質がタングステンを７０
％ｗｔ以上含むタングステンと銅の焼結合金であり、陽
極先端半径Ｒ［ｍｍ］と厚みＤ［ｍｍ］が（１）式を満
たすことを特徴とする移行型プラズマ加熱用陽極。 ０．０８ ＜ Ｄ／Ｒ ＜ ０．２２
（１）
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、前記陽極先端材質がタングステンを７０
％ｗｔ以上含むタングステンと銅の焼結合金であり、陽
極先端半径Ｒ［ｍｍ］と厚みＤ［ｍｍ］が（１）式を満
たすことを特徴とする移行型プラズマ加熱用陽極。 ０．０８ ＜ Ｄ／Ｒ ＜ ０．２２
（１）
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。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、１０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。
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。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、１０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。
【０００３】
【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。例え
ば、電流３０００［Ａ］のとき、先端にかかる熱負荷は
平均３０［ＭＷ／ｍ２］程度と非常に大きい。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。また、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。
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。例え
ば、電流３０００［Ａ］のとき、先端にかかる熱負荷は
平均３０［ＭＷ／ｍ２］程度と非常に大きい。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。また、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。
【０００４】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）。
【０００５】また、図４に示す様に、陽極先端の材質強
度が低く先端厚みが十分でない場合、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。尚、本発明において、陽極先端とは陽
極３のうち溶鋼に面している面をいう。この陽極先端に
おける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１
７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。特に、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。
度が低く先端厚みが十分でない場合、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。尚、本発明において、陽極先端とは陽
極３のうち溶鋼に面している面をいう。この陽極先端に
おける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１
７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。特に、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。
【０００６】図７ａから図７ｄ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
の清浄性が良好な初期状態（図７ａ）において、電子２
１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
になることで先端が融解・蒸発し外表面中心近傍に金属
蒸気の雲２７を形成する（図７ｂ）。電子２１の衝突に
より、蒸発した金属金属原子２８の中の電子は励起し、
電離する。この時、金属イオン３０より電離した電子２
９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、金属イオン３０は移動度が
小さく蒸気雲２７中に停滞するので、蒸気雲は正に帯電
する（図７ｃ）。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７ｄ）。結果として、アノード
スポット３１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。特に、陽極先端厚みが厚すぎ
ると陽極表面温度は高くなりやすく、操業中定常的に表
面温度が融点を越える様な場合は上記アークスポット発
生を促し陽極の耐用時間を著しく短縮してしまうおそれ
がある。
電流集中について説明したものである。陽極先端外表面
の清浄性が良好な初期状態（図７ａ）において、電子２
１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
になることで先端が融解・蒸発し外表面中心近傍に金属
蒸気の雲２７を形成する（図７ｂ）。電子２１の衝突に
より、蒸発した金属金属原子２８の中の電子は励起し、
電離する。この時、金属イオン３０より電離した電子２
９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、金属イオン３０は移動度が
小さく蒸気雲２７中に停滞するので、蒸気雲は正に帯電
する（図７ｃ）。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７ｄ）。結果として、アノード
スポット３１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。特に、陽極先端厚みが厚すぎ
ると陽極表面温度は高くなりやすく、操業中定常的に表
面温度が融点を越える様な場合は上記アークスポット発
生を促し陽極の耐用時間を著しく短縮してしまうおそれ
がある。
【０００７】本出願人は特願平１１−３６８２５５号に
て、陽極先端の溶損防止を目的として、陽極材質を銅３
０〜５０％、タングステン７０〜５０％からなる銅タン
グステン合金とすることを開示した。しかし、特願平１
１−３６８２５５号に開示した発明は陽極先端の厚みの
点から長寿命化を検討していなかった。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
形状及び材質を提供することを目的とする。
て、陽極先端の溶損防止を目的として、陽極材質を銅３
０〜５０％、タングステン７０〜５０％からなる銅タン
グステン合金とすることを開示した。しかし、特願平１
１−３６８２５５号に開示した発明は陽極先端の厚みの
点から長寿命化を検討していなかった。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
形状及び材質を提供することを目的とする。
【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、前記陽極先端がタングステンを７０〜９５％含
むタングステンと銅の焼結合金からなり、陽極先端半径
Ｒ［ｍｍ］と厚みＤ［ｍｍ］が（１）式を満たすことを
特徴とする移行型プラズマ加熱用陽極。 ０．０８ ＜ Ｄ／Ｒ ＜ ０．２２ （１） （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、前記陽極先端がタングステンからなあり、陽極
先端半径Ｒ［ｍｍ］と厚みＤ［ｍｍ］が（２）式を満た
すことを特徴とする移行型プラズマ加熱用陽極。 ０．０６ ＜ Ｄ／Ｒ ＜ ０．２ （２） 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、前記陽極先端がタングステンを７０〜９５％含
むタングステンと銅の焼結合金からなり、陽極先端半径
Ｒ［ｍｍ］と厚みＤ［ｍｍ］が（１）式を満たすことを
特徴とする移行型プラズマ加熱用陽極。 ０．０８ ＜ Ｄ／Ｒ ＜ ０．２２ （１） （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、前記陽極先端がタングステンからなあり、陽極
先端半径Ｒ［ｍｍ］と厚みＤ［ｍｍ］が（２）式を満た
すことを特徴とする移行型プラズマ加熱用陽極。 ０．０６ ＜ Ｄ／Ｒ ＜ ０．２ （２） である。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明者らは陽極先端の寿命に及
ぼす陽極先端の凸変形量と陽極先端の材質の影響につい
て検討を行った。図５に示す断面形状をもつ陽極先端で
材質として無酸素銅、タングステン７０質量％−Ｃｕ３
０質量％からなるタングステン銅の焼結合金、タングス
テン８０質量％−Ｃｕ２０質量％からなるタングステン
銅の焼結合金又はタングステンを選び、プラズマ加熱出
力１ＭＷであるとき、図５中δで示される凸変形量を変
化させた場合の陽極寿命を図６に示す。この図から、先
端材質が無酸素銅、タングステンを７０％ｗｔ含むタン
グステン銅、タングステンを８０％ｗｔ含むタングステ
ン銅又はタングステンの場合、δがそれぞれ０．５ｍ
ｍ、１ｍｍ、１ｍｍ又は１．２ｍｍを越えると陽極の寿
命は極端に短くなる。このグラフから、陽極先端が凸変
形を生じることで寿命に至ることがわかる。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、強度低下による凸変形やアノードスポ
ットの形成による先端溶融を防止し陽極寿命延長のため
に、陽極先端の材質や陽極先端にかかる熱負荷によって
陽極先端の厚みを適正範囲に規定するものである。
ぼす陽極先端の凸変形量と陽極先端の材質の影響につい
て検討を行った。図５に示す断面形状をもつ陽極先端で
材質として無酸素銅、タングステン７０質量％−Ｃｕ３
０質量％からなるタングステン銅の焼結合金、タングス
テン８０質量％−Ｃｕ２０質量％からなるタングステン
銅の焼結合金又はタングステンを選び、プラズマ加熱出
力１ＭＷであるとき、図５中δで示される凸変形量を変
化させた場合の陽極寿命を図６に示す。この図から、先
端材質が無酸素銅、タングステンを７０％ｗｔ含むタン
グステン銅、タングステンを８０％ｗｔ含むタングステ
ン銅又はタングステンの場合、δがそれぞれ０．５ｍ
ｍ、１ｍｍ、１ｍｍ又は１．２ｍｍを越えると陽極の寿
命は極端に短くなる。このグラフから、陽極先端が凸変
形を生じることで寿命に至ることがわかる。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、強度低下による凸変形やアノードスポ
ットの形成による先端溶融を防止し陽極寿命延長のため
に、陽極先端の材質や陽極先端にかかる熱負荷によって
陽極先端の厚みを適正範囲に規定するものである。
【００１０】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で電流密度を低下させること
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、陽極先端を適当な材
質、先端半径、先端厚みとすることで凸変形を抑え陽極
先端外表面中心部への電流集中を防止する必要がある。
具体的には、ある陽極先端半径に対して先端厚みを確保
することで陽極の剛性を保つことができる。しかし、先
端厚みを大きくとりすぎると、先端外表面温度が上昇し
先端が溶融し、それ以上厚みを増しても剛性は変わらな
い。また、外表面が溶融し先端から金属蒸気を発すると
電流集中を招き、かえって寿命を低下させる原因になる
おそれがある。従って、陽極先端の厚みを材質よって適
正に設計することは、陽極の耐用時間を延長させる上で
重要である。
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で電流密度を低下させること
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、陽極先端を適当な材
質、先端半径、先端厚みとすることで凸変形を抑え陽極
先端外表面中心部への電流集中を防止する必要がある。
具体的には、ある陽極先端半径に対して先端厚みを確保
することで陽極の剛性を保つことができる。しかし、先
端厚みを大きくとりすぎると、先端外表面温度が上昇し
先端が溶融し、それ以上厚みを増しても剛性は変わらな
い。また、外表面が溶融し先端から金属蒸気を発すると
電流集中を招き、かえって寿命を低下させる原因になる
おそれがある。従って、陽極先端の厚みを材質よって適
正に設計することは、陽極の耐用時間を延長させる上で
重要である。
【００１１】従来、高出力移行型プラズマ加熱用陽極先
端材質の多くは無酸素銅であった。図８は、陽極先端が
無酸素銅からなり先端半径Ｒ＝２０ｍｍであり、１ＭＷ
の一定出力にて繰り返し使用し総使用時間が１０時間使
用後における凸変形量δ［ｍｍ］の初期先端厚みＤ［ｍ
ｍ］による変化分布を示す。この分布から、初期厚みＤ
が４ｍｍ以下では凸変形量δが０．５ｍｍとなり、ま
た、４ｍｍ以上にしても凸変形量はそれほど変化しない
ことがわかる。これは、厚み４ｍｍ以上にしても、先端
外表面側一部が高温になりすぎ軟化もしくは溶融してお
り剛性が低下しているためと考えられる。図６で示した
ように、無酸素銅の場合、凸変形量δが０．５ｍｍを越
えると極端に寿命は短くなる。よって、陽極先端が無酸
素銅の場合、先端厚みは４ｍｍ以上必要である。次に、
出力１ＭＷにおける陽極先端外表面中央温度Ｔｓに及ぼ
す先端厚みＤの影響は図９の様になる。厚みＤが３ｍｍ
を越えると先端外表面が融点を越える。しかし、図７で
示したように、先端材質が無酸素銅の場合、先端厚みは
４ｍｍ以上必要であるため、高出力移行型プラズマ加熱
用陽極として長寿命を狙い無酸素銅を先端材質に適用す
るのは望ましくない。実際、陽極先端材質が無酸素銅の
場合、寿命は１０〜２０時間と短い。
端材質の多くは無酸素銅であった。図８は、陽極先端が
無酸素銅からなり先端半径Ｒ＝２０ｍｍであり、１ＭＷ
の一定出力にて繰り返し使用し総使用時間が１０時間使
用後における凸変形量δ［ｍｍ］の初期先端厚みＤ［ｍ
ｍ］による変化分布を示す。この分布から、初期厚みＤ
が４ｍｍ以下では凸変形量δが０．５ｍｍとなり、ま
た、４ｍｍ以上にしても凸変形量はそれほど変化しない
ことがわかる。これは、厚み４ｍｍ以上にしても、先端
外表面側一部が高温になりすぎ軟化もしくは溶融してお
り剛性が低下しているためと考えられる。図６で示した
ように、無酸素銅の場合、凸変形量δが０．５ｍｍを越
えると極端に寿命は短くなる。よって、陽極先端が無酸
素銅の場合、先端厚みは４ｍｍ以上必要である。次に、
出力１ＭＷにおける陽極先端外表面中央温度Ｔｓに及ぼ
す先端厚みＤの影響は図９の様になる。厚みＤが３ｍｍ
を越えると先端外表面が融点を越える。しかし、図７で
示したように、先端材質が無酸素銅の場合、先端厚みは
４ｍｍ以上必要であるため、高出力移行型プラズマ加熱
用陽極として長寿命を狙い無酸素銅を先端材質に適用す
るのは望ましくない。実際、陽極先端材質が無酸素銅の
場合、寿命は１０〜２０時間と短い。
【００１２】上記（１）に係る本発明に関して、本発明
者らは無酸素銅に代わるプラズマ加熱用陽極の先端材質
としてタングステンと銅の焼結合金を検討した。図１０
は、陽極先端材質がタングステン７０質量％−Ｃｕ３０
質量％及びタングステン８０質量％−Ｃｕ２０質量％の
Ｗ−Ｃｕ焼結合金で、先端半径Ｒが１５ｍｍ、２０ｍｍ
および２５ｍｍであり、１ＭＷの一定出力にて繰り返し
使用し総使用時間が１０時間使用後における凸変形量δ
［ｍｍ］を初期先端厚みＤ［ｍｍ］と先端半径Ｒの比Ｄ
／Ｒで整理したものである（図１０の記号は図６と同
じ）。このグラフから、タングステンの組成比が７０質
量％と８０質量％ではそれほど差がなく、Ｄ／Ｒが０．
０８以下では凸変形量δが１ｍｍとなり、また、０．０
８より大きいとδは急激に小さくなることがわかる。図
６で示したように、タングステン銅の場合、凸変形量δ
が１ｍｍを越えると変形は加速的に進行し極端に寿命は
短くなる。よって、Ｄ／Ｒ＞０．０８とすることで陽極
の耐用時間が長くなることが期待できる。次に、出力１
ＭＷにおける陽極先端外表面中央温度Ｔ Ｓに及ぼすＤ／
Ｒの影響は図１１の様になる。
者らは無酸素銅に代わるプラズマ加熱用陽極の先端材質
としてタングステンと銅の焼結合金を検討した。図１０
は、陽極先端材質がタングステン７０質量％−Ｃｕ３０
質量％及びタングステン８０質量％−Ｃｕ２０質量％の
Ｗ−Ｃｕ焼結合金で、先端半径Ｒが１５ｍｍ、２０ｍｍ
および２５ｍｍであり、１ＭＷの一定出力にて繰り返し
使用し総使用時間が１０時間使用後における凸変形量δ
［ｍｍ］を初期先端厚みＤ［ｍｍ］と先端半径Ｒの比Ｄ
／Ｒで整理したものである（図１０の記号は図６と同
じ）。このグラフから、タングステンの組成比が７０質
量％と８０質量％ではそれほど差がなく、Ｄ／Ｒが０．
０８以下では凸変形量δが１ｍｍとなり、また、０．０
８より大きいとδは急激に小さくなることがわかる。図
６で示したように、タングステン銅の場合、凸変形量δ
が１ｍｍを越えると変形は加速的に進行し極端に寿命は
短くなる。よって、Ｄ／Ｒ＞０．０８とすることで陽極
の耐用時間が長くなることが期待できる。次に、出力１
ＭＷにおける陽極先端外表面中央温度Ｔ Ｓに及ぼすＤ／
Ｒの影響は図１１の様になる。
【００１３】Ｄ／Ｒが０．２を越えると先端外表面が融
点を越える。ただし、この場合の融点は、陽極の剛性に
大きく寄与しているタングステンの融点（＝３４００
℃）である。従って、陽極先端材質がタングステン７０
％ｗｔおよび８０％ｗｔのＷＣｕの場合、移行型プラズ
マ加熱用陽極として耐用時間を長く狙うために（１）式
を満たすことが必要であり、好ましくは０．１５≦Ｄ／
Ｒ，更に望ましくは０．２≦Ｄ／Ｒである。 ０．０８ ＜ Ｄ／Ｒ ＜ ０．２２ （１）
点を越える。ただし、この場合の融点は、陽極の剛性に
大きく寄与しているタングステンの融点（＝３４００
℃）である。従って、陽極先端材質がタングステン７０
％ｗｔおよび８０％ｗｔのＷＣｕの場合、移行型プラズ
マ加熱用陽極として耐用時間を長く狙うために（１）式
を満たすことが必要であり、好ましくは０．１５≦Ｄ／
Ｒ，更に望ましくは０．２≦Ｄ／Ｒである。 ０．０８ ＜ Ｄ／Ｒ ＜ ０．２２ （１）
【００１４】次に（２）に係る本発明に関して、プラズ
マ加熱用陽極の先端材質としてタングステンがある。図
１２と１３はそれぞれ、陽極先端材質がタングステンの
場合の図１０と１１と同様のグラフである。図１２と１
３から、陽極先端材質がタングステンの場合、移行型プ
ラズマ加熱用陽極として耐用時間を長く狙うために
（２）式を満たすことが望ましい。 ０．０６ ＜ Ｄ／Ｒ ＜０．２ （２）
マ加熱用陽極の先端材質としてタングステンがある。図
１２と１３はそれぞれ、陽極先端材質がタングステンの
場合の図１０と１１と同様のグラフである。図１２と１
３から、陽極先端材質がタングステンの場合、移行型プ
ラズマ加熱用陽極として耐用時間を長く狙うために
（２）式を満たすことが望ましい。 ０．０６ ＜ Ｄ／Ｒ ＜０．２ （２）
【００１５】（実施例）以下に本発明の実施例について
説明する。図１４に示す様に、本発明例として，陽極先
端３の材質をタングステン７０質量％−Ｃｕ３０質量％
またはタングステン８０質量−Ｃｕ２０質量％からなる
タングステン銅焼結合金とし、陽極先端半径Ｒ＝２０ｍ
ｍ、先端厚みＤ＝４ｍｍとした（Ｄ／Ｒ＝０．２）。比
較例として，本発明例と同様の形状を有し、先端材質を
無酸化銅としたものを製造し，６０トンタンディッシュ
に設置し実用鋼にて試験した。これにより、比較例に比
べ、本発明例の移行型プラズマ加熱用陽極の寿命は５〜
１０倍に増加した。
説明する。図１４に示す様に、本発明例として，陽極先
端３の材質をタングステン７０質量％−Ｃｕ３０質量％
またはタングステン８０質量−Ｃｕ２０質量％からなる
タングステン銅焼結合金とし、陽極先端半径Ｒ＝２０ｍ
ｍ、先端厚みＤ＝４ｍｍとした（Ｄ／Ｒ＝０．２）。比
較例として，本発明例と同様の形状を有し、先端材質を
無酸化銅としたものを製造し，６０トンタンディッシュ
に設置し実用鋼にて試験した。これにより、比較例に比
べ、本発明例の移行型プラズマ加熱用陽極の寿命は５〜
１０倍に増加した。
【００１６】
【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】先端が凸形状である陽極の垂直断面図
【図６】凸変形量に対する陽極寿命のグラフ。
【図７】アノードスポット形成による電流集中の説明
図。
図。
【図８】無酸素銅先端陽極の先端厚み変化に対する先端
凸変形量のグラフ。
凸変形量のグラフ。
【図９】無酸素銅先端陽極の先端厚み変化に対する先端
外表面中央温度のグラフ。
外表面中央温度のグラフ。
【図１０】タングステン銅先端陽極の先端厚み変化に対
する先端凸変形量のグラフ。
する先端凸変形量のグラフ。
【図１１】タングステン銅先端陽極の先端厚み変化に対
する先端外表面中央温度のグラフ。
する先端外表面中央温度のグラフ。
【図１２】タングステン先端陽極の先端厚み変化に対す
る先端凸変形量のグラフ。
る先端凸変形量のグラフ。
【図１３】タングステン先端陽極の先端厚み変化に対す
る先端外表面中央温度のグラフ。
る先端外表面中央温度のグラフ。
【図１４】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。
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 １０ 冷却水の流れ 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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｈ 1/34 Ｈ０５Ｈ 1/34 Ｆターム(参考） 4E014 AA01 4K001 AA10 FA12 GA18 GB11 GB12 4K013 AA09 CD02 CF11
Claims (2)
- 【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、 前記陽極先端がタングステンを７０〜９５質量％含むタ
ングステンと銅の焼結合金からなり、 陽極先端半径Ｒ［ｍｍ］と厚みＤ［ｍｍ］が（１）式を
満たすことを特徴とする移行型プラズマ加熱用陽極。 ０．０８ ＜ Ｄ／Ｒ ＜ ０．２２ （１） - 【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、 前記陽極の先端がタングステンからなり、 陽極先端半径Ｒ［ｍｍ］と厚みＤ［ｍｍ］が（２）式を
満たすことを特徴とする移行型プラズマ加熱用陽極。 ０．０６ ＜ Ｄ／Ｒ ＜ ０．２ （２）
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001112938A JP2002307160A (ja) | 2001-04-11 | 2001-04-11 | 移行型プラズマ加熱用陽極 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001112938A JP2002307160A (ja) | 2001-04-11 | 2001-04-11 | 移行型プラズマ加熱用陽極 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002307160A true JP2002307160A (ja) | 2002-10-22 |
Family
ID=18964250
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001112938A Pending JP2002307160A (ja) | 2001-04-11 | 2001-04-11 | 移行型プラズマ加熱用陽極 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002307160A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103317127A (zh) * | 2012-03-21 | 2013-09-25 | 鞍山华士金属制品有限公司 | 一种环保节能可调控电加热钢包或砂型的装置及其方法 |
Citations (10)
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| JPH051317A (ja) * | 1991-06-24 | 1993-01-08 | Kobe Steel Ltd | 溶鋼のプラズマ加熱方法 |
| JP2001170760A (ja) * | 1999-12-13 | 2001-06-26 | Nippon Steel Corp | 移行型プラズマ加熱用陽極 |
| JP2001179426A (ja) * | 1999-12-24 | 2001-07-03 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | タンディッシュ内溶鋼加熱用アノードプラズマトーチ |
| JP2004047362A (ja) * | 2002-07-15 | 2004-02-12 | Nippon Steel Corp | タンディシュ内溶鋼加熱用プラズマトーチ |
| JP3595475B2 (ja) * | 1999-12-13 | 2004-12-02 | 新日本製鐵株式会社 | 移行型プラズマ加熱用陽極 |
-
2001
- 2001-04-11 JP JP2001112938A patent/JP2002307160A/ja active Pending
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