JP2005235709A

JP2005235709A - プラズマトーチの構造

Info

Publication number: JP2005235709A
Application number: JP2004046848A
Authority: JP
Inventors: Nagayoshi Wakita; 修至脇田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】プラズマトーチのノズル筒における先端ノズルとノズル内外筒との接合部において、健全な接合を低コストで実現することができるプラズマトーチの構造を提供すること。
【解決手段】プラズマ形成用のガスを噴出するプラズマトーチ１において、プラズマトーチ１の中央部にプラズマアーク発生用電極端８を配設し、アーク発生用電極端８を包囲してノズル筒２を配設した。ノズル筒２は先端ノズル６とノズル外筒部３とノズル内筒部４を有し、ノズル外筒部３はノズル外筒３ａと接合部材３ｂによって構成した。この構成において、先端ノズル６と接合部材３ｂとの接合部を減圧下で銀ロー接合し、接合部材３ｂとノズル外筒３ａとの接合部を溶接接合した。また、ノズル内筒部４をノズル内筒４ａと接合部材４ｂによって構成し、先端ノズル６と接合部材４ｂとの接合部を減圧下で銀ロー接合し、接合部材４ｂとノズル内筒４ａとの接合部を溶接接合した。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ形成用のガスを噴出するプラズマトーチの構造に関するものであり、特にタンディッシュ内の溶鋼を加熱・精錬するためのプラズマトーチの構造に関するものである。

プラズマトーチから噴出するガスを高温のプラズマガスとし、該プラズマガスを用いて金属プロセスにおける精錬、溶解、加熱、溶射、表面改質あるいは廃棄物等の処理を行う方法が知られている。このプラズマトーチとしては、カソードプラズマトーチと対象物との間、あるいはアノードプラズマトーチと対象物との間にプラズマアークを発生させる移行型プラズマトーチと、プラズマトーチ内のアノードとカソードとの間にプラズマアークを発生させる非移行型プラズマトーチとが用いられている。移行型プラズマトーチにおいては、１対のプラズマトーチを用い、一方をアノードプラズマトーチ、他方をカソードプラズマトーチとしてプラズマアークを発生させることもできる。

従来、プラズマトーチの構造としては、特許文献１に開示されているものが知られている。図４は、特許文献１に開示されているプラズマトーチの構造を示す。同図に示すプラズマトーチは、カソードプラズマトーチによる移行型プラズマトーチであり、カソード電極端１４と先端ノズル１３の間でまずプラズマアーク（パイロットアーク２１）を発生させ、そのプラズマアークを加熱対象物２２に移行させることによりカソード電極端１４と加熱対象物２２との間にプラズマアーク（メインアーク２３）を発生させる。この場合、加熱対象物２２がアノードの役割をする。アノードプラズマトーチを用いた場合は、トーチの先端がアノード電極端となり、同様に加熱対象物との間にプラズマアークを発生させる。

このようなプラズマトーチは、例えば、図３に示すようにタンディッシュ内溶鋼の加熱装置として使用されている。図３に示す加熱装置３０は、ツイントーチ加熱装置と呼ばれるものであり、容器２９としてのタンディッシュの蓋２５に設けられた天井壁に、プラズマ形成用のガスを噴出する１対のプラズマトーチ（１、１ａ）が挿入、進退自在に設けられている。プラズマトーチの一方をアノードプラズマトーチ１ａ、他方をカソードプラズマトーチ１とする。そして、直流電源装置２６の正側にアノードプラズマトーチ１ａを接続し、負側にカソードプラズマトーチ１を接続し、各プラズマトーチと溶鋼２７との間にプラズマアークを形成することにより溶鋼２７を加熱する。電流はアノードプラズマトーチ１ａの電極端からメインアークを経由して溶鋼２７に流れ、さらにカソードプラズマトーチ１のメインアークを経由してカソードプラズマトーチ１の電極端に流れる。このような加熱装置３０は、例えば特許文献２に開示されている。

上述のプラズマトーチの構造において、カソード及びアノードの電極端は、プラズマアークによる熱により高温になる。そのため、電極端の冷却が必要であり、例えば図４に示すカソードプラズマトーチでは、カソード電極端１４に通電用銅チューブ１７を接続し、通電用銅チューブ１７の内部に冷却水仕切管１８を配置して二重管構造の冷却水通路１９を形成し、通電用銅チューブ１７の内部に冷却水を循環させることによりカソード電極端１４を冷却するようにしている。また、カソード電極端１４の周囲を囲むように先端ノズル１３を配置し、先端ノズル１３の上部に二重管としたノズル筒１５を配置し、ノズル筒１５の外筒部（ノズル外筒）と内筒部（ノズル内筒）との間に冷却水仕切筒１６を配置して三重管構造とした冷却水通路１９を形成し、ノズル筒１５の内部に冷却水を循環させることにより先端ノズル１３を冷却するようにしている。さらに、ノズル筒１５と通電用銅チューブ１７との間にはアルゴンガス供給路１２を設けている。

ただし、このような冷却機構を設けたとしても、プラズマトーチを長時間使用すると、カソードあるいはアノードの電極端は熱により溶損するため取り替える必要がある。プラズマトーチは軸方向に長いものや曲管を持っているものもあり、製作コストを下げるため、組み立て・部品交換を容易にするため、部品の接合に互換性を持たせるため、といった理由により、溶損した先端部のみを取り替えられるようにねじ構造で連結した構造となっている。例えば４においては、電極端１４と通電用銅チューブ１７との間がねじ部２０によって結合されている。同図の場合は、先端ノズル１３とノズル筒１５の間もネジ部２０によって接合されているが、特に上述のようなツイントーチ加熱装置として使用した場合、先端ノズル１３とノズル外筒１５との接合部に他方のトーチとの間でプラズマアークが発生するサイドアークが発生しやすく、ねじ止め構造として交換可能とする部分は、電極端１４部分でしか採用できない。

一方、ノズル筒１５先端に配置される先端ノズル１３は、上述のようにパイロットアーク２１を発生させる電極として機能するほか、プラズマアークの安定性のためにも必要である。この先端ノズル１３はアークからの輻射熱を受けるため、その材質としては熱伝導性の良好な銅が使用される。そして、先端ノズル１３の上部に連結されているノズル外筒及びノズル内筒は、薄肉化による冷却水圧損の低減と耐食性と強度確保の点からステンレス鋼管が採用されている。そして、先端ノズル１３とノズル内筒及びノズル外筒との接合部は、上述のとおり通常はねじ止め構造とはせず、その代わりに銀ロウ接合によって接合されていた。

銀ロウ接合は、接合する母材である先端ノズルとノズル内外筒とを溶融させることなく、接合部の間隙中に溶融した銀ロウを流入させ、冷却・凝固させて接合を行う接合方法であるため、接合に伴う母材の性質劣化が少ない。そのため銀ロウ接合は、銅製の先端ノズルとステンレス鋼製のノズル内外筒という異種金属同士の接合に好適である。

銀ロウ接合においては、接合界面に流し込んだ銀ロウが十分に行き渡り、銀ロウが銅製先端ノズル及びステンレス鋼製ノズル筒と良好に接合することが必要である。一方、ステンレス材料は、銀ロウ接合の際の加熱時に表面に厚い安定した不動態皮膜（Ｃｒ₂Ｏ₃）を生じることで、銀ロウが流れ込みにくくなりやすい。銀ロウ接合は一般的に大気中で行われ、通常、ノズル内筒側を接合した後に外筒側の接合作業を実施する。そのため、特にノズル外筒側接合部の内側の接合状況は目視で確認することができない状態となり、接合部が銀ロウによって完全に接合されたか否かの確認ができず、不安があった。銀ロウでの接合が不完全な場合、アークによる輻射熱により接合部に熱応力が発生し、接合部が部分的に外れ、ノズル筒内を循環する冷却水の水漏れが発生するという問題が発生する。

この接合不良の問題を解決するため、特許文献３には、銅製の先端ノズルとステンレス鋼製のノズル内外筒との間にステンレス製の接合部材を設ける構造とし、銅とステンレス鋼部分をＨＩＰ処理（ＨｏｔＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓｓｉｎｇ熱間等方圧加圧法：不活性ガス等を圧力媒体とし、高い等方圧力と高温との相乗効果を利用して、異種金属の拡散接合などを行う方法）にて接合した後、ステンレス鋼部分同士を溶接にて接合する方法が開示されている。

しかし、この方法では圧力１００ＭＰａ、温度１１００Ｋ程度で処理する大がかりなＨＩＰ設備と、前処理として絶対圧力１０〜０．０１Ｐａ程度で処理する減圧設備が必要で、経済性の点から従来方法の数倍のコストがかかるという問題があった。さらに、ＨＩＰ処理では圧力媒体として不活性ガスを使用するが、不活性ガスには微量ながらも大気中の酸素ガスが混入しているので、温度１１００Ｋ程度の高温、長時間の熱処理の過程で接合部に酸化被膜が生成して接合不良が発生し、使用時に冷却水の水漏れが度々発生するという問題もあった。
特開平７−３０３９７０号公報特開平８−５２４７号公報特開２００３−２６６１７８号公報

本発明が解決しようとする課題は、プラズマトーチのノズル筒における先端ノズルとノズル内外筒との接合部において、健全な接合を低コストで実現することができるプラズマトーチの構造を提供することにある。

本発明のプラズマトーチの構造は、プラズマ形成用のガスを噴出するプラズマトーチにおいて、前記プラズマトーチの中央部にプラズマアーク発生用電極端を配設し、該アーク発生用電極端を包囲してノズル筒を配設し、該ノズル筒は先端ノズルとノズル外筒部とノズル内筒部を有し、前記ノズル外筒部はノズル外筒と接合部材によって構成され、先端ノズルと接合部材との接合部が減圧下で銀ロー接合されてなり、接合部材とノズル外筒との接合部が溶接接合されてなることを特徴とするものである。

このプラズマトーチの構造において、ノズル内筒部をノズル内筒と接合部材によって構成し、先端ノズルと接合部材との接合部を減圧下で銀ロー接合し、接合部材とノズル内筒との接合部を溶接接合することもできる。

本発明において、銀ロウ接合の好ましい条件は、真空度：絶対圧力０．１〜０．０１Ｐａ、加熱温度：１１００Ｋ程度、保持時間：３０ｍｉｎである。

本発明によれば、プラズマトーチのノズル筒において、銅製の先端ノズルとステンレス鋼製の接合部材との接合に減圧下での銀ロウ接合を採用しているので、その接合部に酸化被膜がほとんど生成することなく、接合部をほぼ完全に密着させることができる。したがって、接合部からの水漏れ事故を皆無とすることが可能となった。また、製作費用も従来のＨＩＰ接合の場合に比べ３０％削減可能となった。

以下、図面に示す実施例に基づき本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明のプラズマトーチの構造をカソードプラズマトーチに適用した例を示す断面図である。同図に示すプラズマトーチの構造の基本構成は、図４に示した従来のものと同様であり、通電用銅チューブ１０を取り囲むように、ノズル筒２が配置されている。ノズル筒２は、ノズル外筒部３、ノズル内筒４及び冷却水仕切筒５による三重管構造となっており、先端には先端ノズル６が配置されている。

本発明においては、ノズル外筒部３をステンレス鋼製のノズル外筒３ａとステンレス鋼製の接合部材３ｂとで構成し、ノズル外筒３ａと先端ノズル６とをスリーブ状の接合部材３ｂを介して接合する。ノズル内筒部４についても同様であり、ノズル内筒部４をステンレス鋼製のノズル内筒４ａとステンレス鋼製の接合部材４ｂとで構成し、ノズル内筒４ａと先端ノズル６とをスリーブ状の接合部材４ｂを介して接合する。具体的には、接合部材３ｂと先端ノズル６との接合部、及び接合部材４ｂと先端ノズル６との接合部は、減圧下で銀ロウ接合し、ノズル外筒３ａと接合部材３ｂとの接合部、及びノズル内筒４ａと接合部材４ｂとの接合部は、溶接接合する。

銀ロウ接合は、真空度を絶対圧力０．１〜０．０１Ｐａとした減圧チャンバー内で行う。実施例では銀ロウ接合時の加熱温度は１１２０Ｋ、保持時間は３０ｍｉｎとした。

溶接接合は、銀ロウ接合後に行う。ノズル外筒３ａ、ノズル内筒４ａ及び接合部材３ｂ、４ｂは何れもステンレス鋼製であって同種溶接となるので、通常の溶接接合によって容易に接合することができ、かつ健全な接合部を形成することができる。溶接方法としては、一般的にはＴＩＧ（タングステンイナートガスアーク）溶接を、場合によっては被覆アーク溶接を採用することができる。

ノズル筒２の組み立てに際しては、まず、先端ノズル６にノズル外筒部３ａ用の接合部材３ｂ及びノズル内筒４ａ用の接合部材４ｂを組み付け、各接合部を上述のとおり減圧下で銀ロウ接合する。次に、ノズル内筒４ａ用の接合部材４ｂにノズル内筒４ａを組み付け、接合部材４ｂとノズル内筒４ａとの接合部を外周側から溶接接合する。さらに、ノズル外筒３ａ用の接合部材３ｂにノズル外筒３ａを組み付け、接合部材３ｂとノズル外筒３ａとの接合部を外周から溶接接合する。その後、ノズル外筒３とノズル内筒４との間に冷却水仕切筒５を装入することにより、三重管としてのノズル筒２が完成する。

以上のように形成したノズル筒２の内周側に、プラズマトーチ用電極を配設する。電極は、通電用銅チューブ１０とその先端に配設する筒状電極７によって構成される。筒状電極７の先端がアーク発生のための電極端８となる。通電用銅チューブ１０内には冷却水仕切筒９を装入し、給水路１１を形成する。通電用銅チューブ１０の先端と筒状電極７にはねじ部２０が存在し、通電用銅チューブ１０のねじ部と筒状電極７のねじ部とを螺合することにより、筒状電極７が通電用銅チューブ１０に結合される。そして、通電用銅チューブ１０に通電することにより、筒状電極７の電極端８と加熱対象物との間にメインアークを形成する。通電用銅チューブ１０及び筒状電極７は、共に銅製とする。

また、筒状電極７の外周と、ノズル筒２のノズル内筒４との間がアルゴンガス供給路１２となり、電極端８と先端ノズル６との間からアルゴンガスが供給される。プラズマ加熱開始時には、電極端８と先端ノズル６との間に電圧を印加すると共にアルゴンガス供給路１２にアルゴンガスを供給してパイロットアークを発生させ、その後、電極端８と加熱対象物との間に電圧を印加しつつ電極端８と先端ノズル６間の電圧を切ることで、プラズマアークを電極端８と加熱対象物との間に移行させる。図１に示すカソードプラズマトーチ１においては、電極端８がカソード、加熱対象物がアノードの役割を果たす。

本発明のプラズマトーチの構造は、図２に示すようにアノードプラズマトーチにも適用できる。図２に示すアノードプラズマトーチ１ａの構成は、図１のカソードプラズマトーチ１と同様であるので、対応する構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。図２に示すアノードプラズマトーチ１ａにおいては、電極端８がアノード、加熱対象物がカソードの役割を果たす。

本発明のプラズマトーチは、図３に示すように、タンディッシュ内の溶鋼加熱に用いると特に好ましい。図３においては、容器２９としてのタンディッシュの蓋２５に設けられた天井壁に、カソードプラズマトーチ１及びアノードプラズマトーチ１ａが挿入され、進退自在に設けられている。タンディッシュ内のトーチが設置された部分が加熱室２４となる。直流電源装置２６の正側にアノードプラズマトーチ１ａを接続し、負側にカソードプラズマトーチ１を接続し、各プラズマトーチと溶鋼２７との間にプラズマアークを形成することにより溶鋼を加熱する。電流はアノードプラズマトーチ１ａの電極端からメインアークを経由して溶鋼２７に流れ、さらにカソードプラズマトーチ１のメインアークを経由してカソードプラズマトーチ１の電極端に流れる。なお、図３中の符号２８はタンディッシュの注入ノズルである。

プラズマ加熱は、カソードプラズマトーチ１あるいはアノードプラズマトーチ１ａの何れか一方のみを用いて行うこともできる。カソードプラズマトーチ１のみを用いて溶融金属の加熱を行う場合を例にとると、溶融金属の容器底部にアノードを配置し、該アノードとカソードプラズマトーチ１の電極端との間に電圧を印加することにより、電極端と溶融金属との間にプラズマアークを形成して溶融金属を加熱することができる。

加熱対象物としては、溶鋼をはじめとする溶融金属のみならず、廃棄物等を加熱することも可能である。

本発明のプラズマトーチの構造をカソードプラズマトーチに適用した例を示す断面図である。本発明のプラズマトーチの構造をアノードプラズマトーチに適用した例を示す断面図である。プラズマトーチを使用したタンディッシュ内溶鋼の加熱装置を示す断面図である。従来のカソードプラズマトーチの構造を示す断面図である。

符号の説明

１プラズマトーチ（カソードプラズマトーチ）
１ａアノードトーチ
２ノズル筒
３ノズル外筒部
３ａノズル外筒
３ｂ接合部材
４ノズル内筒部
４ａノズル内筒
４ｂ接合部材
５冷却水仕切筒
６先端ノズル
７筒状電極
８電極端
９冷却水仕切筒
１０通電用銅チューブ
１１給水路
１２アルゴンガス供給路
１３先端ノズル
１４電極端
１５ノズル筒
１６冷却水仕切筒
１７通電用銅チューブ
１８冷却水仕切筒
１９冷却水通路
２０ねじ部
２１パイロットアーク
２２加熱対象物
２３メインアーク
２４加熱室
２５蓋
２６加熱装置
２７溶融金属
２８注入ノズル
２９容器
３０加熱装置

Claims

プラズマ形成用のガスを噴出するプラズマトーチにおいて、前記プラズマトーチの中央部にプラズマアーク発生用電極端を配設し、該アーク発生用電極端を包囲してノズル筒を配設し、該ノズル筒は先端ノズルとノズル外筒部とノズル内筒部を有し、前記ノズル外筒部はノズル外筒と接合部材によって構成され、先端ノズルと接合部材との接合部が減圧下で銀ロー接合されてなり、接合部材とノズル外筒との接合部が溶接接合されてなるプラズマトーチの構造。
前記ノズル内筒部はノズル内筒と接合部材によって構成され、先端ノズルと接合部材との接合部が減圧下で銀ロー接合されてなり、接合部材とノズル内筒との接合部が溶接接合されてなる請求項１に記載のプラズマトーチの構造。