JP2857247B2 - プラズマトーチにおけるプラズマ作動ガス供給方法 - Google Patents
プラズマトーチにおけるプラズマ作動ガス供給方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、加熱装置、切断装置、溶射装置等に用いら
れるプラズマ発生装置に関し、さらに詳しくは雰囲気の
巻き込みの少ないプラズマトーチにおけるプラズマ作動
ガス供給方法に関するものである。
れるプラズマ発生装置に関し、さらに詳しくは雰囲気の
巻き込みの少ないプラズマトーチにおけるプラズマ作動
ガス供給方法に関するものである。
（従来の技術） プラズマは清浄で制御性が良く超高温が比較的容易に
得られるエネルギ源として、近年、加熱装置、切断装
置、溶射装置等に広く使用されるようになっている。
得られるエネルギ源として、近年、加熱装置、切断装
置、溶射装置等に広く使用されるようになっている。
製鋼プロセスにおいても新たな熱エネルギ源として各
プロセスに適用が図られており、例えば、製鋼工場にお
ける連続鋳造設備のタンディッシュ内の溶鋼をプラズマ
によって加熱し、転炉から連続鋳造設備にいたるまでの
温度低下を補償するものとして、その導入が図られてい
るところである。
プロセスに適用が図られており、例えば、製鋼工場にお
ける連続鋳造設備のタンディッシュ内の溶鋼をプラズマ
によって加熱し、転炉から連続鋳造設備にいたるまでの
温度低下を補償するものとして、その導入が図られてい
るところである。
（『製鉄研究』第331号（1988）） ところで、プラズマ発生装置に用いられているプラズ
マトーチの概略は第５図に示されるように、中心部に電
極51を配設し、この電極51の外周に内部に水冷の循環経
路を有するノズル52を設け、電極51とノズル52の間にプ
ラズマ作動ガス流路53を形成せしめてなり、このプラズ
マ作動ガス流路53からプラズマ作動ガス（以下、単に作
動ガスという）が供給される。
マトーチの概略は第５図に示されるように、中心部に電
極51を配設し、この電極51の外周に内部に水冷の循環経
路を有するノズル52を設け、電極51とノズル52の間にプ
ラズマ作動ガス流路53を形成せしめてなり、このプラズ
マ作動ガス流路53からプラズマ作動ガス（以下、単に作
動ガスという）が供給される。
（発明が解決しようとする課題） 前述のプラズマトーチを用いてプラズマによって加熱
するためには、安定的な高出力が必要であり、プラズマ
トーチにおける出力Ｗは次式で表すことができ、すなわ
ち、 Ｗ＝VIもしくＷ＝I2R である。ここで、W:出力、V:電圧、I:電流、R:抵抗であ
る。
するためには、安定的な高出力が必要であり、プラズマ
トーチにおける出力Ｗは次式で表すことができ、すなわ
ち、 Ｗ＝VIもしくＷ＝I2R である。ここで、W:出力、V:電圧、I:電流、R:抵抗であ
る。
したがって、高出力を得るためには、上式から電流と
電圧を大きくすればよいことがわかるが、電流値を大き
くするとジュール熱により電極の消耗量を増大させ電極
の寿命低下を招くことになる。このため、一般には作動
ガス中の電気抵抗を大きくして、電流値を小さく抑え、
電圧を大きくとることによって高出力を得ている。
電圧を大きくすればよいことがわかるが、電流値を大き
くするとジュール熱により電極の消耗量を増大させ電極
の寿命低下を招くことになる。このため、一般には作動
ガス中の電気抵抗を大きくして、電流値を小さく抑え、
電圧を大きくとることによって高出力を得ている。
ところが、プラズマトーチから噴出される作動ガスは
超高温・超高速であることから雰囲気との流速差が大き
いため、作動ガスの流れに雰囲気を巻き込むことにな
り、このため、劣悪な雰囲気、例えば溶鋼加熱に使用す
る場合、雰囲気に存在する金属蒸気、フラックスガス、
ダスト、酸素などを作動ガスの流れに巻き込むことにな
る。
超高温・超高速であることから雰囲気との流速差が大き
いため、作動ガスの流れに雰囲気を巻き込むことにな
り、このため、劣悪な雰囲気、例えば溶鋼加熱に使用す
る場合、雰囲気に存在する金属蒸気、フラックスガス、
ダスト、酸素などを作動ガスの流れに巻き込むことにな
る。
したがって、溶鋼への吸収がなく、かつ溶鋼を酸化さ
せないArを、作動ガスに使用していても、金属蒸気、フ
ラックスガス、ダストなどを巻き込むために作動ガス中
のインピーダンス（電気抵抗）を低下させることにな
り、電流値を小さく抑えて電圧を大きくして高出力を得
ることができなくなるという問題がある。
せないArを、作動ガスに使用していても、金属蒸気、フ
ラックスガス、ダストなどを巻き込むために作動ガス中
のインピーダンス（電気抵抗）を低下させることにな
り、電流値を小さく抑えて電圧を大きくして高出力を得
ることができなくなるという問題がある。
特に、溶鋼面から発生した金属蒸気は、２次アークの
発生を助長するとともに、プラズマアークを移行しやす
くするため、アーク長を大きくしても、トーチ間で金属
蒸気を介して非移行アークが発生するため、電圧を大き
くしにくくしている。また、雰囲気中の酸素は電極にタ
ングステンを使用している場合、500℃以上でタングス
テンを急激に酸化し、酸化タングステンを形成し、この
酸化タングステンは600℃程度で激しく昇華し、電極の
消耗を速めることになる。
発生を助長するとともに、プラズマアークを移行しやす
くするため、アーク長を大きくしても、トーチ間で金属
蒸気を介して非移行アークが発生するため、電圧を大き
くしにくくしている。また、雰囲気中の酸素は電極にタ
ングステンを使用している場合、500℃以上でタングス
テンを急激に酸化し、酸化タングステンを形成し、この
酸化タングステンは600℃程度で激しく昇華し、電極の
消耗を速めることになる。
（課題を解決するための手段） 本発明は上記の問題点を解決するためのプラズマ作動
ガスと雰囲気との流体剪断抵抗を小さくする方法とその
装置に係わるもので、本発明は、中心部に電極を配置
し、その外周に複数のプラズマ作動ガス供給流路を配設
し、前記複数の供給流路に作動ガスを供給するに際し、
前記供給流路に対するプラズマ作動ガスの流速を外周に
到るにしたがい低流速となるように供給するプラズマト
ーチにおけるプラズマ作動ガス供給方法である。
ガスと雰囲気との流体剪断抵抗を小さくする方法とその
装置に係わるもので、本発明は、中心部に電極を配置
し、その外周に複数のプラズマ作動ガス供給流路を配設
し、前記複数の供給流路に作動ガスを供給するに際し、
前記供給流路に対するプラズマ作動ガスの流速を外周に
到るにしたがい低流速となるように供給するプラズマト
ーチにおけるプラズマ作動ガス供給方法である。
（作用） 本発明者等は作動ガスによる雰囲気の巻き込み状況が
ノズルと電極の位置関係でどのように変化するか数値解
析を行い、雰囲気の巻き込みやすさの判定基準として、
乱流エネルギを用いて検討した。すなわち、乱流エネル
ギの大きい流れほど、小さな渦を流れの中に多く保有し
ており、雰囲気を巻き込みやすいと言える。数値解析結
果を第４図に示す。第４図は作動ガスの供給における乱
流エネルギ（速度変動成分の平均値）分布を示し、
（ａ）は従来法（作動ガス供給流路一個）、（ｂ）は作
動ガス供給流路二個のものである。なお、図は中心線を
挟んで上下対象のため、下部は省略してある。また、
（ｂ）（供給流路二個のもの）については、外側の作動
ガス供給流路からの作動ガスの供給速度は内側からの供
給速度の1/2である。
ノズルと電極の位置関係でどのように変化するか数値解
析を行い、雰囲気の巻き込みやすさの判定基準として、
乱流エネルギを用いて検討した。すなわち、乱流エネル
ギの大きい流れほど、小さな渦を流れの中に多く保有し
ており、雰囲気を巻き込みやすいと言える。数値解析結
果を第４図に示す。第４図は作動ガスの供給における乱
流エネルギ（速度変動成分の平均値）分布を示し、
（ａ）は従来法（作動ガス供給流路一個）、（ｂ）は作
動ガス供給流路二個のものである。なお、図は中心線を
挟んで上下対象のため、下部は省略してある。また、
（ｂ）（供給流路二個のもの）については、外側の作動
ガス供給流路からの作動ガスの供給速度は内側からの供
給速度の1/2である。
第４図から明らかなように、（ｂ）の乱流エネルギ分
布のピークは（ａ）のそれよりも低くなっている。この
ことは、外側の作動ガス供給流路からの作動ガスの供給
速度を小さくして雰囲気との相対速度を小さくすること
が、乱流エネルギを小さく抑え、雰囲気の巻き込みを抑
制する緩衝作用を持つことを示している。
布のピークは（ａ）のそれよりも低くなっている。この
ことは、外側の作動ガス供給流路からの作動ガスの供給
速度を小さくして雰囲気との相対速度を小さくすること
が、乱流エネルギを小さく抑え、雰囲気の巻き込みを抑
制する緩衝作用を持つことを示している。
したがって、プラズマトーチに複数の作動ガス供給流
路を設けて、作動ガスを複数層にして供給する方法は、
外側の作動ガス供給流路から供給する作動ガスが雰囲気
との緩衝作用を持つことになり、作動ガスの供給による
雰囲気の巻き込みを軽減することができ、かつ、内側の
作動ガス供給流路から供給される作動ガスはより安定し
た流れとなる。なお、作動ガス供給流路からの作動ガス
の供給速度は、雰囲気の巻き込みを抑制する緩衝作用を
持たせるために、内側から外側に到るにしたがい、低速
度にする必要がある。
路を設けて、作動ガスを複数層にして供給する方法は、
外側の作動ガス供給流路から供給する作動ガスが雰囲気
との緩衝作用を持つことになり、作動ガスの供給による
雰囲気の巻き込みを軽減することができ、かつ、内側の
作動ガス供給流路から供給される作動ガスはより安定し
た流れとなる。なお、作動ガス供給流路からの作動ガス
の供給速度は、雰囲気の巻き込みを抑制する緩衝作用を
持たせるために、内側から外側に到るにしたがい、低速
度にする必要がある。
（実施例） 以下に本発明の実施例について説明する。
第１図は本発明に係わるプラズマトーチの概略図を示
す。図中１は電極、２はノズル、３は隔壁、４は第１の
作動ガス供給流路、５は第２の作動ガス供給流路、６は
作動ガス供給流路、７は速度調節器を示す。ノズル２と
電極１の間に隔壁３を設け、この隔壁３で第１の作動ガ
ス供給流路４と第２の作動ガス供給流路５を分離する。
第１の作動ガス供給流路４と第２の作動ガス供給流路５
は速度調節器７を介して作動ガス供給路６に接続されて
いる。なお、ノズル２の冷却は第５図に示す方法と同様
に循環冷却水で行っている。
す。図中１は電極、２はノズル、３は隔壁、４は第１の
作動ガス供給流路、５は第２の作動ガス供給流路、６は
作動ガス供給流路、７は速度調節器を示す。ノズル２と
電極１の間に隔壁３を設け、この隔壁３で第１の作動ガ
ス供給流路４と第２の作動ガス供給流路５を分離する。
第１の作動ガス供給流路４と第２の作動ガス供給流路５
は速度調節器７を介して作動ガス供給路６に接続されて
いる。なお、ノズル２の冷却は第５図に示す方法と同様
に循環冷却水で行っている。
作動ガスの供給にあたっては、作動ガス供給流路６か
らの作動ガスを速度調節器７で第１の作動ガス供給流路
４と第２の作動ガス供給流路５の二つに分け、かつ、そ
れぞれの供給速度に調節して、第１の作動ガス供給流路
４と第２の作動ガス供給流路５から供給する。
らの作動ガスを速度調節器７で第１の作動ガス供給流路
４と第２の作動ガス供給流路５の二つに分け、かつ、そ
れぞれの供給速度に調節して、第１の作動ガス供給流路
４と第２の作動ガス供給流路５から供給する。
つぎに、このプラズマトーチにおける供給作動ガスに
よる雰囲気の巻き込み状態について説明する。雰囲気の
巻き込み状態は作動ガスの雰囲気への拡散状態を数値解
析することによって求めた。作動ガスにはArを用い、雰
囲気のAr濃度は０％とした。解析結果を第２図に示す。
第２図は作動ガスの濃度分布を示し、（ａ）は従来法
（作動ガス供給流路一個）、（ｂ）は本発明法によるも
のである。なお、図は中心線を挟んで上下対象のため、
下部は省略してある。また、本発明法については、第２
の作動ガス供給速度は第１の作動ガス供給速度の1/2で
ある。
よる雰囲気の巻き込み状態について説明する。雰囲気の
巻き込み状態は作動ガスの雰囲気への拡散状態を数値解
析することによって求めた。作動ガスにはArを用い、雰
囲気のAr濃度は０％とした。解析結果を第２図に示す。
第２図は作動ガスの濃度分布を示し、（ａ）は従来法
（作動ガス供給流路一個）、（ｂ）は本発明法によるも
のである。なお、図は中心線を挟んで上下対象のため、
下部は省略してある。また、本発明法については、第２
の作動ガス供給速度は第１の作動ガス供給速度の1/2で
ある。
第２図から明らかなように、本発明法（ｂ）のArの雰
囲気への拡散濃度は従来法（ａ）のそれよりも高くなっ
ている。一方、ノズル中心部のAr濃度は従来法（ａ）の
それよりも高く安定している。すなわち、本発明法の方
が従来法よりも雰囲気の巻き込みが少ないことを示して
いる。
囲気への拡散濃度は従来法（ａ）のそれよりも高くなっ
ている。一方、ノズル中心部のAr濃度は従来法（ａ）の
それよりも高く安定している。すなわち、本発明法の方
が従来法よりも雰囲気の巻き込みが少ないことを示して
いる。
作動ガスにArを用いた溶鋼加熱の実操業では、雰囲気
の巻き込みが少ないため、電流値を小さく抑えた高出力
操業が可能で、ジュール熱による電極の消耗も最小限に
することができた。
の巻き込みが少ないため、電流値を小さく抑えた高出力
操業が可能で、ジュール熱による電極の消耗も最小限に
することができた。
第３図に変形実施例のプラズマトーチの概略図を示
す。
す。
第３図は隔壁３をノズル２の先端より引っ込めたもの
で、こうすることによって、第２の作動ガス供給流路５
から供給される作動ガスの流れがノズル２の先端により
内側に向けられ、作動ガスの持つ圧力の解放方向は内向
きとなり、雰囲気の巻き込みをさらに軽減することがで
きる。
で、こうすることによって、第２の作動ガス供給流路５
から供給される作動ガスの流れがノズル２の先端により
内側に向けられ、作動ガスの持つ圧力の解放方向は内向
きとなり、雰囲気の巻き込みをさらに軽減することがで
きる。
（発明の効果） 以上説明したように本発明は、作動ガスの供給による
雰囲気の巻き込みを軽減するために、複数の作動ガスの
供給流路を設けたプラズマトーチを用いて、作動ガスを
多層にして供給し、外側の作動ガスの供給速度を内側の
作動ガスの供給速度よりも小さくして供給する方法であ
る。このプラズマトーチを用いて作動ガスを供給するこ
とによって、金属蒸気、フラックスガス、ダスト、酸素
などの作動ガスおよび電極に悪影響を及ぼす雰囲気にお
いても、電流値を小さく抑えて高出力を得ることがで
き、かつ電極の消耗も最小限にすることができる。
雰囲気の巻き込みを軽減するために、複数の作動ガスの
供給流路を設けたプラズマトーチを用いて、作動ガスを
多層にして供給し、外側の作動ガスの供給速度を内側の
作動ガスの供給速度よりも小さくして供給する方法であ
る。このプラズマトーチを用いて作動ガスを供給するこ
とによって、金属蒸気、フラックスガス、ダスト、酸素
などの作動ガスおよび電極に悪影響を及ぼす雰囲気にお
いても、電流値を小さく抑えて高出力を得ることがで
き、かつ電極の消耗も最小限にすることができる。
第１図は本発明に係わるプラズマトーチの概略図を示
す。 第２図（ａ）は従来法の、（ｂ）は本発明方の作動ガス
の濃度分布を示す図である。 第３図は変形実施例のプラズマトーチの概略図を示す図
である。 第４図（ａ）は従来法の、（ｂ）は作動ガス供給流路二
個のものの乱流エネルギ分布を示す図である。 第５図は従来技術のプラズマトーチの概略図を示す図で
ある。 １……電極、２……ノズル、３……隔壁、４……第１の
作動ガス供給流路、５……第２の作動ガス供給流路、６
……作動ガス供給流路、７……速度調節器、51……電
極、52……ノズル、53……プラズマ作動ガス流路。
す。 第２図（ａ）は従来法の、（ｂ）は本発明方の作動ガス
の濃度分布を示す図である。 第３図は変形実施例のプラズマトーチの概略図を示す図
である。 第４図（ａ）は従来法の、（ｂ）は作動ガス供給流路二
個のものの乱流エネルギ分布を示す図である。 第５図は従来技術のプラズマトーチの概略図を示す図で
ある。 １……電極、２……ノズル、３……隔壁、４……第１の
作動ガス供給流路、５……第２の作動ガス供給流路、６
……作動ガス供給流路、７……速度調節器、51……電
極、52……ノズル、53……プラズマ作動ガス流路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H05H 1/34 B23K 10/00 C23C 4/12
Claims (1)
- 【請求項１】中心部に電極を配置し、その外周に複数の
プラズマ作動ガス供給流路を配設し、前記複数の供給流
路に作動ガスを供給するに際し、前記供給流路に対する
プラズマ作動ガスの流速を外周に到るにしたがい低流速
となるように供給することを特徴とするプラズマトーチ
におけるプラズマ作動ガス供給方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2289939A JP2857247B2 (ja) | 1990-10-25 | 1990-10-25 | プラズマトーチにおけるプラズマ作動ガス供給方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2289939A JP2857247B2 (ja) | 1990-10-25 | 1990-10-25 | プラズマトーチにおけるプラズマ作動ガス供給方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04162399A JPH04162399A (ja) | 1992-06-05 |
| JP2857247B2 true JP2857247B2 (ja) | 1999-02-17 |
Family
ID=17749701
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2289939A Expired - Fee Related JP2857247B2 (ja) | 1990-10-25 | 1990-10-25 | プラズマトーチにおけるプラズマ作動ガス供給方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2857247B2 (ja) |
-
1990
- 1990-10-25 JP JP2289939A patent/JP2857247B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04162399A (ja) | 1992-06-05 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |