JP2861052B2 - Transfer type plasma torch - Google Patents

Transfer type plasma torch

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JP2861052B2
JP2861052B2 JP1131396A JP13139689A JP2861052B2 JP 2861052 B2 JP2861052 B2 JP 2861052B2 JP 1131396 A JP1131396 A JP 1131396A JP 13139689 A JP13139689 A JP 13139689A JP 2861052 B2 JP2861052 B2 JP 2861052B2
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plasma
electrode
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jet
plasma torch
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範夫 青
一成 井ノ口
弘 関根
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Nippon Kokan Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、プラズマジェットを発生させて加熱・溶
解・反応等に用いられる移行式プラズマトーチに関する
ものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a transfer type plasma torch that generates a plasma jet and is used for heating, melting, reaction, and the like.

熱プラズマは超高温、高エネルギ源として加熱・溶解
をはじめ、反応や表面処理などに広く応用されている。
特に、エネルギ密度が高いので設備がコンパクトにな
り、また雰囲気をプラズマ作動ガスによって自由に制御
できること、電流とプラズマ長さを制御することにより
投入電力を自在にかつ応答よく調整できる特徴がある。
これらの特徴を活かして近年製鋼プロセスにおいては、
レードルやタンディッシュの中の溶鋼をプラズマによっ
て加熱し溶鋼温度を制御したり、精錬反応を行うことが
検討されている。これらの用途において、加熱効率の点
から加熱対象物を対極とする移行式プラズマトーチが用
いられる。
Thermal plasma is widely applied to reactions and surface treatments, including heating and melting, as an ultra-high temperature and high energy source.
In particular, since the energy density is high, the equipment is compact, the atmosphere can be freely controlled by the plasma working gas, and the input power can be freely and responsively adjusted by controlling the current and the plasma length.
Taking advantage of these features, in recent steelmaking processes,
Heating molten steel in a ladle or tundish with plasma to control the temperature of the molten steel or perform a smelting reaction is being studied. In these applications, a transfer-type plasma torch having a heating object as a counter electrode is used in terms of heating efficiency.

[従来の技術] 従来の移行式プラズマトーチでは指向性や安定性の観
点から、プラズマ作動ガスのトーチの軸方向の流速を高
めて安定な直線状のプラズマジェットを形成するように
作られていた。
[Prior Art] In the conventional transfer type plasma torch, from the viewpoint of directivity and stability, the flow rate of the plasma working gas in the axial direction of the torch is increased to form a stable linear plasma jet. .

これに対し、出願人は発生電圧の増加、加熱面積の増
大、保守管理の容易性等を改善した移行式プラズマトー
チの発明を、先に特願平1-28735号として出願した。特
願平1-28735号発明の移行式プラズマトーチによれば、
プラズマジェットが高速に旋回されて加熱対象物に向か
って広がったプラズマが形成される。この提案されたプ
ラズマトーチは、電極に熱電子放出型陰極を用いて陰極
点を固定して、プラズマジェットの軸方向の速度をプラ
ズマジェットの磁気不安定状態が発生する程度に抑制さ
せるものである。このため、電極の先端を尖頭状にせず
に丸めてジェット流を抑制したり、積極的にプラズマ作
動ガスを旋回流としてノズルと電極間に流すこと等によ
りプラズマジェットの軸方向の速度を低減している。
On the other hand, the applicant has previously filed an application for an invention of a transfer type plasma torch in which the generated voltage is increased, the heating area is increased, and the ease of maintenance is improved as Japanese Patent Application No. 1-28735. According to the transfer type plasma torch of the invention of Japanese Patent Application No. 1-28735,
The plasma jet is swirled at a high speed to form a plasma spread toward the object to be heated. The proposed plasma torch uses a thermionic emission type cathode as the electrode and fixes the cathode spot to suppress the axial velocity of the plasma jet to such an extent that the magnetic instability of the plasma jet occurs. . For this reason, the tip of the electrode is rounded without being sharpened to suppress the jet flow, or the axial velocity of the plasma jet is reduced by positively flowing the plasma working gas as a swirling flow between the nozzle and the electrode doing.

[発明が解決しようとする課題] 先願発明による改善された移行式プラズマトーチは、
プラズマが本来持っている磁気的な不安定性を利用し、
プラズマジェットを流体的に不安定にして高速に回転さ
せ、かつプラズマトーチの電極から放射状に噴出させる
ものである。このため、ノズルから噴出してノズルと電
極間に流すプラズマ作動ガスの軸方向の流速を抑制する
ことによって、上述の状態を形成させている。
[Problem to be Solved by the Invention] The improved transfer type plasma torch according to the prior invention is
Utilizing the inherent magnetic instability of plasma,
The plasma jet is fluidly unstable, is rotated at high speed, and is ejected radially from the electrode of the plasma torch. For this reason, the above-mentioned state is formed by suppressing the axial flow velocity of the plasma working gas ejected from the nozzle and flowing between the nozzle and the electrode.

しかしながら、軸方向流速を抑制してプラズマ作動ガ
スを旋回流で供給すると、周囲の雰囲気ガスを巻き込む
ことになる。そして、大気中で旋回するプラズマジェッ
トを発生させるような場合には、酸素がプラズマジェッ
トに巻き込まれて電極の酸化消耗を招いて電極の寿命が
極端に短くなるという問題があった。
However, if the plasma working gas is supplied in a swirling flow while the axial flow velocity is suppressed, the surrounding atmospheric gas is involved. When a plasma jet swirling in the atmosphere is generated, there is a problem in that oxygen is entrained in the plasma jet, causing oxidation and depletion of the electrode, and the life of the electrode is extremely shortened.

本発明は、上記のような問題点を解決するために成さ
れたもので、電極の酸化消耗を抑制し、かつ旋回するプ
ラズマジェットを形成することのできる移行式プラズマ
トーチを実現することを目的とするものである。
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and has an object to realize a transfer-type plasma torch capable of suppressing oxidative consumption of an electrode and forming a swirling plasma jet. It is assumed that.

[課題を解決するための手段] 本発明は、陰極をシールして酸化消耗を抑制するガス
の流れと、プラズマジェットを高速旋回させるガスの流
れとの2つのガス流を組み合わせるようにした。
[Means for Solving the Problems] In the present invention, two gas flows are combined: a gas flow for suppressing oxidation consumption by sealing the cathode and a gas flow for rotating the plasma jet at high speed.

このため、電極の周りにシールガスを軸方向に流し、
例えば、その外側に半径方向の流れの成分を含んだプラ
ズマ作動ガスの供給ノズルを備えた移行式プラズマトー
チを構成したものである。
For this reason, the seal gas flows axially around the electrode,
For example, a transfer type plasma torch provided with a supply nozzle for a plasma working gas containing a radial flow component on the outside thereof.

[作用] 電極の周りにはシールガスが軸方向に流れ、その外側
に半径方向の流れの成分を含んだプラズマ作動ガスが供
給ノズルから吹き出される。この結果、電極がシールガ
スのガスカーテンで囲まれてシールされながら、外側の
供給ノズルから吹き出されたプラズマ作動ガスによって
電極から離れるにしたがって旋回半径が拡大されるよう
な高速旋回するプラズマジェットが形成される。
[Operation] A seal gas flows in the axial direction around the electrode, and a plasma working gas containing a radial flow component is blown out of the supply nozzle outside the seal gas. As a result, while the electrode is surrounded and sealed by the gas curtain of the sealing gas, the plasma working gas blown out from the outer supply nozzle forms a plasma jet which is swirled at a high speed such that the turning radius is enlarged as the electrode is separated from the electrode. Is done.

[発明の実施例] 第1図は本発明実施例の構成説明図、第2図はその動
作説明図である。
[Embodiment of the Invention] FIG. 1 is an explanatory view of the configuration of an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an explanatory view of its operation.

第1図において、(1)はプラズマトーチ、(2)は
電極(陰極)、(3)はシール用のノズルである。電極
(2)の材料は、熱電子放出型電極の1つであるタング
ステンを用いて尖頭状とした。電極(2)を囲んだノズ
ル(3)は水冷銅製やセラミックス製であることが多
く、先端を特に絞ったりすることなくほぼ直管状に形成
している。(4)はアルゴンや水素等のプラズマ作動ガ
スで、電極(2)とノズル(3)との間から20l/min程
度噴出させている。プラズマ作動ガス(4)は旋回させ
たり障害物で乱れを起こさず、プラズマトーチ(1)の
軸方向に流している。(5)は加熱対象物、(6)は形
成されるプラズマジェット、(7)は絶縁スペーサ、
(8)は冷却水、(9)は電気端子で、ここまでの構成
は従来装置と殆ど変わることがない。この外、特に本発
明においては、ノズル(3)の先端付近に更に旋回用の
もう1つのノズル(10)が取り付けられている。外側の
ノズル(10)は環状に作られ、噴出口が円周方向で下に
向かって内側に傾斜していて、噴出流が電極(2)から
やや離れた位置で交差している。そして、半径方向の流
れの成分を含んだプラズマ作動ガス(4)が、このノズ
ル(10)から吹き出されるようになっている。また、第
2図の(5)は、加熱対象物(陽極)である。
In FIG. 1, (1) is a plasma torch, (2) is an electrode (cathode), and (3) is a sealing nozzle. The material of the electrode (2) was pointed using tungsten, which is one of thermionic emission electrodes. The nozzle (3) surrounding the electrode (2) is often made of water-cooled copper or ceramic, and is formed in a substantially straight tube without particularly narrowing the tip. (4) is a plasma working gas such as argon or hydrogen, which is ejected at a rate of about 20 l / min from between the electrode (2) and the nozzle (3). The plasma working gas (4) is not swirled or disturbed by obstacles and flows in the axial direction of the plasma torch (1). (5) is an object to be heated, (6) is a plasma jet to be formed, (7) is an insulating spacer,
(8) is cooling water, and (9) is an electric terminal. The configuration up to this point is almost the same as the conventional device. In addition to the above, particularly in the present invention, another swirling nozzle (10) is attached near the tip of the nozzle (3). The outer nozzle (10) is formed in an annular shape, and the jet outlet is inclined inward in the circumferential direction downward, and the jet flows intersect at a position slightly away from the electrode (2). Then, a plasma working gas (4) containing a radial flow component is blown out from the nozzle (10). FIG. 2 (5) shows an object to be heated (anode).

このような構成の本発明において、電極(2)の先端
と加熱対象物(5)との間にプラズマジェット(6)が
発生するが、ノズル(10)が塞がれた状態ではプラズマ
作動ガス(4)によって、電極(2)の近傍では強い軸
方向の指向性を持った直線状の安定なプラズマジェット
(6)が形成される(第2図の(a)図参照)。
In the present invention having such a configuration, a plasma jet (6) is generated between the tip of the electrode (2) and the object (5) to be heated, but when the nozzle (10) is closed, the plasma working gas is generated. By (4), a stable linear plasma jet (6) having strong axial directivity is formed near the electrode (2) (see FIG. 2 (a)).

しかしながら、半径方向の流れの成分を含んだプラズ
マ作動ガス(4)が、外側のノズル(10)から吹き出さ
れている。したがって、ノズル(10)から吹き出される
旋回ガスの流れが交差位置付近で、ブラズマジェット
(6)に当たって、その磁気的な不安定性が助長され
る。この結果、この付近からプラズマジェット(6)の
軸を中心に回転する方向の旋回流が発生して旋回プラズ
マが形成される。このときの状態が、第2図の(b)に
示されている。即ち、電極(2)の近くでは周りを囲ん
だ柱状で、電極(2)から離れるにしたがって旋回半径
が拡がるプラズマジェット(6)が生成される。
However, a plasma working gas (4) containing a radial flow component is blown out of the outer nozzle (10). Therefore, the flow of the swirling gas blown out from the nozzle (10) hits the plasma jet (6) in the vicinity of the intersection position, which promotes its magnetic instability. As a result, a swirling flow is generated from this vicinity in a direction of rotation about the axis of the plasma jet (6), and swirling plasma is formed. The state at this time is shown in FIG. That is, a plasma jet (6) is generated near the electrode (2) in a column shape surrounding the electrode, and the turning radius increases as the distance from the electrode (2) increases.

このように、ノズル(3)から電極(2)の周りを囲
んでプラズマ作動ガス(4)を流すことによって円筒状
のガスカーテンができ、電極(2)が旋回するプラズマ
ジェット(6)から遮蔽される。よって、譬え旋回する
プラズマジェット(6)が大気中の酸素を巻き込んで
も、電極(2)の酸化が発生せずその消耗を抑制するこ
とができる。
In this way, by flowing the plasma working gas (4) around the electrode (2) from the nozzle (3), a cylindrical gas curtain is formed, and the electrode (2) is shielded from the swirling plasma jet (6). Is done. Therefore, even if the plasma jet (6) swirling entrains oxygen in the atmosphere, the electrode (2) is not oxidized and its consumption can be suppressed.

第3図と第4図は本発明の別の実施例の構成説明図で
ある。
FIG. 3 and FIG. 4 are explanatory diagrams of the configuration of another embodiment of the present invention.

第3図は、第1図で示した環状のノズル(10)の代り
に、先端を半径方向に曲げた1本または複数の簡便なチ
ューブでプラズマの乱れを生じさせるノズル(11)を構
成したものである。
In FIG. 3, a nozzle (11) for generating plasma turbulence is constituted by one or a plurality of simple tubes whose tips are bent in the radial direction instead of the annular nozzle (10) shown in FIG. Things.

また、第4図の実施例ではノズル(3)の先端の外側
にコイル(13)を取り付けると共に、このコイル(13)
を励磁するための直流電源(14)が設けられている。直
流電源(14)の励磁電流によってコイル(13)が励磁さ
れると、ノズル(3)の下方に直流磁場が形成される。
したがって、形成された直流磁場の磁束が、第2図
(A)に示すようなプラズマジェット(6)を流れる電
流と鎖交する。この結果、プラズマジェット(6)の磁
気的不安定性が助長されて、同(B)図の如き高速旋回
するプラズマジェット(6)が形成される。ここでも、
ノズル(3)から軸方向に吹き出されたプラズマ作動ガ
ス(4)によって電極(2)が遮蔽され、電極(2)の
酸化消耗が抑制される。本実施例では、必要があれば電
極(2)の回りにリング状の磁気シールドを設けること
もできる。磁気シールドを設ければ、電極(2)が直流
磁場から遮蔽されて旋回するプラズマジェット(6)か
ら隔離できる。
In the embodiment shown in FIG. 4, a coil (13) is attached to the outside of the tip of the nozzle (3).
A DC power supply (14) for exciting the power supply is provided. When the coil (13) is excited by the exciting current of the DC power supply (14), a DC magnetic field is formed below the nozzle (3).
Therefore, the formed magnetic flux of the DC magnetic field interlinks with the current flowing through the plasma jet (6) as shown in FIG. 2 (A). As a result, the magnetic instability of the plasma jet (6) is promoted, and a plasma jet (6) that rotates at a high speed as shown in FIG. even here,
The electrode (2) is shielded by the plasma working gas (4) blown in the axial direction from the nozzle (3), and the oxidative consumption of the electrode (2) is suppressed. In this embodiment, if necessary, a ring-shaped magnetic shield can be provided around the electrode (2). By providing a magnetic shield, the electrode (2) can be shielded from the DC magnetic field and isolated from the swirling plasma jet (6).

なお、上述の第5図の実施例ではノズルの外側にコイ
ルを巻いた場合について説明したが、ノズルを本体内に
組み込んでも良く、コイルの位置や形状等は各実施例に
限定するものではない。
In the embodiment of FIG. 5 described above, the case where the coil is wound around the nozzle is described. However, the nozzle may be incorporated in the main body, and the position and shape of the coil are not limited to each embodiment. .

[発明の効果] 以上のように、この発明によれば、電極(陰極)の近
傍でこの電極が軸方向に吹き出された不活性ガスによっ
て雰囲気ガスからシールされながら、その下方に旋回す
るプラズマジェットが形成される。この結果、従来のプ
ラズマトーチのように発生電圧が大きく加熱面積を拡大
させるにもかかわらず、電極の酸化消耗を少なくするこ
とができる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a plasma jet swirling below the electrode (cathode) while being sealed from the atmospheric gas by the inert gas blown in the axial direction near the electrode (cathode). Is formed. As a result, it is possible to reduce the oxidative consumption of the electrode despite the large generated voltage and the increase of the heating area as in the conventional plasma torch.

よって、本発明によれば、保守管理が容易で加熱面積
が広い等の特徴を備え、例えば溶鋼の温度制御用の加熱
源に適する移行式のプラズマトーチを実現することがで
きる。
Therefore, according to the present invention, it is possible to realize a transfer-type plasma torch having features such as easy maintenance and a large heating area, and suitable for a heating source for controlling the temperature of molten steel.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明実施例の構成説明図、第2図はその動作
説明図、第3図と第4図は、それぞれ本発明の別の実施
例の構成説明図である。 図において、(1)はプラズマトーチ、(2)は電極、
(3)はノズル、(4)はプラズマ作動ガス、(5)は
加熱対象物、(6)はプラズマジェット、(7)は絶縁
スペーサ、(8)は冷却水、(9)は電気端子、(10)
は環状の旋回用のノズル、(11)はチューブの旋回用の
ノズル、(13)はコイル、(14)は直流電源である。
FIG. 1 is an explanatory view of the configuration of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an explanatory view of its operation, and FIGS. 3 and 4 are explanatory views of the configuration of another embodiment of the present invention. In the figure, (1) is a plasma torch, (2) is an electrode,
(3) a nozzle, (4) a plasma working gas, (5) an object to be heated, (6) a plasma jet, (7) an insulating spacer, (8) cooling water, (9) an electric terminal, (Ten)
Is an annular swirling nozzle, (11) is a tube swiveling nozzle, (13) is a coil, and (14) is a DC power supply.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−128499(JP,A) 特開 昭63−30180(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H05H 1/32,1/40 B23K 10/00────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-61-128499 (JP, A) JP-A-63-30180 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) H05H 1 / 32,1 / 40 B23K 10/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】加熱対象物とプラズマトーチの中心部に設
けられた電極との間にプラズマジェットを発生させる移
行式のプラズマトーチにおいて、 前記電極の周囲に設けられてプラズマ作動ガスを軸方向
に流して電極の表面を雰囲気ガスからシールするシール
用のノズルと、該ノズルの外側に設けられて前記電極か
ら離れた位置にプラズマの磁気不安定性を助長して高速
旋回するプラズマジェットを形成させるプラズマジェッ
ト形成手段とを備えたことを特徴とする移行式プラズマ
トーチ。
1. A transfer type plasma torch for generating a plasma jet between an object to be heated and an electrode provided at a central portion of the plasma torch, wherein a plasma working gas provided around the electrode is axially moved. A nozzle for flowing to seal the surface of the electrode from the atmospheric gas, and a plasma provided outside the nozzle and formed at a position distant from the electrode to form a plasma jet which promotes magnetic instability of the plasma and rotates at high speed. A transfer type plasma torch characterized by comprising a jet forming means.
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