JP3700010B2

JP3700010B2 - Plasma arc electrode material

Info

Publication number: JP3700010B2
Application number: JP31592694A
Authority: JP
Inventors: 誠夫牛尾; 建二池内; 和士田中; 裕夫松本
Original assignee: Toho Kinzoku Co Ltd; Chubu Electric Power Co Inc
Current assignee: Toho Kinzoku Co Ltd; Chubu Electric Power Co Inc
Priority date: 1994-11-24
Filing date: 1994-11-24
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2020-09-28
Also published as: JPH08148294A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、プラズマ熱源を用いて溶断、溶解、高温分解、廃棄物処理等の処理を行なうために使用するに適したプラズマア−ク放電用電極材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プラズマア−クを熱源とする溶解等の処理を行なう場合は、タングステン、タングステン合金、カ−ボン等の高融点材料を電極として、不活性ガス雰囲気又は還元性雰囲気を作って処理を行なってきた。
【０００３】
しかしながら、上記タングステン等の電極材料は、反応性雰囲気中では使用できないか、または使用できたとしても消耗が激しくて、工業用としては不適である。特に、産業廃棄物や生活廃棄物の分解処理は、加熱による処理条件が難しいため、これらのプラズマア−クによる処理が行なえず、専ら単純な焼却や地中への埋め込みで処理しているのが現実である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、さまざまな産業廃棄物、有害廃棄物、生活廃棄物等が大量に発生するようになり、今後もさらに増大する傾向があるので、これらの安全で効率的な処理が求められている。さらに、有害廃棄物の中で、特に塩素系廃棄物の処理が急を要する問題として浮上しており、二次公害の発生のないプラズマア−クによる完全分解の可能性が検討されている。このプラズマア−クを熱源とする分解によると、化合物等が元素単位にまで分解されるので、有害な生成物が生じず、しかも夜間等の余剰電力を利用することができるので、経済的である。そこで、本発明は、安定した長時間運転ができる高寿命のプラズマア−ク用電極材料を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は次のような構成を採用した。すなわち、請求項１に記載のプラズマア−ク電極材料は、炭化タンタルを主成分とし、５〜３０重量％の炭化ハフニウム及び／又は０．１〜３．０重量％の硼化ランタンを含有するプラズマ燒結体からなり、燒結前に５〜２０重量％の金属タンタルを添加してプラズマ燒結が行われていることを特徴としている。
【０００６】
以下、本発明のプラズマア−ク電極材料について、具体例を挙げつつ詳細に説明する。炭化タンタル、炭化ハフニウム等は、タングステンに比べて低仕事関数かつ高融点を有する材料であり、酸素や塩素を含むプラズマ雰囲気中での耐消耗性にすぐれているが、従来これらをプラズマア−ク用電極材として使用した例はない。
【０００７】
これは、これらの炭化物が非常に高融点であるため、通常の鋳造や、燒結による成形が困難なことが一つの理由であると考えられる。本発明者らは、プラズマ燒結によりこれらの電極材料を製作し、そのすぐれた性能を見出して、この発明を完成したのである。
【０００８】
本発明の電極材は、炭化タンタルを主成分とするもので、必要に応じて、これに炭化ハフニウム、硼化ランタン等を添加したものである。主成分である炭化タンタルには通常数％のフリ−カ−ボンが混入しているため、このカ−ボンの量によっては必要な密度が得られないおそれがある。このような場合には、少量の金属タンタルを添加して燒結することにより、燒結性、加工性の向上を図るのが好ましい。燒結前に添加する金属タンタルの量は、５〜２０重量％が好ましい。この添加量が、これよりも多すぎると、燒結性が悪く、燒結体にクラック等が発生することが多い。また、金属タンタルの添加量が少なすぎると、所期の効果が得られにくい。添加した金属タンタルは、炭素等と化合するが、金属タンタルのまま燒結体中に残留することもある。
【０００９】
上記炭化タンタルは、腐食性雰囲気中では耐久性にすぐれているが、耐酸化性が劣るため、耐酸化性にすぐれた炭化ハフニウムを５〜３０重量％添加しておくのが好ましい。この添加により、電極材の耐酸化性が向上する。
【００１０】
電極材中に含有される炭化ハフニウムの量が重量比で３０％以上では燒結性が悪く、耐腐食性が低下する。また、５％よりも少ない場合は、耐酸化性向上の効果が乏しい。
【００１１】
また、硼化ランタンは、仕事関数が低く、したがって電子放出性にすぐれている。耐熱、耐食、耐酸化性等の条件を具備した材料に硼化ランタンを０．１〜３．０重量％加えることにより、安定したプラズマア−クの放出を図ることができる。
【００１２】
なお、上記成分の他に、電極の性能を大きく低下させない範囲で、他の成分を添加してもよく、不可避的に混入する微量の不純物等が存在してもよい。
【００１３】
この電極材料は、プラズマ燒結法により製造することができる。この製法について例示すれば、まず、炭化タンタルその他の原料粉末（平均粒度数ミクロン）を混合し、金型を用いて所定形状に加圧成形する。これを、取り扱いに便利な強度が得られる条件、例えば１５００〜１８００Ｋの温度で常圧下で予備燒結する。この予備燒結体を、アルゴンを作動ガスとする高周波プラズマ中で燒結し、得られた燒結体を所望の形状に加工して、目的とする電極とする。プラズマ燒結の時間は、通常数分乃至十数分程度である。
【００１４】
【実施例】
表１に示す配合比で原料粉末を配合し、均一な組成となるように乾式混合した。粉末の粒度は、いずれも１〜３ミクロンであった。なお、原料粉末の好ましい粒度は１〜１０ミクロンであり、より好ましくは１〜３ミクロンである。この粉末を粉末冶金法における常法にしたがってプレス成形し、１５００〜１８００Ｋで常圧予備燒結した。この燒結時間はいずれも１０分とした。なお、比較例として、公知のトリア２％入りタングステン電極材を従来法で製作した。
【００１５】
【表１】

【００１６】
得られた予備燒結体は、表１に示す出力と処理温度でプラズマ燒結した。出力、処理温度以外の条件はいずれも各試料で同じであり、周波数は１３．５６ＭＨｚ、雰囲気圧は４０〜５０ＫＰｓ、作動ガスはアルゴンガス（Ａｒ）、Ａｒ流量は１〜４リットル／ｍｉｎ、処理時間は３．６ｋｓであった。
【００１７】
得られた燒結体の寸法はф２．４Ｘ２０Ｌ（ｍｍ）であり、密度はいずれも理論密度の９２〜９４％であった。また、燒結体の硬度（Ｈｖ）はＮｏ．１，３，４，６が１７００〜１８００、Ｎｏ．２，５が１１００〜１３００であった。
【００１８】
つぎに、得られた燒結体を成形加工して電極とし、直流ア−ク放電用の陰極に用いて、消耗特性とプラズマ安定性を調べた。作動ガスとしては、アルゴンガスに塩素ガス１０％を添加したものを用いた。ア−ク電流は５０〜３００Ａ、使用時間は１０分であった。その結果は図１及び表２に示す通りであった。
【００１９】
【表２】

【００２０】
従来のトリア２％（重量比）入りタングステン電極と比較した結果、炭化タンタルを主成分とする本発明の電極材料は、消耗特性及びア−ク安定性のいずれも充分使用に耐える状態であったのに対し、従来のトリア２％入りタングステン電極は、同一条件において５０Ａレベルで表面にタングステンと塩素の反応生成物が樹脂状に形成され、ア−クの不安定性が顕著となり、ア−ク電流の増加は不可能であった。
【００２１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本願発明のプラズマア−ク電極材料は、耐食性にすぐれた炭化タンタルを主成分とするもので、長寿命であり、プラズマ熱源を用いる溶断、溶解、高温分解等の電極として使用するに適したものとなった。このプラズマアーク電極材料は、５〜３０重量％の炭化ハフニウムを含有することにより、耐酸化性が向上し、０．１〜３．０重量％の硼化ランタンを含有することにより、安定したプラズマアークが得られるものである。本発明の電極材料は、成分上、従来広く採用されてきた燒結法では高密度化が困難であるが、プラズマ燒結を採用することによってはじめて実用性を具備するものとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】消耗量テスト結果を表すグラフである。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an electrode material for plasma arc discharge suitable for use in processing such as fusing, melting, high-temperature decomposition, waste treatment and the like using a plasma heat source.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when processing such as melting using plasma arc as a heat source, processing is performed by creating an inert gas atmosphere or a reducing atmosphere using a high melting point material such as tungsten, tungsten alloy, or carbon as an electrode. I came.
[0003]
However, the electrode material such as tungsten cannot be used in a reactive atmosphere, or even if it can be used, it is very consumed and is not suitable for industrial use. In particular, the decomposition treatment of industrial waste and domestic waste is difficult due to the difficult treatment conditions by heating, so these treatments by plasma arc cannot be performed, and the treatment is exclusively performed by simple incineration or embedding in the ground. Is the reality.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, various industrial wastes, hazardous wastes, domestic wastes, etc. have been generated in large quantities and tend to increase further in the future. Therefore, these safe and efficient treatments are required. Further, among toxic wastes, particularly the treatment of chlorinated wastes has emerged as an urgent problem, and the possibility of complete decomposition by plasma arc without occurrence of secondary pollution is being investigated. According to the decomposition using the plasma arc as a heat source, since the compounds and the like are decomposed into elemental units, no harmful products are produced, and surplus power such as nighttime can be used. is there. Accordingly, an object of the present invention is to provide a plasma arc electrode material having a long life that can be stably operated for a long time.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention employs the following configuration. That is, the plasma arc electrode material according to claim 1 is mainly composed of tantalum carbide and contains 5 to 30% by weight of hafnium carbide and / or 0.1 to 3.0% by weight of lanthanum boride. It consists of a plasma sintered body and is characterized in that plasma sintering is performed by adding 5 to 20% by weight of metal tantalum before sintering.
[0006]
Hereinafter, the plasma arc electrode material of the present invention will be described in detail with specific examples. Tantalum carbide, hafnium carbide, and the like are materials having a lower work function and higher melting point than tungsten, and have excellent wear resistance in a plasma atmosphere containing oxygen and chlorine. There is no example used as an electrode material.
[0007]
This is probably because one of the reasons is that these carbides have a very high melting point, so that it is difficult to perform normal casting or molding by sintering. The present inventors completed these inventions by producing these electrode materials by plasma sintering, finding their excellent performance.
[0008]
The electrode material of the present invention contains tantalum carbide as a main component, and if necessary, hafnium carbide, lanthanum boride, or the like is added thereto. Since tantalum carbide, which is the main component, usually contains several percent of free carbon, the required density may not be obtained depending on the amount of carbon. In such a case, it is preferable to improve sintering and workability by adding a small amount of metal tantalum and sintering. The amount of metal tantalum added before sintering is preferably 5 to 20% by weight. If the amount added is too much, the sinterability is poor and cracks and the like often occur in the sintered body. If the amount of metal tantalum added is too small, it is difficult to obtain the desired effect. The added metal tantalum combines with carbon or the like, but may remain in the sintered body as metal tantalum.
[0009]
The tantalum carbide is excellent in durability in a corrosive atmosphere, but is inferior in oxidation resistance. Therefore, it is preferable to add 5 to 30% by weight of hafnium carbide excellent in oxidation resistance. This addition improves the oxidation resistance of the electrode material.
[0010]
If the amount of hafnium carbide contained in the electrode material is 30% or more by weight, the sintering property is poor and the corrosion resistance is lowered. Moreover, when it is less than 5%, the effect of improving oxidation resistance is poor.
[0011]
In addition, lanthanum boride has a low work function, and thus has an excellent electron-emitting property. By adding 0.1 to 3.0% by weight of lanthanum boride to a material having conditions such as heat resistance, corrosion resistance, and oxidation resistance, stable plasma arc can be released.
[0012]
In addition to the above components, other components may be added within a range that does not significantly reduce the performance of the electrode, and trace amounts of impurities inevitably mixed may exist.
[0013]
This electrode material can be manufactured by a plasma sintering method. As an example of this production method, first, tantalum carbide and other raw material powders (average particle size of several microns) are mixed and pressure-formed into a predetermined shape using a mold. This is pre-sintered under normal pressure under conditions that provide a convenient strength for handling, for example, a temperature of 1500-1800K. The preliminary sintered body is sintered in a high-frequency plasma using argon as a working gas, and the obtained sintered body is processed into a desired shape to obtain a target electrode. The plasma sintering time is usually about a few minutes to a few dozen minutes.
[0014]
【Example】
The raw material powders were blended at a blending ratio shown in Table 1, and dry mixed so as to obtain a uniform composition. The particle sizes of the powders were all 1 to 3 microns. In addition, the preferable particle size of raw material powder is 1-10 microns, More preferably, it is 1-3 microns. This powder was press-molded according to a conventional method in the powder metallurgy method, and preliminarily sintered at 1500 to 1800K. The sintering time was 10 minutes in all cases. As a comparative example, a known tungsten electrode material containing 2% tria was manufactured by a conventional method.
[0015]
[Table 1]

[0016]
The obtained preliminary sintered body was plasma sintered at the output and processing temperature shown in Table 1. The conditions other than the output and processing temperature are the same for each sample, the frequency is 13.56 MHz, the atmospheric pressure is 40 to 50 KPs, the working gas is argon gas (Ar), the Ar flow rate is 1 to 4 liters / min, the processing The time was 3.6 ks.
[0017]
The size of the obtained sintered body was ф2.4 × 20 L (mm), and the density was 92 to 94% of the theoretical density. The hardness (Hv) of the sintered body is No. 1, 3, 4 and 6 are 1700 to 1800, no. 2 and 5 were 1100 to 1300.
[0018]
Next, the obtained sintered body was formed into an electrode and used as a cathode for DC arc discharge, and the wear characteristics and plasma stability were examined. As the working gas, an argon gas added with 10% chlorine gas was used. The arc current was 50 to 300 A, and the usage time was 10 minutes. The results were as shown in FIG.
[0019]
[Table 2]

[0020]
As a result of comparison with a conventional tungsten electrode containing 2% tria (weight ratio), the electrode material of the present invention containing tantalum carbide as a main component was in a state in which both consumption characteristics and arc stability were sufficiently endurable. In contrast, the conventional tungsten electrode containing 2% tria has a reaction product of tungsten and chlorine formed on the surface in a resin state at the 50A level under the same conditions, and the arc instability becomes remarkable, and the arc current is increased. It was impossible to increase.
[0021]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the plasma arc electrode material of the present invention is mainly composed of tantalum carbide having excellent corrosion resistance, has a long life, and uses a plasma heat source for fusing, melting, high temperature decomposition, etc. It was suitable for use as an electrode. This plasma arc electrode material has improved oxidation resistance by containing 5 to 30% by weight of hafnium carbide, and stable plasma by containing 0.1 to 3.0% by weight of lanthanum boride. An arc is obtained. Although the electrode material of the present invention is difficult to be densified by the sintering method that has been widely used in the past because of its components, the electrode material of the present invention has practicality only after adopting plasma sintering.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing a consumption test result.

Claims

A plasma sintered body mainly composed of tantalum carbide and containing 5 to 30% by weight of hafnium carbide and / or 0.1 to 3.0% by weight of lanthanum boride, and 5 to 20% by weight of metal before sintering. A plasma arc electrode material characterized in that plasma sintering is performed by adding tantalum .