JP3908062B2

JP3908062B2 - プラズマトーチの構造

Info

Publication number: JP3908062B2
Application number: JP2002068802A
Authority: JP
Inventors: 修至脇田; 信孝小山; 敏実松尾
Original assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2022-03-13
Also published as: JP2003266178A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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。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。
【０００３】
従来、図３に示すようなプラズマトーチの構造が知られていた。図３は特開平７−３０３９７０号公報の図２に基づいている。カソードプラズマトーチを用いた移行型プラズマトーチの場合、カソード電極端１５と先端ノズル１４の間でまずプラズマアーク（パイロットアーク２２）を発生させ、そのプラズマアークを加熱対象物２３に移行させることによりカソード電極端１５と加熱対象物２３との間にプラズマアーク（メインアーク２４）を発生させる。この場合加熱対象物２３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。
【０００４】
タンディッシュ内溶鋼の加熱装置の１種類として図２に示すようにツイントーチ加熱装置と呼ばれるものが提供されている。容器３０としてのタンディッシュの蓋２６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。直流電源装置２７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（溶融金属２８）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。電流はアノードトーチ１ａの電極端からメインアークを経由して加熱対象物に流れ、更にカソードトーチ１のメインアークを経由してカソードトーチ１の電極端に流れる。このような加熱装置３１は、例えば特開平８−５２４７号公報に開示されている。
【０００５】
プラズマトーチのカソードおよ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。例えば図３に示すカソードプラズマトーチにおいて、カソード電極端１５は通電用銅チューブ１８に接続され、通電用銅チューブ１８の内部には冷却水仕切管１９が配置されて二重管構造になった冷却水通路２０を形成して冷却水が循環し、カソード電極端１５を冷却する。また、先端ノズル１４はカソード電極端１５の周囲を囲むように配置され、先端ノズル１４の上部に二重管となったノズル筒１６が配置され、ノズル筒１６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１７が配置されて三重管構造になった冷却水通路２０を形成しており、ノズル筒１６の内部を冷却水が循環して先端ノズル１４を冷却する。また、ノズル筒１６と通電用銅チューブ１８との間にはアルゴンガス供給路１３が設けてある。
【０００６】
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１５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ような理由により、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つなげた構造となっている。図３においては、電極端１５と通電用銅チューブ１８との間がねじ部２１によって結合されている。同図の場合は、先端ノズル１４とノズル筒１６の間もネジ部２１によって接合されているが、特にツイントーチ加熱装置においては、先端ノズル１４とノズル外筒１６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１５のみでしか採用できない。
【０００７】
ノズル筒２の先端に配置される先端ノズル１４は、上記のようにパイロットアーク２２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１４はアークからの輻射熱を受けるため熱伝導性の良好な銅が使用される。そして、先端ノズル１４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、先端ノズルとノズル内筒及びノズル外筒との接合部においては、上述のとおり通常はねじ止め構造とはせず、そのかわりに銀ロウによって接合されていた。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。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
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７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、ロウ付けの際の加熱時に表面に厚い安定な不動態皮膜（Ｃｒ₂Ｏ₃）を生じることで、ロウが流れ込みにくくなりやすい。そして、銀ロウ接合は大気中で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、特にノズル外筒側の接合部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、溶鋼過熱中の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２内を循環する冷却水の水漏れが発生するという問題があった。
【０００９】
本発明は、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筒外筒との接合部において、健全な接合を実現することの可能なプラズマトーチの構造を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）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９を配設し、該アーク発生用電極端９を包囲してノズル筒２を配設し、ノズル筒２は先端ノズル７とノズル外筒部とノズル内筒部を有し、先端ノズル７とノズル外筒部との接合部は熱間等方圧加圧接合されてなることを特徴とするプラズマトーチの構造。
（２）前記ノズル外筒部はノズル外筒３と接合部材４によって構成され、先端ノズル７と接合部材４との接合部が熱間等方圧加圧接合されてなり、接合部材４とノズル外筒３との接合部が溶接接合されてなることを特徴とする上記（１）に記載のプラズマトーチの構造。
（３）先端ノズル７とノズル内筒部との接合部は熱間等方圧加圧接合されてなることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のプラズマトーチの構造。
（４）前記ノズル内筒部はノズル内筒５と接合部材４によって構成され、先端ノズル７と接合部材４との接合部が熱間等方圧加圧接合されてなり、接合部材４とノズル内筒５との接合部が溶接接合されてなることを特徴とする上記（３）に記載のプラズマトーチの構造。
【００１１】
【発明の実施の形態】
高圧ガス（Ａｒ、窒素などの不活性ガス）を圧力媒体として、高い等方圧力と高温との相乗効果を利用して、異種金属同士の拡散接合、あるいは反応焼結や緻密化を行う方法として、熱間等方圧加圧法（Hot Isostatic Pressing：ＨＩＰ法）が知られている。ＨＩＰ法による異種金属同士の拡散接合の場合、高圧ガスを圧力媒体として金属同士を密着し、高温雰囲気において金属接触部での拡散接合がなされる。異種金属同士を接合する際、溶融溶接では脆い金属間化合物の生成など冶金的な問題が生じることがある。それに対し、熱間等方圧加圧法による拡散接合を用いた場合には、加圧によって母材を密着させ、母材の融点以下の温度条件で、接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合を行うので、異種金属同士の接合であっても健全な接合部を形成することが可能になる。
【００１２】
本発明のプラズマトーチの構造を図１を用いて説明する。
通電用銅チューブ１１を取り囲むように、ノズル筒２が配置される。ノズル筒２は、外筒部（ノズル外筒３）、内筒部（ノズル内筒５）及び冷却水仕切筒６による三重管構造となっており、先端には先端ノズル７が配置される。本発明のノズル筒２においては、ノズル外筒部を構成するステンレス鋼部材と先端ノズル７（銅製）との接合部あるいはノズル内筒部を構成するステンレス鋼部材と先端ノズル７の接合部について、熱間等方圧加圧接合部４１を形成する。
【００１３】
ノズル外筒部がステンレス鋼製のノズル外筒３によって構成される場合、ノズル外筒３の先端部と先端ノズル７との接合部を熱間等方圧加圧接合する。ノズル内筒部についても同様である。
【００１４】
一方、ノズル外筒３あるいはノズル内筒５は、いずれも長尺であり、長すぎるために熱間等方圧加圧装置内に装入できない場合がある。本発明においては、ノズル外筒部をステンレス鋼製のノズル外筒３とステンレス鋼製の接合部材４とで構成し、ノズル外筒３と先端ノズル７とを接合部材４を介して接合する方法を採用することができる。まずは接合部材４と先端ノズル７との接合部を熱間等方圧加圧接合する。接合部材４は小さな部材として形成することができるので、接合部材４と先端ノズル７とを組み合わせた部材は容易に熱間等方圧加圧装置内に装入することが可能になる。
【００１５】
熱間等方圧加圧接合に当たっては、まず先端ノズル７と接合部材４とを組合わせた上で型枠の中に入れ、全体を真空チャンバー内に入れて、内部を減圧して先端ノズル７と接合部材４の接合部を減圧した上で型枠を密閉する（キャニング）。そしてこの型枠を熱間等方圧加圧装置内に装入し、装置内を高温・高圧状態に保持する。先端ノズル７と接合部材４との組み合わせにおいて、両者の接合部は減圧され、両者の外側は高圧に加圧されているので、圧力によって両者の接合部が密着し、密着面を通して原子の拡散により接合が進行していく。
【００１６】
接合前処理として、素材接合面の機械加工及び有機溶剤による脱脂・洗浄処理を実施する。次に先端ノズル７用素材と接合部材４用素材とを組合わせた上でパイプ状型枠の中に入れ、真空チャンバー内に挿入する。真空チャンバー内を真空にし、接合面間隙の空気を排出することで、より強固な接合が得られる。真空度としては、１０^-1〜１０^-4Ｔｏｒｒに排気処理される。この真空状態で電子ビーム溶接にて型枠に蓋をシール溶接して密閉化する。ここまでの前処理が終わった状態で、熱間等方圧加圧装置内に型枠を装入し、熱間等方圧加圧処理を行う。拡散溶接の処理温度は、一般に素材の融点（絶対温度）の５〜８割の温度で、雰囲気圧力をアルゴンガス等の不活性ガスを用いて１０〜２００ＭＰａまで昇圧させる。処理時間としては、昇温・昇圧を同時に行って目標値に達するまでの時間となり、１〜５時間程度が一般的である。
【００１７】
パイプ状のステンレス鋼製品と銅製品とを熱間等方圧加圧装置で拡散接合する場合、円筒面を接合面とすることによって、突合わせ面を接合面とした場合より広い接合面が得られるので、気密性と接合強度に優れたものが製作できる。また等圧加圧による接合であるため、材料の変形がほとんど生じないという利点もある。結局、最終製品の接合強度としては、常温から８００℃までの高温においても、母材以上の強度が得られる。
【００１８】
先端ノズル７とノズル内筒外筒との接合面、あるいは先端ノズル７と接合部材４との接合面は円環状の形状をなしているので、従来は均一に加圧しつつ加熱することが困難であったが、本発明においては熱間等方圧加圧接合を採用しているので、接合部を均一に加圧しつつ高温保持することが可能となり、良好な拡散接合部を形成することができる。その結果、先端ノズル７と接合部材４との間の熱間等方圧加圧接合部４１においては、先端ノズルも接合部材も、それぞれの母材部に比較して結晶粒が小さくなる。
【００１９】
接合部材４と先端ノズル７との間を熱間等方圧加圧接合して熱間等方圧加圧接合部４１を形成した後、ノズル外筒３と接合部材４との接合部について溶接接合して溶接接合部４２を形成する。ノズル外筒３と接合部材４とはともにステンレス鋼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。
【００２０】
ノズル内筒部と先端ノズル７との接合についても、ステンレス鋼製のノズル内筒５とステンレス鋼製の接合部材４とを用いて、上記ノズル外筒部と同様に接合部を形成することができる。
【００２１】
ノズル筒２の組み立てに際しては、まず先端ノズル７にノズル内筒部用の接合部材４とノズル外筒部用の接合部材４とを組み付け、組み付けた部材を熱間等方圧加圧装置に装入し、各接合部を熱間等方圧加圧接合する。次に内筒部用の接合部材４にノズル内筒５を組み付け、接合部材４とノズル内筒５との接合部を外周側から溶接接合する。さらに外筒部用の接合部材４にノズル外筒３を組み付け、接合部材４とノズル外筒３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５との間に冷却水仕切筒６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。
【００２２】
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１１とその先端に配設する筒状電極８によって構成される。筒状電極８の先端がアーク発生のための電極端９となる。通電用銅チューブ１１内には冷却水仕切筒１０を装入し、給水路１２を形成する。通電用銅チューブ１１の先端と筒状電極８にはねじ部２１が存在し、通電用銅チューブのねじ部と筒状電極８のねじ部とを螺合することにより、筒状電極８が通電用銅チューブ１１に結合される。筒状電極８の先端が電極端９を形成し、通電用銅チューブ１１に通電することにより、電極端９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１１及び筒状電極８は、共に銅製とする。
【００２３】
筒状電極８の外周と、ノズル筒２のノズル内筒５との間がアルゴンガス供給路１３となり、電極端９と先端ノズル７との間からアルゴンガスが供給される。
【００２４】
プラズマ加熱開始時には、電極端９と先端ノズル７との間に電圧を印加すると共にアルゴンガス供給路１３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９と加熱対象物との間に電圧を印加しつつ電極端と先端ノズル間の電圧を切ることで、プラズマアークを電極端９と加熱対象物との間に移行させる。カソードトーチ１においては、電極端９がカソード、加熱対象物がアノードの役割をし、アノードトーチ１ａにおいては、電極端９がアノード、加熱対象物がカソードの役割を果たす。
【００２５】
プラズマ加熱は、カソードトーチ１あるいはアノードトーチ１ａのいずれか一方のみを用いて行うことができる。カソードトーチ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トーチ１の電極端９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。
【００２６】
１対のプラズマトーチを準備し、その一方をカソードトーチ１、他方をアノードトーチ１ａとして加熱を行うこともできる。直流電源装置２７の正側にアノードトーチ１ａの電極端９を接続し、負側にカソードトーチ１の電極端９を接続し、各プラズマトーチと加熱対象物との間にプラズマアークを形成することにより加熱を行う。電流はアノードトーチ１ａの電極端９からメインアークを経由して加熱対象物に流れ、更にカソードトーチ１のメインアークを経由してカソードトーチ１の電極端９に流れる。
【００２７】
本発明のプラズマトーチは、図２に示すタンディッシュ内の溶鋼加熱に用いると特に好ましい。容器３０としてのタンディッシュの蓋２６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２５となる。直流電源装置２７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（溶融金属２８）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。電流はアノードトーチ１ａの電極端からメインアークを経由して溶鋼に流れ、更にカソードトーチ１のメインアークを経由してカソードトーチ１の電極端に流れる。
【００２８】
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。
【００２９】
【実施例】
次に本発明の一実施の形態に係る溶鋼の加熱用のプラズマトーチを適用した溶鋼の加熱装置の実施例について説明する。
【００３０】
図２に示すように、最大４０トンの溶鋼をタンディッシュに入れた状態で、アノードトーチとカソードトーチとにより加熱を実施し、従来のトーチと図１に示すような本発明によるトーチとの耐久性の比較試験を実施した。
【００３１】
トーチ中心部の通電用銅チューブ１１と筒状電極８との接合部は、従来トーチも本発明トーチもともにねじ接合部４３による接合とした。トーチ外周におけるノズル筒３先端の先端ノズル７の接合について、従来トーチにおいてはステンレス鋼製のノズル外筒２と銅製の先端ノズル７の接合部、ノズル内筒５と先端ノズル７との接合部について、いずれも銀ロウ接合によって接合を行った。
【００３２】
本発明のトーチのノズル筒２において、ステンレス鋼製のノズル外筒３と銅製の先端ノズル７との間にステンレス鋼製の接合部材４を装入し、同様にステンレス鋼製のノズル内筒５と銅製の先端ノズル７との間にもステンレス鋼製の接合部材４を装入した。まず先端ノズル７と２種の接合部材４との接合部を熱間等方圧加圧接合による熱間等方圧加圧接合部４１とした。
【００３３】
まず、接合面の前処理として、有機溶剤により、２つの接合部の脱脂・洗浄作業を行った。次いで先端ノズル７と接合部材４とを組合わせた上で型枠の中に入れ、全体を真空チャンバー内に入れて、内部を５×１０^-4Ｔｏｒｒ以上に減圧して先端ノズル７と接合部材４の接合部を減圧し、電子ビーム溶接にて型枠に蓋をシール溶接して密閉した（キャニング）。そしてこの型枠を熱間等方圧加圧装置内に装入し、装置内を高温・高圧状態に保持した。熱間等方圧加圧接合条件としては、圧力媒体としてＡｒガスを用い、圧力を１００ＭＰａ、温度を銅の融点１３５６Ｋの７９％に相当する１０７５Ｋとし、時間を２時間として拡散接合を行った。
【００３４】
その後、ノズル内筒５を接合部材４と連結し、接合部をＴＩＧ溶接による溶接接合部４２とした。さらにノズル内筒３を接合部材４と連結し、同様に接合部をＴＩＧ溶接による溶接接合部４２とした。
【００３５】
従来のトーチ１０本と今回のトーチ１０本とで同じ量の冷却水及びアルゴンガスを流し、またほぼ同一の最大電流値７０００［Ａ］、平均電流値４０００［Ａ］となるように運転を実施した。
【００３６】
従来トーチの場合は、８０％のトーチが平均５．６時間でノズル筒２のノズル外筒３と先端ノズル７との接合部、あるいはノズル内筒５と先端ノズル７との接合部において水漏れが発生して使用不可能になった。残り２０％のトーチは接合部からの水漏れ発生はなく、平均１９２時間後に先端ノズルの銅の溶損により水漏れして使用不可能となった。
【００３７】
それに対し、本発明によるトーチの場合は、接合部からの水漏れは全くなく、先端ノズルの銅の溶損による水漏れに起因してノズル交換が発生し、寿命は平均１９３時間と従来の４．５倍に改善された。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は、プラズマトーチのノズル筒における銅製の先端ノズルとステンレス鋼製のノズル内筒外筒との接合部において、熱間等方圧加圧接合を用いることにより、従来の銀ろう付けと比較し、接合部の健全性を改善することができ、プラズマトーチの寿命を向上することができる。
【００３９】
本発明はまた、先端ノズルとノズル内筒外筒との間に接合部材を配置することにより、熱間等方圧加圧装置に容易に装入して接合を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のカソードトーチを示す縦断面図である。
【図２】本発明によるタンディッシュ内溶鋼加熱装置を示す断面図である。
【図３】従来のカソードトーチを示す縦断面図である。
【符号の説明】
１プラズマトーチ（カソードトーチ）
１ａアノードトーチ
２ノズル筒
３ノズル外筒
４接合部材
５ノズル内筒
６冷却水仕切筒
７先端ノズル
８筒状電極
９電極端
１０冷却水仕切筒
１１通電用銅チューブ
１２給水路
１３アルゴンガス供給路
１４先端ノズル
１５電極端
１６ノズル内外筒
１７冷却水仕切筒
１８通電用銅チューブ
１９冷却水仕切筒
２０冷却水通路
２１ネジ部
２２パイロットアーク
２３加熱対象物
２４メインアーク
２５加熱室
２６蓋
２７加熱装置
２８溶融金属
２９注入ノズル
３０容器
４１熱間等方圧加圧接合部
４２溶接接合部
４３ねじ接合部

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、先端ノズルとノズル外筒部との接合部は熱間等方圧加圧接合されてなることを特徴とするプラズマトーチの構造。
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熱間等方圧加圧接合されてなり、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請求項１に記載のプラズマトーチの構造。
前記先端ノズルとノズル内筒部との接合部は熱間等方圧加圧接合されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の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熱間等方圧加圧接合されてなり、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ことを特徴とする請求項３に記載のプラズマトーチの構造。