JP3942480B2 - プラズマ式溶融炉およびその起動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ式溶融炉およびその起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、廃棄物を焼却処理した焼却残滓や焼却灰などの被溶融物を加熱溶融して減容化、無害化する溶融炉において、加熱源にプラズマアークを使用したプラズマ式溶融炉がある。
【０００３】
このプラズマ式溶融炉は、炉本体の溶融室の底部にベースメタルを収容し、ベースメタルの上方に単数または複数の電極を配置し、溶融室内にプラズマ作動ガスを供給し、電源装置から電極間または電極とベースメタルとの間に駆動電圧を印加して、電極とベースメタルとの間にプラズマアーク（トランスファアーク）を放電させ、ベースメタル上に投入された被溶融物を加熱溶融するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来構成において、起動時に、アークを起動させる場合、電極を下降してベースメタルに接触させ、上昇離間とともにアーク放電させる接触点弧法が採用されている。
【０００５】
ところで、溶融炉の運転を停止して所定時間経過後に起動する場合、ベースメタルの表面に導電性の低い固化スラグが固着しており、電極をベースメタルに接触させることができないためプラズマアークを起動することができない。
【０００６】
このため、作業員が溶融室内に入って、電極下方近傍の固化スラグを除去する作業が行われている。このスラグ除去作業は、炉内の悪環境下で長時間を要するとともに、潜熱による火傷などの危険を伴い安全性の面でも好ましくないものであった。
【０００７】
また初期起動時は、プラズマ電極とベースメタルとなる素材（母材）との間で接触点弧法によりアークを発生させ、トランスファアークによりベースメタルを溶融させるが、母材が固体から液体に変化してアーク長が変動するため、プラズマアークが不安定であり、このため電極の消耗が激しいという問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決して、再起動時に、ベースメタル上のスラグの除去作業を不要として、スムーズに再起動可能で、かつ初期起動時にも安定したアークでベースメタル素材を溶融させることができ、かつ電極の消耗も低減できるプラズマ式溶融炉およびその起動方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１記載のプラズマ式溶融炉は、溶融室内底部のベースメタルの上方に配置された複数のプラズマ電極に運転用の駆動電圧を印加して、ベースメタルとプラズマ電極との間でトランスファアーク放電させ、ベースメタル上に投入された被溶融物を溶融させるプラズマ式溶融炉であって、前記プラズマ電極に起動溶融手段を設け、前記起動溶融手段を、プラズマ電極の主電極に軸心方向に沿って貫通形成された中空部内の放電位置に後退自在に配置された起動電極と、前記中空部を介して溶融室にプラズマ作動ガスを供給するプラズマ作動ガス供給装置と、前記主電極と前記起動電極とに起動用の駆動電圧を印加してノントランスファアーク放電させる起動用電源と、起動電極を放電位置から後退させるか、または中空部から抜き出す起動電極挿脱装置とで構成し、少なくとも再起動時に放電位置の起動電極との間に形成されるノントランスファアーク放電と、運転時に前記起動電極挿脱装置により起動電極が放電位置から後退されるかまたは中空部から抜き出された状態でベースメタルとの間に形成されるトランスファアーク放電とを、それぞれ共通のプラズマ電極の主電極により行うように構成したものである。
【００１０】
請求項２記載のプラズマ式溶融炉は、溶融室内底部に収容されたベースメタルに通電される炉底電極と、ベースメタルの上方に配置されたプラズマ電極と運転用の駆動電圧を印加して、ベースメタルとプラズマ電極との間でトランスファアーク放電させ、ベースメタル上に投入された被溶融物を溶融させるプラズマ式溶融炉であって、前記プラズマ電極に起動溶融手段を設け、前記起動溶融手段を、プラズマ電極の主電極に軸心方向に沿って貫通形成された中空部内の放電位置から後退自在に配置された起動電極と、前記中空部を介して溶融室にプラズマ作動ガスを供給するプラズマ作動ガス供給装置と、前記主電極と前記起動電極とに起動用の駆動電圧を印加してノントランスファアーク放電させる起動用電源と、起動電極を放電位置から後退させるか、または中空部から抜き出す起動電極挿脱装置とで構成し、少なくとも再起動時に放電位置の起動電極との間に形成されるノントランスファアーク放電と、運転時に前記起動電極挿脱装置により起動電極が放電位置から後退されるかまたは中空部から抜き出された状態でベースメタルとの間に形成されるトランスファアーク放電とを、それぞれ共通のプラズマ電極の主電極により行うように構成したものである。
【００１１】
上記請求項１または２記載の構成によれば、再起動時に、起動溶融手段によるノントランスファアークによりベースメタル上の固化スラグを溶融させて導電性を高めることにより、プラズマ電極とベースメタルとの間で溶融スラグを介してトランスファアークによる放電が可能となるので、従来のような固化スラグの除去作業が不要となり、スムーズに短時間で再起動することができる。また、ノントランスファアークは安定して放電することができるので、プラズマ電極の消耗を低減することができる。さらに、主電極の中空部に起動電極を配置して起動溶融手段を構成したので、プラズマ電極をコンパクトに構成できるとともに、起動電極の入れ替えやメンテナンスも容易に実施することができる。さらにまた、起動電極挿脱装置により、ノントランスファアーク放電の終了後に、起動電極を放電位置から後退させるか、または中空部から抜き出すことにより、運転時のトランスファアークにより、起動電極が溶損するのを防止することができ、また主電極が放電により消耗しても、追従して上昇させる必要もない。
【００１２】
請求項３記載のプラズマ式溶融炉は、請求項１または２記載の構成において、溶融炉の初期起動時に、起動溶融手段により放電位置の起動電極と主電極との間でノントランスファアークを形成して、ベースメタル素材を溶融させるように構成したものである。
【００１３】
上記請求項３記載の構成によれば、初期起動時に、起動溶融手段によるノントランスファアークで、固体状のベースメタル素材を安定して溶融させることができ、初期起動をスムーズに行うことができる。
【００１４】
請求項４記載のプラズマ式溶融炉は、請求項１乃至３のいずれかに記載の構成において、主電極をプラズマの発生により消耗する消耗電極とするとともに、主電極をベースメタルに接近離間自在に支持する電極昇降装置を設け、起動電極をプラズマの発生により消耗しにくい非消耗電極としたものである。
【００１５】
上記請求項４記載の構成によれば、起動電極挿脱装置により、ノントランスファアーク放電の終了後に、起動電極を放電位置から後退させるか、または中空部から抜き出すことにより、運転時のトランスファアークにより、起動電極が溶損するのを防止することができ、また主電極が放電により消耗しても、追従して上昇させる必要もない。
【００１６】
請求項５記載のプラズマ式溶融炉は、請求項１乃至４のいずれかに記載の構成において、起動電極の先端部に外周側に突出する放電端部を形成するとともに、放電時に起動電極を軸心周りに回転させる電極回転装置を設けたものである。
【００１７】
上記請求項５記載の構成によれば、放電端部を軸心周りに回転させることにより、主電極の放電部位を順次周方向に移動させることができるので、主電極を均一に消耗させることができるので、主電極を効率良く消耗させて寿命を延ばすことができる。
【００１８】
請求項６記載のプラズマ式溶融炉の起動方法は、請求項１記載のプラズマ式溶融炉を再起動するに際し、プラズマ作動ガス供給装置によりプラズマ電極の主電極の中空部から溶融室にプラズマ作動ガスを供給するとともに、起動用電源によりプラズマ電極の主電極と放電位置の起動電極とに起動用の駆動電圧を印加してノントランスファアーク放電させ、このノントランスファアークによりベースメタル上のスラグを溶融させ、ノントランスファアークを停止後、起動電極挿脱装置により起動電極を中空部内で放電位置から後退させるかまたは中空部から抜き出し、プラズマ作動ガス供給装置により中空部から溶融室内にプラズマ作動ガスを供給するとともに、複数のプラズマ電極の主電極にそれぞれ運転用の駆動電圧を印加して、主電極とベースメタルとの間でトランスファアーク放電させて運転するものである。
【００１９】
請求項７記載のプラズマ式溶融炉の起動方法は、請求項２記載のプラズマ式溶融炉を再起動するに際し、プラズマ作動ガス供給装置によりプラズマ電極の主電極の中空部から溶融室にプラズマ作動ガスを供給するとともに、起動用電源によりプラズマ電極の主電極と放電位置の起動電極との間に起動用の駆動電圧を印加してノントランスファアーク放電させ、このノントランスファアークによりベースメタル上のスラグを溶融させ、ノントランスファアークを停止後、起動電極挿脱装置により起動電極を中空部内で放電位置から後退させるかまたは中空部から抜き出し、プラズマ作動ガス供給装置により中空部から溶融室内にプラズマ作動ガスを供給するとともに、プラズマ電極の主電極と炉底電極に運転用の駆動電圧を印加して、主電極とベースメタルとの間でトランスファアーク放電させて運転するものである。
【００２０】
上記請求項６または７記載の構成によれば、再起動時に、起動溶融手段によるノントランスファアークによりベースメタル上の固化スラグを溶融させて導電性を高めることにより、プラズマ電極とベースメタルとの間で溶融スラグを介して、トランスファアークの放電が可能となるので、従来のような固化スラグの除去作業を不要として、スムーズに短時間で再起動することができる。また、再起動時のノントランスファアークは安定しており、プラズマ電極の消耗も低減することができる。またノントランスファアークの終了後に、起動電極を放電位置から後退させることにより、運転時のトランスファアークにより、起動電極が溶損するのを防止することができる。また主電極が放電により消耗しても、追従して上昇させる必要もない。
【００２１】
請求項８記載のプラズマ式溶融炉の起動方法は、請求項１記載のプラズマ式溶融炉を初期起動するに際し、プラズマ作動ガス供給装置によりプラズマ電極の主電極の中空部から溶融室にプラズマ作動ガスを供給するとともに、起動用電源によりプラズマ電極の主電極と放電位置の起動電極の間に起動用の駆動電圧を印加してノントランスファアーク放電させ、このノントランスファアークによりベースメタルを溶融させ、ノントランスファアークを停止後、起動電極挿脱装置により起動電極を中空部内で放電位置から後退させるかまたは中空部から抜き出し、プラズマ作動ガス供給装置により中空部から溶融室内にプラズマ作動ガスを供給するとともに、複数のプラズマ電極の主電極にそれぞれ運転用の駆動電圧を印加して、主電極とベースメタルとの間でトランスファアーク放電させて運転するものである。
【００２２】
請求項９記載のプラズマ式溶融炉の起動方法は、請求項２記載のプラズマ式溶融炉を初期起動するに際し、プラズマ作動ガス供給装置によりプラズマ電極の主電極の中空部から溶融室にプラズマ作動ガスを供給するとともに、起動用電源によりプラズマ電極の主電極と放電位置の起動電極の間に起動用の駆動電圧を印加してノントランスファアーク放電させ、このノントランスファアークによりベースメタルを溶融させ、ノントランスファアークを停止後、起動電極挿脱装置により起動電極を中空部内で放電位置から後退させるかまたは中空部から抜き出し、プラズマ作動ガス供給装置により中空部から溶融室内にプラズマ作動ガスを供給するとともに、プラズマ電極の主電極と炉底電極に運転用の駆動電圧を印加して、主電極とベースメタルとの間でトランスファアークを放電させて運転するものである。
【００２３】
上記請求項８または９記載の構成によれば、初期起動時に起動溶融手段によるノントランスファアークにより、固体状のベースメタル素材を安定して加熱溶融することができ、初期起動をスムーズに行うことができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明に係るプラズマ式溶融炉の第１の実施の形態を図１および図２に基づいて説明する。
【００２８】
図に示すように、この溶融炉は、２本のプラズマ電極５Ａ，５Ｂとベースメタル４との間にトランスファアークを放電させてベースメタル４上に投入された被溶融物を加熱用溶融する所謂ツイントーチ型（３本以上の電極も含む）で、炉本体１の一端側に、焼却灰や焼却残滓、産業廃棄物などの被溶融物を供給するホッパ２ａやプッシャ装置２ｂからなる被溶融物供給装置２が設けられ、他端側に溶融スラグＳを排出するスラグ排出口３が設けられている。
【００２９】
また炉本体１の溶融室１ａには、底部にベースメタル４が収容されるとともに、天井壁１ｂを貫通して複数（図では２本）のプラズマ電極５Ａ，５Ｂが昇降自在に配設され、これらプラズマ電極５Ａ，５Ｂは、電極昇降装置６によりベースメタル４上にそれぞれ接近離間自在に支持されるとともに、運転・起動兼用駆動電源（起動用電源）７に接続されている。またこれらプラズマ電極５Ａ，５Ｂには、初期起動時および再起動時にノントランスファアークを発生する起動溶融手段８が設けられている。
【００３０】
前記プラズマ電極５Ａ，５Ｂは、プラズマアークの発生により消耗されるカーボン製の消耗電極である主電極（消耗電極）５ａにより構成されるとともに、主電極５ａは電極昇降装置６により昇降自在に支持され、主電極５ａの軸心位置に中空部５ｂが貫通形成されている。
【００３１】
起動溶融手段８は、円筒状の主電極５ａと、主電極５ａの中空部５ｂに単数または複数の絶縁スペーサ８ｂを介して出退自在に配置されたロッド状の起動電極８ａと、主電極５ａの中空部５ｂにプラズマ作動ガス（主電極の消耗を抑制する場合には窒素ガスなどの不活性ガスを使用する。または安価な水蒸気も使用可能）を供給して先端部から溶融室１ａに吹き込むプラズマ作動ガス供給装置９と、主電極５ａと起動電極８ａとの間に起動用の駆動電圧を印加する運転・起動兼用駆動電源７と、運転時に起動電極８ａを中空部５ｂから抜き出す起動電極挿脱装置１０とで構成されている。
【００３２】
前記起動電極８ａは、耐熱性で放電により消耗の少ないたとえばタングステン製の非消耗電極により構成され、外周部の複数箇所に設けられた絶縁スペーサ８ｂにより、中空部５ｂ内で主電極５ａに一定距離をあけて保持されるとともに、中空部５ｂ内で絶縁スペーサ８ｂがプラズマ作動ガスの流通を許容するように構成されている。
【００３３】
ここで、前記主電極５ａの先端部は基端部から連続する円筒状で、起動電極８ａも円柱状に形成して放電部１１を構成しているが、図３に示すように、中空部５ｂの内径を絞りガス孔５ｄが形成された面板部５ｃを設け、一方起動電極８ａの先端部が錐状に形成されて、互いに接近する放電部１２を構成してもよい。先の放電部１１では、電流値が６００〜７００Ａ以上でプラズマアークが発生されるのに対して、この放電部１２では５００Ａ以下の低電流でプラズマアークを発生させることができる。
【００３４】
前記運転・起動兼用駆動電源７は、図２に示すように、直流電源部７ａと２つの切替スイッチ７ｂ，７ｃと、起動用電源回路に設けられた高周波自己点弧装置７ｄとで構成されている。そして起動時には、プラズマ電極５Ａ，５Ｂの両主電極５ａに正極を、起動電極８ａに負極を（またはその逆極性でも可）接続するように切替スイッチ７ｂ，７ｃが切り替えられ、高周波自己点弧装置７ｄにより駆動電圧を直流パルスとすることで、前記放電部１１で主電極５ａと起動電極８ａとの間にノントランスファアークを発生するように構成される。なお、再起動時には、主電極５ａの先端部は消耗して溶損しているため、先端部が加工されて整形される。
【００３５】
また運転・起動兼用駆動電源７において、運転時には、プラズマ電極５Ａ，５Ｂの一方の主電極５ａに正極を、他方の主電極５ａに負極を接続し、両起動電極８ａはオフ状態とするように切替スイッチ７ｂ，７ｃが切り替えられ、たとえば接触点弧法により両主電極５ａとベースメタル４または溶融スラグＳとの間にトランスファアークが起動される。なお、運転用電源回路に高周波自己点弧装置７ｅを設けて、駆動電圧を直流パルスとすることで、プラズマアークを発生させて起動することもできる。
【００３６】
さらにトランスファアークによる運転時に、中空部５ｂ内で起動電極８ａが高温にさらされて溶融するおそれがあるため、アークの停止後に、起動電極挿脱装置１０により中空部５ｂ内で放電位置から後退されるか、中空部５ｂから抜き出されて待機または撤去してもよい。なお、主電極５ａは運転とともに消耗するため、電極昇降装置６により順次下降させてプラズマ長を一定に保持するが、主電極５ａが短くなると、その上部に新たな主電極５ａを継ぎ足しする。この継ぎ足し作業時に起動電極８ａが障害となる場合には、起動電極８ａを撤去する必要がある。
【００３７】
次にツイントーチ型のプラズマ溶融炉における起動方法および運転方法を説明する。
まず、初期起動する場合、炉本体１の底部に配置された板状やブロック状のベースメタル素材を加熱溶融する。この時従来では、接触点弧法によりトランスファアークを起動して固体状のベースメタル素材を溶融させていたが、アークが不安定な上、主電極５ａの消耗が激しいため、本発明では、起動溶融手段８による安定したノントランスファアークを使用して固体状のベースメタル素材を溶融してベースメタル４を形成する。
【００３８】
すなわち、電極昇降装置６によりプラズマ電極５Ａ，５Ｂの主電極５ａを下降して下方に配置されたベースメタル素材に接近させ、次いで起動電極挿脱装置１０により起動電極８ａを主電極５ａの中空部５ｂに挿入して所定位置に位置決めする。そしてプラズマ作動ガス供給装置９からプラズマ電極５Ａ，５Ｂの中空部５ｂにプラズマ作動ガスを供給するとともに、運転・起動兼用駆動電源７の切替スイッチ７ｂ，７ｃを切り替えて、プラズマ電極５Ａ，５Ｂの両主電極５ａに正極を、起動電極８ａに負極をそれぞれ接続し、起動用の駆動電圧を印加し、高周波自己点弧装置７ｄによりパルスを付加する。これにより、放電部１１の主電極５ａと起動電極８ａとの間で放電させてノントランスファアークを発生させる。そしてプラズマ作動ガスによりプラズマアークを噴射してベースメタル素材を加熱し溶融する。ベースメタル素材の大部分が溶融すると、駆動電圧の印加を停止してノントランスファアークを停止する。
【００３９】
通常運転に移行する時は、起動電極挿脱装置１０により起動電極８ａを中空部５ｂから抜き出す。そしてプラズマ作動ガス供給装置９によりプラズマ電極５Ａ，５Ｂの中空部５ｂおよび他のガスノズルを介してプラズマ作動ガスを溶融室１ａに供給してプラズマ作動ガス雰囲気にする。次いで運転・起動兼用駆動電源７の切替スイッチ７ｂ，７ｃを切り替えて、プラズマ電極５Ａ，５Ｂの一方の主電極５ａに正極を、他方の主電極５ａに負極をそれぞれ接続し、起動用の駆動電圧を印加して、プラズマ電極５Ａ，５Ｂをベースメタル４に接触させる接触点弧法により、両主電極５ａとベースメタル４の間にトランスファアークを発生させ起動する。さらに被溶融物供給装置２によりベースメタル４上に被溶融物を供給して加熱溶融し溶融スラグＳを形成する。オーバーフローした溶融スラグＳはスラグ排出口３から排出される。なお、高周波自己点弧装置７ｅにより駆動電圧を直流パルスとして点弧することもできる。
【００４０】
運転中は、主電極５ａが消耗すると、電極昇降装置６により主電極５ａを下降してベースメタル４との間のアーク長を適正に維持し、アークを安定させる。
溶融作業が終了し、溶融炉が冷えた状態で再起動する場合には、電極昇降装置６によりプラズマ電極５Ａ，５Ｂの主電極５ａを溶融室１ａから抜き出し、主電極５ａの先端部を整形するか、または新たな主電極５ａと交換する。そして電極昇降装置６によりプラズマ電極５Ａ，５Ｂの主電極５ａをそれぞれ挿入下降してベースメタル４上の固化スラグに接近させる。次いで起動電極挿脱装置１０により起動電極８ａを主電極５ａの中空部５ｂにそれぞれ挿入して所定位置に位置決めする。そしてプラズマ作動ガス供給装置９からプラズマ電極５Ａ，５Ｂの中空部５ｂにプラズマ作動ガスを供給し、運転・起動兼用駆動電源７の切替スイッチ７ｂ，７ｃを切り替えて、プラズマ電極５Ａ，５Ｂの両主電極５ａに正極を、起動電極８ａに負極をそれぞれ接続し、起動用の駆動電圧を印加するとともに高周波自己点弧装置７ｄによりパルスを付加する。これにより、放電部１１の主電極５ａと起動電極８ａとの間で放電させてノントランスファアークを発生させる。
プラズマ作動ガスによりプラズマアークの熱を固化スラグに送って加熱し溶融する。固化スラグが溶融する場合、深さ方向より周辺方向に速く広がって溶融する傾向が見られるが、プラズマ電極５Ａ，５Ｂ下方の溶融スラグ池が互いにつながるか、またはそれぞれの溶融スラグ池ベースメタル４まで達すると、ノントランスファアークを停止する。そして上記と同様に通常運転に移行する。
【００４１】
上記実施の形態によれば、溶融炉を再起動する場合、主電極５ａの先端部を整形するか、または新たな主電極５ａと交換し、起動電極８ａを中空部５ｂに挿入配置するだけで、駆動溶融手段８によりノントランスファアークを発生してベースメタル４上の固化スラグを溶融し、スラグの導電性を高めることで、引き続いてプラズマ電極５Ａ，５Ｂとベースメタル４との間で溶融スラグＳを介してトランスファアークを形成して運転を再開することができる。したがって、従来のようにベースメタル４上の固化スラグの剥離除去作業が不要となり、短時間で安定した再起動が可能となる。
【００４２】
また初期起動に際しても、駆動溶融手段８によるノントランスファアークでベースメタル素材を溶融させることで、安定したアークを確保できるとともに、起動電極８ａの消耗を減少させることができ、スムーズな初期起動が可能となる。
【００４３】
次にプラズマ式溶融炉の第２の実施の形態を図４および図５に基づいて説明する。なお、第１の実施の形態と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
この溶融炉は、炉本体１の底部に設置されてベースメタル４に給電する炉底電極２１を具備し、この炉底電極２１とプラズマ電極２２との間に駆動電圧を印加してプラズマ電極２２とベースメタル４との間にトランスファアークを形成する所謂シングルトーチ式（プラズマ電極２２が複数も含む）に構成されている。そしてプラズマ電極２２は、主電極５ａの中空部５ｂ内に起動電極８ａを具備している。
【００４４】
運転・起動兼用駆動電源２３は、直流電源部２３ａから運転用電源回路を介して炉底電極２１に正極が接続され、主電極５ａに負極が接続され、また直流電源部２３ａと炉底電極２１との間の運転用電源回路２３ｂに第１切替スイッチ２４Ａが介在され、また直流電源部２３ａと第１切替スイッチ２４Ａの間の運転用電源回路２３ｂから分岐されて起動電極８ａに接続された起動用電源回路２３ｃに、第２切替スイッチ２４Ｂが介在されている。これにより、第１切替スイッチ２４Ａをオフ、第２切替スイッチ２４Ｂをオンすることで、直流電源部２３ａからプラズマ電極２２の主電極５ａと起動電極８ａに起動用の駆動電圧を印加し、また第１切替スイッチ２４Ａをオン、第２切替スイッチ２４Ｂをオフすることで、直流電源部２３ａからプラズマ電極２２の主電極５ａと炉底電極２１に運転用の駆動電圧を印加することができる。
【００４５】
次にシングルトーチ式溶融炉の起動および運転方法を説明する。
初期起動する場合、起動溶融手段８による安定したノントランスファアークを使用して板状素材を溶融しベースメタル４を形成する。まず、電極昇降装置６によりプラズマ電極２２の主電極５ａを下降してベースメタル素材に接近させ、起動電極挿入装置１０により起動電極８ａを主電極５ａの中空部５ｂにれ挿入して下降し所定位置に位置決めする。そしてプラズマ作動ガス供給装置９からプラズマ電極２２の中空部５ｂにプラズマ作動ガスを供給し、運転・起動兼用駆動電源２３の第１切替スイッチ２４Ａをオフ、第２切替スイッチ２４Ｂをオンとして、プラズマ電極２２の主電極５ａに負極を、起動電極８ａに正極をそれぞれ接続して、起動用の駆動電圧を印加するとともに高周波自己点弧装置７ｄによりパルスを付加する。これにより、放電部１１の主電極５ａと起動電極８ａとの間で放電させてノントランスファアークを発生させる。そしてプラズマ作動ガスによりプラズマアークを噴射してベースメタル素材を加熱し溶融する。ベースメタル素材の大部分が溶融すると、駆動電圧の印加を停止してノントランスファアークを停止する。
【００４６】
通常運転に移行する時は、起動電極挿脱装置１０により起動電極８ａを中空部５ｂから抜き出す。そして、プラズマ作動ガス供給装置９によりプラズマ電極２２の中空部５ｂおよび他のガスノズルを介してプラズマ作動ガスを供給して溶融室１ａをプラズマ作動ガス雰囲気にとし、運転・起動兼用駆動電源２３の第１切替スイッチ２４Ａをオン、第２切替スイッチ２４Ｂをオフとして、直流電源部２３ａの負極をプラズマ電極２２の主電極５ａに接続するとともに、正極を炉底電極２１に接続し、起動用の駆動電圧を電極５ａ，２１に印加して、プラズマ電極２２をベースメタル４に接触させる接触点弧法により主電極５ａとベースメタル４の間にトランスファアークを発生させ起動する。そして、被溶融物供給装置２からベースメタル４上に被溶融物を供給し、加熱溶融して溶融スラグＳを形成し、オーバーフローした溶融スラグＳをスラグ排出口３から排出する。なお、高周波自己点弧装置７ｄにより駆動電圧を直流パルスとして点弧することもできる。
【００４７】
運転中は、主電極５ａが消耗すると、電極昇降装置６により主電極５ａを下降してベースメタル４との距離を一定に制御してアーク長を適正に維持し、アークを安定させる。
【００４８】
溶融作業が終了し、溶融炉が冷えた状態で再起動する場合には、電極昇降装置６によりプラズマ電極２２を溶融室１ａから抜き出し、主電極５ａの先端部を整形するか、または新たな主電極５ａと交換する。そして電極昇降装置６によりプラズマ電極２２の主電極５ａを挿入して下降し、ベースメタル４上の固化スラグに接近させる。さらに起動電極挿入装置１０により起動電極８ａを主電極５ａの中空部５ｂにれ挿入して下降し所定位置に位置決めする。そしてプラズマ作動ガス供給装置９からプラズマ電極２２の中空部５ｂにプラズマ作動ガスを供給し、運転・起動兼用駆動電源２３の切替スイッチ２４Ａ，２４Ｂを切り替えて、プラズマ電極２２の主電極５ａに負極を、起動電極８ａに正極をそれぞれ接続し、起動用の駆動電圧を印加するとともに高周波自己点弧装置７ｄによりパルスを付加する。これにより、放電部１１に放電させてノントランスファアークを発生させてプラズマ作動ガスにより噴射させ、固化スラグを加熱溶融する。固化スラグが溶融する場合、深さ方向に溶融スラグ池が広がってベースメタル４近傍まで達すると、駆動電圧の印加を停止してノントランスファアークを停止し、上記と同様に通常運転に移行する。
【００４９】
上記第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
次にノントランスファアークを発生させるための放電部１１の変形例を図６を参照して説明する。
【００５０】
上述の各実施の形態の放電部１１，１２では、主電極５ａの先端部を円筒状にするか、またはガス孔５ｃを形成した面板部５ｄを設け、起動電極８ａの先端部を錐状に形成したが、この放電部３０では、主電極５ａの中空部５ｂの先端部を円筒状に形成して開口させるとともに、起動電極８ａの先端部を所定角度折り曲げられた放電端部３１に形成し、さらに起動電極８ａを軸心周りに回転させる電極回転装置３２を設けている。放電端部３１を外周側に突出するように形成してもよい。
【００５１】
これにより、主電極５ａと、主電極５ａに最も接近する放電端部３１との間でノントランスファアークを発生させ、放電電極８ａの回転により主電極５ａの放電部位を周方向に移動させて、主電極５ａの消耗を周方向に均一にすることができる。これにより、主電極５ａの長寿命化を図ることができる。
【００５２】
なお、上記実施の形態では、消耗電極であるたとえばカーボン製の主電極５ａを使用したが、冷却手段（冷却媒体通路など）を内蔵した非消耗電極であるたとえばタングステン製の電極を使用することもできる。ノントランスファアークを発生中に起動電極８ａが必要以上に加熱される場合には、冷却手段（冷却媒体通路など）を内装させることもできる。
【００５３】
【発明の効果】
以上に述べたごとく請求項１または２記載のプラズマ式溶融炉によれば、再起動時に、起動溶融手段によるノントランスファアークによりベースメタル上の固化スラグを溶融させて導電性を高めることにより、プラズマ電極とベースメタルとの間で溶融スラグを介してトランスファアークによる放電が可能となるので、従来のような固化スラグの除去作業が不要となり、スムーズに短時間で再起動することができる。また、ノントランスファアークは安定して放電することができるので、プラズマ電極の消耗を低減することができる。さらに、主電極の中空部に起動電極を配置して起動溶融手段を構成したので、プラズマ電極をコンパクトに構成できるとともに、起動電極の入れ替えやメンテナンスも容易に実施することができる。さらにまた、起動電極挿脱装置により、ノントランスファアーク放電の終了後に、起動電極を放電位置から後退させるか、または中空部から抜き出すことにより、運転時のトランスファアークにより、起動電極が溶損するのを防止することができ、また主電極が放電により消耗しても、追従して上昇させる必要もない。
【００５４】
上記請求項３記載のプラズマ式溶融炉によれば、初期起動時に、起動溶融手段によるノントランスファアークで、固体状のベースメタル素材を安定して溶融させることができ、初期起動をスムーズに行うことができる。
【００５５】
上記請求項４記載のプラズマ式溶融炉によれば、起動電極挿脱装置により、ノントランスファアーク放電の終了後に、起動電極を放電位置から後退させるか、または中空部から抜き出すことにより、運転時のトランスファアークにより、起動電極が溶損するのを防止することができ、また主電極が放電により消耗しても、追従して上昇させる必要もない。
【００５６】
上記請求項５記載のプラズマ式溶融炉によれば、放電端部を軸心周りに回転させることにより、主電極の放電部位を順次周方向に移動させることができるので、主電極を均一に消耗させることができるので、主電極を効率良く消耗させて寿命を延ばすことができる。
【００５７】
上記請求項６または７記載のプラズマ式溶融炉の起動方法によれば、再起動時に、起動溶融手段によるノントランスファアークによりベースメタル上の固化スラグを溶融させて導電性を高めることにより、プラズマ電極とベースメタルとの間で溶融スラグを介して、トランスファアークの放電が可能となるので、従来のような固化スラグの除去作業を不要として、スムーズに短時間で再起動することができる。また、再起動時のノントランスファアークは安定しており、プラズマ電極の消耗も低減することができる。またノントランスファアークの終了後に、起動電極を放電位置から後退させることにより、運転時のトランスファアークにより、起動電極が溶損するのを防止することができる。また主電極が放電により消耗しても、追従して上昇させる必要もない。
【００５８】
上記請求項８または９記載のプラズマ式溶融炉の起動方法によれば、初期起動時に起動溶融手段によるノントランスファアークにより、固体状のベースメタル素材を安定して加熱溶融することができ、初期起動をスムーズに行うことができる。
【００５９】
請求項９記載のプラズマ式溶融炉の起動方法によれば、初期起動時に起動溶融手段によるノントランスファアークにより、固体状のベースメタル素材を安定して加熱溶融することができ、初期起動をスムーズに行うことができる。
【００６０】
請求項１０記載のプラズマ式溶融炉の起動方法によれば、ノントランスファアークの終了後に、起動電極を放電位置から後退させることにより、運転時のトランスファアークにより、起動電極が溶損するのを防止することができる。また主電極が放電により消耗しても、追従して上昇させる必要もない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマ式溶融炉の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】同運転・起動兼用電源を示す構成図である。
【図３】放電部の変形例を示す部分断面図である。
【図４】本発明に係るプラズマ式溶融炉の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図５】同運転・起動兼用電源を示す構成図である。
【図６】プラズマ式溶融炉の放電部の変形例を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 炉本体
１ａ 溶融室
４ ベースメタル
５Ａ，５Ｂ プラズマ電極
５ａ 主電極
５ｂ 中空部
５ｃ ガス孔
５ｄ 面板部
６ 電極昇降装置
７ 運転・起動兼用駆動電源
８ 起動溶融手段
８ａ 起動電極
９ プラズマガス供給装置
１０ 起動電極挿脱装置
１１ 放電部
１２ 放電部
２１ 炉底電極
２２ プラズマ電極
２３ 運転・起動兼用駆動電源
３０ 放電部
３１ 放電端部
３２ 電極回転装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ式溶融炉およびその起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、廃棄物を焼却処理した焼却残滓や焼却灰などの被溶融物を加熱溶融して減容化、無害化する溶融炉において、加熱源にプラズマアークを使用したプラズマ式溶融炉がある。
【０００３】
このプラズマ式溶融炉は、炉本体の溶融室の底部にベースメタルを収容し、ベースメタルの上方に単数または複数の電極を配置し、溶融室内にプラズマ作動ガスを供給し、電源装置から電極間または電極とベースメタルとの間に駆動電圧を印加して、電極とベースメタルとの間にプラズマアーク（トランスファアーク）を放電させ、ベースメタル上に投入された被溶融物を加熱溶融するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来構成において、起動時に、アークを起動させる場合、電極を下降してベースメタルに接触させ、上昇離間とともにアーク放電させる接触点弧法が採用されている。
【０００５】
ところで、溶融炉の運転を停止して所定時間経過後に起動する場合、ベースメタルの表面に導電性の低い固化スラグが固着しており、電極をベースメタルに接触させることができないためプラズマアークを起動することができない。
【０００６】
このため、作業員が溶融室内に入って、電極下方近傍の固化スラグを除去する作業が行われている。このスラグ除去作業は、炉内の悪環境下で長時間を要するとともに、潜熱による火傷などの危険を伴い安全性の面でも好ましくないものであった。
【０００７】
また初期起動時は、プラズマ電極とベースメタルとなる素材（母材）との間で接触点弧法によりアークを発生させ、トランスファアークによりベースメタルを溶融させるが、母材が固体から液体に変化してアーク長が変動するため、プラズマアークが不安定であり、このため電極の消耗が激しいという問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決して、再起動時に、ベースメタル上のスラグの除去作業を不要として、スムーズに再起動可能で、かつ初期起動時にも安定したアークでベースメタル素材を溶融させることができ、かつ電極の消耗も低減できるプラズマ式溶融炉およびその起動方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１記載のプラズマ式溶融炉は、溶融室内底部のベースメタルの上方に配置された複数のプラズマ電極に運転用の駆動電圧を印加して、ベースメタルとプラズマ電極との間でトランスファアーク放電させ、ベースメタル上に投入された被溶融物を溶融させるプラズマ式溶融炉であって、前記プラズマ電極に起動溶融手段を設け、前記起動溶融手段を、プラズマ電極の主電極に軸心方向に沿って貫通形成された中空部内の放電位置に後退自在に配置された起動電極と、前記中空部を介して溶融室にプラズマ作動ガスを供給するプラズマ作動ガス供給装置と、前記主電極と前記起動電極とに起動用の駆動電圧を印加してノントランスファアーク放電させる起動用電源と、起動電極を放電位置から後退させるか、または中空部から抜き出す起動電極挿脱装置とで構成し、少なくとも再起動時に放電位置の起動電極との間に形成されるノントランスファアーク放電と、運転時に前記起動電極挿脱装置により起動電極が放電位置から後退されるかまたは中空部から抜き出された状態でベースメタルとの間に形成されるトランスファアーク放電とを、それぞれ共通のプラズマ電極の主電極により行うように構成したものである。
【００１０】
請求項２記載のプラズマ式溶融炉は、溶融室内底部に収容されたベースメタルに通電される炉底電極と、ベースメタルの上方に配置されたプラズマ電極と運転用の駆動電圧を印加して、ベースメタルとプラズマ電極との間でトランスファアーク放電させ、ベースメタル上に投入された被溶融物を溶融させるプラズマ式溶融炉であって、前記プラズマ電極に起動溶融手段を設け、前記起動溶融手段を、プラズマ電極の主電極に軸心方向に沿って貫通形成された中空部内の放電位置から後退自在に配置された起動電極と、前記中空部を介して溶融室にプラズマ作動ガスを供給するプラズマ作動ガス供給装置と、前記主電極と前記起動電極とに起動用の駆動電圧を印加してノントランスファアーク放電させる起動用電源と、起動電極を放電位置から後退させるか、または中空部から抜き出す起動電極挿脱装置とで構成し、少なくとも再起動時に放電位置の起動電極との間に形成されるノントランスファアーク放電と、運転時に前記起動電極挿脱装置により起動電極が放電位置から後退されるかまたは中空部から抜き出された状態でベースメタルとの間に形成されるトランスファアーク放電とを、それぞれ共通のプラズマ電極の主電極により行うように構成したものである。
【００１１】
上記請求項１または２記載の構成によれば、再起動時に、起動溶融手段によるノントランスファアークによりベースメタル上の固化スラグを溶融させて導電性を高めることにより、プラズマ電極とベースメタルとの間で溶融スラグを介してトランスファアークによる放電が可能となるので、従来のような固化スラグの除去作業が不要となり、スムーズに短時間で再起動することができる。また、ノントランスファアークは安定して放電することができるので、プラズマ電極の消耗を低減することができる。さらに、主電極の中空部に起動電極を配置して起動溶融手段を構成したので、プラズマ電極をコンパクトに構成できるとともに、起動電極の入れ替えやメンテナンスも容易に実施することができる。さらにまた、起動電極挿脱装置により、ノントランスファアーク放電の終了後に、起動電極を放電位置から後退させるか、または中空部から抜き出すことにより、運転時のトランスファアークにより、起動電極が溶損するのを防止することができ、また主電極が放電により消耗しても、追従して上昇させる必要もない。
【００１２】
請求項３記載のプラズマ式溶融炉は、請求項１または２記載の構成において、溶融炉の初期起動時に、起動溶融手段により放電位置の起動電極と主電極との間でノントランスファアークを形成して、ベースメタル素材を溶融させるように構成したものである。
【００１３】
上記請求項３記載の構成によれば、初期起動時に、起動溶融手段によるノントランスファアークで、固体状のベースメタル素材を安定して溶融させることができ、初期起動をスムーズに行うことができる。
【００１４】
請求項４記載のプラズマ式溶融炉は、請求項１乃至３のいずれかに記載の構成において、主電極をプラズマの発生により消耗する消耗電極とするとともに、主電極をベースメタルに接近離間自在に支持する電極昇降装置を設け、起動電極をプラズマの発生により消耗しにくい非消耗電極としたものである。
【００１５】
上記請求項４記載の構成によれば、起動電極挿脱装置により、ノントランスファアーク放電の終了後に、起動電極を放電位置から後退させるか、または中空部から抜き出すことにより、運転時のトランスファアークにより、起動電極が溶損するのを防止することができ、また主電極が放電により消耗しても、追従して上昇させる必要もない。
【００１６】
請求項５記載のプラズマ式溶融炉は、請求項１乃至４のいずれかに記載の構成において、起動電極の先端部に外周側に突出する放電端部を形成するとともに、放電時に起動電極を軸心周りに回転させる電極回転装置を設けたものである。
【００１７】
上記請求項５記載の構成によれば、放電端部を軸心周りに回転させることにより、主電極の放電部位を順次周方向に移動させることができるので、主電極を均一に消耗させることができるので、主電極を効率良く消耗させて寿命を延ばすことができる。
【００１８】
請求項６記載のプラズマ式溶融炉の起動方法は、請求項１記載のプラズマ式溶融炉を再起動するに際し、プラズマ作動ガス供給装置によりプラズマ電極の主電極の中空部から溶融室にプラズマ作動ガスを供給するとともに、起動用電源によりプラズマ電極の主電極と放電位置の起動電極とに起動用の駆動電圧を印加してノントランスファアーク放電させ、このノントランスファアークによりベースメタル上のスラグを溶融させ、ノントランスファアークを停止後、起動電極挿脱装置により起動電極を中空部内で放電位置から後退させるかまたは中空部から抜き出し、プラズマ作動ガス供給装置により中空部から溶融室内にプラズマ作動ガスを供給するとともに、複数のプラズマ電極の主電極にそれぞれ運転用の駆動電圧を印加して、主電極とベースメタルとの間でトランスファアーク放電させて運転するものである。
【００１９】
請求項７記載のプラズマ式溶融炉の起動方法は、請求項２記載のプラズマ式溶融炉を再起動するに際し、プラズマ作動ガス供給装置によりプラズマ電極の主電極の中空部から溶融室にプラズマ作動ガスを供給するとともに、起動用電源によりプラズマ電極の主電極と放電位置の起動電極との間に起動用の駆動電圧を印加してノントランスファアーク放電させ、このノントランスファアークによりベースメタル上のスラグを溶融させ、ノントランスファアークを停止後、起動電極挿脱装置により起動電極を中空部内で放電位置から後退させるかまたは中空部から抜き出し、プラズマ作動ガス供給装置により中空部から溶融室内にプラズマ作動ガスを供給するとともに、プラズマ電極の主電極と炉底電極に運転用の駆動電圧を印加して、主電極とベースメタルとの間でトランスファアーク放電させて運転するものである。
【００２０】
上記請求項６または７記載の構成によれば、再起動時に、起動溶融手段によるノントランスファアークによりベースメタル上の固化スラグを溶融させて導電性を高めることにより、プラズマ電極とベースメタルとの間で溶融スラグを介して、トランスファアークの放電が可能となるので、従来のような固化スラグの除去作業を不要として、スムーズに短時間で再起動することができる。また、再起動時のノントランスファアークは安定しており、プラズマ電極の消耗も低減することができる。またノントランスファアークの終了後に、起動電極を放電位置から後退させることにより、運転時のトランスファアークにより、起動電極が溶損するのを防止することができる。また主電極が放電により消耗しても、追従して上昇させる必要もない。
【００２１】
請求項８記載のプラズマ式溶融炉の起動方法は、請求項１記載のプラズマ式溶融炉を初期起動するに際し、プラズマ作動ガス供給装置によりプラズマ電極の主電極の中空部から溶融室にプラズマ作動ガスを供給するとともに、起動用電源によりプラズマ電極の主電極と放電位置の起動電極の間に起動用の駆動電圧を印加してノントランスファアーク放電させ、このノントランスファアークによりベースメタルを溶融させ、ノントランスファアークを停止後、起動電極挿脱装置により起動電極を中空部内で放電位置から後退させるかまたは中空部から抜き出し、プラズマ作動ガス供給装置により中空部から溶融室内にプラズマ作動ガスを供給するとともに、複数のプラズマ電極の主電極にそれぞれ運転用の駆動電圧を印加して、主電極とベースメタルとの間でトランスファアーク放電させて運転するものである。
【００２２】
請求項９記載のプラズマ式溶融炉の起動方法は、請求項２記載のプラズマ式溶融炉を初期起動するに際し、プラズマ作動ガス供給装置によりプラズマ電極の主電極の中空部から溶融室にプラズマ作動ガスを供給するとともに、起動用電源によりプラズマ電極の主電極と放電位置の起動電極の間に起動用の駆動電圧を印加してノントランスファアーク放電させ、このノントランスファアークによりベースメタルを溶融させ、ノントランスファアークを停止後、起動電極挿脱装置により起動電極を中空部内で放電位置から後退させるかまたは中空部から抜き出し、プラズマ作動ガス供給装置により中空部から溶融室内にプラズマ作動ガスを供給するとともに、プラズマ電極の主電極と炉底電極に運転用の駆動電圧を印加して、主電極とベースメタルとの間でトランスファアークを放電させて運転するものである。
【００２３】
上記請求項８または９記載の構成によれば、初期起動時に起動溶融手段によるノントランスファアークにより、固体状のベースメタル素材を安定して加熱溶融することができ、初期起動をスムーズに行うことができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明に係るプラズマ式溶融炉の第１の実施の形態を図１および図２に基づいて説明する。
【００２８】
図に示すように、この溶融炉は、２本のプラズマ電極５Ａ，５Ｂとベースメタル４との間にトランスファアークを放電させてベースメタル４上に投入された被溶融物を加熱用溶融する所謂ツイントーチ型（３本以上の電極も含む）で、炉本体１の一端側に、焼却灰や焼却残滓、産業廃棄物などの被溶融物を供給するホッパ２ａやプッシャ装置２ｂからなる被溶融物供給装置２が設けられ、他端側に溶融スラグＳを排出するスラグ排出口３が設けられている。
【００２９】
また炉本体１の溶融室１ａには、底部にベースメタル４が収容されるとともに、天井壁１ｂを貫通して複数（図では２本）のプラズマ電極５Ａ，５Ｂが昇降自在に配設され、これらプラズマ電極５Ａ，５Ｂは、電極昇降装置６によりベースメタル４上にそれぞれ接近離間自在に支持されるとともに、運転・起動兼用駆動電源（起動用電源）７に接続されている。またこれらプラズマ電極５Ａ，５Ｂには、初期起動時および再起動時にノントランスファアークを発生する起動溶融手段８が設けられている。
【００３０】
前記プラズマ電極５Ａ，５Ｂは、プラズマアークの発生により消耗されるカーボン製の消耗電極である主電極（消耗電極）５ａにより構成されるとともに、主電極５ａは電極昇降装置６により昇降自在に支持され、主電極５ａの軸心位置に中空部５ｂが貫通形成されている。
【００３１】
起動溶融手段８は、円筒状の主電極５ａと、主電極５ａの中空部５ｂに単数または複数の絶縁スペーサ８ｂを介して出退自在に配置されたロッド状の起動電極８ａと、主電極５ａの中空部５ｂにプラズマ作動ガス（主電極の消耗を抑制する場合には窒素ガスなどの不活性ガスを使用する。または安価な水蒸気も使用可能）を供給して先端部から溶融室１ａに吹き込むプラズマ作動ガス供給装置９と、主電極５ａと起動電極８ａとの間に起動用の駆動電圧を印加する運転・起動兼用駆動電源７と、運転時に起動電極８ａを中空部５ｂから抜き出す起動電極挿脱装置１０とで構成されている。
【００３２】
前記起動電極８ａは、耐熱性で放電により消耗の少ないたとえばタングステン製の非消耗電極により構成され、外周部の複数箇所に設けられた絶縁スペーサ８ｂにより、中空部５ｂ内で主電極５ａに一定距離をあけて保持されるとともに、中空部５ｂ内で絶縁スペーサ８ｂがプラズマ作動ガスの流通を許容するように構成されている。
【００３３】
ここで、前記主電極５ａの先端部は基端部から連続する円筒状で、起動電極８ａも円柱状に形成して放電部１１を構成しているが、図３に示すように、中空部５ｂの内径を絞りガス孔５ｄが形成された面板部５ｃを設け、一方起動電極８ａの先端部が錐状に形成されて、互いに接近する放電部１２を構成してもよい。先の放電部１１では、電流値が６００〜７００Ａ以上でプラズマアークが発生されるのに対して、この放電部１２では５００Ａ以下の低電流でプラズマアークを発生させることができる。
【００３４】
前記運転・起動兼用駆動電源７は、図２に示すように、直流電源部７ａと２つの切替スイッチ７ｂ，７ｃと、起動用電源回路に設けられた高周波自己点弧装置７ｄとで構成されている。そして起動時には、プラズマ電極５Ａ，５Ｂの両主電極５ａに正極を、起動電極８ａに負極を（またはその逆極性でも可）接続するように切替スイッチ７ｂ，７ｃが切り替えられ、高周波自己点弧装置７ｄにより駆動電圧を直流パルスとすることで、前記放電部１１で主電極５ａと起動電極８ａとの間にノントランスファアークを発生するように構成される。なお、再起動時には、主電極５ａの先端部は消耗して溶損しているため、先端部が加工されて整形される。
【００３５】
また運転・起動兼用駆動電源７において、運転時には、プラズマ電極５Ａ，５Ｂの一方の主電極５ａに正極を、他方の主電極５ａに負極を接続し、両起動電極８ａはオフ状態とするように切替スイッチ７ｂ，７ｃが切り替えられ、たとえば接触点弧法により両主電極５ａとベースメタル４または溶融スラグＳとの間にトランスファアークが起動される。なお、運転用電源回路に高周波自己点弧装置７ｅを設けて、駆動電圧を直流パルスとすることで、プラズマアークを発生させて起動することもできる。
【００３６】
さらにトランスファアークによる運転時に、中空部５ｂ内で起動電極８ａが高温にさらされて溶融するおそれがあるため、アークの停止後に、起動電極挿脱装置１０により中空部５ｂ内で放電位置から後退されるか、中空部５ｂから抜き出されて待機または撤去してもよい。なお、主電極５ａは運転とともに消耗するため、電極昇降装置６により順次下降させてプラズマ長を一定に保持するが、主電極５ａが短くなると、その上部に新たな主電極５ａを継ぎ足しする。この継ぎ足し作業時に起動電極８ａが障害となる場合には、起動電極８ａを撤去する必要がある。
【００３７】
次にツイントーチ型のプラズマ溶融炉における起動方法および運転方法を説明する。
まず、初期起動する場合、炉本体１の底部に配置された板状やブロック状のベースメタル素材を加熱溶融する。この時従来では、接触点弧法によりトランスファアークを起動して固体状のベースメタル素材を溶融させていたが、アークが不安定な上、主電極５ａの消耗が激しいため、本発明では、起動溶融手段８による安定したノントランスファアークを使用して固体状のベースメタル素材を溶融してベースメタル４を形成する。
【００３８】
すなわち、電極昇降装置６によりプラズマ電極５Ａ，５Ｂの主電極５ａを下降して下方に配置されたベースメタル素材に接近させ、次いで起動電極挿脱装置１０により起動電極８ａを主電極５ａの中空部５ｂに挿入して所定位置に位置決めする。そしてプラズマ作動ガス供給装置９からプラズマ電極５Ａ，５Ｂの中空部５ｂにプラズマ作動ガスを供給するとともに、運転・起動兼用駆動電源７の切替スイッチ７ｂ，７ｃを切り替えて、プラズマ電極５Ａ，５Ｂの両主電極５ａに正極を、起動電極８ａに負極をそれぞれ接続し、起動用の駆動電圧を印加し、高周波自己点弧装置７ｄによりパルスを付加する。これにより、放電部１１の主電極５ａと起動電極８ａとの間で放電させてノントランスファアークを発生させる。そしてプラズマ作動ガスによりプラズマアークを噴射してベースメタル素材を加熱し溶融する。ベースメタル素材の大部分が溶融すると、駆動電圧の印加を停止してノントランスファアークを停止する。
【００３９】
通常運転に移行する時は、起動電極挿脱装置１０により起動電極８ａを中空部５ｂから抜き出す。そしてプラズマ作動ガス供給装置９によりプラズマ電極５Ａ，５Ｂの中空部５ｂおよび他のガスノズルを介してプラズマ作動ガスを溶融室１ａに供給してプラズマ作動ガス雰囲気にする。次いで運転・起動兼用駆動電源７の切替スイッチ７ｂ，７ｃを切り替えて、プラズマ電極５Ａ，５Ｂの一方の主電極５ａに正極を、他方の主電極５ａに負極をそれぞれ接続し、起動用の駆動電圧を印加して、プラズマ電極５Ａ，５Ｂをベースメタル４に接触させる接触点弧法により、両主電極５ａとベースメタル４の間にトランスファアークを発生させ起動する。さらに被溶融物供給装置２によりベースメタル４上に被溶融物を供給して加熱溶融し溶融スラグＳを形成する。オーバーフローした溶融スラグＳはスラグ排出口３から排出される。なお、高周波自己点弧装置７ｅにより駆動電圧を直流パルスとして点弧することもできる。
【００４０】
運転中は、主電極５ａが消耗すると、電極昇降装置６により主電極５ａを下降してベースメタル４との間のアーク長を適正に維持し、アークを安定させる。
溶融作業が終了し、溶融炉が冷えた状態で再起動する場合には、電極昇降装置６によりプラズマ電極５Ａ，５Ｂの主電極５ａを溶融室１ａから抜き出し、主電極５ａの先端部を整形するか、または新たな主電極５ａと交換する。そして電極昇降装置６によりプラズマ電極５Ａ，５Ｂの主電極５ａをそれぞれ挿入下降してベースメタル４上の固化スラグに接近させる。次いで起動電極挿脱装置１０により起動電極８ａを主電極５ａの中空部５ｂにそれぞれ挿入して所定位置に位置決めする。そしてプラズマ作動ガス供給装置９からプラズマ電極５Ａ，５Ｂの中空部５ｂにプラズマ作動ガスを供給し、運転・起動兼用駆動電源７の切替スイッチ７ｂ，７ｃを切り替えて、プラズマ電極５Ａ，５Ｂの両主電極５ａに正極を、起動電極８ａに負極をそれぞれ接続し、起動用の駆動電圧を印加するとともに高周波自己点弧装置７ｄによりパルスを付加する。これにより、放電部１１の主電極５ａと起動電極８ａとの間で放電させてノントランスファアークを発生させる。
プラズマ作動ガスによりプラズマアークの熱を固化スラグに送って加熱し溶融する。固化スラグが溶融する場合、深さ方向より周辺方向に速く広がって溶融する傾向が見られるが、プラズマ電極５Ａ，５Ｂ下方の溶融スラグ池が互いにつながるか、またはそれぞれの溶融スラグ池ベースメタル４まで達すると、ノントランスファアークを停止する。そして上記と同様に通常運転に移行する。
【００４１】
上記実施の形態によれば、溶融炉を再起動する場合、主電極５ａの先端部を整形するか、または新たな主電極５ａと交換し、起動電極８ａを中空部５ｂに挿入配置するだけで、駆動溶融手段８によりノントランスファアークを発生してベースメタル４上の固化スラグを溶融し、スラグの導電性を高めることで、引き続いてプラズマ電極５Ａ，５Ｂとベースメタル４との間で溶融スラグＳを介してトランスファアークを形成して運転を再開することができる。したがって、従来のようにベースメタル４上の固化スラグの剥離除去作業が不要となり、短時間で安定した再起動が可能となる。
【００４２】
また初期起動に際しても、駆動溶融手段８によるノントランスファアークでベースメタル素材を溶融させることで、安定したアークを確保できるとともに、起動電極８ａの消耗を減少させることができ、スムーズな初期起動が可能となる。
【００４３】
次にプラズマ式溶融炉の第２の実施の形態を図４および図５に基づいて説明する。なお、第１の実施の形態と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
この溶融炉は、炉本体１の底部に設置されてベースメタル４に給電する炉底電極２１を具備し、この炉底電極２１とプラズマ電極２２との間に駆動電圧を印加してプラズマ電極２２とベースメタル４との間にトランスファアークを形成する所謂シングルトーチ式（プラズマ電極２２が複数も含む）に構成されている。そしてプラズマ電極２２は、主電極５ａの中空部５ｂ内に起動電極８ａを具備している。
【００４４】
運転・起動兼用駆動電源２３は、直流電源部２３ａから運転用電源回路を介して炉底電極２１に正極が接続され、主電極５ａに負極が接続され、また直流電源部２３ａと炉底電極２１との間の運転用電源回路２３ｂに第１切替スイッチ２４Ａが介在され、また直流電源部２３ａと第１切替スイッチ２４Ａの間の運転用電源回路２３ｂから分岐されて起動電極８ａに接続された起動用電源回路２３ｃに、第２切替スイッチ２４Ｂが介在されている。これにより、第１切替スイッチ２４Ａをオフ、第２切替スイッチ２４Ｂをオンすることで、直流電源部２３ａからプラズマ電極２２の主電極５ａと起動電極８ａに起動用の駆動電圧を印加し、また第１切替スイッチ２４Ａをオン、第２切替スイッチ２４Ｂをオフすることで、直流電源部２３ａからプラズマ電極２２の主電極５ａと炉底電極２１に運転用の駆動電圧を印加することができる。
【００４５】
次にシングルトーチ式溶融炉の起動および運転方法を説明する。
初期起動する場合、起動溶融手段８による安定したノントランスファアークを使用して板状素材を溶融しベースメタル４を形成する。まず、電極昇降装置６によりプラズマ電極２２の主電極５ａを下降してベースメタル素材に接近させ、起動電極挿入装置１０により起動電極８ａを主電極５ａの中空部５ｂにれ挿入して下降し所定位置に位置決めする。そしてプラズマ作動ガス供給装置９からプラズマ電極２２の中空部５ｂにプラズマ作動ガスを供給し、運転・起動兼用駆動電源２３の第１切替スイッチ２４Ａをオフ、第２切替スイッチ２４Ｂをオンとして、プラズマ電極２２の主電極５ａに負極を、起動電極８ａに正極をそれぞれ接続して、起動用の駆動電圧を印加するとともに高周波自己点弧装置７ｄによりパルスを付加する。これにより、放電部１１の主電極５ａと起動電極８ａとの間で放電させてノントランスファアークを発生させる。そしてプラズマ作動ガスによりプラズマアークを噴射してベースメタル素材を加熱し溶融する。ベースメタル素材の大部分が溶融すると、駆動電圧の印加を停止してノントランスファアークを停止する。
【００４６】
通常運転に移行する時は、起動電極挿脱装置１０により起動電極８ａを中空部５ｂから抜き出す。そして、プラズマ作動ガス供給装置９によりプラズマ電極２２の中空部５ｂおよび他のガスノズルを介してプラズマ作動ガスを供給して溶融室１ａをプラズマ作動ガス雰囲気にとし、運転・起動兼用駆動電源２３の第１切替スイッチ２４Ａをオン、第２切替スイッチ２４Ｂをオフとして、直流電源部２３ａの負極をプラズマ電極２２の主電極５ａに接続するとともに、正極を炉底電極２１に接続し、起動用の駆動電圧を電極５ａ，２１に印加して、プラズマ電極２２をベースメタル４に接触させる接触点弧法により主電極５ａとベースメタル４の間にトランスファアークを発生させ起動する。そして、被溶融物供給装置２からベースメタル４上に被溶融物を供給し、加熱溶融して溶融スラグＳを形成し、オーバーフローした溶融スラグＳをスラグ排出口３から排出する。なお、高周波自己点弧装置７ｄにより駆動電圧を直流パルスとして点弧することもできる。
【００４７】
運転中は、主電極５ａが消耗すると、電極昇降装置６により主電極５ａを下降してベースメタル４との距離を一定に制御してアーク長を適正に維持し、アークを安定させる。
【００４８】
溶融作業が終了し、溶融炉が冷えた状態で再起動する場合には、電極昇降装置６によりプラズマ電極２２を溶融室１ａから抜き出し、主電極５ａの先端部を整形するか、または新たな主電極５ａと交換する。そして電極昇降装置６によりプラズマ電極２２の主電極５ａを挿入して下降し、ベースメタル４上の固化スラグに接近させる。さらに起動電極挿入装置１０により起動電極８ａを主電極５ａの中空部５ｂにれ挿入して下降し所定位置に位置決めする。そしてプラズマ作動ガス供給装置９からプラズマ電極２２の中空部５ｂにプラズマ作動ガスを供給し、運転・起動兼用駆動電源２３の切替スイッチ２４Ａ，２４Ｂを切り替えて、プラズマ電極２２の主電極５ａに負極を、起動電極８ａに正極をそれぞれ接続し、起動用の駆動電圧を印加するとともに高周波自己点弧装置７ｄによりパルスを付加する。これにより、放電部１１に放電させてノントランスファアークを発生させてプラズマ作動ガスにより噴射させ、固化スラグを加熱溶融する。固化スラグが溶融する場合、深さ方向に溶融スラグ池が広がってベースメタル４近傍まで達すると、駆動電圧の印加を停止してノントランスファアークを停止し、上記と同様に通常運転に移行する。
【００４９】
上記第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
次にノントランスファアークを発生させるための放電部１１の変形例を図６を参照して説明する。
【００５０】
上述の各実施の形態の放電部１１，１２では、主電極５ａの先端部を円筒状にするか、またはガス孔５ｃを形成した面板部５ｄを設け、起動電極８ａの先端部を錐状に形成したが、この放電部３０では、主電極５ａの中空部５ｂの先端部を円筒状に形成して開口させるとともに、起動電極８ａの先端部を所定角度折り曲げられた放電端部３１に形成し、さらに起動電極８ａを軸心周りに回転させる電極回転装置３２を設けている。放電端部３１を外周側に突出するように形成してもよい。
【００５１】
これにより、主電極５ａと、主電極５ａに最も接近する放電端部３１との間でノントランスファアークを発生させ、放電電極８ａの回転により主電極５ａの放電部位を周方向に移動させて、主電極５ａの消耗を周方向に均一にすることができる。これにより、主電極５ａの長寿命化を図ることができる。
【００５２】
なお、上記実施の形態では、消耗電極であるたとえばカーボン製の主電極５ａを使用したが、冷却手段（冷却媒体通路など）を内蔵した非消耗電極であるたとえばタングステン製の電極を使用することもできる。ノントランスファアークを発生中に起動電極８ａが必要以上に加熱される場合には、冷却手段（冷却媒体通路など）を内装させることもできる。
【００５３】
【発明の効果】
以上に述べたごとく請求項１または２記載のプラズマ式溶融炉によれば、再起動時に、起動溶融手段によるノントランスファアークによりベースメタル上の固化スラグを溶融させて導電性を高めることにより、プラズマ電極とベースメタルとの間で溶融スラグを介してトランスファアークによる放電が可能となるので、従来のような固化スラグの除去作業が不要となり、スムーズに短時間で再起動することができる。また、ノントランスファアークは安定して放電することができるので、プラズマ電極の消耗を低減することができる。さらに、主電極の中空部に起動電極を配置して起動溶融手段を構成したので、プラズマ電極をコンパクトに構成できるとともに、起動電極の入れ替えやメンテナンスも容易に実施することができる。さらにまた、起動電極挿脱装置により、ノントランスファアーク放電の終了後に、起動電極を放電位置から後退させるか、または中空部から抜き出すことにより、運転時のトランスファアークにより、起動電極が溶損するのを防止することができ、また主電極が放電により消耗しても、追従して上昇させる必要もない。
【００５４】
上記請求項３記載のプラズマ式溶融炉によれば、初期起動時に、起動溶融手段によるノントランスファアークで、固体状のベースメタル素材を安定して溶融させることができ、初期起動をスムーズに行うことができる。
【００５５】
上記請求項４記載のプラズマ式溶融炉によれば、起動電極挿脱装置により、ノントランスファアーク放電の終了後に、起動電極を放電位置から後退させるか、または中空部から抜き出すことにより、運転時のトランスファアークにより、起動電極が溶損するのを防止することができ、また主電極が放電により消耗しても、追従して上昇させる必要もない。
【００５６】
上記請求項５記載のプラズマ式溶融炉によれば、放電端部を軸心周りに回転させることにより、主電極の放電部位を順次周方向に移動させることができるので、主電極を均一に消耗させることができるので、主電極を効率良く消耗させて寿命を延ばすことができる。
【００５７】
上記請求項６または７記載のプラズマ式溶融炉の起動方法によれば、再起動時に、起動溶融手段によるノントランスファアークによりベースメタル上の固化スラグを溶融させて導電性を高めることにより、プラズマ電極とベースメタルとの間で溶融スラグを介して、トランスファアークの放電が可能となるので、従来のような固化スラグの除去作業を不要として、スムーズに短時間で再起動することができる。また、再起動時のノントランスファアークは安定しており、プラズマ電極の消耗も低減することができる。またノントランスファアークの終了後に、起動電極を放電位置から後退させることにより、運転時のトランスファアークにより、起動電極が溶損するのを防止することができる。また主電極が放電により消耗しても、追従して上昇させる必要もない。
【００５８】
上記請求項８または９記載のプラズマ式溶融炉の起動方法によれば、初期起動時に起動溶融手段によるノントランスファアークにより、固体状のベースメタル素材を安定して加熱溶融することができ、初期起動をスムーズに行うことができる。
【００５９】
請求項９記載のプラズマ式溶融炉の起動方法によれば、初期起動時に起動溶融手段によるノントランスファアークにより、固体状のベースメタル素材を安定して加熱溶融することができ、初期起動をスムーズに行うことができる。
【００６０】
請求項１０記載のプラズマ式溶融炉の起動方法によれば、ノントランスファアークの終了後に、起動電極を放電位置から後退させることにより、運転時のトランスファアークにより、起動電極が溶損するのを防止することができる。また主電極が放電により消耗しても、追従して上昇させる必要もない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマ式溶融炉の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】同運転・起動兼用電源を示す構成図である。
【図３】放電部の変形例を示す部分断面図である。
【図４】本発明に係るプラズマ式溶融炉の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図５】同運転・起動兼用電源を示す構成図である。
【図６】プラズマ式溶融炉の放電部の変形例を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 炉本体
１ａ 溶融室
４ ベースメタル
５Ａ，５Ｂ プラズマ電極
５ａ 主電極
５ｂ 中空部
５ｃ ガス孔
５ｄ 面板部
６ 電極昇降装置
７ 運転・起動兼用駆動電源
８ 起動溶融手段
８ａ 起動電極
９ プラズマガス供給装置
１０ 起動電極挿脱装置
１１ 放電部
１２ 放電部
２１ 炉底電極
２２ プラズマ電極
２３ 運転・起動兼用駆動電源
３０ 放電部
３１ 放電端部
３２ 電極回転装置
Claims (9)
- 溶融室内底部のベースメタルの上方に配置された複数のプラズマ電極に運転用の駆動電圧を印加して、ベースメタルとプラズマ電極との間でトランスファアーク放電させ、ベースメタル上に投入された被溶融物を溶融させるプラズマ式溶融炉であって、
前記プラズマ電極に起動溶融手段を設け、
前記起動溶融手段を、プラズマ電極の主電極に軸心方向に沿って貫通形成された中空部内の放電位置に後退自在に配置された起動電極と、前記中空部を介して溶融室にプラズマ作動ガスを供給するプラズマ作動ガス供給装置と、前記主電極と前記起動電極とに起動用の駆動電圧を印加してノントランスファアーク放電させる起動用電源と、前記起動電極を放電位置から後退させるか、または中空部から抜き出す起動電極挿脱装置とで構成し、
少なくとも再起動時に放電位置の起動電極との間に形成されるノントランスファアーク放電と、運転時に前記起動電極挿脱装置により起動電極が放電位置から後退されるかまたは中空部から抜き出された状態でベースメタルとの間に形成されるトランスファアーク放電とを、それぞれ共通のプラズマ電極の主電極により行うように構成した
ことを特徴とするプラズマ式溶融炉。 - 溶融室内底部に収容されたベースメタルに通電される炉底電極と、ベースメタルの上方に配置されたプラズマ電極と運転用の駆動電圧を印加して、ベースメタルとプラズマ電極との間でトランスファアーク放電させ、ベースメタル上に投入された被溶融物を溶融させるプラズマ式溶融炉であって、
前記プラズマ電極に起動溶融手段を設け、
前記起動溶融手段を、プラズマ電極の主電極に軸心方向に沿って貫通形成された中空部内の放電位置から後退自在に配置された起動電極と、前記中空部を介して溶融室にプラズマ作動ガスを供給するプラズマ作動ガス供給装置と、前記主電極と前記起動電極とに起動用の駆動電圧を印加してノントランスファアーク放電させる起動用電源と、前記起動電極を放電位置から後退させるか、または中空部から抜き出す起動電極挿脱装置とで構成し、
少なくとも再起動時に放電位置の起動電極との間に形成されるノントランスファアーク放電と、運転時に前記起動電極挿脱装置により起動電極が放電位置から後退されるかまたは中空部から抜き出された状態でベースメタルとの間に形成されるトランスファアーク放電とを、それぞれ共通のプラズマ電極の主電極により行うように構成した
ことを特徴とするプラズマ式溶融炉。 - 溶融炉の初期起動時に、起動溶融手段により放電位置の起動電極と主電極との間でノントランスファアークを形成して、ベースメタル素材を溶融させるように構成した
ことを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ式溶融炉。 - 主電極をプラズマの発生により消耗する消耗電極とするとともに、主電極をベースメタルに接近離間自在に支持する電極昇降装置を設け、
起動電極をプラズマの発生により消耗しにくい非消耗電極とした
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマ式溶融炉。 - 起動電極の先端部に外周側に突出する放電端部を形成するとともに、放電時に起動電極を軸心周りに回転させる電極回転装置を設けた
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のプラズマ式溶融炉。 - 請求項１記載のプラズマ式溶融炉を再起動するに際し、
プラズマ作動ガス供給装置によりプラズマ電極の主電極の中空部から溶融室にプラズマ作動ガスを供給するとともに、起動用電源によりプラズマ電極の主電極と放電位置の起動電極とに起動用の駆動電圧を印加してノントランスファアーク放電させ、このノントラン スファアークによりベースメタル上のスラグを溶融させ、
ノントランスファアークを停止後、起動電極挿脱装置により起動電極を中空部内で放電位置から後退させるかまたは中空部から抜き出し、
プラズマ作動ガス供給装置により中空部から溶融室内にプラズマ作動ガスを供給するとともに、複数のプラズマ電極の主電極にそれぞれ運転用の駆動電圧を印加して、主電極とベースメタルとの間でトランスファアーク放電させて運転する
ことを特徴とするプラズマ式溶融炉の起動方法。 - 請求項２記載のプラズマ式溶融炉を再起動するに際し、
プラズマ作動ガス供給装置によりプラズマ電極の主電極の中空部から溶融室にプラズマ作動ガスを供給するとともに、起動用電源によりプラズマ電極の主電極と放電位置の起動電極との間に起動用の駆動電圧を印加してノントランスファアーク放電させ、このノントランスファアークによりベースメタル上のスラグを溶融させ、
ノントランスファアークを停止後、起動電極挿脱装置により起動電極を中空部内で放電位置から後退させるかまたは中空部から抜き出し、
プラズマ作動ガス供給装置により中空部から溶融室内にプラズマ作動ガスを供給するとともに、プラズマ電極の主電極と炉底電極に運転用の駆動電圧を印加して、主電極とベースメタルとの間でトランスファアーク放電させて運転する
ことを特徴とするプラズマ式溶融炉の起動方法。 - 請求項１記載のプラズマ式溶融炉を初期起動するに際し、
プラズマ作動ガス供給装置によりプラズマ電極の主電極の中空部から溶融室にプラズマ作動ガスを供給するとともに、起動用電源によりプラズマ電極の主電極と放電位置の起動電極の間に起動用の駆動電圧を印加してノントランスファアーク放電させ、このノントランスファアークによりベースメタルを溶融させ、
ノントランスファアークを停止後、起動電極挿脱装置により起動電極を中空部内で放電位置から後退させるかまたは中空部から抜き出し、
プラズマ作動ガス供給装置により中空部から溶融室内にプラズマ作動ガスを供給するとともに、複数のプラズマ電極の主電極にそれぞれ運転用の駆動電圧を印加して、主電極とベースメタルとの間でトランスファアーク放電させて運転する
ことを特徴とするプラズマ式溶融炉の起動方法。 - 請求項２記載のプラズマ式溶融炉を初期起動するに際し、
プラズマ作動ガス供給装置によりプラズマ電極の主電極の中空部から溶融室にプラズマ作動ガスを供給するとともに、起動用電源によりプラズマ電極の主電極と放電位置の起動電極の間に起動用の駆動電圧を印加してノントランスファアーク放電させ、このノントランスファアークによりベースメタルを溶融させ、
ノントランスファアークを停止後、起動電極挿脱装置により起動電極を中空部内で放電位置から後退させるかまたは中空部から抜き出し、
プラズマ作動ガス供給装置により中空部から溶融室内にプラズマ作動ガスを供給するとともに、プラズマ電極の主電極と炉底電極に運転用の駆動電圧を印加して、主電極とベースメタルとの間でトランスファアークを放電させて運転する
ことを特徴とするプラズマ式溶融炉の起動方法。
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