JPH01320793A - 電弧装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電気工学の技術に関し、さらに詳しくは電弧装
置に関する。それは真空電弧炉における溶接、溶解のご
とき導体の熱処理およびスプレィによって金属を沈澱さ
せる冶金技術に応用できる。

〔従来技術〕

真空電弧炉における金属の熱処理において、ある場合電
極間の電弧間隙における電弧の位置を安定化し電弧が電
極の側壁についたり真空室の壁についたりすることを防
いで爆発の場合にも室から燃え出すことを防くことが要
求される。さらに電弧間隙における電弧装置の安定化は
溶接において電極の溶接の高品質化のみならず電弧炉に
おける金属の溶解においても要求される。

従来の電弧装置（ＵＳ、Ａ、２９７８５２５）は電弧間
隙によって分離された２つの並べられた電極と電極をと
りかこみそれと同軸にマウントされたソレノイドを有す
る。電弧間隙におけるソレノイドによって発生する−様
な磁界は電弧を電弧間隙の帯域に限定して電極や真空室
の側壁□に電−が達しないようにしている。しかしなが
ら電弧間隙における電弧装置は安定しておらず電弧は電
極間でランダムに動いていた。

また従来の他の電弧装置（ＵＳ　、　Ａ　、　３６３６
２２８）は電弧間隙によって分離された２つの並べられ
た電極と電極と同軸に動作表面に近い負電極の内側にマ
ウントされたコイルを有する。この装置においては、コ
イルによって生ずる不均一磁界の影響をうける電弧が負
電極の動作面をこえて移動して電極間隙における電弧装
置の安定が得られない。

また従来のさらに他の電弧装置（ＳＵ、　Ａ、　１２６
７６３３）は−線にマウントされその間に電弧間隙を形
成する２つの円筒状電極と電極軸と垂直な電弧間隙の中
央を通る面に電極のまわりにそれと同軸□に配置された
円筒状コイルとして形成された電弧間隙に電弧の位置を
安定化させる手段を含んでいる。コイルは電弧を電極軸
に限定する。この装置はさらに電弧を電極のまわりにそ
の軸と平行に等しい間をおいてもうけた少くとも３つの
電流導体ロンドとして形成された電極の表面を移動させ
る手段を有している。

この装置の欠点は電弧を電極軸に限定するに要する本質
的な電力消費である！これは電弧間隙のコイルによって
発生する非一様な磁界はむしろ低平均強度レヘルと電極
軸からその周辺に発生する磁界強度の低勾配のためであ
る。そこで電弧装置の安定を効果的にするために、コイ
ルを励磁するために充分な高電力消費を必要とすメ。か
くして直径２００＋ａｍの電極軸に近く５０Ａ直流電弧
を□維持するために５ｋＷ以下でない出力をもった電源
がコイルを励磁するために必要となる。

ＳＫＩ、　Ａ、　１２６７６３３による装置のみならず
、電弧を電極の表面にわたって動かすためには実質的な
電力消費をともなう。これが電流導体ロンドに対する高
電力損失に追加される。

〔解決すべき課題〕

本発明の主たる目的は磁界が電極の周辺に向って高強度
上昇勾配をもって発生され電弧間隙における電弧装置を
安定にするための電力消費を少なくすることの可能な電
弧装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

この目的を達成するために電弧間隙によって分離された
２つの並べられた電極とその電極をかこむ円筒状コイル
を含みその軸に垂直な面にマウントされた電弧間隙に電
弧装置を安定化する手段を含む電弧装置に於て、本発明
によれば電弧間隙に電弧装置を安定化させる手段が前記
電極をとりかこみ前記第１のコイルから電弧間隙の値よ
り小さい位置に前記第１のコイルとともに配置されたさ
らに円筒状コイルを有し、前記コイルはその中を流れる
電流の方向が反対になるように電源に接続され、電弧間
隙の中央を通る平面に対する前記コイルの位置は前記平
面に対して対称である前記コイルの第１の位置とこの平
面にあるコイルと負電極＃か槃に向って移動する他のコ
イルの位置によって制限されることを特徴とする電弧装
置が提供される。

前記のように逆に電気的に接続されて配列された２つの
円筒状のコイルは電弧間隙の帯域において増加する平均
強度とコイルの軸から放射状方向に急に上昇する磁界を
発生する。か・る磁界は電弧位置の安定により改良され
た特性を示し、コイルを励磁するに要する電力消費を減
少させることができる。電極軸に垂直な電弧間隙の中央
を通る面に対するコイルの位置の限界は実験によって決
められたものである。

この主たる目的を達成するためにさらに電弧間隙によっ
て分離された２つの並べられた電極とコイルを含む電弧
間隙に於る電弧を安定化する手段を含む電弧装置におい
て、本発明によれば電弧間隙に電弧の位置を安定化する
ための手段が少くともさらに１つのコイルをそなえ各コ
イルは円筒状表面のまわりに曲げられた矩形ループとし
て形成され、前記コイルは前記電極のまわりにその弓形
の側がそれぞれ２つの周辺を形成しその中心が前記電極
の軸に平行な線上にあるようにマウントされ、近隣のコ
イルの相となり合せる直線側に沿って流れる電流がその
方向が逆になるように電源に接続され、各コイルの直線
側の長さが電弧間隙の値よりも小であり電極の軸に垂直
な電弧間隙の中央を通る面に対するコイルの位置が２つ
の位置すなわちコイルが前記平面に対称である第１の位
置および前記コイルが負電極に向って移動し弓形の側が
前記平面にある第２の位置によって制限されることを特
徴とする電弧装置が提案される。

この電弧装置の実施例においては、矩形コイルの弓形側
はあたかも２つの円筒状コイルが矩形コイルの直線側の
長さに等しい距離に離れておかれるように形成される。

矩形コイルの弓形側にそって逆方向に流れる電流は同様
の形の磁界、すなわちまかれたコイルが曲げられた円筒
状の表面の軸に沿ってさらにシャープに限定された最小
強度を有しより高い平均レベル強度をもった磁界を発生
する。こ・に電弧装置の２つの実施例は電弧間隙におけ
る電弧位置の安定度の改良に関する限り設計は等価であ
る。第１の実施例に比べて第２の実施例は付加的機能を
遂行できる。すなわち電弧を電極の面にわたって動かし
、この動かすことにより消費される電力はＳＯ，Ａ、１
２６７６３３に開示された従来の装置に比べて減少して
いる。

以下本発明にか・る実施例を図面により詳細に説明する
。

〔実施例〕

本発明にか・る電弧装置は正電極１とそれと一線に並べ
られ配置された負電極２を有しく第１図）、これらは例
えば真空室３内において電流リード５を介して電源４に
接続される。電極１および２の端面はその間に放電間隙
６を形成する。

装置はさらに電極１および２のまわりに例えばそれらと
同軸にマウントされた２つの同様なコイルアおよび８に
よって形成されて電弧間隙における電弧の位置を安定化
する手段を有する。一般の場合には、コイル７．８を電
極１，２と同軸に配置することは必ずしも必要ではない
。もし電弧が電極１．２の軸でなく電弧間隙６の他の場
所に維持さるべきときにはコイル７．８の軸は電極１゜
２の軸に対して対応する距離だけ移動させなければなら
ない。

コイル７．８のおのおのの直径はその厚さや高さに比べ
て非常に大きい。この場合に非一様磁界の生成に関する
限りコイルは電流ループに類似である。

コイル７．８は直流もしくは交流電源９に接続されそこ
を流れる電流は逆方向になるようになっている。第１図
はコイル７．８が直列に接続された場合を示しているが
これらは並列に接続することも可能である。さらにまた
コイル７．８のおのおのは個々の電源に接続することも
可能である。

これらコイルの電源への接続はコイルの１つに流れる電
流の方向が他のコイルに流れる電流の方向と反対である
ことが重要である。何となればこの場合のみコイル７．
８によって生じた磁界の相互作用により合成磁界が要求
される配列となるからである。

コイル７．８は摩擦または他の適当な手段でチャンバー
３に保持または固定される。

コイル７．８間の最小間隔は電源間隙の値に等しい。こ
の条件は全電源の位置をコイル７．８によって生じた限
られた磁界領域の中に保つために必要である。もしコイ
ル７．８の間隔が電源間隙よりも小さいと電弧の部分が
限られた領域からはみ出して電源制御不能の過程が観測
される。

コイル７．８の最大間隔は電源間隙６の所望の点に合理
的な電力消費をもって電弧を効果的な範囲に提供する磁
界の発生の要求によってきめられる。

電弧が電極１，２の表面にわたって移動するために、装
置はＳｌｌ、　Ａ、　１２６７６３３に対応する装置に
用いられたロッドと同様な電流導通ロッド１０　（第２
図）を有する。ロッド１０は電極１．２のまわりにその
軸に平行に等しい間隔をもっておかれる。

ロッド１０を付勢するための電源および電弧の経路を電
極１．２の表面に所定のように提供する手段は第１、第
２図には図示しない。それは本発明の要部とは関係ない
からである。

電極１，２の軸に沿ったコイル７．８の位置はまた電源
間Ｆ！６内に好都合に制限された特性をもった磁界を提
供するように限定される。実験によればこの条件はコイ
ル７．８がつぎの２つの極限の位置の間にあるときに満
たされることがわかった。その第１の極限の位置はコイ
ル７．８が電極１．２の軸に垂直に電源間隙６の中央を
通る平面１１に対して対称である位置であり、第２の極
限の位置はコイルの１つたとえばコイル８がこの平面に
あり他のコイル７がコイル８に対して負電極２に向って
移動した位置である。第１図においてこの平面１１は点
線で示しである。換言すればコイルの１つ、例えばコイ
ル８が平面１１から正電極１の方向に０からβ／２（こ
−にβはコイル７゜８間の距離である）の範囲にある距
離にまたコイ−ルアが平面１１から負電極２に向ってＩ
ｌ／２からβの範囲にある距離に向って移動した位置で
ある。

前記平面１１に対するコイル７．８の他の位置に対して
はコイル７．８によって形成される磁界が電弧を限定す
る能力を失い、電弧はランダムに電極１．２の表面を移
動する。発明者等はコイル７゜８の最適位置はコイル８
が正電極１の端表面の平面にありコイル７，８間の距離
が電源間隙６の２倍である場合であることを見出した。

（こ・にまた今後「コイルが平面にあるという表現」は
電源間隙６に面するコイルの端面がこの平面に配置され
ることを意味する。） コイル７．８の直径、捲数、電流のごときパラメータは
電弧のパラメータ、電極１．２の直径、電源間隙６の値
、によって計算もしくは実験的に選択される。

第３図および第４図は前の実施例とは異なる他の実施例
を示し、電源間隙に電弧の位置を安定化させるための手
段が第１および第２図に示すコイル７．８とはことなっ
た構成の例えば３つの同しく１３） コイル１２を有している。コイル１２のおのおのは円筒
状表面のまわりに折れ曲った矩形ループをなしておって
コイルは２つの弓形側１３　、１４と２つの直線側１５
有している。コイル１２はサポート１６でチャンバー３
のまわりにマウントされ、その直線側１５は電極１，２
の軸と平行であり弓状側はその中心が電極１，２の軸に
平行な線上にあるそれぞれ２つの周辺を形成する。第３
および第４図の特殊な場合においてはコイル１２の弓状
側１３　、１４によって形成される側の中心が電極１．
２の軸にある。各コイル１２の直線側１５の長さは電源
間隙６の値よりも小でない。またコイル１２間の距離は
できるだけ小であるべきで、好ましくは相となるコイル
１２の相となる直線側は第４図に示すように接近してと
なり合うように形成される。

コイル１２は電源９に接続され、お互に直列に接続され
となり合せる直線側１５（第３図）に沿って流れる電流
が反対方向になるようになっている。この場合１平面上
の弓形状側１３もしくは１４に流れる電流は同一方向で
あって弓形状側１３に流れる電流の方向は弓形状側１４
に流れる電流とは逆方向である。コイル１２を電源９に
接続する他の方法（第４図）もまた可能である。例えば
それぞれがお互に並列に接続されることもでき、または
それらが別々の電源によって付勢されることも可能であ
る。電源９は直流電源でもよく交流電源でもよい。

各コイル１２のリードの間に可変抵抗１７がおかれる。

抵抗１７の代りに電弧の経路に対して要求されるように
コイル１２の電流を変えることのできる制御回路を用い
ることも可能である。めいる回路は当業者により従来周
知の回路であるから第３図および第４図には示さない。

本発明に力いる第１の実施例として、コイル１２の厚さ
はコイルの曲げられている円筒状表面の半径よりもまた
その直線側１５　（第３図）の長さよりも小さい寸法で
ある。この場合コイル１２は同じ形状の電流ループと同
しような形状の磁界を提供する。

電極１．２の軸に沿ったコイル１２の位置は第１図およ
び第２図に示すように２つの極限の位置によって限定さ
れる。第１の極限の位置においてはコイル１２の位置は
電極１．２の軸に垂直な電源間隙６の中央を通過する平
面１１に対して対称であり、第２の極限の位置において
はコイル１２は負電極に向って移動し弓形状側１４は平
面１１の上にある。コイル１２の好ましき位置は弓形状
側１４が正電極１の端面にありその直線側１５の長さが
電源間隙６の値の２倍であるときである。

第１．２図および第３，４図に示す装置の実施例は電源
間゛隙６の中に電弧位置を効果的に安定させる磁界を電
源間隙６に発生する問題を解決する点において等価であ
る。この両方の場合、磁界は軸によって分離され電流が
逆方向に流れるように電気的に逆に接続された電極１，
２をとのかこむ環状素子によって発生する。第１図およ
び第２図に示した本発明の第１の実施例においては、そ
のような環状素子は円筒状コイル７．８によって形成さ
れ、第３図および第４図に示した第２の実施例において
は、１つの環状素子はコイル１２の弓形状の側１３によ
って形成され、他の環状素子は弓形状側１４によって形
成される。本発明の第１の実施例に比べると第２の実施
例は他の付加機能、すなわち電源間隙６において電弧を
移動する機能を果すことができる。この機能はコイル１
２に種々の値の電流を流すことによって行なわれる。

もし電弧の位置および電弧の一方向の移動のみ行うこと
が必要なときは、第３図および第４図に示す装置におけ
るコイル１２の最少数は２である。

もし電弧をその位置を安定に任意の方向に移動させる必
要がある場合はコイル１２の最小数は３である。

以上述べた本発明の実施例は等価であるから、第１図お
よび第２図による装置の説明においてのべたコイルパラ
メータに関する考慮は第３図および第４図に示した装置
にも適用できる。

電源装置はつき゛のごとく動作する。

電源４　（第１図）を投入すると電極が励磁され電源間
隙６に電気放電を発生するに充分な電圧が印加される。

同時に電源９が投入される。これにより逆方向の電流が
コイル７．８を通して流れる。

電源間隙６に非一様の磁界が形成され、これは１つのコ
イルによって等電力消費をもって生成された磁界に比べ
てコイル７．８の軸にシャープに限定された最小強度を
有している。これは第５図に示すように、第１図の装置
においてコイル７゜８に垂直で電源間隙６の中央を通る
面における磁界強度のモジュラスの分布が実線によって
示されている。コイル７．８は電源間隙６に等しい距離
におかれ電源間隙６の値はコイル７．８の半径に等しい
。磁界強度のモジュラス（Ｈ）とコイル７゜８の軸から
の距離ρの値は相対単位で示されている。比較のために
、電源間隙の半分に等しい距離にあるコイルから遠い面
に同じパラメータをもつ単一コイルによって発生する磁
界強度のモジュールの分布を点線にて示す。

反磁性質を呈する電弧は電源間隙６内に磁性強度の最小
領域に配置される。そうすると磁界強度の高い勾配によ
って、電弧位置のさらに有力な安定が電源間院内に得ら
れる。もし同じ磁界限定性質をＳＵ、　Ａ、　１２６７
６３３による装置に持続することができるならばこの磁
界を生ずるときの電力消費はそれに対応して減少する。

等しい値の電流が第３図および第４図に示す装置のコイ
ル１２に流れると、隣り合うコイル１２の相となる直線
側１５に沿って流れる電流によって発生される磁界は互
に相殺される。この場合、コイル１２によって形成され
る円筒の軸に沿って電弧位置を安定化させ装置の動作は
第１図、第２図に示した装置と同様にすることも可能で
ある。

電弧を電源間院内を移動させるためにミ１もしくは２つ
のコイル１２の電流値がそれぞれの抵抗によって変化さ
れる。たとえば、コイル１２のいずれかの電流を減らす
と電弧はこのコイルの中心を通る半径に沿ってこのコイ
ルに近づく。コイル１２に流れる電流をそれぞれ変える
ことによって、電源間隙６内における電弧の経路を要求
された通りに提供することが可能である。そうすること
によって、電弧を移動させるために消費される電力はＳ
Ｕ、　Ａ、　１２６７６３３による装置において消費さ
れる同様な電力に比べて減少する。何となればコイル１
２における電流値の変動によって、電源間隙６において
最小磁界強度領域が移動し電弧がこの領域にとパまるか
らである。電弧位置の安定および電弧の移動に関するか
ぎり電弧位置の制御に消費される全電力はそれぞれ減少
するからである。

第１、第２図および第３、第４図に示される装置の実施
例を比較すると、第３、第４図に力いる装置の利点は電
弧の移動のために特殊な素子を必要とせず電弧を制御す
るための全電力消費が減少できる点にあるということが
できる。さらに第３、第４図に力いる装置の構成は装置
の他の素子を取り外すことなくコイルをとり外すことが
できるのでサービス面においてさらに好都合である。同
時に、真空電弧炉内でチタニウムを溶解するごとき電源
装置のある応用分野においては、チャンバーの水冷壁を
通して電弧が燃焼して爆発を生ずることがある。これを
考慮に入れると、第３、第４図に力いる装置の実施例は
操作の信頼性は低い。何となればコイル１２の１つが故
障すると電弧が移動して真空室の壁に達するからである
。

本発明に力いる電源装置の特殊な実施例における数値的
特性を下記に示す。

第１図、第２図にか・る電源装置 電極の直径：　　２００ｍｍ 電極の材料：チタニウム 電源間隙の値：５Ｑｍｍ 電弧の直径：１５ｍＩＩ 電源電流：５〇八ｄｃ コイル直径：２５０鰭 コイル厚さおよび高さ：２５１ｍ 各コイルの巻数：５００ コイル間の距離：１００ １つのコイルは正電極の端子函にある 各コイルの電流：５Ａｄｃ コイルの消費型カニ〇。５Ｖ 第３図、第４図に力いる電源装置 電極の直径：　　２００ｍ璽 電極の材料：チタニウム 電源間隙の値＝５０龍 電弧の直径：１５鰭 電源電流：　５０　Ａ　ｄｃ コイルの数＝３ コイルの厚さ：２５Ｎ 各コイルの巻数：５００ コイルの弓形側の半径：　　１２５ｍｍコイルの直線側
の半径：　　１００ｍｍ各コイルの電流：　５’Ａ　ｄ
ｃ 以上のデータに見られるように、本発明によれば電弧の
位置を制御するための消費電力を１０分の１に減少する
ことができる。

〔発明の効果〕

本発明は真空電弧炉内にて金属を溶接もしくは熔解した
り、スプレィによって金属を沈澱したりするような導体
の熱処理に対する冶金技術に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の１つにか・る電源装置を示し
、 第２図は第１図の線ｎ−ｎに沿った断面図を示し、 第３図は本発明の他の実施例にか・る電源装置を示し、 第４図は第３図の線ＩＶ−ＴＶに沿った断面図を示し、 第５図は本発明にめいる装置と従来装置において電極間
隙における磁界強度のモジュラスの分布をブロソトシた
図である。 記号の説明 ■・・・正電極、　　　　　２・・・負電極、３・・・
真空室、　　　　　　４・・・ｄｃ電源、５・・・電流
ＩＪ　−１”、　　　６・・・電弧間隙、７．８・・・
コイル、　　　　９・・・電源、１０・・・電流導通ロ
ッド、 １１・・・電極の軸に垂直な電弧間隙の中央を通る面、 １２・・・コイル、 １３　、１４・・・コイルの弓形側、 １５・・・コイルの直線側、 １６・・・サポート、　　　１７・・・抵抗、β・・・
コイル７．８間の距離、 ＩＨＩ・・・磁界強度のモジュール、 ρ・・・コイル７．８の軸よりの距離。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電弧間隙（６）によって分離された２つの並べられ
   た電極（１、２）と該電極（１、２）を囲む円筒状コイ
   ル（７）を含みその軸に垂直な面にマウントされた電弧
   間隙に電弧位置を安定化する手段を含む電弧装置におい
   て、電弧間隙に電弧位置を安定化させる手段が前記電極
   （１、２）をとりかこみ前記第１のコイル（７）から電
   弧間隙（６）の値より小さい位置に前記第１のコイル（
   ７）とともに配置されたさらに円筒状コイル（８）を有
   し、前記コイル（７、８）はその中を流れる電流の方向
   が反対になるように電源（９）に接続され、電弧間隙（
   ６）の中央を通る平面（１１）に対する前記コイル（７
   、８）の位置は前記平面（１１）に対して対称である前
   記コイル（７、８）の第１の位置とこの平面（１１）に
   あるコイル（８）と負電極（８）に向って移動する他の
   コイル（７）の位置によって制限されることを特徴とす
   る電弧装置。 ２、電弧間隙（６）によって分離された２つの並べられ
   た電極（１、２）と、コイル（１２）を含む電弧間隙に
   おける電弧を安定化する手段を含む電弧装置において、
   電弧間隙に電弧の位置を安定化するための手段が少くと
   もさらに１つのコイル（１２）をそなえ各コイル（１２
   ）は円筒状表面のまわりに曲げられた矩形ループとして
   形成され、前記コイル（１２）は前記電極のまわりにそ
   の弓形の側（１３、１４）がそれぞれ２つの周辺を形成
   しその中心が前記電極（１、２）の軸に平行な線上にあ
   るようにマウントされ、近隣のコイル（１２）の相とな
   り合せる直線側（１５）に沿って流れる電流がその方向
   が逆になるように電源（９）に接続され、各コイル（１
   ２）の直線側（１５）の長さが電弧間隙（６）の値より
   も小であり、電極（１、２）の軸に垂直な電弧間隙（６
   ）の中央を通る面（１１）に対するコイル（１２）の位
   置が２つの位置すなわちコイル（１２）が前記平面（１
   １）に対称である第１の位置および前記コイル（１２）
   が負電極（２）に向って移動し弓形の側（１４）が前記
   平面（１１）にある第２の位置によって制限されること
   を特徴とする電弧装置。