JPH04131694A - 移行式プラズマトーチ - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、カソードと加熱対象物との間にプラズマアー
クを発生させる移行式プラズマトーチに係り、特に溶鋼
等の加熱に用いるのに好適な移行式プラズマトーチに関
する。

［従来の技術］ 近年、製鉄所の製鋼工程においては、レードルやタンデ
イツシュ中の溶鋼をプラズマアークによって加熱し、溶
鋼温度を制御したり、精錬反応を行わせたりする技術の
開発が進められている。

このような用途には、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ている。

従来の移行式プラズマトーチとしては、例えば、第３図
に示すものがある。１はカソードであってカソード外筒
２とカソード内筒３よりなり、その先端にはタングステ
ン等よりなり形状が先頭状をなす放電部４を備えている
。５は電気端子である。このカソード１を囲んでその同
心円上にノズル６が配置されている。カソード１とノズ
ル６の間には間隙が設けられ、この間隙はプラズマ作動
ガス７の流路となっている。そして、この流路はトーチ
の先端部で絞られた構造になっており、プラズマ作動ガ
ス７がトーチの軸方向に向けて大きな流速で噴出するよ
うになっている。なお、カソード１及びノズル６は水冷
構造になっている。９は冷却水を示す、又、８はカソー
ド１とノズル６を画する絶縁スペーサーである。

上記のプラズマトーチにおいては、プラズマ作動ガス７
を噴出させながら、通電して放電部４と加熱対象物２０
との間にプラズマアーク２１を発生させるが、この際、
プラズマ作動ガス７が大きな流速で噴出しているので、
安定な直線状のプラズマアークが形成される。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来のプラズマトーチにおいては、アーク電圧はプ
ラズマアーク周囲の雰囲気ガス成分によって大きく変わ
り、例えばアルゴンのような不活性ガス雰囲気中では極
端に低下してしまうので、投入電力量が大幅に低下して
しまう、投入電力量の低下を回避する手段として、アー
ク電流の増加が考えられるが、電流を増加させると放電
部の温度上昇を招き、放電部の寿命を著しく短くしてし
まう。

又、プラズマ作動ガスを直線状に噴出させて電流路を絞
り込み、安定したプラズマアークを発生させる構造にな
っているので、広い面積を加熱しようとする装置として
は適当なものではなかった。

このような問題を解消すべく、本出願人は、改良された
移行式プラズマトーチに関して幾つかの特許出願を行っ
ている。そのうち、特願平２−１２５３５５号（以下、
先願と言う〉のプラズマトーチにおいては、ノズルに電
磁コイルを装着してノズルの軸方向に直流磁界を発生さ
せて、プラズマアークの乱れを抑制すると共にプラズマ
アークに回転力を発生させ、旋回して加熱対象物に向か
って広がるプラズマアークを発生させるようにしている
。このプラズマトーチをより詳しく説明する。

第２図は上記本発明の先願に係る一実施例の構成説明図
である。１はカソードであってカソード外筒２とカソー
ド内筒３よりなり、その先端にはタングステン等よりな
る半球状の放電部４を備えている。５は電気端子である
。このカソード１の外側にはその同心円上に直管状のノ
ズル６が配置されている。このため、プラズマトーチは
多重管状の構造になっている。プラズマ作動ガス７の流
路となるカソード１とノズル６の間隙は、絞り込まれる
ことなく直管状に形成されている０図中、８はカソード
１とノズル６を画する絶縁スペーサーである。９は冷却
水であり、カソード１内を流通させて放電部４を背後か
ら冷却し、又ノズル６内を流通させてノズル６を冷却す
るようになっている。そして、ノズル６の先端部にコイ
ル１０が取り付けられており、このコイル１０は図示し
ない直流電源に接続されている。又、ノズル６とコイル
１０の間に磁性材料部材１１が介在されている。

プラズマアークの発生時においては、第６図（ａｌのよ
うに、プラズマアーク２１の内部には、加熱対象物２０
から放電部４に向かって電流が流れている。ここでコイ
ル１０に直流電流を流すと、プラズマアーク２１内の電
流Ｊに直流磁場Ｂの磁束が鎖交し、プラズマアーク２１
内に電磁力Ｆが発生する。

Ｆ＝ＪＸＢ この電磁力Ｆは、プラズマアーク２１の軸芯を中心に回
転する方向に発生し、第６図＋ｂｌに記す矢印のように
、プラズマアーク２１が回転し始める。

そして、電流路が軸対称から僅かにずれると、キンク不
安定性及び電磁力Ｆが重畳して旋回プラズマが形成され
る。

そして、旋回プラズマが形成される上記プラズマトーチ
を使用すると、アーク長が長いプラズマアークが発生し
、又、アーク柱が冷やされ電流路が絞り込まれるため、
プラズマ電圧を大幅に上げることができるようになる。

更に、先願のプラズマトーチにおいては、ノズル６とコ
イル１０の間に磁性材料部材１１を介在させている。こ
の磁性材料部材１１を配置することによって、直流磁界
がアーク柱に効果的に鎖交し、電磁コイル１０の消費電
力が少なくて済む。

しかし、先願においても、未だ解決すべき問題が残され
ていた。即ち、先願のプラズマトーチは、ノズル６の先
端部に電磁コイル１０を備えているので、部分的には従
来のプラズマトーチよりも大きくなっており、電磁コイ
ルを更に小さくし、プラズマ加熱装置全体としての大き
さを一段と小さくすることが望ましい。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決すると共に、先
願の問題点をも解決すべくなされたものであり、プラズ
マ電圧を上げることができる上に電磁コイルが小型化さ
れた移行式プラズマトーチを提供することを目的とする
。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、第一の発明においては、
カソード先端部のカソードの同心円上に電磁コイルを備
え、この電磁コイルの内側又は外側の少なくとも一方側
の同心円上に磁性材料部材を配置している。そして、こ
の磁性材料部材の長さを電磁コイルの長さより長くして
いる。

第二の発明においては、カソード先端部のカソードの同
心円上に電磁コイルを備え、放電部の１１’後に位置す
るカソード内に磁性材料部材を配置している。

第二の発明における磁性材料部材の長さは電磁コイルの
長さより長くするのがよい。

又、第一の発明及び第二の発明における磁性材料部材の
長さは、いずれも電磁コイルの長さに対し１〜４倍の範
囲にするのが望ましい。

［作用］ 前述のように、電磁コイルの近傍に磁性材料部材を配置
すると、磁界は磁性材料部材の端部付近が強くなり、磁
性材料部材を配置しない場合に比べてアーク柱の電流と
鎖交する磁束数が増加する。このため、電磁コイルの消
費電力が大幅に減少し、その結果として電磁コイルの巻
数を減らしてこれを小型化することができる。

この場合、アーク柱の電流と効果的に鎖交する磁束数は
、磁性材料部材の長さ及びその配置位置によって大いに
異なる。このうち、磁性材料部材の長さについては、そ
の長さが長いほど磁性材料部材の端部における磁束密度
が大きくなる傾向を示す、このため、磁性材料部材の長
さは、好ましくは電磁コイルの長さよりも長くするのが
よく、更に好ましくは、電磁コイルの長さに対し１〜４
倍程度にするのがよい、磁性材料部材の長さが電磁コイ
ルの長さに対し１倍未満であると、磁束が磁性材料部材
に興申しに＜＜、磁場が有効に作用しないので、その効
果が不十分であり好ましくない、又、その長さを電磁コ
イルの４倍を超える長さにしても、磁束密度の増加が飽
和してしまう。

又、磁性材料部材はカソードの軸芯（放電部）に近いと
ころに配置するほど、プラズマアークに作用する磁界が
強くなる。このような磁性材料部材の配置の一つとして
、第二の発明では、放電部の背後に位置するカソード内
に配置している。このような配置にすれば、電磁コイル
の一層の小型化を図ることができる。

［実施例コ 第１区は本発明の一実施例に係る移行式プラズマトーチ
の構成説明図である。第１図において、第２図と同じ構
成部分については同一の符号を付し説明を省略する０本
実施例においては、磁性材料部材は２箇所に配置されて
いる。即ち、放電部４の背後に位！するカソードｌ内に
配置された磁性材料部材１１ａと、電磁コイル１０の外
側に配置された磁性材料部材１１ｂとが配！されている
。電磁コイル１０の外側に配！された磁性材料部材１１
ｂは、アーク柱に作用する磁場を強める役割をなすだけ
でなく、プラズマトーチの外側に漏れる磁束を大幅に削
減し、付帯設備や他の機器に対する磁気的影響を防止す
る働きもする。そして、上記２つの磁性材料部材のうち
、磁性材料部材１１ｂの長さは電磁コイル１０の長さｇ
ｌと同程度であるが、磁性材料部材１１ａの長さは電磁
コイル１０の長さｐｌと同程度か或はそれより長くする
。

次に、第１図のプラズマトーチによって、実験的にプラ
ズマを発生させた結果について説明する。

（実施例１） プラズマトーチの構成 カソードの直径；２０１園 電磁コイルの長さ；５０＋＋ｍ コイルの巻数、１０００回 磁性材料部材；鉄製の円筒 カソード内の 磁性材料部材の長さ；１５０ｍｍ 電磁コイル外側の 磁性材料部材の長さ；５０龍 プラズマ発生条件 作動ガス：アルゴン 作動ガスの流量：３０１７分 プラズマ電流：９０ＯＡ アノード；カーボンブロック アノードと放電部の間隔：２００ｍｍ 上記条件においては、電磁コイルの励磁電流と発生した
プラズマアークの状態の関係は、次のごとくであった。

■励磁電流がＤＣＯ，ＩＡ以下では、真っ直ぐで安定な
プラズマアークが発生した。

■励磁電流がＤＣｏ、１〜０．２Ａの間では、その下流
〈アノード側）のみが広がり、旋回の弱いプラズマアー
クが発生した。

■励磁を流がＤＣｏ、２Ａ以上にすると、プラズマアー
クはカソードの近くからアノードに向かって広がると共
に高速に旋回した。

上記各励磁電流値におけるプラズマ電圧及び投入電力は
、励磁電流をＤＣＯ，ＩＡにして安定なプラズマアーク
を発生させた場合にはプラズマ電圧が１８０ｖ、投入電
力が１６２ｋｗであったが、励磁電流をＤＣｏ、２Ａに
して旋回プラズマアークを発生させた場合にはプラズマ
電圧が３４５■、投入電力が３１１ｋｗに上昇した。

このように、励磁電流を変えることによって、プラズマ
電圧を大幅に（即ち投入電力を大幅に）変化させること
ができ、加熱々量の制御が容易になる。又、旋回プラズ
マアークを形成させることによって、加熱面積が広がり
、局部的な過熱が回避される。

（実施例２） カソード内の磁性材料部材の長さを電磁コイルの長さと
同じ５０龍にしたこと以外は実施例１と同条件にした。

この条件で安定プラズマアークを発生させた後、電磁コ
イルに電流を流し、電流を徐々に上げていったところ、
ＤＣｏ、３Ａにした時点で、プラズマアークがアノード
に向かって広がり、高速に旋回するするのが観察された
。この時のプラズマ電圧は３２０Ｖ、投入電力は２８８
ｋｗであった。

（比較例） 実施例２で使用したプラズマトーチを使用してプラズマ
を発生させたが、この際、磁性材料部材である鉄製の円
筒の代わりに、ステンレス鋼（非磁性材料）製の円筒を
取り付けな。

そして、実施例２の場合と同様にして電磁コイルに電流
を流したところ、ＤＣｌ、５Ａにした時点で、アノード
に向かって広がり、高速に旋回するプラズマアークが観
察された。この時のプラズマ電圧は３２５■、投入電力
は２９３ｋｗであった。

上記実施例１．２と比較例の結果について電磁コイルの
励磁電流を比較すると、実施例１と実施例２の励磁電流
は、比較例のそれに対しそれぞれ１／７．５．１１５で
あり、著しい差が認められた。

（実施例３〉 カソード内に配置した磁性材料部材の長さを種々変えた
各種のプラズマトーチについて、プラズマアークに効果
的に作用する磁界の強さを測定した。コイルと磁性材料
部材の配置は第４図のごとくにした。この際のコイル１
０は巻数３８５回、その長さＪｅｔ　５５關のものを用
い、磁性材料部材１１ａはその長さ孟２を５５■■〜３
３０■霞のものを用いた。そして、コイル１０の励磁電
流をＤＣＩＡにし、カソードの先端部位置に相当するコ
イル軸線１２上のＡ点における軸方向磁界を測定した。

この結果は第５図に示す、この図で明らかなように、コ
イル長さ１１と磁性材料部材長さ（、の比（（２／ρｌ
）を大きくするに従い（磁性材料部材１１ａの長さ、ｌ
１２を長くするに従い）、Ａ点の磁界は次第に強くなる
。そして、コイル長さ１１と磁性材料部材長さ、ｃ１２
の比（１２／孟、）が４付近になると、磁界の強さはほ
ぼ一定になる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない０
例えば、上述の各実施例においては、電磁コイル１０を
ノズル６の外側に取り付けた場合についてのみ説明した
が、ノズル６の内部或は放電部４の背後に組み込んでも
よい、又、電磁コイル１０の配置位置は、これによって
作られる磁場とプラズマアークとを鎖交させることがで
きる範囲内であれば、電磁コイル１０の一部が放電部４
の先端から外れた箇所であってもよい、そして、電磁コ
イルｌＯに流す電流は交流であってもよい。

［発明の効果コ 本発明は、カソードの先端部に電磁コイルを備えている
ので、加熱対象物に向かって放射状に広がり高速旋回す
るプラズマアークを発生し、プラズマ電圧を上げること
ができる。従って、プラズマトーチの加熱能力が向上す
る。

又、電磁コイルの同心円上に磁性材料部材を配置してい
るので、プラズマアーク中の電流と鎖交する磁界が強め
られ、磁界の形成効率が向上して電磁コイルの消費電力
が減少し、その結果として電磁コイルを小型化できる。

更に、上記磁性材料部材の長さを電磁コイルの長さより
長くしているので、磁界の形成効率が一層向上して電磁
コイルの消費電力が大幅に減少し、電磁コイルが一層小
型になりプラズマ加熱装置の小型化につながる。

そして、上記磁性材料部材をカソード内に配置すると、
プラズマアークに作用する磁界が更に強くなり、電磁コ
イルの更に一層の小型化を図ることができる。

１・・・カソード、４・・・放電部、６・・・ノズル、
７・・・プラズマ作動ガス、１０・・・電磁コイル、１
１．１１ａ、１　ｌｂ−・・磁性材料部材、２０・・・
加熱対象物、２１・・・プラズマアーク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）先端に放電部を備えたカソードと該カソードを囲
   み該カソードの同心円上に配置されたノズルよりなる移
   行式プラズマトーチにおいて、 前記カソード先端部の該カソードの同心円上に電磁コイ
   ルを備え、該電磁コイルの内側又は外側の少なくとも一
   方の側の同心円上に磁性材料部材を配置し、該磁性材料
   部材の長さを前記電磁コイルの長さより長くしたことを
   特徴とする移行式プラズマトーチ。 （２）先端に放電部を備えたカソードと該カソードを囲
   み該カソードの同心円上に配置されたノズルよりなる移
   行式プラズマトーチにおいて、 前記カソード先端部の該カソードの同心円上に電磁コイ
   ルを備え、前記放電部背後に位置する前記カソード内に
   磁性材料部材を配置したことを特徴とする移行式プラズ
   マトーチ。（３）磁性材料部材の長さを電磁コイルの長
   さより長くしたことを特徴とする請求項２記載の移行式
   プラズマトーチ。 （４）磁性材料部材の長さが電磁コイルの長さの１〜４
   倍であることを特徴とする請求項１又は３記載の移行式
   プラズマトーチ。