JPH04190597A - 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 この発明は、プラズマアークを発生させて加熱・溶解・
反応等に用いられる移行式プラズマトーチに関するもの
である。

プラズマ加熱はコンパクトでメンテナンスか容品なこと
、既存設備への設置上改造が少なくて済むこと、精練へ
の応用展開か期待てきるなとの特徴か注目され、近年タ
ンディンユやレードル内の溶鋼加熱に積極的に導入され
ている。

溶鋼のプラズマ加熱では品質保持の観点から電極として
タングステンや銅か用いられ、雰囲気ガスにはＡｒのよ
うな不活性ガスか使用されることが多い。しかし、Ａｒ
ガスのような単原子分子では、Ｎ２ガスなどの２原子分
子にみられるような解離によるエネルギー消費かないた
め電位傾度か小さく、投入電力もＮ２ガス雰囲気の半分
以下まで低減する。

このような条件でトーチの出力を維持するためには電流
または電圧を増加さぜることか必要である。しかし、一
般に電流の増加は陰極温度の上昇を招き、電極が消耗し
てトーチの寿命に大きな影響を及はす。また、設備コス
トの増大も著しい。

一方、先端を尖らせたカーボン陰極と平板のカーボン陽
極との間にアークを発生させると、第５図（Ａ）に示す
ような安定なアークか観察される。

安定アークの発生条件は主として電極の先端形状に依存
し、一般にアークスポット径か電極先端径よりも大きい
ときに得られる。第６図は安定アークを得るために加工
したカーボン電極（２０）の先端形状の断面図である。

アークスポットは電極（２０）の先端の円周」二に形成
されるが、電極（２０）の先端か消耗してエツジがなく
なったり丸みを帯びてくると第５図（Ｂ）に示すような
アーク柱か動き回る不安定なアーク（以下、乱流アーク
と呼ぶ）か観察される。第６図のようなカーボン電極（
２０）では、アーク電流か９００Ａのときの電極（２０
）の先端部の厚みか４１１１ｍ以上になると乱流アーク
か発生し易くなる。第７図は安定アークと乱流アークの
電圧を比較したものである。第７図から明らかのように
、乱流アークの見掛は電位傾度は安定アークの２倍以上
になっている。このようなカーボンアークで得られるよ
うな乱流アークを積極的に利用できれば、プラズマ加熱
においても短いギャップで高い電圧発生、即ち、大電力
の投入か期待てきる。

そこで、本発明は電圧を増加することによって高出力が
得られ、プラズマアークをガス流によって制御できる移
行式プラズマトーチを実現するようにしたものである。

［従来の技術］ 先に、本願出願人は発生電圧の増加、加熱面積の増大等
を改善した移行式プラズマト−チの発明を、特願平１．
−２８７３５号として出願した。特願平１−２８７３５
号発明の移行式プラズマト−チによれば、アーク柱か加
熱対象物に向かって広がって不安定な乱流プラズマアー
クか形成される。この提案されたプラズマトーチは、電
極に熱電子放出型陰極を用いて陰極点を固定して、アー
クの軸方向の速度をプラズマアークの磁気不安定状態が
発生する程度に抑制させるものである。このため、電極
の先端を尖頭状にせずに丸めてジェット流を抑制したり
、積極的にプラズマ作動ガスを旋回流としてノズルと電
極間に流すこと等によりプラズマアークの軸方向の速度
を低減している。

［発明か解決しようとする課題］ 先願発明による改善された移行式プラズマトーチは、プ
ラズマか本来持っている磁気的な不安定性を利用し、プ
ラズマアークを流体的に不安定にさせるものである。こ
のため、ノズルから積極的に作動ガスを円周方向に旋回
させなから噴出してノズルと電極間に流すプラズマ作動
ガスの軸方向の流速を抑制することによって、上述の状
態を形成させている。

しかしながら、軸方向流速を抑制してプラズマ作動ガス
を旋回流で供給すると、周囲の雰囲気ガスを巻き込むこ
とになる。そして、大気中で旋回するプラズマアークを
発生させるような場合には、酸素がプラズマアークに巻
き込まれてカソード先端部に到達し、電極の酸化消耗を
招いて電極の寿命が極端に短くなるという欠点があった
。また、プラズマ作動ガスを旋回させるスペーサを構成
するので、それだけ構造も複雑になる。また、電極の酸
化消耗を防止する手段として陰極をシールするだめの電
極の周りに軸方向に流し、その外側から旋回流を与えて
プラズマアークを高速旋回させる方法も考えられるが、
一般にガスの消費量が多くなり効率よく乱流プラズマア
ークを発生することか出来ない等の問題点があった。

本発明は、上記のような問題点を解消するために成され
たもので、電極の酸化消耗を抑制し、か−４一 つ簡単な構成で乱流プラズマアークを形成することので
きる移行式プラスマト−チを実現することを１］的とす
るものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、陰極の酸化消耗を抑制してプラズマアークを
形成させる作動ガスの流れと、電極から離れた位置で側
面から吹き出してアーク柱を屈曲させて乱流プラズマア
ークを形成させるガスの流れとの２つのガス流を組み合
わせるように構成した。

このため、電極の周りに作動ガスを軸方向に流し、例え
ば、その外側に作動ガスとは別系統の単一のチューブを
配置した。そして、このチューブからガスをアーク柱に
吹き付けてアークを屈曲させることにより、下流側か広
げられたプラズマアークを形成させる移行式プラズマト
ーチを構成したものである。

［作　　用］ 電極の周りの供給ノズルから作動ガスが軸方向に吹き出
されて電極の先端からアーク柱か形成される。形成され
たアーク柱には電極から離れた位置で、外側のチューブ
からガスか吹き付けられる。

この結果、チューブから吹き出されたガスによってアー
ク柱の途中に変形力が作用し、屈曲されて陰極を固定端
として陽極に向かって広げられた乱流プラズマアークが
形成される。

［発明の実施例］ 第１図は本発明実施例要部の構成説明図、第２図（Ａ）
　、　　（Ｂ）はその動作説明図である。

第１図において、］はププラズマア−ク２は電極（陰極
）、３はノズルである。電極２の材料は、熱電子放出型
電極の１つであるタングステンを用いて半球状とした。

電極２を囲んだノズル３は水冷銅製やセラミックス製で
あることが多く、先端を特に絞り込みを押さえて軸方向
気流を弱めるような開放型に形成した。４はアルゴン等
のプラズマ作動ガスて、電極２とノズル３との間から２
０ｇ／ｍｉｎ程度の定流量を保持させている。プラズマ
作動ガス４は旋回させたり障害物で乱れを起こさす、プ
ラズマトーチ１の軸方向に流している。６は形成される
プラズマアーク、７は絶縁スペーサ、８は冷却水で、こ
こまでの構成は従来装置と殆ど変わることが少ない。こ
の外、特に本発明においてはノズル３の先端イ」近に更
にプラズマ作動ガス４とは別系統のチューブ９を設け、
このチューブ９からガス１０を吹きトｊけている。外側
のチューブ９はここては１本で構成され、噴出口が下に
向かって内側に傾斜していて、噴出流か電極２からやや
離れた位置で斜交している。そして、傾斜したチューブ
９からガス１０かプラズマアーク６に斜めに吹き付けら
れ、プラズマアーク６が図示のように途中で変形力を受
けて屈曲されるようになっている。

このような構成の本発明において、電極２の先端と加熱
対象物との間にプラズマアーク６か発生するか、チュー
ブ９が塞かれた状態ではプラズマ作動ガス４によって、
電極２の近傍では強い軸方向の指向性を持った直線状の
安定なプラズマアーク６か形成される（第５図の（Δ）
図参照）。

しかしなから、電極２から離れたノズル３の側面からチ
ューブ９を介して、ガス１０か斜めに吹き付けられてい
る。したがって、プラズマアーク６の途中に変形力が作
用し、プラズマアーク６かこの付近で屈曲される。この
結果、プラズマアーク６か、前述したような乱流プラズ
マアークを形成することになる。この状態が、第２図の
（Ａ）に示されている。即ち、プラズマアーク６は電極
２の近くで細い柱状で、電極２から加熱対象物に向かっ
て拡かり持った形状になっているが、実際には第２図（
Ｂ）に示すような屈曲したアーク柱か激しく動き回って
いる。

よって、プラズマアーク６か屈曲して加熱対象物側か広
げられても電極２には大気中の酸素か接触せず、酸化に
よる電極の消耗が抑制させることかできる。

〔実験例■〕

安定な電流９００Ａのプラズマアークに、外部から内径
２＋ｎｍの銅製チューブ９てＡｒガスＪＯを吹き付け、
乱流プラズマアークを形成した。

第３図に、吹付はガス１０の流ｍＱ　（ｄｍ　／ｍｉｎ
　）とアーク電圧Ｖとの関係を示す。チューブ９の吹き
付はガス１０の流ｍＱの変化で、次のことか明らかにさ
れた。

■吹付はガス１０の流量Ｑの増加に伴い、アーク柱の乱
れか大きくなりアーク電圧Ｖも上昇するが、最終的には
飽和する。

■乱流アークの動き回る範囲は流ｆｆ１Ｑの増加と共に
広かり、アーク電流か９００Ａのときには、陰極２の近
傍で最大４５度の広がり角が得られる。

■Ｖ　Ｔ　Ｒによる測定では、乱流アークの陽極加熱面
積は、電極間隔２００　ｎｖにおいて、安定アークの１
０倍以」二に広げることか可能である。

〔実験例■〕

安定プラズマアークと乱流プラズマアークの電位経度の
比較を、実験的に６ｍ認した。実験結果を、第４図に示
す。

乱流プラズマアークの電位傾度は安定プラズマアークの
の２倍以上になり、カーボンアークにおける安定アーク
と乱流アークの関係に類似している。

なお、上述の実施例ではチューブ９か１本の場合につい
て説明したが、２本以上配置してもよく、吹付は方向も
半径方向に限らす円周方向に吹付けても良い。

［発明の効果コ 以上のように、本発明によればプラズマアークに外部か
らチューブによりガスを吹付けて変形力を作用させるこ
とにより、電極（陰極）を消耗させることなく陽極に向
かって広がった乱流プラズマアークを形成することがで
きる。このような乱流プラズマアークを形成させる本発
明によれば、次のような効果を期待することができる。

■従来の安定なプラズマアークに比べて、遥かに高い電
位傾度が得られる。これによって、Ａｒガスのような不
活性ガスの雰囲気内においても、アーク電圧の低下を防
止できることが期待される。

また、外部からの変形力を変化させることによって、ア
ーク電圧や陽極加熱面積を制御することも可能である。

■従来の安定なプラズマアークはトーチに供給されるガ
ス流で電流路が拘束されているため陽極スポットでのエ
ネルギー密度か高く、局所的な加熱に適している。これ
に対し、本発明は乱流アークにより１０倍以上の加熱面
積か得られるので、広域加熱に適している。

よって、本発明によれば、吹付はガスの流量制御により
簡単な構成で、電圧を増加させて高出力かつ加熱面積が
広く、例えば溶鋼の温度制御用の加熱源に適する移行式
のプラズマトーチを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例要部の構成説明図、第２図（Ａ）
　、　（Ｂ）はその動作説明図、第３図は吹付はガスの
流量とアーク電圧との関係を示す線図、第４図は安定プ
ラズマアークと乱流プラズマアークの電位経度の関係を
示す線図、第５図乃至第７図は本発明を説明するためカ
ーボンアークの説明図で、第５図の（Ａ）　、　（Ｂ）
は安定アークと乱流アークの説明図、第６図は電極の断
面図、第７図は安定アークと乱流アークの電位経度の関
係を示す線図−］］− である。 図において、１はプラズマトーチ、２は電極、３はノズ
ル、４はプラズマ作動ガス、 ６はプラズマアーク、７は絶縁スペーサ、８は冷却水、
９はチューブ、１０は吹付はガス、２０はカーボン電極
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 加熱対象との間にプラズマアークを発生させる移行式プ
   ラズマトーチにおいて、カソードを外気から保護するた
   めのガスの流れを形成するノズルと、アーク柱を屈曲さ
   せて乱すためのガスを外側から吹き付けるガスチューブ
   とを備えたことを特徴とする移行式プラズマトーチ。