JPH05343182A - 直流アーク発生方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アーク長を長くして高電圧化を図った場合
の、アークの安定性を高める。 【構成】 アーク発生空間の電極側、加熱対象側の少な
くとも一方に、放射状の通電路を形成する。通電路に順
次電流を通じてアークを発生させる。アークが電極中心
線の周囲を回転し安定化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶解、精錬、製鋼の分
野において、金属の加熱源として用いる直流アークの発
生方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶解、精錬、製鋼の分野においては、ア
ークが金属の加熱源として使用されている。アークを加
熱に用いる場合の電極としては、黒鉛の中実電極が一般
的である。また、この場合の配線としては、図１０に示
すように、直流電源３の一方の端子を電極１の基部に接
続し、加熱対象物側の通電部４を加熱対象物２の底部に
設けて直流電源３の他方の端子に接続するのが一般的で
ある。

【０００３】ところで、このようなアークを用いた加熱
では、アークへの投入電力がアーク電流とアーク電圧の
積で表わされる。従って、投入電力の増大を図るには、
電流の増大、電圧の増大が必要となる。しかし、電流の
増大による高出力化では、電源内外の配線等を大径化す
る必要がある。また、電流密度が増すために、電極の消
耗が激しいという問題がある。そのため、一般には、電
圧の増大による高出力化が採用される。

【０００４】電圧の増大による高出力化では、例えばア
ーク長を長くすることにより、アーク電圧の増大が図ら
れる。しかし、アーク長が長くなると、アークの不安定
が発生し、周囲の設備にダメージを与えるおそれが大と
なる。また、アークの不安定に伴うアーク電圧の変動を
考慮して、電源の定格電圧を高めに設定しなければなら
ず高電圧の電源が必要となる。これは、アーク電圧が電
源の定格電圧に達すると、アーク切れが生じるためであ
る。従って、アークを長く延伸させた場合は、その安定
化が必要になる。

【０００５】長く且つ安定な直流アークを得るために、
中空の電極を使用し、その内部を通して電極の先端側へ
不活性ガスを噴出する方法は、特開昭５１−１２１４０
９号公報に開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この流体的方
法は、多量のガスを必要とし、しかも、加熱対象物（溶
融金属）との反応を防ぐために、そのガスは不活性ガス
でなければならず、運転費が高くなるのを避けられな
い。また、アークの周辺には、プラズマ気流が両極から
それぞれ発生し、それらが衝突するなどして複雑な流れ
場を形成している。そのため、流体的方法では、ガス流
でこれを補正する必要があり、ガス制御の煩雑化やこれ
に伴う電極の周辺の構造複雑化も避けられない。

【０００７】本発明の目的は、アーク長を長くして高電
圧化を図った場合に生じるアーク不安定を、ガスに依存
せずに経済性よく抑制できる直流アーク発生方法を提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の直流アーク発生
方法は、電極より対象物へ直流アークを発生させる際
に、アーク発生のための通電路が電極中心線の周囲に放
射状に形成させるように配線を行ない、その放射状回路
の各通電路に順番に電流を通じてアークを発生させるこ
とを特徴とする。

【０００９】図１〜図３は本発明を実施するための代表
的な配線例を示している。１は電極、２は直流電源、３
は加熱対象物であり、電極１は加熱対象物３を上方から
アークＡで加熱するようになっている。

【００１０】図１の配線例では、電極側の通電部である
電極上端部を直流電源２の負極に接続する一方、加熱対
象物側の通電部４を加熱対象物３の底面に設け、該通電
部４から４本のリード線５を周方向に９０度の間隔で外
側へ放射状に引き出している。そして、通電部周囲の所
定領域にリード線５の放射配線部６を設け、各端末を切
り換えスイッチ７を介して直流電源２の正極に接続して
いる。切り換えスイッチ７は、放射配線部６における４
本のリード線５に順次通電を行うように作動する。

【００１１】図２の配線例では、電極側の通電部である
電極上端部の周囲にリード線５の放射配線部６を設けて
いる。

【００１２】図３の配線例では、加熱対象物３の周囲４
箇所に通電部４を設けて、対象物自体に放射状の通電路
を形成するようにしている。

【００１３】いずれの配線例においても、アーク発生の
ための通電路が電極中心線の周囲に放射状に形成され、
その放射状回路の各通電路に順番に電流が供給されてア
ークＡを発生させる。

【００１４】

【作用】ところで、アークの不安定は、以下の原因によ
り発生する。アークの発生点である極点はより発生し易
い場所へ瞬時に移動する性質を有している。また、長ア
ークの場合、陰極点（通常、電極側の極点）も陽極点
（通常、加熱対象物の極点）もスポット状となり、アー
ク柱はこれらのスポット径より太くなるため、磁気力に
より発生する圧力に差が生じ、プラズマ気流が生じる。
陰極点からは陽極の向きに、陽極点からは陰極の向きに
プラズマ気流が発生し、アーク柱の部分でぶつかり合
い、複雑な流れ場を形成する。これらの原因により、平
衡の保たれたアーク柱も平衡の状態から外れる。アーク
柱に曲がりが生じると、曲がりの内側の磁力線密度が高
くなって磁気圧が大きくなるのに対し、曲がりの外側で
は磁力線の密度が低くなって磁気圧が小さくなる。その
結果、図４に示すように、曲がりの内外での磁気圧の差
による磁気力ＦがアークＡに作用し、その曲がりがます
ます助長される。従って、アークＡは不安定となり、時
にはアーク切れを発生する。

【００１５】この磁気力はアークを内側から外側に押そ
うとするが、その際、アークがその力に対して直角のど
ちらかに移動すればこの力を緩和でき、アークの乱れを
小さくすることができる。

【００１６】本発明の直流アーク発生方法においては、
電極中心線の周囲に放射状に形成された通電路に順番に
電流が供給されることにより、電極中心線の周囲をアー
クが回転し、これにより、アークの曲がりの原因となる
磁気力が緩和され、アークが安定化する。これを図１の
配線例について、図５により説明する。

【００１７】放射配線部６における４本のリード線５の
いずれかに電流Ｉが流れると、その電流Ｉにより磁界Ｍ
がつくられる。この磁界ＭはアークＡに対して垂直に生
じ、アークＡ内を流れる電流Ｉａとの間にフレミングの
法則に従う磁気力Ｆ´を発生させる。この磁気力Ｆ´に
よりアークＡはリード線５の反対側に片寄る。そして、
４本のリード線５に順番に電流Ｉを通じることにより、
アークＡは電極中心線の周囲を回転し（図１〜３に矢
示）、その曲がりの原因となる磁気力が緩和されること
により安定化する。

【００１８】ここで、放射状回路における通電路は、２
以下ではアークＡを回転させることができないので３以
上を必要とし、より滑らかな回転を行うためには、周方
向に等角度で配列させるのが望ましい。また、急激な給
電方向の切り換え操作を行うとスイッチ部でアークが発
生したり、無通電期間が生じて加熱用アークにアーク切
れが発生するおそれがあるので、図１に併示するよう
に、通電路に流す電流は徐々に変化させ、且つ次の通電
路への通電が始まった後に今の通電路への通電を停止す
るようにすることが望まれる。

【００１９】加熱対象物やその容器等が強磁性体からな
る場合は、放射状の通電路を流れる電流がつくる磁界
が、磁気遮蔽作用により効果的にアーク発生空間に届か
ないおそれがある。そのため、容器等の周辺設備が極
力、透磁率の低い材料でつくることが望まれる。

【００２０】放射状の通電路は、リード線により形成す
る他、加熱対象物の内部に形成することができる（図
３）。また、アーク発生空間の電極側、加熱対象物側の
両方に形成することができ、その場合は両方の通電路が
アークを同じ側へ傾けるよう、通電の切り換え操作を同
期的に行う必要がある。

【００２１】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。

【００２２】図１の配線構造の実験装置を用いて、本発
明の有効性を調査した。

【００２３】実験では、短アーク長にてアークスタート
を行ない、徐々にアーク長を伸ばしてアーク電圧の測定
を行った。図６に、あるアーク長でのアーク電圧の変動
の模様を示す。アークが不安定となれば、このようにア
ーク電圧が変動する。アークの不安定度合はアーク電圧
の変動幅として現れる。また、アーク切れは変動するア
ーク電圧が電源電圧に達したときに生じる。このときア
ーク電圧は上限を電源電圧として変動しているので、そ
のときのアーク電圧の最小値を測定すればアーク電圧の
変動幅を知ることができ、これよりアークの安定性がわ
かる。

【００２４】以下の実験においては、アークの安定性を
アーク切れの生じるアーク長とそのときのアーク電圧の
変動の最小値を用いて評価した。アーク切れが生じた時
のアーク長が長く、アーク電圧が高いほど安定であると
判断した。表１に実験装置の概要を示す。定格電圧は２
００Ｖで、出力電流は１５００Ａである。

【００２５】

【表１】

【００２６】図７に通電切り換え周期を変化させたとき
のアーク安定性の比較を示す。放射配線部におけるリー
ド線は４本であり、周方向に９０度の間隔で配列されて
いる。給電は図１に示すタイミングで行った。切り換え
周期が３秒のとき、最もアークが安定する。望ましい周
期は２〜４秒である。

【００２７】図８に放射配線部におけるリード線の数を
変化させたときのアーク安定性の比較を示す。リード線
の数を１本とした場合が従来型である。２本の場合アー
クは直線上を移動するだけで回転せず、本発明の効果は
ない。３本以上になるとアークが回転し、本発明の効果
が表われる。ここで通電切り換えは、周期を一定（３
秒）とするため切り換え速度を線数に応じて変化させ
た。線数を増すにつれ、本発明の効果が表れているが、
その効果は次第に飽和する。線数を１本とした場合、ア
ーク切れが発生するアーク長は２８６ｍｍ、アーク電圧
は８６Ｖであったものが、線数４本でアークを回転させ
た場合には４４４ｍｍ、１１８Ｖとなり、アークの安定
化が図れた。望ましい通電路の数は４〜５である。

【００２８】次に、図２の配線構造の実験装置を用い
て、電極側に放射状の通電路を形成した場合の有効性を
調査した。放射状配線部におけるリード線の数は４本で
あり、通電切り換え周期は３秒とした。図９に、このと
きのアーク安定性を線数が１本の場合と比較して示す。
電極側に放射状の通電路を設けて通電を切り換えること
によってもアークが回転し安定化する。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の直流アーク発生方法は、アーク長を長くして高電圧化
を図った場合のアークの安定化を図る。従って、周辺設
備へのダメージを軽減できる。また、アーク電圧の変動
が少ない分、アーク電圧の電源定格電圧に対する余裕を
少なくでき、電源の高効率な利用が可能となる。更に、
アークの安定化にガスを使用せず、アーク相互間の電磁
気的吸引力を用いるので、運転費が安く、電極周辺設備
の簡素化を図ることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するための配線構造を示す模式図
である。

【図２】本発明を実施するための他の配線構造を示す模
式図である。

【図３】本発明を実施するための更に別の配線構造を示
す模式図である。

【図４】アークの曲がりを示す模式図である。

【図５】本発明の作用を説明するための模式図である。

【図６】特定のアーク長でのアーク電圧の変動を示すグ
ラフである。

【図７】アーク回転速度とアーク安定性の関係を示すグ
ラフである。

【図８】通電路の数とアーク安定性の関係を示すグラフ
である。

【図９】電極側に設けた放射状通電路の有効性を示すグ
ラフである。

【図１０】従来の配線構造を示す模式図である。

【符号の説明】

１ 電極 ２ 加熱対象物 ３ 直流電源 ４ 通電部 ５ リード線 ６ 放射配線部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極より対象物へ直流アークを発生させ
   る際に、アーク発生のための通電路が電極中心線の周囲
   に放射状に形成されるように配線を行ない、その放射状
   回路の各通電路に順番に電流を通じてアークを発生させ
   ることを特徴とする直流アーク発生方法。