JPH07284951A

JPH07284951A - プラズマジェット広幅化方法

Info

Publication number: JPH07284951A
Application number: JP6080541A
Authority: JP
Inventors: Jun Akimoto; 純秋元; Makoto Wake; 誠和氣; Masayuki Shirahama; 正幸白濱; Nobuo Taira; 信夫平
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-04-19
Filing date: 1994-04-19
Publication date: 1995-10-31

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、鋼材等金属材料の加熱に際し、被
処理材にプラズマジェットを直接当てる方法において、
プラズマジェットを広幅化し、特に被処理材が板材の場
合のように、広い範囲を加熱する際の具体的な手段を提
供することにより、プラズマジェットによる金属材料の
工業的な熱処理の実施を実現する。【構成】プラズマトーチの外ノズルより噴射するプラ
ズマジェットに、外ノズルの中心軸線と交差する方向で
プラズマジェットを広幅化させるための広幅化ガスを２
ケ所以上から同時に噴出し、プラズマジェットを広幅化
させる方式において、プラズマガス量（ｑ_p）と広幅化
用ガス量（ｑ_h）の比（ｑ_p／ｑ_h）を０．３以上の範
囲にする。【効果】広幅化用ガスの噴出方向を切替えによるプラ
ズマジェットの揺動方式に対して切替え装置が不要とな
りプラズマガス量と広幅化ガス量の調整のみの簡単な構
成でプラズマジェットの広幅化が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気アーク放電により
プラズマ化した高温ガス噴射即ちプラズマジェットの広
幅化方法およびこれを実現するプラズマジェットに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】鋼材等金属材料の加熱に際して、プラズ
マトーチから噴射されるプラズマジェットを被熱処理材
に直接当てる方法が知られている。この方法は、被処理
材が急速に加熱されること、無酸化性あるいは還元性の
プラズマを採用することにより、酸化スケールのない処
理材が得られる等の利点がある。しかし、このような高
密度エネルギーを利用する場合は、被処理材の狭い領域
にエネルギーを集中させるため、プラズマジェットの照
射面積が極度に限定されるので、鋼板等の広い範囲を加
熱するには、プラズマトーチを多数配置するか、あるい
はプラズマトーチを機械的に振らせて照射面積を拡大す
ることが必要となる。

【０００３】特開昭５４−２４２４９号公報には、鋳造
金属材または圧延金属材の表面の欠陥を、金属材表面を
移行式のプラズマジェットトーチで溶融させることによ
り除去する、欠陥除去方法が提示されている。幅広い欠
陥除去を行うために、プラズマジェットトーチと金属材
との間に電磁石コアが配置され、これがトーチから金属
材に移行するアーク即ちプラズマアーク電流に対して直
交する磁界を及ぼし、プラズマ電流を偏向させる。電磁
石の通電方向に交互に反転することにより、プラズマア
ーク電流が往復動して金属表面を走査する。これにより
幅広い面積の欠陥除去が行われる。特開昭５４−２４２
４９号公報には、移行式のプラズマ電流と金属材との間
に電気コイルを介挿しこれによりプラズマアーク電流を
往復動させる態様も開示されている。

【０００４】一方、非移行式のプラズマアークは、高温
局部加熱が特徴であるが、鋼板のミクロンオーダーでの
表面処理では均一で広範囲な熱源が必要となるため、非
移行式のプラズマジェット広幅化装置はなかった。そこ
で、本出願人は内ノズル部材と外電極部材の間に断熱カ
ラーを介挿してプラズマノズルからプラズマ噴射口に進
むプラズマ流路を囲み、断熱カラーを横切る磁束を発生
させる電気コイルを備える非移行式のプラズマジェット
トーチを提示した（特開平４−２７９２８４号公報）。
これによれば磁束をかける位置をトーチ内のアーク電流
を狭窄している部位として作用させている、即ちプラズ
マアーク電流は元部で磁界の作用を受けて偏向するの
で、比較的小さい電気コイルで大きな偏向量を得ること
ができ、プラズマジェットとコイルに流れる電流の方向
および大きさに対応して揺動する。

【０００５】更に、本出願人等は特開平５−２３４６９
５号公報にガス吹込みによるプラズマジェットの揺動技
術を提示した。これによれば、プラズマトーチのプラズ
マノズルより噴射するプラズマジェットにプラズマノズ
ルの中心軸線と交差する方向で前記方向に揺動させる態
様が示されている。また、これに用いられるプラズマト
ーチは図４に示すように、広幅化用ガスを同時に噴出
し、プラズマジェットを広幅化する方法にも言及してい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
において、磁場をかけてプラズマジェットを揺動させる
場合は意図しない外ノズル電極の蒸発現象が発生する問
題がある。また上記特開平５−２３４６９５号公報では
揺動用ガスを交互に供給するためのガス切替え装置が必
要で、揺動用ガスの切替え周波数が被処理材の通板速度
に機械的に追従できず、またプラズマジェットの鋼板等
への照射時の温度パターンにピークが存在するという問
題点があった。

【０００７】本発明は、鋼材等金属材料の加熱に際し、
被処理材にプラズマジェットを直接当てる方法におい
て、プラズマジェットを広幅化し、特に被処理材が板材
の場合のように、広い範囲を均一に加熱する際の具体的
な手段を提供することにより、プラズマジェットによる
金属材料の工業的な熱処理の実施を実現することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、プラズ
マトーチの外ノズルより噴射するプラズマジェットに、
外ノズルの中心軸線と交差する方向でプラズマジェット
を広幅化させるための広幅化ガスを対向する２ケ所以上
から同時に噴出し、プラズマジェットを広幅化させる方
式において、プラズマガス量（ｑ_p）と広幅化用ガス量
（ｑ_h）の比（ｑ_h／ｑ_p）を０．３以上の範囲にする
ことを特徴とするプラズマジェット広幅化方法である。

【０００９】

【作用】本発明者等は２個以上の広幅化ガス噴出口から
プラズマジェットにノズルの中心軸線と交差する方向に
広幅化用ガスを同時に噴出しプラズマジェットに当てる
と、プラズマジェットは噴射された広幅化ガスと中心軸
上で交差し、プラズマジェットは広幅化用ガス噴射方向
と直角方向へ広がること、プラズマジェットの加熱用ガ
ス量、電極ガス量、広幅化用ガス量、ノズル角度、ノズ
ル噴出孔面積を変えることにより任意のプラズマジェッ
トの広幅化が可能となること等から、広い範囲を均一に
加熱するための条件を見い出すために実験を行った。

【００１０】即ち図３に示すようなプラズマトーチを用
いてノズル角度、ノズル噴出面積、プラズマガス量（電
極ガス＋加熱用ガス）を一定とし、広幅化ガス量を変え
て鋼板を加熱した。図３（ａ）に示すようにプラズマジ
ェットのノズルから広幅化用ガスを噴出させながら鋼板
にプラズマを照射し鋼板温度を測定した。広幅化ノズル
の噴出方向と鋼板の移動方向は同じである。プラズマガ
スは鋼板の移動方向とは直角方向に広がっており（広幅
化方向と称する）、鋼板の温度は図３（ｂ）に示すよう
に広幅化方向と同方向に同一間隔（４０mm）で測定し
た。

【００１１】その結果、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）の
温度曲線を得た。図２（ａ）は広幅化ガス量が少ない場
合、図２（ｂ）は広幅化ガス量が中量な場合、図２
（ｃ）は広幅化ガス量が多い場合である。この結果によ
れば、プラズマガス量に対して広幅化用ガスが少ないと
温度ピークが生じ、充分な広幅化が得られず（図２
（ａ））、また強すぎると温度が低くなり所要の温度が
得られないことがわかる（図２（ｃ））。

【００１２】この結果に基づいて、加熱範囲の広幅化、
均一化および高温化という観点から、この温度分布曲線
を検討した。この温度曲線において板温度１０００℃の
線と温度曲線によって囲まれる領域、即ち図２（ａ）〜
（ｃ）の斜線部を（ｓ_j）とし、板温度１０００℃の線
と板温度の最大値によって囲まれる長方形の領域、即ち
図２（ａ）〜（ｃ）の縦線部を（ｓ_s）とし、両者の比
（ｓ_j／ｓ_s）を板温度平坦度指数とした。即ち、この
板温度平坦度指数は、プラズマジェットによる加熱範囲
がどの程度広幅で均一かつ高温に加熱されたか指標とな
り、この値が大きい程加熱状況は優れているといえる。

【００１３】更にこの板温度平坦度指数とプラズマガス
量（ｑ_p）と広幅化ガス量（ｑ_h）との比（ｑ_p／
ｑ_h）との関係を調査した。その結果を図１に示す。こ
の図からわかるように、プラズマガス量（ｑ_p）と広幅
化用ガス量（ｑ_h）の比（ｑ_h／ｑ_p）を０．３以上と
すれば板温度平坦度指数（ｓ_j／ｓ_s）が５０％以上と
なり、即ち温度ピークを生ぜず、プラズマ照射した熱が
鋼板に均一に伝わり（図２（ｂ））、目的に叶った加熱
をすることができる。

【００１４】このように本発明によれば、プラズマジェ
ットの広幅化がガス量の調整のみで可能であるため、前
述のような磁場による意図しない電極の蒸着現象を避け
ることができ、また揺動用ガス供給用装置を必要とせ
ず、簡単な手段で広幅化が達成できる。従って１本のプ
ラズマトーチにより、鋼板等の金属材料を広範囲に亘っ
て加熱することができる。

【００１５】更に、還元性ガス、あるいは不活性ガスの
プラズマジェットを用いれば、酸化スケールを形成する
ことなく、金属材料を広範囲に熱処理できる。また、還
元性雰囲気炉において、被処理材の入り側で本発明法を
採用して非酸化性のプラズマジェットで急速加熱を行
い、ヒーター等で所定温度に保持すれば、従来の還元性
雰囲気炉を大幅に短縮することができる。

【００１６】プラズマトーチの加熱ガスとして還元性ガ
スを、広幅化用ガスに還元性ガスまたは不活性ガスを使
用して、プラズマジェット流を広幅化させることにより
金属表面、パイプ材表面または線材表面上の酸化被膜を
還元作用により広範囲に除去し得る。また、加熱ガスお
よび広幅化ガスに不活性ガスまたは活性ガスを使用して
プラズマジェット流を広幅化させることにより広範囲に
高温の熱照射を行え、広範囲な金属、非金属の溶解、焼
き入れ、焼き戻し等が可能となる。

【００１７】また、プラズマジェットトーチを加工材料
に斜めに照射すれば、より均一で広範囲な熱照射が可能
となり、また、プラズマジェットトーチを照射面に対し
平行に近い角度にして広幅化されたプラズマジェット流
により照射すれば均一な熱源が可能となる。広幅化ガス
を常温で使用しても良いが、予熱した高温ガスを使用す
ればより加工材に対して効果は大となる。

【００１８】

【実施例】図４に示したプラズマトーチを用いて鋼板１
５を加熱した。ここでプラズマ電流を２００〜５００
Ａ、加熱ガス（水素ガス使用）（４０〜６０）〜（２０
０〜３００）Nl/min、電極ガス（アルゴンガス使用）を
２０〜５０Nl/min、広幅化ガス（窒素ガス使用）を５０
〜２５０Nl/minでそれぞれ供給し、本実施例ではｑ_h／
ｑ_pを０．５として、鋼板１５をプラズマジェットを照
射させながら移動させた場合に鋼板１５の酸化表面を広
範囲に亘って還元できた。そのときの還元領域の幅は広
幅化ガスを適切にしなかった場合の３倍以上の幅を得る
ことができた。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、プラズマジェットを中
心軸線に対して広幅化させるので、広い幅で加工対象材
表面が高温のプラズマジェットにさらされる。また、プ
ラズマジェットの広幅化がプラズマガス量と広幅化ガス
量の調整のみの簡単な構成で可能であり、更に、プラズ
マジェットの揺動は板表面に対して移動するため均一な
照射が困難なのに対して本発明では鋼板に常時プラズマ
ジェットが照射されるため安定した均一な加熱が可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】プラズマガス量（ｑ_p）と広幅化ガス量
（ｑ_h）の比（ｑ_h／ｑ_p）とプラズマジェットの熱影
響部（ｓ_j）と板温度１０００℃以上と板温度最大値に
よって囲まれた長方形（ｓ_s）との比（ｓ_j／ｓ_s：板
温度平坦度指数）の関係を示す図表。

【図２】（ａ）は鋼板にプラズマジェットを照射した際
の鋼板の温度曲線を示す図表であり、プラズマガス量
（ｑ_p）と広幅化ガス量（ｑ_h）の比（ｑ_h／ｑ_p）が
小さい場合、（ｂ）はプラズマガス量（ｑ_p）と広幅化
ガス量（ｑ_h）の比（ｑ_h／ｑ_p）が中位の場合、
（ｃ）はプラズマガス量（ｑ_p）と広幅化ガス量
（ｑ_h）の比（ｑ_h／ｑ_p）が大きい場合をそれぞれ示
す。

【図３】（ａ）は鋼板に広幅化ガスを噴出しながらプラ
ズマジェットを照射している状況を示す説明図、（ｂ）
は鋼板の測温場所を示す説明図。

【図４】図５のＩ−Ｉ断面図。

【図５】図４に示すプラズマトーチの下面図。

【符号の説明】１電極２チャック３キャップ４電極台５基幹６内ノズル部材６ｎ内ノズル７センターリングストーン８外ノズル部材８ｎ外ノズル９₁ 広幅化ガス供給管９₂ 広幅化ガス供給管１４絶縁カラー１５鋼板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者平信夫君津市人見971−１−Ｅ３−30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマトーチの外ノズルより噴射する
プラズマジェットに、外ノズルの中心軸線と交差する方
向でプラズマジェットを広幅化させるための広幅化ガス
を対向する２ケ所以上から同時に噴出し、プラズマジェ
ットを広幅化させる方式において、プラズマガス量（ｑ
_p）と広幅化用ガス量（ｑ_h）の比（ｑ_h／ｑ_p）を
０．３以上の範囲にすることを特徴とするプラズマジェ
ット広幅化方法。