JPS60232700A - プラズマト−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】 この発明は原料に対してプラズマアークを照射してそれ
を加熱し、その原料から金属粉末を発生させたシ、ある
いは原料を溶解させるようにしたプラズマトーチに関す
るものである。

この種の作業を行なうプラズマトーチにあっては、原料
から発生する粉末が（本明細書にあっては上記粉末のこ
とを微粒子ともいう）上記プラズマトーチの周囲に付着
堆積し、上記フ゛ラズマ）−チを取り囲む炉体の一部分
との間に異常放電を起し大事故を誘起する問題点があっ
た。その問題点を解決する為、プラズマトーチの周囲に
沿ってシールドガスを流す方法も試みられている。しか
しプラズマトーチとその周囲を取シ囲む炉体の一部分と
の間には電気的絶縁の為に大きな空間を形成しなければ
ならず、従ってその大きな空間にガスを勢いよく流す為
には大量のガスを必要とする不経済性があった。しかも
そのように大量のガスを流すとプラズマアークを不安定
なものにしたり或いは原料の表面における湯面の状態を
好壕しくない状態にする大きな問題点もあった。

そこで本発明は、上述の問題点を除くようにしたもので
、フーラズマトーチの周囲に絶縁材形成の筒状のスリー
ブを配設することによって、上記シールドガス量を著し
２く少なくしても十分なシールド効果が得られ、しかも
プラズマトーチとそれを取シ囲む炉体の一部の間の電気
的絶縁効果も大きくすることができるようにしたプラ・
ズマトーチを以下本願の実施例を示す図面について説明
する。

基枠１に取シ付けられた微粒子１１ｔｉｉ造装置ｒ（２
は中空の炉体３を有する。上記炉体３における本体４は
上下が開放された筒状に形成されている。又本体４は水
冷構造となっている。即ちその炉壁は間に通水路６を有
する二車壁に形成されている。そして給水ロアから流入
する冷却水が通水路６を通って本体４を冷却した後排水
口８から排水される様になっている。上記本体４の側壁
の一部にはガイド筒９が連結され、その先端には搬送ガ
ス吹込１コ１０が備わっている。この吹込口１０には搬
送ガスの供給装置１１が接続しである。又上記ガイド筒
９の先端部上側には原料供給自認が備えてあシ、そこに
は粒状の原料を供給する為の供給装置Ｕが接続しである
。一方本体４において上記ガイド＠９が設けられた側と
は反対側の位置には排出部１４が設けてあり、そこに社
微粒子の回収器１５が接続しである、次に上記本体４の
下部には炉体３におけるるつぼ部１７が備わっている。

このるつは部ＩＨＪ：筒状に形成されその内側に原料１
８（例えば鉄、ニッケル等の金属）を位置させるように
なっている。

又るつは部訂は通水路東を有して水冷構造となっている
。次に炉体３における本体４の上部は着脱自在の蓋体４
で閉ざされている。上記蓋体４には絶縁材料を用いて環
状に形成されたキャップ器が取付けである。そのキャッ
プ器の内部にはプラズマトーチ勿が挿通されている。そ
のプラズマトーチ々の先端部は蓋体２１に形成された透
孔ηを通して炉体３の内部に挿入されている。上記炉体
３の内部においてトーチッの周囲にはｉａの流路を残し
た状態で筒状の囲壁部δが備わっている。この囲壁部あ
は蓋体４に固定しである。トーチ必と囲壁部５との間に
は筒状の介挿体々が備わっている。

この介挿体Ｉは整流スリーブとも呼び絶縁材料で形成し
である。またその外周面及び内周面は共に鏡面仕上けが
なされている。上記介挿体温はその上端に鍔部ηを有し
ている。その鍔部ｌは蓋体２１の上面に乗載している。

上記介挿体温の内周面とトーチ必の外周面との間には筒
状の第１０流路路が形成され、又介挿体温の外周面と囲
壁部δの内局面との間には筒状の第２０流路四が形成し
である。又鍔部Ｉとキャップ器との間には第１０流路器
に連通ずる流通路３１が形成されている。上記蓋体ツに
訃ける透孔４の内面には夫々縦方向の複数の流通清澄が
形成しである。又蓋体４の上面には第μ図乃至第３図に
示される様に環状の流通溝おが透孔４の周囲の全周に亘
って形成しである。この流通溝＆には上記全ての流通清
澄が接続している。これらの流通清澄、３３を介して前
記第２の流路四と流通路８１とが連通している。又キャ
ップ２には流通路３１に連通するシールドガスの供給口
調が備わっている。この供給口調にはシールドガスの供
給装置が接続される。次に蓋体４の下方でしかも囲壁部
５の周囲には膨出部蕊が備わっている。

この膨出部菖は、炉体３内の上部空間を埋め尽くして、
後に述べるような搬送ガスの安定な流通を行なわせる為
に備見られているものである。この膨出部美は中空に形
成され内部には通水空間Ｗが備わっている。そしてその
通水空間ｌには冷却水が流通させられる。

次に上記炉体３の下方には原料供給機構旬が備わってい
る。この供給機構船はるっは部１７に連結した案内筒４
１ヲ有する。この案内筒４１は内部に前記通水路１９に
連通ずる通水路Ｃを有しておシ、また下部には給水口Ｃ
１排水ロ刹を有している。そして給水日朝から流入した
冷却水が通水路４２．１９を通って案内筒４１、るつぼ
部「を冷却しその後その冷却水が排水白羽から排出され
るよ・うになっている。上記案内筒４１には連結枠６を
介して案内杆菊が取付けである。この案内杆１３には昇
降枠４が上下動自在に備わっている。昇降枠Ｃには昇降
杆ａが取付けである。この昇降杆侶は水冷構造となって
おシ、給水日暮、排水口ωを介して内部に冷却水が通さ
れるようになっている。上記昇降杆砺の上部には連結ポ
ル）５１を介して前記原料摺が連結しである。上記昇降
枠Ｃに唸ナフト体５２が固着されておシ、そのナツト体
５２に社昇降用ねじ棒＆が螺合している。上記ねじ棒＆
にはモータシが連結しである。そしてそのモータ飄の作
動にょシ昇降用ねじ棒＆が回動すると、昇降枠Ｃが上下
動する。

次に、前記グッズマトーチ々を作動させる為の電源間は
その陽極が昇降杆侶に接続され、陰極は出力調節器群を
介してプラス°マトーチシの陰極に周知の如く接続しで
ある。尚上記出力調節器５７社例えはトーチＵに供給す
る電流を大小調節し得るようにしたものが用いられる。

次に前記るつは部１７の周囲に社アーク移動用の磁界発
生装置ωが備わっている。その磁界発生装置ωについて
第２図を参照して説明する。この発生装置ωは磁性材料
で形成されたケース６１の内部に　。

複数の磁界発生要素軸を備えさせて構成しである。

各磁界発生要素６２はケース６１に連結した鉄心Ｂの周
囲にコイＡ／６１１を備えさせて構成されている。又ケ
ー７−６１には通風用ファン田が備えてあり、各磁界発
生要素６２が発生する熱を外部に放出できるようになっ
ている。

上記のような磁界発生装置ωにあっては、適宜の磁界発
生要素６２に電力を供給することによって、磁界発生装
置即の軸線６０ａと直行する磁界７３をるつぼ部νの内
側及びその上方に及ぼすことができる。又複数の磁界発
生要素６２に対して選択的に電力を供給することによっ
て、上記磁界７３の向きを上記軸線６０ａと直行したま
まの状顔で任意の方向に変更させることができる。

次に炉体３の外部においては、上記アーク移動用磁界発
生装Ｍ６０の上側にもう一つの磁界発生装置即ち矯正用
磁界発生装置６７が備わっている。この磁界発生装ｆｆ
１６７は炉体の本体４を挾んで置かれた一対の磁界発生
装置絽、６８から構成しである。これらの磁界発生装置
団は、前記搬送ガス吹込口１０と排出部１４とを結ぶ方
向とは直行する方向におかれている。またそれらの磁界
発生要１ｔ！６８としては一例として前記要素６２と同
様の電磁石が用いられるが、永久磁石を用いてもよい。

上記構成のものにあっては、電源間からトーテムに電力
を供給すると共にトーチ必には周知の如くプラズマ化用
のガスを供給し、トーチ刺の先端からるつぼ部１７の内
部に向けてプラズマアークを発生させる。尚上記プラズ
マ化用のガスとしては水素、アルゴン、窒素、ヘリウム
等種々のものがは並行的に各通水路に冷却水を供給する
。又搬送ガス供給装＠Ｕからは搬送ガス吹込口１０に向
けて搬送ガス（その梓類はプラズマ化用として用いたガ
スを用いるとよいが、製造する徽粒子の純良を低下させ
ないものであれば他の椋類のガスを用いてもよい。）を
吹込み、炉体３内には矢印７１で示されるように吹込口
１０から炉体３の内部空間を通って排出部１４に向う搬
送ガスの流れが生ずるようにする。その流速は０．８　
ｍ　／秒程度かそれ以上になるようにするとよい。上記
のようにしてトーテムからプラズマアークを噴射するこ
とによりるつぼ部νの内部においては原料坊が上記プラ
ズマアークによシ加熱溶融されて溶湯プール（本件明細
書中では加熱溶融部分とも呼ぶ）７０が形成される。

上記のように溶湯７−／Ｉ／７０ができたならば上記ブ
ー／Ｉ／７０に対するプラズマアークの照射エネルギー
量を高低変化させることを繰り返す（その繰り返しは照
射開始時から行なってもよい）。即ち先ずプラズマアー
クの照射エネルギー量を増加させる。

その過程では溶湯の温度が上昇し上記フ“ラズマアーク
における１ラズマ化したガスが上記アークの照射部分に
吸蔵される。次に上記プラズマアークの照射エネルギー
量を減少させる。すると上記の部分に吸蔵されていたガ
スがその部分から放出される。その場合、そのガスの放
出と共に原料１８（溶湯１−ルア０を形成している原料
）の微粒子が炉体３内部の空間に向けて放出される。そ
のような操作を繰り返し行なう。その結果炉体３内部の
空間には多量の微粒子が次々と放出される。尚上記照射
エネルギー量を減少させる場合、ブール７０が凝固しな
い範囲で減少させる。上記炉体３内の空間に放出された
微粒子は、炉体３内部を矢印７１方向に流れる搬送ガス
によってプール７０の上方から速やかに排出部１４に向
けて排出され、回収器ＩＮＣ送られてそこで回収される
。

上記のようにフ“ラズマトーチ必からのプラズマアーク
の照射エネルギー量を高低変化させる手段としては、例
えば出力調節器５７を用−てトーチ必に供給される電流
を第７図に示される様に高低変化させる方法を利用でき
る。この場合、１ラヌ′マアークの照射エネルギー量を
多くしている期間即ち第７図における期間ｔ１は例えば
０．１〜５秒程度の範囲内で設定される。又照射エネル
ギーかを少な（している期間即ち第７図における期曲ｔ
２は例えば１〜１０秒程度の間で設定される。尚上記照
射エネルギー量の減少は原料に対するプラズマアークの
照射を停止させる即ち照射エネルギー量を０にすること
によシ行なってもよい。

上記のようにプラズマアークの照射エネルギー量を増加
させると、加熱溶融部分７０におけるアーク照射部分の
温度は上昇する。その温度は、高ければ高い程、上記ガ
スが多量に上記照射部分に吸蔵される為好ましい。例え
ば原料が鉄の場合２，０００を或いはそれ以上が好まし
い。又プラズマアークの照射エネルギー量を減少させた
場合、加熱溶融部分のｉ度が低下する。その低下させる
温度は原料の凝固点を下回らない範囲で定めるのが良く
、例えば原料が鉄の場合１，８００℃位になるようにす
るがよい。

上記のようにして微粒子を発生させる場合、搬送ガスが
矢印７１方向に流れることによって、第７３図に示され
る如くプール７０の上面に浮遊した不純物７２はフール
７０の隅の方に吹寄せられる。従って、ブー１ｖ７０の
上面においてプラズマアークが照射される場所は原料の
清浄な場面となっている。その結果、原料の加熱効率が
高くまたガスの放出も良好で微粒子の発生速度が大きく
なる。。その上発生する微粒子の純度も高くなる。

上記のように微粒子を製造する場合、搬送ガスを矢印７
１で示されるように流通させると、その流通する搬送ガ
スによってプラズマアークが排出部１４の側に曲けられ
るう即ち第７．２図に２点鎖線で示される如くプラズマ
アーク２４　ａが曲げられる。その結果、プラズマアー
クが加熱溶融部分７０の中心部等所定の部分に向かわず
、そこからは偏った位置に向うこととなる。この場合に
は矯正用磁界発生装置６７によって上記１フズマアーク
２４Ｂの存在する位置に磁界６９を発生させる。すると
プラズマアークはその磁界６９によって搬送ガス吹込口
１０の側に曲けられる力を受ける。従って発生装置６７
に供給する電力を調節することによって、上記プラズマ
アークが搬送ガスによって曲けられる力と、上記矯正用
の磁界によって曲けられる力とが均シ曾う状鴎にする。

その結果、７′ラズマアークは搬送ガスの存在による影
響を何ら受けることなく、目的とする照射場所に到達す
る。

上記のような微粒子の製造過程においては、原料慮は微
粒子となって回収器１５に向けて移動する為、るつぼ部
η内の湯面が低下する。従ってその低下に応じて原料供
給機構菊における弁降杆槌を上動させ、常に湯面がるつ
は部１７内の所定の高さ位置にくるように制御を行なう
。

次に、上記のように微粒子の製造を行なっている場合、
供給口調に図示外のシールドガス供給装置からシールド
ガス（その柚類は前記搬送用ガスと同様の基準で決める
のがよい）を供給する。するとそのガスの一部は流通路
田、第１の流路公を順に流れて炉体３内に流出する。又
上記ガスの他の一部は流通路３１、流通溝３３．３２を
通シ、更に第２の流路四を通って炉体３内に流出する。

従って上記１−ρ７０から発生した微粒子が上記プラズ
マトーチ必の外面、介挿体列の内面及び外面、囲壁部δ
の内面に付着することが阻止される。その結果、上記微
粒子の原料が金属材料であっても、プヲメマトーチ詞と
囲壁部６との間の絶縁耐力が高いままに保持される。尚
そのような絶縁耐力の保持効果を高める為に、第１図に
示される寸法Ａ、　ＢはＡ≧０、Ｂ２Ｏ、Ｂ≧Ａの条件
で定めるのがよい。

また第１及び第２の流路列、四の夫々の幅は、そこでの
シールドガスの流速が１ｍ／秒以上となるような寸法（
例えば１ｆｆ程度）にするとよい。

次に原料としてシリコン或いはポロン等の粒状物を用い
それらの微粒子を製造する場合に社次のように操作を行
なう。先ず前記原斜辺に代えてるっは底を構成する為の
金属材料を昇降杆４に連結する。そしてそれを上動させ
て上記るつは底をるつは部１７の内部に位置させる。一
方供給装ｆｆ１１３から上記粒状の原料を落下させ、そ
れをガイド筒９を通して上記るつは部１７内に存置させ
る。その後は上記の場合と同様にトーチＵを作動させ、
千のトーチから噴射されるプラズマアークによって上記
るつは部ｒ内の原料を溶融させる。そして前述の場合と
同様にプラズマアークの照射エネルギー量の増減を繰り
返し、上記の場合と同様に微粒子を製造する。この場合
、微粒子の産出址が増すにしたがってるつは部１７内の
原料が減少し７ＩＣ場合には、供給装置ｉ１３から上記
の場合と同様に原料をるつは部１７内に供給すればよい
。

次に第ｇ図にはプラズマトーチ必に対する電流の増減の
異なる例が示されている。上記トーチ冴に対する電流の
供給は前記第７図に示されているように段階的に行なわ
ずとも、この第ｇ図に示される如く滑らかに変化させて
前記プラズマアークの照射エネルギー量を増減させても
よい。

次に微粒子を製造する場合の異なる操作方法について説
明する。この方法は、トーチ冴から噴射されるプラズマ
アークを原料に照射している過程において、アーク移動
用磁界発生装置ωを作動させ原料に対するプラズマアー
クの照射位置を順次変化させる。即ち磁界発生装置１１
６０によって第２図に矢印７３で示されるような磁界を
発生させると共に、その磁界の向きを矢印７４で示され
る如く順次変更する。その変更は複数の磁界発生要素６
２の内、電流を供給する磁界発生要素６２を順次変えて
いくことによって行なうことができる。上記のように磁
界７３を発生させることによって、上記プラズマトーチ
必から噴出されて原料迅に向・うプラズマアークは上記
磁界の向きに応じて偏向される。従ってその磁界の向き
が上述のように順次変わっていくことによって、例えば
第７図に示される如く原料におけるプラズマアークの照
射場所７５が順次移動する。このように操作を行なう場
合にはトーチ詞に対する電流の供給は一定のままでよい
。即ち各々の照射場所を夫々個別に見てみれば、上記の
ように照射場所７５が移動することによって、各照射場
所に高エネルギーのプラズマアークが照射されてその部
分の温度が上昇させられる期間とプラズマアークが照射
されずその場所の温度が低下する期間とが父互に繰り返
される。その結果、前記の場合と同様に各照射場所にお
いてはそこが高温化されて多量のガスが吸蔵される期間
と、その部分の温度が低下してそこに吸蔵されていたガ
スが放出すると共に微粒子が放出される過程とが繰り返
されることとなる。

上記のように７′ラズマアークの照射場所を移動させる
速度は、アークの照射過程においては各々の照射場所に
充分にガスが吸蔵され、アークが照射されていない過程
ではそこに吸蔵されたガスが充分放出される状部となる
ように定めるのがよい。

その速度は原料の種類、プラズマアークのもつエネルギ
ーの大小に応じて定めるのがよい。尚−例を示せば、各
照射場所を順次移動しながら一周してくる動きを毎秒数
回程度繰り返す速度にされる。

尚上記のようにプラズマアークの照射場所７５を順次変
更しながら微粒子の製造を行なう場合、原料■の表面は
その全域が溶融して溶湯プール７０が形成されたままの
状態で行なわれる。

次に、上記のようなプラズマアークの照射場所の変更は
、第り図に示されるように順次横移動させる他、第７０
図に示されるように星形に移動させたり、或いは第１／
図に示さＩＬるように２ｔＭ所を往復移動させる等任意
の移動経路で行なえばよ。

次に第１を図はプラズマトーチを用いた鋳造炉を示すも
のである。図において、８１は原料フィーダで、るつは
部１７　ｅの中空部の上方において炉体３ｅに取付けら
れている。稔は介挿体％ｅの鍔部２７ｅに設けられたガ
ス流通孔で、ガス流路２９ｅの各所に向けて均一にシー
ルドガスを流し得る梯複数個が設けられている。

上記構成のものにあっては、原料フィーダ団からるつは
部１７　ｅの内部に向けてチタン、高ニッケル又はクロ
ム等の粒状の原料が供給される。その供給された原料は
プラズマトーチ２４ｅから放出されるプラズマアーク２
４ａｅによシ溶解されて溶湯田となる。上記の様にして
原料が溶湯となれば更に原料の供給が続けられる。そし
て溶湯田の量が増すに従い、それは順次下方へ移動され
られる。その移動過程において下部の溶＠ｇｓは水冷の
るつは部１７　ｅによシ冷却されて固化しインボッ）８
４となる。そのインボッ）８４は周知の如く順次下方へ
向けて引き下げられる。

上記の様にして鋳造を行なう場合、ガス供給口３４ｅに
はシールドガスが供給されそのガスは第１の流路２８ｅ
及び第２の流路２９ｅを通って炉内に噴出される。この
為溶湯簡から錆末が炉内に舞い上がっても、その粉末が
プラズマトーチ２４ｅの外周面や介挿体２６ｅの内周面
或いは外周面、更には囲壁部２５ｅの内周面に付着した
りすることはなく、トーチ２４ｅと囲壁部３ｅとの間の
絶縁耐力を高く保つことができる。又上記流路２８ｅ、
２９・ｅを流通するシールドカスはそれらから噴き出し
てプラズマトーチ２４ｅの外周側をそのトーチに沿って
矢印で示される様にるつは部１７　ｅへと向う。この為
上記シールドガスはガスカーテン状にプラズマアーク２
４ａｅ及び溶湯田を包み込みそれらを外気から遮断する
。この為炉内は普通の純度のアルゴンガスの雰囲気であ
っても、或いは通常の大気であっても、溶湯田の酸化を
防止することができると共にアーク２４ａｅの安定化を
図ることができる。

なお、機能上前図のものと同−又は均等構成と考えられ
る部分には、前文と同一の符号にアルファベットのｅを
付して重複する説明を省略した。

以上のようにこの発明にあっては、７ラズマアーク２４
ａを原料に照射して、原料から微粒子を発生させる過程
においても、プラズマトーチ飼の周囲には筒状の第１流
路Ｚと第２流路四があって、そこからシールドガスを流
し続けることができるから、上記原料から発生する微粒
子がトーチ別の外周に付着することを防止できる効果が
ある。

その上、第１、第２流路の筒状流路Ｚ、２９は夫々半径
方向に狭いから、少量のシールドガスであってもその吹
出速度を高めてシールド効果を高めることができ、結局
、ガス量を大巾に節約することを可能にする利点がある
。

さらに本発明にあっては介挿体Ｉは絶縁材で形成されて
おシ、かつ介挿体温の内外両面はシールドガス流路オ、
２９になっているため、プラズマトーチ必の外面と囲壁
部３との間の絶縁を積極的にすると共にその介挿体温は
内外面に沿って流れるシールドガス流によって常に冷却
され、かつ清浄に保たれ（微粒子の付着は防止され）、
その絶縁効果を永く維持することができる。このことは
上記の如く、第１、第２流路路、四において半径方向の
間隙を狭くすることを可能にしてシールドガス量の節約
を可能ならしめるその上に、プラズマトーチ拐の外周面
と囲壁部δの内面との電気的な絶縁距離が大きくなって
、その間での異常放電を防止することもできる等の効果
があり、装置を長時間連続運転させる上に画期的有用性
がある。

【図面の簡単な説明】

図ω１は本願の実施例を示すもので、第７図は微粒子製
造装置のＭ　！！ｙＴ面図、第２図はト」線断面図、第
３図はト１線断面図、第５図は蓋体の平面図、第５図は
第弘図の部分拡大図、第６図け■−■線断面図、第７図
及び第ざ図はプラズマトーチへの供給電流の変化状態を
示すグラフ、第９図乃至第１１図は原料におけるプラズ
マアークの照射場所の変化状態を示す平面図、第７２図
は矯正用磁界発生装置によるプラズマアークの噴射方向
の矯正状態を説明する為の斜視図、第７３図は搬送カス
による浮遊不純物の吹寄せ状態を説明する為の斜視図、
第１グ図はプラズマ鋳造炉の断面図。 ３・・・炉体、ｍ・・・原料、旬・・・加熱溶融部分、
必・・・プラズマトーチ。 第２図 ψ ノ 第３図 ７ 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 炉体内におかれた原料の上方位置に上記原料に向けてプ
   ラズマアークを照射し得るように配設したプラズマトー
   チであって、かつ、そのプラズマトーチの周囲には、そ
   のプラズマトーチの後方から先部に向けてシールドガス
   を上記プラズマ）−チを囲むように流すための筒状の流
   路を残して囲壁部を具備させであるプラズマトーチにお
   いて、上記プラズマトーチの外周面と囲壁部内面との間
   に絶縁材で形成された筒状の介挿体が存置してあって、
   その介設状態は上記筒状介挿体の内外の両面と上記プラ
   ズマトーチの外周面及び囲壁部内面との各間に、夫々筒
   状であって夫々半径方向の間隙が狭い第１流路と第λ流
   路が形成されるように存置させであることを特徴とする
   プラズマトーチ。