JPS63252398A - プラズマトーチ及びプラズマトーチの摩損を調整する方法 - Google Patents

プラズマトーチ及びプラズマトーチの摩損を調整する方法

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JPS63252398A
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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】 (イ)産業上の利用分野 本発明はプラズマトーチに関し、更に詳細には寿命が長
くなった電極を有する高出力プラズマトーチに関する。
(ロ)従来技術 プラズマトーチ又はプラズマアーク吹管は技術的に知ら
れている。この形式のトーチは二つの電極すなわち管状
でかつ同軸のアノード及びカソードを備えている。アー
クが電極の間で作られかつプラズマ生成ガスが同時に噴
射される。電極間で打出されるアークは保持されガスを
非常に高い温度にしてこのガスを電離する。一方の電極
の出口においてこのガスは高い速度を有しかつそれが作
るプラズマは熱搬送媒体を形成する。
二つの電極の間で打ち出されるアークは例えば補助始動
電極の助けにより始められかつ電極の間に配置されたチ
ャンバ内のガスの旋回噴射の作用の下で二つの管状の電
極の間に移動される。これにより対応する電極の溶解を
防止するために下流側のアークの根元のそれ自身回りで
の回転を確保する。上流側アークの根元のそれ自身に関
する移動は上流側電極を囲んでいるコイルにより発生さ
れる補助の磁界によって得られ、そのコイルは閉鎖端の
あるグローブの指の形をしている。上流側及び下流側の
用語はプラズマの流れ方向に関している。
ある形式のプラズマトーチは10ないし50kwgの動
力を供給できかつ本発明が特に適用可能なプラズマトー
チは数メガワットを発生できる。
このようなプラズマトーチは消耗要素すなわち電極を備
えている。電極の寿命は多くのパラメータ例えばトーチ
の出力頁に詳細にはアーク電流の大きさ、分解のために
噴射されるプラズマ生成ガスの性質及び電極が作られて
いる材料の反応性に依存する。電極の寿命はトーチが連
続的であるか非連続的であるかのよりトーチの動作に影
響する。
電極の寿命が比較的低出方のトーチに対する数十時間と
本発明が関係する比較的高出力のトーチに対する数百時
間の間で変化することは普通である。
電極の比較的短い寿命は良く知られた欠点である。
電極、特に上流側電極の寿命を延長しようとする試みに
おいて、上流側電極が閉鎖端のあるグローブの指の形で
あるプラズマトーチに対する解決策が提案されてきた。
この解決策によれば、電極の腐食による摩損に作用する
目的で交流電源が既に使用されてきたか或は電極間のチ
ャンバ内にプラズマ生成ガスを噴射し同時にそのガスの
圧力を変化させることが既に行われていた。
しかしながら、この興味ある技術は前述の欠点を完全に
除去することはできない。
もちろん、電極の寿命は幾らか増加されるが、この電極
は局部的に摩損し過ぎる。プラズマ生成ガスの流量の変
化を増大することにより摩損面積を増大することは可能
であるが、流量のこの変化はトーチによって供給される
出力の均一性に不利な影響を与える。
与えられたの出力のトーチに対して電極の大部分の消耗
は電流の増加に関係しておりかつアークの長さも電圧の
増加に関係していることが分かった。それ故、電極を均
一に消耗しようとするならばトーチの出力、電圧を、ア
ークの長さすなわち装置の全体の大きさの増加に合わせ
て増加されるべきであることが分かる。実用上の理由で
ある限界を超えることはできない。それ故にトーチを可
能な限り一定に保ってアークの長さを増加できる解決策
が望まれる。
(ハ)発明が解決しようとする問題点 本発明の主目的は上流側の電極の摩損を調整することで
あり、このためにアークの根元が上流側の電極に付けら
れるの場所を制御することである。
(ニ)問題を解決するための手段 本発明は、互いに同軸になっていて間でアークが作られ
かつ中にプラズマ生成ガスが噴射されるチャンバによっ
て隔てられた二つの管状の電極を備えたプラズマトーチ
の電極の寿命を延長するように摩損を調整するための方
法において、プラズマの流れ方向に関して上流側の電極
のアークの根元の移動がアークに上流側電極の内面の一
部に沿って往復する方法で長手方向に吹き払うように制
御され、往復が約1ヘルツ(Ilz)の周期で起こるよ
うに構成されている。
本発明のよれば、この吹き払いは、場合により、電極を
吹き払う途中で取り得る種々の位置の各々の回りで上流
側アークの根元(root )の振動により、別個でか
つ段階的であり、或は連続的でかつ漸進的であり、単一
の移動で又は複数の移動で起こる。
本発明によるプラズマトーチは、互いに同軸になってい
て間でアークが作られる二つの管状の電極と、電極を隔
てていて中にプラズマ生成ガスが噴射されるチャンバと
、プラズマが長手方向通路を通して移動するように上流
側の電極の上流側での根元の移動をプラズマの流れ方向
に関して制御しそれによって摩損を調整しかつ上流側の
電極の寿命を延長する装置と、上流側電極を局部的に囲
みかつ電気回路から動力を供給される磁界コイルとを備
え、そこにおいて前記装置がパルス状で波動状のコイル
電流の設定値からパルス状で波動状の直流電流を供給す
る整流器を前記回路内に備えて構成されいる。
以下の説明は本発明の非限定的の実施例の説明であって
あらゆるプラズマトーチに応用できる。
(ホ)実施例 以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する
第1図から分かるように、通常のトーチ10は種々の組
み立てられた要素を備えている。本発明が直接的又は間
接的に関係するこれらの要素のみ参照番号を付しかつ説
明する。その他の構成要素は当業者にとって普通であり
、したがって説明は省略する。
このトーチ10は、下流側の電極11と、上流側の電極
12と、始動電極13と、軸方向の磁界を発生するよう
になっているコイル!4とを備えている。電極の間の間
隙には始動電極13の近くにチャンバ15が設けられて
いる。そのチャンバの機能については後述する。このよ
うなプラズマトーチは第2図に詳細に示されている電気
回路200により動力が供給される。プラズマ生成ガス
例えば空気の供給はチャンバ15の近くに配置されたイ
ンゼクタ31が取り付けられたバイブのオリフィス30
を通して行われる。
プラズマ生成ガス(図示せず)の供給は通常の圧力です
なわち8ないしlOバール(0,8ないしIMPa)の
圧力の下で500ないし1000cu、m/hrの容積
を分配することで可能である。それは圧縮機及び遠隔制
御分配弁を備えている。
トーチにはノズル40に接続された冷却水の供給源並び
に制御及び調整装置(図示せず)が取り付けられている
冷却水の供給は約30バール(3MPa)で50cu、
Il/hrの容積を分配することで可能である。それは
中間の圧力ポンプと、遠隔制御分配弁とトーチから受け
た熱を取り出し或は排出する第2の回路とを備えている
プラズマ生成ガス及び冷却水の供給並びに制御及び調整
装置は普通のものであり、したがって詳細な説明は省略
する。制御及び調整装置は、課せられた要件に従ってト
ーチを適正に動作させるために、センサ、計算器、自動
装置、以下で説明するように電気回路200の下で作用
する制御板、並びにガス及び冷却水の供給源を備えてい
る。
プラズマトーチの電気供給装置すなわち電気回路200
が第2図に示されてる。
図から明らかなようにこの供給装置200は二つの別個
の回路すなわちコイルに供給するようになっている回路
210とアークを供給するようになっている回路250
とを備えている。
示されているように回路210は、サイリスク及びダイ
オードを有する整流器212に供給する例えば100 
kV^(1001nstalled kV^)の変圧器
を備え、後述するように、これらの整流器は本発明によ
るコイルに供給された電流を設定値で電流を分配する。
この回路は開閉スイッチ及びサーキットブレーカを備え
、そのサーキットブレーカは通常のものであるから説明
は省略する。
回路250は、例えば2.5s+VA変圧器のような変
圧器251と、一連のサイリスタ及びダイオード整流器
252と、応用すなわち接続インダクタ253とを備え
ている。ここでも通常の開閉スイッチ及びサーキットブ
レーカが示されている。
これらの回路210及び250はサーキットブレーカを
介して通常の方法で高い電圧が供給される。
900Aの直流が供給されるこのようなプラズマトーチ
は約2Mfを超える動力を供給可能である。
このようなプラズマトーチを動作させるために、プラズ
マトーチはアークのための動力の供給に加えて磁界コイ
ルへの供給のために1oOkV^の直流電流の電源を必
要とする。この磁界コイルは二つの機能すなわち電離さ
れた分子の流れを回転させる機能及び上流側電極の上流
側アークの根元(root )の位置を決定する機能を
有する誘導を起こさせるために使用される。
このトーチが動作すると、例えば600Aと900Aと
の間で磁界コイルへの供給の大きさを例えば約50アン
ペアのステップで変化させることによって上流側の電極
の寿命を延長でき、各ステップの持続時間は第3C図に
示されているように数百時間(a few hundr
eds or hours)であり、その第3A図にお
いて瞬時の値がゼロAと約15OAとの間でよい一定の
増幅で1llzのオーダの非常に低い周期でパルス状に
変動する。例として与えられかつ特定のトーチの関数で
ある最低値以下において、磁界はアークを安定させるた
めに不十分であり、アークはコイルの中間平面を通過し
かつ電極の閉鎖端に付き、電極は急速に悪化する。この
形式の動作は、電極の上流側のアークの根元の取付きの
特定の位置を決定する磁界コイルへの異なる供給ステッ
プに相当する[区分(5ections) Jによる電
極の摩耗を来し、その特定の位置は電極を一端から他端
に単一の長手方向並進運動で連続する区域だけ吹き払う
(sweep)。摩損は結果的に人が接触しようとする
連続した環状溝になり、各溝は数十ミリメータ(a f
ew tens ormillimeteres)すな
わち互いに加えられたとき全部で下流側端とコイルの中
間面との間に伸びる約100 ミリメータの比較的限ら
れた区域軸方向に占め、しかるに電極の理論的に利用可
能な区域は、例えばこの値の3倍ないし4倍すなわち実
際上上流側の電極の内側長さに等しい。このように、理
論上、電極の全長を使用するためにコイルの中間面が電
極の上流側端の閉鎖端の近くになるような方法で、コイ
ルを置くことは興味がある。実際の用件はこれを殆ど不
可能にしている。
間隔が小さなステップが使用されても良く、[増加m 
(jumps) Jは数アンペアのオーダである。
コイルの直流電流の大きさの平均値は非常に漸進的な方
法で変化しようとし、かつその値はもし必要なら増加す
る意味で又は減少する意味で「連続」線(第3B図)で
しかももはやステップでない(第3C図)形状で、IH
zのオーダの非常に低い周波数でパルス状に変動する瞬
時の値で、ゼロと約150Aとの間でよい一定の増幅率
で与えられる。このような直流の変化は普通の方法で得
ることができ、当業者はこれを達成し得る技術を有して
いる。電極の極端に局部的な摩損を克服するために、本
発明の技術は上流側の電極の摩損を均一にしてほぼ全長
に広げ、それゆえに上流側の電極のアークの移動を制御
することによってその電極の寿命を延長する。
本発明によれば、上流側の電極のアークの根元は軸方向
に、特に往復運動で吹き払うように作られている。これ
を達成するために、本発明によれば、整流器212はグ
レッツ(Graetz)ブリッジを使用することにより
電圧が操縦されその結果コイルを流れる電流の設定値は
第3A図に示されるような平均値一定のパルス状で変動
する連続的な大きさを有する。この図に示されるように
パルスの中間の高さにおける持続時間はその周期の約1
/4である。
この操縦は、電圧Ov1約200Aのコイルにおける電
流値(current magnetude)に相当し
かつ電圧10V、 IGOOAの電流値に相当するよう
な方法で直線的に動作する電圧0−10Vの市場で得ら
れるジェネレータによって達成される。この電圧ジェネ
レータは以下で示されるような経験によって確立された
法則にしたがってプログラム可能なマイクロコンピュー
タによって制御される。コイルの電流の大きさの設定値
に符合して上流側の電極のアークの根元のはっきりと限
定された位置があることが説明されてきた。この設定値
が等しく隔てられたステップに又は一定のピッチにおい
て減少されるとき、アークの根元の二つの対応する続く
位置の間の間隔は増加することが観察されてきた。この
法則を表している数学的関数は電極の大きさ及びコイル
の電気的特性に依存している。与えられた種々のトーチ
に対して、アークの根元の位置をコイル内の電流の大き
さの関数として表す曲線を普通の方法で経験的に作りか
つそのような曲線の方程式を公知の方法で書くことは可
能である。この方程式によりかつ上流側のアークの根元
が本発明のより例えば固定の増幅率でかつ選ばれたリズ
ムで軸方向に規則正しい往復運動の方法で吹き払われる
ことを知って、大きさ及び周波数に関連するようなコイ
ルの電流を制御するコンピュータのプログラムはアーク
の根元がこの法則に従うように書かれる。コンピュータ
のプログラム技術は通常のものであり、詳細な説明は省
略する。
本発明の実施例において、1lIz又はそれ以下の周波
数、及び約2.5のオーダの最大電流値と最小電流値と
の比が選ばれる。この曲線がほぼ放物線であるとき、コ
イルの電流の大きさは第3A図に従って変化する。
空気又はその他のプラズマ生成ガスをチャンバ15内に
渦巻き流で噴射することによって電極のアークの根元を
回転することは普通である。ガスは長手方向軸線に沿っ
てプラズマの噴射方向に関して逆流する方法で旋回され
るが、これは完全に不十分であることが分かった。
アークの根元の付着に起因する上流側電極の閉gt端の
摩損及び悪化を除去するために、本発明のよれば上流側
電極のアークの根元は軸方向に、可能な限り往復運動さ
せてかっもし必要ならば振動させて吹き払われる。この
ためにガスが上流側の電極の端部を通して調整された流
量でかつ好ましくは旋回運動させて噴射される。このた
めに、空気或は例えばプラズマ生成ガスの性質と同じ又
は異なる性質を有するガスを電極に供給するように、チ
ャンバの前で電極の上流側のアークの根元を回転するよ
うに並びに電極の端部でのアークの付着を阻止する障壁
を作るように、上流側の電極の端の近くにディヒユーザ
が配置されている。流量はアークの根元の位置を決定し
かつ調整がアークの根元の振動を調節する。
上流側電極+20及び本発明によりその電極に関連付け
られたディヒユーザ131が第5図及び第6図に示され
ている。
上流側電極は例えば銅製の中空のシリンダ状の本体を備
え、その内端には例えばねじによって本発明によるディ
ヒユーザが配置されている。管状でシリンダ状の部品は
約380m+eの長さに対して7゜Iの内径を有し、一
方従来技術による高出力トーチに対する上流側の電極の
内端は圧力センサを通ずため非常に小さなオリフィスが
設けられているだけであるから閉鎖されていると考えら
れえる。
本発明による電極は補助のすなわち第2の供給装置によ
って分配されるガスを噴射するパイプを中で固定するた
めに穴225が貫通して伸びているので開かれ得る端部
を有している。
第6図に斜視図で示されているディヒユーザ!31は例
えば同合金で作られる。ディヒユーザは直径約65mm
、厚さ10mmのオーダの円盤状をしている。ディヒユ
ーザは約15mm突出している円錐状部分133で一端
が伸びている。この円錐状部分は約50m5の基部+3
4を備え、その基部はディスクの一側部で7ランジ13
5を限定している。図から明らかなように、フランジ1
35は楕円形の通路136が設けられ、その通路は端面
に対して例えば30°傾斜されかっこの実施例ではフラ
ンジの周辺に30°の角度ピッチで円周方向に等しく隔
てられている。約2m−の直径を有するこれらの傾斜し
た通路は、投影図で二つの連続する楕円形の通路の間で
30°の角度を成している軸線を有している。
第6図の実施例において、ディヒユーザは通路の単一の
リング装置を有している。フランジの寸法は中に通路の
複数の同心リングが設けられることができしかも与えら
れたリング又は異なるリングの通路が同じでないように
、決定される。通路は、その角度ピッチ、端部に関する
その傾斜、互いの間で成す角度、それらの方向及びそれ
らの大きさを変えてもよい。円筒状通路は円形横断面を
有して示されているが、これらの通路を別の形状例えば
ベンチュリを形成するように円錐又は双円錐形にしても
よい。これらの変数の選択は空気力学で普通であり、そ
れらは例えば選択されるべきガスの流量、圧力、速度又
は回転の関数である。
第5図に示された実施例において、本発明による上流側
の電極の端部はステムによって外側に向かって伸ばされ
ていて、その端部において噴射されるべきガスを供給す
るパイプを固定するために端子が設けられている。本発
明によって他の解決策が意図され得る。ガスを通すため
の穴125が電極の内端を通して或は近くの電極の壁を
通して伸びる。
噴射され旋回するガスの圧力及び流量はアークの根元が
付く位置を決定する。アークの根元が上流側の電極に付
くのを阻止するため、トーチの形状及び大きさの関数で
ある最小流量を必要とする。
示された実施例に対してこの最小流量は約33g/sで
ある。噴射好ましくは流mを調整することにより、アー
クの根元は軸方向に往復運動される。調整の割合は往復
運動の増幅率を決定し、平均値の選択は往復運動又は振
動が起こる位置を決定する。
このように、上流側の電極の端部を通してガスを吹き付
けることのよってアークの根元を往復運動で意のままに
進ませかつ振動が必要ならば下流端からディヒユーザま
で上流側の電極の全長又はほぼ全長に亙る通路を進ませ
ることが可能である。
上流側の電極の端部を通してガスを吹き付けるための第
2のガス供給装置は、ガスの流量、圧力及び調整量並び
にガスの性質に従って選ばれた通常の設備で構成されて
いる。
電極の一定の消費に対して、トーチの出力は電圧を上げ
ることによって増加され得るが、この場合アークの長さ
もまた増加される。アークをトーチ内に閉じ込めておく
と同時にアークの長さを増加することを許容するため全
体の寸法が変えられない電極の端部を通して噴射される
ガスは旋回される。
第3図に示されるように、上流側の電極の規則正しい摩
損は電極の大きな範囲に亙って得られる。
この図は、縦座標が横座標に関して係数50で増幅され
ている歪像で子午線断面の拡大スケールの表面写真を表
している。外面は参照番号122が付され、内面は動作
前は参照番号123aがかつ動作後は参照番号123b
が付されている。コイルの影響区域は参照番号121が
付されかつ矢印は上流側/下流側の方向を示す。適当な
区域では摩損が均一であることが観察される。
本発明により、上流側電極の寿命が4倍以上長くなった
コイル又はディヒユーザの供給及び電極の端部を通して
のガスの噴射に関する与えられた詳細な説明は単に説明
のための値であり、かつトーチの用途及び意図される目
的に従って最適の結果を得るようにプラズマトーチの良
好な動作に貢献する他のパラメータの付帯的事項を考慮
に入れて変形が、改良が可能である。
上記から以下の事が分かる。すなわち、本発明が、上流
側電極のアークの上流側の根元を往復運動させる場合及
び必要なら振動させる場合トーチの軸線に沿って長手方
向に移動するという事実にあり、かっこの技術は可変で
かっ/又はパルス状で波動状の直流をコイルに供給する
ことにより電磁的に、かつ/又は上流側電極の端部を通
して好ましくは流量について調整されたガス及び特に旋
回ガスを噴射することにより空気力学的に実現され得る
。本発明を実施するための装置は独立に動作され或は効
果を結合するために共に作用する。
このように、ディヒユーザの作用がまさっているならば
、コイルのパルス状の直流の最大値と最小値との比は千
のオーダでもよい。
本発明は、例えば、溶鉱炉の羽目において風を加熱する
ために、溶鉱炉内の石炭の燃焼を補助するために製鉄産
業に及び生粘度を脱炭するためにセメント産業に応用可
能である。
(へ)効果 本発明の高い実用的な興味は消費可能な上流側の電極の
寿命を延長し、電極の取り替えに対する干渉を減少しか
つ部品の供給に係るコストを減少する。
【図面の簡単な説明】
第1図は通常の技術によるプラズマトーチの半分を断面
で示す断面図、第2図は本発明により改良されたトーチ
用の電気供給装置の回路図、第3A図、第3B図及び第
3C図は本発明によりコイルに供給される直流の変化を
示す図、第4図は上流側電極の摩損の方法を示す拡大図
、第5図は本発明による上流側電極の上流側端の部分断
面図、第6図は第5図の電極と関連付けられたディヒユ
ーザの実施例の斜視図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、互いに同軸になっていて間でアークが作られかつ中
    にプラズマ生成ガスが噴射されるチャンバによって隔て
    られた二つの管状の電極を備えたプラズマトーチの電極
    の寿命を延長するように摩損を調整するための方法にお
    いて、プラズマの流れ方向に関して上流側の電極のアー
    クの根元の移動がアークに上流側電極の内面の一部に沿
    って往復する方法で長手方向に吹き払うように制御され
    、往復が約1ヘルツ(Hz)の周期で起こるプラズマト
    ーチの摩損を調整するための方法。 2、吹き払い中に上両側アークの根元を振動させる特許
    請求の範囲1に記載の方法。 3、長手方向軸線の回りに旋回されるガスを上流側電極
    の内端を通して噴射し、かつ流量をアークの根元が上流
    側電極内で長手方向に動くように調節し、そこにおいて
    ガスはチャンバ内に導入されるプラズマ生成ガスの流量
    の1/3ないし1/15である特許請求の範囲1又は2
    に記載の方法。 4、トーチは上流側電極を局部的に囲んでいてかつ大き
    さが段階的に変化する可変の直流電流が供給されるコイ
    ルが設けられている特許請求の範囲1ないし3のいずれ
    かに記載の方法。 5、前記可変の直流電流が漸進的に変化する特許請求の
    範囲3に記載の方法。 6、コイルに大きさがパルス状で波動状に変化する直流
    電流が供給される特許請求の範囲4又は5に記載の方法
    。 7、パルス状で波動状の直流電流が1ヘルツ(Hz)又
    はそれ以下の周波数である特許請求の範囲6に記載の方
    法。 8、互いに同軸になっていて間でアークが作られる二つ
    の管状の電極と、電極を隔てていて中にプラズマ生成ガ
    スが噴射されるチャンバと、プラズマが長手方向通路を
    通して移動するように上流側の電極の上流側での根元の
    移動をプラズマの流れ方向に関して制御しそれによって
    摩損を調整しかつ上流側の電極の寿命を延長する装置と
    、上流側電極を局部的に囲みかつ電気回路から動力を供
    給される磁界コイルとを備え、そこにおいて前記装置が
    パルス状で波動状のコイル電流の設定値からパルス状で
    波動状の直流電流を供給する整流器を前記回路内に備え
    ている、特に特許請求の範囲1ないし7に記載の方法を
    実施するためのプラズマトーチ。 9、前記整流器が約1ヘルツ(Hz)又はそれ以下の周
    波数のパルス状で波動状の電流を発生する特許請求の範
    囲8に記載のプラズマトーチ。 10、パルスの中間の高さにおける持続時間が周期の約
    1/4である特許請求の範囲8又は9に記載のプラズマ
    トーチ。 11、前記整流器が最大の増幅値と最小の増幅値との間
    の比が1から1000まで変化しかつ好ましくは2.5
    のオーダであるパルス状で波動状の電流を発生する特許
    請求の範囲8、9又は10に記載のプラズマトーチ。 12、前記装置が上流側電極の内端にガスを噴射するた
    めの穴を備えかつ上流側電極の内端に近接してその上流
    側電極の軸線に関して横にデイフィユーザが配置され、
    そのデイフィユーザを通して噴射されたガスが移動する
    特許請求の範囲8ないし11のいずれかに記載のプラズ
    マトーチ。 13、前記デイフィユーザが旋回運動で移動するガスと
    通じている特許請求の範囲12に記載のプラズマトーチ
    。 14、前記デイフィユーザが円盤によって形成され、そ
    の円盤を通してほぼ接線方向に向けられかつ互いに等し
    い距離になっている楕円形の通路が伸びている特許請求
    の範囲11ないし13のいずれかに記載のプラズマトー
    チ。 15、チャンバ内にかつ上流側の電極の内端を通して噴
    射されるガスの流量が3と13との間の比である特許請
    求の範囲13又は14に記載のプラズマトーチ。
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