JPS63502709A - 誘導−プラズマ溶解装置 - 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】 誘導−プラズマ溶解装置 〔技術分野〕 この発明は一般的にみて電気溶解装置に関し、特に誘導−プラズマ装置に係るも のである。

〔背景技術〕

高品質な複合−合金鋼やドープ合金に関する現代工業、特に機械的技術分野にお ける継続的発展の必要により金属の溶解工程と、その後の工程とを実施するため の装置にきびしい要求が課されている。

鋳造及び冶金製造における用途の拡大は、溶融るつぼ中における溶湯金属の強制 的な電気力学的攪拌にもとづいて、全容積にわたって均一な温度と、均質な化学 組成を有する金属を得ることを可能にする誘導溶解装置によって実現されている 。このような焚！は原料の再溶解（廃棄金属も含めて）に、また、溶解のために 加熱を行う際の再加熱や保熱に好適である。しかしながら、このような誘導溶解 装置における活性金属の処理は活性スラグ（フラックス）の温度が余りにも低い ので実用化することができない。

溶解により製造される金属の品質は単一の装置で二つの熱源を併合した誘導−プ ラズマ装置の使用により高度に改善されている。これは誘導加熱とプラズマ−ジ ェット加熱であり、２つの加熱方法の有利な特徴を利用している。

このような溶解装置は“熱い”スラグの存在で、有効な金属処理法を実現するこ とができるし、金属を製造する上での溶解時間のかなりの短縮とトン当りの電圧 消費量の削減を行うと同時に、実質的にガス、非金属介在物及び有害な不純物の パーセンデージを減少せしめることもできる。このような装置に於て、鉱石原料 （鉄−コークス）のベレットの再溶解や還元の為に有利な条件が与えられる。２ つの加熱方法の併合は又、上記装置の特定の電力定格と相当に高められた生産性 を可能にする。

例えば、誘導−プラズマ溶解装置の一例（“発見、発明、工業的意匠、商標”Ｎ ８．１９７５公示に開示されたＳＵ、Ａ、４６２．３２０）が知られている。こ れは原料の溶解の炉を含むが、この炉はコンデンサーのバンクと交流電源に連結 した誘導子の中に位置せしめられている。そして、少くとも１つのプラズマトー チ（プラズマ発振器）は誘導子と電気的に連結され、特に直列に連結されている 。

上述した装置は低い生産高により特徴づけられるが、それは高品質の金属を製造 することができなかった。その理由は突発的なプラズマ−アークの消弧（例えば 、規格外の溶解原料の使用による）又は工程状態の要求によるプラズマトーチの 負荷の中断は、不可避的に誘導子の電気回路の中断という結果になり、このこと は、また直流電源からの切断、および溶解工程の中断に導くものである。上述の 装置は、実際上、誘導子とプラズマトーチの電気的操作条件を別々に設定するこ とができないので、技術的工程の過程及び製造される金属の品質に関して意図さ れた結果を与えることが不可能である。

現状の技術の水準（ＰＣＴ／ＳＵ出願８６１０００４８１９８６−５−２９付） において知られている他の誘導−プラズマ溶解装置はコンデンサーのバンクと、 交流電源とに結合された誘導子の中に配置された原料溶解炉と、そして誘導コイ ル巻線部分に並列に連結されている、１個又は複数の電気的に相互連結されたプ ラズマトーチとを含むものである。

突発的なプラズマアークの消弧又はプラズマトーチの負荷の中断に基づく誘導子 電気回路の前記装置不連続性は、排除され、そして溶解工程間に、誘導子とプラ ズマトーチの間の電力再分配の可能性が生ずる。これはこの装置の生産性の増加 を与え、製造される金属のより良い品質を得ることの可能性を提供する。

しかしながら、この装置におけるプラズマトーチの電力の出力は特別なスイッチ 装置を用いて、プラズマトーチによって分路形成された誘導子の巻線部分の連結 により行われる。

このことは前記設定の可能性に限定をもたらす。その理由は実際の設備では、適 当量のスイッチ可能な巻線を用意することは非常に難かしいことであるからであ り、追加の重電流スイッチ装置を必要とし、そして、それ故に設置のための追加 の床面積を必要とし、このことが、又、誘導子のタップに余分な電気損失を生じ 、それが結局は能率に悪影響を及ぼし、直流電源の定格電力を下回ることになり 、従って、この設備の生産性に不利に作用する。

更に又、電力出力に関するプラズマトーチの調整の制限された可能性、プラズマ トーチと誘導子の操業条件の相互の依存性、付与された負荷の特性と条件上の両 方に関する依存性、そして誘導子とプラズマトーチとの間の回路の強固な電気結 合の障害、これらの全ては製造される金属の改良された品質を得ようとする装置 の技術的能力の完全な利用を抑制する。

〔発明の開示〕

この発明は誘導子の構造そして交流電源とプラズマトーチ或いはプラズマトーチ 群との連結に特徴ずけられた誘導−プラズマ溶解装置を得ようとするものである 。

上記プラズマトーチは１本又はプラズマトーチ群の調整範囲を広げることができ る。この発明の要素は誘導−プラズマ溶解装置において、コンデンサーのバンク と交流電源に連結された誘導子内に配置された原料溶解炉と、誘導子の巻線部分 に並列に連結され、電気的に連結されている１本又は複数−チ又はプラズマトー チ群に連結されている並列の誘導子の巻線部分が一次巻線として構成され、一方 、他の巻線部分が一次巻線から電気的に絶縁され、且つコンデンサーのバンクと 交流電源に連結された二次巻線として構成されている。

この発明の誘導−プラズマ溶解装置の一次誘導子巻線は、二次巻線に関して、そ の軸方向と直角方向へ往復移動可能に設けられていることが好都合である。

この発明の、誘導−プラズマ溶解装置の一次巻線が少（とも部分的に二次巻線を 包囲していることが有利である。

この発明の誘導−プラズマ溶解装置の一次巻線が二次巻線に関して軸方向に往復 移動し得ることが、有利である。

この発明の誘導−プラズマ溶解装置の誘導子が磁心を具備し、そして二次誘導巻 線が、２つの部分から形成され、その１つは、−次誘導巻線とともに、上記磁心 上に設けられ、上記二次誘導巻線の他の部分から磁気的に絶縁されていることは 、合理的である。

この誘導−プラズマ溶解装置が可変−容量コンデンサーに付加されたバンクを具 備し、このバンクが誘導子の一次巻線に、或いは磁心上に配置された誘導子の二 次巻線の前記部分に電気的に連結されているということは、また、実用可能であ る。

この誘導−プラズマ溶解装置は１本のプラズマトーチ又はプラズマトーチ群の電 力の調整範囲を広げることを可能とし、かくて、装置の生産性及びそこで製造さ れる金属の良質性を向上する。

〔図面の簡単な説明〕

この発明は以下に従い、添付図面に関して特定の装置の詳細な記載で説明される であろう。

第１図はこの発明に係るもので、誘導子と原料溶解炉の長手方向切断面を描写し た誘導−プラズマ溶解設備の機能的図面である。

第２図はこの発明に係り、第１図の装置において、２零のプラズマトーチと二次 巻線の軸方向と直角の方向に一次巻線を往復移動させるための機構を表示した図 である。

第３図はこの発明に係り、第１図の装置において二次巻線を部分的に包囲し、且 つ、−次巻線に関連してその軸方向への往復移動のための機構を具備した一次巻 線を示めした図である。

第４図はこの発明に係り、第１図の装置において、二次巻線が２つの部分で構成 され、且つ、−次巻線に電気的に連結されたコンデンサーの付加的バンクを表示 した図である。

第５図はこの発明に係り、第４図の装置において、二次巻線の部分の１つと電気 的に連結しているコンデンサーのバンクを示めした図である。

〔発明を実施するための最良の形態〕

この発明の誘導−プラズマ溶解炉は誘導子２の中に配置された溶解炉１　（第１ 図）と、コンデンサーのバンク３および交流電源４より成り立っている。炉Ｍ５ の上に１本又は複数のプラズマトーチ、この特例として、電気アークプラズマト ーチ６が縦方向移動可能に設けられている。

プラズマトーチ６は誘導子２の巻線部分に並列に連結されており、この巻線部分 は誘電体ガスケット８の手段によって、コンデンサーのバンク３と交流電源４に 連結された二次巻線９を形成する誘導子２の巻線残部から電気的に絶縁された一 次巻線７を形成する。

炉１の底板に、炉底電極１０が取付けられ、この電極１゜はプラズマアーク１１ 、溶解しつつある原料１２、及び溶解金属１３を通してプラズマトーチ６の作動 電流回路を閉とする。原料１２の成分とライニングの型に伴って、炉底電極１０ は金属にしてもよく、水又は他の冷媒で冷却してもよく、黒鉛でもよ（、又、サ ーメットで造ってもよい。

パイロットアークはプラズマトーチ６の陰極１５とノズル１６に連結されている 発振器１４を用いて点弧される。プラズマトーチ６の電力回路は次の要素で構成 されている。誘導子２の一次巻線７、プラズマトーチ６、プラズアーク１１、溶 解されるべき原料１２、溶解金属１３、炉底電極１ｏ、及び誘導子２の二次巻線 ９である。

炉底電極の使用が好ましくないとき、例えば、炉下用の鋼製造のような場合にお いて、誘導プラズマ溶解装置の代りの装置は、殆んどは上述と類似しているが、 唯次の部分、即ち、プラズマトーチ６と直列に連絡されている第２プラズマトー チ１７　（第２図）を併設しているところが異なっている。一方電圧回路はプラ ズマトーチ６、原料１２によって生ずるプラズマアーク１１そしてプラズマトー チ１７によって構成されるプラズマアーク１８を通して完成する。

プラズマトーチ６，７の操業状態及び溶解金属１３の攪拌状態の調整を可能なら しめるため、この装置は誘導−次巻線をその二次巻線に関し、後者の軸方向と直 角方向へ往復移動するための機構１９を有する。この発明の上述の特定の装置に おいて、機構１９は外被２１に固定されたナンド２ｏと、回転駆動装２２３に取 付けられたねじ２２と、巻線７を併設している。

巻線７と９との間の電磁結合を行うため、巻線７は巻線９の少くとも一部分を包 囲（第３図）し、そして、二次巻線に関してその軸方向への往復移動のために、 機構２４が設けられている。二ｋｌ、−Ｊり十分広い範囲に亘り、プラズマトー チ６の電気的作動を調整することができる。機構２４は機構１９に類（以してい る。

第４図で示された装置において、誘導子２は磁心２５を具備し、一方、二次巻線 ９は２個の部分９’、９”で構成されている。巻線９の部分９′は誘導子２の一 次巻線７と共に上記磁心２５上に位置付けられ、そして巻線９の他の部分９″か ら磁気的に絶縁されている。２個の巻線部分の磁気的絶縁を考慮した特定の態様 の装置は、それらを互いに長い距離をへだでて配置し、相互間のいかなる磁気的 相互作用も排除するようにすることにより達成される。

更に、上記装置は磁心２５上に位置付けられた誘導子２の一次巻線７又は誘導二 次巻線９０部分９′　（第５図）に電気的に連結されているコンデンサーの可変 キャパシティ・バンク２６を有する。この場合、誘導子２の二次巻線９の部分ｇ ｒ、ｇｒｔは第４図の如く並列か、又は第５図のように直列に連結されており、 そして、これらの巻線は交流電源４の電圧と巻線９の部分９１．９１１によって 生じた電気抵抗に依存している。

この発明の誘導−プラズマ溶解装置は次のように操作する。

そして蓋５で閉じられる。誘導子２の巻線９はコンデンサーのバンク３と交流電 源４に連結され、一方、プラズマトーチ６は誘電体ガスケット８の手段で、誘導 子２の二次巻線９から電気的に絶縁されている一次巻線７と並列に連結される。

次いで、交流電源４に連結したとき、コンデンサーのバンク３の静電容量の調整 可能部分を使用して誘導子２の二次巻線９、誘導子の一次巻線７、プラズマトー チ６および相互に連結された母線とケーブル（図示せず）からなる電気磁気的シ ステムの誘導インピーダンスが補償される。次に、誘導子２の二次巻線９の促進 を誘導するうず電流をもって、溶解炉１に装填された原料１２を加熱するために 、交流電源４の電圧が上昇される。そこで、発振器１４に電圧が印加され、プラ ズマトーチ６の陰極１５とノズル１６との間にパイロットアークが点弧される。

陰極１５とノズル１６の間にあらかじめプラズマを形成するガスの供給が行われ る　（原則として、自動的に）１．その後、主アーク１１はプラズマトーチ６の 陽極１５と原料１２との間に点弧される。この原料は陽極（即ち、炉底電極１０ ）と溶解金属１３を通すか或いは直接（溶解の開始時）、電気的に連結される。

溶解工程を促進するために、後者の場合、誘導子２が励磁され、同時にプラズマ トーチ６が作動する。このような状態のもとで、原料１２はプラズマアーク１１ によって達成された高温度の効果により、むしろ速く溶解される。その結果生じ た溶解金属１３は誘導子２の二次巻線９の作用により攪拌され、追加加熱される 。

原料が最初の位置で溶解された後、プラズマトーチ６は外へはずされ、Ｍ５が一 側へ移動されて、原料の２回目の装填が炉１へ行われる。一方、炉ｌには原料が 容量十分迄装填されたか、注意深く見守る必要がある。次に炉１は蓋５で閉鎖さ れ、最初のパイロットアークが、次いで、主アーク１１が着火され、そして装填 された原料１２が完全に溶解される迄溶解が行われる。

溶解の工程の終了時点で金属１３の所要再加熱が行われ、その精錬と合金化が行 われ、これらの操作はプロセスシートにより特定されている。

この場合、合金の各成分は炉Ｍ５の移動やプラズマトーチ６の操業外への転向な しで、炉１へ装填できる。溶解金属の後溶解工程は電圧が印加された誘導子２の 二次巻線９だけによるか、或いは誘導子２とプラズマトーチ６の結合操業によっ て遂行されてもよい。後者が操業されるとき、スラグ（フラツクス）はプラズマ アーク１１による高温度の効果のもとで、“金属−スラク″システムにおける冶 金的工程の処理と、スラグの流動が非常に増加するという助けをかりて溶解金属 の表面にもたらされる。この全ては溶解金属の品質の実質的改善の原因となり、 炉１からの最後のスラグの排出を促進する。

更に又、この発明はよればこの例の誘導子２は、特にプラズマアーク１１のアー ク状態の急激な変化の場合、誘導子２の回路と交流電源４の回路に生ずる笹プラ ズマトーチ６の望ましくない自己発生的効果を実質的に減少させることを可能に する。それは、か＼る回路間にしっかりした結合（電気的又は容量的）が全く存 在せず、しかし、ゆるい結合（磁気的又は誘導的）が生ずるからである。かくし て、装置の操業上の信転性とその安全運転が増加する。それは、プラズマトーチ ６が、プラズマアーク１１の安定したアーク状態にだけに依存する電圧下にあり 、そして、交流電源４の電圧下にはないからである。

この装置は誘導子２の操業状態を安定せしめると共に、プラズマトーチ６の操業 状態のより広い調整範囲を提供することができる。

第２図に示めした誘導−プラズマ溶解装置は上述した装置と同じ手段で操作され るが、唯、次のような装置に違いがある。即ち、巻線９の軸方向と直角な方向に 機構１９の作用により誘導子２の一次巻線７を二次巻線９に関して往復移動せし めるところである。ねじ２２はナツト２０中を巻線７と一緒に往復移動するため にドライブ２３から回転が与えられる。

巻線７の前述の動作によって、確立された磁場の非対称性は、炉１の上部におい て、プラズマアーク１１　、１Ｂと磁場との間に相互作用を生じさせる結果とな り、この相互作用がそのときのアークをスパイラル状にねじれさせる。その結果 、アークの長さや有効断面がかなり増加し、プラズマトーチ６゜１７（この場合 、電圧が上昇する）の電気的状態を交番状態にし、かつ、金属１３の表面におけ る陰極スポットの面積を増加させる。前述の事項に従えば、濃縮物が少（なり、 金属１３の表面のより均一な加熱が行われ、その過加熱は減少し、廃棄金属の量 は減り、合金の成分は確保され、結局は金属の品質が改善されるのである。前述 の磁場の非対称館イた、炉１内の溶融金属の循環の特性と変化させ、かつ、金属 −活性スラグの界面における物理化学的プロセスを強化する。このことは、より 良い品質の金属を製造することにおそらく貢献するであろう。

プラズマトーチ６．１７の操業条件は、巻線７と９との間の磁気的結合の量に非 常に大きく依存している。この磁気的結合の量はプラズマトーチの相互の配列に よって決められる。

少くとも部分的に巻線９を取囲む巻線７を有する誘導子２（第３図）の、ｇ　ｉ ’−１ｌｙ配列は、巻線９に関連する巻線７の位置を適当に選定することにより 、かつ、それをその位置に保持することにより、プラズマトーチ６が必要とする 操業条件の設定を可能にする。この場合、磁気結合、巻線７の電圧及びプラズマ トーチ６が巻線７による巻線９の包囲の度合と直接釣合い、他は同一となってい る。これは、例えば製造される金属の種類に依存する誘導子２と、プラズマトー チ６との動力の比率を正当に選定することを可能ならしめている。

こ＼に開示された装置において移動機構２４を設けたことが、溶解工程中におい て、巻線９に関して巻線７を軸方向に往復移動することにより、プラズマトーチ ６の電圧とその動力を変更することを可能ならしめる。このお陰で、プラズマト ーチ６の操業状態は誘導子２の動力に影響を及ぼさずに必要時いつでも変えるこ とができる。かくして誘導子２とプラズマトーチ６との間の電源４の動力再配分 は実質的に広い範囲に亘るのである。プラズマトーチ６の電圧の上昇は動力の増 加をもたらし、そして上記装置のより高い生産性をもたらす。プラズマアーク１ １の領域における温度が上昇すると同時に、ガスや有害な不純物からの金属のよ り高い精錬が行われ、そして非金属介在物の分離の一因となる。

更にまた、上記設備の生産性の増加は第４，５図で示めされた装置で達成される 。特に、溶解された金属中及び“金属−スラグ界面において、物理化学的プロセ スの激しい進行を与えることができる。これは二次巻線９の部分９′と共通の磁 心２５に位置付けられている一次巻線７との間の磁気結合を調節することで、そ して、これにより、プラズマアーク１１の動力と温度を調整することで可能とな る。同時に、プラズマトーチ６の操作から独立した溶融物の電磁攪拌に起因する 溶解金属中の物質交換プロセスが、実際に強化されることが立証される。この攪 拌は部分９′から磁気的に絶縁されている二次巻線９の部分９″によってもたら される。

このように磁気結合がない場合は、プラズマトーチ６の操業条件は溶解工程にお ける装填物の特性変化（すなわち原料による磁気特性の損失、溶解金属の温度上 昇に伴う特定電気的抵抗の変化、装填された原料の凝集状態（或いは相）の変化 など）に無関係なものとなる。これは、上記装置のより高い生産性と製造される 金属のより良い品質を得るため全溶解を通してプラズマトーチ６の最高の操業状 態を維持することを可能ならしめるのである。

プラズマトーチ６の最適の操業状態は、又コンデンサーのバンク２６のキャパシ タンスの調整により保証され、このことはプラズマトーチ６の電圧を付加的に増 加（１０〜１５％だけ）せしめ、交流電源４の電圧を一定に保持し、これにより 上記装置の生産性を増すのである。

〔産業上の利用可能性〕

この誘導−プラズマ溶解装置は冶金及び鋳造の実際において、高品質の鉄、非鉄 金属及び合金の溶解及び後工程の為に設計されたものである。

＼コＮ Ｃ＼１ 国際調査報失

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．コンデンサーのバンク（３）と交流電源（４）に連結されている誘導子（２ ）内に配置された、原料を溶解するための炉（１）、及び誘導子の巻線の部分と 並列に連結されている、電気的に相互連結された１又は複数のプラズマトーチ（ ６，１７）より構成されている誘導−プラズマ溶解装置であって、 プラズマトーチ（６）又はプラズマトーチ群（６，１７）と並列に連結されてい る誘導子（２）の巻線の部分が一次巻線（７）として構成され、他の部分が、上 記一次巻線（７）から電気的に絶縁され、そしてコンデンサーのバンク（３）と 交流電源（４）とに連結されている二次巻線（９）として構成されていることを 特徴とする誘導−プラズマ溶解装置。
2. ２．誘導子（２）の一次巻線（７）が二次巻線（９）に関してその軸方向に対し 直角方向に往復横移動可能なことを特徴とする請求の範囲第１項記載の誘導−プ ラズマ溶解装置。
3. ３．誘導子（２）の一次巻線（７）が、少くとも部分的に、その二次巻線（９） を包囲していることを特徴とする請求の範囲第１項記載の誘導−プラズマ溶解装 置。
4. ４．誘導子（２）の一次巻線（７）が二次巻線（９）に関して軸方向に往復移動 可能なことを特徴とする請求の範囲第１項又は第３項記載の誘導−プラズマ溶解 装置。
5. ５．誘導子（２）は磁心（２５）を有しており、そして、誘導子の二次巻線（９ ）は、２つの部分（９′，９′′）で構成せられ、その１つは誘導子（２）の一 次巻線（７）と共に、誘導子の磁心（２５）上に配置され、かつ、誘導子（２） の二次巻線（９）の他の部分（９′′）から磁気的に絶縁されていることを特徴 とする請求の範囲第１項乃至第４項の内少くとも１項記載の誘導−プラズマ溶解 装置。
6. ６．誘導子（２）の一次巻線（７）に、或いは磁心（２５）上に配設されている 誘導子二次巻線（９）の前記部分（９′）に、電気的に連結されている可変容量 コンデンサーの付加バンク（２６）が設けられていることを特徴とする請求の範 囲第５項記載の誘導−プラズマ溶解装置。