KR100588071B1

KR100588071B1 - 용강 가열에 사용하는 플라즈마 토치

Info

Publication number: KR100588071B1
Application number: KR1020037010250A
Authority: KR
Inventors: 후쿠나가신이치; 니시하라료지; 다나카가즈히사; 아사노미쓰지; 야스미쓰가즈노리; 히라모토유지; 미타케히로유키; 가와치다케시
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2002-02-14
Publication date: 2006-06-09
Also published as: DE60219446D1; EP1369191B1; JP3995597B2; EP1369191A1; BRPI0207269B1; ES2280514T3; WO2002064290A1; EP1369191A4; CA2437591A1; AU2002232195B2; BR0207269A; CA2437591C; US6794600B2; JPWO2002064290A1; US20040074880A1; TW528624B; DE60219446T2; KR20030071883A

Abstract

환상으로 바닥이 막힌 이중관(21)으로 이루어지는 외통(26)과, 외통(26)의 내부에, 이중관(21)의 내측과 간격을 두고 장착된 바닥이 있는 통상의 양극 전극(28)을 구비한 플라즈마 토치(20a)에 있어서, 양극 전극(28)의 재료로서, 순동을 제외하고, 재료의 연화온도가 150℃ 초과이고, 외통(26)의 전기전도도(N)에 대한 양극 전극(28)의 전기전도도(D)의 비가 0.2≤D/N<1.0을 만족하는 용강의 가열에 사용하는 플라즈마 토치로서, 양극 전극에 발생하는 열이나 스플래쉬에 의한 용손이나 마모를 방지하고 사이드 아크의 발생을 억제하여 플라즈마 토치의 장수명화를 꾀하며, 주조조업의 안정화나 주편의 품질향상을 꾀할 수 있다.

Description

용강 가열에 사용하는 플라즈마 토치{PLASMA TORCH FOR HEATING MOLTEN STEEL}

본 발명은 플라즈마 토치의 양극(anode) 전극의 용손을 억제하고 장수명화를 꾀할 수 있는 용강 가열에 사용하는 플라즈마 토치에 관한 것이다.

종래, 주편은 용강을 레이들로부터 턴디쉬에 수탕한 후, 턴디쉬 바닥부에 설치한 침지 노즐로부터 주형에 주탕하고, 주형에 의한 냉각과, 지지 세그먼트에 다수 설치한 냉각수 노즐로부터 물을 내뿜어 냉각에 의하여 응고시킨 후, 핀치 롤에 의하여 소정의 속도로 뽑아내어 제조된다.

그러나, 턴디쉬에 수탕하는 용강은 항상 대기에 열을 방산하고 있고, 레이들의 용량이 크고, 주조 시간이 길어지는 경우나, 강종에 의하여 용강의 과열 온도가 낮게 제한되는 경우에는 주조 도중부터 턴디쉬 내의 용강온도가 표준온도보다 저하된다.

이 온도 저하에 의하여 주형에 주탕하는 침지 노즐이 막히거나, 불순물(개재물)의 분리가 저해되기 때문에, 주편의 품질을 손상시키게 된다. 극단적으로 온도가 저하되면, 주조 작업 자체를 중단하지 않을 수 없는 경우도 있다.

이에 대한 대책으로서, 일본공개특허공보 평3-42195호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 턴디쉬 내의 용강 표면의 상방에, 양극 전극과 음극 전극을 구비한 한 쌍의 플라즈마 토치를 배치하고, 용강에 플라즈마 아크를 내뿜어, 플라즈마 아크의 열에 의하여 용강을 가열하고, 이 플라즈마용 가스에 아르곤과 CO가스를 사용하여 아크 전압을 증가시켜 플라즈마 아크의 출력을 높이는 방법이 실시되고 있다

또한, 일본공개특허공보 평6-344096호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 턴디쉬 내의 용강 표면의 상방에, 플라즈마 토치의 양극 전극을 배치하고, 음극을 구성하는 전극을 용강 중에 침지해 두고, 양극 전극으로부터 용강 표면에 플라즈마 아크를 내뿜어 용강을 가열하였다.

그러나, 일본공개특허공보 평3-42159호 공보나, 일본공개특허공보 평6-344096호 공보에 기재된 용강의 가열 방법으로는 플라즈마 토치의 선단이 용손이나 마모에 의하여 손모되어, 플라즈마 토치의 수명이 극단적으로 저하된다.

이 용강의 가열을 실시하는 때의 플라즈마 토치의 양극 전극 표면에는 플라즈마 아크의 열이나 용강의 복사열, 및 플라즈마 아크나 플라즈마 형성용의 아르곤 가스 등에 기인하는 용강의 스플래쉬 등에 의하여 국부적인 용손이나 마모가 발생한다.

그 결과, 전극의 표면에 요철이 형성되거나, 양극 전극 선단의 판 두께가 얇아져, 바깥측으로 변형되는, 이른바 볼록부(혹은 팽창부)가 형성되기도 한다.

볼록부가 형성되면, 그 볼록부에 플라즈마 아크가 집중되어 볼록부의 열부하가 커지며, 그 표면 온도는 전극 재료의 융점보다 높아진다.

또한, 용강의 가열은 1000∼5000 암페어의 고전류를 통전하고, 플라즈마 아 크를 용강의 표면에 연속적으로 내뿜어 이루어지기 때문에, 볼록부에의 플라즈마 아크의 집중과, 볼록부의 용손(마모)이 반복되고, 그 결과, 용손(손모)이 급격하게 진행된다. 이 현상은 직류형 트윈식 플라즈마 토치를 사용하는 경우에 현저하게 된다.

또한, 용강의 스플래쉬가 발생하면, 양극 전극이나 외통(外筒)에 지금(地金)이 부착되고, 부착된 지금에 의하여 양극 전극과 용강 표면의 사이 이외에도 플라즈마 아크가 발생하는 이른바 사이드 아크가 발생한다.

특히, 양극 전극과 외통의 재질에 내용손, 내마모 재료를 사용하는 경우, 그 재료의 전기저항이나 전기전도도 등에 따라서는 사이드 아크가 발생하기 쉬워진다. 또한, 사이드 아크가 발생하면 양극 전극의 표면 혹은 프론트 엔드(외통) 등이 개구하여 누수가 일어나, 양극 전극의 수명이 대폭적으로 저하된다.

그 결과, 용강의 가열처리 비용이 상승하여, 플라즈마 토치 교환 시간의 발생이나, 가열 불능에 의한 주편의 품질 저하, 침지 노즐의 막힘 등에 의한 주조 조업 불안정화 등의 문제가 발생한다.

본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 용강의 가열에 사용하는 플라즈마 토치의 양극 전극에 발생하는 열이나 스플래쉬에 의한 용손이나 마모를 방지하고, 사이드 아크의 발생을 억제하며, 플라즈마 토치의 장수명화를 도모하여, 주조 조업 안정화나 주편의 품질 향상을 이룰 수 있는 용강 가열에 사용하는 플라즈마 토치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명의 요약

상기 목적에 따른 본 발명의 용강 가열에 사용하는 플라즈마 토치는 「환상으로 바닥이 막힌 이중관으로 이루어지는 외통과, 상기 외통의 내부에 상기 이중관의 내측과 간격을 두고 장착된 바닥이 있는 통상의 양극 전극을 구비하는 플라즈마 토치에 있어서, 상기 양극 전극의 재료로서 순동을 제외하고, 그 재료의 연화 온도가 150℃ 초과이며, 상기 외통의 전기전도도(N)에 대한 상기 양극 전극의 전기전도도(D)의 비가 아래의 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 용강 가열에 사용하는 플라즈마 토치이다.

0.2≤D/N<1.0

양극 전극에, 순동보다 연화 온도가 높은 재료를 사용하기 때문에, 플라즈마 아크열이나 용강의 복사열, 스플래쉬 등에 기인하는 선단의 용손 혹은 마모 등을 억제할 수 있다. 또한 동시에, 냉각수의 압력 등에 의한 돌출을 억제하여 양극 전극의 표면을 평활하게 유지하고, 플라즈마 아크의 집중에 의한 용손을 방지할 수 있다.

그 밖에도, 용강에 대향하는 양극 전극의 표면이 연화되는 것을 억제하고, 용손 및 스플래쉬에 의한 마모를 방지할 수 있으며, 또한, 양극 전극 및 외통의 전기전도도에 기인하는 사이드 아크의 발생을 방지할 수 있다.

D/N이 0.2 미만이 되면, 양극 전극의 전기전도도보다 외통의 전기전도도가 지나치게 높아져, 양극 전극으로부터 외통으로의 사이드 아크가 발생한다.

한편, D/N이 1.0 이상이 되면, 양극 전극에 사용하는 재료의 연화 온도가 낮아져 내용손 및 내마모성이 악화되거나, 또는 외통의 전기전도도가 저하되는 문제 가 생기고, 착화 불량의 발생에 의한 조업의 불안정화를 초래한다.

또한, 연화 온도는 2시간의 가열로 최대 경도의 35%로 경도가 저하되는 온도이다.

본 발명자들은 양극 전극의 수명을 연장하기 위하여, 양극 전극 재질의 열전도율 및 전기 전도율에 착안하여, 일본국 특허출원2001-179246호의 발명을 제안한 바 있다. 그러나, 양극 전극의 재료 설계의 관점에서는 내열성을 향상시키려면 열전도율이 높아지는 재료가 바람직하고, 또한 내아크성을 향상시키려면 전기전도율이 낮은 재료가 바람직한데, 내열성과 내아크성을 양립시키는 재료의 선정은 곤란하였다.

본 발명자들은 종래부터 열전도율을 유지하면서 저전기 전도율을 나타내는 재료를 사용하여 장수명의 플라즈마 토치를 얻기 위하여 시행착오를 반복하였다. 그 결과, 양극 전극과 외통과의 전기 전도율의 비율을 특정 범위로 제한함으로써 종래보다 수명을 현저하게 개선할 수 있다는 것을 발견하고, 본 발명을 하기에 이르렀다.

또한, 상기 플라즈마 토치에 공급하는 플라즈마 형성용 아르곤 가스의 공급량을 300∼1000NL/분으로 하면 좋다.

전극과 용강의 표면 사이에, 전극의 선단을 싸고, 또한, 전극으로부터 용강 표면을 향하여 이온화된 아르곤 가스를 포함하는 아르곤 가스류가 형성되기 때문에, 전극으로부터 용강 표면에 내뿜는 플라즈마 아크의 흐트러짐을 없애고, 사이드 아크의 발생을 방지할 수 있다.

아르곤 가스량이 300NL/분 미만이 되면, 이온화된 아르곤 가스의 흐름이 약해지고, 전극의 외주를 덮는 아르곤 가스류가 형성되지 않아 사이드 아크가 발생하기 쉬워진다.

한편, 아르곤 가스량이 1000NL/분을 넘으면, 플라즈마 아크의 안정 효과를 기대할 수 없고, 아르곤 가스류에 의한 용강의 스플래쉬가 발생하여, 전극의 수명이 저하된다.

도 1은 본 발명의 일실시 형태에 관한 용강 가열에 사용하는 플라즈마 토치를 적용한 용강의 가열 장치의 전체도이다.

도 2는 본 발명의 일실시 형태에 관한 용강 가열에 사용하는 플라즈마 토치 선단부의 단면도이다.

도 3은 전기전도도의 비와 사이드 아크의 발생 지수의 관계를 나타내는 그래프이다.

첨부한 도면을 참조하면서, 본 발명을 구체화한 실시 형태에 대하여 설명한다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 일실시 형태에 관한 용강 가열에 사용하는 플라즈마 토치를 사용한 용강의 가열 장치(10)는 미도시한 주형에 용강(11)을 주탕하는 침지 노즐(12)을 바닥부에 설치한 턴디쉬(13)와, 턴디쉬(13)의 위를 덮고, 또한, 삽입구(14, 15)를 구비하며, 내측(턴디쉬(13) 내)에 가열실(16)을 형성하는 뚜껑(17)과, 삽입구(14, 15)로부터 가열실(16)에 미도시한 진퇴장치에 의하여 각각 삽입되는 직류형의 양극측 플라즈마 토치(이하, 양극 토치라고도 한다)(20a)와 음극측의 플라즈마 토치(이하, 음극 토치라고도 한다)(20b)를 가지고, 또한, 양극 토치(20a)와 음극 토치(20b)에 통전하는 직류 가전장치(18)를 구비하고 있다.

또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태에 관한 용강 가열에 사용하는 플라즈마 토치의 일례인 양극 토치(20a)는 선단을 바닥부(25)에 의하여 환상으로 막은 이중관(21)의 내부에, 냉각수의 송수로(22) 및 배수로(23)를 형성하는 냉각수 디바이저(냉각수 분할부재)(24)를 배치한 외통(26)과, 이 외통(26)의 내측에, 선단을 0.5∼5mm의 두께를 가지는 바닥판(27)에 의하여 막은 중공 통상의 양극 전극(이하, 전극이라 한다)(28)을 가지고 있다.

이 전극(28)과 외통(26)은 각각, Cr, Ni, Zr, Co, Be, Ag 등의 한 종류 이상을 첨가한 Cu 합금(동을 제외), 텅스텐(W)에, Cu, Cr, Ni, Zr, Co, Be, Ag 등의 한 종류 이상을 첨가한 W 합금, 또는 W 등의 재질을 사용하여 형성되어 있다.

외통(26), 즉, 이중관(21)의 내벽과 전극(28)의 외주 사이에는 염화비닐, 테플론 등으로 이루어지는 통기공(29a)을 가지는 중공의 원주형（환상) 절연 블록(29)이 끼워넣어져 있고, 절연 블록(29)을 스페이서에 사용하여 아르곤 가스의 공급로(30)를 형성하고 있다.

또한, 전극(28)의 내부에는 그 중앙에 급수로(31)를 가지고, 그 선단에 확장부(32)를 가지는 통상의 냉각수 디바이저(냉각수 분할부재)(33)가 구비되어 있다. 이 냉각수 디바이저(33)의 선단은 전극(28) 바닥판(27)과 0.5∼3mm의 간극을 가지 고 있다. 또한, 냉각수 디바이저(33)와 전극(28) 내벽의 사이에는 바닥판(27)의 간극에 연통된 배수로(34)가 형성되어 있다.

또한 전극(28) 상방의 외주부에는 염화비닐, 강화플라스틱 등으로 이루어지는 통상의 절연체(35)를 끼워 넣어, 전극(28)에 통전한 때에 외통(26)과의 전기적인 단락을 방지하고 있다.

또한, 음극 토치(20b)에 대하여는 양극 전극(28) 대신에 음극 전극을 구비하고 있는 점 이외에는 전술한 양극 토치(20a)와 동일한 구성이며, 그에 대한 설명은 생략한다.

다음으로, 본 발명의 일실시 형태에 관한 용강 가열에 사용하는 플라즈마 토치를 적용한 용강 가열 장치(10)의 동작에 대하여 설명한다.

턴디쉬(13)에 수탕한 용강(11)을 침지 노즐(12)로부터 주형에 주탕할 때에, 턴디쉬(13) 중의 용강(11)의 잔량이 적어지거나, 혹은 주탕시간이 길어지는 경우, 용강(11)의 온도가 방열에 의하여 통상 0.1∼0.5℃/분으로 저하된다.

이 용강(11)의 온도 저하를 방지하기 위하여, 진퇴장치를 작동하여 양극 토치(20a)와 음극 토치(20b)를 각각, 뚜껑(17)에 설치한 삽입구(14)와 삽입구(15)로부터 가열실(16)에 삽입한다. 또한, 양극 토치(20a)와 음극 토치(20b)를 하강시켜, 양극 토치(20a)와 음극 토치(20b)의 선단이 용강(11)의 표면으로부터 100∼500mm의 간격을 가지고 상방에 위치하도록 유지한다.

이중관(21)의 내부에 설치한 냉각수 디바이저(24)에 의하여 형성된 송수로(22)에는 200NL/분으로 냉각수를 공급하여 양극 토치(20a) 및 음극 토치(20b)를 냉각한다. 송수로(22)에 공급된 냉각수는 외통(26) 바닥부(25)를 냉각하고 나서 배수로(23)를 지나가고, 외통(26)의 내측을 냉각하고 나서 배수된다.

또한, 통상의 전극(28)의 중앙에 설치한 급수로(31)에, 120NL/분으로 냉각수를 공급한다. 냉각수는 냉각수 디바이저(33)를 따라서 배수로(34)를 흐름으로써 전극(28) 바닥판(27)과 전극(28)의 외주부를 냉각하여, 선단부나 동체 등의 온도 상승을 방지한다.

동시에, 전극(28)과 외통(26) 사이에 형성된 공급로(30)에, 절연블록(29)의 통기공(29a)을 통하게 하고, 300∼1000ＮＬ/분으로 아르곤 가스를 공급한다. 이 아르곤 가스는 전극(28)의 주위를 싸고, 또한 용강(11)을 향하는 아르곤 가스류를 형성하며, 분위기를 아르곤 가스에 의하여 치환하는 동시에, 플라즈마 형성용 가스로서 이용된다.

또한, 직류 가전장치(18)에 따라 양극 토치(20a)에 1000∼5000 암페어의 전류를 통전한다. 이로써 양극 토치(20a)의 전극(28) 바닥판(27)으로부터 직접 플라즈마 아크가 용강(11)을 향하여 형성된다. 또한 도 1 중 화살표로 나타내는 바와 같이, 음극 토치(20b)에도 전류가 흘러, 용강(11)의 표면과 음극 토치(20b)의 사이에도 플라즈마 아크가 형성된다. 또한, 플라즈마 아크열 및 저항열, 또한 이들의 복사열 등에 의하여 용강(11)이 가열된다.

가열시는 전극(28)의 바닥판(27)의 표면에, 플라즈마 아크의 열이나 용강(11)의 복사열 및 밀봉(seal)용 아르곤 가스의 서멀 핀치 작용에 의하여 플라즈마 아크가 중앙에 집중되거나, 플라즈마 아크나 아르곤 가스류에 의한 용강(11) 의 스플래쉬가 발생하기 때문에, 전극(28) 바닥판(27) 표면이 심한 부하를 받는다.

그러나, 전극(28) 및 바닥판(27)에, 순동이나 무산소 동 등과 같은 연화 온도가 150℃ 이하인 것을 제외한 150℃ 초과의 연화 온도를 가지는 재료, 예를 들면, Cr, Ni, Zr, Co, Be, Ag 등의 한 종류 이상을 첨가한 Cu합금, 텅스텐(W)에 Cu, Cr, Ni, Zr, Co, Be, Ag 등의 한 종류 이상을 첨가한 W합금, 또는 W 등의 재질을 사용하기 때문에, 전극(28) 및 바닥판(27)의 내열 강도가 높아지고, 플라즈마 아크의 열이나 용강(11)의 복사열에 대한 내용손성 및 스플래쉬 등에 대한 내마모성을 발현할 수 있으며, 그 밖에도 바닥판(27)이 복사열이나 플라즈마 아크의 집중, 냉각수의 수압 등에 기인하여 생기는 볼록부의 형성을 억제할 수 있다.

또한, 전극(28) 바닥판(27)의 표면을 거의 평활하게 유지하여, 바닥판(27) 표면의 국부적인 볼록화에 의하여 일어나는 급격한 용손을 방지할 수 있다.

또한, Cu합금으로서는 Cu-Cr, Cu-Cr-Zr, Cu-Zr, Cu-Be-Co, Cu-Ni, Cu-Ag등이 있고, W합금으로서는 W-Cu, W-Cu에 Cr, Ni, Zr, Co, Be, Ag의 한 종류 이상을 첨가한 합금 등이 있다. 또한 W만을 사용할 수도 있다.

전극(28)에 사용하는 재료를 단지 고연화 온도의 재료로 바꾸면, 전극과 외통에 사용한 재료의 전기전도도의 차에 의하여 사이드 아크가 발생하거나, 착화 불량 등의 플라즈마 아크의 불안정화 등을 초래하게 된다.

이 사이드 아크나 착화 불량 등을 방지하기 위하여, 전극(28) 재질의 전기 전도도(D)와 외통(26)의 재질의 전기전도도(N)이 아래의 식을 만족하도록 재료의 선택을 한다.

0.2≤D/N<1.0

이 때, D/N을 사용한 것은 전극과 외통의 전기전도도의 지표로서 일반적으로 사용되고 있는 시멘스/미터인 S/m을 사용하면, 플라즈마 토치에 발생하는 사이드 아크나 착화 불량, 전극과 외통에 생기는 용손 및 마모 등을 높은 정밀도로 판별할 수 있기 때문이다.

전극(28)의 재질의 전기전도도(D)와 외통(26)의 재질의 전기전도도(N)을 소정의 범위로 함으로써 전기전도도에 기인하는 사이드 아크의 발생을 안정적으로 억제하고, 내용손성을 발현하여 플라즈마 토치(20a, 20b)의 수명 연장을 도모할 수 있다. 또한, 전극(28)으로부터 용강(11)의 표면을 향하는 플라즈마 아크를 형성하지 않는 착화 불량이나, 플라즈마 아크의 불안정화 등을 방지할 수 있고, 가열 작업이나 주조 작업을 안정적으로 할 수 있다.

특히, 재질을 선택하여, D/N의 하한치를 0.32로 함으로써 전극(28)과 외통(26)의 전기전도도의 차를 줄일 수 있고, 전기전도도에 기인하는 사이드 아크의 발생을 급격하게 저하시킬 수 있어, 보다 바람직한 결과가 얻어진다.

또한 공급로(30)의 기단으로부터, 300∼1000NL/분으로 아르곤 가스를 공급한다. 이 공급에 의하여 아르곤 가스가 전극(28)의 주위를 에워싸고, 또한, 용강(11)의 표면을 향하는 충분한 흐름을 형성할 수 있기 때문에, 양극 토치(20a)의 주변 냉각을 실시하는 동시에, 아르곤 가스류에 의하여 주위와의 차단 효과가 높아지고, 아르곤 가스의 일부가 이온화되어, 전극(28)으로부터 용강(11)을 향하는 플라즈마 아크를 안내하고, 전극(28)의 표면으로부터 용강(11) 사이에 양호한 플라즈마 아크 를 형성할 수 있다. 그 결과, 아르곤 가스의 이온화의 촉진에 의하여 플라즈마 아크가 흐트러지는 것을 억제하는 효과가 보다 향상되고, 플라즈마 아크를 안정시킬 수 있다.

또한, 플라즈마 아크의 흐트러짐을 억제함으로써, 전극(28)과 용강(11) 표면 사이 이외의 외통(26) 바닥부(25) 등에 단락하는 사이드 아크를 보다 확실하게 방지할 수 있다.

또한 외통(26)에 사용하는 재질에 관하여는, 전극(28)과 마찬가지로, 순동이나 무산소동 등과 같은 연화 온도가 150℃ 이하인 것을 제외하고, 연화 온도가 150℃ 초과인 Cr, Ni, Zr, Co, Be, Ag 등의 한 종류 이상을 첨가한 Cu 합금 및 텅스텐(W)에, Cu, Cr, Ni, Zr, Co, Be, Ag 등의 한 종류 이상을 첨가한 W합금이나, W 등의 재질을 사용할 수 있다.

또한, 외통(26)의 내열 강도가 높아지고, 플라즈마 아크의 열이나 용강(11)의 복사열 및 플라즈마 아크나 아르곤 가스류에 의한 용강(11)의 스플래쉬에 의하여 생기는 외통(26) 및 그 바닥부(25)의 용손이나 마모를 방지할 수 있다. 또한, 플라즈마 아크를 안정적으로 형성할 수 있고, 턴디쉬(13)중에 저탕된 용강(11)을 플라즈마 아크열 및 저항열, 및/또는 이것 등의 복사열에 의하여 가열하여, 온도 저하를 방지할 수 있다. 그 결과, 용강(11)을 주형에 주탕하는 침지 노즐(12)의 막힘을 억제하여 불순물(개재물)의 분리를 촉진하고, 주편의 품질 향상 및 주조 작업 안정화를 꾀할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 일실시예에 관한 용강 가열에 사용하는 플라즈마 토치에 대하여 설명한다.

레이들로부터 턴디쉬에 40톤의 용강을 수탕하고, 침지 노즐로부터 주형에 주탕중에 레이들의 잔탕이 20톤이 된 시점에서, 10℃의 용강온도의 저하가 예상되었기 때문에, 턴디쉬의 뚜껑에 설치한 삽입구 등, 전극과 외통이 전기전도도가 다른 재질로 이루어지는 양극 토치와 음극 토치를 삽입하고, 그 선단이 용강 표면으로부터 300mm의 위치가 되도록 하강시켜 유지하였다.

이 양극 토치 및 음극 토치의 전극과 외통의 사이에 형성된 공급로에서 공급하는 아르곤 가스량을 변화시키고, 200V, 3000 암페어의 전류를 흘려 보내어 플라즈마 아크를 발생시키고, 용강을 10℃ 승온하였다.

또한, 비교예로서, 용강의 가열을 실질적으로 동일한 조건으로 실시하고, 외통을 W로 하고, 전극에 WC(텅스텐 카바이트) 75질량%, Cu 25질량%의 합금을 사용하여, [전극의 전기전도도(D)]/[외통의 전기전도도(N)]가 1인 경우(×로 나타낸다)의 양극 토치에 있어서 사이드 아크의 발생 지수를 1로 하였다. 그 결과를 도 3에 도시한다.

전극을, WC(텅스텐 카바이트) 70질량%, Cu 30질량%의 합금으로 하고, 외통을 Cu 97질량%, W 3질량%의 합금으로 하여, [전극의 전기전도도(D)]/[외통의 전기전도도(N)]이 0.22, 플라즈마 형성용 아르곤 가스를 300NL/분으로 공급한 경우(●으로 나타낸다), 사이드 아크의 발생 지수가 0.20이 되었다.

또한, 전극에 W를 사용하고, 외통을 Cu 98.8질량%, Ni 1질량%, P(인) 0.20질량%의 합금으로 하여, [전극의 전기전도도(D)]/[외통의 전기전도도(N)]이 0.589, 플라즈마 형성용 아르곤 가스를 300NL/분으로 공급한 경우(■으로 나타낸다), 사이드 아크의 발생 지수가 0이 되었다.

또한 전극을 Cu 23질량%, W 78질량%의 합금으로 하고, 외통, Cu 25질량%, W 75질량%의 합금으로 하며, [전극의 전기전도도(D)]/[외통의 전기전도도(N)]이 0.94, 플라즈마 형성용 아르곤 가스를 600NL/분으로 공급한 경우(○으로 나타낸다), 사이드 아크의 발생 지수가 0.1이 되었다.

또한 플라즈마 토치의 용손에 대하여도 [전극의 전기전도도(D)]/[외통의 전기전도도(N)]이 본 발명의 범위를 만족한 것에 관하여는 내용손성, 내마모성이 양호하고, 플라즈마 토치의 수명을 연장할 수 있었다.

그러나, 외통을 W로 하고, 전극에 WC(텅스텐 카바이트) 75질량%, Cu 25질량%의 합금을 사용하고, [전극의 전기전도도(D)]/[외통의 전기전도도(N)]을 1.0으로 한 경우와, 공급하는 아르곤 가스량 800NL/분, 1000NL/분으로 증량하고, 다른 가열 조건을 동일하게 한 경우에 대하여는 어느 것이나, 사이드 아크의 발생지수가 1이 되고, 수명이 대폭적으로 저하되었다.

또한, [전극의 전기전도도(D)]/[외통의 전기전도도(N)]이 0.2 미만이고, 공급하는 아르곤 가스량을 800NL/분, 1000NL/분으로 증량한 경우에 대하여는 어느 것이나 사이드 아크의 발생 지수가 1.4가 되어 나쁜 결과가 되었다.

또한, 양극 전극 재료로서 대표적인 재질의 전기전도도와 그 특성을 표 1에 나타낸다.

	예1		예2		예3
전극재질	재질 1	재질 2	재질 1	재질 2	재질 1	재질 2
전극재질	W	Cu	W	Cu	WC	Cu
재질 질량비율(%)	70	30	80	20	70	30
전기전도도(S/m)	17		16		12
특성	열전도성, 내아크성이 우수하다				예 1, 2에 비하여 열전도성을 유지하면서 내아크를 높였다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 형태에 한정되는 것은 아니며, 요지를 일탈하지 않는 범위에서의 조건의 변경 등은 모두 본 발명의 적용 범위이다.

예를 들면, 양극 토치의 전극의 재료로서는 연화 온도가 150℃초과이고, 전기 전도성을 가지는 순동을 제외한 다른 금속 또는 합금을 사용할 수 있다. 또한, 외통에 있어서도 연화 온도가 150℃ 초과이고, 내용손성, 내마모성을 가지는 다른 금속 혹은 합금을 사용할 수 있다.

또한, 플라즈마 토치에 사용하는 플라즈마 형성용 가스로서는 아르곤 가스 이외에, 질소가스, 핼륨가스, 네온가스 등을 사용할 수 있고, 또 아르곤 가스와 이들 가스를 혼합하여 사용할 수 있다.

본 발명의 용강 가열에 사용하는 플라즈마 토치는 바닥이 막힌 이중관으로 이루어지는 외통과, 외통의 내부에, 이중관의 내측과 간격을 두고 장착된 바닥이 있는 통상의 양극 전극을 구비하는 플라즈마 토치에 있어서, 양극 전극의 재료로서, 순동을 제외하고, 재료의 연화 온도가 150℃ 초과이고, 외통의 전기전도도(N)에 대한 양극 전극의 전기전도도(D)의 비가 소정의 범위(0.2∼1.0)를 충족하고 있으므로, 플라즈마 아크나 용강의 복사열, 스플래쉬 등에 기인하는 전극 선단의 용손 혹은 마모 등을 억제할 수 있다.

동시에, 냉각수의 압력 등에 의한 팽창을 억제하여 양극 전극의 표면을 평활하게 유지하고, 플라즈마 아크의 집중에 의한 용손을 방지하며, 또한, 사이드 아크를 없애고, 양극 토치의 장수명화를 가능하게 하여, 주조 조업의 안정화나 주편의 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 용강 가열에 사용하는 플라즈마 토치에 있어서, 플라즈마 형성용 아르곤 가스의 공급량을 300∼1000NL/분으로 하면 전극으로부터 용강 표면을 향하는 플라즈마 아크의 흐트러짐을 없애고, 전극과 외통과의 전기적인 단락을 억제하여 사이드 아크를 방지하고 플라즈마 토치의 수명을 대폭적으로 향상할 수 있으며, 또한 아르곤 가스의 이온화를 촉진하여 플라즈마 아크를 안정시키고, 가열 효과를 높일 수 있다.

Claims

환상으로 바닥이 막힌 이중관으로 이루어지는 외통과, 상기 외통의 내부에 상기 이중관의 내측과 간격을 두고 장착된 바닥이 있는 통상의 양극 전극을 구비하는 플라즈마 토치에 있어서,

2시간 가열로 최대 경도의 35%로 경도가 저하되는 온도를 연화 온도로 정의할 때에, 상기 양극 전극은 연화 온도가 150℃를 초과하는 재료로 이루어지고,

상기 외통의 전기전도도(N)에 대한 상기 양극 전극의 전기전도도(D)의 비가 아래 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 용강 가열에 사용하는 플라즈마 토치.

0.2≤D/N＜1.0