KR100715292B1 - 소재용융 공정용 고출력 공동형 플라즈마 토치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각종 소재공정에 있어서 대상물을 고온에서 완전용융 처리하여 이를 제품화할 수 있도록 열원을 제공하는 열플라즈마 토치에 관한 것으로, 기존 전극 및 기체주입부분의 구조 개선을 통해 고전압 운전에 의한 고출력화가 가능하여 고출력 운전에서도 전극침식이 거의 없으며, 또한 안정한 플라즈마 제트를 장시간 발생 시킬 수 있어 공정의 신뢰성을 보장할 수 있는 이송식 직류 열플라즈마 토치 제작에 관한 것이다. 먼저, 고출력의 열플라즈마를 발생시키기 위해 속이 빈 공동형의 전극(7)과 발생된 아크기둥을 압축하고 반대 전극 역할을 하는 처리 대상물쪽으로 집속시키기 위한 원통형 노즐(11)을 사용하였다. 속이 빈 공동형 전극(7)과 원통형 노즐(11)은 주로 무산소동을 사용하여 제작하나, 대상물이 도전재인 경우 대상물과 동일한 재질을 선택함으로써, 전극침식이 필연적으로 수반되는 경우에도 전극침식에 따른 오염의 피해를 최소화 하도록 하였다. 같은 기체유량 조건에서 빠른 축 방향속도와 큰 와류운동을 전극내부에서 발생시켜 운전전압을 상승시킴으로써, 대전류 운전에 의한 고출력보다는 고전압 운전에 의한 고출력화가 이루어지도록 하여 운전시 전류에 의한 전극침식을 최소화 하였다. 제안된 기체주입방법으로 발생된 강력한 와류는 또한, 운전시 아크점이 토치 외부에서 자유롭게 움직이는 것을 방지하여 다양한 조업환경에서도 안정한 방전을 유지할 수 있는 효과도 가지고 있다. 마지막으로 냉각수 유로 구조의 개선을 통해 효율적인 토치 냉각이 이루어지도록 설계하여 고온의 용융로에서도 장시간 고출력 운전이 가능하도록 하였으며, 고온기체에 직접 노출되는 부분(12)은 열전도율이 좋은 재료를 사용하여 제작하고 절연 코팅 처리함으로써 운전시 이중방전(double arcing)과 같은 이상방전으로부터 제트가 불안정해지는 것을 원천적으로 방지하였다. 동시에, 대부분의 토치부품 조립에 있어서 나사체결 방식을 채택함으로써, 부품 손상시 분리와 교체가 손쉽게 하여 토치 유지보수에 대한 부담을 최대한 줄일 수 있는 장점도 있다. 이렇게 제작된 소재용융 공정용 고출력 공동형 열플라즈마 토치는 금속 정련 및 제련, 반도체재료 및 생체재료 개발, 분말제조, 폐자원으로부터 금속회수 등 각종 소재산업에서 대상물의 완전용융에 필요한 핵심 열원으로써 장착되어 유용하게 사용되리라 예상된다.

Description

소재용융 공정용 고출력 공동형 플라즈마 토치 {High Power Plasma Torch with Hollow Electrodes for Material Melting Process}

도 1은 본 발명의 소재용융 공정용 공동형 플라즈마 토치의 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 소재용융 공정용 공동형 플라즈마 토치의 공동형 전극과 노즐의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 소재용융 공정용 공동형 플라즈마 토치의 기체주입부 및 토치출구 근처의 상세 단면도.

도 4a, 4b는 본 발명에 따른 소재용융 공정용 공동형 플라즈마 토치 내부에서 냉각수의 흐름을 보여 주는 단면도

도 5a,5b는 본 발명에 따른 소재용융 공정용 공동형 플라즈마 토치 내부에서 아크 기체의 흐름을 보여주는 단면도

도 6은 본 발명에 따른 소재용융 공정용 공동형 플라즈마 토치의 기체주입링의 측면도

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 전극몸체지지대 2 : 절연부분Ⅰ

3 : 삽입체 4 : 겉몸체

5 : 전극몸체 6 : 절연부분Ⅱ

7 : 토치전극 8 : 노즐몸체지지대

9 : 기체주입링 10 : 노즐몸체

11: 노즐 12 : 앞뚜껑

본 발명은 원료물질 또는 스크랩 형태로 공급되는 각종 소재를 고온에서 완전 용융시켜 새로운 고부가가치 소재 또는 제품을 제조하는데 필요한 열플라즈마를 발생시키는 플라즈마 토치의 설계와 제작에 관한 것으로, 기존의 전극 및 기체주입부분의 구조를 개선하여 고전압 운전에 의한 고출력화가 가능하고, 발생된 열플라즈마 제트의 안정성을 향상시켜 공정의 신뢰성과 재현성을 확보할 수 있어 장시간 고출력 운전에서도 건전한 소재용융 공정이 가능한 이송식 직류 열플라즈마 토치 제작에 관한 것이다.

플라즈마 토치는 운전조건의 조절이 용이하고 전력과 불활성 기체를 주로 사용하기 때문에 조업중 유해한 물질이 전혀 발생되지 않는 청정기술이며, 장치의 크기가 매우 작고 기존의 연소반응으로 도달할 수 없는 높은 온도(2,000 K ~ 10,000 K)와 열량을 제공할 수 있어서, 오래 전부터 용사, 신물질 합성, 금속의 정련과 제련 등에서 활용되어 신소재 및 극한기술로 개발되어 왔다. 현재도 그 우수한 성능이 인정받아 첨단 소재분야에서 중요한 핵심기술로 평가받고 있다.

열플라즈마에 의한 소재공정 기술은 상기한 바와 같이 기존 경쟁기술과 구별되는 뛰어난 특성을 가지고 있는 반면, 전기를 원료로 사용하고, 조업 도중 불활성 기체를 지속적으로 공급해야 하기 때문에 소량생산을 목적으로 하는 경우 운전비가 비싸다는 단점도 가지고 있다. 또한, 발생된 열플라즈마를 조업환경에 적합하도록 정밀하게 제어하는 절차가 매우 까다로워 전문적 지식을 구비하지 못한 작업자가 이를 수행하는 경우에 불안정한 열플라즈마 제트 발생을 초래할 수 있음으로써 작업자 안전의 위협은 물론 최종산물의 질을 저하시키는 문제점도 가지고 있다. 이와 같은 이유로 오래전부터 여러가지 종류의 소재용융용 플라즈마 토치가 존재해 왔음에도 불구하고, 국내에서는 지금까지 소재용융 분야에 열플라즈마를 직접 적용한 예를 찾아보기가 거의 힘든 상황이며, 이에 따른 소재용융용 토치의 상업화와 관련 산업분야의 발전에 있어서 많은 어려움을 겪고 있다.

최근, 고기능성 신소재 개발과 자원 재활용에 대한 관심이 증대되면서, 활성이 큰 고융점 금속의 정련 및 제련을 중심으로 각종 분말제조 및 합성, 폐자원으로부터 유용한 금속회수 등의 소재산업 분야에서 열플라즈마 기술을 적용하려는 적지 않은 시도들이 보고되고 있다. 상기 응용 분야에서는 소재 자체 및 그 적용분야의 특수성 때문에 열플라즈마 기술만이 유일한 해법으로 여겨지고 있으며, 또한 이들 재료들이 갖는 고부가가치는 상기한 열플라즈마 기술의 기술적 한계에도 불구하고 열플라즈마 기술을 적용하는데 있어서 커다란 추진력으로 작용하고 있다. 특히, 실제 상업적 응용에서는 주로 토치 운전을 수백 kW급 이상으로 고출력화하여 대량의 소재를 단시간에 용융 처리함으로써 경제성 문제를 극복하고, 더불어 열플라즈 마 토치 개선을 통해 조업중 플라즈마 제트의 안정성을 높임으로써 공정의 신뢰성을 확보하는 방향으로 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 토치를 고출력으로 운전하는 경우 토치 운전전류가 높아 전극침식이 가속화되어 전극수명이 짧아질 뿐만 아니라, 침식된 전극을 교체하기 위해 공정을 수시로 중단하여야 하고 공정 분위기도 파괴해야하므로 작업능률과 공정의 질이 동시에 떨어지는 단점이 있다. 무엇보다도 조업시 전극침식물이 용탕에 혼입되면 대상 소재의 순도 및 성분비의 변화를 초래하게 되어 최종제품의 성능을 현격히 저하시키는 커다란 문제점을 가지고 있다. 또한, 출력이 증가함에 따라 용융로 내부에 발생된 열플라즈마 제트의 고온영역이 반경방향으로 확장되어 방전이 토치와 대상물 사이 이외 다른 곳에서도 발생 가능하게 되고, 이는 공정시 주 방전이 심하게 불안정해지는 원인으로 작용한다. 이러한 열플라즈마 제트의 불안정성은 공정의 효율은 물론 작업자의 안전 측면에서도 부정적인 영향을 갖고 있다. 따라서, 열플라즈마를 기반으로 하는 소재 용융기술의 성공적인 확보와 관련기술의 활성화를 위해서는 고출력 운전에서도 전극침식이 적고, 이상방전 없이 안정한 열플라즈마 제트를 장시간 발생시킬 수 있는 열플라즈마 토치 개발이 무엇보다도 시급한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 토치가 갖는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고출력 운전에 따른 전극침식을 최소화하여 용융 대상물에 대한 오염이 적고, 장시간 고출력 운전이 가능하여 다양한 소재들을 짧은 시간에 대량으로 처리함으로써 열플 라즈마 공정의 경제성을 한층 더 제고시킬 수 있는 토치를 제공하는 것이다.

또한 발생된 열플라즈마 제트의 안정성을 향상시켜 공정의 신뢰성과 재현성을 확보할 수 있도록 기존의 토치를 개선하는 것이다.

효율적인 냉각수 유로 설계 개념을 도입하고 고온기체에 노출되는 부품을 절연코팅 처리하여 공정 도중 이중방전(double arcing)과 같은 이상방전을 최소화함으로써 공정의 신뢰성 확보를 꾀하였다.

본 발명의 다른 목적과 이점은 후술하는 상세한 설명에 의해 명확해 질 것이다.

상기한 바와 같은 목적의 달성을 위하여 본 발명은 소재용융 공정용 고출력 공동형 플라즈마 토치를 제공하는데 상기 플라즈마 토치는,

원료물질 또는 스크랩 형태로 공급되는 각종 소재를 용융할 수 있는 열플라즈마를 발생시키는 이송식 열플라즈마 토치에 있어서,

속이 비어 있는 공동형 전극(7)과

상기 공동형 전극(7)과 소정 간격을 이루어 상기 공동형 전극의 전방에 설치되어 기체주입로를 형성하는 원통형 노즐(11),

상기 기체주입로의 외주를 따라 감싸듯이 형성되어 상기 기체주입로에 아크기체를 공급하는 기체주입링(9)을 포함하는데,

상기 기체주입링(9)의 직경은 상기 공동형 전극(7) 직경의 2.5배 이상이고,

상기 공동형 전극(7)과 상기 원통형 노즐(11)이 서로 근접하는 부분의 양 끝단은 각각 볼록한 형태로 서로 마주보는 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기 플라즈마 토치는 단일 냉각수 유로에 의해 냉각되는데, 상기 공동형 전극의 타단은 전극몸체(5)에 결합되고 상기 전극몸체(5)의 타단은 다시 원통형의 전극몸체지지대(1)와 결합되는데, 상기 전극몸체지지대(1)로 주입된 냉각수는 전극몸체내에 형성된 구멍(42)을 통해 원통형 전극과 상기 원통형 전극을 감싸는 절연부분II(6)사이의 간극에 의해 형성되는 환단면 형태의 관(43) 내부의 유로를 따라 흐르고, 상기 환단면 형태의 관(43)은 상기 절연부분II(6)에 비스듬하게 형성된 구멍(31)에 연결되며,

상기 전극몸체지지대 외주에 상기 전극몸체지지대를 감싸며 형성된 절연부분I(2)의 외부를 감싸는 삽입체(3)의 말단에 연장되어 결합되는 노즐몸체지지대(8)와 상기 노즐몸체지지대의 내부에 노즐몸체(10)의 일부가 결합되는데,

상기 절연부분II(6)의 구멍(31)은 상기 노즐몸체지지대(8)와 상기 절연부분I(2)사이에 형성되는 통로에 연결되며 상기 통로는 다시 상기 노즐몸체(10)내부에 형성된 구멍(36)에 다시 연결되며 상기 냉각수 통로는 상기 노즐몸체를 덮는 앞뚜껑(12)과 노즐몸체 사이에 형성되는 유로를 돌아 상기 삽입체(3)와 상기 삽입체의 외부에 형성되어 토치 전체를 지지하는 겉몸체(4)사이에 형성된 유로에 연결되어 상기 유로를 따라 냉각수가 이동하는 것일 수 있다.

상기 유로의 간격은 모두 동일하되 간격이 넓어지는 곳에는 돌출부분(27)을 두어 간격을 유지하는 것일 수 있다.

상기 노즐몸체와 상기 앞뚜껑사이에 형성된 유로와 상기 원통형 전극과 상기 절연부분II(6) 사이에 형성된 유로의 간격은 바람직하게는 2mm 내외일 수 있다.

상기 전극몸체(5), 절연부분(6), 노즐몸체(10)에 형성된 구멍(42,31,36)은 경사지게 형성되는데 그 방향이 엇갈리게 형성되어 냉각수 흐름에 와류를 형성시킴으로써 효율적인 열전달이 이루어지도록 하는 것일 수 있다.

상기 와류 방향이 상기 노즐몸체지지대(8)와 상기 노즐몸체(10) 사이의 나사(33) 체결방향과 동일하도록 상기 구멍(42,31)이 형성되어, 장시간 조업시 진동에 의해 상기 부품이 풀리는 것을 방지하는 효과를 갖도록 설계된 것일 수 있다.

상기 앞뚜껑(12)의 전면부(38)를 절연코팅하고, 대상물 쪽으로 볼록하게 가공하여 발생된 아크점이 앞뚜껑(12)에 부착되지 않으며, 동시에 모서리(39) 부분을 부드러운 곡면 처리하여 전기장 집중에 따른 이상방전 및 이중방전 (double arcing)을 최소화하는 것일 수 있다.

상기 공동형 전극(7)과 상기 원통형 노즐(11) 사이의 가장 가까운 거리는 2 mm 일 수 있다.

상기 공동형 전극(7)의 길이 l_c와 상기 원통형 노즐(11)의 길이 l_a는 다음의 관계식 2d_c≤l_c≤6d_c, 2d_a≤l_a≤4d_a 을 만족하고, 여기서 d_c는 상기 공동형 전극의 직경, d_a는 상기 원통형 노즐의 직경일 수 있다.

이하 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 토치를 나타내는 단면도로서, 토치는 주로 무산소동으로 제작된 속이 빈 공동형 전극(7)과 초기 방전시 파일럿 전극 역할을 하며 정상 운전시에는 발생된 아크를 압축시키며 집속시켜주는 노즐(10)을 가지고 있고, 아크를 안정화시키기 위하여 와류 운동을 하게끔 아크기체를 주입 시켜주는 기체주입링(9)의 기본 구조를 가진다. 이 외에 전원과 냉각수를 동시에 토치에 공급하여 주는 전극몸체(5)와 전극몸체지지대(1), 전극(7)과 토치 겉몸체를(4) 절연시켜주며 아크기체의 통로역할을 하는 절연부분I(2)과 절연부분II(6), 노즐(11)을 고정시켜주는 노즐몸체(10)와 노즐몸체지지대(8), 냉각수와 아크기체의 통로를 형성하면서 노즐몸체지지대(8)와 연결되어 있는 삽입체(3), 그리고 토치의 내부를 감싸고 외관을 마무리 지으며 전원의 접지극과 연결되어 있는 겉몸체(4)와 앞뚜껑(12) 등으로 구성되어 있다. 부품의 개수를 줄여 조립상의 오차와 가공비용을 줄였으며, 주로 나사산 체결에 의한 조립 방식을 선택함으로써 부품 교체비용과 용접 열에 의한 열적 변형을 최소화 하였다.

상기 전극몸체(5)는 좌측 선단 외측에 나사산(13)을 제작하여 전극몸체지지대(1)와 체결시킴으로써 전원과 냉각수를 동시에 공급받기 용이하게 설계 하였으며, 전극몸체지지대(1)에는 외부로부터 냉각수와 전원을 공급받기 위한 닛블(14)과 날개(15)가 옆면에 가공되어 있다. 상기 전극몸체지지대(1)의 왼쪽 끝에는 6개의 볼트구멍(16)을 뚫어 토치를 용융로에 고정시키는데 활용하도록 하였으며, 절연과 아크 기체주입 통로 역할을 하는 절연체I(2)의 중심에 오링에 의해 고정된다. 상기 토치전극(7)은 주로 무산소동으로 제작되고, 속이 빈 공동형 형태이기 때문에 아크 점이 한 위치에 고정되지 않고 전극의 원주방향 또는 축방향으로 지속적으로 이동하게 되어 이로 인해 전극(7)의 침식을 감소시킬 수 있다. 상기 전극(7)은 밑면에 나있는 나사산(17)에 의해 전극몸체(5)와 연결된다.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 토치의 공동형 전극(7)과 노즐(11)의 구조를 나타내주는 단면도이다. 공동형 전극(7)의 위쪽 끝부분은 도 2가 보여주듯이 기체주입링(9) 근처에서는 넓다가(18) 점차적으로 좁아진 후에(19) 전극(7)의 내벽 쪽으로 갈수록 넓어지는 모양(20)을, 노즐(11)의 왼쪽 끝부분은 상기 노즐몸체(10)에서는 넓다가(21) 좁아진(22) 후에 노즐(11)의 내벽으로 향해서는 넓어지는 모양(23)으로 각각 제작되었다. 아크의 초기방전은 상기 전극(7)과 노즐(11)사이에 고주파 고전압을 인가하여 개시하며, 방전을 원활하게 시켜주기 위하여 전극(7)과 노즐(11)의 가장 가까운 부분(19,22)의 거리가 2 mm를 유지하도록 하였다. 한편 18과 21의 사이가 19와 22의 사이보다 가까우면 초기 방전이 18과 21 사이에서 발생하여 노즐몸체(10)의 일부분인 21에 손상이 일어나고 심지어 기체주입링(9) 마저도 파손되는 현상이 일어나므로 노즐몸체(10)와 기체주입링(9)의 보호를 위하여 18과 21사이의 거리가 19와 22사이의 거리보다 크게 제작하였다. 또한, 아크기체가 부드럽게 전극(7)과 노즐(11) 내로 입사되도록 하기 위하여 20과 23, 18과 21을 서로 대칭이 되게 하였다. 즉, 전체적으로 보면 기체주입링(9)을 통과한 기체가 흐르는 전극(7)과 노즐(11)이 근접하는 부위는 전극(7)과 노즐(11)이 각각 볼록한 형태로 서로 마주보는 형상이다.

상기 토치전극(7)과 원통형 노즐(11)은 주로 무산소동을 사용하여 제작함으로써 조업시 전극 표면으로부터 산소 유출에 따른 소재의 산화를 방지하였다. 원통형 노즐(11)은 초기방전을 제외하고는 주로 발생된 아크기둥을 압축하고 집속하는 역할을 하여 운전시 크게 소모되지 않으나, 토치 내부에 존재하는 공동형 전극(7)은 대전류 운전시 고온의 아크점이 직접 부착되는 곳으로 침식이 심하게 이루어지는 곳이다. 일반적으로 무산소동에 의한 소재 오염 정도는 그리 치명적이지 않다고 알려져 있으나, 소재의 순도를 우선시하는 반도체 및 생체재료 응용분야에서는 미량의 불순물도 대부분 허용하지 않는다. 따라서 상기와 같이 고순도화가 요구되는 공정에서는 용융 대상물이 도전재인 경우, 토치전극(7)을 대상물과 동일한 재질로 제작함으로써 고출력 운전에 따른 불가피한 전극침식이 진행되더라도 소재의 오염이 전혀 이루어지지 않아 초기 원료물질의 순도를 그대로 유지할 수 있도록 하였다.

전극(7)의 길이가 아크 길이에 비해 상대적으로 짧으면 전극(7)의 밑벽(24)에 아크점이 발생하여서 아크점이 한 위치에 고정되기 때문에 전극(7)의 침식이 급격히 증가하게 된다. 반대로 전극(7)의 길이에 비해 아크길이가 너무 짧으면 열플라즈마의 높은 온도로부터 전극벽면(25)으로의 열손실이 증가하게 되므로 토치의 열효율이 감소하게 된다. 따라서 본 발명에서는 아크점이 공동형 전극 하단부 벽 쪽에 부착되어 고른 전극침식이 이루어지고, 높은 열효율을 갖는 전극 길이를 전극직경의 6배 이내로 실험적으로 결정하였다. 동시에 상기 설계 목표에 부합하는 전극직경과 길이 비는 사용기체 및 운전조건에 따라 수시로 달라질 수 있으므로, 상황에 따라 전극몸체(5)만을 교체함으로써 전극 길이를 손쉽게 조절할 수 있도록 설계 하여 최소의 비용으로 전극 길이를 변경이 가능하도록 하였다.

도 3은 본 발명에 따른 공동형 플라즈마 토치의 기체주입부와 토치출구 근처의 단면도이다. 절연부분II(6)는 전극(7)과 겉몸체(4)를 전기적으로 절연시켜주는 역할을 한다. 도 1에 나타나듯이 절연부분II(6)는 아래쪽으로 전극몸체(5)와 나사산(26)에 의해 고정되며, 위쪽으로는 노즐몸체지지대(8)의 돌출부분(27)을 통해서 고정된다. 또, 절연부분II(6)에는 아크기체를 전극 및 노즐(7,11) 내부로 입사시키기 위한 환형통로(28)가 삽입체(3)를 이용하여 만들어져 있다. 또한, 도 3에서 알 수 있듯이 절연부분Ⅱ(6)에는 기체주입링(9), 절연부분II(6)와 노즐몸체(10)로 이루어진 공간(29)에 아크기체를 입사시키기 위한 구멍(30)과 냉각수의 통로가 되는 구멍(31)이 뚫려있다. 구멍(30,31)은 각각 6개씩 뚫어서 아크기체와 냉각수가 균일하게 흐르게 하였다. 노즐몸체지지대(8)는 삽입체(3)에 나있는 나사산(32)에 결합되며, 노즐몸체(10)는 노즐몸체지지대(8)의 우측에 나있는 나사산(33)에 의해 연결된다. 기체주입링(9)은 일정한 간격으로 뚫린 18개의 작은 구멍(34)을 통해 아크 기체를 빠른 속도로 전극내부로 균일하게 입사시켜주며, 고온에 직접 노출되므로 열에 잘 견디며 가공이 용이한 가공성 세라믹을 사용하여 제작하였다. 상기한 18개의 구멍(34)은 비스듬히 가공함으로써 구멍에 의해 주입되는 기체의 돌진 속도가 일부 회전 속도성분으로 변화되도록 하였고, 전극 내에서 기체의 와류운동의 증진에 따른 아크기둥의 수축을 유도하여 아크기둥이 차가운 전극 내벽(25)에 부딪어 불안정해지는 현상을 억제하도록 하였다. 앞뚜껑(12)은 겉몸체(4)와 나사식(35)으로 결합하고 노즐(11)은 노즐몸체(10)에 오링에 의해 고정된다. 노즐몸체(10)에는 냉각수의 통로 역할을 하는 6개의 구멍(36)이 비스듬히 뚫려있어 와류성분을 발생시켜 열전달 능력을 향상시킨다. 노즐(11)은 도 3에 나타낸 바와 같이 직경이 처리 대상물 쪽으로 이동함으로써 점점 확장되는 형태(37)로 제작하여 초기방전시 아크점이 노즐에서 대상물로 쉽게 전이될 수 있고, 발생된 고온 영역을 넓게 확장시킴으로써 열 전달량 측면에서 우수한 성능을 가지도록 설계하였다. 이때 노즐(11)의 길이는 발생된 아크기둥을 충분히 압축하여 집속시킴으로써 안정한 플라즈마 발생 및 유지가 가능하고, 동시에 과다하게 길지 않아 열손실에 의한 열효율이 급속히 떨어지지 않는 길이로 노즐(11) 직경의 2~4배 정도로 결정하였다. 이와 동시에 상기 앞뚜껑(12)의 전면부(38)를 절연코팅하고 대상물 쪽으로 볼록하게 가공하여 발생된 아크점이 앞뚜껑(12)에 부착되지 않으며, 모서리(39)부분을 부드러운 곡면 처리하여 전기장 집중에 따른 이중방전(double arcing)과 같은 이상방전을 최소화시킴으로써 안정한 열플라즈마 발생이 가능하도록 하였다.

상기 앞뚜껑(12)은 소재용융 공정시에 용융로 안에 위치하므로 고온의 기체와 용융물에 노출되어 훼손이 심한 부품이다. 따라서 본 발명에서는 이를 황동과 같은 열전도율이 좋은 재료로 제작하여 고온의 열유체나 비산하는 용융물에 의한 앞뚜껑(12)의 손상을 최소화 하였다. 또한, 가혹한 공정환경에 직접 노출되는 앞뚜껑(12)은 나사(35)체결 방식을 통해 겉몸체(4)에서 손쉽게 조립 및 분리되도록 하고, 가능한 간략한 구조로 설계하여 최소의 비용으로 이를 교체 가능하도록 함으로써 고출력 운전에 따른 토치몸체 손상으로 인한 부품 교체비용을 절감 시켰다.

도 4는 전극내부에 발생하는 아크기둥과 용융로 안의 고온의 기체와 용융물로부 터 전달되는 열에 의해 토치가 손상되는 것을 방지해주는 냉각수가 흐르는 경로를 나타내어 주는 단면도이다. 유로 설계시 고온의 열유체와 아크점에 직접 노출되는 토치전극(7), 노즐(11), 앞뚜껑(12)을 지나는 경우에서는 유로의 단면적을 축소시켜 냉각수를 가속시키고 동시에 높은 압력을 유지함으로써 국부적인 끓음 현상에 의한 열전달 저하를 막았으며, 그 외 부분에서는 계단(40)을 주는 방식으로 기존의 유로보다 단면적을 1.5 ~ 2 배 확장시킴으로써 전체적으로 총 압력 저항을 줄여 냉각수의 원활한 흐름이 이루어질 수 있도록 하였다. 전극몸체지지대(1)로 주입된 냉각수는 전극몸체의 내벽(41)을 통한 뒤 3개의 비스듬하게 뚫린 구멍(42)을 빠져나가고, 절연부분II(6)와 전극(7)사이의 환단면의 관(43)을 거쳐서 절연부분II(6)에 설치되어 있는 6개의 비스듬히 뚫어진 구멍(31)으로 향한다. 그 다음 절연부분II(6), 노즐몸체지지대(8)와 노즐몸체(10)로 이루어진 환단면의 관(44)을 거쳐서 노즐몸체(10)에 비스듬히 뚫려 있는 6개의 구멍(36)을 통과한 후에 다시 노즐몸체(10), 노즐(11)의 사이에 있는 환단면의 관(45)과 노즐몸체(10), 앞뚜껑(12)으로 이루어진 환단면의 관(46)을 각각 통과한다. 최종적으로 노즐몸체지지대(8), 삽입체(3), 그리고 겉몸체(4)로 이루어진 환단면의 관(47) 사이를 흘러서 겉몸체(4)에 뚫린 구멍(48)으로 토치 외부로 배출된다. 이 때, 구멍(42)와 구멍(31)은 같은 방향으로, 구멍(36)은 반대방향으로 비스듬히 뚫어서 냉각수의 와류 운동을 일으켜 냉각수가 구멍(42,31,36)에서 환단면의 관(45,46,47)으로 빠져나갈 때 같은 방향으로 계속 회전하게 함으로써 냉각수가 보다 균일하게 흐르도록 함과 동시에 냉각수의 와류운동 증진에 의한 열전달 능력을 향상시켜 장시간 고출력 운전에서도 토치 손상을 최소화 하였다. 또한, 상기 와류의 방향이 노즐몸체지지대(8)와 노즐몸체(10) 사이의 나사(33) 체결방향으로 형성되도록 하여, 장시간 조업시 기계적 진동에 의해 상기 부품이 풀리는 것을 방지하도록 함으로써 냉각수 누수에 의한 사고를 예방하였다.

도 5는 열플라즈마 발생을 목적으로 주입되는 아크 기체의 흐름 경로를 보여주는 단면도이다. 불활성 아크 기체는 삽입체(3)에 뚫려있는 구멍(49)에서 공급되어 절연부분(2,6)과 삽입체(3)로 이루어진 환단면의 공간(50)을 거치고 절연부분II(6)에 뚫려있는 6개의 구멍(30)을 통과한 뒤 절연부분II(6), 기체주입링(9)과 노즐몸체(10)로 이루어진 공간(29)에 입사된다. 그 후, 기체주입링(9)에 균일하게 뚫린 18개의 구멍(34) 통하여 전극(7)과 노즐(11) 사이로 들어가게 된다. 기체주입링(9)을 통해 주입된 기체는 충분한 와류운동을 거쳐 전극(7)내부로 진행하고 난 후, 전극 바닥면(24)을 맞고 노즐을 통하여 다시 토치 출구 쪽으로 향하게 된다.

장시간 고출력으로 건전한 소재 용융을 수행하기 위해서는 토치전극(7)의 침식을 줄여야 한다. 전극(7)의 침식은 아크점에 집중된 전류밀도의 크기에 비례하기 때문에 전극(7)의 침식을 감소시키려면 운전전류를 줄여야 한다. 그러나 원료물질을 대량으로 용융처리하여 공정의 경제성을 높이기 위해서는 고출력의 토치를 사용하여야 하므로 전극(7)의 침식을 감소시키기 위해 운전전류를 줄이면서 동시에 고출력으로 토치를 운전하기 위해서는 대신 운전전압을 증가시켜야한다. 운전전압을 크게하려면 아크의 길이를 길게 하여야 하며 이를 위해서는 기체의 동적 힘을 증가시켜야 한다. 동일한 아크 기체 유량에서 기체의 동적 힘은 아크 기체가 전극(7) 내부로 들어오는 와류 운동의 세기에 비례한다. 도 6에 나와 있듯이 아크 기체의 와류 운동을 크게 하기 위하여 기체주입링(9)에 뚫린 구멍(34)을 30ㅀ 이상 비스듬히 제작하였으며 회전방향으로의 아크 기체 속도가 균일하도록 하기 위해 18개의 구멍을 등간격으로 뚫었다. 또한 기체주입링(9)에서 발생한 아크 기체의 와류 운동이 전극내부까지 유지되도록 하기 위해 도 2에 나타낸 바와 같이 전극의 주입부(20,23)를 매끄럽게 가공하였으며, 전극의 주입부(20,23)과 기체주입링(9)에 뚫린 구멍(34)의 중심위치가 일치하도록 하였다. 전극(7)의 직경에 비해서 기체주입링(9)의 외경이 어느 정도 크지 않으면 아크 기체가 와류 운동을 일으킬만한 공간이 부족하기 때문에 와류 운동의 효과가 떨어지게 된다. 따라서 충분한 아크 기체의 와류 운동이 발생하도록 주입링(9)의 크기를 전극(7) 직경의 2.5배 이상 크게 설계하였다. 또한 노즐(11)의 직경을 토치 전극(7) 직경보다 약간 작게 설계하여 유입된 아크 기체가 노즐보다는 전극 내부쪽으로 향하게 함으로써, 전극(7) 내부가 가압되는 효과를 가져와 동일한 운전조건에서 고전압을 획득할 수 있도록 하였다.

고전압을 얻기 위해서는 아크길이를 늘리거나 전극내부압력을 상승시키는데 아크길이는 유입되는 아크기체의 동적힘과 관련이 있으며 이것은 다시 와류운동의 세기에 비례하게 된다. 이러한 효과를 위해서 기체주입링의 형상과크기를 달리하고 전극의 직경보다 작은 노즐을 사용하였는데 기체주입링구멍을 30도이상 비스듬히 가공하여 강력한 와류를 발생시켰으며 그 직경이 전극직경의 2.5배이상으로 하여 충분한 와류운동을 일으킬수 있는 공간을 확보하였으며 전극의 직경보다 노즐의 직경을 작게하여 전극내부가 가압될 수 있도록 하였다.

이상에서는 본 발명을 특정한 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명의 기술내용과 첨부된 청구범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가해질 수 있음은 당업자에게 명백하다. 따라서, 명세서 및 도면은 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아니라, 단지 예시하는 것으로 해석되어야 할 것이다

상기한 바와 같은 구성에 따라 본 발명에 의할 때 동일한 입력전력 및 기체유량 조건에서 높은 운전전압을 얻을 수 있도록 한 전극설계와 기체 주입방식은 운전시 상대적으로 낮은 전극 침식율을 보장하여 토치의 장시간 연속운전을 가능케 함은 물론 토치로부터 오염이 거의 없는 건전한 조업이 가능한 효과가 있으며,

대상물이 도전재인 경우 토치의 전극을 대상물과 동일한 재질로 제작함으로써, 고출력 운전에 따른 피할 수 없는 전극침식이 일어나는 경우에도 전극 침식물의 용탕 유입에 의한 오염 및 성분 변화를 최소화 하는 효과가 있다.

또한, 효과적인 냉각수 유로 설계개념과 열전도율이 높은 재료를 적극적으로 활용하여 전극 및 토치 몸체의 효율적인 냉각이 이루어지도록 한 설계는, 장시간 고출력 운전에서도 토치의 열적 손상을 최소화 하는 효과가 있다.

또한, 고온의 열플라즈마와 용융물에 직접 노출되는 토치 앞뚜껑은 절연코팅 처리하여 이중방전(double arcing)과 같은 이상방전을 억제하여 제트의 안정성을 확보하고, 나사(35) 체결에 의한 조립방식을 채택함으로써 고온 열유체 또는 비산하는 용융물에 의해 손상된 부위는 저렴한 비용으로 손쉽게 교체되도록 한 설계는 전체 적으로 낮은 보수비용을 유지하면서 작업능률을 높이는 효과가 있다.

이처럼 전극 설계와 기체주입 방법의 개선을 통해 동일 운전조건에서 전극내부에 빠른 기체 주입속도와 큰 와류운동을 발생시킴으로써, 대전류 운전에 의한 고출력 운전보다는 높은 운전전압에 의한 고출력화가 이루어지도록 하여 전극침식을 저감하는 한편, 발생된 강력한 와류성분은 열플라즈마 제트를 안정하게 유지하는데 도움이 되도록 하였다. 또한 불활성 기체를 플라즈마 기체로 사용하여 공정 도중 대상 소재의 성분변화를 억제하였으며, 동시에 대상물이 도전재인 경우 대상물과 동일한 재질을 사용하여 토치전극(7)을 제작함으로써, 전극침식이 필연적으로 수반되는 고출력 운전의 경우에도 전극침식에 따른 오염의 피해를 최소화 하도록 하였다.

Claims (9)

1. 원료물질 또는 스크랩 형태로 공급되는 각종 소재를 용융할 수 있는 열플라즈마를 발생시키는 이송식 열플라즈마 토치에 있어서,

   속이 비어 있는 공동형 전극(7)과

   상기 공동형 전극(7)과 소정 간격을 이루어 상기 공동형 전극의 전방에 설치되어 기체주입로를 형성하는 원통형 노즐(11)과,

   상기 기체주입로의 외주를 따라 감싸듯이 형성되어 상기 기체주입로에 아크기체를 공급하는 기체주입링을 포함하는데,

   상기 기체주입링(9)의 직경은 상기 공동형 전극(7) 직경의 2.5배 이상이고,

   상기 공동형 전극(7)과 상기 원통형 노즐(11)이 서로 근접하는 부분의 양끝단은 각각 볼록한 형태로 서로 마주보는 형상으로 형성되어 있으며,

   상기 플라즈마 토치는 단일 냉각수 유로에 의해 냉각되는데 , 상기 공동형 전극의 타단은 전극몸체(5)에 결합되고 상기 전극몸체(5)의 타단은 다시 원통형의 전극몸체지지대(1)와 결합되는데, 상기 전극몸체지지대(1)로 주입된 냉각수는 전극몸체내에 형성된 구멍(42)을 통해 원통형 전극과 상기 원통형 전극을 감싸는 절연부분II(6)사이의 간극에 의해 형성되는 환단면의 관(43) 내부의 유로를 따라 흐르고, 상기 환단면의 관(43)은 상기 절연부분II(6)에 비스듬하게 형성된 구멍(31)에 연결되며,

   상기 전극몸체지지대 외주에 상기 전극몸체지지대를 감싸며 형성된 절연부분I(2)의 외부를 감싸는 삽입체(3)의 말단에 연장되어 결합되는 노즐몸체지지대(8)와 상기 노즐몸체지지대의 내부에 노즐몸체(10)의 일부가 결합되는데,

   상기 절연부분II(6)의 구멍(31)은 상기 노즐몸체지지대(8)와 상기 절연부분I(2)사이에 형성되는 통로에 연결되며 상기 통로는 다시 상기 노즐몸체(10)내부에 형성된 구멍(36)에 다시 연결되며 상기 냉각수 통로는 상기 노즐몸체를 덮는 앞뚜껑(12)과 노즐몸체 사이에 형성되는 유로를 돌아 상기 삽입체와(3) 상기 삽입체의 외부에 형성되어 토치 전체를 지지하는 겉몸체(4)사이에 형성된 유로에 연결되어 상기 유로를 따라 냉각수가 이동하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 토치
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 유로의 간격은 모두 동일하되 간격이 넓어지는 곳에는 돌출부분(27)을 두어 간격을 유지하며 상기 유로를 계단식으로 형성하여 유로의 단면적을 확장하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 토치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 노즐몸체와 상기 앞뚜껑 사이에 형성된 유로와 상기 원통형 전극과 상기 절연부분II(6) 사이에 형성된 유로의 간격은 2mm 내외인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 토치
5. 제 1항에 있어서, 상기 전극몸체(5), 절연부분(6), 노즐몸체(10)에 형성된 구멍(42,31,36)은 경사지게 형성되는데 그 방향이 엇갈리게 형성되어 냉각수 흐름에 와류를 형성시킴으로써 효율적인 열전달이 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
6. 제5 항에 있어서, 상기 와류 방향이 상기 노즐몸체지지대(8)와 상기 노즐몸체(10) 사이의 나사(33) 체결방향과 동일하도록 상기 구멍(42,31)이 형성되어, 장시간 조업시 진동에 의해 상기 부품이 풀리는 것을 방지하는 효과를 갖도록 설계된 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 앞뚜껑(12)의 전면부(38)를 절연코팅하고, 대상물 쪽으로 볼록하게 가공하여 발생된 아크점이 앞뚜껑(12)에 부착되지 않으며, 동시에 모서리(39) 부분을 부드러운 곡면 처리하여 전기장 집중에 따른 이상방전 및 이중방전 (double arcing)을 최소화하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
8. 제 1 항 또는 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공동형 전극(7)과 상기 원통형 노즐(11) 사이의 가장 가까운 거리는 2 mm 인 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
9. 제 1 항 또는 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공동형 전극(7)의 길이 l_c와 상기 원통형 노즐(11)의 길이 l_a는 상기 공동형 전극의 직경 d_c와 상기 원통형 노즐의 직경 d_a와 다음의 관계식 2d_c ≤l_c≤6d_c, 2d_a≤l_a≤4d_a 을 만족하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 토치.

Images