KR101376626B1 - 트랜스퍼-아크 플라즈마 토치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉각제(21)에 의해 냉각되는 배럴(25) 및 상기 배럴 안으로 삽입된 전극을 포함하는 트랜스퍼-아크 플라즈마 토치에 관한 것이다. 전극은 소모성 재료로 만들어지며, 토치는 전극의 부식을 보상하기 위하여 전극에 상기 소모성 재료를 공급하는 수단(80)을 포함한다.

Description

트랜스퍼-아크 플라즈마 토치{Transferred-arc plasma torch}
본 발명은 플라즈마 토치(plasma torch)의 분야에 관한 것이며, 보다 상세하게는 트랜스퍼-아크 플라즈마 토치(transferred-arc plasma torch)에 관한 것이다.
플라즈마 토치들은 제어된 반응 환경의 매우 높은 온도에서 물질(고체, 액체 또는 기체)을 처리하는데 이용된다. 플라즈마 토치들은 전통적으로 특히 용접, 마킹(marking), 열적 스프레이(thermal spray) 및 폐기물 처리(waste treatment)에서 이용된다.
플라즈마는 이온화된 상태의 개스이며, 통상적으로 물질의 제 4 상태로서 간주된다. 대기압에서 개스의 이온화를 얻으려면, 플라즈마 토치들이 이용된다. 이것은 전기 아크 또는 전자기파(라디오 주파수 또는 마이크로웨이브)를 이용하여 개스의 이온화에 필요한 에너지에 기여한다. 본원에서는 오직 아크 토치들만 고려하게 되는데, 이것은 현저한 작동 파워에 도달할 수 있게 하는 기술만을 구성한다.
아크 토치(arc torches)들은 2 개의 범주로 구분되는데, 스프레이-아크 토치(sprayed arc torch) 및 트랜스퍼 아크 토치(transferred arc torch)로 구분된다. 스프레이 아크 토치의 경우에, 아크를 확립할 수 있게 하는 2 개의 전극들이 토치 안에 포함되고, 따라서 아크는 그 안에 제한된다. 아크 안에서 개스의 통과에 의해 발생되는 플라즈마 기둥(plume)은 토치의 외측으로 배출된다. 트랜스퍼-아크 토치의 경우에, 토치는 오직 하나의 전극을 포함하고, 아크는 토치와, 대응-전극의 역할을 하는 다른 재료 사이에서 확립된다. 스프레이-아크 토치 및 트랜스퍼-아크 토치의 예는 유럽 출원 EP-A-706308 에 설명되어 있다.
2 개의 트랜스퍼-아크 토치들은 그들 사이에 아크를 유지하기 위하여 함께 이용될 수 있는데, 하나는 캐소드로서의 역할을 하고 다른 하나는 애노드의 역할을 한다. 이러한 장치는 "트윈 토치(twin torches)"라는 이름으로 알려져 있다.
트윈 토치들의 일 예는 유럽 출원 EP-A-1281296 에 설명되어 있다.
구현된 아크 토치 기술과 관련 없이, 전극들의 짧은 수명이 주된 문제로 남겨져 있다.
수년 동안, 다수의 연구 과제들은 실질적으로 전극들에 대한 재료의 선택을 통하여 플라즈마 토치 전극들의 수명을 향상시키는 것과 관련된 것이었다. 이러한 전극들은 2 개의 범주들로 분류되는데, 텅스텐 및 지르코늄과 같이 높은 끓는점 또는 승화점을 가진 내화성 재료로 제조된 소위 "열(hot)" 전극 및, 구리와 같이 낮은 끓는점 및 강한 열 전도성을 가진 재료로 제조된 "냉(cold)" 전극으로 분류된다. 이용된 재료의 유형에 무관하게, 전극은 부식을 통해서 마모된다.
전극들의 마모 속도를 감소시키도록 상이한 기술적 해법들이 개발되었다: 예를 들면 텅스텐을 토륨(thorium)으로 도핑하고, 전극의 단부를 기계 가공하는 등의 방법이다. 내부의 물 순환을 통해 전극 자체를 신속하게 냉각시킬 필요성이 나타나며 토치들의 구조를 더욱 복잡하게 만드는 주요 결과를 가지게 되는데, 2 개 또는 심지어 3 개의 분리된 냉각 회로들의 존재는 열 플라즈마 토치들과 같은 제한된 크기의 시스템들과 거의 양립할 수 없는 것이다. 더욱이, 전극들을 위한 유지 관리 및 교체 작업은 처음에 냉각 회로들의 연결을 해제하여야 하는 필요성에 의해 곤란해진다.
플라즈마 토치의 분야와 다른 분야에서, 즉, 알루미늄 전기 분해 또는 강철 산업 분야에서, 소모성 전극들을 이용하는 것도 공지되어 있는데, 소모성 전극은 간단한 고체 흑연 실린더의 형태로 존재한다. 그러나, 이러한 전극들의 오직 가능한 적용예는 환원 기체 환경으로서, 이는 산화 환경에서 흑연의 연소가 전극의 급속한 부식으로 이끌기 때문이다.
본 발명의 목적은 냉각된 전극 플라즈마 토치와 같은 사용상의 특성들을 가지지만, 특히 크기 및 조립과 유지 관리의 복잡성에 관하여 단점을 가지지 않는, 트랜스퍼-아크 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.
본 발명은 냉각용 유체를 이용하여 냉각되는 외장부 및 상기 외장부 안으로 삽입되는 전극을 포함하는 트랜스퍼-아크 플라즈마로서 정의되며, 상기 전극은 소모성 재료로 만들어지고, 토치는 전극의 부식을 상쇄시키기 위하여 전극에 소모성 재료를 공급하는 수단을 포함한다.
따라서 전극을 냉각시키는 추가적인 냉각 회로를 제공할 필요가 없다.
일 구현예에 따라서, 전극에 재료를 공급하는 수단은 전극을 토치의 말단을 향해 자동적으로 전진시키는 수단을 포함한다. 특히 마찰을 통해 전극을 토치의 말단을 향하여 전진시키는 롤러들을 제공할 수 있다.
유리하게는, 토치가 개스 클래딩 수단(gas cladding means)을 포함하여 상기 외장부 내측에서의 중성 및 플라즈마젠 개스(neutral and plasmagene gas)에 의해 상기 전극의 클래딩을 보장한다.
이러한 방식으로, 전극의 부식은 상당히 느려질 것이며 수명이 연장된다. 개스 클래딩 수단은 보호를 최적화시키기 위하여 전극의 말단 단부로의 개스 확산 및 개스에 의한 전극의 씻어내림(sweeping)을 보장한다.
외장부는 제 2 개스를 말단 단부에서 유입시키기 위한 도관을 포함할 수 있으며, 토치는 전극으로부터 하류측에 제 2 개스를 분사시키도록 상기 유입 도관들에 연결된 분사 수단을 포함한다. 이러한 콤팩트한 배치는 전극으로부터 하류측으로 소망되는 조성의 플라즈마를 얻을 수 있게 한다.
유리하게는, 플라즈마 토치가 고정 토치 동체를 포함하는데, 토치 동체는 개스, 냉각 유체 및 전기 공급 연결부들의 조립체를 지지한다. 외장부는 토치 헤드와 일체화된 튜브형 부분을 가지고 완전히 그것을 통과하며, 토치 헤드는 상기 토치 동체상에 안착되고 토치 동체와 협동하여, 상기 연결부들과 상기 외장부 사이에서 개스, 냉각 유체 및 전기 공급 회로들의 연속성을 보장한다.
이러한 방식으로, 전극의 교환 동안에 개스, 냉각 유체 및 전기 공급 연결부들을 분해할 필요가 없다.
통상적으로, 외장부의 튜브형 부분은 냉각 회로에 연결된 공동을 형성하는 2 개의 동심 엔벨로프(concentric envelope)들을 포함한다.
더욱이, 안내 및 유지 관리 장치는 토치 헤드를 상기 동체상에서 미리 결정된 위치에 위치시키고 토치 헤드를 상기 위치에서 상기 동체에 고정시키기 위하여 제공될 수 있다. 따라서 조립 및 분해는 용이해질 것이고, 특히 토치 동체와 헤드 사이의 정렬상의 결함으로부터 초래된 시일링 문제들이 회피될 것이다.
전극의 전기적인 공급은 적어도 하나의 금속 와이어 브러시에 의해 제공되는데, 상기 브러쉬는 토치의 헤드상에 장착되고 스프링의 작용을 통해 전극의 표면상에 지탱된다. 여기에서 다시, 전극의 조립 및 분해는 결과적으로 용이해질 것이다.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 구현예를 참고함으로써 명백해질 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 트랜스퍼-아크 플라즈마 토치의 개략적인 도면이다.
도 2 는 본 발명에 따른 트랜스퍼-아크 플라즈마 토치의 상세도를 도시한다.
본 발명의 기초가 되는 제 1 개념은 물질이 연속적으로 공급되는 소모성 전극을 제공하는 것이다. 본 발명의 기초가 되는 제 2 개념은 이러한 전극을 외장부(sheath) 안에서 중성 개스의 클래딩(cladding)을 통해 보호하는 것이다.
본 발명은 쌍둥이 플라즈마 토치(torch)의 구현을 위해서 유리하게 이용될 수 있을 것이며, 플라즈마 토치들중 하나는 애노드(anode)의 역할을 하고 다른 하나는 캐소드(cathode)의 역할을 한다. 그러나, 이러한 2 개의 토치들은 구조적으로 동일하고, 오직 하나만이 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 트랜스퍼-아크(transferred-arc) 플라즈마 토치를 도시한다. 이것은, 토치 동체로 호칭되는 지지부(10), 바람직스럽게는 금속성이고, 상부 부분에서 토치 헤드(20)와 일체화된 튜브형 부분을 가지는 외장부(25), 예를 들면 흑연 전극인 소모성 전극(30), 안내 및 유지 관리 장치(40), 확산부(50), 전극 전진용 장치(60) 및 브러시(brush, 70)에 의한 전극으로의 전기 연결 수단을 포함한다.
토치 동체(10)는 분해되지 않는 토치의 고정 부분을 구성하고, 유체, 개스 및 공급 회로를 가진 커넥터 기술부의 모두를 지지한다. 연결부들은 헤드 및 외장부를 위한 냉각수의 유입 및 배출, 플라즈마젠(plasmagene) 개스의 유입, 2 차 개스 및 전기 공급의 유입을 위해 이루어진다. 토치 동체는 그 상부 부분에 플레이트(11)를 구비하는데, 플레이트에 대하여 개스 회로 및 냉각 유체 회로와 전기 연결부가 이어진다.
토치 헤드(20)는 안내 및 유지 관리 장치(40)를 이용하여 토치 동체의 플레이트(11)상에 장착된다. 이러한 장치는 미리 정해진 위치에서 토치 동체상에 토치 헤드의 안내 및 고정을 보장한다. 안내 작용은 지지용 동체상의 안내 기둥 또는 센터링 장치에 의해 제공되거나, 또는 이들 수단의 조합에 의해 제공된다. 유지 관리 작용은 예를 들면, 급속 고정 메카니즘을 이용하여 이루어진다. 지지용 동체(10)와 토치 헤드(20) 사이의 유체 및 개스 회로들의 연속성은 적절한 시일링 시스템들에 의해 보장되는데, 예를 들면 조인트(joint)를 이용하여 이루어지거나, 특히 O-링(ring)이나, 또는 플레이트(11)에서의 그 어떤 다른 특수한 연결 수단에 의해서 이루어진다.
실린더형 흑연 전극(30)은 완전히 토치 헤드를 통하여 지나가며 외장부 안으로 연장된다. 전기 공급은 스프링(71)에 의해서 전극으로 밀리게 되는 와이어 브러쉬 접촉부(70)에 의해서 이루어진다. 전극에 소모성 재료를 공급할 수 있도록 하는 수단이 제공되는데, 예를 들면 토치 헤드에 배치된 자동 전진 수단을 이용한다. 이러한 전진 수단은 예를 들면 모터화된 롤러(60)들로서, 이것은 조절 가능한 속도를 가지고, 직경 방향으로 대향하는 장소에서 전극상에 지탱되며, 전극이 마찰을 통해 토치의 말단 단부를 향하여 전진되게 한다.
이러한 방식으로, 토치 헤드가 분해되어야 할 때, 오직 유지 관리 시스템(40)만이 조작되어야 하며, 이것은 토치 헤드를 플레이트로부터 수직으로 간단히 들어올림으로써 토치 헤드(20)를 토치 동체(10)로부터 해제시킬 수 있게 한다. 여기에서 유체 및 개스 회로를 토치 동체(10)로부터 해제시킬 필요 없이 토치의 모든 기계적 부분을 떼어낼 수 있는 장점을 알게 된다
도 2 는 본 발명에 따른 토치 헤드의 단부를 보다 정확하게 도시한다.
이전에 지적된 바와 같이, 전극(30)은 외장부(25) 및 토치 헤드(20)에 의해 보호된다. 전극의 말단 단부(31)는 토치의 노즈(nose, 26)에 대하여 뒤로 위치되는 것이 유리하다. 외장부는 예를 들면 물과 같은 냉각 유체(21)의 내부 순환에 의해 냉각된다. 외장부는 2 개의 동심 엔벨로프(concentric envelope)를 가진 튜브 형상을 가지며, 냉각 유체는 이들 2 개의 엔벨로프들에 의해 형성된 공동(cavity) 안에서 순환된다. 더욱이, 공동 내측에 배치된 도관(22)들은 제 2 개스(23)의 유입이 토치의 말단 단부까지 이루어질 수 있게 한다.
플라즈마 토치는 전극 둘레에 중성 및 보호 개스(neutral and protective gas)의 클래딩(cladding)을 유지시키는데 적절한 개스 클래딩 수단을 포함한다. 이러한 중성 개스는 또한 플라즈마를 발생시키는데 이용된다. 보다 정확하게는, 개스 클래딩 수단이 중성 개스에 의한 전극의 씻어내림(sweeping) 뿐만 아니라, 전극의 말단 단부 또는 활성 단부에서 상기 개스의 확산을 보장한다. 이러한 방식으로, 전극은 외부 환경으로부터 보호되며, 특히 산화되고 있는 경우에 보호된다.
개스 클래딩 수단은 개스 공급 회로 및 확산부(50)를 포함한다. 사실, 상기 확산부는 몇가지 기능을 수행한다: 전극(30)과 외장부(25) 사이에서 플라즈마젠 중성 개스(80)의 순환 및 전극의 활성 단부에 대한 확산에 더하여, 상호 전기적인 격리 뿐만 아니라, 외장부(25)에 대한 전극(30)의 동축상의 센터링(coaxial centering)을 보장한다. 확산부(50)는 하부 부분에 클램프(51)가 제공된 절연 고리의 형태를 취할 수 있다. 절연 고리는 금속 스프링 유지 링 또는 그 어떤 등가의 클리핑 시스템(clipping system)에 의해서 외장부(25) 안에 유지된다. 링의 내부 직경은 외장부가 약간의 과도 압력으로 유지되도록 그리고 중성 및 플라즈마젠 개스에 의한 전극(30)의 씻어내림을 보장하도록 선택된다. 더욱이, 제 2 개스가 전극으로부터 하류로 플라즈마 영역으로 분사되도록, 유입 파이프(들)(22)에 의해서 제 2 개스가 공급되는 노즐(52)들이 클램프를 통과한다.
주목되어야 하는 바로서, 제 2 개스는 소망의 화학적 조성 또는 물리적 특성을 가지는 플라즈마를 얻을 수 있게 하는 반면에, 플라즈마젠 개스는 안정된 아 크(arc)를 가진 플라즈마의 발생을 가능하게 한다. 유리하게는, 아르곤을 플라즈마젠 중성 개스로 이용하고 산소를 2 차 개스로서 이용할 것이다.
본 발명의 시스템은 플라즈마의 발생을 필요로 하는 모든 적용예에서 이용될 수 있으며, 특히 폐기물 처리의 분야에서 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 냉각 유체(21)를 이용하여 냉각되는 외장부(25) 및 상기 외장부 안에 삽입되는 전극(30)을 포함하는 트랜스퍼-아크 플라즈마 토치로서,
    플라즈마를 발생시키도록 설계된 상기 전극은 소모성 재료로 만들어지고, 토치는 전극의 부식을 상쇄(offset)시키기 위하여 전극에 상기 소모성 재료를 공급하는 수단(60)을 포함하며,
    개스, 냉각 유체 및 전기 공급 연결부들의 조립체를 지지하는 고정 토치 동체를 포함하며,
    외장부는 토치 헤드와 일체인 튜브형 부분을 가지고, 외장부는 토치 동체를 완전히 통과하고, 토치 헤드는 상기 토치 동체에 안착되어 토치 동체와 협동함으로써 상기 연결부들과 상기 외장부 사이에서의 개스, 냉각 유체 및 전기 공급 회로들의 연속성을 보장하는 것을 특징으로 하는,
    트랜스퍼-아크 플라즈마 토치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전극에 소모성 재료를 공급하는 수단은 전극을 토치의 말단 단부를 향하여 자동적으로 전진시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 트랜스퍼-아크 플라즈마 토치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 외장부 내측의 중성 및 플라즈마젠 개스(neutral and plasmagene gas)에 의해 상기 전극의 덮음(cladding)을 보장하는, 개스 덮개 층을 형성하는 수단(gas cladding means)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 트랜스퍼-아크 플라즈마 토치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    개스 덮개 층을 형성하는 수단은 상기 개스에 의한 전극의 씻어내림(sweeping) 및 전극의 말단 단부로의 개스 확산을 보장하는 것을 특징으로 하는, 트랜스퍼-아크 플라즈마 토치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    외장부는 그것의 말단 단부에 제 2 개스를 위한 유입 도관들을 포함하고, 토치는 상기 유입 도관들에 연결된 분사 수단을 포함하여 전극으로부터 하류측으로 제 2 개스의 분사를 보장하는 것을 특징으로 하는, 트랜스퍼-아크 플라즈마 토치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜브형 부분은 냉각 회로에 연결된 공동을 형성하는 2 개의 동심 엔벨로프(concentric envelopes)를 가지는 것을 특징으로 하는, 트랜스퍼-아크 플라즈마 토치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    토치 헤드를 상기 토치 동체상의 미리 정해진 위치에 위치시키고 토치 헤드를 상기 위치에서 상기 동체에 고정시키는 안내 및 유지 관리 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 트랜스퍼-아크 플라즈마 토치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    전극에는, 토치의 헤드에 장착되고 스프링의 작용을 통해 전극의 표면상에 지탱되는 적어도 하나의 와이어 브러시(wire brush)를 이용하여 전력이 공급되는 것을 특징으로 하는, 트랜스퍼-아크 플라즈마 토치.
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