KR20020011128A - 이행형 플라즈마 가열용 양극 - Google Patents

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KR20020011128A
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Abstract

직류 전류를 용기 내의 용융금속에 통전하고, Ar 플라즈마를 발생시키면서 용융금속을 가열하는 이행형 플라즈마 가열용 양극으로서, 내부 수냉 구조를 가지는 도전성 금속으로 이루어지는 양극과, 상기 양극의 외측에 일정 간격을 두고 내부 수냉구조를 가지는 금속제 보호체와, 상기 양극과 상기 보호체의 간극에 Ar를 함유하는 기체를 공급하는 기체 공급 수단을 가지고, 상기 양극 선단 외표면의 중심부가 내측으로 오목하게 들어가 있는 것을 특징으로 하는 이행형 플라즈마 가열용 양극.

Description

이행형 플라즈마 가열용 양극{TRANSFER-TYPE PLASMA HEATING ANODE}
턴디쉬 내의 용강을 가열하기 위하여 사용하는 직류 전류 트윈 토치형 플라즈마 가열 장치의 개요는, 도1에 나타내는 바와 같다. 턴디쉬 커버(2)에는, 각각 양극(3)과 음극(4)의 2개의 플라즈마 토치가 삽입되어 있고, 각각의 토치(3, 4)와 용강(5)과의 사이에 플라즈마 아크(6)를 발생시키고, 용강을 과열한다. 이 때 전자의 흐름(7)은, 음극(4)으로부터 용강(5)을 통하여 양극(3)으로 향한다.
상기 양극 플라즈마 토치의 일례를 도2에 도시한다. 도2는 상기 양극 토치의 선단부 단면을 가리킨다. 양극(3)의 재질로서, 예를 들면 무산소 동이 사용된다. 상기 양극 토치는, 외측을 덮는 스테인레스 또는 동 제품의 외통노즐(8)과, 내측의 동 제품의 양극(3)으로 이루어진다. 양극(3)의 선단부는 평탄한 원반 모양이 되어 있다. 상기 양극(3) 및 외통 노즐(8)은, 어느 것이나 냉각 구조로 되고 있고, 냉각수의 입측 수로와 출측 수로는, 각각 원통형의 칸막이 벽(9, 11)으로 나뉘어져 있다. (도 중, 10 및 12는 냉각수의 흐름을 나타낸다). 또 외통 노즐(8)과 양극(3)의 사이에는 틈(13)이 있고, 그 틈(13)으로부터 플라즈마 가스를 불어내는 구조로 되어 있다.
상기 직류 전류 양극 플라즈마 토치에서의 문제점의 하나로서, 양극 선단이 손상되어 수명이 짧아지는 경우가 있다. 양극은 플라즈마 가열 가동시에 있어서, 전자를 받게 되므로 전자가 양극 선단 외표면에 충돌하고, 선단 외표면에 걸리는 열 부하가 크다.
또한, 양극 선단에 걸리는 열 부하는 수십MW/m2로 대단히 크고, 양극 선단에서의 냉각측의 열 전달 형태는, 강제 대류 핵 비등열 전달이라고 생각된다. 강제 대류 핵 비등열 전달의 경우, 그 열 전달율은 105[W/m2K]의 오더이고, 강제 대류 전열의 경우에서의 열 전달율에 비하여 10배 정도 크지만, 양극 선단의 외표면에 걸리는 열 부하가 너무 커지면, 냉각측의 전열면에서의 온도가 상승하여, 전열형태가 막 비등 전열로 이행하는 번 아웃이 생긴다. 그리고, 전열 형태가 막 비등 전열로 이행할 때에, 전열면에서의 열전열 비율이 급격하게 저하되고, 또한, 전열면의 온도가 상승하여, 최종적으로, 양극 선단에서의 온도가 융점을 초월하여, 양극 선단이 용손되어 버리는 위험성이 있다.
도2에 도시하는 종래의 양극 냉각 수로 구조의 경우에 있어서, 번 아웃을 일으키는 열부하치, 즉, 번 아웃 한계 열 유속을 도 3l에 나타낸다. 도 3l에 나타내는 그래프는, 상기 양극(3)의 선단 냉각측이 최대 반경 R coo1=22mm인 양극의 선단 냉각측에서의 반경을 횡축으로 잡고 번아웃 한계 열 유속을 종축에 잡은 것이다.또한, 번 아웃 한계 열 유속의 견적에는 Zenkevich의 식 (Zenkevich et al, J. Nuclear Energy, Part B, 1-2, 137, 1959)을 사용하고, 번 아웃 한계 열 유속 WB0[W/m2]는 (1)식으로 표현된다.
이 때, (1)식 중 L, σ, G, ν, i 및 icool은 냉각수의 물리량이고, 각각, 증발열[J/kg], 표면장력[N/m]이고, 중량 속도[kg/m2s], 동점성 계수[m2/s], 엔탈피[J/kg], 및, 주류의 엔탈피 [J/kg]를 나타낸다. 도 31의 그래프로부터, 중심 부근의 번아웃 한계 열 유속이 낮은 것을 알 수 있다. 이것은, 양극(3)을 흐르는 냉각수의 유속에 의한 영향이 큰 것에 의한 것으로, 양극 중심부의 상측,등 흘러드는 냉각수가, 양극 선단에 충돌하여, 그 유속이 저하되고, 번 아웃 한계 열 유속도 저하된다. 양극 선단 외표면 열 부하가 번 아웃 한계 열 유속을 넘으면, 양극 선단의 냉각측에 있어서 번아웃이 생겨 전열면 온도가 상승하여, 양극 선단이 용손에 이르는 것으로 생각된다. 때문에, 번 아웃 한계 열 유속이 낮은 양극 선단의 중심부는 용손되기 쉽다.
또 이행형 플라즈마 가열의 경우, 양극 선단 외표면의 중심부에 열이 집중되기 쉬운 성질이 있다. 또한, 양극 표면에 일단 전류가 집중되는 부분(양극(anode) 스포트)이 형성되면, 그 양극 스포트에 더욱 전류가 집중되는 성질이 있다. 즉, 양극 선단 외표면에 용해에 의하여 손상이 시작되면, 더욱 손상이 촉진되고, 최종적으로 냉각수측까지 이르고, 양극이 수명에 이른다.
도3은 플라즈마에 관계되는 핀치 효과를 설명한 것이다. 외통노즐(8)과 양극(3)과의 틈(13)으로부터 불어 나오는“플라즈마(15)에 비하여 충분히 온도가 낮은 가스"의 흐름(14)에 의하여 플라즈마(15)는 중심 방향에 집중된다(서멀 핀치 효과). 플라즈마 중의 전류 밀도는, 일반적으로, 온도에 대한 증가 함수이고, 플라즈마 중심부(16)의 전류 밀도는, 전체의 평균에 비하여 크기 때문에, 양극 선단외 표면 중심부(17)에 입사하는 전류 밀도는 커진다. 따라서, 양극 선단 외표면 중심부(17)에 있어서는, 선단 외표면의 외주부(18)에 비하여, 손상 정도가 크다. 또 플라즈마 내를 양극을 향하여 운동하는 전자(21)는, 플라즈마 내를 흐르는 전류(l9)가 만들어 내는 회전 자장(20)과의 상호 작용에 의하여 중심 방향으로 향하는 힘(22)을 받는다 (자기적 핀치 효과).
또한, 도 4에 나타내는 바와 같이, 내부를 흐르는 냉각수의 수압, 열응력이나, 크립에 의하여 양극 선단은, 외측으로 볼록형으로 변형한다. 이 볼록형 변형은, 양극 선단 외표면의 중심부(17)에 돌기(23)를 형성하는 것으로, 전장(32)은 상기 돌기부(23)에 집중한다. 플라즈마 중을 운동하는 전자(21)은 전장(32)의 방향으로 가속되기 때문에, 전류(19)는 돌기부(23)에 집중된다. 그 때문에, 양극 선단 외표면의 중심부(17)에 전류의 집중을 초래한다. 즉, 양극 선단 외표면의 중심부(17)는 더욱 손상을 받게 된다. 양극 선단 외표면의 중심부(17)에 있어서 손상이 진행되면, 최종적으로, 양극의 냉각 수로(25)가 깨지고, 조업 불능 상태로 빠져든다.이와 같이 양극 선단외 표면의 중심부(17)에 전류가 집중함으로써 양극의 내용(耐用) 시간은 현저하게 단축되어 버린다.
도5에서의 (a)∼(d)는, 양극 스포트에의 전류의 집중에 대해서 설명하는 것이다.양극 선단 외표면(26)의 청정성이 양호한 초기 상태(도5(a))에 있어서, 전자(21)는 양극 선단 외표면(26)에 대하여 수직으로 입사한다. 그러나, 전술한 바와 같이 (도4,참조), 양극 선단 외표면의 중심부(17)에는 전류가 집중하기 쉽고, 양극 선단 외표면(26)이 고온이 되는 것으로 융해·증발한 동이, 외표면의 중심 근방에, 동 증기의 증기구름(27)을 형성한다(도5(b)).
전자(21)가 증기구름(27)에 충돌함으로써 증발된 동 원자(28) 중의 전자가 유도방출되어, 전리된다. 이 때, 동 원자로부터 전리된 전자(29)는 질량이 적고 이동도가 크기 때문에, 곧 양극 선단 외표면에 입사한다. 그러나, 동 이온(30)은 이동도가 작고 증기구름(27)중에 정체하기 때문에, 증기구름(27)은 정(正)으로 대전한다(도5(c)).
이 증기구름(27)의 정전하 포텐셜에 의하여 플라즈마 아크중의 전자(21)는 증기구름(27)을 향하는 가속도를 받는다(도5(d)).
결과적으로, 양극 스포트(3l)가 생기면, 플라즈마 아크 중의 전자는, 양극 선단 외표면(26)의 근방에 있어서, 양극 선단 외표면 중심부에 가속도적으로 집중된다. 이와 같은 기구에 의하여 양극 선단의 손상이 가속도적으로 진행된다.
발명의요약
본 발명은, 플라즈마 가열용 양극에 있어서, 냉각 영향을 받는 번 아웃 한계열 유속을 향상시키고, 상기 양극 선단의 손상 속도를 지연시키며, 양극의 수명을 연장시키기 위한, 양극 선단 형상 및 재질에 관한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명이 요지로 하는 것은,
(1) 직류 전류를 용기내의 용융 금속에 통전하고, Ar 플라즈마를 발생시키면서 용융 금속을 가열하는 이행형 플라즈마 가열용 양극으로서, 내부 수냉구조를 가지는 도전성 금속으로 구성되는 양극과, 상기 양극의 외측에 일정한 간격을 두고 내부 수냉구조를 가지는 금속제 보호체와, 상기 양극과 상기 보호체의 간극에 Ar를 함유하는 기체를 공급하는 기체 공급 수단을 가지고, 상기 양극 선단 외표면의 중심부가 내측으로 움푹 들어가 있는 것을 특징으로 하는 이행형 플라즈마 가열용 양극.
(2) 직류 전류를 용기 내의 용융금속에 통전하고, Ar 플라즈마를 발생시키면서 용융금속을 가열하는 이행형 플라즈마 가열용 양극으로서, 내부 수냉 구조를 가지는 도전성 금속으로 이루어지는 양극과, 상기 양극의 외측에 일정 간격을 설치하여 내부 수냉 구조를 가지는 금속제 보호체와, 상기 양극과 상기 보호체의 간극에 Ar를 함유하는 기체를 공급하는 기체 공급 수단을 가지고, 상기 양극 선단 외표면의 전체가 내측으로 움푹 들어가 있는 것을 특징으로 하는 이행형 플라즈마 가열용 양극.
(3) 직류 전류를 용기 내의 용융금속에 통전하고, Ar 플라즈마를 발생시키면서 용융금속을 가열하는 이행형 플라즈마 가열용 양극으로서, 내부 수냉 구조를 가지는 도전성 금속으로 이루어지는 양극과, 상기 양극의 외측에 일정 간격을 설치하여 내부 수냉 구조를 가지는 금속제 보호체와, 상기 양극과 상기 보호체의 간극에 Ar를 함유하는 기체를 공급하는 기체 공급 수단을 가지고, 상기 양극 선단 냉각면에 리브를 가지는 것을 특징으로 하는 이행형 플라즈마 가열용 양극.
(4) 직류 전류를 용기내의 용융금속에 통전하고, Ar 플라즈마를 발생시키면서 용융금속을 가열하는 이행형 플라즈마 가열용 양극으로서, 내부 수냉 구조를 가지는 도전성 금속으로 이루어지는 양극과, 상기 양극의 외측에 일정 간격을 두고 내부 수냉 구조를 가지는 금속제 보호체와, 상기 양극과 상기 보호체의 간극에 Ar를 함유하는 기체를 공급하는 제1 기체 공급 수단을 가지고, 상기 양극 내부에 제2 기체 공급 수단을 가지고, 상기 제2 기체 공급 수단은 양극 선단 외표면으로부터 기체를 불어넣는 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 이행형 플라즈마 가열용 양극.
(5) 양극 선단 외표면의 중심부 및 전체가 내측으로 움푹 들어가 있는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 이행형 플라즈마 가열용 양극.
(6) 직류 전류를 용기내의 용융 금속에 통전하고, Ar 플라즈마를 발생시키면서 용융 금속을 가열하는 이행형 플라즈마 가열용 양극으로서, 내부 수냉 구조를 가지는 도전성 금속으로 이루어지는 양극과, 상기 양극의 외측에 일정 간격을 두고 수냉 구조를 가지는 금속제 보호체와, 상기 양극과 상기 보호체의 간극에 Ar를 함유하는 기체를 공급하는 기체 공급 수단을 가지고, 상기양극 선단 냉각측의 중앙에 돌기를 가지는 것을 특징으로 하는 이행형 플라즈마 가열용 양극.
(7) 양극 선단 외표면의 중심부가 내측으로 들어가 있는 것을 특징으로 하는(6)에 기재된 이행형 플라즈마 가열용 양극.
(8) 양극 선단 외표면의 전체가 내측으로 오목하게 들어가 있는 것을 특징으로 하는 (6) 및 (7)의 어느 한 항에 기재된 이행형 플라즈마 가열용 양극.
(9) 양극 선단 냉각측에 리브를 가지는 것을 특징으로 하는 (1), (2), (5) 및 (6)∼(8)의 어느 한 항에 기재된 이행형 플라즈마 가열용 양극.
(10) 양극 내부에 제2 기체 공급 수단을 가지고, 상기 제2 기체 공급 수단은 양극 선단 외표면으로부터 기체를 불어넣는 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 (1)∼(3), (5) 및 (6)∼(9)의 어느 한 항에 기재된 이행형 플라즈마 가열용 양극.
(11) 양극 선단 외표면의 전체 및/또는 중심부가 오목하게 들어가 있고, 또한, 상기 양극 내부에 원주 방향으로 회전이 자유자재인 1 또는 2 이상의 영구자석을 가지는 것을 특징으로 하는 (1)∼(10)의 어느 한 항에 기재된 이행형 플라즈마 가열용 양극.
(12) 적어도, 양극 선단 재질을 Cr 또는 Zr을 포함하는 동합금으로 하는 것을 특징으로 하는 (1)∼(11)의 어느 한 항에 기재된 이행형 플라즈마 가열용 양극
이다.
본 발명은 이행형 플라즈마 가열용 양극의 개량에 관한 것으로, 특히 턴디쉬 내의 용강의 가열용으로서 적용하기에 적합한 이행형 플라즈마 가열용 양극에 관한 것이다.
도1은, 턴디쉬와 플라즈마 토치의 개략을 도시한 도면이다.
도2는, 턴디쉬 내의 용강철을 가열하는 종래의 이행형 플라즈마 가열용 양극의 개략을 나타내는 도면이다.
도3은, 플라즈마에서의 핀치 효과를 설명하는 도면이다.
도4는, 양극 선단에서의 볼록형 변형에 의하여, 전류가, 양극 선단 외표면의 중심부에 집중되는 것을 설명하는 도면이다.
도5는, 양극 스포트에의 전류의 집중을 설명하는 도면이다.
도6은, 본 발명에 관한 이행형 플라즈마 가열용 양극의 일례의 수직 단면을 나타내는 도면이다.
도7은, 도6에 나타내는 이행형 플라즈마 가열용 양극의 일례에 있어서, 양극의 선단부터 나오는 전장의 개략을 나타내는 도면이다.
도8은, 본 발명에 관한 이행형 플라즈마 가열용 양극의 다른 일례의 수직 단면을 나타내는 도면이다.
도9는, 본 발명에 관한 이행형 플라즈마 가열용 양극의 다른 일례의 수직 단면을 나타내는 도면이다.
도 10은, 본 발명에 관한 이행형 플라즈마 가열용 양극의 다른 일례의 수직 단면을 가리키는 도면이다.
도11은, 본 발명에 관한 이행형 플라즈마 가열용 양극의 다른 일례의 수직 단면을 나타내는 도면이다.
도l2는, 본 발명에 관한 이행형 플라즈마 가열용 양극의 다른 일례의 수직 단면을 나타내는 도면이다.
도13은, 본 발명에 관한 이행형 플라즈마 가열용 양극의 다른 일례의 수직 단면을 나타내는 도면이다.
도14는, 본 발명에 관한 이행형 플라즈마 가열용 양극의 다른 일례의 수직단면을 나타내는 도면이다.
도15는, 본 발명에 관계되는 이행형 플라즈마 가열용 양극의 다른 일례의 수직 단면을 나타내는 도면이다.
도16은, 도15에 나타내는 이행형 플라즈마 가열용 양극의 일례에 있어서, 양극의 선단으로부터 나오는 전장의 개략을 나타내는 도면이다.
도17은, 본 발명에 관한 이행형 플라즈마 가열용 양극의 다른 일례의 수직 단면을 나타내는 도면이다.
도18은, 본 발명에 관한 이행형 플라즈마 가열용 양극의 다른 일례의 수직 단면을 나타내는 도면이다.
도19는, 본 발명에 관한 이행형 플라즈마 가열용 양극의 다른 일례의 수직 단면을 나타내는 도면이다.
도20은, 본 발명에 관한 이행형 플라즈마 가열용 양극의 다른 일례의 수직 단면을 나타내는 도면이다.
도21은, 본 발명에 관한 이행형 플라즈마 가열용 양극 외에의 일례의 수직단면을 가리키는 도면이다.
도22는, 본 발명에 관한 이행형 플라즈마 가열용 양극의 다른 일례의 수직단면을 가리키는 도면이다.
도23은, 양극 선단에 있어서, 크리프 변형량을 재질로 비교하는 도면이다.
도24는, 도23에 나타내는 결과를 설명하는 도면이다.
도25는, 도2에 나타내는 종래의 이행형 플라즈마 가열용 양극에 있어서, 양극 선단으로부터 나오는 전장의 개략을 나타내는 도면이다.
도26은, 도12 및 도21에 나타내는 이행형 플라즈마 가열용 양극의 수평단
면을 가리키는 도면이다.
도27은, 도13 및 도22에 나타내는 이행형 플라즈마 가열용 양극의 수평단
면을 가리키는 도면이다.
도28은, 도13에 나타내는 이행형 플라즈마 가열용 양극에 있어서 자장의 개
략을 나타내는 도면이다.
도29는, 도20에 나타내는 이행형 플라즈마 가열용 양극에서의 자장의 개략을 나타내는 도면이다.
도30은, 도11, 도12, 도19 및 도2l에 나타내는 이행형 플라즈마 가열용 양극의 수평 단면을 가리키는 도면이다.
도31은, 종래의 양극 선단 냉각측의 전열면에 있어서 번 아웃 한계열 유속의 분포를 나타내는 도면이다.
도32는, 종래의 양극과 본 발명 양극 선단 냉각측의 전열면에서의 번 아웃 한계열 유속의 분포를 나타내는 도면이다.
[발명의 실시형태]
전술한 바와 같이, 양극 선단의 중심부에 있어서 손상을 일으키는 것은, (a) 양극 선단의 냉각측의 전열면에서의 번 아웃의 발생, (b) 플라즈마에 관한 핀치 효과에 의한 전류 집중, 및/또는, (c) 전류 집중을 가속하는 양극 선단의 볼록변형이나 양극 스포트의 형성이다. 본 발명에서는, 이와 같은 번 아웃의 발생, 전류 집중, 및/또는, 볼록변형이나 양극 스포트의 형성을 방지하기 위하여, (A) 양극 선단의 형상을 변경하고, (B) 양극 선단에 고강도 합금을 적용하고, 및/또는, (C) 양극 스포트 형성 방지를 위한 외란 발생장치를 설치한다.
플라즈마에 관계되는 핀치 효과부터 생기는 양극 선단 외표면의 중심부에의 전류 집중을 방지하기 위하여, 양극의 유효 면적을 크게 하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 설비 배치상의 문제나, 양극을 크게 하면 토치의 질량이 증가하고, 이로써 생기는 토치 유지 설비 한계의 문제 등으로, 양극의 유효 면적을 충분히 크게 할 수 없는 경우가 있다. 그 때문에, 양극부를 적절한 형상으로 함으로써 양극 선단 외표면의 중심부에의 전류 집중을 방지할 필요가 있다. 그와 같은 형상을 채용하는 본 발명예(앞에서 기술한 (1) 발명)를 도6에 나타낸다. 도6에 있어서, 양극 선단 외표면의 중심부(17)를 오목하게 들어가게 한다. 도7에 나타내는 바와 같이 전장(32)는 도체 표면에 대하여 수직으로 입사하기 때문에, 양극 선단 외표면의 중심부를 오목하게 들어가게 함으로써 도25에 나타내는 비교례에 비하여, 양극 선단 외표면 중심부의 전속밀도를 저하시킬 수 있고, 전류 집중을 막을 수 있다.
오목부의 영역은, 전류 집중 방지 영역을 확보하기 위하여, 양극 선단 중심, 등 양극 선단 반경 Ra의 1/5∼3/4를 반경으로 하는 원인 것이 바람직하다 ( 도6, 참조). 또 요부의 중심 높이(Hd)는, 전류 확산 효과를 확보하기 때문에,요부영역의 반경 Rd의 1/3∼2/1로 하는 것이 바람직하다 (도6, 참조). 또 본 발명에 있어서, 기체 공급 수단, 등 공급하는 기체는, Ar l00%에서도 좋고, Ar 75% 이상으로 전압상승을 하기 위해서 N20.1∼25%를 함유하게 하고, 나머지 불가피적 불순물로 하여도 좋다.
상기 (2)의 발명에 있어서, 양극 선단의 볼록형 변형을 방지하기 위한 양극 선단 외표면의 형상의 일례를 도8에 나타낸다. 도8에 있어서, 양극 선단에 걸리는 수압과 열응력에 의하여 생기는 볼록 변형을 상쇄하기 위하여, 양극 선단 외표면의 전체(33)에 있어서, 내측으로 오목부(크라운)를 형성한다. 크라운의 높이(Hc)는, 플라즈마 가열시에서의 양극 선단 외표면의 변형에 의하여 그 외표면이 수평면을 유지할 수 있도록, 100∼500μm으로 하는 것이 바람직하다.
상기(5)의 발명은, 상기(1) 과 (2)의 발명을 조합한 것이고, 또한 전류 집중을 막을 수 있다.
양극 선단의 볼록 변형을 방지하기 위하여, 양극 선단이 고온 상태에 이른 경우에서도, 양극 선단의 강성을 높게 유지할 필요가 있다. 상기 (3) 또는 (9)의 발명에 있어서는, 고강성을 유지하기 위하여, 양극 선단의 냉각면측으로 리브를 설치한다. 도9에, 양극 선단의 냉각면측의 외주부에 리브(34)를 설치한 양극의 수직 단면을 나타낸다. 리브(34)는, 원주 방향으로 1장 이상, 바람직하게는, 등간격으로 4장 이상 설치한다.
리브(34)의 높이(Hr), 반경 방향의 길이(Lr), 및 폭(Dr)은, 각각, 고강성을 유지하고 또한 냉각수의 흐름을 막지 않게 하기 위하여, 양극 선단의 반경(Ra)의 l/5∼2/3, 양극 선단의 반경(Ra)의 1/5∼2/3, 및, 양극 선단의 냉각 수로폭(Dc)의1/4∼1/1으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 냉각면 내에 리브를 설치하는 경우, 냉각 수로나 칸막이 벽의 형상을 변경할 필요가 있기 때문에,고강성을 유지하려면, Cr-Cu, Zr-Cu 또는 Cr-Zr-Cu 등의 고강도재를 적용하는 것이 바람직하다.
이상의 수단을 채용함으로써 양극 선단 외표면의 중심부에의 전류 집중을 방지할 수 있지만, 전술한 바와 같이, 양극 스포트가 형성되면, 그 양극 스포트에 더욱 더 전류가 집중되므로, Z극 선단 외표면의 중심부 이외에 양극 스포트가 형성된 경우, 그 양극 스포트에 전류 집중이 생길 우려가 있다. 따라서, 양극 스포트 형성 방지용 외란 발생장치를 사용하는 본 발명 예 (상기(4)의 발명과, 상기(11)의 발명)을, 도10와 도11에 나타낸다.
상기(4)의 발명은, 도10에 나타내는 바와 같이, 플라즈마 작동 가스를 양극 선단 외표면(26)으로부터 불기넣기 시작하고, 양극 선단 외표면(26)의 근방에 있어서, 가스의 흐름에 요란이나 선회를 일으키기 위한 제2 기체 공급 수단(43)을 구비함으로써, 양극 스포트를 이동시킬 수 있는 것이다. 제2 기체 공급 수단(43)은, 양극 선단 외표면을 관통하는 원통관으로 하는 것이 바람직하고, 상기 원통관의 외경은, 냉각수의 흐름을 막지 않고 확실히 기체를 공급할 수 있도록 1mm∼5mm으로 하고, 재질은, 부식 방지 때문에, 스테인레스, 동 또는 부식 방지 도금을 실시한 동이 바람직하다. 또 상기 양극 스포트를 이동시키는 효과는 원통관 1개에서도 얻을 수 있으나, 바람직하게는, 도10 및 도30에 도시하는 바와 같이, 양극 중심부에 1개와, 양극 내부에 설치된 냉각수로 칸막이벽(9)의 내부에 원주 방향으로 등간격으로 4∼10개 설치한다.
상기 (11)의 발명에 있어서는, 도11에 도시하는 바와 같이, 양극의 내부에 영구자석(36)을 채워넣고, 그 영구자석(36)을 회전시킴으로써, 시간적으로 변동하는 외부 자장(38) (도28,참조)을 형성하여, 양극 스포트를 이동시킬 수 있다. 도(13)에 도시하는 바와 같이, 영구자석을 연결하는 날개(46)를 냉각 수로내에 만들고, 냉각수의 흐름에 의하여 영구자석(36)을 회전시킬 수 있다.
고강성을 유지하기 위하여, 상기 (12)의 발명에서는, 고강도를 가질 수 있는 동합금을 양극 선단에 적용한다. 단, 양극 선단 외표면의 온도를 낮게 유지하기 위하여, 상기 동 합금의 열전도율은, 종래 재질인 무산소동과 같은 정도, 또는, 그 이상일 필요가 있다. 이와 같은 조건을 충족시키는 동 합금의 예로서, Cr-Cu, Zr-Cu와 Cr-Zr-Cu가 있다. 예를 들면, Cr-Zr-Cu에서는, 시판되고 있는 Cr 0.5∼1.5%, Zr 0.80∼0.30%, 잔부 동의 동 합금이 있다.
냉각 전열면에서의 번 아웃을 방지하기 위하여, 양극의 유효 면적을 넓히는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 설비 배치상의 문제나, 양극을 크게 하면 토치의 질량이 증가하고, 이 때문에 토치 유지 설비 한계의 문제 등으로, 양극의 유효 면적을 충분히 키울 수 없는 경우가 있다. 그 때문에, 양극 선단부를 적당한 형상으로 함으로써 번 아웃의 발생을 방지할 필요가 있다. 그와 같은 형상을 채용하는 본 발명 예 (상기 (6)의 발명)를 도14에 나타낸다.
도l4에 나타내는 바와 같이, 양극 선단의 냉각측의 중앙에, 냉각수의 흐름 (10)을 원활하게 하기 위한 돌기(51)를 설치한다. 돌기(51)는 거의 원추형을 이루고 있고, 그 측면은 냉각수의 흐름(10)에 대하여 유선형으로 하였다. 이 돌기(51)에 의하여 양극 선단의 냉각수쪽의 중심부에서의 냉각수의 유속의 저하를 막을 수 있고, 번아웃 한계열 유속의 향상을 꾀할 수 있다. 냉각수의 유속의 저하 방지를 효과적으로 이루고자 하므로, 돌기 저면의 반경(Rp) 및 돌기의 높이(Hp)는, 각각, 칸막이벽(9)의 안쪽 치수Rin의 1/ 1∼2/ l 및 l/1∼3/1인 것이 바람직하다.
양극 선단부를 적절한 형상으로 함으로써 양극 선단 외표면의 중심부에의 전류 집중을 방지하는 것을 목적으로 한 본 발명예 (상기(7)의 발명)를 도15에 나타낸다.
도15에 나타내는 바와 같이, 상기(7)의 발명에 있어서는, 양극 선단 외표면의 중심부(17)를 오목하게 한다. 도16에 도시하는 바와 같이, 전장(32)은 도체 표면에 대하여 수직으로 입사하기 때문에, 양극 선단 외표면 중심부를 오목하게 함으로써 도25에 도시하는 비교례에 비하여, 양극 선단 외표면의 중심부에서의 전속밀도를 저하시킬 수 있고, 전류 집중을 막을 수 있다.
오목부 영역은, 전류 집중 방지 영역을 확보하기 때문에, 양극 선단의 중심을 중심으로 하여, 양극 선단의 반경(Ra)의 1/5∼3/4를 반경으로 하는 원으로 된 것이 바람직하다(도15, 참조). 또한, 오목부 중심 높이(Hd)는, 전류 확산 효과를 확보하기 위하여, 오목부 영역의 반경(Rd)의 1/ 3∼2/1으로 하는 것이 바람직하다(도15, 참조). 또한, 오목부 영역의 반경(Rd)는 양극 선단 외표의 반경(Ra)의 1/3∼3/4인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서, 기체 공급 수단부터 공급하는 기체는, Arl00vol %이어도 좋고, Ar75vol% 이상으로 전압 상승을 위하여 N20.1∼25 vol%를 함유시키고, 잔부가 불가피적 불순물이어도 된다. 또 양극 선단 외표면의 중심부를 오목 들어가게 함으로써 돌기(51)을 설치한 것에 의한 선단 중심부의 두께 증가를 저감할 수 있고, 냉각면으로부터의 거리를 줄이게 되므로, 양극 선단 외표면의 온도를 저하시키는 효과도 얻을 수 있다.
상기(8)의 발명으로 채용한, 양극 선단의 볼록형 변형을 방지하기 위한 양극 선단 외표면의 형상의 일례를 도17에 나타낸다. 도17에 있어서, 양극 선단에 걸리는 수압과 열응력에 의하여 생기는 볼록변형을 상쇄하기 위하여, 양극 선단 외표면의 전체(33)에 있어서, 내측에 오목부(크라운)를 형성한다. 크라운의 높이(Hc)는, 플라즈마 가열시에 있어서 양극 선단 외표면의 변형에 의하여 그 외표면이 수평면을 유지할 수 있도록, 100∼500μm으로 하는 것이 바람직하다.
양극 선단에서의 볼록 변형을 방지하기 위하여, 양극 선단이 고온 상태에 이른 경우에서도, 양극 선단의 강성을 높게 유지할 필요가 있다. 상기(9)의 발명에 있어서는, 고강성을 유지하기 위하여, 양극 선단의 냉각면측으로 리브를 설치한다.
도18은, 양극 선단의 냉각면측의 외주부에 리브(34)를 설치한 양극의 수직 단면을 나타낸다. 리브(34)는 원주 방향으로 1장 이상, 바람직하게는, 등간격으로 4장 이상 설치한다. 리브(34)의 높이(Hr), 반경 방향의 길이(Lr), 및 폭(Dr)은, 각각, 고강성을 유지하고 냉각수의 흐름을 막지 않도록 하기 위하여, 양극 선단의 반경(Ra)의 l/5∼2/3, 양극 선단의 반경(Ra)의 1/5∼2/3, 및, 양극 선단의 냉각수로 폭(Dc)의 1/4∼1/1으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 냉각면 내에 리브를 설치하는 경우, 냉각수로나 칸막이벽의 형상을 변경할 필요가 있으므로, 고강성을 유지하려면, Cr-Cu, Zr-Cu 또는 Cr-Zr-Cu 등의 고강도재를 적용하는 것이 바람직하다.
이상의 수단을 채용함으로써 양극 선단 외표면의 중심부에의 전류 집중을 방지할 수 있지만, 전술한 바와 같이, 양극 스포트가 형성되면 그 양극 스포트에 더욱 전류 집중이 일어나므로, 양극 선단 외표면의 중심부 이외에 양극 스포트가 형성된 경우, 그 양극 스포트에 전류 집중을 일으킬 우려가 있다. 따라서, 양극 스포트 형성 방지용 외란 발생장치를 사용하는 본 발명예 (상기(10)의 발명과 상기(11)의 발명)을, 도19와 도20에 나타낸다.
상기 (10)의 발명은, 도19에 도시하는 바와 같이, 플라즈마 작동 가스를 양극 선단 외표면(26)으로부터 불어 넣기 시작하고, 양극 선단 외표면(26)의 근방에 있어서, 가스의 흐름에 외란이나 선회를 일으키기 위한 제2 기체 공급 수단(43)을 구비함으로써, 양극 스포트를 이동시킬 수 있다. 제2 기체 공급 수단(43)은, 양극 선단 외표면을 관통하는 원통관으로 하는 것이 바람직하고, 상기 원통관의 외지름은, 냉각수의 흐름을 막지 않고 확실히 기체를 공급할 수 있도록 1mm∼5mm으로 하며, 재질은 부식 방지를 위하여 스테인레스, 동 또는 부식 방지 도금을 실시한 동이 바람직하다. 또 상기 양극 스포트를 이동시키는 효과는 원통관 1개에서도 얻을 수 있지만, 바람직하게는, 도19 및 도30에 나타내는 바와 같이, 양극 중심부에 1개와, 양극 내부에 설치된 냉각 수로의 칸막이벽(9)의 내부에 원주 방향으로 등간격으로 4∼l0개 설치한다.
상기(11)의 발명에 있어서는, 도20에 나타내는 바와 같이, 양극의 내부에 영구자석(36)을 채워넣고, 그 영구자석(36)을 회전시킴으로써, 시간적으로 변동하는 외부 자장(38)(도29,참조)을 형성하여, 양극 스포트를 이동시킬 수 있다. 도22에 나타내는 바와 같이, 영구자석을 연결하는 날개(46)을 냉각수로 내에 만들고, 냉각수의 흐름에 의하여 영구자석(96)을 회전시킬 수 있다.
고강성을 유지하기 위하여, 상기 (12)의 발명에서는, 고강도를 가질 수 있는 동 합금을 양극 선단에 적용한다. 단, 양극 선단 외표면의 온도를 낮게 유지하기 위하여, 상기 동 합금의 열전도율은, 종래 재질인 무산소동과 같은 정도, 또는, 그 이상일 필요가 있다. 이와 같은 조건을 충족시키는 동 합금의 예로서, Cr-Cu, Zr-Cu와 Cr-Zr-Cu가 있다. 예를 들면, Cr-Zr-Cu에서는, 시판되고 있는 Cr 0.5∼l.5%, Zr 0.08∼0.30%, 잔부가 동인 동 합금이 있다.
이하, 본 발명 실시례에 대해서 설명 한다.
(실시례1)
도12, 도13, 도26 및 도27는, 각각 본 발명 일실시례를 나타내는 단면도이다.
도12 및 도26에 나타내는 양극의 특징은, 이하의 (1)∼(5)와 같다. 더욱이, 도12는 수직 단면도, 도17은 수평 단면도이다.
(l) 양극 선단 외표면의 반경 Ra=25mm, 양극 선단의 두께 Da=3mm이다.
(2) 양극 선단 외표면 전체의 오목부(크라운)는, 곡율(Rc)=1041mm의 구면이고, 양극 선단의 중심에서의 높이(Hc)는, Hc=300μm이다. 이 크라운에 의하여 플라즈마 가열 조업시에서의 양극 선단 외표면은 열응력 변형에 의하여 거의 평면이된다.
(3) 양극 선단 외표면의 중심부(17)에 있어서, 반경(rd)=10mm의 범위이고, 곡율(Rd)=15mm의 구면상의 오목부(40)를 형성한다. 양극 선단의 중심에서의 오목부(40)의 높이(Hd)는, Hd=4mm이다. 오목부(40)가 없는 종래형 (도25, 참조)에 비하여, 양극 선단 외표면의 중심부(17)에 입사하는 전장은 분산되고, 전류 밀도는 저하된다. 단, 양극 선단 외표면의 오목부와 그 외측과의 경계(41)는, 큰 볼록부를 형성하지 않도록 매끄럽게 할 필요가 있다. 그 경계(41)의 곡율(Rb)은, Rb=30mm 이상이 바람직하고, 본 실시예의 경우, Rb=50mm로 하였다.
(4) 양극 선단 외표면은 500℃ 이상의 고온이 되므로, 종래의 무산소강을 사용한 양극으로는, 크립 변형될 우려가 있다. 특히, 양극 선단 외표면에 있어서 손상이 진행되어, 선단 두께가 감소하면, 크립 변형량은 커지고, 양극 선단은 볼록타입으로 변형된다. 이 때, 양극의 재질에, Cr 0.08, Zr 0.15%를 포함하는 동 합금을 적용하였다. 도23은, 반경25mm의 동(또는 동 합금)의 원반에 대하여, 그 판 두께에 대한, 중심부의 크립 변형의 변형량(도24에 나타내는 hc[mm])을 나타낸 것이다. 도중, ◇표시의 직선(49)로 나타내는 무산소동에 대하여, 도중, ○표시의 직선(50)으로 나타내는 Cr-Zr-Cu 합금은 크립 변형이 적고, 특히, 양극 선단 두께 1.5mm에 있어서는 3자리수 작다. 즉, Cr-Zr-Cu합금은, 무산소동에 비하여, 크립 변형하기 어렵고, 양극 선단의 볼록형 변형을 억제할 수 있는 것이다.
(5a) 양극 선단 외표면에 작동 가스를 불어 넣는 8개의 분출구 42a∼42h를,양극 선단 외표면에 있어서 원주상에 설치하고, 또한, 1개의 분출구42i(미도시)를양극 선단 외표면의 중심부에 만든다. 그리고, 분출구 42a∼42h에 연결되고, 작동 가스를 통과시키는 내관(43a∼43h)을 칸막이벽(9)의 내부에 설치하고, 또한, 분출구42i(미도시)에 연결되는 내관43i을 양극 중심축상에 설치한다. 작동 가스의 선회를 일으키기 위하여, 내관42a∼42h는, 양극 아래측에 있어서 비스듬히 설치되어 있다. 분출구42a∼42i로부터 불어넣는 작동 가스가, 양극 선단 외표면의 근방에 있어서 선회하여, 양극 스포트를 이동시킬 수 있다.
도2에 도시하는 종래의 이행형 플라즈마 가열용 양극에 비하여, 본 발명 이행형 플라즈마 가열용 양극의 수명은, 1.5∼2배로 증가하였다.
도l3 및 도27에 나타내는 양극은, 도12 및 도26에 나타내는 양극의 (1)∼(4)와 같은 특징을 가지고, 또한, 5번째 특징으로서 이하의 특징을 가진다. 또한, 도(13)은 수직 단면도, 도27은 수평 단면도이다.
(5b) 양극 내부의 칸막이벽(9) 중에, 영구자석(36)을 2개 만든다. 이 2개의 영구자석(36a, 36b)는, 양극을 대칭축으로 대칭인 위치에 설치되고, 연결봉(44)에 의해 연결되어 있다. 이 연결봉(44)은, 양극 선단의 냉각측의 중심으로부터 수직상방 5mm에 설치된 회전축(45)과 연결되고 있고, 영구자석(36a, 36b)는, 회전축(45)를 중심으로 원주 방향으로 회전 가능하다. 또 연결봉(44)에 고정된 날개(46)을 냉각수로(47)중에 설치함으로써, 냉각수의 흐름(48)에 의해 영구자석(36a, 36b)를 원주 방향으로 회전할 수 있다. 양극 선단 외표면의 근방에 있어서, 영구자석(36a, 36b)에 의하여 형성되는 자장(38) (도28, 참조)는, 영구자석(36a,36b)이 회전함으로써, 시간에 대하여 주기적으로 변동한다.자장과 운동하는 하전 입자는 상호 작용을 하기 때문에, 시간적으로 변동하는 자장(38)에 의하여 플라즈마 중의 이온이나 전자의 운동도 변동 영향을 받는다. 그 때문에, 양극 선단 외표면에 있어서 양극 스포트가 형성되어도 시간적으로 변동하는 자장에 의해 하전 입자는 외란을 받아, 양극 스포트를 이동할 수 있다.
도2에 나타내는 종래의 이행형 플라즈마 가열용 양극과 비교하여, 본 발명 이행형 플라즈마 가열용 양극의 수명은, 1.5∼2배로 증가하였다.
(실시례2)
도2l, 도22, 도26 및 도27은, 각각 본 발명 일실시례를 나타내는 단면도이다.
도21 및 도26에 나타내는 양극의 특징은, 이하의 (1)∼(6)과 같다. 또한, 도21은 수직 단면도, 도26은 수평 단면도를 가리킨다.
(1) 양극 선단 외표면의 반경(Ra)=25mm, 양극 선단의 냉각쪽의 반경Rcool=22mm, 양극 선단의 두께 Da=3mm이다.
(2) 양극 선단의 냉각측의 중심부에 형성한 원추 모양의 돌기(51)는, 저면 반경(Rp)=15mm, 높이(Hp)=20이고, 측면은 냉각수의 흐름에 따르도록 유선형을 이루고 있다.
도 32는, 양극 선단의 냉각측의 반경 Rcoo1=22mm의 상기 양극 선단에 있어서, 냉각측의 반경을 횡축으로 잡고, 번아웃 한계 열 유속을 종축에 잡고, 그 열유속의 변화를 도시한 것이다. 도중, 파선(52)는 종래형의 양극 (도2, 참조)의 선단 냉각측의 전열면에서의 번아웃 한계 열 유속을 가리키고, 도중, 실선(53)은, 본발명예의 선단 냉각측의 전열면에서의 번아웃 한계 열 유속을 가리킨다. 도32로부터, 본 발명예의 양극에 있어서는, 종래형의 양극에 비하여 번아웃 한계 열 유속이 향상되고, 양극 선단의 반경 방향에 있어서, 번 아웃 한계 열 유속이 높은 레벨로 일정으로 유지되어 있는 것을 알 수 있다.즉, 본 발명예의 양극에 있어서는, 번 아웃의 위험성이 저하되고 있는 것이다. 더욱이, 돌기(51)를 설치함으로써 선단 중심부의 두께가 증가하여 선단 외표면의 중심부의 온도가 상승하는 것을 생각할 수 있으나, 본 발명례에 있어서는, 돌기(51)에서의 냉각전 열면적이 크기 때문에 문제가 되지 않는다.
(3) 양극 선단 외표면 전체 오목부(크라운)는, 곡율Rc=1041mm의 구면이고, 선단 중심에 있어서의 높이(Hc)는 Hc=300μm이다. 이 크라운에 의하여 플라즈마 가열 조업시에 양극 선단 외표면이 열응력으로 변형하고, 그 외표면은 거의 평면이 된다.
(4) 양극 선단 외표면의 중심부(17)에 있어서, 반경rd=l0mm의 범위로, 곡율Rd=15mm의 구면상의 오목부(40)를 형성한다. 양극 선단의 중심에서의 오목부(40)의 높이(Hd)는 Hd=4mm이다. 오목부(40)가 없는 종래형(도25, 참조)에 비하여, 양극 선단 외표면의 중심부(17)에 입사하는 전장은 분산되고, 전류 밀도는 저하된다. 단, 양극 선단 외표면의 오목부와 그 외측과의 경계(41)는,큰 볼록부를 형성하지 않도록 매끄럽게 할 필요가 있다. 그 경계(41)의 곡율(Rb)은, Rb=30mm이상이 바람직하고, 본 실시예의 경우, Rb=50mm로 하였다.
(5) 양극 선단 외표면은 500℃ 이상의 고온으로 쪼여지므로, 종래의 무산소동을 사용한 양극에서는, 크립 변형을 일으킬 우려가 있다. 특히, 양극 선단 외표면에 있어서 손상이 진행되고, 선단 두께가 감소하면, creep 변형량은 커지고, 양극 선단은 볼록타입으로 변형된다. 따라서, 실시례1의 경우와 같이,양극의 재질로, Cr 0.08%, Zr 0.15%를 포함하는 동 합금을 적용한다 (도23,참조).
(6a) 양극 선단 외표면에 작동 가스를 불기넣는 8개의 분출구(42a∼42h)를, 양극 선단 외표면에 있어서 원주상에 설치하고, 또한, 1개의 분출구42i를 양극 선단 외표면 중심부에 만든다. 그리고, 분출구(42a∼42h)에 연결되고, 작동 가스를 통하게 하는 내관(43a∼43h)을 칸막이벽(9)의 내부에 설치하고, 또한, 분출구42i(미도시)에 연결되는 내관43i을 양극 중심축 상에 설치한다. 작동 가스의 선회를 일으키기 위해서, 내관42a∼42h는 양극 하방에 있어서 비스듬히 설치되어 있다. 분출구42a∼42i부터 불기 시작하는 작동 가스가, 양극 선단 외표면의 근방에 있어서 선회하여, 양극 스포트를 이동시킬 수 있다.
도2에 나타내는 종래의 이행형 플라즈마 가열용 양극에 비해, 본 발명 이행형 플라즈마 가열용 양극의 수명은, 1.5 배∼2배로 증가했다.
도22 및 도27에 나타내는 양극은, 도2l 및 도26에 나타내는 양극의 (1)∼(4)와 같은 특징을 가지고, 또한, 5번째 특징으로서 이하의 특징을 가진다. 또한 도22는 수직 단면도, 도27은 수평 단면도이다.
(6b) 양극 내부의 칸막이벽(9) 중에, 영구자석(36)을 2개 만든다. 이 2개의 영구자석(36a, 36b)는, 양극을 대칭축으로 하여 대칭인 위치에 설치되고, 연결봉(44)에 의해 연결되어 있다. 이 연결봉(44)는, 양극 선단의 냉각측의 중심에서 수직 상방 5mm에 설치된 회전축(45)과 연결되어 있고, 영구자석(36a, 36b)는, 회전축(45)를 중심으로 원주 방향으로 회전 가능하다. 또한, 연결봉(44)에 고정된 날개(46)을 냉각수로(47)중에 설치함으로써, 냉각수의 흐름(48)에 의하여 영구자석(36a, 36b)를 원주 방향으로 회전할 수 있다. 양극 선단 외표면의 근방에 있어서, 영구자석(36a, 36b)에 의하여 형성되는 자장(38) (도29, 참조)는, 영구자석(36a, 36b)가 회전함으로써, 시간에 대하여 주기적으로 변동한다. 자장과 운동하는 하전 입자는 상호 작용을 하므로, 시간적으로 변동하는 자장(38)에 의하여 플라즈마 중의 이온이나 전자의 운동도 변동의 영향을 받는다. 그 때문에, 양극 선단 외표면에 있어서 양극 스포트가 형성되어도 시간적으로 변동하는 자장에 의해 하전 입자는 외란을 받고, 양극 스포트를 이동할 수 있다.
도2에 나타내는 종래의 이행형 플라즈마 가열용 양극에 비하여, 본 발명 이행형 플라즈마 가열용 양극의 수명은, l.5∼2배로 증가하였다.
본 발명에 의해 직류 전류 트윈 토치형 플라즈마 가열 장치에 있어서, 양극 선단의 손상 속도를 지연시키고, 그 장치의 수명을 연장시킬 수 있으므로, 본 발명은, 산업상의 이용 가능성이 큰 것이다.

Claims (12)

  1. 직류 전류를 용기내의 용융 금속에 통전하고, Ar 플라즈마를 발생시키면서 용융 금속을 가열하는 이행형 플라즈마 가열용 양극으로서, 내부 수냉구조를 가지는 도전성 금속으로 구성되는 양극과, 상기 양극의 외측에 일정한 간격을 두고 내부 수냉구조를 가지는 금속제 보호체와, 상기 양극과 상기 보호체의 간극에 Ar를 함유하는 기체를 공급하는 기체 공급 수단을 가지고, 상기 양극 선단 외표면의 중심부가 내측으로 오목하게 들어가 있는 것을 특징으로 하는 이행형 플라즈마 가열용 양극.
  2. 직류 전류를 용기 내의 용융금속에 통전하고, Ar 플라즈마를 발생시키면서 용융금속을 가열하는 이행형 플라즈마 가열용 양극으로서, 내부 수냉 구조를 가지는 도전성 금속으로 이루어지는 양극과, 상기 양극의 외측에 일정 간격을 설치하여 내부 수냉 구조를 가지는 금속제 보호체와, 상기 양극과 상기 보호체의 간극에 Ar를 함유하는 기체를 공급하는 기체 공급 수단을 가지고, 상기 양극 선단 외표면의 전체가 내측으로 오목하게 들어가 있는 것을 특징으로 하는 이행형 플라즈마 가열용 양극.
  3. 직류 전류를 용기 내의 용융금속에 통전하고, Ar 플라즈마를 발생시키면서 용융금속을 가열하는 이행형 플라즈마 가열용 양극으로서, 내부 수냉 구조를 가지는 도전성 금속으로 이루어지는 양극과, 상기 양극의 외측에 일정 간격을 설치하여 내부 수냉 구조를 가지는 금속제 보호체와, 상기 양극과 상기 보호체의 간극에 Ar를 함유하는 기체를 공급하는 기체 공급 수단을 가지고, 상기 양극 선단 냉각면에 리브를 가지는 것을 특징으로 하는 이행형 플라즈마 가열용 양극.
  4. 직류 전류를 용기내의 용융금속에 통전하고, Ar 플라즈마를 발생시키면서 용융금속을 가열하는 이행형 플라즈마 가열용 양극으로서, 내부 수냉 구조를 가지는 도전성 금속으로 이루어지는 양극과, 상기 양극의 외측에 일정 간격을 두고 내부 수냉 구조를 가지는 금속제 보호체와, 상기 양극과 상기 보호체의 간극에 Ar를 함유하는 기체를 공급하는 제1 기체 공급 수단을 가지고, 상기 양극 내부에 제2 기체 공급 수단을 가지며, 상기 제2 기체 공급 수단은 양극 선단 외표면으로부터 기체를 불어넣는 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 이행형 플라즈마 가열용 양극.
  5. 제 1항에 있어서,
    양극 선단 외표면의 중심부 및 전체가 내측으로 오목하게 들어가 있는 것을 특징으로 하는 이행형 플라즈마 가열용 양극.
  6. 직류 전류를 용기내의 용융 금속에 통전하고, Ar 플라즈마를 발생시키면서 용융 금속을 가열하는 이행형 플라즈마 가열용 양극으로서, 내부 수냉 구조를 가지는 도전성 금속으로 이루어지는 양극과, 상기 양극의 외측에 일정 간격을 두고 수냉 구조를 가지는 금속제 보호체와, 상기 양극과 상기 보호체의 간극에 Ar를 함유하는 기체를 공급하는 기체 공급 수단을 가지고, 상기양극 선단 냉각측의 중앙에 돌기를 가지는 것을 특징으로 하는 이행형 플라즈마 가열용 양극.
  7. 제 6항에 있어서,
    양극 선단 외표면의 중심부가 내측으로 들어가 있는 것을 특징으로 하는 이행형 플라즈마 가열용 양극.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    양극 선단 외표면의 전체가 내측으로 오목하게 들어가 있는 것을 특징으로 하는 이행형 플라즈마 가열용 양극.
  9. 제 1항, 제 2항, 제 5항, 제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    양극 선단 냉각측에 리브를 가지는 것을 특징으로 하는이행형 플라즈마 가열용 양극.
  10. 제 1항 내지 제 3항, 제 5항 및 제 6항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    양극 내부에 제2 기체 공급 수단을 가지고, 상기 제2 기체 공급 수단은 양극 선단 외표면으로부터 기체를 불어넣는 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 이행형플라즈마 가열용 양극.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    양극 선단 외표면의 전체 및/또는 중심부가 움푹 들어가 있고, 또한, 상기 양극 내부에 원주 방향으로 회전이 자유자재인 1 또는 2 이상의 영구자석을 가지는 것을 특징으로 하는 이행형 플라즈마 가열용 양극.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도, 양극 선단 재질을 Cr 또는 Zr을 포함하는 동 합금으로 하는 것을 특징으로 하는 이행형 플라즈마 가열용 양극.
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7375303B2 (en) * 2004-11-16 2008-05-20 Hypertherm, Inc. Plasma arc torch having an electrode with internal passages
US7375302B2 (en) * 2004-11-16 2008-05-20 Hypertherm, Inc. Plasma arc torch having an electrode with internal passages
TW201328437A (zh) * 2011-12-22 2013-07-01 Atomic Energy Council 具移動式磁鐵機構之電漿火炬裝置
SK500062013A3 (sk) * 2013-03-05 2014-10-03 Ga Drilling, A. S. Generovanie elektrického oblúka, ktorý priamo plošne tepelne a mechanicky pôsobí na materiál a zariadenie na generovanie elektrického oblúka
US11511298B2 (en) * 2014-12-12 2022-11-29 Oerlikon Metco (Us) Inc. Corrosion protection for plasma gun nozzles and method of protecting gun nozzles

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NO119341B (ko) * 1965-04-09 1970-05-04 Inst Badan Jadrowych
US3610796A (en) * 1970-01-21 1971-10-05 Westinghouse Electric Corp Fluid-cooled electrodes having permanent magnets to drive the arc therefrom and arc heater apparatus employing the same
US4169962A (en) * 1974-10-02 1979-10-02 Daidoseiko Kabushikikaisha Heat treating apparatus
DE3241476A1 (de) * 1982-11-10 1984-05-10 Fried. Krupp Gmbh, 4300 Essen Verfahren zur einleitung von ionisierbarem gas in ein plasma eines lichtbogenbrenners und plasmabrenner zur durchfuehrung des verfahrens
JPH05302Y2 (ko) * 1986-04-15 1993-01-06
NO163412B (no) * 1988-01-25 1990-02-12 Elkem Technology Plasmalanse.
JPH03205796A (ja) * 1990-01-04 1991-09-09 Nkk Corp 移行式プラズマトーチ
JPH04131694A (ja) * 1990-09-21 1992-05-06 Nkk Corp 移行式プラズマトーチ
JPH04139384A (ja) * 1990-09-28 1992-05-13 Nkk Corp 移行式プラズマトーチ
JPH04190597A (ja) * 1990-11-22 1992-07-08 Nkk Corp 移行式プラズマトーチ
US5464962A (en) * 1992-05-20 1995-11-07 Hypertherm, Inc. Electrode for a plasma arc torch
JPH07130490A (ja) * 1993-11-02 1995-05-19 Komatsu Ltd プラズマトーチ
JPH0935892A (ja) * 1995-07-18 1997-02-07 Kobe Steel Ltd プラズマ発生装置の電極
DE19626941A1 (de) * 1996-07-04 1998-01-08 Castolin Sa Verfahren zum Beschichten oder Schweißen leicht oxidierbarer Werkstoffe sowie Plasmabrenner dafür
FR2767081B1 (fr) * 1997-08-11 1999-09-17 Lorraine Laminage Procede de rechauffage d'un metal liquide dans un repartiteur de coulee continue au moyen d'une torche a plasma, et repartiteur pour sa mise en oeuvre
JP3205796B2 (ja) 1997-10-31 2001-09-04 株式会社フジキカイ 縦型製袋充填機における製袋装置

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