KR20100026707A - 공동형 플라즈마 토치, 플라즈마/가스 혼합형 연소장치 및이를 이용한 용융방법 - Google Patents

Abstract

공동형 플라즈마 토치, 플라즈마/가스 혼합형 연소장치 및 이를 이용한 용융방법을 제공한다. 상기 플라즈마/가스 혼합형 연소장치는 전극체 주위에 감겨진 코일에 전원을 인가하면 전극체 내부 반응공간에 자장이 형성되어, 방전과정 중 생성된 플라즈마가 자장의 영향을 받아 어느 한 방향을 향한 선회흐름(Swirl)을 유지할 수 있도록 장치를 구현한 상기 중공형 플라즈마 토치 및 상기 토치 출구측에 연장되어 공기와 연료가스를 혼합시켜 대상물 처리에 적합한 온도를 가진 화염을 생성하는 연소노즐을 포함하는 것을 구성의 요지로 하며, 상기 용융방법은 전극체 내부의 반응공간으로 도입된 상기 반응가스를 플라즈마화 시키는 플라즈마 생성단계, 상기 전극체 외연에 감겨진 코일에 전원을 인가하여 상기 전극체 내부의 반응공간에 자장을 형성시켜 플라즈마가 반응공간에서 일정한 선회패턴의 유동을 가지도록 플라즈마 선회류를 형성시키는 선회류 형성단계, 선회중인 플라즈마에 공기 및 연료가스를 혼합시켜 연소반응을 통해 고온의 화염을 발생시키는 화염발생단계, 상기 화염발생단계를 통해 발생된 고온의 화염을 이용하여 용융로에 수용된 용융 대상물을 연소 내지는 용융시키는 1차 연소단계 및 상기 1차 연소단계에서 발생되어 상기 용융로 외부로 배기되는 배기가스를 상기 용융로와 별도로 구비된 2차 연소실로 공급하여 재연소시키는 2차 연소단계를 포함하는 것을 요지로 한다.

플라즈마 토치, 공동형 전극체, 코일, 자장, 연소노즐

Description

공동형 플라즈마 토치, 플라즈마/가스 혼합형 연소장치 및 이를 이용한 용융방법{Hollow type plasma torch, Combusition apparatus plasma/gas bunner and method of melting using the appratus}

본 발명은 공동형 플라즈마 토치, 플라즈마/가스 혼합형 연소장치 및 이를 이용한 용융방법에 관한 것으로, 상세하게는 연소에 사용되는 가스가 플라즈마에 의한 전처리 과정을 통해 보다 희박한 연료혼합밀도 및 저온분위기에서도 고온의 화염을 형성할 수 있는 공동형 플라즈마 토치, 플라즈마/가스 혼합형 연소장치 및 이를 이용한 용융방법에 관한 것이다.

용접, 절단, 표면처리, 폐기물 연소 등을 목적으로 특정 부분에 고열을 가하는 토치는 연소되는 연료의 형태(액체 연료, 기체 연료)에 따라서 다양한 구조로 제공되고 있다. 또한, 최근에는 두 개의 전극 사이에 고압의 전류가 인가되어 만들어진 플라즈마 상태로 존재하는 공간에 작동 가스(질소, 산소, 수소, 아르곤, 헬륨, 메탄, 프로판 등)를 도입시켜 보다 높은 연소열을 얻을 수 있도록 한 플라즈마 토치가 널리 채택되고 있다.

플라즈마 토치는 작업환경에 맞게 적합한 온도조건을 가지도록 조절이 가능하고 전력과 불활성 기체를 주로 사용하기 때문에 작업중 유해한 물질이 전혀 발생되지 않는 청정기술이며, 장치의 부피가 크지 않으면서 기존의 연소반응으로 도달할 수 없는 높은 온도(2,000 K ~ 10,000K)를 달성할 수 있다는 장점을 가지지만, 전기를 원료로 사용하고, 불활성 기체를 지속적으로 공급해야 하는 관계로, 소량생산을 목적으로 하는 경우 장치 운용에 상당한 경비가 소요되는 단점이 있다.

따라서, 최근 실제 상업적 응용에서는 주로 토치 운전을 수백 kW급 이상으로 고출력화하여 대량의 소재를 단시간에 용융 처리함으로써 경제성 문제를 극복하고, 이와 함께 열플라즈마 토치 개선을 통해 작업중 플라즈마 제트의 안정성을 높여 공정의 신뢰성을 확보하는 방향으로 연구가 활발히 진행되고 있지만, 토치를 고출력으로 운전하는 경우 토치 운전전류가 높은 관계로 전극부식이 빠르게 진행될 수 밖에 없고, 결국 전극수명이 단축되는 문제가 초래된다.

따라서, 플라즈마를 기반으로 하는 소재 용융기술의 성공적인 확보와 관련기술의 활성화를 위해서는 고출력 운전에서도 전극부식이 적고, 이상방전 없이 안정한 열플라즈마 제트를 장시간 발생시킬 수 있는 열플라즈마 토치 개발이 무엇보다도 시급한 실정이다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 고출력 운전환경에서도 고온 아크 생성에 의한 전극부식을 최대한 억제할 수 있고, 토치를 통해 발생된 플라즈마에 공기 및 추가 연료가스의 혼합량 조절을 통해 대상물 처리에 적합한 온도환경을 다양하게 조성가능한 공동형 플라즈마 토치, 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 이용하여 용융 대상물에 대한 용융을 수행함에 있어, 보다 효율적으로 대상물에 대한 용융을 구현할 수 있도록 한 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 이용한 용융방법을 제공하는 데에 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은, 일측과 타측에 각각 폐쇄단과 개방단을 가지며, 외연에는 그 내부 공간에 자장 형성을 위한 코일이 감겨진 속이 빈 중공의 캐소드 전극체; 입구와 출구를 가지며, 상기 입구가 상기 캐소드 전극체의 개방단과 일정간격을 두고 마주하도록 캐소드 전극체와 동축 상에 배치되고, 외연에는 그 내부 공간에 자장 형성을 위한 코일이 감겨진 중공의 애노드 전극체; 상기 캐소드 전극체와 애노드 전극체 사이의 틈새를 통해 캐소드 전극체와 애노드 전극체 내부 반응공간으로 플라즈마 생성을 위한 반응가스가 도입 될 수 있도록 유로를 형성하는 가스공급포트; 및 상기 캐소드 전극체, 애노드 전극체 및 가스공급포트를 수용할 수 있을 정도의 직경과 길이를 가져, 상기 상기 캐소드 전극체, 애노드 전극체 및 가스공급포트를 내부에 수용하는 중공의 외부 하우징;을 포함하여 구성되는 공동형 플라즈마 토치를 제공한다.

여기서, 상기 캐소드 전극체 및 애노드 전극체는, 냉각수가 도입되고 빠져나가는 한 쌍의 냉각수 포트를 가진 외부 절연체와, 상기 외부 절연체에 삽입되는 중공형 전극를 포함하며, 상기 외부 절연체와 전극 사이는 이격되어 냉각수가 유동될 수 있는 냉각수 통로가 형성되도록 함으로써, 고온의 플라즈마 생성과정 중 장치 과열에 따른 파손 내지는 수명단축을 방지할 수 있도록 함이 바람직하다.

본 실시예에 있어 상기 중공형 전극은 플라즈마 생성과정에서의 아크발생 시 초고온 영역에서도 내부식성이 강한 구리계열의 특수합금을 채택함이 바람직하다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은, 상기한 구성을 가진 중공형 플라즈마 토치; 및 상기 플라즈마 토치에서 발생한 고온의 플라즈마가 도입되고, 도입된 고온의 플라즈마에 공기 및 연료가스를 혼합시켜 연소반응이 이루어지도록 하는 연소노즐;을 포함하여 구성되는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 제공한다.

여기서 상기 연소노즐은, 플라즈마 도입을 위한 입구와, 연소에 의한 고온불꽃을 외부로 토출시키기 위한 출구와, 상기 입구와 출구 사이에 형성되며 입구 및 출구에 비해 확장된 단면 직경을 가진 혼합공간 및 혼합공간으로 도입된 플라즈마에 공기 및 연료가스 혼합을 위해, 상기 혼합공간 형성을 위한 연소노즐 벽면을 통 해 상기 혼합공간과 연통되는 복수의 공기주입포트 및 연료가스주입포트;를 포함하는 구성일 수 있다.

상기 연소노즐을 플라즈마 토치에 연결 장착함에 있어서는, 상기 연소노즐의 입구가 중공형 플라즈마 토치의 애노드 전극체 출구와 연통되도록, 상기 중공형 플라즈마 토치의 외부 하우징 일측에 상기 연소노즐을 플랜지 연결을 이용하여 연결시킴이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 복수의 공기주입포트 및 연료가스주입포트가 상기 연소노즐의 출구를 향해 경사진 기울기를 가지도록 함으로써, 상기 주입포트를 통해 공기 및 연료가스가 연소노즐 출구를 향해 도입될 경우, 상기 공기 및 연료가스 흐름에 의한 벤츄리 현상에 의해 상기 연소노즐 혼합공간으로 플라즈마가 원활하게 도입될 수 있도록 함이 좋을 것이다.

보다 바람직하게는, 상기 복수의 공기주입포트를 상기 연소노즐의 혼합공간 중심으로부터 연장된 횡축 및 종축에 대해 시계 또는 반시계 어느 한 방향으로 일정거리 편향되게 형성시켜, 혼합공간 안으로 도입되는 공기에 의해 상기 혼합공간 안에 선회류가 형성될 수 있도록 함이 바람직하다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 또 다른 방법으로서 본 발명은, 가스공급포트를 통해 캐소드 전극체와 애노드 전극체 사이로 반응가스를 도입시키고, 상기 캐소드 전극체 및 애노드 전극체에 전원을 인가하여 상기 전극체들 내부의 반응공간으로 도입된 상기 반응가스를 플라즈마화 시키는 플라즈마 생성단계; 상기 캐소드 전극체 및 애노드 전극체 외연에 감겨진 코일에 전원을 인가하여 상기 전극체 내부의 반응공간에 자장을 형성시키고, 자장에 의해 상기 플라즈마가 반응공간에서 일정한 선회패턴의 유동을 가지도록 플라즈마 선회류를 형성시키는 선회류 형성단계; 선회중인 플라즈마에 공기 및 연료가스를 혼합시켜 연소반응을 통해 고온의 화염을 발생시키는 화염발생단계; 및 상기 화염발생단계를 통해 발생된 고온의 화염을 이용하여 용융로에 수용된 용융 대상물을 연소 내지는 용융시키는 1차 연소단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 이용한 용융방법을 제공한다.

여기서, 상기 플라즈마 생성과정에서 상기 캐소드 전극체와 애노드 전극체에 냉각수를 도입하고 인출시켜 상기 캐소드 전극체와 애노드 전극체를 냉각시키는 전극체 냉각단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 1차 연소단계에서는, 상기 화염에 의한 고온의 연소가스가 용융로 일측에서 타측으로 일정한 선회패턴을 형성하면서 유동될 수 있도록, 상기 화염의 토출방향이 용융로 바닥을 향하는 기울기를 가지면서 동시에, 용융로 일측에 타측을 향하는 기울기를 가지도록 함이 좋을 것이다.

나아가, 상기 1차 연소단계에서 발생되어 상기 용융로 외부로 배기되는 배기가스를 상기 용융로와 별도로 구비된 2차 연소실로 공급하여 재연소시키는 2차 연소단계;를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 2차 연소실에서 배기되는 배기가스 포함된 폐열을 회수하여 상기 2차 연소실로 도입되는 공기를 예열시킬 수 있도록 폐열회수단계;를 더 포함함이 바람직하다.

상기한 구성의 본 발명에 의하면, 전극체 주위에 감겨진 코일에 전원을 인가하면 전극체 내부 반응공간에 자장이 형성되고, 방전과정 중 생성된 플라즈마는 자장의 영향을 받아 어느 한 방향을 향한 선회흐름(Swirl)을 유지하게 된다. 따라서 플라즈마 생성을 위한 방전과정 중 고온의 아크점이 상기 전극체의 어느 한 지점에 귀속되지 않고 플라즈마 선회류의 영향을 받아 전극체 내부에서 빠른 속도로 회전하게 된다. 이에 따라, 고출력 운전환경에서도 고온 아크생성에 의한 전극의 부식을 최소화시킬 수 있고, 결국 전극수명 연장에 따른 장치 전반에 걸친 유지보수 절감의 효과를 기대할 수 있다.

또한 본 발명은, 토치를 통해 발생된 플라즈마에 연소노즐 외부로부터 제공되는 공기 및 추가 연료가스의 혼합량 조절을 간단한 작업을 통해, 대상물 처리에 적합한 온도범위를 가지도록 토출화염의 출력온도를 다양하게 조정하는 것이 가능하므로, 초고온 작업이 요구되는 분야에 광범위하게 적용가능한 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 용융방법의 경우에는, 상기 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 이용하여 용융 대상물에 대한 용융을 수행함에 있어 폐열을 회수하여 연소에 활용함으로써, 에너지의 보다 효율적 운용에 의한 에너지를 절감을 구현할 수 있다는 장점이 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마/가스 혼합형 연소장치의 횡 단면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 토치의 구성을 개략적으로 나타낸 개략 구성도이고, 도 3은 도 1에 도시된 연소노즐을 연소노즐 입구측에서 바라본 정면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 플라즈마/가스 혼합형 연소장치는 전극방전을 통한 플라즈마 반응을 통해 고온의 아크를 발생시키는 중공형 플라즈마 토치(10) 및 상기 공동형 플라즈마 토치(10) 출구측에 장착되는 연소노즐(15)을 포함한다. 상기 공동형 플라즈마 토치(10)는 내부에 반응공간을 형성한 공동형 구조를 가지며, 상기 연소노즐(15)에는 상기 플라즈마 토치(10)를 통해 발생된 고온의 플라즈마가 도입되고, 도입된 고온의 플라즈마에 공기 및 연료가스를 혼합시켜 대상물 처리에 적합한 온도범위를 가진 화염을 외부로 출력한다.

도 2를 참조하면, 상기 공동형 플라즈마 토치(10)는 방전반응을 위한 두 전극 즉, 캐소드 전극체(100) 및 애노드 전극체(110)를 포함한다. 상기 캐소드 전극체(100)는 일측과 타측에 각각 폐쇄단과 개방단(부호생략)을 가진 중공체로서, 외연에는 그 내부 공간에 자장 형성을 위한 코일(102)이 감겨져 있고, 상기 애노드 전극체(110) 역시 중공체로서, 입구(I)와 출구(E)를 가지며 외연에는 그 내부 공간에 자장 형성을 위한 코일(112)이 감겨져 있다.

상기 애노드 전극체(110) 입구(I)가 상기 캐소드 전극체(100)의 개방단과 일정 간격을 두고 마주하도록, 상기 애노드 전극체(110)는 캐소드 전극체(100)와 동축 상에 직렬 배치되며, 상기 캐소드 전극체(100) 개방단과 애노드 전극체(110) 입구(I) 사이의 이격 틈새(125)를 포함하는 가스공급포트(120)를 통해 상기 캐소드 전극체(100)와 애노드 전극체(110) 내부 반응공간(107)(117)으로 플라즈마 생성을 위한 반응가스가 도입된다.

위와 같이 본 발명에서는 상기 한 쌍의 전극체(100)(110)가 중공으로 이루어져 있고 그 외연에는 코일(102)(112)이 감겨져 있어, 상기 두 전극체(100)(110) 사이의 이격 틈새(125)를 통해 전극체 내부의 반응공간(107)(117)으로 반응가스를 도입시키고, 상기 한 쌍의 전극체(100)(110) 및 그 외연에 감겨진 코일(102)(112)에 고주파 고전압을 걸어주면, 플라즈마 발생과정에서 아크방전 즉, 아크점이 어느 한 위치에 고정되지 않고 전극체 반응공간 안에서 선회류 패턴을 형성하면서 지속적으로 이동한다. 따라서 아크점이 특정 지점에 귀속된 종래와는 달리 전극의 부식이 현저히 줄어든다.

여기서 상기 두 전극체(100)(110) 외연에 감겨진 코일(102)(112)은, 상기 중공체 상의 두 전극체(100)(110) 내부에 형성된 플라즈마 및 아크에 자기장을 인가함으로써 상기 아크 내의 플라즈마 입자가 로렌츠(Lorentz)의 힘을 받아 자기장 형성방향에 수직한 방향으로 움직임을 가지도록 한다. 따라서 상기 코일에 전류를 교류형태로 인가하면 자기장이 N극, S극을 서로 바꾸어가며 발생하여 상기 아크가 좌우로 요동(Oscillation)을 하게 되며, 상기 코일에 인가되는 전류의 크기와 스위칭 주파수를 조절하면, 상기 코일에서 발생되는 자기장의 크기 및 자성을 자유로이 제 어가능하므로 위빙(Weaving) 폭과 위빙(Weaving) 주파수를 쉽게 조절할 수 있다.

상기한 캐소드 전극체(100)와 애노드 전극체(110)는 고전압 하에서 플라즈마를 생성시킴으로써 고온으로 가열될 수 밖에 없고, 전극체가 적성수준 이상으로 가열되면 플라즈마 발생성능에 영향을 끼칠 수 밖에 없다. 따라서 플라즈마를 생성시키는 과정에서도 상기 두 전극체는 일정한 플라즈마 발생성능을 유지할 수 있도록 지속적인 냉각이 요구되며, 이를 위해 본 발명에 적용된 상기 두 전극체(100)(110)에는 외부로부터 냉각수가 도입되고 내부를 경유하여 외부로 다시 빠져나갈 수 있도록 이동경로를 형성하는 냉각수 통로(108)(118)를 형성하고 있다

상기 냉각수 통로(108)(118) 형성을 위해 상기 캐소드 전극체(100) 및 애노드 전극체(110)는, 중공의 외부 절연체(104)(114) 내부에 중공형 전극(106)(116)이 일정 이격간격을 두고 삽입된 구성을 가지며, 따라서 상기 외부 절연체(104)(114)와 전극(106)(116) 사이의 이격 공간이 냉각수가 유동될 수 있는 냉각수 통로(108)(118)에 해당한다. 이때 상기 외부 절연체(104)(114)에는 상기 냉각수 통로(108)(118)로 냉각수를 도입하고 냉각수 통로(108)(118)를 경유한 냉각수를 외부로 유출시키는 한 쌍의 냉각수 포트(109)(119)를 구비하고 있다.

여기서, 상기 전극(106)(116)의 경우에는 전극직경과 길이 비는 사용기체 및 운전조건에 따라 수시로 달라질 수 있으므로, 상황에 따라 전극만을 간단히 교체함으로써 전극 길이를 손쉽게 조절가능하도록 구성함이 바람직하다.

상기 캐소드 전극체(100), 애노드 전극체(110) 및 가스공급포트(120)는 이들을 수용할 수 있을 정도의 직경과 길이를 가진 중공의 외부 하우징(130)에 동시에 수용되어, 본 발명의 실시예에 따른 상기 플라즈마 토치(10)는 전체적으로 길이방향으로 긴 원통형 기둥 형상을 취하며, 상기 플라즈마 토치(10) 일측 출구측에는 상기한 연소노즐(15)이 플랜지 연결을 통해 상호 분리/조립이 가능하게 연결된다.

본 발명에 적용된 상기 연소노즐(15)은 도 1에서와 같이, 플라즈마 도입을 위한 입구(150)와, 연소에 의한 고온불꽃을 외부로 토출시키기 위한 출구(154)와, 상기 입구(150)와 출구(154) 사이에 형성되며 입구(150) 및 출구(154)에 비해 확장된 단면 직경을 가진 혼합공간(152) 및 상기 혼합공간(152)으로 도입된 플라즈마에 공기 및 연료가스 혼합을 위해, 상기 혼합공간(152) 형성을 위한 연소노즐(15) 벽면을 통해 상기 혼합공간(152)과 연통되는 복수의 공기주입포트(156) 및 연료가스주입포트(158)를 포함한다.

이때, 상기 복수의 공기주입포트(156) 및 연료가스주입포트(158)는 상기 연소노즐(15)의 출구(154)를 향해 경사진 기울기를 가져서, 상기 주입포트(156)(158)들 통해 공기 및 연료가스가 연소노즐(15) 출구(154)를 향해 도입될 경우, 상기 공기 및 연료가스 흐름에 의한 벤츄리 현상에 의해 상기 연소노즐 혼합공간(152)으로 플라즈마가 원활히 도입될 수 있으며, 상기 복수의 공기주입포트(156)는 도 3에서와 같이, 상기 연소노즐(15)의 혼합공간(152) 중심으로부터 연장된 횡축 및 종축에 대해 시계 또는 반시계 어느 한 방향으로 일정거리 편향된 지점에 위치하여, 상기 공기주입포트(156)를 통해 혼합공간(152) 안으로 공기가 도입될 경우 혼합공간(152) 내부에는 선회류(swirl)가 형성되며, 이에 따라, 연소노즐(15) 안에서 발생된 고온의 불꽃 즉, 화염역시 토출방향으로 직진성을 유지하면서 반경방향으로 선회하는 움직을 가지게 된다.

위와 같은 연소노즐(15)은 고온의 화염에 직접적으로 물리적인 경계면을 제공하므로, 우수한 내열성을 가진 소재로 제작됨이 바람직하며, 화염이 상기 연소노즐을 통과하면서 자연히 수렴될 수 있도록 화염의 토출이 이루어지는 출구측 내경은 혼합공간(152)에 비해 좁은 형상을 가지도록 함과 동시에, 화염의 유동 및 토출을 저해하는 마찰을 최소화시킬 수 있도록 유선형의 매끄러운 곡면을 이루도록 형성함이 바람직하다.

다음은 상기한 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 채택하여 수행가능한 용융방법을 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다.

첨부도면 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 상기 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 채택하여 수행가능한 용융방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이며, 도 5는 도 4에 따른 용융방법을 구현시키기 위한 시스템을 개략적으로 나타낸 개략 구성도이다.

도 4 내지 도 5를 참조하면, 상기 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 채택하여 수행가능한 용융방법은 크게, 플라즈마 생성단계, 플라즈마 선회류 형성단계, 화염발생단계, 1차 연소단계 및 2차 연소단계를 포함하며, 이와 같은 용융방법을 구현하기 위한 구체적인 수단으로서, 상기 플라즈마/가스 혼합형 연소장치(1)와, 상기 연소장치(1)가 장착되며 용융 대상물을 1차 연소 및 용융시키기 위한 용융로(2) 및 1차 연소과정에서 발생된 배기가스를 재연소시키기 위한 2차 연소실(3)을 포함하여 구성된다.

상기 플라즈마 생성단계는 전극체들 내부의 반응공간으로 도입된 상기 반응가스를 플라즈마화 시키는 과정으로, 가스공급포트를 통해 캐소드 전극체와 애노드 전극체 사이로 반응가스를 도입시킨 다음 캐소드 전극체 및 애노드 전극체에 전원을 인가함으로써 상기 전극체들 내부의 반응공간으로 도입된 상기 반응가스를 플라즈마화 시키며, 상기 선회류 형성단계에서는 상기 캐소드 전극체 및 애노드 전극체 외연에 감겨진 코일에 전원을 인가하여 상기 전극체 내부의 반응공간에 자장을 형성시킴으로써 자장에 의해 상기 플라즈마가 반응공간에서 일정한 선회패턴의 유동을 가지도록 플라즈마 선회류를 형성시키는 과정이다.

이때, 상기 플라즈마 생성과정에서는 상기 캐소드 전극체와 애노드 전극체에 냉각수를 도입하고 인출시켜 고온 환경에 노출된 상기 캐소드 전극체와 애노드 전극체를 지속적으로 냉각시킴으로써 고른 품질의 플라즈마를 생성시킬 수 있도록, 상기 두 전극체를 냉각시키는 전극체 냉각단계를 더 포함할 수 있다.

상기 화염발생단계는 선회중인 플라즈마에 공기 및 연료가스를 혼합시켜 연소반응을 통해 고온의 화염을 발생시키는 과정으로, 이 과정에서는 플라즈마에 혼합되는 상기 공기 및 추가 연료가스의 혼합량 조절을 통해, 대상물 처리에 적합한 온도범위를 가지도록 화염의 출력온도를 간단하면서도 다양하게 조정할 수 있다.

상기 1차 연소단계는 상기 화염발생단계를 통해 발생된 고온의 화염을 이용하여 실질적으로 도 5에 도시된 용융로(2)에 수용된 용융 대상물을 연소 내지는 용융시키는 과정으로, 이 과정에서는 용융로에 도입되는 고온의 연소가스 체류시간을 최대한 증대시킴으로써 용융 대상물 입자들이 일부 비용융 상태로 배출되는 것이 방지될 수 있도록 해야 하는 데, 이를 위해서는 상기 화염에 의한 고온의 연소가스가 용융로(2) 일측에서 타측으로 일정한 선회패턴을 형성하면서 유동될 수 있도록 함이 바람직하다.

구체적으로는, 상기 1차 연소단계에서의 상기 화염의 토출방향이 용융로(2) 바닥을 향하는 기울기를 가지면서 동시에, 용융로(2) 일측에 타측을 향하는 기울기를 가지도록 함으로써, 상기 용융로(2)에 도입된 화염에 의한 고온의 연소가스가 용융로 일측에서 타측으로 일정한 선회패턴을 형성하는 유동을 가지도록 함이 바람직하다. 이를 구현하기 위한 구체적인 수단으로서는, 용융로(2)를 나타낸 도 6 내지 도 7과 같이, 상기 연소장치(1)가 장착되는 위치를 규정하며 연소장치(1)로부터 토출된 고온의 화염을 용융로(2) 수용공간으로 도입시키는 화염 도입부(20)를 용융로 일측에 설치하되, 상기 화염 도입부(20)가 용융로(2) 바닥을 향하는 기울기를 가지면서 동시에, 용융로(2) 일측에서 타측을 향해 기울어진 구성을 가지도록 함으로써 구현이 가능하다.

상기 2차 연소단계는 상기 1차 연소단계에서 발생되어 상기 용융로(2) 외부로 배기되는 배기가스를 상기 용융로와 별도로 구비된 2차 연소실(3)로 공급하여 재연소시키는 과정으로, 1차 연소단계에서의 배기가스에 포함된 공해물질을 재연소시킴으로써 오염물질을 포함한 배기가스의 대기 방출에 의한 환경오염을 미연에 방지하기 위한 과정이다.

상기 2차 연소단계를 거쳐 2차 연소실(3)로부터 배기되는 배기가스에는 재활용이 가능할 정도의 열에너지를 포함하고 있으며, 따라서 상기 2차 연소실(3)에서 배기되는 배기가스 포함된 폐열을 회수하여 상기 2차 연소실로 도입되는 공기를 예열시키는 폐열회수단계를 더 포함하면, 연소과정에서 발생되는 폐열을 활용해 연소에 필요한 공기를 예열시킴으로써 최종적으로 배기가스를 냉각배출시키기 위해 소모되는 에너지와 연소에 필요한 공기를 가열시킴에 있어 소모되는 에너지를 절감시킬 수 있다.

이상에서와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 전극체 주위에 감겨진 코일에 전원을 인가하면 전극체 내부 반응공간에 자장이 형성되고, 방전과정 중 생성된 플라즈마는 자장의 영향을 받아 어느 한 방향을 향한 선회흐름(Swirl)을 유지하게 된다. 따라서 플라즈마 생성을 위한 방전과정 중 고온의 아크점이 상기 전극체의 어느 한 지점에 귀속되지 않고 플라즈마 선회류의 영향을 받아 전극체 내부에서 빠른 속도로 회전하게 된다. 이에 따라, 고출력 운전환경에서도 고온 아크생성에 의한 전극의 부식을 최소화시킬 수 있고, 결국 전극수명 연장에 따른 장치 전반에 걸친 유지보수 절감의 효과를 기대할 수 있다.

또한 본 발명은, 토치를 통해 발생된 플라즈마에 연소노즐 외부로부터 제공되는 공기 및 추가 연료가스의 혼합량 조절을 간단한 작업을 통해, 대상물 처리에 적합한 온도범위를 가지도록 토출화염의 출력온도를 다양하게 조정하는 것이 가능하므로, 초고온 작업이 요구되는 분야에 광범위하게 적용가능한 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 용융방법의 경우에는, 상기 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 이용하여 용융 대상물에 대한 용융을 수행함에 있어 폐열을 회수하여 연소에 활용함으로써, 에너지의 보다 효율적 운용에 의한 에너지를 절감을 구현할 수 있다는 장점이 있다.

이상에서는 본 발명과 관련하여 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 사상이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마/가스 혼합형 연소장치의 횡 단면도.

도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 토치의 주요구성을 개략적으로 나타낸 개략 구성도.

도 3은 도 1에 도시된 연소노즐을 연소노즐 입구측에서 바라본 정면도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 채택하여 수행가능한 용융방법을 개략적으로 나타낸 흐름도.

도 5는 도 4에 따른 용융방법을 구현시키기 위한 시스템의 전반적인 구성을 개략적으로 나타낸 개략 구성도.

도 6, 도 7은 각각, 도 5에 나타난 용융로의 측면도 및 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1...플라즈마/가스 혼합형 연소장치 2...용융로

3...2차 연소실 10...플라즈마 토치

15...연소노즐 100...캐소드 전극체

110...애노드 전극체 102, 112...코일

104, 114...외부 절연체 106, 116...전극

107, 117...반응공간 108, 118...냉각수 통로

109, 119...냉각수 포트 150...연소노즐 입구

152...혼합공간 154...연소노즐 출구

156...공기주입포트 158...연료가스주입포트

Claims (12)

1. 일측과 타측에 각각 폐쇄단과 개방단을 가지며, 외연에는 그 내부 공간에 자장 형성을 위한 코일이 감겨진 속이 빈 중공의 캐소드 전극체;

   입구와 출구를 가지며, 상기 입구가 상기 캐소드 전극체의 개방단과 일정간격을 두고 마주하도록 캐소드 전극체와 동축 상에 배치되고, 외연에는 그 내부 공간에 자장 형성을 위한 코일이 감겨진 중공의 애노드 전극체;

   상기 캐소드 전극체와 애노드 전극체 사이의 틈새를 통해 캐소드 전극체와 애노드 전극체 내부 반응공간으로 플라즈마 생성을 위한 반응가스가 도입될 수 있도록 유로를 형성하는 가스공급포트; 및

   상기 캐소드 전극체, 애노드 전극체 및 가스공급포트를 수용할 수 있을 정도의 직경과 길이를 가져, 상기 상기 캐소드 전극체, 애노드 전극체 및 가스공급포트를 내부에 수용하는 중공의 외부 하우징;을 포함하여 구성되는 공동형 플라즈마 토치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 캐소드 전극체 및 애노드 전극체는,

   냉각수가 도입되고 빠져나가는 한 쌍의 냉각수 포트를 가진 외부 절연체와,

   상기 외부 절연체에 삽입되는 중공형 전극를 포함하며,

   상기 외부 절연체와 전극 사이는 이격되어 냉각수가 유동될 수 있는 냉각수 통로를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 공동형 플라즈마 토치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 중공형 전극은 구리계열의 특수합금 인 것을 특징으로 하는 공동형 플라즈마 토치.
4. 상기 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 공동형 플라즈마 토치; 및

   상기 플라즈마 토치에서 발생한 고온의 플라즈마가 도입되고, 도입된 고온의 플라즈마에 공기 및 연료가스를 혼합시켜 연소반응이 이루어지도록 하는 연소노즐;을 포함하여 구성되는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 연소노즐은,

   플라즈마 도입을 위한 입구와;

   연소에 의한 고온불꽃을 외부로 토출시키기 위한 출구와;

   상기 입구와 출구 사이에 형성되며, 입구 및 출구에 비해 확장된 단면 직경을 가진 혼합공간; 및

   혼합공간으로 도입된 플라즈마에 공기 및 연료가스 혼합을 위해, 상기 혼합공간 형성을 위한 연소노즐 벽면을 통해 상기 혼합공간과 연통되는 복수의 공기주입포트 및 연료가스주입포트;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 연소노즐은,

   상기 입구가 중공형 플라즈마 토치의 애노드 전극체 출구와 연통되도록 상기 중공형 플라즈마 토치의 외부 하우징 일측에 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 복수의 공기주입포트 및 연료가스주입포트는,

   상기 연소노즐의 출구를 향해 경사진 기울기를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 복수의 공기주입포트는,

   상기 연소노즐의 혼합공간 중심으로부터 연장된 횡축 및 종축에 대해 시계 또는 반시계 어느 한 방향으로 일정거리 편향되게 형성됨을 특징으로 하는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치.
9. 가스공급포트를 통해 캐소드 전극체와 애노드 전극체 사이로 반응가스를 도입시키고, 상기 캐소드 전극체 및 애노드 전극체에 전원을 인가하여 상기 전극체들 내부의 반응공간으로 도입된 상기 반응가스를 플라즈마화 시키는 플라즈마 생성단계;

   상기 캐소드 전극체 및 애노드 전극체 외연에 감겨진 코일에 전원을 인가하여 상기 전극체 내부의 반응공간에 자장을 형성시키고, 자장에 의해 상기 플라즈마가 반응공간에서 일정한 선회패턴의 유동을 가지도록 플라즈마 선회류를 형성시키는 선회류 형성단계;

   선회중인 플라즈마에 공기 및 연료가스를 혼합시켜 연소반응을 통해 고온의 화염을 발생시키는 화염발생단계;

   상기 화염발생단계를 통해 발생된 고온의 화염을 이용하여 용융로에 수용된 용융 대상물을 연소 내지는 용융시키는 1차 연소단계; 및

   상기 1차 연소단계에서 발생되어 상기 용융로 외부로 배기되는 배기가스를 상기 용융로와 별도로 구비된 2차 연소실로 공급하여 재연소시키는 2차 연소단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 이용한 용융방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 플라즈마 생성과정에서 상기 캐소드 전극체와 애노드 전극체에 냉각수를 도입하고 인출시켜 상기 캐소드 전극체와 애노드 전극체를 냉각시키는 전극체 냉각단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 이용한 용융방법.
11. 제 9 항에 있어서,

    상기 1차 연소단계에서는,

    상기 화염에 의한 고온의 연소가스가 용융로 일측에서 타측으로 일정한 선회패턴을 형성하면서 유동될 수 있도록, 상기 화염의 토출방향이 용융로 바닥을 향하는 기울기를 가지면서 동시에, 용융로 일측에서 타측을 향하는 기울기를 가지도록 하는 것을 특징으로 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 이용한 용융방법.
12. 제 9 항에 있어서,

    상기 2차 연소실에서 배기되는 배기가스에 포함된 폐열을 회수하여 상기 2차 연소실로 도입되는 공기를 예열시키는 폐열회수단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마/가스 혼합형 연소장치를 이용한 용융방법.

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