JPH01274399A - 移行形プラズマトーチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 本発明は移行形プラズマトーチに関し、特にプラズマ発
生部の電極構造に関する。

本発明が対象とする移行形プラズマトーチは，物体の加
熱に用いられ、例えば、転炉から連続鋳造のモールドに
供給する溶鋼をある段階で加熱するために用いられる。

〔従来の技術〕

たとえば溶鋼の加熱には、誘導加熱やプラズマトーチに
よる加熱が用いられる。プラズマトーチには，プラズマ
移行形のものと非移行形のものがある。プラズマ移行形
のものは、加熱対象物を陽極として、プラズマトーチの
カソードと加熱対象物との間に放電を行なわせるもので
あり、非移行形のものは、プラズマトーチのカソードと
陽極の間に放電を行なわせ、電極間にプロセスガスを供
給し、カソード−陽極間を通った気体を加熱対象物に当
てるものである。

移行形プラズマトーチにおいても、電極を雰囲気から遮
断するため、Ｎ２．Ａｒ（不活性ガスが好ましい）等の
プロセスガスが用いられるが、非移行形のプラズマトー
チでのプロセスガスの消費の方がはるかに多く、このプ
ロセスガスの消費量により、非移行形プラズマトーチは
運転コストが高い。

第７図、第８図及び第９ａ図〜第９ｃ図に、特開昭５４
−１３６１９３号公報で開示された従来の移行形プラズ
マトーチを示す。第７図はそのプラズマトーチ先端部の
縦断面図、第８はその電気回路図。

第９ａ図、第９ｂ図および第９ｃ図はプラズマトーチカ
ソード先端部の詳細図である。

この従来のプラズマトーチでは、中心部に補助電極１９
があり、その周囲に円筒状のカソード１７があり、その
カソードの周囲に円筒状のノズル１８がある。

補助電極１９とカソード１７との間及びカソード１７と
ノズル１８との間に各々プロセスガスを流す、このプロ
セスガスの流量は、補助ｆｆ１ｌ１９とカソード１７の
間の流量とカソード１７とノズル１８との間の流量との
比が１：５〜８となるようにしており、カソードとノズ
ル間の流量が大半を占める。

プラズマ発生は、先ず、プロセスガスを流し、着火時に
は、最初補助電極１９とカソード１７の間に高周波の高
電圧を印加してこの間に放電を発生させ、その後、カソ
ード１７をマイナス極、補助′ｌｌＴ！極】９をプラス
極として直流電圧を印加し、パイロットアークを発生さ
せる。パイロットアークが発生したら、着火用の高周波
電圧の印加を停止する。次にカソードをマイナス極、加
熱対象物２０をプラス極として直流電圧を印加し、この
間にメインアークを発生させ、メインアークにより加熱
対象物２０を加熱する。

なお、メインアークを発生させている間も、カソード１
７と補助電極１９との間に直流電圧印加を継続し、パイ
ロットアークを常に発生させたままにしておく。

前記パイロットアークは、カソード１７とノズル１８間
に大量の冷えたプロセスガスを流すことと合わせて、カ
ソード１７からノズル１８への放電をなくし、ノズル損
傷を防止する効果を有する。

なお、第８図の２１はカソード１７と補助電極１９に接
続される電源、２３はカソード１７と加熱対象物２０と
の間に生ずる主アーク用電源、２２は高周波発生器であ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、この種の、従来の移行形プラズマトーチでは
、カソード先端の周囲が突っているので。

熱電子が突っている部分から放出し昌＜、被加熱物への
プラズマアークが収斂しにくく加熱効率を大巾に低減さ
せる。

そのため、前述のように、従来の構造のプラズマトーチ
の構造では、ノズル及びノズルとカソード間に流す大量
のプロセスガスが必ず必要となる。

このようにノズルを設けると、 ■プラズマトーチの外径が３倍以上となり、重量が大巾
に増加し、又取付けのためのスペースも大きくする必要
がある。

■大量のプロセスガスを消費し、不経済である。

■ガスは２系統供給する必要があり、ノズル冷却水も必
要となるためトーチ自体の構造も、ガスや水の供給シス
テムも複雑になる。

さらに、従来の構造ではパイロットアークを常に発生さ
せたままにしておく必要がある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、前記ａｌｒＩｎを解決するために、カソード
と着火用陽極を備え、カソードと着火陽極の間にトリガ
放電を生起した後に、処理対象物を陽極としてカソード
と処理対象物との間に放電を発生させる移行形プラズマ
トーチにおいて、冷却媒体通流空間を有する筒状体のカ
ソード保持部を設け、該カソード保持部内に前記着火陽
極を配置し、該着火陽極先端の下方側に、リング状のカ
ソードを前記カソード保持部内周に螺合もしくは嵌合し
、該カソードの先端をカソード保持部底面から下方側に
突出させて設け、さらに、カソード保持部及びカソード
の中空部と、着火用陽極とで形成される空間にプロセス
ガス流路を構成してなることを特徴とする。

ここで、カソード保持部を有底二重筒とし、該二重筒内
に内筒を配置し、前記カソード保持部のカソード取付部
裏面に複数本の溝を形成し５該溝と内筒とで冷却媒体通
流空間を構成する。また、カソード保持部の外周面及び
底面を電気絶縁物で被覆する。

〔作用〕

本発明は、冷却媒体で冷却されたカソード保持部内周面
にリング状のカソードを取付け、かつカソード保持部底
面から突き出して設けているので、アークスポットをカ
ソード先端面から安定して中心部に定位させることがで
きる。

これは、アークスポットが熱電子放出点であるという理
論的背景により、カソード保持部底面及びコーナ一部は
、冷却されているために熱電子放出点の温度として低過
ぎてアークスポットが発生しに＜＜、また、カソード保
持部から突き出て温度の高いカソード先端面では、そこ
に電界が集中し、アークスポットが発生するからである
。

また、アークスポットをカソード先端面から安定して中
心部に定位させることができるので、前記従来技術のよ
うな、ノズル本体は勿論、カソードとノズル間のプロセ
スガスを必要としない。

このため、従来のプラズマトーチ径の約１／３程度の大
きさでよくコンパクトになる。

また、メインアーク着火後ただちにパイロットアークを
消火してもプラズマの安定性は失なわれない。

次に着火用陽極先端の下方側にリング状のカソードを設
けているので、カソードから発生するメインアークによ
る着火用陽極の溶損はなくなる。

さらに、カソード保持部のカソード取付部裏面に複数本
の冷却媒体溝を設けているのでカソードの冷却が充分に
行える。

また、カソード保持部の外周面及び底面を電気絶縁物で
被覆しているので、冷却効果と相まって、カソード保持
部からのプラズマアークの発生は皆無となる。

本発明は、さらにカソード保持部及びカソードの中空部
と、着火用陽極とで形成される空間にプロセスガス流路
を構成しているので、そのプロセスガスにより着火用陽
極が冷却され、保護される。

さらによいことには、そのプロセスガスによりメインア
ークの内器が熱ピンチで外方（カソード側）へ絞られ、
カソードに収束しメインアークの高安定性が得られる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図から第６図の図面を参照
して説明する。

第１図は実施例の移行形プラズマトーチの縦断面図を示
しており、この例ではカソードをカソード保持部にねじ
により取付けである。第２図は第１図のａ部詳細図、第
３図は第２図のＡ−Ａ断面図、第４図は第２図のＢ−Ｂ
断面図である。

第５図は本発明の他の実施例でカソードをカソード保持
部に嵌合で取付けである。第６図は、第５図のＣ−Ｃ断
面図である。

先ず第１図から第４図により実施例を説明する。

１はカソードで、カソード保持部３内周面の螺合部１１
にネジで取付けられている。なお、前記螺合部ｌｌには
、導電率及び熱伝達係数を向上させるため銀ろうを流し
こんでおく、また、螺合部１１下部の嵌合部１３′にも
銀ろうを流し込む。

カソード保持部３は、冷却媒体により冷却されろ構造と
なっており、カソード保持部内筒５で仕切られた冷却媒
体通流空間７内を冷却媒体が矢印の方向へ流れ、カソー
ドｌを冷却し、さらにカソード保持部３底面及び外周面
を冷却する。

なお、カソード螺合部１１及び嵌合部１３′の冷却効果
を増すため、冷却媒体流通溝１０が設けられている。こ
れは溝１０により伝熱面積を広くシ、冷却媒体流速をあ
げ、均一冷却を可能にするための手段である。

なお、溝１０は第４図に示すように螺線状にした方がさ
らに良好な冷却効果が得られる。

第１図の２は着火用陽極、４は着火用陽極保持部であり
、その若人用陽極保持部４は着火用保持部内筒６で仕切
られた冷却媒体通流空間８を有し。

その空間８を流れる冷却媒体により冷却される。

９はプロセスガス流路で、カソード保持部３１着火用陽
極保持部４１着火用陽極２及びカソード１の内側により
形成される空間よりなり、プロセスガスは矢印の方向か
らカソード１内通路を通り。

噴出される。

カソード保持部３底面及び外周面は絶縁物１２で被覆し
て、アーク放電を防止している。

本発明のカソード１はカソード先端面に電界が集中し、
アークスポットが発生するようにカソード保持部底面か
ら５〜３０＋ｍ突出させ、カソード先端面を鈍角のテー
パー面としている。

なお１着火用陽極はカソード上方に位置決めしであるの
で、カソードと加熱対象物との間のメインアークによる
着火用陽極先端の溶損は生じない。

次に１本発明のプラズマアーク発生方法について説明す
る。

先ず１着火時には、最初カソード１との陽極２の間に高
周波の高電圧を印加してこの間に放電を発生させ、次に
カソード１をマイナス極、陽極２をプラス極として直流
電圧を印加してパイロットアークを発生させその後高周
波高電圧の印加を停止する。

次にカソード１をマイナス極、加熱対象物をプラス極と
して直流電圧を印加し、これらの間にメインアークを発
生させその後カソード１．陽極２の間の直流電圧印加を
停止し、パイロットアークを消滅させる。カソード１と
着火用陽極２の間の空間を通って下方に出るプロセスガ
スは、着火用陽極２−カソード１間をシールドし、メイ
ンアークに内方から外方に向かう熱ピンチを生起させる
。

このプロセスガスにより着火用陽極２が保護され、しか
も上述の内熱ピンチにより、メインアークはカソード１
の下端面で安定する。この下端面は面積が広いので熱容
量が大きく、高アーク電流下でも消耗が少ない。

以上の構造のトーチを用い、６０００　Ａで約３時間以
上の運転を実施したが、ノズル無しでもアークスポット
は安定しており損耗は少なかった。

次に、カソード取付けについての他の実施例を第５図及
び第６図により説明する。

この取付けはカソード１をカソード保持部３にねじで取
付けず、嵌合と係止部材１６によって取付けるもので、
カソード保持部３内周に係止溝１４を設け、その係止溝
１４に、カソード１に設けた係止部材１６がはまり込む
ようにし、カソード１の落下を防止するものである。

カソード１をカソード保持部３に取付ける場合は、カソ
ード保持部３に設けた落しこみ六１５にカソードの係止
部材１６が入り込むようカソード１をカソード保持部３
に挿入してゆき、カソード係止部材１６を係止溝１４に
挿入する。その後カソード１を回転し係止溝部材１６が
落し込み穴１５から遠のいた位置に固定する。

なお、カソード挿入と同時に銀ろうを流しこむ。

〔発明の効果〕

以上の説明から、本発明は下記の顕著な効果を奏するこ
とが明らかである。

ａ、従来のノズルは不要となり、ノズル本体はもとより
、ノズルの冷却係統及びノズルとカソード間のプロセス
ガスの系統が必要なくなり。

簡素でかつコンパクトな移行プラズマトーチを提供でき
る。

ｂ、プラズマトーチのトーチ径が約１／３でよく。

せまいスペース内でも設置できる。

Ｃ，ノズル用の冷却水及び大量のプロセスガスが節減で
きる。

ｄ、トーチ径を小さくできることと、カソードの冷却が
充分にできること、さらにカソードの取付けを螺合もし
くは嵌合としているので、熱応力が小さいこと等からカ
ソード径を従来よりかなり大きくとれ大容量のアーク電
流を通電することが可能となる。また熱応力が小さいの
でカソードの欠損トラブルがなくなる。

ｅ、カソード保持部の冷却溝によりカソードの冷却効果
は大で、カソードの寿命は大巾に向上する。

ｆ、カソードをねじもしくは係止部材で止めているので
カソードの落下トラブルが生じない。

ｇ、カソード保持部底面及び外周面を絶縁物で被覆して
いるのでカソード保持部からの放電はなく、カソードに
電界が集中し、高効率でかつ安定したプラズアークを発
生できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の移行形プラズマトーチの縦断面図、第
２図は第１図のａ部詳細図、第３図は第２図のＡ−Ａ断
面図、第４図は第２図のＢ−Ｂ断面図、第５図は他の実
施例の移行形プラズマトーチを示す断面図、第６図は第
５図のＣ−Ｃ断面図、第７図、第８図、第９ａ図、第９
ｂ図及び第９Ｃ図は従来例を示し、第７図、第９ａ図、
第９ｂ図及び第９ｃ図は断面図、第８図はブロック図で
ある。 １．１７：カソード　　　　２：着火用陽極３：カソー
ド保持部　　４：着火用陽極保持部５：カソード保持部
内筒 ６：着火用陽極保持部内筒 ７．８：冷却媒体通流空間 ９：プロセスガス流路　１０：溝 １１：螺合部　　　　　　１２：絶縁物１３．１３’　
：嵌１合部　　　　１４：係止溝１５：落しこみ穴　　
　　１６：係止部材１８：ノズル　　　　　　１９：補
助Ｗ１極２０：加熱対象物 ２１：カソードと補助電極に接続される電源２２：高周
波発生器 ２３：カソードと加熱対象物との間に生ずる主アーク用
電源 特許出願人　新日本製鐵株式會社 声１図 声５図　　　　　　　　　　　穿６図 声２図 二Ｂ 声７図　　　　　　　　　　声９８図 声９０図 手続補正？？（自発）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）カソードと着火用陽極を備え、カソードと着火用
   陽極の間にトリガ放電を生起した後に、処理対象物を陽
   極としてカソードと処理対象物との間に放電を発生させ
   る移行形プラズマトーチにおいて、 冷却媒体通流空間を有する筒状体のカソード保持部を設
   け、該カソード保持部内に前記着火用陽極を配置し、リ
   ング状のカソードを前記カソード保持部内周であって、
   かつ、該カソードの先端をカソード保持部底面から下方
   側に突出させて設けてなることを特徴とする移行形プラ
   ズマトーチ。 （２）カソード保持部を有底二重筒とし、該二重筒内に
   内筒を配置し、前記カソード保持部のカソード取付部裏
   面に複数本の溝を形成し、該溝と内筒とで冷却媒体通流
   空間を構成してなることを特徴とする前記特許請求の範
   囲第（１）項記載の移行形プラズマトーチ。（３）カソ
   ード保持部の外周面及び底面を電気的絶縁物で被覆して
   なることを特徴とする前記特許請求の範囲第（１）項記
   載の移行形プラズマトーチ。 （４）カソード保持部内周にリング状のカソードを螺合
   もしくは嵌合してなることを特徴とする前記特許請求の
   範囲第（１）項記載の移行形プラズマトーチ。