JPH03257796A - 移行式プラズマトーチ - 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］ この発明は、プラズマアークを発生させて溶鋼等の加熱
・溶解・反応等の処理をするのに用いられる移行式プラ
ズマトーチに関するものである。

［従来の技術］ 熱プラズマは超高温、高エネルギー源として加熱・溶解
をはじめ、反応や表面処理などに広く応用されている。

特に、熱プラズマはエネルギー密度が高いので設備がコ
ンパクトになり、また、雰囲気をプラズマ作動ガスによ
って自由に制御でき、更に電流とプラズマ長さを制御す
ることにより投入電力を自在にかつ応答よく調整できる
という特徴がある。近年製鋼プロセスにおいては、これ
らの特徴を活かして、レードルやタンデイツシュの中の
溶鋼をプラズマによって加熱して溶鋼温度を制御したり
、精錬反応を行うことが検討されている。このような用
途においては、加熱効率の点がら加熱対象物を対極とす
る移行式プラズマトーチが用いられている。

従来の移行式プラズマトーチにおいては、指向性や安定
性の観点から、プラズマ作動ガスのトーチの軸方向の流
速を高めて安定な直線状のプラズマアークを形成してい
た。

このような直線状のプラズマアークの移行式プラズマト
ーチに対して、本出願人は発生電圧の増加、加熱面積の
増大、保守管理の容易性等を改善した移行式プラズマト
ーチを先に特願平１−２８７３５号として出願した。こ
の特願平１−２８７３５号の移行式プラズマトーチによ
れば、プラズマアークが高速に旋回されて加熱対象物に
向かって広がったプラズマが形成される。そして上記の
出願に係るプラズマトーチは、電極に熱電子放出型陰極
を用いて陰極点を固定して、プラズマアークの軸方向の
速度をプラズマアークの磁気不安定状態が発生する程度
に抑制しており、電極の先端を尖頭状にせずに丸めてジ
ェット流を抑制したり、積極的にプラズマ作動ガスを旋
回流としてノズルと電極との間に流すこと等によりプラ
ズマアークの軸方向の速度を低減している。

このようなプラズマの形成にはプラズマ作動ガスによる
手段が有効であったが、本出願人は更に、プラズマジェ
ットの指向性、制御性向上などを目的として、外部より
直流磁場を印加しプラズマ柱を旋回させる方法を新たに
提案した（特願平１−１２１４８３号）。即ち、プラズ
マ柱に流れる電流を外部より印加した直流磁場と鎖交さ
せ、これにより発生した電磁力でプラズマ柱自身を回転
させ磁気的不安定性を引き起こすとともに、先の電磁力
によって旋回運動が助長されるようにした。

［発明が解決しようとする課題］ 上述の移行式プラズマトーチは、プラズマが本来持って
いる磁気不安定性を利用し、プラズマジェットを流体的
に不安定にして高速に旋回させ、かつプラズマトーチの
電極から放射状に発生させるものである。その結果、実
質プラズマ長を増大させるだけでなくプラズマ柱に対す
る冷却作用も増し、発生電圧の向上、加熱面積の増大な
どの効果が得られた。

しかし、プラズマジェットを旋回させると、旋回流の中
心部分に周囲よりも圧力の低くなる領域が発生し、外気
の巻き込みによる酸化消耗の問題を生じる。酸化消耗は
熱電子放出時の高温蒸発による損耗と並んで電極寿命に
最も影響を及はす要因の一つである。

従って、このような酸化消耗を防止する手段としてプラ
ズマ作動ガスの２層流による陰極のシール（特願平１−
１３１３９６号）、プラズマ作動ガス流量の増加、直流
磁場による旋回プラズマジェット発生位置の調節等が考
えられる。しかし、これらの酸化消耗抑制方法はプラズ
マ作動ガス消費量の増加、加熱効率の低下などの問題を
避けることができず、運転費を大幅に引き上げてしまう
可能性がある。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになさ
れたものであり、プラズマ作動ガスの流量を大きく変え
ることなく、プラズマアークの旋回を自由に制御でき、
或いは、プラズマアークについての高い制御性、プラズ
マトーチの小型化及び運転費低減を実現し、同時に陰極
の酸化消耗防止を可能にした移行式プラズマトーチを提
供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る移行式プラズマトーチは、プラズマアー
クの軸方向の速度を抑制し、かつプラズマアークの磁気
的不安定性を助長することによって、流体的に不安定に
して高速旋回するプラズマを形成させるようにしたもの
であり、ノズルの外側又は本体内にその軸方向に交流磁
界を発生させる電磁コイルを装着し、プラズマアークの
偏向を抑制すると共に電磁力による回転力を発生させ、
このプラズマアークが旋回して加熱対象物に向かって広
がるようにしている。そして、交流磁界の周波数を０．
５〜３００　ｉｆ　ｚの範囲に設定している。

更に、この発明に係る移行式プラズマトーチは、電磁コ
イルの内側及び外側の少なくとも一方に磁性材料製部材
を配置して、磁界がプラズマ柱に効果的に鎖交するよう
にしており、また、陰極先端をこの磁性材料製部材より
後退した位置に配置して、陰極点の磁場による影響を軽
減させるようにした。

［作　用コ この発明においてはプラズマジェットを旋回するのでは
なく、反転あるいは振動させることにより中心部分が負
圧になることを防止している。即ち、プラズマ柱に外部
より交流磁場を印加し、プラズマ柱を流れる電流との鎖
交によってプラズマ柱内にトーチ軸を中心に交流磁場に
等しい周期で反転する電磁力を形成させ、プラズマ自身
を反転させ、磁気的不安定性を引き起こし、かつプラズ
マ柱内に圧力の低い部分が生じないようにしている。

交流磁場はトーチの周囲にコイルを巻き、交流電流を流
すことによって発生し、プラズマ社内電流鎖交させる。

電磁力の大きさ及び周期はそれぞれ、コイル電流の大き
さ、周波数を調整することによって操作することができ
る。

一般にコイル電流が小さいと安定なプラズマが形成され
、コイル電流を増すにつれて電磁力による反転を開始し
、流体的に不安定なプラズマ、即ち広がりの大きな発生
電圧の高いプラズマが形成される。また、周波数を変化
させることによってプラズマを変化させることも可能で
、特に、外気の巻き込みを防止し、効率よく発生電力の
高い、広がりの大きなプラズマを発生させるためには、
０．５〜３００Ｈｚの範囲内で運転すると効果が大きい
。

最適な周波数はコイル電流によって異なるので、コイル
の消費電力が小さくなるように、コイル電流と周波数を
バランスよく調節することにより決定される。

また、電磁コイルに磁性材料製部材を配置するとノズル
の先端部の磁界が強められ、プラズマ電流と鎖交する磁
束数が増加する。即ち、磁性材料製部材を配置すること
によりコイルの巻数及びコイル電流を大幅に減らすこと
が可能になる。

また、陰極点を磁性材料製部材より後退した位置に設置
すると安定した陰極点が形成され、陰極付近のプラズマ
柱も安定して形成されるため、外気を巻き込みにくく陰
極の酸化防止にも有効である。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例に係る移行式プラズマトー
チの構成説明図、第２図（ａ）　、（ｂ）は安定プラズ
マと反転プラズマの説明図であり、第３図（ａ）　、　
（ｂ）はその動作説明図である。

図において、（１）はプラズマトーチ、（２）は陰極、
（３）はノズルである。陰極（２）の材料は、熱電子放
出型電極の１つであるタングステンを用いて半球状とし
た。陰極（２）を囲んだノズル（３）は水冷鋼製やセラ
ミックス製からなり、先端を特に絞ったりすることなく
ほぼ直管状に形成している。

（４）はアルゴンや水素等のプラズマ作動ガスで、陰極
（２）とノズル（３）との間から噴出させている。

プラズマ作動ガス（４）は旋回させたり障害物で乱れを
起こさず、プラズマトーチ（１）の軸方向に流している
。（５）は加熱対象物（例えば溶鋼）（６）はプラズマ
アークであり、（７）は陰極（２）とノズル（３）とを
画する絶縁スペーサ、（８）は陰極（２）をその背後か
ら冷却する冷却水、（９）は陰極（２）が接続されてい
る電気端子である。

特に、この実施例においては電極（２）の先端付近に磁
場が形成されるように、ノズル（３）の先端にコイル（
ｌＯ）を取り付けると共に、このコイル（ｌＯ）を交流
励磁するコイル電源〈１１〉を設けている。

以上のような構成からなるこの実施例においては、陰極
（２）の先端と加熱対象物（５）との間にプラズマアー
ク（６）が発生するが、コイル（１ｏ）が非励磁の状態
ではプラズマ作動ガス（４）によって、陰極（２）の近
傍では強い軸方向の指向性を持った安定なプラズマアー
ク（６）が形成される（第２図（ａ〉）。

一方、プラズマアーク（６）の内部には、第３図の（ａ
）に示すように、加熱対象物（５）がら陰極（２）に向
かって電流が流れている。ここでノズル（３）の外周に
巻いたコイル（１ｏ）に交流電流を流すと、プラズマア
ーク（６）内の電流Ｊに交流磁場Ｂの磁束が鎖交する。

この結果、プラズマアーク（６）内に電磁力Ｆが発生す
る。

Ｆ−ＪＸＢ この電磁力はプラズマ柱軸を中心に周波数ｆで時計回り
、反時計回りに交互に旋回し、プラズマ柱本体が反転を
始める。そして軸対称形よりわずかにずれると、電流自
身の磁気圧によって形成される第３図（ｂ）に示すよう
なキング不安定性ならびに交流磁場とプラズマ電流によ
り形成される電磁力が電光され、第２図（ｂ）に示すよ
うな反転プラズマが形成される。

反転プラズマは、コイル電流及び周波数を調整すること
により、旋回力及び反転周期を自在に変えることができ
、第２図（ａ）に示すように安定プラズマから第２図（
ｂ）に示すような反転プラズマまで、運転条件に応じた
制御がプラズマ作動ガスを少なく、しかも一定に保った
状態で可能になる。

以上のような作用により形成された反転プラズマでは、
一定方向の渦が形成されないため周囲に比べて圧力の低
くなる領域が生じに＜＜、外気の巻き込みを防止できる
。

ここで、上記の移行式プラズマトーチにおいて、陰極（
２）の直径を２０關にして、プラズマ作動ガス（４）に
はアルゴンを使用してその流量を３０ｐ　／＋ｉｎに設
定した。また、コイル（ｌＯ〉の巻数を１５００回、プ
ラズマ電流をＤＣ９００Ａに選定して、陽極にカーボン
ブロックを用いて、この陽極（図示せず）と陰極（２）
との間隔を１００〜２００！Ｉ１１の範囲に設定した。

ソレノイド（１０）のコイルに電流を流さない状態では
第２図（ａ）に示すように、安定なプラズマが形成され
、発生電圧は１５９Ｖ、投入電力は１４３ＫＷであった
。次にコイル（１ｏ）に５０　ｔｌ　ｚの交流電流を流
すと、第２図（ｂ）に示すように、カーボン陽極付近に
おいて陰極から陽極へ向かって広がるようにプラズマが
乱れ始めるのが観察された。プラズマ柱が乱れ始める位
置は、コイル電流を上昇させるに従って陰極側へ移動１
、これに伴い発生電圧も上昇した。コイル電流Ａ　Ｃ３
，５Ａ　、　５０）１ｚにおける発生電力は２４８Ｖで
あり、投入電力は２２３ＫＷに上昇した。

次に、コイル電流を３Ａにした時のプラズマ発生電圧の
周波数依存性を調べた。コイル電流の周波数を１００Ｈ
ｚにすると流体的乱れの小さな反転プラズマが形成され
、発生電圧は１８５Ｖであった。

更に、周波数を下げて行くとプラズマの乱れが大きく成
り、３５Ｈｚは発生電圧２５０ｖに達した。

以上のように、コイルの電流及び周波数を適当に選ぶこ
とにより自由に再現性のよい反転プラズマを形成するこ
とができた。また、電極表面の酸化は観察されず、電極
消耗防止上極めて有効であることが確認された。

ところで、交流磁場の周波数は０．５ｆｌｚ〜３００　
ＨＺの範囲が適当であることが確認されている。０．５
Ｈｚ未満が不適当なのは、周波数によっては反転速度が
遅くなり、外気を巻き込み酸化消耗の問題を生じるとい
う点にある。また、３００１１ｚを超えた周波数が不適
当なのはコイルのインピーダンス及び渦電流が大きくな
りすぎて消費電力が大きくなるという点にある。

また、上述の実施例ではノズル（３）の外側にコイル（
■０）を巻いた場合について説明したが、ノズル（３）
の本体内に組み込んでも良い。また、コイル（１０）の
取付は位置も陰極（２）の先端から外れても良く、コイ
ル（１０）で作られる磁場がプラズマ（６）に鎖交でき
る位置に設けたものであれば良く、陰極（２）の形状も
図示のように半球状である必要もない。要するに、トー
チ軸を中心に配置したコイル（１０）による磁束を軸方
向に放射されるプラズマアークに鎖交させるものであれ
ば良く、磁場の強さは電極の形状、ガス量及びノズルの
形状等に基づくプラズマアークの軸方向に発生する矯正
力に打ち勝つ電磁力を生じるものであれば良い。

第４図はこの発明の他の実施例に係る移行式プラズマト
ーチの構成説明図である。第１図の実施例との関係では
、ノズル（３）とコイル（１０）との間に鉄製の導管（
Ｉ３）を介在させ、陰極（２）の先端をノズル（３）の
先端より後退させた点が相違する。

上述の実施例と同様に、ノズル（３）の外周に巻いたコ
イル（１０）に電流を流すと、磁場Ｂがプラズマ電流と
鎖交し、この結果、電磁力Ｆが発生する。

−ＪｘＢ この電磁力はプラズマ柱がトーチ軸を中心に反転するよ
うに機能し、この電磁力によりプラズマ柱が変形すると
、電流自身の磁気圧によって形成されるキング不安定性
ならびに磁場とプラズマ電流により形成される電磁力が
重畳され、流体的に不安定なプラズマが形成される。

そして、コイル（１０）の内側に設置された磁性材料製
部材である導管（１３）はコイル（ｌＯ）に電流を流す
ことにより酸化され、導管（１３）の作る磁束はコイル
（１０）の磁界を乱す。この点を更に詳細に説明する。

第５図（ａ）は導管（１３）がないときのコイル（ｌＯ
）の磁界分布を示した特製図であり、第５図（ｂ）は導
管（１３）があるときのコイル（１０）の磁界分布を示
した特製図である。導管（１３）が存在しないコイル（
１０）に電流を流した時は軸上の端点に比べて中央部に
生じる磁界の方が大きくなるが、コイル（１０）の内側
に導管（１３）が存在する場合には、導管（１３）の内
側にはコイル（１０）による磁界を射ち消す方向に磁界
が生じるため、軸上の端部の方がコイル（ｌＯ）の中心
部よりも磁界が大きくなる。

従って、導管（１３）を配置したコイル（ｌＯ）は導管
（１３）のないコイルに比べてノズル（３）の先端部の
磁界が強められ、プラズマ電流と鎖交する磁束数が増加
する。このため、導管（１３）即ち磁性材料製部材を配
置することによりコイル（１０）の巻数及びコイル電流
を大幅に減らすことが可能になる。

また、導管（１３）をコイル（ｌＯ）の内側に配置した
場合には、第５図（ｂ）にも示すように、コイル（１０
）の外側に比べて磁界が非常に小さくなり、陰極点が導
管（１３）の内側にある場合には安定した陰極点が形成
され、陰極付近のプラズマ柱も安定して形成されるため
、外気を巻き込みにくく陰極の酸化防止にも有効である
。

この実施例においてその動作を以下のとおり確認するこ
とができた。導管（１３）は厚さ２龍、長さ１００關、
内径４５＋ｍであり、陰極（２）の先端はノズル（３）
の先端より１０＋ａｍ後退させている。そしてコイルの
巻数を１５００回、トーチ（１）の先端とカーボン製陽
極との間隔を１００ｍｍ、プラズマ電流をＤＣ９００Ａ
　、プラズマ作動ガス（４）を流ｆｆ１１００１）　／
１ｎとしてプラズマアーク（６）を発生させた。先ず、
コイル（１０）に電流を流さない状態では安定なプラズ
マが形成され、発生電圧はｌ０ＩＶ、投入電力は９１Ｋ
Ｗであった。

次いで、コイル（１０）に電流を流してコイル電流を徐
々に上げていったところ、Ａ　Ｃ０，６Ａ　、５０Ｈｚ
で陰極（２）から陽極へ向かって（従って、加熱対象（
５）に向かって）広がるようにプラズマが乱れるのが観
察された。プラズマ柱はノズル（３）の先端から約１０
ｍｍ陽極側で広がり始めたが、陰極点近傍は常に安定し
ていた。この時の発生電圧は１８５ｖ５投入電力は１６
７ＫＷであった。約２時間の運転後、陰極（２）の表面
を観察したところ、酸化は確認されなかった。

次に、ノズル（３）の外側の鉄製の導管（１３）の材質
を５ＵＳ３０４　（非磁性材料製部材）と取り替えて同
様の試験を行った。安定なプラズマを形成した後、コイ
ル（１０）に電流を流してコイル電流を徐々に増加して
いったところ、ＡＣ３，ＯＡで陰極（２）から陽極へ向
かって広がるようにプラズマが乱れるのが観察された、
この時の発生電圧は１８７Ｖ１投入電力は１６８ＫＷで
あった。また、約２時間の運転後、陰極（２）の表面を
観察したところ、先端が黒色に酸化しているのが認めら
れた。

以上の動作確認により磁性材料製部材を使用することて
、コイル（１０）の消費電力は第１図の実施例の約１１
５となり、高い経済的効果とともに、コイルを大幅に小
型化できることを確認できた。

なお、鉄製の導管（１３）即ち磁性材料製部材の設置位
置についてはノズル（３）の外側である必要はなく、ノ
ズル（３）の内部或いは内側に設置することにより、プ
ラズマ電流に鎖交する磁界が強められ、磁界発生部をさ
らに小型化することができる。

特に、外気を巻き込んでも酸化消耗の心配がないような
条件下では、陰極背面に部材を設置することにより磁界
発生部の一層の小型化が可能になる。

磁性材料製部材はコイルの外側又は内側と外側の両側に
配置してもノズル先端の磁界を強めることができ、トー
チの構造に応じて自由に設置箇所を決定することができ
る。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、プラズマアークが反転
して圧力の低くなる領域が形成されにくくなるため、従
来の旋回式プラズマと専任なプラズマを形成し、しかも
陰極の酸化消耗も防止できる効果がある。

特に、交流磁場を採用することにより次の効果が得られ
ている。

（１）プラズマ作動ガス消費量の大幅削減。

（２）コイル電流及び周波数によるプラズマの制御性向
上。

（３）プラズマの拘束力向上によるノズルからのアーク
発生防止。

また、この発明によれば磁性材料製部材によりプラズマ
アークに鎖交する磁界が強められるので、磁界がプラズ
マ電流に対して効果的に作用し、流体的に不安定で高速
旋回するプラズマアークを加熱対象物に向かって放射状
に広げることができる。

このため上述の効果に加えて、 （１）電磁力の形成効率が向上し、磁気発生部の小型化
ひいてはプラズマトーチの小型化が可能となる。

（２）消費動力の低下により、総合熱効率の向上、周辺
設備の大型化防止、あるいは設置箇所等の物理的問題の
解消が可能となり、ひいては経済性の向上が可能となる
。

といった効果が得られる。

また、磁性材料製部材の内側の磁界を大幅に低減できる
ので、陰極先端をノズル先端より後退させることにより
陰極点が安定して形成され、（１）ノズル等の損傷が少
ない。

（２）外気の巻き込みによる陰極の酸化消耗を少なくで
きる。

（３）制御性が向上する。

といった効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る移行式プラズマトー
チの構成説明図、第２図の（ａ）　、（ｂ）は安定プラ
ズマと旋回プラズマの説明図、第３図の（ａ）　、　（
ｂ）はその発明の動作説明図、第４図はこの発明の他の
実施例に係る移行式プラズマトーチの構成説明図、第５
図（ａ）　、（ｂ）は鉄製の導管がない場合及びある場
合のコイルによる磁界のコイル軸上における磁界分布図
である。 図において、（１）はプラズマトーチ、り２）は電極、
（３）はノズル、（４）はプラズマ作動ガス、（５）は
加熱対象物、（６）はプラズマアーク、（７）は絶縁ス
ペーサ、（８〉は冷却水、（９）は電気端子、（１０）
はコイル、（１１）はコイル用の電源、（１３）は鉄製
の導管である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ノズルの陰極と加熱対象物との間にプラズマアー
   クを発生させる移行式のプラズマトーチにおいて、前記
   ノズルの軸方向に交流磁界を発生させる電磁コイルを該
   ノズルに装着し、プラズマアークの偏向を抑制すると共
   に電磁力による回転力を発生させてこのプラズマアーク
   が旋回して加熱対象物に向かって広がるようにし、かつ
   陰極を外気から保護するようにしたことを特徴とする移
   行式プラズマトーチ。
2. （２）前記電磁コイルの内側及び外側の少なくとも一方
   に磁性材料製部材を配置したことを特徴とする請求項１
   記載の移行式プラズマトーチ。
3. （３）陰極の先端が前記磁性材料製部材より後退した位
   置に配置されていることを特徴とする請求項２記載の移
   行式プラズマトーチ。
4. （４）交流磁界の周波数を０．５Ｈｚ〜３００Ｈｚの範
   囲に設定したことを特徴とする請求項１記載の移行式プ
   ラズマトーチ。