JPH0395900A - 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。

［従来の技術コ 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、レ一ドルやタンディッシュの中の
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、加熱効率の点か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−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。

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
る程度に抑制している。このため、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。

［発明が解決しようとする課題］ 上記の出願に係る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的な不安定性を利用して、プラズマ
アークを流体的に不安定にして高速に回転させ、かつプ
ラズマトーチの電極から放射状に噴出させるものである
。このため、ノズルから噴出してノズルと電極との間に
流すプラズマ作動ガスの軸方向の流速を抑制することに
よって、上述の状態を形或させていた。

ところが、軸方向流速を抑制してプラズマ作動ガ、スの
流量を極度に低減すると、プラズマアークの指向性が低
下してノズルに向かって飛び易くなる。また、一方では
プラズマアークの旋回を制御することに技術的な困難性
がある等の問題点があった。

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、ノズルにその軸方向に直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って広がるようにしている
。

更に、この発明に係る移行式プラズマトーチは、電磁コ
イルの内側又は外側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〕

この発明において、プラズマアークの内部には陽極から
陰極に向かって電流が流れている。電磁コイルに直流電
流を流すことにより、一方のコイル端から出て他方のコ
イル端に入る磁束の直流磁界が発生し、この直流磁界は
プラズマアークの電流と鎖交する。この結果、プラズマ
アークの軸を中心に回転する方向に電磁力が発生し、プ
ラズマアークが回転する。印加している外部磁場を弱め
ると、プラズマ作動ガスの軸方向の流れによって矯、正
力が働き旋回プラズマから安定した直線状のプラズマに
移る。このようにして、外部磁場の強弱を調節すること
によって、旋回プラズマと安定プラズマの切換えや旋回
速度等を制御することができる。

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。

［実施例コ 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
チはの構戊説明図、第２図＜ａ）．　（ｂ）は安定プラ
ズマと旋回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、（ｌ）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）は水冷銅製やセラ
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
を画する絶縁スベーサ、（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陰極（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（
１０〉を取り付けると共に、このコイル（１０〉を直流
励磁するコイル電源（ｌ１〉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（｛０〉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）から陰極（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（１０）に直流電流（Ｊ）を流すと、プラ
ズマアーク（６）内の電流に直流磁場（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）　−　（Ｊ）　Ｘ　（Ｂ） なる電磁力（Ｐ）は、プラズマアーク（６）の軸を中心
に回転する方向に発生し、同図の（ｂ）の矢印のように
プラズマアーク（６）の本体が回転を始める。

そして、電流路が軸対称形より僅かにずれると、キンク
不安定性並びに外部磁場（Ｂ）とプラズマアークの電流
との鎖交による電磁力（Ｐ）が！ｉｇｋして旋回プラズ
マが形成される。このときの状態が第２図の（ｂ）に示
されている。

また、印加している外部磁場を弱めると、プラズマ作動
ガスの軸方向の流れによって軸方向に安定したプラズマ
アークを形成しようとする矯正力が働いて、旋回プラズ
マから再び安定したプラズマに移行する。

このように、外部磁場の強弱を調節することによって、
プラズマ作動ガスの流量や流し方を変更することなく、
旋回プラズマと安定プラズマの切換えや旋回速度等を制
御することができる。

因みに、陰極（２）の直径を２０關にして、プラズマ作
動ガス（４）の流量を３０ｉ１／ｍ１ｎに設定した。

また、コイル（１０）の巻数を３００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
１００〜２００ｍ＋＊の範囲にして、実験的にプラズマ
を発生させた。

この結果、コイル（ｌＯ）の励磁電流がＤＣ３Ａ以下で
は、ストレートで安定なプラズマアーク（６）が、形戊
され、ＤＣ４Ａ以上にすると陰極（２）の近くから陽極
に向かって広がり高速に旋回するプラズマアークが形成
された．。また、電極間隔を２００關にしたときの発生
電圧が、安定プラズマ時に１８０Ｖであったものが、旋
回プラズマでは３４０ｖに上昇した。また、コイル（１
０）の励磁電流がＤＣ３〜４Ａの間では、プラズマアー
ク（６）の下流（陽極側）のみが広がり、旋回の弱いプ
ラズマアークも形成された。このように、連続的に変化
するコイル（ｌＯ）の励磁電流を利用して、旋回プラズ
マを自由に、しかも再現性良く制御することができた。

更に、給電回路等が作る外部磁場によるプラズマアーク
の偏向が抑制されることも分かった。

なお、上述の実施例ではノズル（３）の外側にコイル（
１０）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（ｔｏ）の
取付け位置も陰極（２）の先端から外れても良く、コイ
ル（ｔＯ）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（ＩＯ）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（
１３）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（ＩＯ）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。

（Ｆ）　−　（Ｊ）　　Ｘ　（Ｂ） この電磁力はプラズマ柱がトーチ軸を中心に旋回するよ
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（｛Ｏ）の内側に設置された磁性材料製
部材である導管（ｌ３）はコイル（１０）に電流を流す
ことにより磁化され、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４図（ａ）は導管（１３〉がないときのコイル（１０
）の磁界分布を示した特性図であり、第４図（ｂ）は導
管（１３〉があるときのコイル（ＩＯ）の磁界分布を示
した特性図である。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（ＩＯ）による磁界を打ち消す方向に磁界
が生じるため、軸上の端部の方がコイル（１０）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（１０）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（ｌ３）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〉の内側に設置した
場合には、第４図（ｂ）にも示すように、コイル（｛０
〉の外側に比べて磁界が非常に小さくなり、陰極点が導
管（｛３）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（ｌ３〉は厚さ２關、長さ１００１１
１１％内径４５ｍｍであり、陰極（２）の先端はノズル
（３）の先端より１０　ｍｍ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１００ｍａ＋　ｓプラズマ電流をＤ
Ｃ９　０　０Ａ　，プラズマ作動ガス（４）を流量１０
０　ｆｌ　／ｌ！ｌｉｎとしてプラズマアーク（６）を
発生させた。先ず、コイル（ｌＯ〉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ＩＯＩ
Ｖ，投入電力は９１．ＫＷ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、ＤＣ０．３Ａで陰極（２）か
ら陽極へ向って（従って、加熱対象（５）に向って）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ｌＯ叩陽極側で広がり始
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１８５Ｖ，投入電力は１８７ＫＷ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ＳＵＳ３０４　（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、ＤＣ１．５Ａで陰極（２）から陽極へ向
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１８７Ｖ，投入電力は１６８Ｋ　Ｗ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、先端が激しく損耗し、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で
、コイル（１０）の消費電力は第１図の実施例の約１７
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、プラズマアークに磁場
を鎖交させて旋回力を与えたので、磁場の強さを調整す
ることによって自由にプラズマの旋回状態を制御するこ
とができる。この結果、次のような効果が得られる。

（１）プラズマアークの広がりを調整して、加熱領域や
加熱エネルギーの密度を制御できる。

（２）同一の電極間隔であっても旋回プラズマと安定な
プラズマでは印加電圧が２倍近く異なるので、このモー
ドの切換えによってトーチ位置や電流を変えることなく
入力エネルギー量を変更することができる。即ち、入力
制御範囲が拡大される。

〈３）プラズマ作動ガスの流量を変更しないので、プラ
ズマアークの指向安定性や制御性で優れている。

（４〉プラズマアークの指向安定性が直流磁場によって
向上し、トーチ軸方向に安定にジェットが発生し外部磁
場の外乱に強い。

また、この発明によれば磁性材料製部材によりプラズマ
柱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、 （Ｌ）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）消費電力の低下により、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戊説明図、
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、（ｌ）はプラズマトーチ、（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
ベーサ、（８〉は冷却水、（９〉は電気端子、 （ｌＯ）はコイル、 （１１）はコイル用の電源、 （１３）は鉄製の導管である。

Claims (3)

【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
   ノズルの軸方向に直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、このプラズマアーク
   が旋回して加熱対象物に向って広が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又は外側に磁性材料製部材
   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。