JPH04139384A

JPH04139384A - 移行式プラズマトーチ

Info

Publication number: JPH04139384A
Application number: JP2261165A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Inokuchi; 井ノ口　一成; Akio Nagamune; 章生長棟
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1990-09-28
Filing date: 1990-09-28
Publication date: 1992-05-13

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、カソード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プラズマトーチに係り、特に溶鋼
算の加熱に用いるのに好適な移行式プラズマトーチに関
する。

［従来の技術］近年、製鉄所の製鋼工程においては、レードルやタンデ
イツシュ中の溶鋼をプラズマアークによって加熱し、溶
鋼温度を制御したり、精練反応を行わせたりする技術の
開発が進められている。

このような用途には、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としては、例えば、第３図
に示すものがある。１はカソードであってカソード外筒
２とカソード内筒３よりなり、その先端にはタングステ
ン等よりなり形状が先頭状の放電部４を備えている。５
は電気端子である。このカソード１を囲んでその同心円
上にノズル６が配置されている。カソード１とノズル６
の間には間隙が設けられ、この間隙はプラズマ作動ガス
７の流路となっている。そして、この流路は、トーチの
先端部で絞られた構造になっており、プラズマ作動ガス
７がトーチの軸方向に向けて大きな流速で噴出するよう
になっている。なお、カソードｌ及びノズル６は水冷構
造になっている。９は冷却水を示す、又、８はカソード
１とノズル６を画する絶縁スペーサーである。

上記のプラズマトーチにおいては、プラズマ作動ガス７
を噴出させながら、通電して放電部４と加熱対象物２０
との間にプラズマアーク２１を発生させるが、この際、
プラズマ作動ガス７が大きな流速で噴出しているので、
安定な直線状のプラズマアークが形成される。

［発明が解決しようとする課題］上記従来のプラズマトーチにおいては、アーク電圧はプ
ラズマアーク周囲の雰囲気ガス成分によって大きく変わ
り、例えばアルゴンのような不活性ガス雰囲気中では極
端に低下してしまうので、投入電力量が大幅に低下して
しまう。投入電力量の低下を回避する手段として、アー
ク電流の増加が考えられるが、電流を増加させると放電
部の温度上昇を招き、放電部の寿命を著しく短くしてし
まう。

又、プラズマ作動ガスを直線状に噴出させて電流路を絞
り込み、安定したプラズマアークを発生させる構造にな
っているので、広い面積を加熱しようとする装置として
は適当なものではなかった。

このような問題を解消すべく、本出願人は、改良された
移行式プラズマトーチに関して幾つかの特許出願を行っ
ている。そのうち、特願平２−１２５３５５号（以下、
先願と言う）のプラズマトーチにおいては、ノズルに電
磁コイルを装着してノズルの軸方向に直流磁界を発生さ
せて、プラズマアークの乱れを抑制すると共にプラズマ
アークに回転力を発生させ、旋回して加熱対象物に向か
って広がるプラズマアークを発生させるようにしている
。このプラズマトーチをより詳しく説明する。

第２図は上記本発明の先願に係る一実施例の構成説明図
である。１はカソードであってカソード外筒２とカソー
ド内筒３よりなり、その先端にはタングステン等よりな
る半球状の放電部４を備えている。５は電気端子である
。このカソード１の外側にはその同心円上に直管状のノ
ズル６が配室されている。このため、プラズマトーチは
多重管状の構造になっている。プラズマ作動ガス７の流
路となるカソード１とノズル６の間隙は、絞り込まれる
ことなく直管状に形成されている０図中、８はカソード
１とノズル６を画する絶縁スペーサーである。９は冷却
水であり、カソード１内を流通させて放電部４を背後か
ら冷却し、又ノズル６内を流通させてノズル６を冷却す
るようになっている。

そして、ノズル６の先端部にコイル１０が取り付けられ
ており、このコイル１０は図示しない直流電源に接続さ
れている。又、ノズル６とコイル１０の間に磁性材料部
材１１が介在されている。

上記プラズマトーチによるアーク発生時において、第６
図ｆａｔのように、プラズマアーク２１内には、加熱対
象物２０から放電部４に向かって電流が流れており、コ
イル１０に直流を流を流すと、プラズマアーク２１内の
；流Ｊに直流磁場Ｂの磁束が鎖交し、プラズマアーク２
１内に電磁力Ｆが発生する。

Ｆ＝ＪＸＢこの電磁力Ｆは、プラズマアーク２１の軸芯を中心に回
転する方向に発生し、第６図（ｂ）に記す矢印のように
、プラズマアーク２１が回転し始める。

そして、電流路が軸対称から僅かにずれると、キンク不
安定性及び電磁力Ｆが重畳して旋回プラズマが形成され
る。

そして、旋回プラズマが形成される上記プラズマトーチ
を使用すると、アーク長が長いプラズマアークが発生し
、又、アーク柱が冷やされ電流路が絞り込まれるため、
プラズマ電圧を大幅に上げることができるようになる。

更に、先願のプラズマトーチにおいては、ノズル６とコ
イル１０の間に磁性材料部材１１を介在させている、こ
の磁性材料部材１１を配置することによって、直流磁界
がアーク柱に効果的に鎖交し、電磁コイル１０の消費電
力が少なくて済む。

このように、先願の技術によって、従来技術の問題点は
解決された。しかし、先願においても、更に改良すべき
問題が残されていた。即ち、電磁コイル１０をノズル６
の外側に配置する構成にした場合には、プラズマトーチ
下部の径がノズルの径より大きくなる。そして、このよ
うな構成のプラズマトーチは、タンデイツシュ等の加熱
容器に挿脱する際に注意を要したり、或はコイル１０を
高温雰囲気から保護するための耐熱被覆を要したりする
。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決すると共に、先
願のプラズマトーチの問題点をも解決すべくなされたも
のであり、トーチ径を大きくすることなしに、プラズマ
電圧を上げることができる移行式プラズマトーチを提供
することを目的とする。

［課題を解決するための手段及び作用コ上記の目的を達
成するために、第一の発明においては、ノズル内の端部
に電磁コイルを配置し、この電磁コイルの内側又は外側
の少なくとも一方の側の同心円上に磁性材料部材を配！
している。

又、第二の発明のように、磁性材料部材は放電部背後の
カソード内に配！するのがよい。

そして、この磁性材料部材の長さは電磁コイルの長さよ
り長くするのがよい。

本発明においては、電磁コイルをノズルの中に配置し、
プラズマトーチ下部の径がノズル径より大きくならない
ようにしている。を磁コイルをノズル内に収納するため
には、電磁コイルを小型にすることが必要であり、この
電磁コイルの小型化が達成されて、初めてその収納が可
能になる。

電磁コイルの小型化は次のようにしてなされる。電磁コ
イルの近傍に磁性材料部材を配置すると、磁界は磁性材
料部材の端部付近が強くなり、磁性材料部材を配置しな
い場合に比べてアーク柱の電流と普交する磁束数が増加
する。このため、電磁コイルの消費電力が大幅に減少し
、その結果として電磁コイルの巻数を減らしてこれを小
型１ヒすることができる。

この場合、アーク柱の電流と効果的に鎖交する磁束数は
、磁性材料部材の長さ及びその配置位買によって大いに
異なる。このうち、磁性材料部材の長さについては、そ
の長さが長いほど磁性材料部材の端部における磁束密度
が大きくなる傾向を示す、このため、磁性材料部材の長
さは、好ましくは電磁コイルの長さよりも長くするのが
よく、更に好ましくは、電磁コイルの長さに対し１〜４
倍程度にするのがよい、磁性材料部材の長さが電磁コイ
ルの長さに対し１倍未満であると、磁束が磁性材料部材
に集中しに＜＜、磁場が有効に作用しないので、その効
果が不十分であり好ましくない、又、その長さを電磁コ
イルの４倍を超える長さにしても、磁束密度の増加が飽
和してしまう。

又、磁性材料部材はカソードの軸芯（放電部）に近いと
ころに配置するほど、プラズマアークに作用する磁界が
強くなる。このような磁性材料部材の配置の一つとして
、第二の発明では、放電部の背後に位置するカソード内
に配置している。このような配置にすれば、電磁コイル
の一層の小型化を図ることができる。

［実施例］第１図は本発明の一実施例を示し、その下部の断面図で
ある。第１図において、下部以外の部分は第２図と同様
の構成になっているので、その記載を省略した。又、第
１図のプラズマトーチの構成は、電磁コイル及び磁性材
料部材の配置を除き、第２図及び第３図のプラズマトー
チと同様であるので、第２図及び第３図の説明と重複す
る内容については省略する。

１はカソード外筒２とカソード内筒３よりなるカソード
、４はタングステン製の放電部（タングステン電極）で
あり、６はカソード１を囲んでカソード１の同心円上に
配置されたノズルである。

このノズル６内（冷却水の流路）の先端部に電磁コイル
１０が備えられている。１２はコイル１０とコイル電源
（図示せず）を接続する配線である、又、放電部４の背
後のカソード１内には磁性材料部材１１が配置されてい
る。８は絶縁スペーサーである。そして、磁性材料部材
１１の長さＣ＝コイル１０の長さと同程度が或はそれよ
り長くする。

次に、第１図のプラズマトーチによって、実獅的にプラ
ズマを発生させた結果について説明する。

（実施例１）プラズマトーチの構成カソードの直径；２〇−賞電磁コイルの長さ；５〇−鳳コイルの巻数；３５０回磁性材料部材：鉄製の円筒カソード内の磁性材料部材の長さ；１５０ｍ■ 電磁コイル外側の磁性材料部材の長さ；５０１１１プラズマ発生条件作動ガス；アルゴン作動ガスの流量；３０ρ／分プラズマ電流；９０ＯＡアノード；カーボンブロックアノードと放電部の間隔；２００ｍ■ 上記条件においては、電磁コイルの励磁電流と発生した
プラズマアークの状態の関係は、次のごとくであった。

■励磁電流がＤＣｏ、５Ａ以下では、真っ直ぐで安定な
プラズマアークが発生した。

■励磁電流がＤＣｏ、６〜０．８Ａの間では、その下流
（アノード側）のみが広がり、旋回の弱いプラズマア〜
りが発生した。

■励磁電流がＤＣｏ、８Ａ以上にすると、プラズマアー
クはカソードの近くからアノードに向かって広がると共
に高速に旋回した。

上記各励磁電流値におけるプラズマ電圧及び投入電力は
、励磁電流を流さない場合にはプラズマ電圧が１７０■
、投入電力が１５３ｋｗであったが、励磁を流をＤＣｏ
、８Ａにして旋回プラズマアークを発生させた場合には
プラズマ電圧が３３０Ｖ、投入電力が２９７ｋｗに上昇
した。

このように、励磁電流を流すことによって、プラズマ電
圧を大幅に（即ち投入電力を大幅に）変化させることが
でき、加熱々量の制御が容易になる。又、旋回プラズマ
アークを形成させることによって、加熱面積が広がり、
局部的な過熱が回避される。

（実施例２）カソード内の磁性材料部材の長さを電磁コイルの長さと
同じ５０龍にしたこと以外は実施例１と同条件にした。

この条件で安定プラズマアークを発生させた後、電磁コ
イルに電流を流し、電流を徐々に上げていったところ、
ＤＣｌ、５Ａにした時点で、プラズマアークがアノード
に向がって広がり、高速に旋回するするのが観察された
。この時のプラズマ電圧は３２０Ｖ、投入電力は２８８
ｋｗであった。

（比較例）実施例１で使用した第１図の構成によるプラズマトーチ
から磁性材料部材を取り除き、このトチを用いてプラズ
マを発生させた。

そして、実施例１の場合と同様にして電磁コイルに電流
を流したところ、ＤＣ４，ＯＡにした時点で、アノード
に向かって広がり、高速に旋回するプラズマアークが観
察されたにの時のプラズマ電圧は３２５■、投入電力は
２９３ｋｗであった。

上記実施例１．２と比較例の結果について電磁コイルの
励磁を流を比較すると、実施例１と実施例２の励磁電流
は、比較例のそれに対しそれぞれＱ　２、約０．４であ
り、著しく小さい値であった。この結果、磁性材料部材
を配置すれば、電磁コイルを大幅に小型化できることが
確認された。

（実施例３）カソード内に配置した磁性材料部材の長さを種々変えた
各種のプラズマトーチについて、プラズマアークに効果
的に作用する磁界の強さを測定した。コイルと磁性材料
部材の配！は第４図のごとくにした。この際のコイル１
０は巻数３８５回−その長さｇｌが５５龍のものを用い
、磁性材料部材１１はその長さ１２が５５ｍｍ〜３３０
■の各種のものを用いた。そして、コイル１０の励磁電
流をＤＣＩＡにし、カソードの先端部位置に相当するコ
イル軸線１２上のＡ点における軸方向磁界を測定した。

この結果は第５図に示す、この図で明らかなように、コ
イル長さＪ、と磁性材料部材長さρ２の比＜　６１２　
／　４１）を大きくするに従い（磁性材料部材１１の長
さｊ２を長くするに従い）、Ａ点の磁界は次第に強くな
る。そして、コイル長さｇｌと磁性材料部材長さ１２の
比（ｆｆ１２／ｆ＋）が４付近になると、磁界の強さは
ほぼ一定になる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない０
例えば、上述の各実施例においては、電磁コイル１０を
ノズル６内に備えた場合についてのみ説明したが、放電
部４の背後に組み込んでもよい、又、電磁コイル１０の
配置位置は、これによって作られる磁場とプラズマアー
クとを鎖交させることができる範囲内であれば、電磁コ
イル１０の一部が放電部４の先端から外れた箇所であっ
てもよい、そして、電磁コイル１０に流す電流は交流で
あってもよい。

［発明の効果］本発明は、ノズルの先端部に電磁コイルを備えており、
プラズマアーク柱の電流と鎖交する磁界を発生させるこ
とができるので、加熱対象物に向かって放射状に広がり
高速旋回するプラズマアクを形成させることができる。

このため、プラズマ電圧を上げることができ、プラズマ
トーチの加熱能力が向上する。そして、上記電磁コイル
はノズル内に配置されているので、電磁コイルを耐熱被
覆する必要もなく、又、電磁コイルを備えたためにトー
チ径が大きくなったりすることがなくなる。

そして、上記電磁コイルの同心円上には磁性材料部材を
配置しているので、電磁コイルの消費電力が減少し、電
磁コイルが小型になる。

又、上記磁性材料部材をカンード内に配置したり、或は
上記磁性材料部材の長さを電磁コイルの長さより長くし
たりすることによって、プラズマアークに作用する磁界
が更に強くなり、これによって電磁コイルの消費電力が
大幅に減少し、電磁コイルの一層の小型化が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示し、その下部の断面図、
第２図は本発明の先願に係る移行式プラズマトーチの構
成説明図、第３図は従来の移行式プラズマトーチの構成
説明図、第４図は本発明おけるコイルと磁性材料部材の
位置関係を示す図、第５図は本発明における磁性材料部
材の長さとその端部における磁界の強さの関係を示す図
、第６図は本発明の作動原理の説明図である。１・・・カソード、２・・・カソード外筒、３・・・カ
ッド内筒、４・・放電部（タングステン電極）、６・・
・ノズル、７・・・プラズマ作動ガス、１０・電磁コイ
ル、１１・・・磁性材料部材、２０・加熱対象物、２１
・・・プラズマアーク。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）先端に放電部を備えたカソードと該カソードを囲
み該カソードの同心円上に配置したノズルよりなる移行
式プラズマトーチにおいて、前記ノズル内の端部に電磁コイルを配置し、該電磁コイ
ルの内側又は外側の少なくとも一方の側の同心円上に磁
性材料部材を配置したことを特徴とする移行式プラズマ
トーチ。
（２）磁性材料部材を放電部背後のカソード内に配置し
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）磁性材料部材の長さを電磁コイルの長さより長く
したことを特徴とする請求項１又は２記載の移行式プラ
ズマトーチ。