JPH1022095A - 移行型プラズマ加熱装置におけるトーチ着火制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トーチの着火位置の最適化ならびにパイロッ
トアークによる加熱対象物の予備加熱を実施可能とする
ことにより信頼性の高い着火制御装置を提供する。 【解決手段】 移行型プラズマ加熱装置において、パイ
ロットアーク回路の＋極であるノズル（２）とメインア
ーク回路の＋極である陽極（３）をスイッチを介して連
結し、パイロットアーク回路のインピーダンスを判定す
るインピーダンス判定回路（１４ｃ）の信号もしくはメ
イン電源印加前のメインアーク回路に分流するパイロッ
トアーク電流の検出信号に基づき、トーチ昇降装置（６
ａ）を作動せしめトーチの着火位置を適正に制御するよ
うに構成したことを特徴とする移行型プラズマ加熱装置
のトーチ着火制御装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、移行型のプラズマ
トーチを用いた溶解炉、精錬炉及び連続鋳造設備のタン
ディッシュ内などの溶湯を加熱する移行型プラズマ加熱
装置におけるトーチ着火制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】溶解炉、精錬炉及び連続鋳造設備におけ
るタンディッシュなどにおいては、清浄な雰囲気での溶
湯の溶解、加熱、保温を目的に誘導加熱装置もしくはプ
ラズマ加熱装置の適用が行われている。

【０００３】これらの加熱装置のうち、プラズマ加熱装
置は、プラズマアークの発生位置の違いから、移行型プ
ラズマ方式と非移行型プラズマ方式の二つに大別するこ
とができる。

【０００４】このうち、移行型プラズマ方式は、陽極を
加熱対象物側に設け、トーチ先端部の陰極とノズルとの
間に発生させたパイロットアークにより陽陰極間の雰囲
気を電離状態とした後、トーチ側陰極から加熱対象物側
陽極へのプラズマ流に移行させるものであり、加熱対象
物に直接プラズマ電流が流れることから、加熱効率の点
からは有利と言われている。

【０００５】一方、非移行型プラズマ方式は、トーチ自
体に陰極と陽極の両極を備え、この間に発生させたプラ
ズマを作動ガスによりトーチ先端よりジェット状に前方
へ成長させ加熱対象物へ作用させるものであり、溶射な
どに適する。

【０００６】移行型プラズマ加熱装置における陰極・ノ
ズル間のパイロットアークから陰極・陽極間へのメイン
アークヘ移行させる、一般に着火と呼ばれる制御は、ト
ーチ全体を陽極を有する加熱対象物上方の所定の位置ま
で接近させた後、トーチ先端の陰極からノズル間に高周
波電界を印加することにより発生させたパイロットアー
クを作動ガスによりトーチ先端から加熱対象物へと押し
出すことにより、トーチ先端の陰極と陽極間の空間の電
離度を充分高めた上で、陽陰極間に主電源を印加し陽陰
極間のメインアークへと移行させる方式が採られてい
る。実際の着火では加熱対象物が高温の溶湯である場合
が多いため、パイロットアークを発生させたトーチを陽
極である溶湯にアークの移行に適正な位置まで接近させ
保持することが安定な着火のため重要となる。なぜな
ら、パイロットアークが陽極である加熱対象物から離れ
すぎていると、陽陰極間の電離状態が充分に得られず、
陽陰極間に主電源を印加してもアークが移行しない着火
失敗を招くこととなり、また、逆に着火時にトーチを加
熱対象物に近づけ過ぎると、高温の溶湯からの輻射熱、
スプラッシュ等によるトーチの損傷あるいは溶湯へのト
ーチ浸潰によるトーチの溶損などを招くためである。

【０００７】従って、従来は着火を行うにあたり、加熱
容器全体の重量等から算定される溶湯湯面上方の着火予
定位置より少し手前まで、一旦トーチを接近させ着火動
作を試み、この位置で着火しない場合には、さらに数１
０ｍｍずつ溶湯へトーチを接近させ、着火動作を繰り返
すといった方法が採られている。

【０００８】図３は移行型プラズマ加熱装置における従
来方式での着火制御装置の構成を示す概念図、図４は従
来方式の制御内容の詳細を示すタイムチャートである。

【０００９】着火の手順は、まず、陰極１ならびにノズ
ル２よりなるトーチ全体をトーチ昇降装置６ａを用いて
加熱対象物５の上方、プラズマの移行を行う適正な位置
まで下降させてセットする。ここで、加熱対象物５の湯
面位置はロードセル等により計測される加熱容器４ｂの
重量信号から加熱容器４ｂの形状を考慮し換算される湯
面高さが使用されるのが一般的である。

【００１０】しかしながら、加熱容器４ｂの内面には耐
火物が使用されるため、耐火物の施工精度ならびに繰り
返し使用される場合の耐火物の損耗などによる湯面高さ
への誤差を持つため、これらの誤差要素を考慮し、本来
の適正なトーチ位置より誤差分だけ手前に一旦停止させ
ることとなる。

【００１１】この位置でスイッチ７ｂおよび８ｂを閉路
し、陰極・ノズル間にパイロットアーク着火用高周波電
源７ａならびにパイロットアーク電源８ａを印加し、陰
極・ノズル間にパイロットアーク１０を着火させる。パ
イロットアークの着火後はスイッチ７ｂは開路し、パイ
ロットアーク着火用の高周波電源７ａは切離し、パイロ
ットアーク１０はパイロットアーク電源８ａにて保持さ
れた状態となる。

【００１２】この後、作動ガス１１を供給してパイロッ
トアーク１０を加熱対象物５側へジェット状に成長させ
た後、スイッチ９ｂを閉路することにより陰極１と加熱
容器４ｂの下部に配置された陽極３との間にメインアー
ク電源９ａを印加し、陰極１から陽極３へ向かうメイン
アーク１２への移行を行う。

【００１３】この時、トーチの位置と加熱対象物５との
距離が適正でかつパイロットアーク１０の形成状態によ
りトーチ先端と加熱対象物の間の空間の電離度が充分に
高められていれば、陰極１から陽極３へ向うメインアー
ク１２が発生し、陰極１からノズル２へ形成されていた
パイロットアーク１０は陽極３へのメインアークへと移
行していくこととなる。

【００１４】しかしながら、トーチ先端の位置が加熱対
象物５と離れすぎている場合やパイロットアークによる
空間の電離度上昇が不充分な場合には、陰極１から陽極
３へのメインアークが発生せず、パイロットアークから
の移行は行われない。

【００１５】従って、主アーク電源９ａを印加してある
時間経過後にメインアークへの移行が行われない場合に
は、一旦スイッチ９ｂを開路してメインアーク電源を切
離した後、再びトーチ昇降装置６ａを用いてトーチの位
置をさらに数１０ｍｍ下降させた後、再度スイッチ９ｂ
を閉路しメインアークへの移行を試みるといった方法が
採られている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな方法では、加熱容器に使用される耐火物などの損耗
により加熱容器全体の重量と実際の湯面には誤差が生じ
ること、陽陰極間の雰囲気ガスの状況によってトーチと
溶湯間の適正な着火距離がばらつくことなどから、着火
位置と着火の成否の関係に再現性がなく、着火の確実性
に欠けるなどの問題があった。

【００１７】また、陽陰極間の雰囲気条件やパイロット
アークの形成状況ならびに加熱対象物表層の不純物の浮
遊状況等によっては、トーチを加熱対象物直近まで接近
させても着火失敗となる場合もあるため、トーチの接
近、着火の繰り返しにより、遂にはトーチを加熱対象物
に浸漬させてしまうなどの事態を招き、トーチを溶損し
てしまうなどの問題があった。

【００１８】本発明は、トーチの着火位置の最適化なら
びにパイロットアークによる加熱対象物の予備加熱を実
施可能とすることにより信頼性の高い移行型プラズマ加
熱装置におけるトーチ着火制御装置を提供するものであ
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、移行型トーチ
を用いたプラズマ加熱装置であって、陰極と、ノズル間
にパイロットアークを発生させるパイロットアーク回路
と、陰極と、加熱対象物に接触されている陽極間にメイ
ンアークを発生させるメインアーク回路を有するプラズ
マ加熱装置において、パイロットアーク回路の＋極であ
るノズルと、メインアーク回路の＋極である陽極をスイ
ッチを介して連結する回路を形成するとともに、パイロ
ットアーク回路中に、陰極・ノズル間の電圧と電流を検
出する検出器を設け、検出器からの検出信号を基に回路
中のインピーダンスの変化を把握し判定するインピーダ
ンス判定回路を形成し、インピーダンス判定回路の判定
結果によりトーチ昇降制御装置を作動せしめ、トーチの
着火位置を適正に制御するように構成したことを特徴と
する。

【００２０】また、本発明は、移行型トーチを用いたプ
ラズマ加熱装置であって、陰極と、ノズル間にパイロッ
トアークを発生させるパイロットアーク回路と、陰極
と、加熱対象物に接触されている陽極間にメインアーク
を発生させるメインアーク回路を有するプラズマ加熱装
置において、パイロットアーク回路の＋極であるノズル
と、メインアーク回路の＋極である陽極をスイッチを介
して連結する回路を形成すると共に、メインアーク回路
中に、メインアークヘ移行するまでの電流を検出する検
出器を設け、検出器の検出信号に基づきトーチ昇降制御
装置を作動せしめ、トーチの着火位置を適正に制御する
ように構成したことを特徴とする。

【００２１】従来、ノズル・陰極間のパイロットアーク
を陽極である加熱対象物と陰極間のメインアークに移行
させる着火方法は、加熱容器内の雰囲気条件、加熱対象
物の表面性状ならびにパイロットアークの形成状況など
により着火位置がばらつくため、経験的に想定される着
火可能位置を目安に、その手前からトライアンドエラー
的に何度か着火、トーチ下降を繰り返し行ってきたもの
に対し、本発明は、ノズル・陰極間のパイロットアーク
を発生させている電気回路のインピーダンスなどの回路
定数の変化からパイロットアークと加熱対象物の接触状
態を検出し、アークの移行に適正なトーチ位置の判定を
行い、この位置でトーチ先端に形成されているパイロッ
トアークにて加熱対象物の予備加熱を行うことを講じ
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の移行型プラズマ加
熱装置における着火制御装置の概念図で、加熱対象物５
の加熱は、陰極１から陽極３の間にメインアーク１２を
形成させることにより行われるが、メインアーク１２の
形成のためには予め陰極１を陽極３と接触している加熱
対象物５の直近の所定の位置まで接近させておくととも
に、両極間の電離度を充分に高めておく必要がある。

【００２３】加熱容器内の空間の電離度を高めるために
は、陰極１からノズル２の間に発生させたパイロットア
ーク１０を加熱対象物５に作用させることにより行われ
るので、加熱装置には、陰極１とこれの回りに配置され
るノズル２及びこれらの間にパイロットアークを発生さ
せるパイロット電源７ａよりなるパイロットアーク回路
と、陰極１から陽極３へメインアークを発生させるメイ
ン電源９ａよりなるメインアーク回路との２つの電気回
路が構成されている。

【００２４】２つの電気回路のうち、パイロットアーク
回路は、陰極１を−極、ノズル２を＋極とし、この両極
にパイロットアークの点火のための高周波電源７ａと点
火後のパイロットアーク保持用の直流電源８ａがそれぞ
れスイッチ７ｂとスイッチ８ｂを介して並列に接続され
ている。パイロットアークの点火時にはスイッチ７ｂと
スイッチ８ｂの両方を投入し、高周波電界により陰極１
とノズル２との間のギャップに絶縁破壊を起こさせるこ
とによりパイロットアークが形成される。高周波電源７
ａは、パイロットアークが形成されるまでのある所定時
間が経過すれば、スイッチ７ｂを開路することにより切
り離され、以後のパイロットアークの保持は直流電源８
ａのみにて行われる。

【００２５】一方、メインアーク回路は、陰極１を−
極、陽極３を＋極とし、この両極にメインアークの発生
および保持のための直流電源９ａがスイッチ９ｂを介し
て接続されている。パイロットアーク回路の−極とメイ
ンアーク回路の−極はいずれも陰極１であることから、
図１または図３に示すとおりスイッチ７ｂ、８ｂ、９ｂ
の−極は共通ラインとして接続され、パイロットアーク
回路とメインアーク回路は陰極１を共有し構成されるの
が一般的であるが、本発明では、図１に示すとおり、パ
イロットアーク回路の＋極であるノズル２とメインアー
ク回路の＋極である陽極３をスイッチ８ｃを介して連結
させている点が図３に示す従来法と基本的に異なるとこ
ろである。

【００２６】また、本発明は、パイロットアーク回路中
に、陰極・ノズル間の電圧検出器１４ａならびに電流検
出器１４ｂを設け、これらの検出信号からインピーダン
ス等の回路定数をインピーダンス判定回路１４ｃで判定
している。これ以外の陰極１とノズル２をトーチとして
一体構造とする点ならびにトーチを昇降装置６ａにて加
熱対象物に対し所定の位置に設定可能とする点などのそ
の他の装置の構成は従来法と同様である。

【００２７】次に、本発明における着火制御について説
明する。

【００２８】加熱対象物５を陽極３を有する加熱容器４
ｂに収納した後、陰極１及びノズル２を一体構造とした
トーチを加熱容器４ｂの上蓋４ａとともに加熱対象物５
の上方にセットする。

【００２９】ここで、従来法ではトーチをアークの移行
に適した位置まで下降させた後、パイロットアーク１０
の点火およびメインアーク１２への移行動作をトライす
る方法が採られているのに対して、本発明では、パイロ
ットアーク１０の着火を行う時のトーチの位置はトーチ
昇降装置６ａの上端位置でもこれよりある程度下方の位
置でもいずれでも構わず、パイロットアーク１０からメ
インアーク１２への移行を行おうとするトーチの位置よ
りも上方であれば良く、スイッチ７ｂおよび８ｂを閉路
し陰極・ノズル間にパイロットアーク着火用高周波電源
７ａならびにパイロットアーク電源８ａを印加し、陰極
・ノズル間にパイロットアーク１０を発生させた後、ス
イッチ７ｂを開路しパイロットアーク１０をパイロット
アーク電源８ａにて保持させた状態とし、この後、作動
ガス１１を供給しパイロットアーク１０を加熱対象物５
側へジェット状に成長させる。

【００３０】次に、スイッチ８ｃを閉路した上でトーチ
先端にパイロットアーク１０を保持させたまま図２中の
（イ）に示すようにトーチ昇降装置６ｂを用いて徐々に
トーチを下降させる。この時、陰極・ノズル間のインピ
ーダンス判定回路１４ｃにはパイロットアーク電源８ａ
からスイッチ８ｂ、陰極１、ノズル２の閉回路に流れる
電流路より形成されるインピーダンスが示されている
が、この後、トーチが徐々に下降しパイロットアーク１
０の先端が加熱対象物５に接触するようになると、前記
の閉回路に加え、新たにパイロットアーク電源８ａから
スイッチ８ｂ、陰極１、陽極３、スイッチ８ｃの閉回路
に流れる電流路が並列に形成されるため、インピーダン
ス判定回路１４ｃに示されるインピーダンスは図２中の
（ロ）に示すとおり低下する現象となって現れる。この
時のインピーダンスの低下はパイロットアーク１０の加
熱対象物５への接触状態が密になるほど顕著となるた
め、このインピーダンスの値を監視することによりパイ
ロットアーク１０と加熱対象物５の接触状態を電気的な
制御信号として把握することが可能となる。

【００３１】従って、このインピーダンスの値がある設
定値Ｚ₀になった時点でトーチ昇降制御装置６ｂを作動
させて図２中の（ニ）に示すようにトーチの下降を停止
し、トーチの位置を保持させることにより、パイロット
アーク１０と加熱対象物の位置関係を適正な位置に再現
性良く制御することができる。

【００３２】こうしてパイロットアーク１０の加熱対象
物５への作用量を適正な状態にある時間、保持させるこ
とにより加熱対象物５の予備加熱を行うことが可能とな
り、加熱対象物表層に浮遊する不純物等の溶融を図ると
ともに、この後、メインアークへの移行を行う上での陰
極１から加熱対象部５を経由し加熱容器炉底の陽極３に
至るメインアーク経路の電離度を充分に高めることがで
きる。この予備加熱を行う期間においてはトーチを一定
位置に保持させても良いし、またインピーダンスの判定
回路１４ｃに示されるインピーダンスの値を一定に保つ
よう、即ちインピーダンスが高まる傾向を示せばトーチ
の位置を若干下げる又はインピーダンスが低下する傾向
を示せばトーチの位置を若干上げるなどのトーチの位置
制御を行うようにしても良いことは言うまでもない。

【００３３】また、トーチ先端のパイロットアーク１０
が加熱対象物５に接触している状態は、陽極３からスイ
ッチ８ｃを経由しパイロット電源８ａに至る経路に流入
する電流を図２中の（ハ）に示すように主電流検出器１
３にて検出し捉えることも可能であり、パイロットアー
クを発生させたトーチを加熱対象物５に接近させていく
過程における主電流検出器１３の検出信号を用いて、メ
インアークへの移行に適したトーチの位置検出ならびに
前述の加熱対象物５の予備加熱の制御を構成させること
も可能であるし、インピーダンス判定回路１４ｃの信号
と組合わせて判定ロジックを構成することも勿論可能で
ある。

【００３４】重要なことは、スイッチ８ｃを設けること
により、メインアーク電源９ａを印加する前にパイロッ
トアーク電流の陽極３への流れ込みを検出する判定回路
を構成した点であり、これによりメインアークへの移行
を行う前に、パイロットアークの位置を適正に保持した
状態で加熱対象物５ならびに雰囲気の予備加熱を実施可
能とした点である。こうして、パイロットアーク１０に
よるトーチ先端と加熱対象物５との間の空間の電離度を
充分に高めた後、スイッチ８ｃを開路すると同時にスイ
ッチ９ｂを閉路しメインアーク電源９ａを陰極・陽極間
に印加し、図２中の（ホ）に示すとおりメインアークへ
の移行を行う。メインアーク電源９ａを印加する時点で
はトーチと加熱対象物間の雰囲気条件は既にパイロット
アークが陰極・陽極間に一部形成されている状態で予備
加熱が行われることにより、雰囲気の電離度は充分に高
められており、メインアーク電源印加時のアークの移行
は容易に行われ安定着火が可能となる。

【００３５】

【発明の効果】

（１） ノズル・陰極間に発生させているパイロットア
ークと陽極である加熱対象物の接触状態を、パイロット
アークの発生回路の回路定数の変化量として検出するこ
とができるため、作動ガスの供給状態により変動するパ
イロットアークの形成状態や加熱容器に使用される耐火
物の損耗状態による湯面位置のばらつきなどの影響を受
けることなく、着火に適正なトーチの位置を設定するこ
とができ、安定な着火を可能とすることができる。

【００３６】（２） ノズル・陰極間に発生させている
パイロットアークと陽極である加熱対象物の接触状態
を、パイロットアークの発生回路の回路定数の変化から
把握し、この信号を用いてパイロットアークと加熱対象
物の接触状態をある適正な状態に所定の時間、維持する
ようにトーチの位置制御を行うことにより、パイロット
アークにて加熱対象物表層部の予備加熱を行うことを可
能とし、雰囲気の電離度を高るとともに加熱対象物表面
に浮遊する不純物の溶融を行い、この後のメインアーク
への移行を確実なものとすることができる。

【００３７】（３） ノズル・陰極間に発生させている
パイロットアーク回路の特性値の変化から検知されるト
ーチ着火位置を基準にトーチ昇降装置を用いてその上下
のある範囲を設定されたパターンでトーチを上下させる
ことにより、メインアークへの移行を行うにあたっての
雰囲気条件の電離度を充分に高めることができる。

【００３８】（４） 従来、加熱容器全体の重量などか
ら溶湯湯面の位置を算定し、この算定された湯面高さか
らトーチの着火高さ決める方法が行われているが、本発
明によれば、パイロットアークを発生させたトーチを湯
面に接近させていく過程でパイロットアークと湯面との
接触が検知されるため、加熱容器全体の重量計測装置を
不要とすることができる。

【００３９】（５） ノズル・陰極間に発生させている
パイロットアーク回路の回路定数の変化を検出し、この
検出信号に対する判定レベルを適正着火レベルと異常接
近レベルの２水準を設けることにより、着火制御のほか
にトーチと溶湯の異常接近を検知し、従来問題となって
いたトーチの溶湯への浸潰等を防止することも可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の移行型プラズマ加熱装置における着
火制御装置の概念図である。

【図２】 本発明の移行型プラズマ加熱装置における着
火制御装置の制御内容の詳細を示すタイムチャートであ
る。

【図３】 従来の移行型プラズマ加熱装置における着火
制御装置の概念図である。

【図４】 従来の移行型プラズマ加熱装置における着火
制御装置の制御内容の詳細を示すタイムチャートであ
る。

【符号の説明】

１ 陰極 ２ ノズル ３ 陽極 ４ａ 上蓋 ４ｂ 加熱容器 ５ 加熱対象物 ６ａ トーチ昇降装置 ６ｂ トーチ昇降制御装置 ７ａ パイロットアーク着火用高周波電源 ７ｂ パイロットアーク着火用スイッチ ８ａ パイロットアーク用直流電源 ８ｂ パイロットアーク用スイッチ ８ｃ 回路特性判定用スイッチ ９ａ メインアーク電源 ９ｂ メインアーク用スイッチ １０ パイロットアーク １１ 作動ガス １２ メインアーク １３ 主電流検出器 １４ａ パイロットアーク回路電圧検出器 １４ｂ パイロットアーク回路電流検出器 １４ｃ インピーダンス判定回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ２７Ｂ 3/20 Ｆ２７Ｂ 3/20 Ｆ２７Ｄ 11/08 Ｆ２７Ｄ 11/08 Ｅ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移行型トーチを用いたプラズマ加熱装置
   であって、陰極と、ノズル間にパイロットアークを発生
   させるパイロットアーク回路と、陰極と、加熱対象物に
   接触されている陽極間にメインアークを発生させるメイ
   ンアーク回路を有するプラズマ加熱装置において、パイ
   ロットアーク回路の＋極であるノズルと、メインアーク
   回路の＋極である陽極をスイッチを介して連結する回路
   を形成するとともに、パイロットアーク回路中に、陰極
   ・ノズル間の電圧と電流を検出する検出器を設け、検出
   器からの検出信号を基に回路中のインピーダンスの変化
   を把握し判定するインピーダンス判定回路を形成し、イ
   ンピーダンス判定回路の判定結果によりトーチ昇降制御
   装置を作動させてトーチの着火位置を適正に制御するよ
   うに構成したことを特徴とする移行型プラズマ加熱装置
   におけるトーチ着火制御装置。
2. 【請求項２】 移行型トーチを用いたプラズマ加熱装置
   であって、陰極と、ノズル間にパイロットアークを発生
   させるパイロットアーク回路と、陰極と、加熱対象物に
   接触されている陽極間にメインアークを発生させるメイ
   ンアーク回路を有するプラズマ加熱装置において、パイ
   ロットアーク回路の＋極であるノズルと、メインアーク
   回路の＋極である陽極をスイッチを介して連結する回路
   を形成するとともに、メインアーク回路中に、メインア
   ークヘ移行するまでの電流を検出する検出器を設け、検
   出器の検出信号に基づきトーチ昇降制御装置を作動させ
   てトーチの着火位置を適正に制御するように構成したこ
   とを特徴とする移行型プラズマ加熱装置におけるトーチ
   着火制御装置。