JPH01500152A - 誘導プラズマ炉 - Google Patents
誘導プラズマ炉Info
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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】
誘導プラズマ炉
技術分野
本発明は、電気工学に関し、電気加熱装置、特に誘導プラズマ炉に関する。
背景技術
種々の溶解炉の生産量および製造される金属もしくは合金の品質は、溶解るつぼ
内での溶湯の運動の性質および強度に依存する。
芸人材料の溶は落ち、溶湯全体の再加熱、溶湯全体の温度の均一化、溶湯組成の
均一化のような金属もしくは合金の溶解過程の各段階、および溶湯自体、溶湯/
スラグ界面、および雰囲気/溶湯界面での拡散過程は、積極的な撹拌によって促
進され、その結果として全過程を通しての生産量が実質的に増加する。
従来技術において広く知られている誘導溶解炉では、誘導ヒーターの内側に、内
側に耐火ライニングを施された溶解るつぼが収容されている。この炉では、るつ
ぼ内でバッチすなわち芸人材料、溶湯、あるいは装入材料−溶湯混合物へ非接触
でエネルギーが伝達される。芸人材料は、誘導ヒーターの電磁場によって撹拌さ
れる。
商用周波数(50〜60Hz)を使う誘導溶解炉では、溶湯の運動が高速なので
、固体の芸人材料の溶は落ちおよび溶湯の均質化が効果的に行なわれる。しかし
、このことによって、るつぼライニングが異常に損耗しかつ溶湯の酸化が著しい
ため、金属が種々の不純物によって汚染される。更に、るつぼからの金属の噴出
が起き得る。したがって、このような炉の入力電力は300〜400 kw/
tの範囲に限定される。
高い周波数(150〜10.0OOHz)を使う炉は、入力電力を高めることは
できるが、溶湯の運動速度がかなり遅い。
知られているように、誘導溶解炉における自然循環は、単相電源に接続された炉
の誘導ヒーターによって、るつぼの上部および下部の鉛直面内の2つの径路に沿
って行なわれ、溶湯はこれら両径路内でそれぞれ別個に循環し、若干混合する。
誘導炉内でこのような循環が起るため、溶湯のメニスカス面は凸状になり、その
ため、多量のスラグが必要になると共にスラグがるつぼ壁に向かって下降してる
つぼライニングを破壊し、金属の汚染を増加させる。
更に、スラグの加熱は溶湯からの熱伝達によって行なわれるので、スラグ量が増
加するとスラグの精錬能力は低下する。
溶湯の電気力学的な撹拌を向上させるために、移動電磁場によって芸人材料を単
一の径路で循環させてるつぼ高さ全体に亘って芸人材料の撹拌とメニスカスの低
下とを行なう装置が、誘導溶解炉に設けられている(A、E、5lukhots
ky 、 V、S。
Nen+kov、N、八、Pavlov、A、V、Bamune、Ustano
vka induktisonnog。
nagreva、 Energoisdat、 Leningradskoe
otdelenie+ 1981+246−247)。
芸人材料の加熱と撹拌とは同時または交互に行なうことができる。加熱と撹拌を
同時に行なう場合には、別個の誘導ヒーターを用いて、一方のヒーターによって
単相で加熱しながらもう一方のヒーターによって三相で撹拌する。これらのヒー
ターには、一方の高周波電源を他方の高周波の干渉から保護する電気的なフィル
ターが設けられている。加熱と撹拌を交互に行なう場合には、交互に別々の電源
に接続された分割型誘導ヒーターが炉に設けられている。しかし、誘導溶解炉の
電源回路をかなり複雑にしても、循環の態様は2通りしかない。すなわち、誘導
ヒーターを単相電源に接続したときは2径路の循環となり、誘導ヒーターを三相
電源に接続したときは単一径路の循環となる。
誘導ヒーターの内側に溶解るつぼと電気回路が溶湯を通って完結する電気アーク
プラズマ発生装置とを収容した誘導プラズマ炉が公知である。この炉は誘導溶解
炉に比較して金属もしくは合金の溶解過程の生産量がたとえば2倍に増加するが
、そのために芸人材料を局部と全体の両方で加熱している。
電気アークプラズマ発生装置のプラズマアークによってスラグを加熱するので、
溶湯の精錬が強力に行なわれて非金属介在物と有害混入物が排除されるため、高
い品質の金属もしくは合金が製造される。
プラズマ発生装置の使用によって、不活性および活性なプラズマ形成ガスの両方
で溶湯を処理することができる。したがって、誘導プラズマ炉における装入物の
撹拌方法の構成は、炉の生産量の増加と製造される金属もしくは合金の品質向上
のために特に重要である。
もう一つの公知の誘導プラズマ炉は、円筒状側壁を有する溶解るつぼを内側に収
容した誘導ヒーターと、電気回路がるつぼ内の溶湯を通って完結する電気アーク
プラズマ発生装置とを具備する(S、Asada、 Dvukhtonnaya
plazmennoinduksion−naya pech na zav
ode g、 5hibukava、 ”Denki 5eiko″t、 47
゜NT、 1976、 p、p、 60〜63)。るつぼの内面は、電気絶縁材
料で作られており、更に詳しくはマグネサイト・ライニングを施されており、そ
れによってプラズマ発生装置の回路を誘導ヒーターの回路から電気的に絶縁して
いる。
るつぼの底部には、プラズマ発生装置の回路を完結させるための底部電極が設け
られている。誘導ヒーターは出力周波数150にの単相電源に接続されている。
溶湯をるつぼ全体に亘って撹拌するために、3つの誘導ヒーターを有する三相電
磁装置が設けられており、各誘導ヒーターは周波数60Hzの三相電源の各相に
接続されている。三相電磁装置によって、溶湯の循環を2径路から単一径路へお
よびその逆に変換することができる。単一径路の循環の方向は、電源回路内で適
当な切り換えを行なうことによって直ちに変えることができる。
このような誘導プラズマ炉は炉の構造が複雑であり、全体として大型になり、コ
スト的にも高く、かつ芸人材料の溶解期間に消費される最大出力が小さい。
このような溶湯撹拌方式は、溶湯の循環を金属もしくは合金の溶解における他の
過程段階に適合させることができない。
たとえば、スラグの除去および形成については、特にスラグを複数回形成する場
合には、金属上部の溶湯の運動を噴出口の方へ向ける必要がある。更に、このよ
うな炉では循環の特性と強度を、たとえば水平面から鉛直面へ変えることができ
ない。
発明の開示
本発明の基本的な課題は、溶解過程の段階に応じて予め設定された溶湯循環の特
性を提供することによって誘導プラズマ炉の生産量を増加させるようなるつぼ構
造およびるつぼとプラズマ発生装置との接続を有する誘導プラズマ炉を提供する
ことである。
この課題は、本発明にしたがえば、円筒状の側壁を有する溶解るつぼを収容した
誘導ヒーターと、該るつぼに収容された溶湯を通って電気回路が完結する電気ア
ークプラズマ発生装置とを含んで成る誘導プラズマ炉において、該るつぼの側壁
が鉛直配設された導電性材料の部分要素によって形成されており、該部分要素は
相互に電気的に絶縁されており、該部分要素の少なくとも1つは、該プラズマ発
生装置のアークの電流の方向が該るつぼの該部分要素の電流の方向と同方向また
は逆方向となるように、該プラズマ発生装置の電気回路と直列に接続されている
ことを特徴とする誘導プラズマ炉によって達成される。
このような誘導プラズマ炉のるつぼ構造によれば、誘導ヒーターの電流と溶解る
つぼ部分要素の電流とによって形成された磁界と溶湯中の諸電流との電磁的な相
互作用によって、金属もしくは合金の溶解過程の必要な段階に応じて、予め設定
された溶湯循環を行なうことができる。した゛がって、開示したるつぼ構造によ
れば、炉の構造を複雑にすることなく、金属もしくは合金の溶解過程の段階に応
じて、誘導プラズマ炉において必要な特性の溶湯循環を行なうことができる。
図面の簡単な説明
以下に、本発明を添付図面と関係づけて特定の実施態様を参照して説明する。
第1図は、プラズマ発生装置のアークの電流の方向とるつぼ部分要素の電流の方
向とが同方向となるようにるつぼ部分要素の1つがプラズマ発生装置の電気回路
内に接続されている本発明に従った誘導プラズマ炉を模式的に示す縦断面図、第
2図は、本発明に従った第1図の線n−nに沿った断面図、
第3図は、プラズマ発生装置のアークの電流の方向とるつぼ部分要素の電流の方
向とが逆方向となるようにるつぼ部分要素の1つがプラズマ発生装置の電気回路
内に接続されている本発明に従った誘導プラズマ炉を模式的に示す縦断面図、第
4図は、プラズマ発生装置のアークの電流の方向とるつぼ部分要素の電流の方向
とが逆方向となるようにるつぼ部分要素の6つがプラズマ発生装置の電気回路内
に接続されている本発明に従った誘導プラズマ炉を模式的に示す縦断面図、第5
図は、本発明に従った第4図の線V−Vに沿った断面図、
第6図は、プラズマ発生装置のアークの電流の方向とるつぼ部分要素の電流の方
向とが同方向となるようにるつぼ部分要素の全部がプラズマ発生装置の電気回路
内に接続されている本発明に従った誘導プラズマ炉を模式的に示す縦断面図、第
7図は、本発明に従った第1図の誘導プラズマ炉の横断面において、発生する電
磁場の側で溶湯に働(力の作用とそれによる溶湯循環の特性を示す模式図、第8
図(a 、 b)は、本発明に従った第3図の誘導プラズマ炉の縦断面において
、それぞれプラズマ発生装置の電気回路に接続されたるつぼ部分要素の側とそれ
以外のるつぼ部分要素の側とで、溶湯に働く電磁気的な力の作用を示す模式図、
第9図は、本発明に従った第3図の誘導プラズマ炉の縦断面において、溶湯循環
の特性を示す模式図、第10図(a 、 b)は、本発明に従った第4図の誘導
プラズマ炉の縦断面において、発生した電磁場によって溶湯に働く力の作用を示
す模式図、
第11図は、本発明に従った第4図の誘導プラズマ炉の縦断面において、溶湯循
環の特性を示す模式図、第12図(a 、 b)は、本発明に従った第6図の誘
導プラズマ炉の縦断面において、発生した電磁場によって溶湯に働く力の作用を
示す模式図、および
第13図は、本発明に従った第6図の誘導プラズマ炉の縦断面において、溶湯循
環の特性を示す模式図である。
発明を実施するための最良の形態
第1図において、誘導プラズマ炉は、内側に溶解るつぼ2を収容したta”l−
ヒーター1を含む。誘導ヒーター1は、公知の誘導プラズマ炉と同様に、るつぼ
2を囲んでらせん状の線に沿って配設された円形断面もしくは特別な断面形状の
管の形で作られている。溶解るつぼ2は円筒形であり、その側壁は、導電性材料
たとえばサーメフトで作られ鉛直に配設された部分要素3 (第1図および第2
図)によって形成されている。第1図および第2図に示した誘導プラズマ炉の実
施態様においては5つの部分要素3が示されている。これらの部分要素30個数
および材質は溶解るつぼ2の全体的な寸法によって異なる。部分要素の個数は、
誘導プラズマ炉のエネルギー特性たとえば効率、出力等を最適にするために、5
〜35個の範囲で選択することが望ましい。
部分要素3は他の導電性材料たとえばグラファイトや金属で作られていてもよい
。部分要素3はマグネサイト製の電気絶縁N6によって互に電気的に絶縁されて
おり、電気絶縁層6は、各部分要素3同士の間に配設されておりかつるつぼ2の
内側に向いた部分要素3の表面、底部、および部分要素3の端面にも配設されて
いる。N6の厚さは電気的絶縁を行なうための材料および方法に依存する。たと
えば、A140sで電気的絶縁を行なう場合には吹き付は法でA1□03層を形
成することができる。
この誘導プラズマ炉は直流で作動する電気アークプラズマ発生装置7(第1図)
をも含む。プラズマ発生装置7はるつぼ2のカバー8に配設されており、プラズ
マアーク10によって装入材料9を加熱し溶解するために用いられる。カバー8
の内面はライニング層11で被覆されている。この例では、るつぼ2(第1図)
の部分12(第2図)はるつぼ2の部分要素30近くにあり、弓形をしており、
電気的絶縁は施されに電流が供給され、溶湯4を通ってプラズマ発生装置70回
路が完結する。
本発明の上記実施態様においては、るつぼ2の部分要素3のうち、底部5(第1
図)の部分12 (第2図)に隣接した1つがプラズマ発生装置7の電気回路中
に接続されている。
プラズマ発生袋W7のアーク10を流れる電流の方向は部分要素3を流れる電流
の方向と同方向である(第1図において電流の方向を矢印で示した)。プラズマ
発生装置7の電流供給端子13 、14は電源、すなわち上記例では直流電源に
接続される。
電源として交流電源を用いてもよい、直流プラズマ発生装置を用いる場合には、
整流器を介して交流電源に接続しなくてはならない。交流プラズマ発生装置は交
流電源からのみ電力供給を受ける。必要な場合には、誘導ヒーターの電源を交流
電源として用いてもよい。
上記端子の一方たとえば13はるつぼ2の底部に接続され、もう一方の端子14
は部分要素3の頂部に配設された電流リード部15に接続され、部分要素3の底
部に配設されたもう一方の電流リード部16はプラズマ発生装置7に接続されて
いる。
第3図に示した誘導プラズマ炉の実施態様においては、部分要素3は、部分要素
3を流れる電流の方向とアーク10を流れる電流の方向が逆方向となるように、
プラズマ発生装置7の回路中に接続されている。この場合には、電流リード部1
5は端子13に、プラズマ発生装置7は端子14にそれぞれ接続されている。る
つぼ2の底部は電気的絶縁性の層6で完全に覆れており、プラズマ発生装置7の
回路中に接続された部分要素3の内面の部分17は電気的絶縁が施されておらず
、溶湯4へ電流を伝達する。
第4図に示した誘導プラズマ炉においては、溶解るつぼ18が公知方法で作られ
た誘導ヒーター19に囲まれており、分割型冷却るつぼを有する公知の誘導炉と
同様に作られた12個の部分要素20(第5図)を含んで成る。部分要素20の
各々は金属たとえば銅で作られており、冷却媒体として用い得る水、ガス、また
は低温液体の循環通路21を有する。
部分要素20は、るつぼ18の内側に向いた表面および互に向き合った表面のそ
れぞれに吹き付けられた電気絶縁性材料たとえばAha、の層22 、23によ
って、相互に電気的に絶縁されている。るつぼ18の内側に向いた部分要素20
0表面を、たとえばマグネサイトまたはアランダムの電気絶縁層で付加的に被覆
してもよい。
るつぼ18のカバー24はカバー8と同様に作られている。
湯4の循環の特性を変えるために、るつぼ18(第4図)の6個の部分要素20
(第5図)は並列接続され、他の部分要素のそれぞれを介してプラズマ発生装置
7の回路に直列に接続されており、プラズマ発生装置7のアーク10を流れる電
流の方向と上記部分要素20を流れる電流の方向とが逆方向になるようにしであ
る。これらの部分要素20の頂部に配設された電流リード部25は相互に接続さ
れかつ端子13に接続されており、部分要素20の各々の底部は電流リード部2
6を介して底部27に接続されている。底部27には冷却媒体の循環のための通
路28が設けられており、るつぼ18の内側に向いた底部27の表面には電気的
絶縁性の層29が設けられている。
溶湯4に電流を供給するために、リング状でかつ部分要素20を結合している底
部27の部分30(第5図)には電気的な絶縁は施されていない。
第6図に示した誘導プラズマ炉は第4.5図に示したものと類似しているが、る
つぼ18の部分要素20の全部がプラズマ発生装置7の回路中に接続されており
、アーク10の電流と部分要素20の電流が同方向に流れるようにしである。
そのために、部分要素20の頂部に配設された電流リード部31は端子14に接
続され、部分要素20の底部に配設された電流リード部32はプラズマ発生装置
7に接続されている。
底部27は電気的絶縁を全く施されておらず、端子13に接続されている。
第7.8a、b、10a、b、12a、b図において、電磁場によって溶湯4に
働く力の作用Fを矢印で示した。第1,2゜3.4,5.6図の誘導プラズマ炉
内の溶湯の循環特性を、第7.9,11.13図において閉塞線rlJで示した
。
誘導プラズマ炉は次のように作動する。
るつぼ2に固体芸人材料9(第1図)を装入し、カバー8を閉じ、プラズマ発生
装置7をアーク10の点火の態勢にする。次に誘導ヒーター1およびプラズマ発
生装置7に電圧を引加し、アーク10を開始する。
プラズマ発生装置7のアーク10および誘導ヒーター1の電磁場の作用下で芸人
材料の溶解過程が開始する。アーク10は芸人材料の層を急速に溶解し、溶湯4
の表面とプラズマ発生装置7との間で形成され、更にその熱を周囲の芸人材料に
付与する。芸人材料の溶解が進んで溶湯4の量が増加するに伴って、アーク10
の長さが減少してアーク10から溶湯4への熱伝達の条件が悪化する。それと同
時に、誘導ヒーター1から溶湯4へのエネルギーの導入の条件は向上する。
芸人材料9の最終的な溶解および溶湯4の再加熱の過程段階ではエネルギーの主
要部分は誘導ヒーター1から導入されるので、溶@4の循環は自然な2径路特性
であり、この特性は熱−質量交換に対して望ましい効果を有する。その後で、有
害な混入物を除去するために、スラグの一部を予め設定した手順でカバー8の特
別な穴(図示せず)を通してるっぽ2の中の再加熱された溶湯4の表面に供給す
る。
スラグを溶湯4の表面全体に均一に分布させかつ均一に加熱するために、溶湯4
の循環の特性を第7図の閉塞線「2」のようにする必要がある。そのために、誘
導ヒーター1に引加される電圧を徐々に減少させるかまたは端子13 、14に
引加される電圧を徐々に増加させることによって、前者の場合には誘導ヒーター
lの電流を減少させ後者の場合にはプラズマ発生装置7の回路の電流を増加させ
る。
電流の方向を部分要素3とアーク10(結局溶湯4)とで同一にすることによっ
て、プラズマ発生装置7の回路中に接続された部分要素3の側で溶湯4(第1図
)に働く力の作用F(第7図)を減少させると、溶湯4はるつぼ2の全体に亘っ
て水平面内で循環する。循環の特性をこのようにすると、溶湯4の表面にはメニ
スカスが出現せず、スラグはプラズマ発生装置7のアーク10の下で妨害なしに
配送され、スラグの溶は落ちおよび加熱が促進されるので、炉の生産量が増加し
かつるつぼ2の全体で溶湯4の均質性が向上する。このようなるつぼ構造の実施
態様によれば、誘導ヒーター1の電流またはプラズマ発生装置7のアーク10の
電流を徐々に変化させることによって、溶湯運動の特性を鉛直面内の循環から水
平面内の循環へ円滑に変えることができる。
高純度の金属もしくは合金の溶解過程ではスラグの形成と除去を複数回行なう。
第3図に示した誘導プラズマ炉を用いることによって、るつぼ2からのスラグ除
去の過程を促進することができる。閉塞線「E」 (第9図)で示した溶湯の循
環の特性によって、るつぼ2の全高に亘る溶湯4(第3図)の撹拌ができる。プ
ラズマ発生装置7の回路中に接続された部分要素3の頂部の側で、電気的な絶縁
性の層6で被覆された部分要素では、溶湯4(第3図)に働く力の作用F、(第
8図a)は、電流の方向が部分要素3とアーク10とで逆方向であるため、部分
要素3(第3図)の残部の側での力の作用F2 (第8図b)よりも大きい。
スラグを除去する場所の近くにスラグを集積できる循環特性を予め設定するには
、誘導ヒーター1の電流とプラズマ発生装置7の回路の電流を徐々に変化させて
F、とT2の関係を変える。
一般的に、高融点の金属もしくは合金、たとえばタングステンの溶解は、冷却さ
れたるつぼ18(第4.5図)を有する誘導プラズマ炉で行なわれる。誘導ヒー
ター19およびプラズマ発生装置7に電圧を印加する前に、部分要素20の通路
21および底部27の通路28に冷却媒体を配送すべきであり、溶解過程全体を
通して冷却媒体の循環を維持すべきである。誘導ヒーター19およびプラズマ発
生装置7に電圧を印加した後に、アーク1.0が点火される。この場合、プラズ
マ発生装置7の回路中に接続された部分要素20を流れる電流の方向は、プラズ
マ発生装置7のアーク10を流れる電流の方向と逆方向である。溶湯4の量が増
加するに伴って、誘導ヒーター19の電磁場の作用下で溶湯4が強力に撹拌され
て溶湯4の表面は凸形を呈する。この場合、溶湯4を流れるアーク10の電流は
、プラズマ発生装置の回路中に接続された、電気的に絶縁された部分要素20の
近くでは溶湯4の表面に沿って流れる傾向がある。
したがって、部分要素20の電磁場の力の作用の成分として、るつぼ18の底部
27に向う下向きの成分であってアーク10および溶湯4を流れる電流に作用す
る成分が溶湯4の頂部に生ずる。この操作に伴って、部分要素20の電流によっ
て形成された電磁場と溶湯4を流れる電流との間の同様な協同作用による成分が
生ずる。この成分は、溶湯4の周縁部から中心部に向かっており、それによって
溶湯4をるつぼ18の部分要素20から遠ざける力を増加させる。第一に、この
ことによって熱損失が低減し、部分要素20の電気絶縁層を破壊から保護し、第
二に、このことは溶湯の柱状体としての高さを増加させるので溶湯4と芸人材料
との接触帯域が拡大して溶湯4による芸人材料の吸収および溶解の効果が向上す
る。その結果化じて溶湯4(第4図)に働く力の作用T(第10a 、 b図)
によって、単一径路特性「l」 (第11図)の循環が溶湯4(第4図)を溶湯
4の吸収した芸人材料と一緒にアーク10の直下の軸に沿って上向きに運ぶため
、芸人材料の溶は落ち時間が短縮しかつるつぼ18の全高に亘る撹拌によってこ
の期間の終りまでに溶湯4の均質性が向上する。
第6図に示した誘導プラズマ炉によれば、最終的な溶解および溶湯の再加熱の期
間において、プラズマ発生装置7のアーク10の電流の方向と同方向の電流が流
れるるつぼ18の部分要素20をプラズマ発生装置7の回路中に接続することに
よって、溶湯4(第6図)に働く誘導ヒーター19の電磁場の力の作用T(第1
2a 、 b図)を減少させて、誘導ヒーター19から導入される電力を増加さ
せることができる。T(第12a 、 b図)の作用下の循環特性「!」(第1
3図)は、誘導ヒーター19の電磁場の作用下の循環特性と類似しており、ただ
溶湯4の循環速度だけが異なる。この期間に誘導ヒーター19によって溶湯4に
導入される電力を増加させることによって炉の生産量が大幅に向上する。
産業上の利用可能性
本発明の誘導プラズマ炉は、冶金技術において、種々の、望ましくは高温の、金
属もしくは合金、たとえばタングステンを多量に用いて、行なうために用いるこ
とができる。
認り
国際調査報告
III+−内家噂−IA帥i凄1^−PCT/SU 86100070
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 円筒状の側壁を有する溶解るつぼ(2,18)を収容した誘導ヒーター(1,1 9)と、該るつぼ(2,18)に収容された溶湯(4)を通って電気回路が完結 する電気アークプラズマ発生装置(7)とを含んで成る誘導プラズマ炉において 、該るつぼ(2,18)の側壁が鉛直配設された導電性材料の部分要素(3,2 0)によって形成されており、該部分要素は相互に電気的に絶縁されており、該 部分要素の少なくとも1つは、該プラズマ発生装置(7)のアーク(10)の電 流の方向が該るつぼ(2,18)の該部分要素(3,20)の電流の方向と同方 向または逆方向となるように、該プラズマ発生装置(7)の電気回路と直列に接 続されていることを特徴とする誘導プラズマ炉。
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