JPH01500384A - 誘導プラズマ装置 - 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】 誘導プラズマ装置 技術分野 本発明は、電気溶解装置、更に詳しくは誘導プラズマ装置に関する。

背景技術 現在、製造された金属の品質に対して、更に溶解を行なう装置に対して厳格な要 請がある。

誘導溶解装置は鋳物産業や冶金産業における用途が拡大しつつある。しかし、上 記装置における活性の高い冶金過程の実行の可能性は、形成されるスラグの温度 が低いことによって制約を受けている（スラグ温度が溶湯温度より高くなること ができないので金属／スラグ界面での物理化学的過程の強度が低下する）。複合 合金化（多成分）＠および合金の溶解には、被覆性（保護性）のあるフラフクス を用いる必要がある。誘導装置の出力は、望ましくない電気力学的現象のため、 すなわちメニスカスが高くかつ溶湯の循環が高速であるため、特定の定格出力の 許容値によって制限される。

上記の欠点は、２通りの加熱方法、すなわち誘導加熱とプラズマ加熱を併用する 誘導プラズマ装置においては解消される。誘導プラズマ装置は、加熱時間を大幅 に削減して金属トン当りの製造に要する電気エネルギーを低減させること、ガス 含有量、非金属介在物、および有害不純物を減少させて金属製造物の品質を本質 的に向上させること、豊富なスラグによって金属の活性な処理を行なうこと、石 炭を用いない冶金法による純金属の製造のための基本的材料として使用できる原 鉱石−燃料ベレットの再溶解および還元のために望ましい状態を提供すること、 特定の定格出力の増加に対する制約を除去して誘導溶解装置の出力を高めること ができる。

綱の溶解に用いられる１つの公知の誘導プラズマ装置は、誘導加熱体を有するる つぼ、上記鋼に電流を導く底部電極、プラズマ発生装置、それぞれ誘導加熱体お よびプラズマ発生装置の個別に制御された２つの電力供給源を含んで成る。この ような装置は、たとえば論文集”　Ａｄｖａｎｃｅｄ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ　 ｏｆＭｅｌｔｉｎｇ　ｆｏｒ　５ｎａｐｅｄ　Ｃａｓｔｉｎｇｓ’、　Ｋｉｅｖ ＋　１９７８．ｐｐ５　１３に記載されている。

この装置は、別個の２つ電力供給源を用いるため、装置が大型化して広い工場面 積を占有し、装置コストが高くがっ保守が複雑である。更に、溶解過程での電力 利用率が比較的低いので装置全体での電力消費が大きい。

上記の欠点は、１つの（共通の）電力供給源から誘導加熱体とプラズマ発生装置 に電力を供給する誘導プラズマ装置においては解消される。

更に、１つの公知の誘導プラズマ装置（ソビエト連邦発明者証第４６２３２０号 、“発見、発明、意匠、および商標”、隘８゜１９７５）は、キャパシター・バ ンクと交流電源とに接続された、装入物を溶解するための容器、および誘導発熱 体と電気的に連携し、これと特定の直列接続をした少なくとも１つのプラズマ発 生装置を含んで成る。

しかし、このような装置においては、装入物の溶解状態によってプラズマ・アー クの消火やプラズマ発生装置の除勢が不意に発生した場合に、誘導加熱体の電気 回路が破壊されて誘導加熱体が電力供給源から突発的に切り離される結果、キャ ハシター°バンクに過剰電圧がかかってキャパシター・バンクが破損する。

更に、誘導加熱体およびプラズマ発生装置の作動のＢ様を別個に制御できないの で、この装置で溶解装入物のパラメータが突発的に変化したときに、誘導加熱体 とプラズマ発生装置とに電力を再配分することができない。

以上説明した装置においては、プラズマ発生装置は交流でのみ作動し得る。この ことは溶解の最終段階および溶湯の精錬過程で好都合である。同時に、溶解され つつある装入物中の井戸状部分（ウェル、”ｗｅｌｌ”）を急速に溶解するため には、プラズマ発生装置を直流で作動させた方がエネルギー消費の観点から有利 である。更に、この装置では、プラズマ発生装置と誘導加熱体とが同じ１つの電 流を使用しているので、前者の作動態様は後者の作動Ｂ様と厳格に連携している 。プラズマ発生装置に負荷されてその作動態様を決定している電圧は、交流電源 の電圧の変化および誘導加熱体に負荷された電圧に等しく、且つ常にこの値を超 えることはできない。しがし、場合によっては（たとえば主アークを開始する態 様においては）、この電圧を増加させる必要が生じ、また、プラズマ発生装置を 別個に作動させる必要も生ずる（たとえば、誘導加熱体が除勢されるとき）。

発明の開示 本発明の目的は、プラズマ・アークの消火時に誘導加熱体が交流電源から突発的 に切り離されることがなく、溶解過程で誘導加熱体およびプラズマ発生装置への 電力の配分を再設定できる誘導プラズマ装置を提供することである。

この目的は、本発明によれば、キャパシター・バンクと交流電源とに接続された 誘導加熱体の中に設けられた、装入物を溶解する容器、および該誘導加熱体に電 気的に接続された少なくとも１つのプラズマ発生装置を含んで成る誘導プラズマ 装置において、該プラズマ発生装置が該誘導加熱体の巻線の一部分と並列に接続 されていることを特徴とする誘導プラズマ装置によって達成される。

誘導プラズマ装置は、２つ以上のプラズマ発生装置を含んで成る１群のプラズマ 発生装置を含み、この１群のプラズマ発生装置が該誘導加熱体の巻線の該一部分 と並列に接続されていることが望ましい。

誘導プラズマ装置は、該誘導加熱体の巻線の該一部分と１つのプラズマ発生装置 もしくは１群のプラズマ発生装置とに直列に接続されたスイッチング要素を含ん で成ることが望ましい。

誘導プラズマ装置は、１つのプラズマ発注装置もしくは１群のプラズマ発生装置 を流れる交流電流の整流装置を含んで成り、該整流装置の入力が該誘導加熱体の 巻線の該一部分と電気的に連携し、該装置の出力が１つのプラズマ発生装置もし くは１群のプラズマ発生装置と結合されて、１つのプラズマ発生装置もしくは１ 群のプラズマ発生装置の直流回路を形成することが望ましい。

誘導プラズマ装置は、該誘導加熱体の巻線の該一部分と、１つのプラズマ発生装 置もしくは１群のプラズマ発生装置と、および交流電流の該整流装置と電気的に 連携した付加的スイッチング要素を含んで成り、該付加的スイッチング要素は、 １つのプラズマ発生装置もしくは１群のプラズマ発生装置を、装入物溶解過程中 は交流電流の該整流装置の出力に接続し、再加熱過程および／または溶湯の精錬 過程中は該誘導加熱体の巻線の該一部分に接続することが望ましい。

誘導プラズマ装置は、１つのプラズマ発生装置もしくは１群のプラズマ発生装置 の回路中に交流電流の該整流装置と直列に接続された直流電源を含んで成ること が有利である。

本発明の誘導プラズマ装置は、１つのプラズマ発生装置もしくは１群のプラズマ 発生装置を誘導加熱体の巻線の一部分と並列に接続することによって、プラズマ アークの消火時に誘導加熱体が交流電源から突発的に切り離されることがない。

誘導加熱体の巻線の一部分とかつ１つのプラズマ発生装置もしくは１群のプラズ マ発生装置と直列に接続されたスイッチング要素が存在するので、誘導加熱体お よびプラズマ発生装置への電力の配分を（たとえば、溶解した金属の性質、溶解 状態に応じて）再設定することができるため、加熱時間が短縮し、電気エネルギ ーの所要量が低減、され、どのような入力電力でも溶湯に必要な電磁撹拌状態を 達成でき、それによって種々の性質の合金を得ることができる。

更に、誘導プラズマ装置において、１つのプラズマ発生装置もしくは１群のプラ ズマ発生装置を交流または直流で適宜作動させることができる。これを可能とす るために、誘導プラズマ装置は、誘導加熱体とかつ１つのプラズマ発生装置もし くは１群のプラズマ発生装置と直接または付加的スイッチング要素を介して間接 に接続された整流装置を含んで成る。

装入物の溶解過程でプラズマ発生装置を交流電流の整流装置の出力に接続するこ とによって、装入物の第１部分を急速に溶解して「ウェル」　（アークが装入物 に囲まれている状態）を形成し、その結果アークのエネルギーが効果的に（高い 効率で）装入物に伝達され、溶解過程が加速され、望ましくない熱損失、最終的 には電気エネルギーの消費量が低減される。

溶湯の再加熱および精錬の過程で１つのプラズマ発生装置もしくは１群のプラズ マ発生装置を誘導加熱体の巻線の一部分に接続することによって、金属後部や溶 融金属表面上に形成されたスラグをより均一に加熱することができ、金属の局部 的な過剰加熱および合金元素の溶解損失を低減できる。プラズマ発生装置の回路 中に直流電源が接続されているので、誘導加熱体と１つのプラズマ発生装置もし くは１群のプラズマ発生装置のパラメーターの適合度が向上する結果、誘導プラ ズマ装置の出力が高まる。更に、プラズマ発生装置を、たとえば除勢された誘導 加熱体とは別個に（誘導加熱体とは独立に）作動させることができる。

図面の簡単な説明 以下に、本発明をその特定の実施Ｂ様を参照し、添付図面と関連させて更に詳し く説明する。

第１図は、本発明に従った誘導プラズマ装置（誘導加熱体および溶解用容器の長 手方向断面）の機能図、第２図は、２つのプラズマ発生装置とスイッチング要素 とを有する第１図と同一の本発明に従った誘導プラズマ装置の機能図、 第３図は、プラズマ発生装置を流れる交流電流の整流装置を有する第１図と同一 の本発明に従った誘導プラズマ装置の機能図、 第４図は、付加的なスイッチング要素を有する第３図と同一の本発明に従った誘 導プラズマ装置の機能図、および第５図は、プラズマ発生装置の回路中に接続さ れた直流電源を有する第３図と同一の本発明に従った誘導プラズマ装置の機能図 である。

発明を実施するための最良の形態 第１図で１．誘導プラズマ装置は、キャパシター・バンク３と交流電源４とに接 続された誘導加熱体２の中に設けられた装入物溶解用の容器１を含む。位置設定 機構（図示せず）によって鉛直移動できる少なくとも１つのプラズマ発生装置が 、容器１を閉じるカバー５の中に配設されている。本実施態様においては、この プラズマ発生装置として、電気アークプラズマ発生装置６が誘導加熱体２の一部 分７と並列に接続されている。一般的には、１つのプラズマ発生装置もしくは１ 群のプラズマ発生装置をカバー５の中にまたは容器１の側壁の中に設けることが できる。

プラズマ発生装置６からプラズマアーク８そして溶解されつつある金属９までの 動作電流回路を閉じるために、容器１の底部に配設された底部電極１０が用いら れる。底部電極は水冷された金属、水冷のないグラファイトもしくはサーメット 材料で作られている。プラズマ発生装置６の電極に接続されたオシレータ１１に よってバイロフト・アークが開始（点火）される。

プラズマ発生装置６の電気回路は次の要素で構成される。

すなわち、誘導加熱体２の巻線の一部分７−プラズマ発生装置６−プラズマアー ク８−溶解されつつある金属９−底部電極１〇−誘導加熱体２の巻線の一部分７ である。

本発明のもう１つの実施態様においては、誘導プラズマ装置は上記誘導プラズマ 装置とほぼ同様である。相異点は、第２のプラズマ発生袋Ｗ１２（第２図）を有 していることであり、これによってプラズマ発生装置６（第２図）の動作電流回 路はプラズマアーク８から金属９そしてプラズマ発生装置１２のプラズマアーク １３を通って完結するので、底部電極１０　（第１図）は用いられない。

プラズマ発生装置６，１２を最適作動態様とするために、誘導プラズマ装置はプ ラズマ発生装置６．１２と並列に接続された誘導加熱体２の巻線の数をスイッチ ング要素１４（第２図）によって変更することができる。溶解されつつある金属 ９の性質およびプラズマアーク８．１３の長さが溶解過程中に変わるときに、プ ラズマ発生装置６　、１２のパラメータ（たとえば、電流、電圧）と誘導加熱体 ２の同様のパラメータとを適合させる必要に応じて上記の巻線の数の変更を行な う。スイッチング要素１４が存在することによって、交流電源４の電力利用係数 を向上させることができ、誘導加熱体２とプラズマ発生装置６．１２との間の電 力配分を再設定して技術的体系を再設定することができる。

本発明において、もう１つの実施態様では、以上に説明した誘導プラズマ装置と ほぼ同様であるが直流で作動する１つのプラズマ発生装置もしくは１群のプラズ マ発生装置を用いている。第１図に示した実施態様との相異点は、誘導プラズマ 装置が、プラズマ発生装置６を流れる交流電流の整流装置１５（第３図）を含む ことである。この整流装置は入力が誘導加熱体２０巻線の一部分７に接続し出力 がプラズマ発生装置６に接続して次のような直流電流回路を形成する。すなわち 、交流電流の整流装置１５の「負」の出力−プラズマ発生装置６−プラズマアー ク８−溶解されつつある金属９−底部電極１〇−交流電流の整流装置１５の「正 」の出力、という回路である。

交流および直流のいずれでも作動し得るようにするために、この実施Ｂ様の誘導 プラズマ装置はスイッチング要素１６（第４図）を具備する。スイッチング要素 １６は、装入物の溶解過程中にＩの位置にあってプラズマ発生装置６を交流電流 の整流装置１５の出力に接続し、溶湯の再加熱および／または精錬の過程中に■ の位置にあってプラズマ発生装置６を誘導加熱体２の巻線の一部分７に接続する 。Ｈの位置にあるときは、交流電流の整流装置１５はプラズマ発生装置６がら切 り離されている。

たとえば、溶解過程を加速するために、プラズマ発生装置６の電圧をその電力を 増加させずに高めたり、プラズマ発生袋Ｗ６によって溶湯に付加的なエネルギー を導入したりする必要がある場合には、プラズマ発生装置６の直流回路中に交流 電流の整流装置１５と直列に接続された直流電源１７（第５図）を、誘導プラズ マ装置に設ける。

次に誘導プラズマ装置の作動を説明する。

容器１　（第１図）に、溶解される装入物を装入する。プラズマ発生装置６を誘 導加熱体２の巻線の一部分７と並列に接続する。誘導加熱体２の一部分７の巻線 の数は、プラズマ発生装置６、誘導加熱体２、および交流電源のパラメータに応 じて、実験または計算によって決定される。誘導加熱体／プラズマ発生装置系の 総リアクタンスはキャパシター・バング３の可変キャパシターによって相殺され る。交流電源４のスイッチを入れて、誘導加熱体２によって装入物の加熱を開始 する。オシレータ１１のスイッチを入れて、プラズマ発生装置６の電極間にパイ ロットアークを発生させる。この場合、プラズマ形成ガスを予めプラズマ発生装 置６の中に導入しておく。次に、プラズマ発生袋Ｗ６の陰極と装入物との間に主 アーク８が発生し、溶解過程が開始する。溶解過程を加速するためには、誘導加 熱体２およびプラズマ発生装置６を同時に作動させて溶解過程を開始させるべき である。この場合、プラズマ・アーク８の高温が装入物の高速溶解を行なうと共 に誘導加熱体２の電磁場が溶解されつつある金属９を強力に撹拌してプラズマ・ アーク８の陽極点での金属の局部的な過剰加熱を防止する。

装入物の第１の部分が溶は落ちたら、プラズマ発生袋Ｗ６のスイッチを切り、装 入物の次の部分を容器１に装入する。

装入物の装入過程はプラズマ発生袋Ｗ６のスイッチを切らずに行なうこともでき る。次に再び容器１をカバー５で閉じ、バイロフト・アークそして次に主アーク ８を発生させた後、加熱を継続させて装入物全体を溶は落ちさせる。

溶解過程が完了したら、金属を融点以上に再加熱して、必要ならば精錬を行なう 、そのためには、誘導加熱体２およびプラズマ発生装置６を一緒に作動させるか 、誘導加熱体２のみを作動させる。いずれの場合にも、溶融金属を強力に電磁撹 拌するべきである。

プラズマ発生袋Ｗ６の除勢（あるいはプラズマ・アーク８の消火）によって誘導 加熱体２の回路は破られず、誘導加熱体２は正常に作動を４！！続する。

スイッチング要素１４　（第２図）を用いれば更に別の可能性が付加される。ス イッチング要素１２によって、溶解の前に、溶解されている金属の性質および必 要な溶解条件に応じて、誘導加熱体２の必要な数の巻線をプラズマ発生装置６゜ １２に接続することができる。溶解過程中にはこの巻線数は変化させなくてよい 。しかし、スイッチング要素１４が存在することによって、溶解過程中にプラズ マ・アーク８．１３の長さおよび金属の性質が変化したときに、溶解過程中に巻 線数を変化させることによって誘導加熱体２およびプラズマ発生袋ｆｆ６．１２ の作動態様を最適化することができる。それによって、効率を最大にして電気エ ネルギーの消費を最小にすることができる。その他の場合には、第２図に示した 誘導プラズマ装置は前記と同様の作動をする。

第３図の誘導プラズマ装置も同様に作動するが、ただしプラズマ発生装置が直流 で作動することが相異点である。

知られているように、直流アークは明確な形状の方向性のある錘体状であり、明 確な「弾性および剛性」を具備するので装入物中の深い「ウェル」を通して急速 に燃焼することができる。したがって、この実施態様においては、プラズマ発生 袋Ｗ６から導入される全エネルギーを装入物の加熱のために用いることができ、 しかも溶解容器１の壁を装入物によってプラズマ・アーク８の影響から遮蔽する ことができる。それによってライニングの寿命が大幅に向上する。

しかし、溶湯の再加熱および精錬の期間中には、直流アークはガスによる金属の 飽和に寄与し金属の品質を悪化させる。

更に、この期間中には溶解容器の壁が直接プラズマ・アークの作用を受けるので 、直流アークの放射は交流アークの放射よりも非常に強力なため、ライニングの 寿命を著しく短縮する。熔解の期間中にプラズマ発生装置を交流で作動させると 効果が少ない。それは、交流のプラズマ・アークは形状が不鮮明であり、金属は 「表面」が加熱されるが装入物中の深い「ウェル」中の燃焼は起こらないのでエ ネルギーが装入物によってあまり有効に利用されないからである。

したがって、溶湯の再加熱および精錬の期間中には、誘導プラズマ装置のプラズ マ発生装置６を交流で作動させて交流アーク８にスラグを付加的にかつ効果的に 加熱させ、スラグによって容器１のライニングを被覆させることが望ましい。

その結果、ガスによる金属の飽和が軽減されて金属９の品質が向上する。したが って、装入物の溶解過程中はスイッチング要素１６（第４図）をＩの位置に設定 することによってプラズマ発生装置６を直流で作動させ、金属９の再加熱および 精錬の期間中はスイッチング要素１６を■の位置に設定することによってプラズ マ発生装置６を誘導加熱体２の巻線の一部分７に直接に接続する。スイッチング 要素１６をこの位置に設定して、溶融金属を必要な温度にまで再加熱し、そして もし必要ならば精錬を施す（もちろん、これら以外の技術的な操作も可能である ）。精錬は、金属表面上に活性なスラグを形成しまたは適当な合金元素もしくは 精錬元素を溶湯中に導入することによって行なわれる。

交流アーク８がスラグを高温に加熱し、この高温によって金属／スラグ系での物 理化学過程の進行が促進されることによって、また誘導加熱体２が溶融金属９を 強力に撹拌しで、金属中に導入された後の元素を容器１の体積全体にわたって均 一に分布させかつ反応生成物を溶湯から除去してスラグ・オフできるようにする ことによって、金属精錬過程を最適条件で行なうことができる。

第５図に示した誘導プラズマ装置は以上に説明した誘導プラズマ装置と同様に作 動する。ただし、プラズマ発生装置６の作動態様を、プラズマ発生装置６の回路 中に付加的な直流電源１７が存在することを考慮してスイッチング要素１４によ って選択する。

プラズマ発生装置６に負荷される電圧は、交流電流の整流装置１５および付加的 な直流電源１７の電圧、それぞれＵ１Σプラズマ発生装置６に設定するために用 い、スイッチング要素１４および交流電流の整流装置１５によってＵ、に等しい 電圧をプラズマ発生装置６に負荷する。

溶解過程中の溶融金属９の性質の変化に応するために必要なプラズマ発生装置６ の作動Ｂ様の変更は、スイッチング要素１４によって電圧’ａ、の値を調節する ことによって行なうことができる。

主装置６が自律的なり様で作動できるように選択する。それによって、プラズマ 発生装置６に必要な作動態様の選択が容易になり、エネルギー消費と技術的能力 の観点から見た誘導プラズマ装置の適応性が高められる。たとえば、プラズマ発 生装置６が自律的な態様で作動するときに、必要な金属循環速度は誘導加熱体２ で設定し、同時に、金属加熱の機能はプラズマ発生袋Ｗ６で達成することができ る。

産業上の利用可能性 本発明の誘導プラズマ装置は、冶金および鋳物産業における高品質の鉄および非 鉄合金の溶解および処理を行なうのに適する。

手続補正書（方式） 昭和６３年１１月１０日 特許庁長官　吉　１）文　毅　殿 １、事件の表示 ＰＣＴ／ＳＵ８６１０　ＯＯ４Ｂ ２、発明の名称 誘導プラズマ装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 ４、代理人 住所　〒１０５東京都港区虎ノ門−丁目８番１０号６、補正の対象 （１）明細書の翻訳文 （２）請求の範囲の翻訳文 ７、補正の内容 （１）明細書の翻訳文の浄書（内容に変更なし）（２）請求の範囲の翻訳文の浄 書（内容に変更なし）８、添付書類の目録 （１）明細書の翻訳文　１通 （２）請求の範囲の翻訳文　１通

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．キャパシター・バンク（３）と交流電源（４）とに接続された誘導加熱体（ ２）の中に設けられた、装入物を溶解する容器（１）、および該誘導加熱体（２ ）に電気的に接続された少なくとも１つのプラズマ発生装置（６）を含んで成る 誘導プラズマ装置において、該プラズマ発生装置（６）が該誘導加熱体（２）の 巻線の一部分（７）と並列に接続されていることを特徴とする誘導プラズマ装置 。
2. ２．２つ以上のプラズマ発生装置（６，１２）を含んで成る１群のプラズマ発生 装置を用い、この１群のプラズマ発生装置（６，１２）が該誘導加熱体（２）の 巻線の該一部分（７）と並列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の 誘導プラズマ装置。
3. ３．該誘導加熱体（２）の巻線の該一部分（７）と１つのプラズマ発生装置（６ ）もしくは１群のプラズマ発生装置（６，１２）とに直列に接続されたスイッチ ング要素（１４）を含んで成ることを特徴とする請求項１または２記載の誘導プ ラズマ装置。
4. ４．１つのプラズマ発生装置（６）もしくは１群のプラズマ発生装置（６，１２ ）を流れる交流電流の整流装置（１５）を含んで成り、該整流装置（１５）の入 力が該誘導加熱体の巻線の該一部分（７）と電気的に連携し、該装置（１５）の 出力が１つのプラズマ発生装置（６）もしくは１群のプラズマ発生装置（６，１ ２）と結合されて、１つのプラズマ発生装置（６）もしくは１群のプラズマ発生 装置（６，１２）の直流回路を形成することを特徴とする請求項１または２また は３記載の誘導プラズマ装置。
5. ５．該誘導加熱体（２）の巻線の該一部分（７）と、１つのプラズマ発生装置（ ６）もしくは１群のプラズマ発生装置（６，１２）と、および交流電流の該整流 装置（１５）と電気的に連携した付加的スイッチング要素（１６）を含んで成り 、該付加的スイッチング要素（１６）は、１つのプラズマ発生装置（６）もしく は１群のプラズマ発生装置（６，１２）を、装入物溶解過程中は交流電流の該整 流装置（１５）の出力に接続し、再加熱過程および／または溶湯の精錬過程中は 該誘導加熱体（２）の巻線の該一部分（７）に接続することを特徴とする請求項 ４記載の誘導プラズマ装置。
6. ６．１つのプラズマ発生装置（６）もしくは１群のプラズマ発生装置（６，１２ ）の回路中に交流電流の該整流装置（１５）と直列に接続された直流電源を含ん で成ることを特徴とする請求項４記載の誘導プラズマ装置。