JPH0658840B2 - 移行形プラズマトーチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は移行形プラズマトーチに関し、特にプラズマ発
生部の電極構造に関する。

本発明が対象とする移行形プラズマトーチは、物体の加
熱に用いられ、例えば、転炉から連続鋳造のモールドに
供給する溶綱をある段階で加熱するために用いられる。

〔従来の技術〕 たとえば溶鋼の加熱には、誘導加熱やプラズマトーチに
よる加熱が用いられる。プラズマトーチには、プラズマ
移行形のものと非移行形のものがある。プラズマ移行形
のものは、加熱対象物を陽極として、プラズマトーチの
カソードと加熱対象物との間に放電を行なわせるもので
あり、非移行形のものは、プラズマトーチのカソードと
陽極の間に放電を行なわせ、電極間にプロセスガスを供
給し、カソード−陽極間を通った気体を加熱対象物に当
てるものである。

移行形プラズマトーチにおいても、電極を雰囲気から遮
断するため、Ｎ_２，Ａｒ（不活性ガスが好ましい）等の
プロセスガスが用いられるが、非移行形のプラズマトー
チでのプロセスガスの消費の方がはるかに多く、このプ
ロセスガスの消費量により、非移行形プラズマトーチは
運転コストが高い。

第７図，第８図及び第９ａ図〜第９ｃ図に、特開昭54−
136193号公報で開示された従来の移行形プラズマトーチ
を示す。第７図はそのプラズマトーチ先端部の縦断面
図，第８図はその電気回路図，第９ａ図，第９ｂ図およ
び第９ｃ図はプラズマトーチカソード先端部の詳細図で
ある。

この従来のプラズマトーチでは、中心部に補助電極19が
あり、その周囲に円筒状のカソード17があり、そのカソ
ードの周囲の円筒状のノズル18がある。

補助電極19とカソード17との間及びカソード17とノズル
18との間に各々プロセスガスを流す。このプロセスガス
の流量は、補助電極19とカソード17の間の流量とカソー
ド17とノズル18との間の流量との比が１：５〜８となる
ようにしており、カソードとノズル間の流量が大半を占
める。

プラズマ発生は、先ず、プロセスガスを流し、着火時に
は、最初補助電極19とカソード17の間に高周波の高電圧
を印加してこの間に放電を発生させ、その後、カソード
17をマイナス極、補助電極19をプラス極として直流電圧
を印加し、パイロットアークを発生させる。パイロット
アークが発生したら、着火用の高周波電圧の印加を停止
する。次にカソードをマイナス極、加熱対象物20をプラ
ス極として直流電圧を印加し、この間にメインアークを
発生させ、メインアークにより加熱対象物20を加熱す
る。

なお、メインアークを発生させている間も、カソード17
と補助電極19との間に直流電圧印加を継続し、パイロッ
トアークを常に発生させたままにしておく。

前記パイロットアークは、カソード17とノズル18間に大
量に冷えたプロセスガスを流すことと合わせて、カソー
ド17からノズル18への放電をなくし、ノズル損傷を防止
する効果を有する。

なお、第８図の21はカソード17と補助電極19に接続され
る電源、23はカソード17と加熱対象物20との間に生ずる
主アーク用電源、22は高周波発生器である。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、この種の、従来の移行形プラズマトーチで
は、カソード先端の周囲が突っているので、熱電子が突
っている部分から放出し易く、被加熱物へのプラズマア
ークが収斂しにくく加熱効率を大巾に低減させる。

そのため、前述のように、従来の構造のプラズマトーチ
の構造では、ノズル及びノズルとカソード間に流す大量
のプロセスガスが必ず必要となる。このようにノズルを
設けると、 プラズマトーチの外径が３倍以上となり、重量が大巾
に増加し、又取付けのためのスペースも大きくする必要
がある。

大量のプロセスガスを消費し、不経済である。

ガスは２系統供給する必要があり、ノズル冷却水も必
要となるためトーチ自体の構造も、ガスや水の供給シス
テムも複雑になる。

さらに、従来の構造ではパイロットアークを常に発生さ
せたままにしておく必要がある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、前記課題を解決するために、 カソードと着火用陽極を備え、カソードと着火陽極の間
にトリガ放電を生起した後に、処理対象物を陽極として
カソードと処理対象物との間に放電を発生させる移行形
プラズマトーチにおいて、 冷却媒体通流空間を有する筒状体のカソード保持部を設
け、該カソード保持部内に前記着火陽極を配置し、該着
火陽極先端の下方側に、リング状のカソードを前記カソ
ード保持部内周に螺合もしくは嵌合し、該カソードの先
端をカソード保持部底面から下方側に突出させて設け、
さらに、カソード保持部及びカソードの中空部と、着火
用陽極とで形成される空間にプロセスガズ流路を構成し
てなることを特徴とする。

ここで、カソード保持部を有底二重筒とし、該二重筒内
に内筒を配置し、前記カソード保持部のカソード取付部
裏面に複数本の溝を形成し、該溝と内筒とで冷却媒体通
流空間を構成する。また、カソード保持部の外周面及び
底面を電気絶縁物で被覆する。

〔作用〕

本発明は、冷却媒体で冷却されたカソード保持部内周面
にリング状のカソードを取付け、かつカソード保持部底
面から突き出して設けているので、アークスポットをカ
ソード先端面から安定して中心部に定位させることがで
きる。

これは、アークスポットが熱電子放出点であるという理
論的背景により、カソード保持部底面及びコーナー部
は、冷却されているために熱電子放出点の温度として底
過ぎてアームスポットが発生しにくく、また、カソード
保持部から突き出て温度の高いカソード先端面では、そ
こに電界が集中し、アークスポットが発生するからであ
る。

また、アークスポットをカソード先端面から安定して中
心部に定位させることができるので、前記従来技術のよ
うな、ノズル本体は勿論、カソードとノズル間のプロセ
スガスを必要としない。

このため、従来のプラズマトーチ径の約１／３程度の大
きさでよくコンパクトになる。

また、メインアーク着火後ただちにパイロットアークを
消火してもプラズマの安定生は失なわれない。

次に着火用陽極先端の下方側にリング状のカソードを設
けているので、カソードから発生するメインアークによ
る着火用陽極の溶損はなくなる。

さらに、カソード保持部のカソード取付部裏面に複数本
の冷却媒体溝を設けているのでカソードの冷却が充分に
行える。

また、カソード保持部の外周面及び底面を電気絶縁物で
被覆しているので、冷却効果と相まって、カソード保持
部からのプラズマアークの発生は皆無となる。

本発明は、さらにカソード保持部及びカソードの中空部
と、着火用陽極とで形成される空間にプロセスガス流路
を構成しているので、そのプロセスガスにより着火用陽
極が冷却され、保護される。

さらによいことには、そのプロセスガスによりメインア
ークの内側が熱ピンチで外方（カソード側）へ絞られ、
カソードに収束しメインアークの高安定性が得られる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図から第６図の図面を参照
して説明する。

第１図は実施例の移行形プラズマトーチの縦断面図を示
しており、この例ではカソードをカソード保持部にねじ
により取付けてある。第２図は第１図のａ部詳細図、第
３図は第２図のＡ−Ａ断面図、第４図は第２図のＢ−Ｂ
断面図である。

第５図は本発明の他の実施例でカソードをカソード保持
部に嵌合で取付けてある。第６図は、第５図のＣ−Ｃ断
面図である。

先ず第１図から第４図により実施例を説明する。１はカ
ソードで、カソード保持部３内周面の螺合部11にネジで
取付けられている。なお、前記螺合部11には、導電率及
び熱伝達係数を向上させるため銀ろうを流しこんでお
く。また、螺合部11下部の嵌合部13′にも銀ろうを流し
込む。

カソード保持部３は、冷却媒体により冷却される構造と
なっており、カソード保持部内筒５で仕切られた冷却媒
体流通空間７内を冷却媒体が矢印の方向へ流れ、カソー
ド１を冷却し、さらにカソード保持部３底面及び外周面
を冷却する。

なお、カソード螺合部11及び嵌合部13′の冷却効果を増
すため、冷却媒体流通溝10が設けられている。これは溝
10により伝熱面積を広くし、冷却媒体流速をあげ、均一
冷却を可能にするための手段である。

なお、溝10は第４図に示すように螺旋状にした方がさら
に良好な冷却効果が得られる。

第１図の２は着火用陽極、４は着火用陽極保持部であ
り、その着火用陽極保持部４は着火極保持部内筒６で仕
切られた冷却媒体通流空間８を有し、その空間８を流れ
る冷却媒体により冷却される。

９はプロセスガス流路で、カソード保持部３，着火用陽
極保持部４，着火用陽極２及びカソード１の内側により
形成される空間よりなり、プロセスガスは矢印の方向か
らカソード１内通路を通り、噴出される。

カソード保持部３底面及び外周面は絶縁物12で被覆し
て、アーク放電を防止している。

本発明のカソード１はカソード先端面に電界が集中し、
アークスポットが発生するようにカソード保持部底面か
ら５〜30mm突出させ、カソード先端面を鈍角のテーパー
面としている。

なお、着火用陽極はカソード上方に位置決めしてあるの
で、カソードと加熱対象物との間のメインアークによる
着火用陽極先端の溶損は生じない。

次に、本発明のプラズマアーク発生方法について説明す
る。

先ず、着火時には、最初カソード１との陽極２の間に高
周波の高電圧を印加してこの間に放電を発生させ、次に
カソード１をマイナス極、陽極２をプラス極として直流
電圧を印加してパイロットアークを発生させその後高周
波高電圧の印加を停止する。

次にカソード１をマイナス極、加熱対象物をプラス極と
して直流電圧を印加し、これらの間にメインアークを発
生させその後カソード１、陽極２の間の直流電圧印加を
停止し、パイロットアークを消滅させる。カソード１と
着火用陽極２の間の空間を通って下方に出るプロセスガ
スは、着火用陽極２−カソード１間をシールドし、メイ
ンアークに内方から外方に向かう熱ピンチを生起させ
る。このプロセスガスにより着火用陽極２が保護され、
しかも上述の内熱ピンチにより、メインアークはカソー
ド１の下端面で安定する。この下端面は面積が広いので
熱容量が大きく、高アーク電流下でも消耗が少ない。

以上の構造のトーチを用い、6000Ａで約３時間以上の運
転を実施したが、ノズル無しでもアークスポットは安定
しており損耗は少なかった、 次に、カソード取付けについての他の実施例を第５図及
び第６図により説明する。

この取付けはカソード１をカソード保持部３にねじで取
付けず、嵌合と係止部材16によって取付けるもので、カ
ソード保持部３内周に係止溝14を設け、その係止溝14
に、カソード１に設けた係止部材16がはまり込むように
し、カソード１の落下を防止するものである。

カソード１をカソード保持部３に取付ける場合は、カソ
ード保持部３に設けた落しこみ穴15にカソードの係止部
材16が入り込むようカソード１をカソード保持部３に挿
入してゆき、カソード係止部材16を係止溝14に挿入す
る。その後カソード１を回転し係止溝部材16が落し込み
穴15から遠のいた位置に固定する。

なお、カソード挿入と同時に銀ろうを流しこむ。

〔発明の効果〕

以上の説明から、本発明は下記の顕著な効果を奏するこ
とが明らかである。

ａ．従来のノズルは不要となり、ノズル本体はもとよ
り、ノズルの冷却係統及びノズルとカソード間のプロセ
スガスの系統が必要なくなり、簡素でかつコンパクトな
移行プラズマトーチを提供できる。

ｂ．プラズマトーチのトーチ径が約１／３でよく、せま
いスペース内でも設置できる。

ｃ．ノズル用の冷却水及び大量のプロセスガスが節減で
きる。

ｄ．トーチ径を小さくできること、カソードの冷却が充
分にできること、さらにカソードの取付けを螺合もしく
は嵌合としているので、熱応力が小さいこと等からカソ
ード径を従来よりかなり大きくとれ大容量のアーク電流
を通電することが可能となる。また熱応力が小さいので
カソードの欠損トラブルがなくなる。

ｅ．カソード保持部の冷却溝によりカソードの冷却効果
は大で、カソードの寿命は大巾に向上する。

ｆ．カソードをねじもしくは係止部材で止めているので
カソードの落下トラブルが生じない。

ｇ．カソード保持部底面及び外周面を絶縁物で被覆して
いるのでカソード保持部からの放電はなく、カソードに
電界が集中し、高効率でかつ安定したプラズマアークを
発生できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の移行形プラズマトーチの縦断面図、第
２図は第１図のａ部詳細図、第３図は第２図のＡ−Ａ断
面図、第４図は第２図のＢ−Ｂ断面図、第５図は他の実
施例の移行形プラズマトーチを示す断面図、第６図は第
５図のＣ−Ｃ断面図、第７図，第８図，第９ａ図，第９
ｂ図及び第９ｃ図は従来例を示し、第７図，第９ａ図，
第９ｂ図及び第９ｃ図は断面図、第８図はブロック図で
ある。 1,17：カソード、２：着火用陽極 ３：カソード保持部、４：着火用陽極保持部 ５：カソード保持部内筒 ６：着火用陽極保持部内筒 ７，８：冷却媒体通流空間 ９：プロセスガス流路、10：溝 11：螺合部、12：絶縁物 13,13′：嵌合部、14：係止溝 15：落しこみ穴、16：係止部材 18：ノズル、19：補助電極 20：加熱対象物 21：カソードと補助電極に接続される電源 22：高周波発生器 23：カソードと加熱対象物との間に生ずる主アーク用電
源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 廣津 信義 福岡県北九州市戸畑区大字中原46―59 新 日本製鐵株式會社機械・プラント事業部内 (56)参考文献 特開 昭54−136193（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】カソードと着火用陽極を備え、カソードと
   着火用陽極の間にトリガ放電を生起した後に、処理対象
   物を陽極としてカソードと処理対象物との間に放電を発
   生させる移行形プラズマトーチにおいて、 冷却媒体通流空間を有する筒状体のカソード保持部を設
   け、該カソード保持部内に前記着火用陽極を配置し、リ
   ング状のカソードを前記カソード保持部内周であって、
   かつ、該カソードの先端をカソード保持部底面から下方
   側に突出させて設けてなることを特徴とする移行形プラ
   ズマトーチ。
2. 【請求項２】カソード保持部を有底二重筒とし、該二重
   筒内に内筒を配置し、前記カソード保持部のカソード取
   付部裏面に複数本の溝を形成し、該溝と内筒とで冷却媒
   体通流空間を構成してなることを特徴とする前記特許請
   求の範囲第(１)項記載の移行形プラズマトーチ。
3. 【請求項３】カソード保持部の外周面及び底面を電気的
   絶縁物で被覆してなることを特徴とする前記特許請求の
   範囲第(１)項記載の移行形プラズマトーチ。
4. 【請求項４】カソード保持部内周にリング状のカソード
   を螺合もしくは嵌合してなることを特徴とする前記特許
   請求の範囲第(１)項記載の移行形プラズマトーチ。