JP6967900B2 - Plasma generator and plasma torch - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマ発生装置及びプラズマトーチに関する。 The present invention relates to a plasma generator and a plasma torch.
特許文献1は、溶融した液状の金属(溶湯)の温度を制御するために、少なくとも先端を黒鉛製としたプラズマトーチを開示している。
例えば、従来の連続鋳造装置では、溶湯を貯留する取鍋と、取鍋から供給される溶湯を貯留するためにその下方に配置されるタンディッシュとが、構造上近接せざるを得ない。そのため、取鍋を避けつつプラズマトーチをタンディッシュに至らせるためには、プラズマトーチを斜めに配置する必要がある。 For example, in the conventional continuous casting apparatus, the ladle for storing the molten metal and the tundish arranged below the ladle for storing the molten metal supplied from the ladle have to be structurally close to each other. Therefore, in order to make the plasma torch reach the tundish while avoiding the ladle, it is necessary to arrange the plasma torch diagonally.
従来のプラズマトーチの形態は、円柱形状が一般的である。そのため、プラズマトーチを斜めに配置すると、タンディッシュ内の溶湯の表面とプラズマトーチとの直線距離が最小となるのはプラズマトーチの先端の角部となる。タンディッシュ内の溶湯の表面からの直線距離が短いほどプラズマトーチと溶湯との間の電気抵抗が小さくなるので、プラズマトーチのうち当該角部にプラズマが生じやすくなる。 The form of the conventional plasma torch is generally a cylindrical shape. Therefore, when the plasma torch is arranged diagonally, the linear distance between the surface of the molten metal in the tundish and the plasma torch is minimized at the corner of the tip of the plasma torch. The shorter the linear distance from the surface of the molten metal in the tundish, the smaller the electrical resistance between the plasma torch and the molten metal, so that plasma is likely to be generated at the corners of the plasma torch.
一方、プラズマトーチには、プラズマを発生させるための動作ガスの流路として機能する貫通孔が、プラズマトーチの長さ方向に延びるように設けられている。動作ガスの濃度が高いほど分子又は原子が電離しやすくなるので、プラズマトーチのうち動作ガスの出口である貫通孔の開口部にプラズマが生じやすくなる。 On the other hand, the plasma torch is provided with a through hole that functions as a flow path for operating gas for generating plasma so as to extend in the length direction of the plasma torch. The higher the concentration of the operating gas, the easier it is for molecules or atoms to be ionized, so that plasma is more likely to be generated at the opening of the through hole, which is the outlet of the operating gas, in the plasma torch.
このように、従来のプラズマトーチにおいては、プラズマが生じやすい箇所が複数存在している。そのため、駆動ガスの濃度変化等に伴い、プラズマトーチの先端と溶湯の表面との間において、プラズマが不規則的に移動する場合がある。この場合、プラズマによる溶湯の温度制御が困難となりうる。 As described above, in the conventional plasma torch, there are a plurality of places where plasma is likely to be generated. Therefore, the plasma may move irregularly between the tip of the plasma torch and the surface of the molten metal due to a change in the concentration of the driving gas or the like. In this case, it may be difficult to control the temperature of the molten metal by plasma.
そこで、本発明は、プラズマの安定性を高めることが可能なプラズマ発生装置及びプラズマトーチを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a plasma generator and a plasma torch capable of enhancing the stability of plasma.
本発明の一つの観点に係るプラズマ発生装置は、直棒状を呈する黒鉛製のプラズマトーチと、プラズマトーチが鉛直軸に対して所定の角度をなして傾くようにプラズマトーチを保持する保持具と、プラズマを発生させるための動作ガスをプラズマトーチに供給する供給手段とを備え、プラズマトーチには、供給手段によって供給される動作ガスの流路として機能する貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられ、プラズマトーチの先端部は先細り形状を呈し、プラズマトーチの中心軸方向から見て、プラズマトーチの最下部は貫通孔の周縁近傍に位置している。 The plasma generator according to one aspect of the present invention includes a plasma torch made of graphite having a straight rod shape, a holding tool for holding the plasma torch so that the plasma torch tilts at a predetermined angle with respect to the vertical axis, and the plasma torch. A supply means for supplying the operating gas for generating plasma to the plasma torch is provided, and the plasma torch is provided with a through hole that functions as a flow path for the operating gas supplied by the supply means so as to extend along the longitudinal direction. The tip of the plasma torch is provided and has a tapered shape, and the lowermost portion of the plasma torch is located near the peripheral edge of the through hole when viewed from the central axis direction of the plasma torch.
本発明の一つの観点に係るプラズマ発生装置では、プラズマトーチの中心軸方向から見て、プラズマトーチの最下部が貫通孔の周縁近傍に位置している。そのため、プラズマトーチと溶湯との間において動作ガスの濃度が高まる領域が、プラズマトーチの最下部の下方に生ずる。すなわち、プラズマトーチと溶湯との間において動作ガスの濃度が最も高い領域(第1の領域)と、プラズマトーチ(最下部)と溶湯とを最短で結ぶ仮想直線が延びる領域(第2の領域)とが略一致する。第1の領域では、電子密度が高まるので、プラズマが生じやすい。第2の領域では、電気抵抗が小さいので絶縁破壊が生じやすいと共に、電子の流れが最下部に集中しやすいので、プラズマが生じやすい。従って、第1の領域と第2の領域とが略一致している本発明の一つの観点に係るプラズマ発生装置によれば、プラズマが不規則的に移動し難くなるので、プラズマの安定性を高めることが可能となる。 In the plasma generator according to one aspect of the present invention, the lowermost portion of the plasma torch is located near the peripheral edge of the through hole when viewed from the central axis direction of the plasma torch. Therefore, a region where the concentration of the operating gas increases between the plasma torch and the molten metal is generated below the lowermost portion of the plasma torch. That is, between the plasma torch and the molten metal, the region where the concentration of the operating gas is the highest (first region) and the region where the virtual straight line connecting the plasma torch (bottom) and the molten metal extends at the shortest (second region). Is almost the same as. In the first region, the electron density increases, so that plasma is likely to occur. In the second region, the electric resistance is small, so that dielectric breakdown is likely to occur, and the electron flow is likely to be concentrated at the bottom, so that plasma is likely to be generated. Therefore, according to the plasma generator according to one aspect of the present invention in which the first region and the second region substantially coincide with each other, it becomes difficult for the plasma to move irregularly, so that the stability of the plasma is improved. It will be possible to increase.
本発明の他の観点に係るプラズマ発生装置は、直棒状を呈する黒鉛製のプラズマトーチと、プラズマトーチが鉛直軸に対して所定の角度をなして傾くようにプラズマトーチを保持する保持具と、プラズマを発生させるための動作ガスをプラズマトーチに供給する供給手段とを備え、プラズマトーチには、供給手段によって供給される動作ガスの流路として機能する第1〜第N(ただし、Nは2以上の自然数。)の貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられ、プラズマトーチの先端部は先細り形状を呈し、プラズマトーチの中心軸方向から見て、プラズマトーチの最下部は、第n(ただし、nは1〜Nの自然数。)の貫通孔の位置ベクトルをPnとし、第nの貫通孔から排出される動作ガスの流量をqnとしたときに、式1にて求められる位置ベクトルGの終点近傍に位置している。
本発明の他の観点に係るプラズマ発生装置では、プラズマトーチの中心軸方向から見て、プラズマトーチの最下部が、式1にて求められる位置ベクトルGの終点近傍に位置している。式1にて求められる位置ベクトルGは、貫通孔の位置ベクトルに当該貫通孔から排出される動作ガスの流量を重み付けして求められる加重平均である。すなわち、位置ベクトルGの終点は、各貫通孔から排出される動作ガスの濃度が最も高まる点(いわば、動作ガスの濃度重心)である。そのため、プラズマトーチと溶湯との間において動作ガスの濃度が高まる領域が、位置ベクトルGの終点の下方に生ずる。すなわち、プラズマトーチと溶湯との間において動作ガスの濃度が最も高い領域(第1の領域)と、プラズマトーチ(最下部)と溶湯とを最短で結ぶ仮想直線が延びる領域(第2の領域)とが略一致する。第1の領域では、電子密度が高まるので、プラズマが生じやすい。第2の領域では、電気抵抗が小さいので絶縁破壊が生じやすいと共に、電子の流れが最下部に集中しやすいので、プラズマが生じやすい。従って、第1の領域と第2の領域とが略一致している本発明の他の観点に係るプラズマ発生装置によれば、プラズマが不規則的に移動し難くなるので、プラズマの安定性を高めることが可能となる。
In the plasma generator according to another aspect of the present invention, the lowermost portion of the plasma torch is located near the end point of the position vector G obtained by
最下部を頂点とし且つ頂点が下方を向く仮想円錐面上及びその上方に、プラズマトーチが位置しており、仮想円錐面と水平面とのなす角度が水平方向から見て5°以上であってもよい。 The plasma torch is located on and above the virtual conical surface with the bottom as the apex and the apex points downward, even if the angle between the virtual conical surface and the horizontal plane is 5 ° or more when viewed from the horizontal direction. good.
水平方向から見て最下部を頂点とし且つ頂点が下方を向く仮想V字線上及びその上方に、プラズマトーチが位置しており、仮想V字線と水平面とのなす角度が水平方向から見て5°以上であってもよい。 The plasma torch is located on and above the virtual V-shaped line with the lowest point as the apex when viewed from the horizontal direction and the apex points downward, and the angle between the virtual V-shaped line and the horizontal plane is 5 when viewed from the horizontal direction. It may be greater than or equal to °.
本発明の他の観点に係るプラズマトーチは、直棒状を呈すると共に黒鉛製であり、プラズマを発生させるための動作ガスの流路として機能する貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられ、先端部が先細り形状を呈し、鉛直軸に対して所定の角度をなして傾くように保持された状態において、中心軸方向から見て、最下部が貫通孔の周縁近傍に位置している。 The plasma torch according to another aspect of the present invention has a straight rod shape and is made of graphite, and is provided with a through hole that functions as a flow path of an operating gas for generating plasma so as to extend along the longitudinal direction. The lowermost portion is located near the peripheral edge of the through hole when viewed from the central axis direction in a state where the tip portion has a tapered shape and is held so as to be tilted at a predetermined angle with respect to the vertical axis.
本発明の他の観点に係るプラズマトーチでは、その中心軸方向から見て、最下部が貫通孔の周縁近傍に位置している。そのため、プラズマトーチが溶湯の上方に設置された場合には、プラズマトーチと溶湯との間において動作ガスの濃度が高まる領域が、プラズマトーチの最下部の下方に生ずる。すなわち、プラズマトーチと溶湯との間において動作ガスの濃度が最も高い領域(第1の領域)と、プラズマトーチ(最下部)と溶湯とを最短で結ぶ仮想直線が延びる領域(第2の領域)とが略一致する。第1の領域では、電子密度が高まるので、プラズマが生じやすい。第2の領域では、電気抵抗が小さいので絶縁破壊が生じやすいと共に、電子の流れが最下部に集中しやすいので、プラズマが生じやすい。従って、第1の領域と第2の領域とが略一致している本発明の他の観点に係るプラズマトーチによれば、プラズマが不規則的に移動し難くなるので、プラズマの安定性を高めることが可能となる。 In the plasma torch according to another aspect of the present invention, the lowermost portion thereof is located near the peripheral edge of the through hole when viewed from the central axis direction. Therefore, when the plasma torch is installed above the molten metal, a region where the concentration of the operating gas increases between the plasma torch and the molten metal is generated below the lowermost portion of the plasma torch. That is, between the plasma torch and the molten metal, the region where the concentration of the operating gas is the highest (first region) and the region where the virtual straight line connecting the plasma torch (bottom) and the molten metal extends at the shortest (second region). Is almost the same as. In the first region, the electron density increases, so that plasma is likely to occur. In the second region, the electric resistance is small, so that dielectric breakdown is likely to occur, and the electron flow is likely to be concentrated at the bottom, so that plasma is likely to be generated. Therefore, according to the plasma torch according to another aspect of the present invention in which the first region and the second region substantially coincide with each other, the plasma is less likely to move irregularly, thereby enhancing the stability of the plasma. It becomes possible.
本発明の他の観点に係るプラズマトーチは、直棒状を呈すると共に黒鉛製であり、プラズマを発生させるための動作ガスの流路として機能する第1〜第N(ただし、Nは2以上の自然数。)の貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられ、先端部が先細り形状を呈し、鉛直軸に対して所定の角度をなして傾くように保持された状態において、中心軸方向から見て、最下部が、第n(ただし、nは1〜Nの自然数。)の貫通孔の位置ベクトルをPnとし、第nの貫通孔から排出される動作ガスの流量をqnとしたときに、式2にて求められる位置ベクトルGの終点近傍に位置している。
本発明の他の観点に係るプラズマトーチでは、その中心軸方向から見て、プラズマトーチの最下部が、式1にて求められる位置ベクトルGの終点近傍に位置している。式1にて求められる位置ベクトルGは、貫通孔の位置ベクトルに当該貫通孔から排出される動作ガスの流量を重み付けして求められる加重平均である。すなわち、位置ベクトルGの終点は、各貫通孔から排出される動作ガスの濃度が最も高まる点(いわば、動作ガスの濃度重心)である。そのため、プラズマトーチが溶湯の上方に設置された場合には、プラズマトーチと溶湯との間において動作ガスの濃度が高まる領域が、位置ベクトルGの終点の下方に生ずる。すなわち、プラズマトーチと溶湯との間において動作ガスの濃度が最も高い領域(第1の領域)と、プラズマトーチ(最下部)と溶湯とを最短で結ぶ仮想直線が延びる領域(第2の領域)とが略一致する。第1の領域では、電子密度が高まるので、プラズマが生じやすい。第2の領域では、電気抵抗が小さいので絶縁破壊が生じやすいと共に、電子の流れが最下部に集中しやすいので、プラズマが生じやすい。従って、第1の領域と第2の領域とが略一致している本発明の他の観点に係るプラズマトーチによれば、プラズマが不規則的に移動し難くなるので、プラズマの安定性を高めることが可能となる。
In the plasma torch according to another aspect of the present invention, the lowermost portion of the plasma torch is located near the end point of the position vector G obtained by the
鉛直軸に対して所定の角度をなして傾くように保持された状態において、最下部を頂点とし且つ頂点が下方を向く仮想円錐面上及びその上方に位置しており、仮想円錐面と水平面とのなす角度が水平方向から見て5°以上であってもよい。 In a state where the apex is held so as to be tilted at a predetermined angle with respect to the vertical axis, the apex is located on and above the virtual conical surface with the apex facing downward, and the virtual conical surface and the horizontal plane are The angle between the cones may be 5 ° or more when viewed from the horizontal direction.
水平方向から見て最下部を頂点とし且つ頂点が下方を向く仮想V字線上及びその上方に位置しており、仮想V字線と水平面とのなす角度が水平方向から見て5°以上であってもよい。 The bottom is the apex when viewed from the horizontal direction, and the apex is located on and above the virtual V-shaped line facing downward, and the angle between the virtual V-shaped line and the horizontal plane is 5 ° or more when viewed from the horizontal direction. You may.
本発明に係るプラズマ発生装置及びプラズマトーチによれば、プラズマの安定性を高めることが可能となる。 According to the plasma generator and plasma torch according to the present invention, it is possible to improve the stability of plasma.
以下に説明される本開示に係る実施形態は本発明を説明するための例示であるので、本発明は以下の内容に限定されるべきではない。以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。 As the embodiments according to the present disclosure described below are examples for explaining the present invention, the present invention should not be limited to the following contents. In the following description, the same code will be used for the same element or the element having the same function, and duplicate description will be omitted.
[第1実施形態]
まず、図1を参照して、連続鋳造装置100の構成について説明する。連続鋳造装置100は、取鍋101と、タンディッシュ102と、鋳型103と、鋳片支持ロール104と、プラズマ発生装置1を備える。
[First Embodiment]
First, the configuration of the
取鍋101は、溶湯(溶鋼)Mを貯留する容器である。タンディッシュ102は、取鍋101の下方に配置されている。タンディッシュ102は、取鍋101の底壁に設けられたノズル101aから流出した溶湯Mを貯留する容器である。鋳型103は、タンディッシュ102の下方に配置されている。鋳型103は、タンディッシュ102の底壁に設けられたノズル102aから流出した溶湯を冷却しながら所定形状に成形する。鋳片支持ロール104は、鋳型103から引き抜かれた鋳片Sを冷却しつつ搬送する。
The
プラズマ発生装置1は、タンディッシュ102内の溶湯Mの温度を制御するための装置である。プラズマ発生装置1は、プラズマトーチ10と、トーチ保持具12と、昇降機14と、動作ガス源16とを備える。
The
プラズマトーチ10は、黒鉛によって構成されており、例えば直線状に延びる丸棒(直棒状)である。プラズマトーチ10の直径は、例えば50mm〜200mm程度であってもよい。プラズマトーチ10の長さは、例えば1000mm〜2500mm程度であってもよい。プラズマトーチ10の形状は、丸形以外の他の形状であってもよいし、必ずしも直線状に延びておらず屈曲していてもよい。プラズマトーチ10は、図示しない電源に接続されており、所定の電圧(例えば100V〜500V程度)が印加される。
The
プラズマトーチ10には、図2に示されるように、貫通孔Hが設けられている。貫通孔Hは、円形状を呈し、プラズマトーチ10の中心軸Ax上に配置されている。すなわち、貫通孔Hは、プラズマトーチ10の長手方向(中心軸Ax)に沿って延びている。貫通孔Hの直径は、例えば10mm程度であってもよい。
As shown in FIG. 2, the
プラズマトーチ10の先端部Tは、基端側から先端側に向かうにつれて縮径された先細り形状を呈している。具体的には、プラズマトーチ10の先端部Tは、円錐台形状を呈している。図2では、プラズマトーチ10(先端部T)の先端面10aの直径D1は、貫通孔Hの直径D2よりも若干大きい。直径D1の大きさは、直径D2の100%〜110%程度であってもよい。この場合、先端面10aの外周縁は、貫通孔Hの周縁近傍に位置しているといえる。直径D1の大きさは、プラズマトーチ10の基端部Bの直径D3の56%以下であってもよい。先端部Tの母線と中心軸Axとがなす角は、30°〜85°程度であってもよい。
The tip portion T of the
図1に戻って、トーチ保持具12は、プラズマトーチ10の上端部を保持する。トーチ保持具12は、例えば、プラズマトーチ10が鉛直軸に対して0°〜30°程度傾くようにプラズマトーチ10を保持可能である。昇降機14は、トーチ保持具12を上下方向に昇降させる。そのため、トーチ保持具12によって保持されているプラズマトーチ10も、昇降機14によって上下方向に昇降され、タンディッシュ102内の溶湯Mに対して近接及び離間する。
Returning to FIG. 1, the
トーチ保持具12によって所定の角度傾くように保持されているプラズマトーチ10は、図3に示されるように、最も下方に位置する最下部(最下点)LPを有している。第1実施形態に係るプラズマトーチ10において、最下部LPは、先端面10aの外周縁上の一点である。プラズマトーチ10は、この最下部LPを頂点とし且つ当該頂点が下方を向く仮想円錐面SF1上及びその上方に位置していてもよい。仮想円錐面SF1と水平面SF2とがなす角度φ1が、水平方向から見て5°以上であってもよい。
The
図1及び図2に戻って、動作ガス源16は、プラズマを発生させるための動作ガス(例えば、アルゴン、窒素等の不活性ガス)を貫通孔Hに供給する。そのため、貫通孔Hは、動作ガスの流路として機能する。動作ガス源16は、配管18を介して貫通孔Hと接続されている。配管18には、バルブ20が設けられている。バルブ20の開閉に応じて、動作ガス源16からの動作ガスの貫通孔Hへの供給状態と非供給状態とが切り替わる。第1実施形態では、動作ガス源16、配管18及びバルブ20が、動作ガスを貫通孔H(プラズマトーチ10)に供給する供給手段として機能する。
Returning to FIGS. 1 and 2, the operating
プラズマ発生装置1によってプラズマを発生させる場合には、まず、プラズマトーチ10の先端部Tの周囲(溶湯Mの湯面近傍)を動作ガス雰囲気とする。具体的には、バルブ20を開放して、動作ガス源16から貫通孔Hに対して動作ガスを供給する。
When plasma is generated by the
次に、プラズマトーチ10に所定の電圧を印加させる。そして、この状態で、昇降機14によってプラズマトーチ10を溶湯Mに向けて降下させ、プラズマトーチ10と溶湯Mとの距離(ギャップ)が所定の大きさとなるまで近づける。そうすると、プラズマトーチ10と溶湯Mとの間で絶縁破壊が生じ、プラズマトーチ10と溶湯Mとの間に電流が流れる。これにより、図3に示されるように、プラズマトーチ10と溶湯Mとの間にプラズマPが発生する。
Next, a predetermined voltage is applied to the
ところで、図4に示されるように、従来の黒鉛製のプラズマトーチ50は円柱形状が一般的であった。そのため、取鍋101とタンディッシュ102との配置関係上、取鍋101を避けるようにタンディッシュ102に向けてプラズマトーチ50を斜めに配置すると、タンディッシュ102内の溶湯Mの表面とプラズマトーチ50との直線距離が最小となるのはプラズマトーチ50の先端の角部50aとなる。タンディッシュ102内の溶湯Mの表面からの直線距離が短いほどプラズマトーチ50と溶湯Mとの間の電気抵抗が小さくなるので、プラズマトーチ50のうち当該角部50aにプラズマP1が生じやすくなる。
By the way, as shown in FIG. 4, the conventional
一方、プラズマトーチ50には、プラズマを発生させるための動作ガスの流路として機能する貫通孔50bが、プラズマトーチ50の長さ方向に延びるように設けられている。動作ガスの濃度が高いほど分子又は原子が電離しやすくなるので、プラズマトーチ50のうち動作ガスの出口である貫通孔50bの開口部50cにプラズマP2が生じやすくなる。
On the other hand, the
このように、従来のプラズマトーチ50においては、プラズマが生じやすい箇所が複数存在している。そのため、駆動ガスの濃度変化等に伴い、プラズマトーチ50の先端と溶湯Mの表面との間において、プラズマP1,P2が不規則的に移動する場合がある。この場合、プラズマによる溶湯Mの温度制御が困難となりうる。
As described above, in the
しかしながら、第1実施形態では、プラズマトーチ10の中心軸Ax方向から見て、プラズマトーチ10の最下部LPが貫通孔Hの周縁近傍に位置している。そのため、プラズマトーチ10と溶湯Mとの間において動作ガスの濃度が高まる領域が、プラズマトーチ10の最下部LPの下方に生ずる。すなわち、プラズマトーチ10と溶湯Mとの間において動作ガスの濃度が最も高い領域(第1の領域)と、プラズマトーチ10(最下部LP)と溶湯Mとを最短で結ぶ仮想直線が延びる領域(第2の領域)とが略一致する。第1の領域では、電子密度が高まるので、プラズマが生じやすい。第2の領域では、電気抵抗が小さいので絶縁破壊が生じやすいと共に、電子の流れが最下部に集中しやすいので、プラズマが生じやすい。従って、第1の領域と第2の領域とが略一致している第1実施形態に係るプラズマ発生装置1によれば、プラズマが不規則的に移動し難くなるので、プラズマの安定性を高めることが可能となる。
However, in the first embodiment, the lowermost LP of the
[第2実施形態]
図5及び図6を参照して、第2実施形態に係るプラズマトーチ10について、第1実施形態に係るプラズマトーチ10と相違する点を中心に説明する。
[Second Embodiment]
With reference to FIGS. 5 and 6, the
図5に示されるように、プラズマトーチ10に複数の貫通孔H1〜H4が設けられていてもよい。具体的には、貫通孔H1〜H4は、円形状を呈し、プラズマトーチ10の長手方向に沿って延びている。貫通孔H1〜H4の直径は、例えば10mm程度であってもよい。貫通孔H1〜H4は、プラズマトーチ10の中心軸Axを中心に同一半径(同一円周)上に並んでいる。貫通孔H1〜H4のうち隣り合う2つの貫通孔同士の距離(貫通孔H1,H2の距離、貫通孔H2,H3の距離、貫通孔H3,H4の距離、及び貫通孔H4,H1の距離)は、いずれも略同一である。
As shown in FIG. 5, the
プラズマトーチ10の先端部Tは、円錐形状を呈している。トーチ保持具12によって所定の角度傾くように保持されているプラズマトーチ10は、図6に示されるように、最も下方に位置する最下部(最下点)LPを有している。図5及び図6に示されるように、第2実施形態に係るプラズマトーチ10において、最下部LPは、先端部Tの頂点であり、中心軸Ax上に位置している。
The tip portion T of the
図5の(a)に示されるように、動作ガス源16は、動作ガスを貫通孔H1〜H4に供給する。そのため、貫通孔H1〜H4は、動作ガスの流路として機能する。動作ガス源16は、配管22を介して貫通孔H1〜H4とそれぞれ接続されている。すなわち、配管22は、動作ガス源16から延びた後4つに分岐し、貫通孔H1〜H4に至っている。配管22のうち4つの分岐部分には、それぞれバルブ24が設けられている。バルブ24の開閉に応じて、動作ガス源16からの動作ガスの各貫通孔H1〜H4への供給状態と非供給状態とが切り替わる。第2実施形態では、動作ガス源16、配管22及びバルブ24が、動作ガスを貫通孔H1〜H4(プラズマトーチ10)に供給する供給手段として機能する。
As shown in FIG. 5A, the operating
第2実施形態に係るプラズマトーチ10においてプラズマを発生させる場合、各バルブ20を開放して、動作ガス源16から各貫通孔H1〜H4に動作ガスを供給する。これにより、各貫通孔H1〜H4には、同時に同じ流量で動作ガスが供給される。そのため、プラズマトーチ10と溶湯Mとの間において動作ガスの濃度が高まる領域は、中心軸Ax方向から見て貫通孔H1〜H4の中心、すなわち最下部LPの下方に生ずる。換言すれば、中心軸Ax方向からプラズマトーチ10の先端面10a側を見たときに、2次元座標上の任意の点を原点とし、各貫通孔H1〜H4の位置ベクトルをそれぞれP1〜P4とすると、最下部LPの位置ベクトルG1は式3にて表わすことができる。
以上のような第2実施形態においても、プラズマトーチ10と溶湯Mとの間において動作ガスの濃度が最も高い領域(第1の領域)と、プラズマトーチ10(最下部LP)と溶湯Mとを最短で結ぶ仮想直線が延びる領域(第2の領域)とが略一致する。従って、プラズマの安定性を高めることが可能となる。
Also in the second embodiment as described above, the region where the concentration of the operating gas is highest (first region) between the
[第3実施形態]
図7を参照して、第3実施形態に係るプラズマトーチ10について、第2実施形態に係るプラズマトーチ10と相違する点を中心に説明する。
[Third Embodiment]
With reference to FIG. 7, the
第3実施形態に係るプラズマトーチ10は、最下部LPが中心軸Ax上に存在していない点で、第2実施形態に係るプラズマトーチ10と異なる。すなわち、第3実施形態に係るプラズマトーチ10では、最下部LPが先端面10aのうち中心軸Axとは異なる位置に存在している。中心軸Axに直交する仮想平面SF3と先端面10aとがなす角は、いずれの箇所においても略同じである。例えば、図7の(a)に示されるように、仮想平面SF3と先端面10aのうち貫通孔H1側の領域とがなす角度θ1と、仮想平面SF3と先端面10aのうち貫通孔H3側の領域とがなす角度θ2とは、略同じである。
The
第3実施形態に係るプラズマトーチ10では、動作ガス源16から各貫通孔H1〜H4に供給される動作ガスの流量が異なっている。第3実施形態では、各貫通孔H1〜H4の動作ガスの流量をそれぞれq1〜q4とすると、例えば、q1>q2=q3>q4に設定されている。そのため、プラズマトーチ10と溶湯Mとの間において動作ガスの濃度が高まる領域は、中心軸Ax方向から見て中心軸Axよりも貫通孔H1寄りの位置、すなわち最下部LPの下方に生ずる。換言すれば、中心軸Ax方向からプラズマトーチ10の先端面10a側を見たときに、2次元座標上の任意の点を原点とし、各貫通孔H1〜H4の位置ベクトルをそれぞれP1〜P4とすると、最下部LPの位置ベクトルG2は式4にて表わすことができる。
以上のような第3実施形態においても、プラズマトーチ10と溶湯Mとの間において動作ガスの濃度が最も高い領域(第1の領域)と、プラズマトーチ10(最下部LP)と溶湯Mとを最短で結ぶ仮想直線が延びる領域(第2の領域)とが略一致する。従って、プラズマの安定性を高めることが可能となる。
Also in the third embodiment as described above, the region where the concentration of the operating gas is highest (first region) between the
なお、プラズマトーチ10に第1〜第N(ただし、Nは2以上の自然数。)の貫通孔が設けられている場合には、第nの貫通孔から排出される動作ガスの流量をqnとしたときに、最下部LPの位置ベクトルGを式5の一般式にて表わすことができる。
[他の実施形態]
以上、本開示に係る実施形態について詳細に説明したが、本発明の要旨の範囲内で種々の変形を上記の実施形態に加えてもよい。例えば、プラズマトーチ10は、アノードとして機能してもよいし、カソードとして機能してもよい。プラズマトーチ10がアノードとして機能する場合、広い溶湯Mの表面からプラズマトーチ10の最下部LPに向けて収束するように電子が流れるため、通常はプラズマが不安定になりやすい。しかしながら、上記の実施形態に係るプラズマ発生装置1によれば、プラズマトーチ10と溶湯Mとの間において動作ガスの濃度が最も高い領域(第1の領域)と、プラズマトーチ10(最下部LP)と溶湯Mとを最短で結ぶ仮想直線が延びる領域(第2の領域)とが略一致するので、プラズマトーチ10がアノードとして機能する場合であっても、プラズマの安定性を高めることが可能となる。
[Other embodiments]
Although the embodiments according to the present disclosure have been described in detail above, various modifications may be added to the above embodiments within the scope of the gist of the present invention. For example, the
図8に示されるように、中心軸Axに直交する仮想平面SF3と先端面10aとがなす角が、いずれの箇所においても略同じとなっていなくてもよい。例えば、図8の(a)及び(b)はそれぞれ第2実施形態及び第3実施形態に係るプラズマトーチ10の変形例であり、仮想平面SF3と先端面10aのうち貫通孔H1側の領域とがなす角度θ1と、仮想平面SF3と先端面10aのうち貫通孔H3側の領域とがなす角度θ2とが、異なっている(θ1<θ2)。
As shown in FIG. 8, the angle formed by the virtual plane SF3 orthogonal to the central axis Ax and the
図9に示されるように、プラズマトーチ10は、円柱の先端部を所定の平面で切り落とした形状であってもよい。図9の(a)は、最下部LPが中心軸Ax上に位置している例を示している。図9の(b)は、最下部LPが中心軸Ax上に位置していない例(最下部LPが先端面10aのうち中心軸Axとは異なる位置にある例)を示している。換言すれば、図9の(a)及び(b)はそれぞれ、図8の(a)及び(b)に示すプラズマトーチ10において角度θ2が0°である場合を示している。
As shown in FIG. 9, the
図9に示されるようなプラズマトーチ10がトーチ保持具12によって所定の角度傾くように保持された様子を、図10に示す。この例に係るプラズマトーチ10において、最下部LPは、先端面10aと、当該先端面10aを切り落とした平面とが交わる交線である。プラズマトーチ10は、この最下部LPを頂点とし且つ当該頂点が下方を向く仮想V字線VL上及びその上方に位置していてもよい。仮想V字線VLと水平面SF2とがなす角度φ2が、水平方向から見て5°以上であってもよい。
FIG. 10 shows how the
図11に示されるように、貫通孔の周縁上又は周縁近傍にプラズマトーチ10の最下部が位置していてもよい。図11の(a)は、第2実施形態のプラズマトーチ10において、中心軸Ax上に貫通孔H5がさらに設けられた例を示す。図11の(b)は、第3実施形態に係るプラズマトーチ10において、貫通孔H1が先端部Tの頂点を通るように設けられた例を示す。図11の(c)は、図9の(a)のプラズマトーチ10において、中心軸Ax上に貫通孔H5がさらに設けられた例を示す。
As shown in FIG. 11, the lowermost portion of the
図12に示されるように、プラズマトーチ10の外周部よりも中心部が外方に突出していてもよい。図12の(a)は、図11の(a)のプラズマトーチ10において、貫通孔H5部分がその外周部よりも突出している例を示す。図12の(b)は、図12の(a)のプラズマトーチ10において、貫通孔H5が存在しない代わりに中心部の先端に窪み部10bが設けられている例を示す。
As shown in FIG. 12, the central portion may protrude outward from the outer peripheral portion of the
図13に示されるように、プラズマトーチ10の外形は円形状以外であってもよい。図13の(a)は、円の一部が切り欠かれた形状の例を示す。図13の(b)は、三角形状の例を示す。図13の(c)は、四角形状の例を示す。図13の(d)は、四角形のうち一の角部が丸みを帯びている(R面取りされている)と共に、別の一の角部が直線状に切り欠かれている(C面取りされている)例を示す。
As shown in FIG. 13, the outer shape of the
プラズマトーチ10は、以上に述べた各種の変形が任意に組み合わされて形成されていてもよい。
The
1…プラズマ発生装置、10…プラズマトーチ、10a…先端面、12…トーチ保持具、14…昇降機、16…動作ガス源(供給手段)、18…配管(供給手段)、20,24…バルブ(供給手段)、22…配管、100…連続鋳造装置、101…取鍋、102…タンディッシュ、103…鋳型、104…鋳片支持ロール、Ax…中心軸、D1〜D3…直径、H,H1〜H4…貫通孔、LP…最下部、M…溶湯(溶鋼)、P1,P2…プラズマ、S…鋳片、SF1…仮想円錐面、SF2…水平面、SF3…仮想平面、T…先端部、VL…仮想V字線、φ1,φ2,θ1,θ2…角度。 1 ... Plasma generator, 10 ... Plasma torch, 10a ... Tip surface, 12 ... Torch holder, 14 ... Elevator, 16 ... Operating gas source (supply means), 18 ... Piping (supply means), 20, 24 ... Valve ( Supply means), 22 ... piping, 100 ... continuous casting equipment, 101 ... ladle, 102 ... tundish, 103 ... mold, 104 ... slab support roll, Ax ... central shaft, D1 to D3 ... diameter, H, H1 to H4 ... through hole, LP ... bottom, M ... molten metal (molten steel), P1, P2 ... plasma, S ... slab, SF1 ... virtual conical surface, SF2 ... horizontal plane, SF3 ... virtual plane, T ... tip, VL ... Virtual V-shaped line, φ1, φ2, θ1, θ2 ... Angle.
Claims (8)
前記プラズマトーチが鉛直軸に対して所定の角度をなして傾くように前記プラズマトーチを保持する保持具と、
プラズマを発生させるための動作ガスを前記プラズマトーチに供給する供給手段とを備え、
前記プラズマトーチには、前記供給手段によって供給される動作ガスの流路として機能する貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられ、
前記プラズマトーチの先端部は先細り形状を呈し、
前記プラズマトーチの中心軸方向から見て、前記プラズマトーチの最下部は前記貫通孔の周縁近傍に位置している、プラズマ発生装置。 A graphite plasma torch that has a straight rod shape,
A holder that holds the plasma torch so that the plasma torch tilts at a predetermined angle with respect to the vertical axis.
A supply means for supplying an operating gas for generating plasma to the plasma torch is provided.
The plasma torch is provided with a through hole that functions as a flow path for the operating gas supplied by the supply means so as to extend along the longitudinal direction.
The tip of the plasma torch has a tapered shape and has a tapered shape.
A plasma generator in which the lowermost portion of the plasma torch is located near the peripheral edge of the through hole when viewed from the central axis direction of the plasma torch.
前記プラズマトーチが鉛直軸に対して所定の角度をなして傾くように前記プラズマトーチを保持する保持具と、
プラズマを発生させるための動作ガスを前記プラズマトーチに供給する供給手段とを備え、
前記プラズマトーチには、前記供給手段によって供給される動作ガスの流路として機能する第1〜第N(ただし、Nは2以上の自然数。)の貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられ、
前記プラズマトーチの先端部は先細り形状を呈し、
前記プラズマトーチの中心軸方向から見て、前記プラズマトーチの最下部は、前記第n(ただし、nは1〜Nの自然数。)の貫通孔の位置ベクトルをPnとし、前記第nの貫通孔から排出される動作ガスの流量をqnとしたときに、式1にて求められる位置ベクトルGの終点近傍に位置している、プラズマ発生装置。
A holder that holds the plasma torch so that the plasma torch tilts at a predetermined angle with respect to the vertical axis.
A supply means for supplying an operating gas for generating plasma to the plasma torch is provided.
The plasma torch is provided with through holes of the first to Nth (however, N is a natural number of 2 or more) that functions as a flow path of the operating gas supplied by the supply means so as to extend along the longitudinal direction. Be,
The tip of the plasma torch has a tapered shape and has a tapered shape.
When viewed from the central axis direction of the plasma torch, the lowermost portion of the plasma torch has the position vector of the nth (where n is a natural number of 1 to N) through hole as P n, and the nth penetration. A plasma generator located near the end point of the position vector G obtained by Equation 1 when the flow rate of the operating gas discharged from the hole is q n.
前記仮想円錐面と水平面とのなす角度が水平方向から見て5°以上である、請求項1又は2に記載のプラズマ発生装置。 The plasma torch is located on and above a virtual conical surface having the lowest portion as an apex and the apex facing downward.
The plasma generator according to claim 1 or 2, wherein the angle formed by the virtual conical surface and the horizontal plane is 5 ° or more when viewed from the horizontal direction.
前記仮想V字線と水平面とのなす角度が水平方向から見て5°以上である、請求項1又は2に記載のプラズマ発生装置。 The plasma torch is located on and above the virtual V-shaped line whose apex is the lowest point when viewed from the horizontal direction and whose apex faces downward.
The plasma generator according to claim 1 or 2, wherein the angle formed by the virtual V-shaped line and the horizontal plane is 5 ° or more when viewed from the horizontal direction.
プラズマを発生させるための動作ガスの流路として機能する貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられ、
先端部が先細り形状を呈し、
鉛直軸に対して所定の角度をなして傾くように保持された状態において、中心軸方向から見て、最下部が前記貫通孔の周縁近傍に位置している、プラズマトーチ。 It has a straight rod shape and is made of graphite.
A through hole that functions as a flow path for operating gas for generating plasma is provided so as to extend along the longitudinal direction.
The tip has a tapered shape,
A plasma torch in which the lowermost portion is located near the peripheral edge of the through hole when viewed from the central axis direction in a state where the torch is held so as to be tilted at a predetermined angle with respect to the vertical axis.
プラズマを発生させるための動作ガスの流路として機能する第1〜第N(ただし、Nは2以上の自然数。)の貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられ、
先端部が先細り形状を呈し、
鉛直軸に対して所定の角度をなして傾くように保持された状態において、中心軸方向から見て、最下部が、前記第n(ただし、nは1〜Nの自然数。)の貫通孔の位置ベクトルをPnとし、前記第nの貫通孔から排出される動作ガスの流量をqnとしたときに、式2にて求められる位置ベクトルGの終点近傍に位置している、プラズマトーチ。
Through holes of the first to Nth (where N is a natural number of 2 or more) that functions as a flow path for operating gas for generating plasma are provided so as to extend along the longitudinal direction.
The tip has a tapered shape,
In a state where the hole is held so as to be tilted at a predetermined angle with respect to the vertical axis, the lowermost portion thereof is the nth (where n is a natural number 1 to N) through hole when viewed from the central axis direction. A plasma torch located near the end point of the position vector G obtained by Equation 2 when the position vector is P n and the flow rate of the operating gas discharged from the nth through hole is q n.
前記仮想円錐面と水平面とのなす角度が水平方向から見て5°以上である、請求項5又は6に記載のプラズマトーチ。 In a state where the apex is held so as to be tilted at a predetermined angle with respect to the vertical axis, the apex is located on and above the virtual conical surface facing downward.
The plasma torch according to claim 5 or 6, wherein the angle formed by the virtual conical surface and the horizontal plane is 5 ° or more when viewed from the horizontal direction.
前記仮想V字線と水平面とのなす角度が水平方向から見て5°以上である、請求項5又は6に記載のプラズマトーチ。 When viewed from the horizontal direction, the apex is the apex, and the apex is located on and above the virtual V-shaped line facing downward.
The plasma torch according to claim 5 or 6, wherein the angle formed by the virtual V-shaped line and the horizontal plane is 5 ° or more when viewed from the horizontal direction.
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