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JPS6229879B2 - - Google Patents
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JPS6229879B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6229879B2
JPS6229879B2 JP54071804A JP7180479A JPS6229879B2 JP S6229879 B2 JPS6229879 B2 JP S6229879B2 JP 54071804 A JP54071804 A JP 54071804A JP 7180479 A JP7180479 A JP 7180479A JP S6229879 B2 JPS6229879 B2 JP S6229879B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
electrodes
plasma burner
plasma
holding members
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
JP54071804A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS55165600A (en
Inventor
Arune Batsuken Yon
Shiifuroo Raanesu Ora
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SERUSUKAPETSUTO FUOO IND OGU TEKUNIKUSU FUORUSUKUNINGU BEEDO NORUGESU TEKUNISUKU HOGUSUKORU
Original Assignee
SERUSUKAPETSUTO FUOO IND OGU TEKUNIKUSU FUORUSUKUNINGU BEEDO NORUGESU TEKUNISUKU HOGUSUKORU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SERUSUKAPETSUTO FUOO IND OGU TEKUNIKUSU FUORUSUKUNINGU BEEDO NORUGESU TEKUNISUKU HOGUSUKORU filed Critical SERUSUKAPETSUTO FUOO IND OGU TEKUNIKUSU FUORUSUKUNINGU BEEDO NORUGESU TEKUNISUKU HOGUSUKORU
Priority to JP7180479A priority Critical patent/JPS55165600A/en
Publication of JPS55165600A publication Critical patent/JPS55165600A/en
Publication of JPS6229879B2 publication Critical patent/JPS6229879B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明はプラズマ バーナー、特に中心電極と
外側電極を支持するための電極保持具と、これら
の電極間に電弧を生ぜしめるための電圧を供給す
る手段と、電極の電弧域にガスを供給する手段と
を備えた型式のプラズマ バーナーに関するもの
である。 プラズマ バーナーは物質表面の急速な過熱物
質の融解、固体及び液体物質の過熱、他の方式の
過熱によつて通常得られる以上の温度での化学反
応の実施などのような様々な目的に利用されてい
る。 加熱は主としてプラズマフレームのきわめて高
温のガス成分からの熱線によつて起こるもので、
この熱線は過熱されるべき物体の表面に吸収され
るものである。 燃焼や融解などの目的のために異なつた物質の
異なつた型のプラズマ バーナーを利用すること
が知られている。これらの異なつた型のプラズマ
バーナーに共通している性質は、バーナーが構
成される各部品の融解あるいは蒸発の結果、作業
中に変形が実質上起こらないようにすることであ
る。この変形を避けなければならない理由の1つ
は、バーナーの電気的特性が変わるからである。
このためにプラズマフレームから熱を受けるバー
ナーの部品が冷却されることになる。熱はバーナ
ーの熱を受ける部分に形成された導管中を流れる
冷却媒体(液体またはガス)によつてこれらの部
品から外部へ逃がされるのが普通である。蒸発冷
却もまた可能である。冷却を達成するためにプラ
ズマ バーナーを設計するにあたつて高温に耐え
るパツキングや、その他の物質を使用することが
必要である。導電性物質がバーナーに使用されて
内側及び外側電極間に電気的接続(しばしばジエ
ツトと呼ばれる)を生ずると電気的短絡が起こ
り、バーナーを破壊してしまうことになる。今ま
でに公知の型のプラズマ バーナーを密集した環
境条件において、並びに高温において使用し、あ
るいは導電性の金属やスラグあるいは塩融解物中
に浸漬して使用することは不可能であつた。 従来公知のプラズマ バーナーの複雑な構造と
これらのバーナーにおけるプラズマ電極に必要な
様々な条件のために、プラズマ バーナーの部品
と高温にさらされる金属スラグあるいは塩融解物
の間の接触を避けることが必要となる。 これはプラズマ バーナーを加熱されるべき媒
体と接触させることができなかつたということで
ある。プラズマ バーナーを加熱すべき対象物か
ら離れて位置せしめようとする場合には、プラズ
マ バーナーからの熱の伝搬において大きなエネ
ルギーの損失を伴う。 バーナーを例えば液相に近い状態に置く場合に
は、不所望な部分的な過熱が生じ、これによつて
加熱されるべき物質が不所望に蒸発してしまうこ
とになる。 本発明の主たる目的は、その構成及び使用材料
のために従来公知のプラズマ バーナーを使用す
ることが技術的に不可能であつたような条件下に
おいて使用できる新規なプラズマ バーナーを提
供することである。 プラズマ バーナーにおいて冷却媒体の導入を
回避できるようにすることも本発明の目的であ
る。本発明のプラズマ バーナーは電極と一緒に
燃焼することができ、プラズマフレームを融解物
中に浸漬することもできる。 もし誤つて、あるいは作業の中断によつて融解
した物質が電極間の空間に侵入して短絡が起こつ
たとしても、これは本発明によるプラズマバーナ
ーの性質に永久的な変化をもたらすものではな
い。 本発明の電極構造は内側のパイプ状あるいは棒
状の電極と外側のパイプ状の電極とからなるもの
であり、水あるいはその他の冷却物質で電極自体
を内部冷却する形式のものではない。本発明はこ
の点において水冷式で、原則として非消耗性の金
属電極を使用する従来公知のきわめて複雑な構造
のものと区別される。 各電極の径寸法は電弧中における加熱によつて
電極の侵蝕が両電極に関して軸方向で同一速度で
行われるように定められており、これによつて電
気的及び気体力学的動作条件及び外部へ流れ出る
ガスの加熱効果と送風効果(衝撃)等からなるプ
ラズマ環境条件を電極が消耗しても実質上変化し
ないようにすることができるものである。なお、
内側電極と外側電極とをどの程度の寸法関係にす
れば両者の消耗速度を一定にしうるかということ
は種々の実験を重ねても数式的に明快に決定でき
るものではなく、印加電圧その他のパラメータに
従つて変化するものである。ただし、通じていえ
ることは、外側電極の厚みが内側電極の太さ又は
厚みに比してあまり小さいと、その消耗が速くな
つたり、局部的に消耗が進むことに注意しなけれ
ばならない。すなわち、外側電極は実質的な厚み
を有するべきである。結局、本発明においては、
非消耗性の電極を用い、かつプラズマ発生による
変形を防止することによりプラズマ環境条件を一
定に維持しようとするのではなく、消耗性電極を
用いて、その寸法関係を実験的に設定することに
よりその両極を等しく消耗させ、その結果プラズ
マ環境条件を一定に維持しようとする点に特徴が
あるわけである。 同心的に配置される電極は電流を供給する手
段、電極間の中空部にガスを供給する手段及び電
極支持具を冷却するための冷却水を供給する手段
などと共に適当な電極保持具に取付けられる。 原則として電極の長さについては制限はない
が、適用される電圧は電極の長さに沿うオーム電
圧効果をカバーするに十分高くなければならない
ということを考慮すべきである。比較的長寸の電
極棒を正確に位置せしめるために適当に配列され
た間隔保持部材を使用することが望しい。この間
隔保持部材は、望むらくは高融点で電気絶縁性の
物質で作られる。 本発明のプラズマ バーナーの特徴の1つは電
弧が燃焼する電極の自由端が短時間の調整時間で
自然な、安定な形状を取ることである。棒状及び
パイプ状の電極は、実際には作業開始にあたつて
真つすぐに切断されうる。この点において本発明
は従来のものと明らかに異なつている。従来のも
のでは電気的及び気体力学的条件がプラズマ バ
ーナーの電極及びその他の部分の設計を如何に正
確に行なうかにかかつているもので、これによつ
て用途もきわめて限定されていたものである。 本発明のプラズマ バーナーは、アルゴンヘリ
ウム、窒素などの化学的に不活性なガスだけでな
く、高温で電極物質と化学的に反応するようなガ
スあるいはガス混合物を使用して作業させること
ができる。例えばグラフアイト電極と共に空気あ
るいは水素を使用する場合の如く、化学的活性な
ガスを使用することによつて特別な効果を得るこ
とが必要な場合には化学的変化としての消耗を生
ぜしめるものであつてもよいのである。電弧によ
つて不可避的に生ずる侵蝕と、これにともなつて
起こる化学的消耗それ自体は、電弧を生ずる電極
端の形状及び電極の電気的性質に重大な変化を生
じない限り、バーナーの特徴的性能を低下するも
のでないので、電極の長さの減少にかかわりなく
安定して機能せしめうるのである。 要すればバーナーの雰囲気における物質との化
学的変化を起こさせる目的で、固体微粉末あるい
は液体物質がガスに加えられてもよい。これは例
えば金属融解物から精練のために不純物を除去す
るような場合あるいは融剤を添加して融解物質の
融点を下げる場合などである。 プラズマ バーナーはグラフアイトフエルト、
スチールウール、金属織物などを電極の開口部に
挿入することによる短時間の短絡を起こさせるこ
とによつてきわめて容易に点弧され得る。従来公
知のバーナーにおいて使用されていた金属電極と
は対称的に、グラフアイト電極またはシリコンカ
ーバイド電極は短絡の結果として起こる表面の部
分的な融解によつて損傷されることがない。本発
明のプラズマ バーナーは、また導電性の融解
物、例えば金属中に浸漬することによつて点弧を
開始させることができる。このようにして本発明
のバーナーを点弧するには特別の高価な装置が不
必要となるものである。工業的な利用において乱
暴な取扱いに対処して、より大きな機械的強度を
材料の厚さを増加しないで外界の影響を最も受け
やすいパイプ状電極を保護することは適当な金属
物質例えば耐熱性スチールの比較的薄い壁のジヤ
ケツト(パイプ)でパイプ状電極を保護すること
によつて達成される。これは作業中に電気的条件
を撹乱することなしに徐々に融解するので、プラ
ズマ バーナーの発生エネルギーが変化しないも
のである。外側電極の周りのこのような金属パイ
プは、また酸化あるいは他の化学的攻撃の結果と
しての電極の外側からのカーボンの侵蝕を減少せ
しめうるものである。 プラズマ バーナーの全体の電圧降下が電気的
プラズマ放電が起こる外界の物理的条件如何によ
ることは良く知られている。 ある状況下においては、本発明のプラズマ バ
ーナーの電極物質は電極がその中に浸漬される液
体と反応することができる。グラフアイト製のそ
のような電極が融解した液状スチール内に浸漬さ
れるとカーボンが融解物中に融解するので、グラ
フアイトとスチールの間に不所望な反応が起こる
ことになる。このような融解反応は外側電極の表
面を電極と共に浸漬し、酸化、耐火性物質で被覆
することによつて防止あるいは適当な程度まで低
減せしめうる。このような酸化物質の中には
“Gun Clay”、“Gunmix”、“Uniguncast−S”、
“Trimrecast”、“Durax1600”、“H44”などの商
品名で知られる物質がある。 本発明のプラズマ バーナーは直流でも交流で
も動作させることができる。他のガス放電装置に
おけると同様に顕著な電圧降下特性をもつた電源
が使用される。また電源の無負荷電圧はバーナー
の通常の燃焼電圧よりも十分高くなければならな
い。本発明のプラズマ バーナーを金属融解物の
加熱に利用し、電極部(この場合グラフアイト
製)を金属融解物中に浸漬した実験において、棒
状電極がパイプ状電極に対して幾分引込ませら
れ、両電極の端面間の軸方向の距離が電極間の半
径方向の距離よりも実質上大きくなると電圧及び
エネルギーが意外に増加することが発見された。
この現象は次のような理由によるものと考えられ
る。 両電極が同一の長さであると電弧は棒状電極か
ら点火し、電極構造の内部の解放端下方に生ずる
ガスの充満した中空部の底部に達し、その後電流
が金属融解物を通つて外側電極に戻ることにな
る。電弧の融解物との接触面における金属の大量
の蒸発によつて電弧は容易にイオン化可能な金属
蒸気を高密度に含有する雰囲気中で燃えることに
なり、これは例えば窒素のような供給ガスと、例
えばカーボン蒸気のような蒸発可能な電極材料の
雰囲気中で燃焼するよりも、かなり低い電圧を与
えるものである。これは明らかに棒状電極がパイ
プ状電極に関してかなりの長さが後方に退かされ
る場合に起こることである。本発明のプラズマ
バーナーの1つの利益は電極が融解物中に浸漬さ
せて点弧される場合に、棒状電極のパイプ状電極
に対する関係位置を調節することによつてバーナ
ーを作動させる電圧レベルを調整できることであ
る。従来公知の融解域を開けるための付属手段で
は、作業条件からして不満足であることが分かつ
てきている。このための付属手段としてはいろん
なタイプのものがあるが、その主なものは空気ド
リルを使用するものであるが、この空気ドリルは
湯出し口がある限られた深さを有していて適当な
温度の場合にのみ使用できるものであつた。これ
に対し本発明によれば、湯出し口はかなり高温で
も利用でき何ら制限はない。 電気バーナーピンは原則として炉の電気装置に
接続されたグラフアイト電極で構成される。しか
しながら、このタイプの装置において限定された
直径と十分な深さを有する湯出し口を持つことは
不可能である。加えて燃焼せしめられる物質は十
分に導電性でなければならないし、実際問題とし
て必ずしも条件に合わない。酸素の吹き込みは通
常湯出し口に挿入された薄い鉄製あるいはスチー
ル製のパイプを通して起こされる。本発明のプラ
ズマ バーナーと比較して積熱燃焼酸素パイプは
湯出し口の寸法及び方向の制御を困難にする。亜
鉛のボールと共に送風することは確かにきれいな
湯出し口に適している。この効果は湯出し口内で
亜鉛ボールが瞬間的に蒸発するからである。これ
は湯出し口をして、ある程度の深さと高い温度を
もつことを要求する。湯の跳ね飛びの危険性はき
わめて大きい。 本発明のプラズマ バーナーはこのような目的
にも適している。特に比較的高温の融解あるいは
酸化温度を有する融解物に熱を伝える場合に、本
発明のプラズマ バーナーが適している。 導電性物質には主として電弧過熱、抵抗過熱あ
るいは誘導過熱が採用される。これらの装置に共
通していえることは購入及び運転費用が高くつく
別の装置を必要とすることであり、場所を取るも
ので、様々な量の融解物を使用するのには汎用性
が少ないことである。過剰な潜熱を与える炉から
の融解物相の加熱は、しばしば作業に悪影響を及
ぼす。最も好しい温度条件における所望の化学反
応を遂行することが困難になる。 ガスバーナーもまた利用できるが、これは通常
の旧来からの燃料が使用されるときに、融解物の
温度を上昇させるのに熱効率がきわめて急速に悪
くなるものである。 本発明のプラズマ バーナーによれば、機械的
構成並びにエネルギー利益に加えて、一連の冶金
作業が他の加熱装置の場合に得られるよりも高収
率で行われうるものである。 特にガス及び固体粒子の熱保持と吹き込みに本
発明のプラズマ バーナーを組合せることによつ
て、固相と融解相、ガス/融解相または融解相相
互間の化学反応のためのきわめて適切な条件を提
供できるものである。この状態は融解物の温度及
び撹拌条件の制御が化学反応をして従来の方法よ
りもきわめて迅速に行わしめうることによるもの
である。 以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。 第1図及び第2図を参照して本発明のプラズマ
バーナーはグラフアイトで作られ、30mmの直径
を有する棒状電極1を有する。棒状電極1は2対
のネジボルト4によつて1対に固着された上部接
触部材2及び下部接触部材3からなる接触機構A
に固定されている。プラズマ バーナーの縦軸方
向に直角な断面において、下部(または上部)接
触部材3または2には直径が30mmであつて、他方
の接触部材の下側(または上側)から1mm下方
(または上方)に中心を有する半円形溝が形成さ
れる。接触機構のこの構成により良好な電気的接
続と電極の製造に際して著しく高い精度を要求す
ることなく棒状電極の安定な中心位置配置を可能
にする。 上部接触部材2には電線を取付けるための接触
レール5が設けられている。この実施例の場合、
例えば電線は500Aの標準型の2本の平行な溶接
ケーブルである。上部及び下部接触部材の電気的
接続はボルト4によつて達せられる。 両接触部材には4つの縦方向に直列連結された
導管6が冷却水用の入口及び出口パイプ(第1図
では1つのパイプだけが示されている)と共に設
けられている。 プラズマ バーナーの動作に必要なガス(電気
的には25〜250N/分)が上部接触部材2の導
管8を通つて棒状電極の周囲に位置している環状
の空間9に導びかれる。この空間9は接触部材2
及び3における前述した溝を一端部で拡大するこ
とにより形成されるものである。但し、前記一端
部は接触部材2及び3の本体に固着された板体か
ら形成することもできる。空間9の目的は棒状電
極とパイプ状電極の間のガスの流れのより均一な
拡散を達成するためのものである。棒状電極の接
触機構Aはパイプ状電極の対応する接触機構Bと
は絶縁板10によつて電気的に絶縁されている。
絶縁板10は適当な耐熱性の絶縁材料、例えば
“Syndanyo”あるいは“Marinite”の商品名で知
られる材料が知られる。 棒状電極と絶縁板10の間には比較的狭い環状
のカラムがあり、これを通つてガスと必要に応じ
て粉末が通過できるようになつている。 例えば、金属融解物中の不純物を除去し、ある
いは金属融解物中に合金成分を供給する場合また
は耐火性物質の融解点を下げる目的で、湯出し口
の開口に関連してプラズマ バーナーが粉末物質
の注入に使用される場合には、粉末はガスと共に
導管8を通して供給することができ、電極保持具
を通り、両電極間をニユーマテイツクに移送せし
めることができる。 パイプ状電極のための接触機構Bは棒状電極の
前記接触機構と同様の原理で構成できる。しかし
て、この接触機構は上部接触部材12と下部接触
部材13からなり、これらは2対のボルト14に
よつて接合されている。更に、接触機構には接触
レール15及び冷却水用の入口及び出口パイプ1
7,18に連結されている冷却導管16を有して
いる。接触部材12,13の溝はパイプ状電極の
外径に適合する寸法及び形状になつている。環状
電極1及びパイプ状電極11のための各接触機構
A及びB並びに中心の絶縁板10はそれぞれ2対
のネジ19,20によつて機械的に固体の絶縁材
料で作られた安定な基板21に固着される。板2
1におけるネジ穴はネジ19の寸法より幾分大き
く作られ、接触機構Aが接触機構Bに対して幾分
調節可能で両電極の正確な位置決定をできるよう
になつている。 プラズマ バーナーが比較的長寸の電極を要求
するときに使用される場合において、特に水平状
態での作業に際し、あるいは電極間の半径方向距
離が比較的小さい場合に適しているときにおいて
は、解放端から約10〜20cmの電極間に適当な数の
短かい比較的薄い壁の管状片22を配置して位置
決めをすることが好しい。例えば4.5〜5mmの直
径と約15mmの長さを有する20〜21個のスリーブを
直径30mmの棒状電極と内径40mmのパイプ状電極の
間に位置せしめるのである。 高融点セラミツク物質“Pythagoras”または
“Alumina”で作つたスリーブ状の位置決め用手
段を使用して判かつたことは、スリーブから前方
電弧までの距離が電極が侵蝕された結果十分短か
くなつたときに、これらスリーブがさほど問題と
なる作業上の撹乱を起こすことなく蒸発するとい
うことである。特に硝酸ボロンの間隔保持部材が
特に好適であることが分かつた。本発明のバーナ
ーが金属融解物中に浸漬して使用される場合に
は、電極保持具において加えられる過剰の圧力は
融解物中の制圧より大きくなければならない。例
えば鉄融解物中に1m浸漬する場合は少なくとも
0.7バール必要である。大量のガスの漏洩を防ぐ
ために適当パツキング剤がそれぞれ接触部材2,
3、12,13間に配置される。更に、特に密度
の高いグラフアイトを使用することもできるし、
また必要があればパイプ状電極に特に厚い物質を
使用してパイプ壁からのガスの拡散を防止するこ
とができる。後者の場合は、電極表面からガスが
発生することが好しくない場合である。交流整合
の場合の標準寸法及び標準作業条件は次の通りで
ある。
The present invention relates to a plasma burner, and in particular to an electrode holder for supporting a center electrode and an outer electrode, means for supplying a voltage to create an electric arc between these electrodes, and means for supplying gas to the electric arc area of the electrodes. This relates to a type of plasma burner equipped with: Plasma burners are used for a variety of purposes, such as rapid heating of material surfaces, melting of materials, heating of solid and liquid materials, and carrying out chemical reactions at temperatures above those normally obtained by other forms of heating. ing. Heating is primarily caused by hot rays from the extremely hot gaseous components of the plasma flame.
This heat ray is absorbed by the surface of the object to be heated. It is known to utilize different types of plasma burners for different materials for purposes such as combustion and melting. A common property of these different types of plasma burners is that they are virtually free from deformation during operation as a result of melting or evaporation of the parts of which the burner is constructed. One reason this deformation must be avoided is that it changes the electrical characteristics of the burner.
This results in cooling of the parts of the burner that receive heat from the plasma flame. Heat is typically removed from these parts to the outside by a cooling medium (liquid or gas) flowing in conduits formed in the heated portion of the burner. Evaporative cooling is also possible. To achieve cooling, it is necessary to use packing or other materials that can withstand high temperatures in the design of plasma burners. When conductive materials are used in a burner to create an electrical connection (often called a jet) between the inner and outer electrodes, an electrical short can occur and destroy the burner. It has not been possible to use plasma burners of hitherto known types in crowded environmental conditions and at high temperatures or immersed in conductive metals, slags or salt melts. Due to the complex structure of the plasma burners known so far and the different conditions required for the plasma electrodes in these burners, it is necessary to avoid contact between the parts of the plasma burner and metal slags or salt melts exposed to high temperatures. becomes. This meant that the plasma burner could not be brought into contact with the medium to be heated. If the plasma burner is to be located far from the object to be heated, a large amount of energy is lost in the propagation of heat from the plasma burner. If the burner is placed, for example, in a state close to the liquid phase, undesired local overheating can occur, which leads to undesired evaporation of the substance to be heated. The main object of the invention is to provide a new plasma burner that can be used in conditions where, due to its construction and the materials used, it was technically impossible to use hitherto known plasma burners. . It is also an object of the invention to be able to avoid introducing a cooling medium in the plasma burner. The plasma burner of the invention can be fired together with electrodes, and the plasma flame can also be immersed in the melt. If, by mistake or due to interruptions in operation, molten material enters the space between the electrodes and a short circuit occurs, this does not result in a permanent change in the properties of the plasma burner according to the invention. The electrode structure of the present invention consists of an inner pipe-shaped or rod-shaped electrode and an outer pipe-shaped electrode, and is not of the type in which the electrode itself is internally cooled with water or other cooling substance. The invention is distinguished in this respect from the highly complex constructions previously known, which use water-cooled, essentially non-consumable metal electrodes. The radial dimensions of each electrode are such that heating in the electric arc erodes the electrode at the same rate in the axial direction for both electrodes, thereby ensuring that electrical and gas-dynamic operating conditions and This allows the plasma environmental conditions, which are composed of the heating effect of flowing gas and the blowing effect (impact), to remain substantially unchanged even when the electrodes are worn out. In addition,
Even after various experiments, it is not possible to clearly determine mathematically the dimensional relationship between the inner and outer electrodes to keep the rate of wear of both constant. Therefore, it changes. However, it must be noted that if the thickness of the outer electrode is too small compared to the thickness or width of the inner electrode, it will wear out quickly or locally. That is, the outer electrode should have a substantial thickness. Ultimately, in the present invention,
Rather than trying to maintain constant plasma environmental conditions by using non-consumable electrodes and preventing deformation due to plasma generation, we use consumable electrodes and experimentally set their dimensional relationships. The feature is that both poles are consumed equally, and as a result, the plasma environmental conditions are maintained constant. The concentrically arranged electrodes are attached to a suitable electrode holder along with a means for supplying current, a means for supplying gas to the hollow space between the electrodes, a means for supplying cooling water for cooling the electrode support, etc. . Although there is in principle no restriction on the length of the electrodes, it should be taken into account that the applied voltage must be high enough to cover the ohmic voltage effects along the length of the electrodes. It is desirable to use suitably arranged spacing members to accurately position relatively long electrode rods. The spacing member is preferably made of a high melting point, electrically insulating material. One of the features of the plasma burner of the invention is that the free end of the electrode on which the electric arc burns assumes a natural, stable shape with a short adjustment time. Rod-shaped and pipe-shaped electrodes can actually be cut straight at the start of work. In this respect, the present invention clearly differs from the prior art. In the past, the electrical and gas-dynamic conditions depended on how precisely the electrodes and other parts of the plasma burner were designed, and the applications were therefore extremely limited. . The plasma burner of the present invention can be operated with chemically inert gases such as argon helium, nitrogen, etc., as well as gases or gas mixtures that chemically react with the electrode materials at high temperatures. When it is necessary to obtain a special effect by using chemically active gases, for example when using air or hydrogen with graphite electrodes, chemical changes can lead to depletion. It's okay if there is. The erosion inevitably caused by the electric arc, and the chemical depletion that accompanies it, is itself a characteristic feature of the burner, unless significant changes occur in the shape of the electrode tip producing the electric arc and in the electrical properties of the electrode. Since the performance does not deteriorate, the electrode can function stably regardless of the reduction in the length of the electrode. If desired, fine solid powders or liquid substances may be added to the gas for the purpose of effecting chemical changes with substances in the burner atmosphere. This is the case, for example, when impurities are removed from a metal melt for scouring purposes, or when fluxing agents are added to lower the melting point of the molten material. The plasma burner is made of graphite felt.
It can be ignited very easily by creating a short short circuit by inserting steel wool, metal fabric, etc. into the opening of the electrode. In contrast to the metal electrodes used in hitherto known burners, graphite or silicon carbide electrodes are not damaged by partial melting of the surface as a result of short circuits. The plasma burner of the present invention can also be initiated by immersion in an electrically conductive melt, such as a metal. In this way, no special expensive equipment is required to ignite the burner of the invention. In industrial applications, to cope with rough handling and to protect the pipe-shaped electrodes, which are most sensitive to external influences, for greater mechanical strength without increasing the thickness of the material, suitable metallic materials such as heat-resistant steel are used. This is achieved by protecting the tubular electrode with a relatively thin walled jacket (pipe). It melts gradually during operation without disturbing the electrical conditions, so the energy generated by the plasma burner does not change. Such metal pipes around the outer electrode may also reduce erosion of carbon from the outside of the electrode as a result of oxidation or other chemical attack. It is well known that the overall voltage drop of a plasma burner depends on the external physical conditions in which the electrical plasma discharge occurs. Under certain circumstances, the electrode material of the plasma burner of the present invention can react with the liquid in which the electrode is immersed. If such an electrode made of graphite is immersed in molten liquid steel, the carbon will melt into the melt, resulting in an undesirable reaction between the graphite and the steel. Such a melting reaction can be prevented or reduced to a suitable extent by immersing the surface of the outer electrode together with the electrode and coating it with an oxidizing, refractory material. Some of these oxidants include “Gun Clay”, “Gunmix”, “Uniguncast-S”,
There are substances known by trade names such as “Trimrecast,” “Durax1600,” and “H44.” The plasma burner of the present invention can be operated with either direct current or alternating current. As in other gas discharge devices, a power supply with significant voltage drop characteristics is used. Also, the no-load voltage of the power supply must be sufficiently higher than the normal combustion voltage of the burner. In an experiment in which the plasma burner of the present invention was used to heat a metal melt and the electrode part (made of graphite in this case) was immersed in the metal melt, the rod-shaped electrode was slightly retracted from the pipe-shaped electrode, It has been discovered that the voltage and energy increase unexpectedly when the axial distance between the end faces of the electrodes is made substantially larger than the radial distance between the electrodes.
This phenomenon is considered to be due to the following reasons. If both electrodes are of the same length, an electric arc is ignited from the rod-shaped electrode and reaches the bottom of the gas-filled hollow created below the open end of the interior of the electrode structure, after which the current passes through the metal melt to the outer electrode. will return to. Massive evaporation of the metal at the contact surface of the electric arc with the melt causes the electric arc to burn in an atmosphere containing a high density of easily ionizable metal vapor, which can be combined with a feed gas such as nitrogen. , which provides significantly lower voltages than combustion in an atmosphere of vaporizable electrode materials, such as carbon vapor. This is clearly what happens when the rod-shaped electrode is pushed back a considerable length with respect to the pipe-shaped electrode. Plasma of the present invention
One advantage of the burner is that when the electrode is immersed in the melt and ignited, the voltage level at which the burner is operated can be adjusted by adjusting the relative position of the rod electrode to the pipe electrode. Previously known attachment means for opening the melting zone have proven unsatisfactory given the working conditions. There are various types of attached means for this purpose, but the main one is the use of an air drill, which has a limited depth with a spout and is not suitable for use. It could only be used at certain temperatures. In contrast, according to the present invention, the tap can be used even at fairly high temperatures without any restrictions. Electric burner pins basically consist of graphite electrodes connected to the electrical equipment of the furnace. However, it is not possible to have a tap with a limited diameter and sufficient depth in this type of equipment. In addition, the material to be combusted must be sufficiently conductive, which is not always the case in practice. Oxygen blowing usually occurs through a thin iron or steel pipe inserted into the tap. Compared to the plasma burner of the present invention, the co-thermal combustion oxygen pipe makes it difficult to control the size and orientation of the spout. Air blowing with zinc balls is certainly suitable for a clean spout. This effect is due to the instantaneous evaporation of the zinc balls inside the spout. This requires a tap with a certain depth and high temperature. The danger of splashing water is extremely high. The plasma burner of the invention is also suitable for this purpose. The plasma burner of the invention is particularly suitable for transferring heat to melts having relatively high melting or oxidation temperatures. Electric arc heating, resistance heating or induction heating is mainly used for conductive materials. What these devices have in common is that they require separate equipment that is expensive to purchase and operate, take up a lot of space, and are not versatile enough to use varying amounts of melt. That's true. Heating of the melt phase from the furnace, which imparts excessive latent heat, often has an adverse effect on operations. It becomes difficult to carry out the desired chemical reaction under the most favorable temperature conditions. Gas burners are also available, but these become very inefficient thermally in raising the temperature of the melt when normal conventional fuels are used. In addition to the mechanical configuration and energy benefits, the plasma burner of the invention allows a series of metallurgical operations to be carried out with higher yields than is obtainable with other heating devices. In particular, the combination of the plasma burner of the invention with heat retention and blowing of gases and solid particles provides very suitable conditions for chemical reactions between solid and molten phases, gas/molten phases or between molten phases. It is something that can be provided. This condition is due to the control of melt temperature and stirring conditions which allows chemical reactions to occur much more quickly than in conventional methods. Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Referring to FIGS. 1 and 2, the plasma burner of the present invention is made of graphite and has a rod-shaped electrode 1 with a diameter of 30 mm. The rod-shaped electrode 1 has a contact mechanism A consisting of an upper contact member 2 and a lower contact member 3 fixed together by two pairs of screw bolts 4.
is fixed. In a cross section perpendicular to the longitudinal axis of the plasma burner, the lower (or upper) contact member 3 or 2 has a diameter of 30 mm and extends 1 mm below (or above) from the lower (or upper) side of the other contact member. A semicircular groove with a center is formed. This configuration of the contact mechanism allows for a good electrical connection and stable central positioning of the bar electrode without requiring significant precision in electrode manufacturing. The upper contact member 2 is provided with a contact rail 5 for attaching an electric wire. In this example,
For example, the wires are two standard 500A parallel welded cables. Electrical connection of the upper and lower contact members is achieved by bolts 4. Both contact members are provided with four longitudinally connected conduits 6 in series, together with inlet and outlet pipes for cooling water (only one pipe is shown in FIG. 1). The gas required for the operation of the plasma burner (electrically 25-250 N/min) is led through the conduit 8 of the upper contact member 2 into the annular space 9 located around the rod-shaped electrode. This space 9 is the contact member 2
and 3 is formed by enlarging the groove described above at one end. However, the one end portion can also be formed from a plate fixed to the bodies of the contact members 2 and 3. The purpose of the space 9 is to achieve a more uniform diffusion of the gas flow between the rod-shaped electrode and the pipe-shaped electrode. The contact mechanism A of the rod-shaped electrode is electrically insulated from the corresponding contact mechanism B of the pipe-shaped electrode by an insulating plate 10.
The insulating plate 10 is made of a suitable heat-resistant insulating material, such as the material known under the trade names "Syndanyo" or "Marinite." Between the rod electrode and the insulating plate 10 is a relatively narrow annular column through which gas and optionally powder can pass. For example, a plasma burner may be used in conjunction with a tap opening to remove powder material, for example to remove impurities in the metal melt, or to feed alloying components into the metal melt or to lower the melting point of refractory materials. When used for injection, the powder can be fed together with the gas through the conduit 8, passed through the electrode holder, and transferred to the pneumatic device between the two electrodes. The contact mechanism B for the pipe-shaped electrode can be constructed on the same principle as the contact mechanism for the rod-shaped electrode. This contact mechanism consists of an upper contact member 12 and a lower contact member 13, which are joined by two pairs of bolts 14. Furthermore, the contact mechanism includes a contact rail 15 and inlet and outlet pipes 1 for cooling water.
It has a cooling conduit 16 connected to 7 and 18. The grooves of the contact members 12, 13 are sized and shaped to match the outer diameter of the pipe-shaped electrode. Each contact mechanism A and B for the annular electrode 1 and the pipe-shaped electrode 11 as well as the central insulating plate 10 is mechanically connected to a stable substrate 21 made of solid insulating material by means of two pairs of screws 19, 20, respectively. is fixed to. Board 2
The screw holes in 1 are made somewhat larger than the dimensions of the screws 19 so that the contact mechanism A is somewhat adjustable relative to the contact mechanism B, allowing accurate positioning of both electrodes. Open end Preferably, a suitable number of short, relatively thin-walled tubular pieces 22 are placed and positioned between the electrodes about 10-20 cm from the electrodes. For example, 20 to 21 sleeves each having a diameter of 4.5 to 5 mm and a length of about 15 mm are placed between a rod-shaped electrode of 30 mm in diameter and a pipe-shaped electrode of 40 mm in internal diameter. Using a sleeve-like positioning means made of high melting point ceramic materials "Pythagoras" or "Alumina" it was found that when the distance from the sleeve to the forward arc became sufficiently short as a result of erosion of the electrode First, these sleeves evaporate without causing significant operational disturbance. In particular, spacing members of boron nitrate have been found to be particularly suitable. If the burner of the invention is used immersed in a metal melt, the excess pressure applied at the electrode holder must be greater than the pressure in the melt. For example, when immersing 1m in molten iron, at least
0.7 bar is required. In order to prevent large amounts of gas from leaking, a suitable packing agent is applied to the contact members 2 and 2, respectively.
It is placed between 3, 12, and 13. Furthermore, it is also possible to use particularly dense graphite,
Also, if necessary, a particularly thick material can be used in the pipe electrode to prevent diffusion of gas from the pipe wall. In the latter case, it is undesirable for gas to be generated from the electrode surface. The standard dimensions and standard working conditions for AC matching are as follows.

【表】【table】

【表】 ある状態での使用における電極に発生するオー
ム熱pel.の多少の部分は利用できないので、熱効
率は最高及び最低値で示す電極の長さが長くなる
と冷却水の損失が減少する。同時にpel.が他の条
件が同様の場合に電極長さと比例して増加する。
任意の効果を得るための効率は電圧の上昇と共に
増加する。 第3図を参照して、プラズマ バーナーは任意
の公知の方法で作られた静止または可動リング3
1内に取付けられており、ここでは電極保持具は
モーター34によつて駆動されるスピンドルなど
によつてスライド33内を上下動することができ
る。このようにすることによつて電極構造物35
の金属融解物36内での浸漬量Hを調整できる。
電極構造物35の傾斜は、例えば液圧シリンダー
38によつてシヤフト37の周りにスライド33
を回すことによつて調整できる。電流、ガス及び
冷却水はケーブル及びホースを通じて供給され
る。要すれば水冷式電流ケーブルを使用すること
によつて別の冷却水ホースを使用することを回避
できる。 第4図においてはプラズマ バーナー41は公
知の方法で作られたリグ42上に取付けられてお
り、これはトラツクに沿つて移動可能で、炉のポ
ツト44のゆつくりとした回転または振動運動に
追従するようになつている。スライド及びウオー
ム機構45及び傾斜角度の調整用液圧シリンダー
47によつてバーナーの湯口46への導入の制御
が行われる。プラズマ バーナーの電流供給手段
は定位置に設けられるか、あるいはリグ上に取付
けて設けられる。
[Table] Since some portion of the ohmic heat pel. generated in the electrode in a given state of use is not available, the thermal efficiency is indicated by the highest and lowest values.As the length of the electrode increases, the loss of cooling water decreases. At the same time, pel. increases in proportion to the electrode length when other conditions are similar.
The efficiency to obtain any effect increases with increasing voltage. Referring to FIG. 3, the plasma burner includes a stationary or movable ring 3 made by any known method.
1, in which the electrode holder can be moved up and down within the slide 33 by a spindle driven by a motor 34 or the like. By doing this, the electrode structure 35
The amount H of immersion in the metal melt 36 can be adjusted.
The inclination of the electrode structure 35 is caused by sliding 33 around the shaft 37, for example by means of a hydraulic cylinder 38.
It can be adjusted by turning. Electrical current, gas and cooling water are supplied through cables and hoses. By using a water-cooled current cable, the use of separate cooling water hoses can be avoided if desired. In FIG. 4, the plasma burner 41 is mounted on a rig 42 made in a known manner, which is movable along a track and follows the slow rotational or oscillatory movement of the pot 44 of the furnace. I'm starting to do that. The introduction of the burner into the sprue 46 is controlled by a slide and worm mechanism 45 and a hydraulic cylinder 47 for adjusting the inclination angle. The plasma burner's current supply means may be provided in place or mounted on the rig.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の実施例を示すプラズマ バー
ナーの正面縦断面図、第2図は第1図の電極保持
具の縦断面図、第3図は第1図のプラズマ バー
ナーを導電性流体中に浸漬する状態を示す一部縦
断側面図、第4図は第1図のプラズマ バーナー
を電気融解炉中の開口湯口に使用する状態を示す
側面図である。 1……棒状電極、2,3……棒状電極1の保持
具、10……絶縁板、11……パイプ状電極、1
2,13……パイプ状電極11の保持具、21…
…絶縁支持基板、22……間隔保持部材。
FIG. 1 is a front vertical cross-sectional view of a plasma burner showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of the electrode holder shown in FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a side view showing the plasma burner of FIG. 1 used in an open sprue in an electric melting furnace. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Rod-shaped electrode, 2, 3... Holder for rod-shaped electrode 1, 10... Insulating plate, 11... Pipe-shaped electrode, 1
2, 13... Holder for pipe-shaped electrode 11, 21...
...Insulating support substrate, 22... Spacing member.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 管状又は棒状のプラズマにより消耗される材
料からなる内側電極1と、この内側電極1と同軸
配置された内側電極1と同様の材料からなり実質
的な厚みを有する管状外側電極11、及びこれら
の電極1,11を保持するための電極保持具を備
え、前記電極保持具には前記内側及び外側電極
1,11をそれぞれ電源に接続する電線を支持す
るための接触レール部材5,15と、前記内側電
極1の先端と外側電極11の先端との間における
電極領域に電孤を生成するためのガスを供給する
導管8とを装備し、前記各電極の材料及び径寸法
を、それらの軸方向における長さ消耗速度が連続
的に等しく、かつそれらの先端部の形状及びプラ
ズマ環境条件が実質上一定に維持されるように選
択したことを特徴とするプラズマバーナー。 2 電極保持具が外側電極11から突出した内側
電極1の部分を接触挟持するための一対の後部接
触保持部材2,3及び外側電極11の一部を接触
挟持するための一対の前部接触保持部材12,1
3からなり、これら前部及び後部接触保持部材間
には絶縁板10を配置するとともに、各一対の保
持部材はそれぞれ一体性を維持して絶縁基板21
に固定されたことを特徴とする特許請求の範囲第
1項記載のプラズマバーナー。 3 各一対の電極保持部材2及び3、並びに12
及び13がれぞれ保持すべき電極の外径に対応す
る互いに向かい合つた半円筒溝を有する接触保持
部材2及び3、並びに12及び13からなり、そ
れぞれ締付ボルト4並びに14で互いに固定する
ことにより各一対の一体性を維持するようにした
ことを特徴とする特許請求の範囲第2項記載のプ
ラズマバーナー。 4 内側電極1の保持部材2,3が前記内側電極
の周囲に位置する環状空間9を有し、この環状空
間を絶縁板の環状空間を介して電極1,11間の
流体通路及び外部ガス源に接続するようにしたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第2項又は第3項
記載のプラズマバーナー。 5 内側電極1を外側電極11に関し軸方向変位
可能に支持したことにより、電極1,11の自由
端間の軸方向距離を調整可能としたことを特徴と
する特許請求の範囲第1〜4項のいずれか1項に
記載のプラズマバーナー。 6 外部電極11が金属材料の薄壁からなるジヤ
ケツトに包囲され、動作中においてこの金属材料
が電気的条件を乱すことなく融解するものである
ことを特徴とする特許請求の範囲第1〜5項のい
ずれか1項に記載のプラズマバーナー。 7 電極1,11が、それら電極の自由端からあ
る距離を置いて内側電極の周囲に分配された複数
の電気絶縁片22により互いに位置ぎめされてい
ることを特徴とする特許請求の範囲第1〜6項の
いずれか1項に記載のプラズマバーナー。
[Claims] 1. A tubular or rod-shaped inner electrode 1 made of a material that is consumed by plasma, and a tubular outer part made of the same material as the inner electrode 1 and having a substantial thickness and coaxially arranged with the inner electrode 1. The electrode holder includes an electrode 11 and an electrode holder for holding the electrodes 1 and 11, and the electrode holder includes a contact rail member for supporting electric wires connecting the inner and outer electrodes 1 and 11 to a power source, respectively. 5, 15, and a conduit 8 for supplying gas for generating an electric arc to the electrode region between the tip of the inner electrode 1 and the tip of the outer electrode 11, and the material and diameter of each electrode are selected such that their axial length wear rates are continuously equal and their tip shape and plasma environmental conditions are maintained substantially constant. 2. A pair of rear contact holding members 2, 3 for contacting and holding the part of the inner electrode 1 that the electrode holder protrudes from the outer electrode 11, and a pair of front contact holding members for contacting and holding a part of the outer electrode 11. Member 12,1
3, an insulating plate 10 is disposed between these front and rear contact holding members, and each pair of holding members maintains their integrity and is attached to an insulating substrate 21.
The plasma burner according to claim 1, characterized in that the plasma burner is fixed to. 3 Each pair of electrode holding members 2 and 3, and 12
and 13 consist of contact holding members 2 and 3 having semi-cylindrical grooves facing each other corresponding to the outer diameter of the electrode to be held, and 12 and 13, and are fixed to each other with tightening bolts 4 and 14, respectively. 3. The plasma burner according to claim 2, wherein the integrity of each pair is maintained by this. 4 The holding members 2 and 3 of the inner electrode 1 have an annular space 9 located around the inner electrode, and this annular space is connected to a fluid passage between the electrodes 1 and 11 and an external gas source through the annular space of the insulating plate. A plasma burner according to claim 2 or 3, characterized in that the plasma burner is connected to a plasma burner. 5. Claims 1 to 4 characterized in that the inner electrode 1 is supported so as to be axially displaceable with respect to the outer electrode 11, so that the axial distance between the free ends of the electrodes 1 and 11 can be adjusted. The plasma burner according to any one of the above. 6. Claims 1 to 5, characterized in that the external electrode 11 is surrounded by a jacket made of a thin wall of a metal material, and the metal material melts during operation without disturbing the electrical conditions. The plasma burner according to any one of the above. 7. The electrodes 1, 11 are positioned relative to each other by a plurality of electrically insulating strips 22 distributed around the inner electrode at a distance from the free ends of the electrodes. The plasma burner according to any one of items 1 to 6.
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