JPS6229879B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

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。

【表】

【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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims (1)

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。