JPH08118027A - プラズマジェットの広幅化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、鋼材など金属材料の加熱に際し、
被処理材にプラズマジェットを直接当てる方法におい
て、プラズマジェットを広幅化し、特に被処理材が板材
の場合のように、広い範囲を加熱する際の具体的な手段
を提供することにより、プラズマジェットによる金属材
料の工業的な熱処理の実施を実現する。 【構成】 プラズマトーチの外ノズルより噴射するプラ
ズマジェットに、外ノズルの中心軸線と交差する方向で
プラズマジェットを広幅化させるための広幅化ガスを２
ケ所から同時に噴出し、プラズマジェットを広幅化させ
る方法において、広幅化用ガス噴出角度をそれぞれ２０
°以下の角度にする。 【効果】 広幅化用ガスの噴出方向を切り替えによるプ
ラズマジェットの揺動方式に対して切替え装置が不要と
なり、広幅化ガス噴出角度の調整のみの簡単な構成でプ
ラズマジェットの広幅化が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気アーク放電により
プラズマ化した高温ガス噴射すなわちプラズマジェット
の広幅化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼材など金属材料の加熱に際して、プラ
ズマトーチから噴射されるプラズマジェットを被熱処理
材に直接当てる方法が知られている。この方法は、被処
理材が急速に加熱されること、無酸化性あるいは還元性
のプラズマを採用することにより、酸化スケールのない
処理材が得られるの等の利点がある。

【０００３】しかし、このような高密度エネルギーを利
用する場合は、被処理材の狭い領域にエネルギーを集中
させるため、プラズマジェットの照射面積が極度に限定
されるので、鋼板などの広い範囲を加熱するには、プラ
ズマトーチを多数配置するか、あるいはプラズマトーチ
を機械的に振らせて照射面積を拡大することが必要とな
る。

【０００４】特開昭５４−２４２４９号公報には、鋳造
金属材又は圧延金属材の表面の欠陥金属材表面を移行式
のプラズマジェットトーチで溶融させることにより除去
する、欠陥除去方法が提示されている。幅広い欠陥除去
を行うために、プラズマジェットトーチと金属材との間
に電磁石コアが配置され、これがトーチから金属材に移
行するアークすなわちプラズマアーク電流に対して直交
する磁界を及ぼし、プラズマ電流を偏向させる。電磁石
の通電方向に交互に反転することにより、プラズマアー
ク電流が往復動して金属表面を走査する。これにより幅
広い面積の欠陥除去が行われる。特開昭５４−２４２４
９号公報には、移行式のプラズマ電流と金属材との間に
電気コイルを介挿し、これによりプラズマアーク電流を
往復動させる態様も開示されている。

【０００５】一方、非移行式のプラズマアークは、高温
局部加熱が特徴であるが、鋼板のミクロンオーダーでの
表面処理では均一で広範囲な熱源が必要となるため、非
移行式のプラズマジェット広幅化装置はなかった。

【０００６】そこで、本出願人は内ノズル部材と外電極
部材の間に断熱カラーを介挿してプラズマノズルからプ
ラズマ噴射口に進むプラズマ流路を囲み、断熱カラーを
横切る磁束を発生させる電気コイルを備える非移行式の
プラズマジェットトーチを提示した（特開平４−２７９
２８４号公報）。これによれば磁束をかける位置をトー
チ内のアーク電流の狭窄している部位として作用させて
いる、すなわちプラズマアーク電流は元部で磁界の作用
を受けて偏向するので、比較的小さい電気コイルで大き
な偏向量を得ることが出来、プラズマジェットはコイル
に流れる電流の方向及び大きさに対応して揺動する。

【０００７】更に、本出願人等は特開平５−２３４６９
５号公報にガス噴射方式によるプラズマジェットの揺動
技術を提示した。これによれば、プラズマトーチの外ノ
ズルより噴射するプラズマジェットにプラズマノズルの
中心軸線と交差する方向に広幅化用ガスを交互に噴出す
ることによりプラズマジェットを前記方向に揺動させる
ことで、プラズマジェットを広幅化する態様が示されて
いる。また、これに用いられるプラズマトーチは図４に
示すように、広幅化用ガスを広幅化ガス供給管から同時
に噴出することにより、プラズマジェットを広幅化する
方法にも言及している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
において、磁場をかけてプラズマジェットを揺動させる
場合は意図しない外ノズル電極の蒸発現象が発生する問
題がある。また上記特開平５−２３４６９５号公報では
揺動用ガスを交互に供給するためのガス切替え装置が必
要で、揺動用ガスの切替え周波数が被処理材の通板速度
に機械的に追従出来ず、またプラズマジェットの鋼板等
への照射時の温度パターンにピークが存在するという問
題点があった。

【０００９】本発明は、鋼材など金属材料の加熱に際
し、被処理材にプラズマジェットを直接当てる方法にお
いて、プラズマジェットを広幅化し、特に被処理材が板
材の場合のように、広い範囲を均一に加熱する際の具体
的な手段を提供することにより、プラズマジェットによ
る金属材料の工業的な熱処理の実施を実現することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する手段
としての本発明の要旨とするところは、プラズマトーチ
の外ノズルより噴射するプラズマジェットに、外ノズル
の中心線と交差する方向でプラズマジェットを広幅化さ
せるための広幅化ガスを対向する２ケ所から同時に噴出
し、プラズマジェットを広幅化させる方法において、２
ケ所の広幅化ガス噴出角度をそれぞれ２０°以下とする
ことを特徴とするプラズマジェット広幅化方法である。
ここで広幅化ガス噴出角度は外ノズルの中心先と直交す
る平面と広幅化ガス噴出方向とのなす角度を意味する
（図３（ｃ）参照）。

【００１１】

【作用】本発明者等は２個の広幅化ガス噴出口からプラ
ズマジェットにノズルの中心軸線と交差する方向に広幅
化用ガスを同時に噴出しプラズマジェットに当てると、
プラズマジェットは噴射された広幅化ガスと中心軸上で
交差し、プラズマジェットは広幅化用ガス噴射方向と直
角方向へ広がること、プラズマジェットの加熱用ガス
量、電極ガス量、広幅化用ガス量、広幅化ガス噴出角度
を変えることにより任意のプラズマジェットの広幅化が
可能となることなどから、広い範囲を均一に加熱するた
めの条件を見い出すために実験を行った。

【００１２】即ち、図３に示すようなプラズマトーチを
用いてプラズマガス量（電極ガス＋加熱用ガス）、広幅
化ガス量を一定とし、広幅化ガス噴出角度を変えて鋼板
を加熱した。広幅化ガス噴出角度とは図３（ｃ）に示す
ように、プラズマトーチの外ノズル中心線と直交する平
面と広幅化ガス噴出方向とのなす角度である。図３
（ａ）に示すようにプラズマジェットのノズルから広幅
化用ガスを噴出させながら鋼板にプラズマを照射し鋼板
温度を測定した。広幅化ノズルの噴出方向と鋼板の移動
方向は同じである。プラズマガスは鋼板の移動方向とは
直角方向に広がっており（広幅化方向と称する）、鋼板
の温度は図３（ｂ）に示すように広幅化方向と同方向に
同一間隔（４０mm）で測定した。

【００１３】その結果、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、
（ｄ）の温度曲線を得た。図２（ａ）は広幅化ガス噴出
角度が１０°の場合、図２（ｂ）は広幅化ガス噴出角度
が１５°の場合、図２（ｃ）は広幅化ガス噴出角度が２
０°の場合、図２（ｄ）は広幅化ガス噴出角度が２２°
の場合である。この結果によれば、外ノズル中心線に対
して広幅化用ガス噴出角度が大きいと温度ピークが生
じ、充分な広幅化が得られず（図２（ａ））、また小さ
すぎるとプラズマガスを遮ることになり、温度が低くな
り所要の温度が得られないことがわかる（図２
（ｄ））。

【００１４】この結果に基づいて、加熱範囲の広幅化、
均一化および高温化という観点から、この温度分布曲線
を検討した。この温度曲線において板温度１０００℃の
線と温度曲線によって囲まれる領域、即ち図２（ａ）〜
（ｄ）の縦線部を（ｓｊ）とし、板温度１０００℃の線
と板温度の最大値によって囲まれる長方形の領域、即ち
図２（ａ）〜（ｄ）の斜線部を（ｓｓ）とし、両者の比
（ｓｊ／ｓｓ）を板温度平坦度指数とした。

【００１５】即ち、この板温度平坦度指数は、プラズマ
ジェットによる加熱範囲がどの程度広幅で均一かつ高温
に加熱されたかの指標となり、この値が大きい程加熱状
況は優れていると言える。

【００１６】さらに、この板温度平坦度指数とプラズマ
ガス噴出角度との関係を調査した。その結果を図１に示
す。この図からわかるように、プラズマガス噴出角度を
２０°以下とすれば板温度平坦度指数（ｓｊ／ｓｓ）が
５０％以上となり、即ち温度ピークを生ぜず、プラズマ
照射した熱が鋼板に均一に伝わり（図２（ｃ））、目的
に叶った加熱をすることが出来る。広幅化ガス噴出角度
の下限について、特に限定するものではないが、角度が
小さすぎるとプラズマガスを遮り、所要の温度が得られ
難くなることと、広幅化ガス供給管およびノズルが溶損
し易くなるので好ましくは５°以上とするのが良い。

【００１７】このように本発明によれば、プラズマジェ
ットの広幅化が広幅化ガス噴出角度の調整のみで可能で
あるため、前述のような磁場による意図しない電極の蒸
着現象を避けることが出来、また揺動用ガス供給用装置
を必要とせず、簡単な手段で広幅化が達成できる。従っ
て１本のプラズマトーチにより、鋼板等の金属材料を広
範囲に亘って加熱することが出来る。

【００１８】さらに、還元性ガス、あるいは不活性ガス
のプラズマジェットを用いれば、酸化スケールを形成す
ることなく、金属材料を広範囲に熱処理出来る。また、
還元性雰囲気炉において、被処理材の入り側で本発明法
を採用して非酸化性のプラズマジェットで急速加熱を行
い、ヒーター等で所定温度に保持すれば、従来の還元性
雰囲気炉を大幅に短縮することが出来る。

【００１９】プラズマトーチの加熱ガスとして還元性ガ
スを、広幅化用ガスに還元性ガスまたは不活性ガスを使
用して、プラズマジェット流を広幅化させることにより
金属表面、パイプ材表面または線材表面上の酸化被膜を
還元作用により広範囲に除去しうる。また、加熱ガスお
よび広幅化ガスに不活性ガスまたは活性ガスを使用して
プラズマジェット流を広幅化させることにより広範囲に
高温の熱照射を行え、広範囲な金属、非金属の溶解、焼
き入れ、焼き戻し等が可能となる。

【００２０】さらに、プラズマジェットトーチを加工材
料に斜めに照射することにより、より均一で広範囲な熱
照射が可能となり、また、プラズマジェットトーチを照
射面に対し平行に近い角度にして広幅化されたプラズマ
ジェット流により照射すればより均一な熱源が可能とな
る。なお、広幅化ガスを常温で使用しても良いが、予熱
した高温ガスを使用すればより加工材に対して効果は大
となる。

【００２１】

【実施例】図４及び図５に示したプラズマトーチを用い
て鋼板１５を加熱した。ここでプラズマ電流を２００〜
５００Ａ、加熱ガス（水素ガス使用）（４０〜６０）〜
（２００〜３００）Nl／min 、電極ガス（アルゴンガス
使用）を２０〜５０Nl／min 、広幅化ガス（窒素ガス使
用）を供給管９を介して５０〜２５０Nl／min でそれぞ
れ供給し、本実施例では広幅化ガス噴出角度を２０°と
して、鋼板１５をプラズマジェットを照射させながら移
動させた場合に鋼板１５の酸化表面を広範囲に亘って還
元出来た。そのときの還元領域の幅は広幅化ガスを適切
にしなかった場合の３倍以上の幅を得ることが出来た。

【００２２】

【発明の効果】以上の通り本発明によれば、プラズマジ
ェットを中心軸線に対して広幅化させるので、広い幅で
加工対象材表面が高温のプラズマジェットにさらされ
る。また、プラズマジェットの広幅化ガスと広幅化ガス
噴出角度の調整のみの簡単な構成で可能であり、さら
に、プラズマジェットの揺動は板表面に対して移動する
ため均一な照射が困難なのに対して本発明では鋼板に常
時プラズマジェットが照射されるため安定した均一な加
熱が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】広幅化ガス噴出角度とプラズマジェットの熱影
響部（ｓｊ）と板温度１０００℃以上と板温度最大値に
よって囲まれた長方形（ｓｓ）との比（ｓｊ／ｓｓ：板
温度平坦度指数）の関係を示す図。

【図２】（ａ）は鋼板にプラズマジェットを照射した際
の鋼板の温度曲線を示す図であり、広幅化ガス噴出角度
が１０°の場合、（ｂ）は広幅化ガス噴出角度が１５°
の場合、（ｃ）は広幅化ガス噴出角度が２０°の場合、
（ｄ）は広幅化ガス噴出角度が２２°の場合をそれぞれ
示す。

【図３】（ａ）鋼板に広幅化ガスを噴出しながらプラズ
マジェットを照射している状況を示す図、（ｂ）は鋼板
の測温場所を示す図、（ｃ）は広幅化ガス噴出角度を説
明する図。

【図４】広幅化用プラズマトーチの具体例を示し、図５
のＩ−Ｉ断面図。

【図５】図４に示すプラズマトーチの下面図。

【符号の説明】

１ 電極 ２ チャック ３ キャップ ４ 電極台 ５ 基幹 ６ 内ノズル部材 ６ｎ 内ノズル ７ センターリングストーン ８ 外ノズル部材 ８ｎ 外ノズル ９₁ ，９₂ 広幅化ガス供給管 １４ 絶縁カラー １５ 鋼板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマトーチの外ノズルより噴射する
   プラズマジェットに、外ノズルの中心軸線と交差する方
   向でプラズマジェットを広幅化させるための広幅化ガス
   を対向する２ケ所から同時に噴出し、プラズマジェット
   を広幅化させる方法において、２ケ所の広幅化ガス噴出
   角度をそれぞれ２０°以下とすることを特徴とするプラ
   ズマジェット広幅化方法。