KR20090030588A - 플라즈마 토치장치 및 플라즈마를 이용한 반광 처리방법 - Google Patents

Abstract

플라즈마 토치장치 및 플라즈마를 이용한 반광 처리방법이 제공된다.

상기 플라즈마 토치장치는, 장치 바디부와, 상기 장치 바디부의 내측에 구비되어 방전을 통한 플라즈마를 발생시키는 전극부 및, 상기 장치바디부에 일체로 구비되어 전극부측에 가스를 공급하고, 장치를 냉각시키는 바디 일체형 가스통로와 냉각수통로를 포함하여 구성되고, 또한 상기 전극부 주변에 배치되되 공급 가스를 트위스팅 시키어 전극부에서의 아크점 이동으로 전극부 마모를 방지토록 구성된 가스 트위스팅 수단을 더 포함하는 한편, 상기 전극부 주변에 배치되되 전자흐름을 조정하여 토치효율을 향상토록 구성된 자석수단을 더 포함할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 플라즈마 제트의 길이와 지름 등의 제어를 가능하게 하고, 냉각수와 매질 통로들을 일체화하여 더욱 콤팩트한 토치장치를 제공하며, 특히 전극부 마모를 억제하여 장치의 수명을 향상시키는 한편, 궁극적으로는 소정입도의 반광들을 반광 덩어리로 용융 결합시키는 반광 처리시, 전력소비를 최소화하면서 그 생산성은 향상시키는 개선된 효과를 얻을 수 있다.

플라즈마, 플라즈마 가열, 플라즈마 토치장치, 반광처리

Description

플라즈마 토치장치 및 플라즈마를 이용한 반광 처리방법{Plasma Torch Devide and Method for Treating Return Ores by using Plasma}

본 발명은 플라즈마 토치장치 및 플라즈마를 이용한 반광 처리방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 플라즈마 제트의 길이와 지름 등의 제어를 가능하게 하고, 냉각수와 매질 통로들을 일체화하여 더욱 콤팩트한 토치장치를 제공하며, 특히 전극부 마모를 억제하여 장치의 수명을 향상시키는 한편, 궁극적으로는 소정입도의 반광들을 반광 덩어리로 용융 결합시키는 반광 처리시, 전력소비를 최소화하면서 그 생산성은 향상시키는 플라즈마 토치장치 및 플라즈마를 이용한 반광 처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 대상물을 고열로 용융시키는 용사,용융 공정을 위한 플라즈마 토치는 고온, 고속의 플라즈마 제트를 발생시키기에 적합한 원뿔 형태의 캐소드와 애노드(노즐)와, 전극 사이의 절연체와, 기체 공급 구조 및 토치 주요부의 냉각을 위한 냉각 구조 등으로 구성된다.

그런데, 플라즈마 용사,용융 공정은 플라즈마 제트를 이용하여 대상물 예컨대, 분말이나 고열이 가해지면 용융되는 물질을 순간적으로 용융시킨다.

그러나, 지금까지 알려진 대부분의 플라즈마 토치는, 플라즈마 제트 예를 들어, 제트의 크기나 길이 등을 장치를 통하여 쉽게 변경시키는 제트 제어가 어려운 것이었다.

또한, 플라즈마 토치에 공급하는 매질인 기체 공급 구조(통로)와 플라즈마 토치를 냉각시키기 위한 냉각수통로(냉각수의 공급, 순환, 배출구조)가 토치 바디와 일체화되지 않기 때문에, 전체적으로 플라즈마 토치의 구조가 복잡하고 그 만큼 콤팩트한 토치의 제공이 어려운 문제가 있었다.

그리고, 아크가 발생하는 캐소드와 애노드 간 마모가 심하게 발생되어 캐소드와 애노드를 자주 교체해야 하는 문제가 있었다.

예를 들어, 이와 같은 전극 부분의 마모는, 그 만큼 토치를 이용한 생산성을 저하시키고 제조비용도 상승한다.

한편, 소정입도의 반광들을 플라즈마 토치장치의 플라즈마를 이용하여 반광 덩어리로 용융 결합시키는 반광 처리방법이 있는데, 알려진 플라즈마 토치장치는 반광 처리시 플라즈마 제트(화염)의 길이나 직경의 조정이 어려운 것이었다.

이에 따라서, 본 발명의 출원인은 상기 종래 문제점을 해소하면서, 상기 특허출원에서 개시된 반광 처리를 위한 플라즈마 토치장치를 게선하여, 보다 콤팩트한 플라즈마 토치장치를 제공하고, 이를 이용하여 반광 처리시 전력소비를 억제하면서 반광 처리 생산성을 배가시킨 본 발명을 제안하게 되었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로서 그 목적 측면은, 플라즈마 제트의 길이와 지름 등의 제어를 가능하게 하고, 냉각수와 매질 통로들을 일체화하여 더욱 콤팩트한 토치장치를 제공하게 하며, 특히 전극부 마모를 억제하여 전체적인 장치의 수명을 향상시키는 콤팩트한 플라즈마 토치장치를 제공하는 데에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적 측면은, 상기 콤팩트한 플라즈마 토치장치를 이용하여 궁극적으로 소정입도의 반광들을 토치장치를 이용 반광 덩어리로 용융 결합시키는 반광 처리시, 전력소비를 최소화하면서 반광 생산성은 향상시키는 플라즈마 를 이용한 반광 처리 방법을 제공하는 데에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 일측면의 일 실시예로서 본 발명은, 장치 바디부;

상기 장치 바디부의 내측에 구비되어 방전을 통한 플라즈마를 발생시키는 전극부; 및,

상기 장치바디부에 일체로 구비되어 전극부측에 가스를 공급하고, 장치를 냉각시키는 바디 일체형 가스통로와 냉각수통로;

를 포함하여 구성된 플라즈마 토치장치를 제공한다.

또한, 기술적인 일측면의 다른 실시예로서 본 발명은, 장치 바디부;

상기 장치 바디부의 내측에 구비되어 방전을 통한 플라즈마를 발생시키는 전극부; 및,

상기 전극부 주변에 배치되되 공급 가스를 트위스팅 시키어 전극부에서의 아크점 이동으로 전극부 마모를 방지토록 구성된 가스 트위스팅 수단;

을 포함하여 구성된 플라즈마 토치장치를 제공한다.

그리고, 기술적인 일측면의 또 다른 실시예로서 본 발명은, 장치 바디부;

상기 장치 바디부의 내측에 구비되어 방전을 통한 플라즈마를 발생시키는 전극부; 및,

상기 전극부 주변에 배치되되 전자흐름을 조정하여 토치효율을 향상토록 구성된 자석수단;

을 포함하여 구성된 플라즈마 토치장치를 제공한다.

그리고, 기술적인 다른 측면으로서 본 발명은, 플라즈마를 이용한 반광 처리 방법에 있어서, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 토치장치에 공급되는 가스 유량과 토치장치에 구비된 전극부를 구성하는 애노드의 플라즈마 방출 노즐부의 직경을 조정하여 플라즈마 제트의 길이와 직경을 서로 다르게 조절한 2개 이상의 토치장치들을 통하여 반광을 처리하도록 구성된 플라즈마를 이용한 반광 처리 방법을 제공한다.

이와 같은 본 발명의 플라즈마 토치장치에 의하면, 플라즈마 제트의 길이와 지름 등의 제어를 가능하게 하고, 냉각수와 매질 통로들을 일체화하여 더욱 콤팩트한 토치장치를 제공하게 하며, 특히 전극부 마모를 억제하여 장치의 수명을 향상시키는 우수한 효과를 제공한다.

또한, 본 발명의 플라즈마를 이용한 반광 처리 방법에 의하면, 소정입도의 반광들을 토치장치를 이용 반광 덩어리로 용융 결합시키는 반광 처리시, 전력소비를 최소화하면서 반광 생산성은 향상시키는 다른 우수한 효과를 제공하는 것이다.

이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

다만, 도 1 및 도 2에서는 본 발명의 플라즈마 토치장치(1)의 전체 구성을 각각 조립상태도 및 분해 사시도로 도시하고 있고, 도 3 내지 도 14에서는 본 발명의 각각의 구성부품을 도시하고 있으며, 도 15에서는 본 발명의 플라즈마 토치장치의 조립상태를 도시하고 있고, 도 16에서는 도 1 내지 도 15에서 도시한 본 발명의 플라즈마(토치장치)를 이용한 반광 처리 방법을 도시하고 있다.

예컨대, 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 토치장치(1)는 기본적으로 장치바디부(10)와 상기 장치바디부(10)의 내측에 구비되어 방전을 통한 플라즈마를 발생시키는 전극부(50)를 포함하여 구성되어 있다.

따라서, 다음에 상세하게 설명하듯이, 도 1 및 도 2와 같이, 장비 바디부(10)를 통하여 가스(매질)(G)가 공급되고 고전압(고주파 인가도 가능)이 인가된 전극부(50)에서의 아크 방전을 통하여 플라즈마 제트를 통한 플라즈마 프레임(화염)(도 16의 F1,F2 참조)을 발생시키어 대상물 즉, 반광 등의 용융 결합을 가능하 게 한다.

이때, 본 발명의 토치장치에서는 가스 종류로 에어 또는, 질소가스(N₂) 등을 사용해도 되는데, 본 실시예에서는 가스로 일괄하여 설명한다. 다만, 질소가스는 비용 부담이 되기 때문에, 에어를 사용하여도 본 발명의 토치장치에서는 원하는 출력(가열온도)를 구현할 수 있다.

한편, 도 1 및 도 2와 같이, 이와 같은 본 발명의 플라즈마 토치장치(1)는, 상기 장치바디부(10)에 일체로 구비되어 전극부(50)측에 가스를 공급하고, 장치를 냉각시키는 바디 일체형 가스통로(60)와 냉각수통로(70)를 포함한다.

더하여, 본 발명의 플라즈마 토치장치(1)는, 상기 전극부(50) 주변에 배치되되 공급 가스를 트위스팅 시키어 전극부에서의 아크점 이동으로 전극부 마모를 방지토록 구성된 가스 트위스팅 수단(80)을 더 포함한다.

또한, 본 발명의 플라즈마 토치장치(1)는, 다음에 상세하게 설명하듯이 상기 전극부(50) 주변에 배치되되 전자흐름을 조정하여 토치효율을 향상토록 구성된 자석수단(90)을 더 포함한다.

이때, 본 발명의 플라즈마 토치장치(1)에서 상기 전극부(50)는, 장치 바디부(10)의 내측에 구비되고 캐소드(52)와 그 전방으로 아크 방전토록 간격을 두고 배치되되 분해 조립이 용이한 애노드(54)로 구성되어 있다.

따라서, 가스가 공급되고 고 전압이 캐소드와 애노드에 인가되면 플라즈마 즉, 공급되는 가스의 유량에 따라 가변되는 플라즈마 제트류를 형성하면서 애노 드(54)의 노즐부(54a)를 통하여 플라즈마 프레임(화염)을 분출시킨다.

결국, 이와 같은 본 발명의 토치장치(1)는, 다양한 인자를 이용한 플라즈마 제트의 제어가 가능한데, 예를 들어 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 플라즈마 제트의 길이와 직경을 애노드(54)의 노즐(54a) 지름을 변경하거나, 공급하는 가스 유량을 변경하여 쉽게 조절할 수 있다.

예컨대, 먼저 가스 유량을 적게 하면 플라즈마 제트의 길이는 짧아지고, 넓은 범위의 가열은 가능하지만 그 대신 온도는 낮다.

반대로, 가스 유량을 증대시키면 플라즈마 제트의 길이는 길어지면서 좁은 범위(면적)의 가열이 가능하고, 온도는 높은 특성을 제공한다.

따라서, 플라즈마 제트(실제로는 플라즈마 프레임(화염))의 길이와 직경의 조절은 다음에 설명하는 반광 처리시 유용하게 적용 시킬 수 있다.

또한, 굳이 반광 처리가 아니더라도 용융 또는 용사 시키는 대상물의 상태에 대응하여 보다 효과적인 플라즈마 가열 처리를 가능하게 할 것이다.

예를 들어, 앞에서 종래 기술에서 제시한 대한민국 특허출원 10-2006-0133199에서 개시된 소정입도의 반광들을 플라즈마 토치장치의 화염을 이용하여 반광 덩어리로 용융 결합시키는 경우, 반광 처리에 대한 최적의 플라즈마 제트를 구현할 수 있다. 즉, 반광 처리에 적당한 가스 유량은 15 ~17 L/min 이다.

이때, 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기 캐소드(52)와 애노드(54)의 간격을 조정하여도 플라즈마 제트의 형태를 조절할 수 있다.

다음에 상세하게 설명하듯이, 본 발명의 플라즈마 토치장치(1)는 모드 구성 부품들이 쉽게 분해 및 조립되기 때문에, 도 12 및 도 13에서 도시한 캐소드(52)에 간격을 두고 배치되는 애노드(54)를 쉽게 분해하여 간격이 조정되는 상태로 재 조립하는 것이 간편하고, 이는 애노드와 캐소드 간격 조정을 용이하게 할 것이다.

한편, 도 2 및 도 12에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 토치장치에서 상기 캐소드(52)의 팁(52a) 부분은 텅스턴으로 형성시키거나 표면을 텅스턴 처리하는 것이 바람직한데, 이는 아크 방전이 이루어 지는 애노드 팁 부분의 마모를 줄이도록 할 것이다.

그리고, 도 1,2 및 도 13과 같이, 앞에서 설명한 본 발명의 전극부(50)에서 상기 애노드(54)는, 외연이 확대되는 원통체로 그 내부에 플라즈마 노즐부(54a)가 형성된다.

따라서, 상기 노즐부의 직경을 여러 형태로 형성시킨 애노드를 준비하고 플라즈마 가열 조건에 대응하여 쉽게 조립 사용할 수 있다.

특히, 도 13에서 도시한 바와 같이, 이와 같은 본 발명의 애노드(54)의 노즐부(54a) 일부분은 단차(54b)져 형성되어 있다.

따라서, 이와 같은 본 발명의 애노드는 단차 부분에서 플라즈마의 와류를 유도하여 그 플라즈마 프레임을 확장시키기 때문에, 그 만큼 플라즈마를 이용한 가열시 그 열 효율을 더 향상시킬 것이다.

한편, 도 13에서 도시한 바와 같이, 상기 애노드(54)의 외연이 확대된 부분에는 조립을 위한 조립돌기(54c)가 형성되는데, 이와 같은 조립돌기는 장치바디부(10)의 제1 금속바디부(20)의 케이싱(26)과의 조립시 고정되는 부분이다.

이때, 상기 케이싱(26)에는 조립시 스크류 조작을 위한 오목홈부(26a)가 형성되어 있다.

따라서, 상기 케이싱(26)을 분해하기만 하면 애노드(54)는 쉽게 분해될 수 있다.

그리고, 상기 애노드(54)의 선단부에는 도 5에서 도시한 바와 같이, 제1 금속바디부(20)의 하우징(24)의 내측 돌출단(24a)과 접촉하여 지지되는 경사진 지지면(54d)이 형성되어 있다.

다음, 이와 같은 본 발명의 플라즈마 토치장치(1)의 여러 구성부품들을 상세하게 살펴본다.

다만, 전체 구성을 도시하는 도 1 및 도 2를 기본으로 참고하되 각 구성요소를 도시하는 도면을 같이 인용한다.

먼저, 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 토치장치(1)에서 장치 바디부(10)는, 상기 애노드와 전기적으로 통하는 제1 금속바디부(20)와, 상기 제1 금속바디부(20)와 조립되는 절연바디부(30) 및, 상기 절연바디부(30)에 내재되면서 상기 전극부 캐소드(34)와 전기적으로 통하는 제2 금속바디부(40)로 크게 구분될 수 있다.

즉, 절연바디부(30)를 제외하고는 금속재질 예를 들어, 열전도율이 높은 황동 등으로 제1,2 금속바디부(20)(40)가 제작되고, 이와 같은 제1,2 금속바디부는 각각 애노드와 캐소드와 전기적으로 통하게 조립되어 고 전압이 인가되는 것을 가능하게 한다.

이때, 상기 절연바디부(30)는 제1,2 금속바디부(20)(40)사이를 절연시키는 기능을 하게 된다.

따라서, 이하 이와 같은 본 발명의 제1,2 금속바디부와 절연바디부에 대하여 살펴본다.

먼저, 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 토치장치에서 상기 제1 금속바디부(20)는, 도 3과 같이, 장치외연을 형성하는 제1 바디(22)와, 도 5와 같이, 상기 제1 바디(22)의 내측에 조립되되 애노드(34)를 지지하면서 고전압을 인가하는 하우징(24) 및, 도 14와 같이 상기 제1 바디(22)의 일측에 조립되면서 애노드(34)를 고정하는 제1 케이싱(26)을 포함하여 조립 구성된다.

즉, 도 1과 같이, 제1 바디(22)의 내측에 하우징(24)이 삽입되고, 상기 하우징(24)의 선단부는 도 13의 애노드(54)의 돌출단(54c)을 개재하여 상기 제1 케이싱(26)이 도 1과 같이 제1 바디(22)에 스트류(S) 결합되어 조립된다.

따라서, 케이싱(26)을 제1 바디(22)에서 스크류 형태로 조립 또는 분해될 수 있다.

이때, 도면에서 도면부호 'S'는 구성부품들간 수나사와 암나사가 체결되는 스크류 체결부분을 나타낸다.

다음, 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기 절연바디부(30)는, 상기 제1 금속바디부(20)의 제1 바디(22)와 하우징(24)에 걸쳐서 그 내측에 조립되는 도 8과 같은 제1 절연바디(32) 및, 상기 제1 금속바디부(20)의 제1 바디(22)와 상기 제1 절연바디(32)의 일측에 볼트로 고정 조립되는 제2 케이싱으로 제공되는 11의 제2 절연바디(34)로 이루어 진다.

이때, 상기 제1 절연바디는 하우징에 지지되면서 그 선단부에 상기 캐소드(52)의 후단부와 스크류(S)로 조립된다.

따라서, 도 1과 같이, 캐소드는 제1 절연바디에 스크류 조립되고, 이와 간격을 두고 설치되는 애노드는 하우징 선단부와 제1 케이싱(26)으로 간격을 유지하도록 조립된다.

그리고, 상기 제1 케이싱(26)과 반대측으로 케이싱 역할을 하는 제2 케이싱의 제2 절연바디(34)는 제1 바디와 제1 절연바디의 후단부를 단턱형태로 지지하되 볼트로서 제1 바디에 조립된다.

따라서, 도 1 및 도 2와 같이 본 발명 플라즈마 토치장치의 몸통은 제1 바디부(22)가 형성하고, 그 좌,우측에 볼트 밑 스크류 형태로 제1 절연바디와 제1 케이싱이 각각 조립되어 도 15a 및 도 15b의 형태로 조립된다.

다음, 캐소드에 고전압을 인가시키도록 상기 절연바디부(30)에 조립되는 상기 제2 금속바디부(40)는, 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기 절연바디부(30)의 제1,2 절연바디(32)(34)에 걸쳐서 그 내측에 조립되되 상기 전극부를 구성하는 캐소드(52)가 고 전압을 인가토록 조립 고정되는 도 9의 제2 바디(42) 및, 상기 제2 바디(42)와 조립되되 상기 캐소드(52)의 내측에 체결되는 도 10의 전기인가편(44)으로 구성된다.

따라서, 도 1과 같이, 상기 제2 바디(42)는 제2 절연바디(34)로 압착 고정되면서 그 내측이 상기 전기인가편(44)과 스크류(S) 조립되고, 상기 전기인가편(44) 은 상기 캐소드(52)의 내측에 조립된다.

이때, 상기 전기인가편(44)의 선단부에는 캐소드의 밀착 체결을 위한 돌출단(44a)이 소정 간격으로 형성되어 있다.

그리고, 도 1에서 도시한 바와 같이, 상기 제2 금속바디부(40)의 제2 바디(42)의 후단부에는 캐소드에 고전압을 인가하기 위한 체결볼트(110a)가 체결되고, 절연바디를 매개로 절연된 상태에서, 상기 제1 금속바디부(20)의 제1 바디(22)와 하우징(24)에 체결되는 지지블록(120)상의 다른 전압인가용 체결볼트(110b)가 구비되어 각각의 체결볼트에 전압인가용 케이블이 체결된다.

따라서, 본 발명의 플라즈마 토치장치에서 캐소드(52)와 애노드(54)에는 각각 제1,2 금속바디부(20)(40)를 통하여 고전압이 인가되게 되고, 그 사이에 절연바디부(30)가 개재되어 절연시킨다.

다음, 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 토치장치(1)는, 앞에서 설명한 바와 같이, 상기 전극부(50) 주변에 배치되되 공급 가스를 트위스팅 시키어 전극부에서의 아크점 이동으로 전극부 마모를 방지토록 구성된 가스 트위스팅 수단(80)을 포함하는 구성된 것에 다른 특징이 있다.

즉, 도 7에서는 본 발명에 따른 상기 가스 트위스팅 수단(80)을 상세하게 도시하고 있는데, 이와 같은 가스 트위스팅 수단(80)은 앞에서 설명한 제1 금속바디부(20)의 하우징(24)과 절연바디의 제1 절연바디(32) 사이에 배치되되, 링형태로 형성되어 상기 캐소드(52)의 외연에 배치된다.

특히, 이와 같은 가스 트위스팅 수단(80)의 링형태로 된 몸체에는 경사지게 관통하는 다음에 상세하게 설명하는 가스통로(60) 중 하나의 경로를 형성하는 여러개의 제3 (가스)통로(60d)들이 경사지게 링 몸체를 관통 성되어 있다.

따라서, 도 1 및 도 7에서 도시한 바와 같이, 가스가 공급되면 상기 경사진 가스통로(60d)에 의하여 가스는 링형태의 가스 트위스팅 수단(80)을 통과하면서 캐소드(52)와 애노드(54)사이에서 발생되는 아크점이 기존의 토치와는 다르게 국부적으로 형성되지 않고, 계속해서 아크점을 변동시키게 한다.

즉, 통상 플라즈마 토치장치에서 애노드와 캐소드사이에서 가스가 공급되는 상태에서 고 전압이 인가되어 아크 방전을 통한 아크를 발생시키어 플라즈마를 발생시키기 때문에, 애노드와 캐소드는 마모가 심한 부분이다.

물론, 앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 토치장치에서는 캐소드(52)의 팁부분(52a)을 텅스턴으로 형성시키거나 처리하여 마모를 줄이기는 하였지만,실제 조업시 마도가 심하게 되면 전극부에서 더 이상 아크를 발생시킬 수 없어 장치 가동이 중단된다.

즉, 마모된 캐소드와 애노드는 교체해야 하고, 이와 같은 전극부의 캐소드와 애노드의 마모주기가 짧으면, 생산성이 하락하고, 제조비용도 상승한다.

그러나, 본 발명에서는 상기 가스 트위스팅 수단(80)이 아크 발생점을 계속해서 이동시키기 때문에, 캐소드와 애노드의 마모를 최소화시키게 된다.

즉, 공급되는 가스가 트위스팅수단의 링 가스통로를 통과하면서 링이 회전되고, 결국 가스가 일부분에만 집중적으로 공급되는 것이 아니라 캐소드와 애노드사이에 퍼지면서 공급되어 아크점이 일부 영역에 집중되지 않게 하고, 이는 아크점 집중에 따른 전극부 마모를 억제하게 하는 것이다.

다음, 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 토치장치(1)는, 상기 전극부(50) 주변에 배치되되 전자흐름을 조정하여 토치효율을 향상토록 구성된 자석수단(90)을 포함한다.

이때, 상기 자석수단(90)은, 상기 장치바디부를 구성하는 하우징(24)과 애노드(54)의 외연 사이에 조립 배치되어 있다. 따라서, 상기 자석수단은 자력을 발생시키어 플라즈마 형성시 전자의 흐름을 활성화시킴으로써 토치효율을 더 우수하게 한다.

한편, 이와 같은 본 발명의 자석수단(90)은, 도 6에서 도시한 바와 같이, 중앙의 메인 자석링(92)과 그 양측으로 조립되되 상기 하우징과 애노드 밀착돌기(94a)(96a)을 형성하는 외연링(94)(96)으로 구성된다.

그리고, 상기 각각의 외연링은 상기 메인 자석링(92)의 내경부에 삽입 지지되는 돌턱부(94b)(96b)가 각각 형성되어 있다.

따라서, 도 6과 같이, 상기 3개의 부품으로 구성된 자석수단(90)은 도 1과 같이, 애노드(54)의 외연에 배치되면서 애노드의 조립시 밀착돌기가 각각 하우징과 애노드로서 지지된다.

다음, 본 발명의 프라즈마 토치장치(1)는 도 1 및 도 2에서 각각 일점쇄선과 이점 쇄선으로 각각 표시한 가스통로(60)와 냉각수통로(70)를 포함하는 것에 그 특징이 있는데, 장치 바디부의 내측에 일체로 구현한 것에 특징이 있다.

따라서, 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 토치장 치(1)는, 구성부품들이 매우 긴밀하면서 충분한 가스와 냉각수 공급이 이루어져, 전체적으로 매우 콤팩트(campact)한 사이즈로 된 플라즈마 토치장치를 제공하는 것이다.

물론, 콤팩트 하면서, 앞에서 설명한 여러 특징적인 구성들로 인하여 장치 가동 효율이 극대화되고 원활한 냉각이 수행되어 장치의 수명도 길게 된다.

또한, 캐소드와 애소드의 전극부도 바디부 내에 일체화 조립되기 때문에, 더 콤팩트한 플라즈마 토치장치를 제공하게 한다.

이때, 도 1에서 별도의 부호로 나타내지 않았지만, 본 발명의 각 구성부품사이에는 냉각수 누수를 차단하는 패킹(도 1에서 '0'로 나타)들이 구비된다.

한편, 도 1에서 도시한 바와 같이, 이와 같은 본 발명의 플라즈마 토치장치(1)에서 상기 가스 통로(60)는, 장치바디부(10)를 구성하는 앞에서 설명한 제1 금속바디부의 제1 바디(22)(도 3 참조) 및 하우징(24)(도 5 참조)에 형성된 제1,2 통로(60a)(60b)와, 절연바디부의 제1 절연바디(32)(도 8)와 상기 하우징(24)사이의 공간(60c) 및, 앞에서 설명한 바와 같이, 상기 제1 절연바디와 하우징사이에 배치되는 가스 트위스팅 수단(80)의 제3 통로(60d)(도 7참조)를 하나의 경로로 형성된다.

그리고, 최종적으로는 도 1과 같이, 애노드의 노즐부(54a)를 통하여 플라즈마 화염으로 형성되어 분출된다(G).

이때, 도 1, 도 4에서 도시한 버와 같이, 상기 제1 금속바디부의 장치 외연을 형성하는 제1 바디(22)에는 가스/냉각수 통로 연결블록(110)이 설치되고, 상기 연결블록(100)에는 가스통로(60)의 제1 통로(60a)와 냉각수통로(70)의 제1 통로(70a)와 연통되는 통로들이 형성되면서 도 15a와 같이 냉각수 공급관(호스)(미고시)와 가스 공급관(미도시)이 연결되는 연결구들이 구비된다.

따라서, 가스는 상기 제1,2, 공간 및 제3 통로들을 통하여 공급되고, 트위스팅 수단인 링을 통하여 아크점이 이동되는 형태로 고 전압이 인가되는 캐소드와 애노드 사이에서의 아크방전을 통하여 플라즈마를 형성시키고, 이때 형성된 플라즈마 제트(화염)은 애노드 노즐부를 통하여 방출되어 대상물의 가열이 수행된다.

다음, 도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 토치장치(1)에서 상기 냉각수 통로(70)는, 상기 제1 바디(22)(도 3 참도)와 하우징(24)(도 5 참조)에 형성된 제1,2 통로(70a)(70b)와, 절연바디부(30)의 제1 절연바디(32)(도 8 참조)에 형성된 제3 통로(70c), 제2 금속바디부(40)의 제1 바디(42)(도 9 참조)에 형성된 제4 통로(70d), 상기 제2 금속바디부 제1 바디(42)와 캐소드 사이의 공간(70e)(도 1 참조), 제2 금속바디부의 상기 제1 바디(42)의 내측에 체결되는 캐소드 전기인가편(44)에 형성된 제5 통로(70f)(도 1 및 도 10참조) 및, 상기 제2 금속바디부의 제1 바디(42)의 내부 중앙측에 관통 형성된 제6 통로(70g)(도 9 참조)로 구성된다.

이때, 도 1 및 도 15에서 도시한 바와 같이, 상기 제2 금속바디부의 제1 바디(42)의 제6 통로(70g)에는 냉각수 공급관(호스)이 연결되는 연결구(42a)가 체결된다.

그리고, 도 4 및 도 15에서 도시한 바와 같이, 가스/냉각수통로 연결블 록(110)에는 제1 통로(70a)와 연결되는 냉각수 배출관(호스)가 연결되는 연결구가 체결된다.

따라서, 도 1 및 도 15와 같이, 본 발명의 플라즈마 토치장치(1)에서 냉각수(W)는 상기 제1,2 금속바디부(20)(40)와 절연바디부(30)의 여러 구성부품들에 연통하도록 형성된 상기 제1 - 6 통로와 공간(실제로는 제6 통로에서 부터 제1 통로방향)으로 냉각수가 장치 내부에 유입, 순환 배출되면서, 본 발명인 플라즈마 토치장치의 거의 모든 구성부품을 효과적으로 냉각시키고, 이는 장치 수명을 연장시키게 한다.

이때, 앞에서 설명한 바와 같이, 절연바디부를 제외한 제1,2 금속바디부(20)(40)의 여러 구성부품들은 열전도가 높은 황동으로 제작되어, 고온의 열이 냉각수로 바로 열전달되어 바디 들의 열손이 방지된다.

이에 따라서, 지금까지 설명한 본 발명의 플라즈마 토치장치(1)는, 여러 특징적인 수단 즉, 전극부 주변의 가스 트위스팅 수단(80)과 자석수단(90)에 의하여 전극부 마모를 억제하면서 플라즈마 효율을 극대화시키고, 가스와 냉각수 통로가 장치 내부에 일체화 구현되어 도 15a 및 도 15b에서 도시한 바와 같이, 외형적으로도 장치 크기가 콤팩트하게 되는 것이다.

다음, 도 16에서는 플라즈마를 이용한 반광 처리 방법에 대하여 도시하고 있는데, 구체적으로는 지금까지 설명한 본 발명의 플라즈마 토치장치(1)를 이용할 수 있다.

먼저, 반광 처리에 대하여 개략적으로 설명하면, 소결광의 주원료인 각종 철광석과 부원료인 규석, 사문암, 석회석 및, 연료인 무연탄, 코크스 등을 소결공정을 거쳐 소결광으로 생산하고, 이때 제조된 소결광은 스크린에서 입도가 6㎜ 이하의 반광과 그 보다 큰 소결광으로 분리된다.

즉, 고로에서 사용할 수 있는 소결광은 그 입도가 약 6∼50㎜이므로, 입도가 6mm 이하의 소결광은 다시 소결광 제조공정에 재투입되는 것이다.

한편, 앞에서 종래기술부분에서 설명한 본 발명의 동일 출원인이 출원한 대한민국 특허출원 10-2006-0133199에서는 소정입도의 반광들을 플라즈마 토치장치의 화염을 이용하여 반광(입도 6mm 이하인 소결광을 고로로 보내지 않고 다시 소결공정으로 회수되는 소결광을 통상 '반광(returen ore)'이라함)들을 덩어리화하여 생산성을 높인 플라즈마를 이용한 반광 처리 방법이 개시되고 있다.

즉, 반광을 다시 소결공정으로 재투입하는 반광 재처리공정을 생략하고, 이미 소결된 반광을 고로로의 직접 장입이 가능한 입도(직경) 6mm 보다 큰 반광 덩어리로 생산하면, 생산성이나 비용절감 측면에서 바람직한 것이다.

이때, 본 발명에서 반광 처리 방법의 특징은 도 16에서 도시한 바와 같이, 앞에서 설명한 본 발명의 플라즈마 토치장치를 이용하되, 공급되는 가스 유량과 애노드 노즐부의 직경을 조정하여 플라즈마 제트류(F1)(F2)의 길이와 직경을 서로 다르게 조절한 적어도 2개의 토치장치(1a)(1b)를 배열하여 반광을 반광 덩어리(200a)(200b)로 처리하는 것에 그 특징이 있다.

즉, 도 16에서 도시한 바와 같이, 이송컨베이어(210a)에 단위별로 연이어 설 치된 내화블록박스(210)에 채워져 이송되는 반광의 상부에 플라즈마 제트의 길이는 확대되되 직경은 축소된 플라즈마 제트(F1)를 갖는 제1 열의 플라즈마 토치장치(F1)를 배치한다.

동시에, 상기 제1 열의 플라즈마 토치장치의 후방에는 플라즈마 제트의 길이는 축소되되 직경은 확대되는 플라즈마 제트(F2)를 형성하는 제2 열의 플라즈마 토치장치(1b)를 상기 제1 열의 플라즈마 토치장치 사이로 위치되도록 배치한다.

따라서, 이와 같은 경우 상기 특허에서는 동일한 플라즈마 제트를 갖는 플라즈마 토치장치를 이용하여 반광을 덩어리화 하였지만, 본 발명에서는 가열 면적이 넓어 용융면적이 큰 반광덩어리(200a)사이사이를 연결하는 가열 면적은 작으나 온도가 높은 작은 반광덩어리(200b)가 연계되기 때문에, 전체적으로 보다 넓은 면적의 반광 덩어리 생산을 가능하게 하면서, 전체적으로 2열의 프라즈마 토치장치로 가열 용융되지 때문에, 열 효율도 우수한 것이다.

즉, 앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 토치장치(1)는, 플라즈마 제트의 길이와 넓이를 가스 유량과 애노드 노즐부의 직경 조절로 쉽게 조절 할 수 있기 때문에, 2 종류의 플라즈마 제트를 이용 반광의 더 많은 면적을 열손실은 줄이면서도 더 많은 면적의 반광을 용융 결합시킬 수 있어 전력 소비는 감소하는 것이다.

예를 들어, 본 발명의 출원인이 라인에 적용한 결과, 전력 소비는 동일한 플라즈마 제트를 이용하는 기존의 경우보다 5-10% 정도 줄일 수 있고, 용융 결합된 반광 덩어리의 생산도 기존 180Kg(생산단가 대략 18000원)에서 220Kg까지 증대시키 는 한편, 생산단가는 18000원에서 13000원으로 더 낮출 수 있음을 알 수 있었다.

본 발명은 지금까지 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 토치장치의 전체 구성을 도시한 조립 상태도

도 2는 도 1의 본 발명 플라즈마 토치장치를 도시한 분해 사시도

도 3은 본 발명의 장치 제1 금속바디부의 제1 바디를 도시한 단면도

도 4는 도 3의 제1 바디에 부착되는 가스/냉각수 연결블록을 도시한 평면구조도

도 5는 본 발명 장치의 제1 금속바디부의 하우징을 도시한 단면도

도 6a 내지 도 6d는 본 발명 장치의 자석수단을 도시한 구조도

도 7a 및 도 7b는 본 발명 장치의 가스 트위스팅 수단을 도시한 측면 및 정면도

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 장치 절연바디부의 제1 바디를 도시한 단면도 및 정면도

도 9는 본 발명의 장치 제2 금속바디부의 제1 바디를 도시한 단면도

도 10a 및 도 10b는 본 발명의 장치 제2 금속바디부의 전기인가편을 도시한 측면 및 정면도

도 11은 본 발명의 장치 절연바디부의 제2 바디를 도시한 단면도

도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 장치 전극부의 캐소드를 도시한 측면 및 정면도

도 13a 및 도 13b는 본 발명의 장치 전극부의 애노드를 도시한 단면도 및 정면도

도 14a 및 도 14b는 본 발명의 장치바디부 제1 금속바디부의 제2 바디를 도시한 단면도 및 정면도

도 15a 및 도 15b는 본 발명에 따른 플라즈마 토치장치의 조립상태를 도시한 사시도

도 16은 본 발명에 따른 플라즈마(토치장치)를 이용한 반광 처리방법을 설명하기 위하여 도시한 개략도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1.... 플라즈마 토치장치 10.... 장치 바디부

20.... 제1 금속바디부 22.... 제1 바디

24.... 하우징 26.... 케이싱

30.... 절연바디부 32.... 제1 절연바디

34.... 제2 절연바디 40.... 제2 금속바디부

42.... 제2 바디 44.... 캐소드 전기인가편

50.... 전극부 52.... 캐소드

54.... 애노드 60.... 가스통로

70.... 냉각수통로 80.... 가스 트위스팅 수단

90.... 자석수단 110.... 가스/냉각수 연결블록

120.... 지지블록 200.... 반광

200a,200b.... 처리된 반광 210.... 반광 이송수단

Claims (25)

1. 장치 바디부(10);

   상기 장치 바디부(10)의 내측에 구비되어 방전을 통한 플라즈마를 발생시키는 전극부(50); 및,

   상기 장치바디부(10)에 일체로 구비되어 전극부측에 가스를 공급하고, 장치를 냉각시키는 바디 일체형 가스통로(60)와 냉각수통로(70);

   를 포함하여 구성된 플라즈마 토치장치.
2. 장치 바디부(10);

   상기 장치 바디부(10)의 내측에 구비되어 방전을 통한 플라즈마를 발생시키는 전극부(50); 및,

   상기 전극부(50) 주변에 배치되되 공급 가스를 트위스팅 시키어 전극부에서의 아크점 이동으로 전극부 마모를 방지토록 구성된 가스 트위스팅 수단(80);

   을 포함하여 구성된 플라즈마 토치장치.
3. 장치 바디부(10);

   상기 장치 바디부(10)의 내측에 구비되어 방전을 통한 플라즈마를 발생시키 는 전극부(50); 및,

   상기 전극부(50) 주변에 배치되되 전자흐름을 활성화시키어 토치효율을 향상토록 구성된 자석수단(90);

   을 포함하여 구성된 플라즈마 토치장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 장치바디부(10)에 일체로 구비되어 전극부(50)측에 가스를 공급하고, 장치를 냉각시키는 바디 일체형 가스통로(60)와 냉각수통로(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 장치바디부(10)에 일체로 구비되어 전극부(50)측에 가스를 공급하고, 장치를 냉각시키는 바디 일체형 가스통로(60)와 냉각수통로(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전극부(50)는,

   상기 장치 바디부(10)의 내측에 구비되는 캐소드(52); 및,

   그 전방으로 방전토록 간격을 두고 배치되되 내측에는 플라즈마 제트를 분출시키는 플라즈마 노즐부(54a)가 형성된 애노드(54);

   로 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 전극부 캐소드(52)의 팁(52a) 부분은 마모를 방지토록 텅스턴 처리된 것을 특징으로 하느 플라즈마 토치장치.
8. 제6항에 있어서, 상기 애노드(54)는, 외연이 확대되는 원통체로 구성되어 중심부에 상기 플라즈마 노즐부(54a)가 형성되고,

   상기 노즐부(54a)의 일부분은 플라즈마의 와류를 유도하는 단차(54b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치장치.
9. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 장치 바디부(10)는,

   상기 전극부에 포함된 애노드와 전기적으로 통하는 제1 금속바디부(20);

   상기 제1 금속바디부(20)와 조립되는 절연바디부(30); 및,

   상기 절연바디부(30)에 내재되면서 상기 전극부에 포함된 캐소드와 전기적으로 통하는 제2 금속바디부(40);

   를 포함하여 조립 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 제1 금속바디부(20)는,

    장치외연을 형성하는 제1 바디(22);

    상기 제1 바디(22)의 내측에 조립되되 애노드(34)를 지지하면서 전기를 인가하는 하우징(24); 및,

    상기 제1 바디(22)의 일측에 조립되면서 애노드(34)를 고정하는 제1 케이싱(26);

    을 포함하여 조립 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치장치.
11. 제9항에 있어서, 상기 절연바디부(30)는,

    상기 제1 금속바디부(20)의 제1 바디(22)와 하우징(24)에 걸쳐서 그 내측에 조립되는 제1 절연바디(32); 및,

    상기 제1 바디(22)와 제1 절연바디(32)의 일측에 고정 조립되는 제2 케이싱으로 구성되는 제2 절연바디(34);

    를 포함하여 조립 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치장치.
12. 제9항에 있어서, 상기 제2 금속바디부(40)는,

    상기 절연바디부(30)의 제1,2 절연바디(32)(34)에 걸쳐서 그 내측에 조립되 되 상기 전극부를 구성하는 캐소드(52)에 전기를 인가토록 조립 고정되는 제2 바디(42); 및,

    상기 제2 바디(42)와 조립되되 상기 캐소드(52)의 내측에 체결되는 전기인가편(44);

    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치장치.
13. 제1항, 제4항 및 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,

    상기 바디 일체형 가스통로(60)는, 장치바디부를 구성하는 제1 금속바디부와, 절연바디부 및 제1 금속바디부에 내재되는 가스 트위스팅 수단에 구비된 통로들과 공간을 포함하여 전극부의 캐소드와 애소드사이에 가스 공급토록 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치장치.
14. 제13항에 있어서,

    상기 가스통로(60)는,

    장치바디부를 구성하는 제1 금속바디부의 제1 바디(22) 및 하우징(24)에 형성된 제1,2 통로(60a)(60b);와,

    장치바디부를 구성하는 절연바디부의 제1 절연바디(32)와 상기 하우징사이 공간(60c); 및,

    상기 제1 절연바디와 하우징사이에 배치되는 가스 트위스팅 수단(80)의 제3 통로(60d);

    를 포함하여 전극부의 캐소드와 애소드사이에 가스 공급토록 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 제1 금속바디부의 제1 바디(22)의 제1 통로(60a)와 연결되고 상기 제1 바디에 고정되는 연결블록(110)에는 가스 공급용 연결구가 체결되어 가스는 제1 통로에 유입되면서 통로들과 공간을 거쳐 전극부에 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치장치.
16. 제2항에 있어서, 상기 가스 트위스팅 수단(80)은, 장치바디부를 구성하는 제1 금속바디부의 하우징과 절연바디부의 제1 절연바디사이로 캐소드의 외연에 링형태로 조립되되, 몸체를 경사지게 관통하는 다수의 가스통로(60d)를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치장치.
17. 제3항에 있어서, 상기 자석수단(90)은, 상기 장치바디부를 구성하는 하우징(24)과 애노드(54)의 외연 사이에 조립 배치되어 전자흐름을 자력으로 활성화시 키어 토치 효율을 향상토록 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치장치.
18. 제17항에 있어서, 상기 자석수단(90)은, 중앙의 메인 자석링(92)과 그 양측으로 조립되되 상기 하우징과 애노드 밀착돌기(94a)(96a)을 형성하는 외연링(94)(96)으로 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치장치.
19. 제1항, 제4항 및 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,

    상기 바디 일체형 냉각수 통로(70)는, 장치바디부를 구성하는 제1 금속바디부와, 절연바디부 및, 제2 금속바디부에 구비된 통로들과 공간을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치장치.
20. 제19항에 있어서,

    상기 냉각수 통로(70)는,

    장치바디부를 구성하는 제1 금속바디부의 제1 바디(22)와 하우징(24)에 형성된 제1,2 통로(70a)(70b);

    장치바디부를 구성하는 절연바디부의 제1 절연바디(32)에 형성된 제3 통로(70c);

    장치바디부를 구성하는 제2 금속바디부의 제1 바디(42)에 형성된 제4 통로(70d);

    상기 제2 금속바디부의 제1 바디(42)와 캐소드 사이의 공간(70e);

    상기 제2 금속바디부의 제1 바디(42)의 내측에 체결되는 캐소드 전기인가편(44)에 형성된 제5 통로(70f); 및,

    상기 제2 금속바디부의 제1 바디(42)의 내부에 형성된 제6 통로(70g);

    를 포함하여 장치 구성부품들을 전체적으로 냉각토록 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치장치.
21. 제20항에 있어서, 상기 제2 금속바디부 제1 바디의 제6 통로(70g)에는 냉각수 공급용 연결구가 체결되고, 상기 제1 금속바디부의 제1 바디(22)의 제1 통로(70a)와 연결되는 연결블록(110)에는 냉각수 배출용 연결구가 체결되어 냉각수는 제6 통로에 유입되고 통로들과 공간을 거쳐 제1 통로에서 배출되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치장치.
22. 플라즈마를 이용한 반광 처리 방법에 있어서,

    플라즈마를 발생시키는 플라즈마 토치장치에 공급되는 가스 유량과 토치장치에 구비된 전극부를 구성하는 애노드의 플라즈마 방출 노즐부의 직경을 조정하여 플라즈마 제트의 길이와 직경을 서로 다르게 조절한 2개 이상의 토치장치들을 통하여 반광을 처리하도록 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 반광 처리 방법.
23. 제22항에 있어서, 이송되는 반광의 상부에 플라즈마 제트의 길이는 확대되되 직경은 축소된 플라즈마 제트를 갖는 제1 열의 플라즈마 토치장치를 배치하고, 그 후방에는 상기 제1 열의 플라즈마 토치장치 보다 그 플라즈마 제트의 길이는 축소되되 직경은 확대되는 제2 열의 플라즈마 토치장치를 제1 열 플라즈마 토치장치들의 사이에 배치하여 반광 처리면적을 증대토록 구성된 것을 특징으로 하는 반광 처리 방법.
24. 제22항에 있어서, 상기 플라즈마 토치장치는 제6항에서 기재된 플라즈마 토치장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 반광 처리 방법.
25. 제22항에 있어서, 상기 플라즈마 토치장치는 제9항에서 기재된 플라즈마 토치장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 반광 처리 방법.

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