JP2003334637A - ツイントーチ式プラズマ加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ツイントーチ式プラズマ加熱装置を適用した
際に、効率の良く、安定操業できうるプラズマ加熱装置
を提供する。 【解決手段】 ２ストランドの連続鋳造機用のタンディ
ッシュ内溶鋼を２組のアノードトーチ及びカソードトー
チを用いて加熱するツイントーチ式プラズマ加熱装置に
おいて、タンディッシュ内の溶鋼を加熱する際の２組の
アノードトーチ及びカソードトーチが、取鍋からの溶鋼
注入ノズル位置と、タンティッシュからモ−ルドへの溶
鋼注入ノズル位置を基に規定した式を満足するように配
置させることを特徴とするツイントーチ式プラズマ加熱
装置。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、ツイントーチ式の
タンディッシュ内溶鋼用プラズマ加熱装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】プラズマトーチから噴出するガスを高温
のプラズマガスとし、該プラズマガスを用いて金属プロ
セスにおける精錬、溶解、加熱、溶射、表面改善あるい
は廃棄物等の処理を行う方法が知られている。カソード
プラズマトーチと対象物との間あるいはアノードプラズ
マトーチと対象物との間にプラズマアークを発生させる
移行型プラズマトーチと、プラズマトーチ内のアノード
とカソードとの間にプラズマアークを発生させる非移行
式型プラズマトーチとが用いられている。移行型プラズ
マトーチにおいては、１対のプラズマトーチを用い、一
方をアノードプラズマトーチ、他方をカソードプラズマ
トーチとしてプラズマアークを発生させることが可能で
あり、特にタンディッシュ内の溶鋼加熱用に使用するも
のは、ツイントーチ式のタンディッシュ内溶鋼用プラズ
マ加熱装置（以下、ツイントーチ式プラズマ加熱装置）
と呼ばれている。 【０００３】ツイントーチ式プラズマ加熱装置は、タン
ディッシュ内溶鋼の加熱をするため、一般に図１に示す
ような配置となっている。容器５としてのタンディッシ
ュの蓋６に設けられた天井壁に、プラズマ形成用のガス
を噴出する１対のプラズマトーチ（１，２）が挿入、進
退自在に設けられている。プラズマトーチの一方をアノ
ードプラズマトーチ２、他方をカソードプラズマトーチ
１とする。直流電源装置７の正側にアノードプラズマト
ーチ２を接続し、負側にカソードプラズマトーチ１を接
続し、各プラズマトーチと溶鋼との間にプラズマアーク
を形成することにより溶鋼を加熱する。電流はアノード
トーチ２の電極端からメインアーク４を経由して溶鋼に
流れ、更にカソードトーチ１のメインアーク３を経由し
てカソードトーチ１の電極端に流れる。 【０００４】電子の流れは電流と逆向きとなり、カソー
ドトーチ１から放出された電子は、メインアーク３を経
由して溶鋼に衝突し、さらに溶鋼中を流れ、メインアー
ク４を経由してアノードトーチ２へ流れる。特に、カソ
ードトーチ１と溶鋼の間に着目してみると、カソードト
ーチが陰極の役割を、溶鋼が擬似的に陽極の役割を果た
している。メインアーク中では、電子と陽イオンの密度
は互いに相等しいので全体としては空間電荷は０である
が、溶鋼、すなわち陽極前面では、陽イオンが不足して
いる。従って陽極前面においては、電子による空間電荷
があり、このため大きな電圧降下、すなわち陽極降下が
生じ、この電圧降下部分を電子は陽極の方へ吸引されて
陽極に流れ込む。この際、電子が陽極降下部分を飛行す
ることによって得る運動のエネルギーは、陽極表面に衝
突して熱として放出され、プラズマ加熱の最も大きな加
熱源となっている。すなわちカソードトーチ１の直下の
溶鋼が最も温度上昇が大きい。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】ツイントーチ式プラズ
マ加熱装置の主な役割は、鍋からの溶鋼流をタンディッ
シュ内にて昇温し、タンディッシュイマージョンノズル
の詰まり等の防止による操業安定化にある。しかしなが
らツイントーチ式プラズマ加熱装置による溶鋼の昇温を
図っても、タンディッシュイマージョンノズルに詰まり
等が発生し、狙い通りの効果が得られないケースが存在
する。 【０００６】即ち、タンディッシュ内では、溶鋼が静止
しているのでなく、取鍋から注入された溶鋼がタンディ
ッシュ内を流動中にプラズマ加熱されているので、タン
ディッシュ内の溶鋼流動の影響を考慮して、プラズマ加
熱装置のトーチ（アノードトーチとカソードトーチそれ
ぞれの位置）を配置しなければ、効率良く加熱できなく
なるばかりか、逆に加熱による熱的な影響を受け、タン
ディッシュ内の溶鋼流動を乱す可能性があった。 【０００７】そこで本発明の目的は、ツイントーチ式プ
ラズマ加熱装置を適用した際に、効率の良く、安定操業
できうるプラズマ加熱装置を提供することにある。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明の要旨は下記の点
にある。 【０００９】すなわち、２ストランドの連続鋳造機用の
タンディッシュ内溶鋼を２組のアノードトーチ及びカソ
ードトーチを用いて加熱するツイントーチ式プラズマ加
熱装置において、タンディッシュ内の溶鋼を加熱する際
の２組のアノードトーチ及びカソードトーチが、取鍋か
らの溶鋼注入ノズル位置と、タンディッシュからモ−ル
ドへの溶鋼注入ノズル位置を基に、下記式を満足するよ
うに配置されることを特徴とするツイントーチ式プラズ
マ加熱装置である。 【００１０】０．９０≦Ｌｃ１／Ｌｃ２≦１．１０ ０．８５≦Ｌａ１／Ｌａ２≦１．１５ ０°≦｜θｃ１−θｃ２｜≦１０° ０°≦｜θａ１−θａ２｜≦１０° ここで、 Ｌｃ１、Ｌｃ２：カノードトーチ先端と取鍋からタンデ
ィッシュへの溶鋼注入ノズル位置との水平距離、 Ｌａ１、Ｌａ２：アノードトーチ先端と取鍋からタンデ
ィッシュへの溶鋼注入ノズル位置との水平距離、 θｃ１、θｃ２：カソードトーチ先端と、取鍋からタン
ディッシュへの溶鋼注入ノズル位置と、タンディッシュ
からモ−ルドへの溶鋼注入ノズル位置とのそれぞれの水
平投影面上で取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入ノズ
ル位置を頂点としてなす角度、 θａ１、θａ２：アノードトーチ先端と、取鍋からタン
ディッシュへの溶鋼注入ノズル位置と、タンディッシュ
からモ−ルドへの溶鋼注入ノズル位置とのそれぞれの水
平投影面上で、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入ノ
ズル位置を頂点としてなす角度。 【００１１】但し、前記記号中の添数字１、２は、それ
ぞれ第１及び第２のトーチを表す。 【００１２】 【発明の実施の形態】例えば、図１に示す１ストランド
の連続鋳造装置用タンディッシュ６内溶鋼を加熱する場
合には、取鍋からタンディッシュ６への溶鋼注入用ノズ
ル（以下、タンディッシュ注入ノズルと称す）８とタン
ディッシュ６からモールドへの溶鋼注入ノズル（以下、
モールド注入ノズルと称す）９は、それぞれ１箇所しか
ないため、図２の水平断面の配置図に示すように、それ
ぞれを結んだ線間近傍にプラズマトーチ１、２を配置し
て加熱すれば、熱的に大きな影響は受けないと考えられ
る。 【００１３】しかしながら、複数ストランドを有する連
続鋳造機用のタンディッシュ内溶鋼を２組のトーチ（ア
ノード及びカソードトーチ）を用いて加熱するツイント
ーチ式プラズマ加熱装置の場合においては、取鍋からタ
ンディッシュへの溶鋼注入口が１箇所であるのに対し、
タンディッシュからモールドへの溶鋼注入口が複数存在
するため、前記の如くタンディッシュ内の溶鋼を加熱す
る際の２組のトーチ配置によって、それぞれのストラン
ドに注入される溶鋼温度は大きく異なるのは当然であ
る。 【００１４】そこで、２ストランド用タンディッシュの
場合のアノード及びカソードトーチ配置による影響を検
討した。一般的に２つ以上の複数のストランドを有する
連続鋳造用タンディッシュの場合は、図３に示すように
タンディッシュ６の中央付近に取鍋からの注入ノズル、
すなわち、タンディッシュ注入ノズル８を有する。従っ
て、２ストランド用のタンディッシュでは、２組のそれ
ぞれのトーチ１〜４を、一般的に、タンディッシュ注入
ノズル８と２つのモールド注入ノズル９、１０の間付近
に配置することが好ましい。 【００１５】先にも述べたように、ツイントーチ式プラ
ズマ加熱装置において、最も大きな加熱源は、カソード
トーチから放出された電子が溶鋼に衝突する際に発生す
る熱であり、カソードトーチの直下が最も温度上昇効果
が得られる。一方、タンディッシュ内の溶鋼流動は、取
鍋からのタンディッシュ溶鋼注入位置から、モールドへ
の注入孔の方向へ拡散する流れを形成している。また、
タンディッシュ内溶鋼の表面温度も場所により差が生じ
ている。従って、カソードトーチの加熱位置が、タンデ
ィッシュ内溶鋼の均一加熱性や着熱効率に大きく影響を
与えると考えられる。従って、タンディッシュ注入ノズ
ル８と２つのカソードトーチ１、１１までのそれぞれの
距離が等しい場合に、その後にモールド注入ノズル９、
１０を通過してモールドに注入される溶鋼温度偏差は小
さくなる。但し、必ずしも前記距離が等しくなくても適
正範囲であれば、ノズル詰まり等の操業トラブルの発生
のないレベルまで溶鋼温度偏差を抑制できるようになる
と考えられる。 【００１６】そこで、図４に示すようにタンディッシュ
横断面における第１及び第２のカソードトーチ１、１１
先端とタンディッシュ注入ノズルの水平距離をＬｃ１、
Ｌｃ２とした場合のモールド内溶鋼の温度偏差量の関係
を調査した。ここで、第１及び第２プラズマの投入電力
を６００ＫＷ、タンディッシュ注入ノズルからアノード
トーチ２、１２への距離Ｌａ１、Ｌａ２は、３３００ｍ
ｍ一定とし、さらに第１及び第２プラズマのカソードト
ーチ１、１１は、それぞれ、タンディッシュ注入ノズル
８とモールド注入ノズル９、１０を直線で結んだ線上に
配置し、Ｌｃ１を２５００ｍｍ一定、Ｌｃ２を可変させ
て加熱し、それぞれのモールドで内での溶鋼温度を実測
した。図５に平均溶鋼温度偏差を示すが、下記式（１）
を満足すれば溶鋼温度偏差が２℃以下となって、モール
ド注入ノズル詰まり等の操業トラブルが無くなることが
判った。 【００１７】 ０．９０≦Ｌｃ１／Ｌｃ２≦１．１０・・・（１） 一方、カソードトーチの直下では、温度上昇効果が大き
いが、アノードトーチも、溶鋼からトーチへ向かう電子
の流れからなるアーク柱を形成している。アーク柱の温
度は５０００℃以上の高温になっており、アノードトー
チ周辺の溶鋼は、その輻射熱により加熱されている。従
って、カソードトーチの配置方法と同じく、プラズマ加
熱における重要な加熱源であるアノードトーチの配置に
対しても最適配置の検討を行った。 【００１８】前記のカソード配置検討の場合と同様に、
第１及び第２のアノードトーチ２、１２先端とタンディ
ッシュ注入ノズル８の水平距離をそれぞれＬｃ１、Ｌｃ
２とした場合のモールド内の溶鋼温度偏差量の関係を調
査した。ここで、第１及び第２プラズマの投入電力を６
００ＫＷ、タンディッシュ注入ノズル８からカソードト
ーチ１、１１への距離Ｌｃ１、Ｌｃ２は２５００ｍｍ一
定とし、さらに第１及び第２プラズマのアノードトーチ
はそれぞれ、タンディッシュ注入ノズル８とモールド注
入ノズル９、１０を直線で結んだ線上に配置し、Ｌａ１
を３３００ｍｍ一定、Ｌａ２を可変させて加熱し、それ
ぞれのモールドで内での溶鋼温度を実測した。 【００１９】図６に平均溶鋼温度偏差を示すが、前記カ
ソードトーチの場合と比べその範囲は広がり、下記式
（２）を満足すれば溶鋼温度偏差が２℃以下となり、モ
ールド注入ノズル詰まり等の操業トラブル発生がなくな
ることが判った。 【００２０】 ０．８５≦Ｌａ１／Ｌａ２≦１．１５・・・（２） さらに、単にカソード及びアノードトーチのからタンデ
ィッシュ注入ノズルとの水平距離だけでなく、それぞれ
のトーチと、タンディッシュ注入ノズルと、モ−ルド注
入ノズルとの配置関係も適正化が必要と考えた。即ち、
タンディッシュ内ではタンディッシュ注入ノズルからの
距離は同じでも、タンディッシュ注入ノズルから注入さ
れた溶鋼は、タンディッシュ堰等の影響によって深さ方
向で上昇流や下降流といった流れの生成により、流れの
形態は変化するため、溶鋼流速も異なり、２組のトーチ
のそれぞれ加熱位置での溶鋼流動パターンが同じになる
ような条件で加熱しなければ、加熱状況が変化してしま
い、結果的にモールド内の溶鋼温度に偏差が生じてしま
うのである。 【００２１】そこで本発明者らがさらに鋭意検討した結
果、図７に示すように、タンディッシュ注入ノズル８
と、モ−ルド注入ノズル９、１０とをそれぞれ結んだ線
を基準線とし、さらにタンディッシュ注入ノズル８とカ
ソードトーチ１、１１先端との間を成す角度θｃ１、θ
ｃ２、及びタンディッシュ注入ノズル８とアノードトー
チ２、１２先端との間を成す角度θａ１、θａ２が適正
範囲にある場合に、モールド内の溶鋼温度偏差が無くな
ることを見出したのである。 【００２２】図８には第１及び第２カソードトーチ１、
１１の角度θｃ１とθｃ２の差の絶対値とモールド内の
溶鋼温度偏差量の関係を示す。ここで、第１及び第２プ
ラズマの投入電力を６００ＫＷとし、タンディッシュ注
入ノズル８からアノードトーチ２、１２への距離Ｌａ
１、Ｌａ２を３３００ｍｍ一定とし、タンディッシュ注
入ノズル８とモールド注入ノズル９、１０を直線で結ん
だ線上に配置した。即ち、θａ１＝θａ２＝０°とし
た。また、カソードトーチ１、１１は、タンディッシュ
注入ノズル８からカソードトーチ１、１１への距離Ｌｃ
１、Ｌｃ２を２５００ｍｍ一定とし、角度θｃ１＝０°
一定として、θｃ２の角度を変化させて加熱し、モール
ド内での溶鋼温度を実測した。 【００２３】図８に示すようにθｃ１とθｃ２の差の絶
対値が１０°以下となる下記（３）式を満足する場合に
は温度偏差が付かないことが判った。 【００２４】 ０°≦｜θｃ１−θｃ２｜≦１０°・・・（３） 即ち、タンディッシュの幅方向におけるカソードトーチ
１、１１をの角度の絶対値の差が１０°以内の場合に
は、カソードトーチ１、１１の直下ではタンディッシュ
溶鋼表面の溶鋼の流速と流れの方向はほぼ等しく（すな
わち、流れの方向は、図７のモールド注入ノズルを通過
する中心線Ｌの線対称となる。）流動していることを見
出したのである。従って、前記角度の差が１０°超にな
った場合には、カソードトーチ１、１１位置直下での溶
鋼流速とその方向が異なるために、プラズマ加熱される
溶鋼昇温量に差が生じるために、モールド内に注入され
る溶鋼温度差が大きくなるものと考えられる。 【００２５】また、アノードトーチについても前記カソ
ードトーチと同様の検討を行った。 【００２６】図９にはアノードトーチのなす角度θａ１
とθａ２の差の絶対値とモールド内の溶鋼温度偏差量の
関係を示す。ここで、第１及び第２プラズマの投入電力
は６００ＫＷとし、タンディッシュ注入ノズル８からカ
ソードトーチ１、１１への距離Ｌｃ１、Ｌｃ２を２５０
０ｍｍ一定とし、タンディッシュ注入ノズル８とモール
ド注入ノズル９、１０を直線で結んだ線上に配置した。
即ち、θｃ１＝θｃ２＝０°とした。また、アノードト
ーチ２、１２は、タンディッシュ注入ノズル８からアノ
ードトーチ２、１２への距離Ｌａ１、Ｌａ２を３３００
ｍｍ一定とし、角度θａ１＝０°一定とし、θａ２の角
度を変化させて加熱し、モールド内での溶鋼温度を実測
した。 【００２７】図９に示すように、カソードトーチと同様
にアノードトーチの角度θａ１とθａ２の差の絶対値が
１０°以下となる下記（４）式を満足する場合にはノズ
ル詰まり等の操業トラブルが発生しない温度偏差２℃以
下となることが判ったが、カソードトーチよりも昇温効
率が小さいアノードトーチの位置も、カソードトーチと
同様な位置関係が必要であるとを見出した。 【００２８】 ０°≦｜θａ１−θａ２｜≦１０°・・・（４） 以上のように、タンディッシュ内の溶鋼流動を考慮し
て、カソードトーチ及びアノードトーチを適正範囲に配
置させることによって安定操業ができることが判った。 【００２９】 【実施例】２ストランドの連続鋳造機用のタンディッシ
ュ内溶鋼を２組のアノード及びカソードトーチを用い
て、アノードトーチ及びカソードトーチの位置を変え、
そしてストランド毎にモールド内の溶鋼温度を測定し、
その温度差の平均値を測定した。表１に出力等の他条件
を示す。 【００３０】 【表１】 【００３１】表２にアノードトーチ及びカソードトーチ
の位置条件とその結果を示す。 【００３２】本発明例であるＮｏ．１〜５においては、
いずれもアノードトーチ及びカソードトーチは本発明条
件を満足しており、溶鋼温度偏差が２℃以下であり、ノ
ズル詰まり等の操業トラブルもなく安定鋳造できた。 【００３３】一方、比較例であるＮｏ．６〜１０におい
ては、Ｎｏ．６ではカソードトーチ距離、Ｎｏ．７では
アノードトーチ距離、Ｎｏ．８ではカソードトーチ角
度、Ｎｏ．９ではアノードトーチ角度、Ｎｏ．１０では
アノードトーチとカソードトーチの距離、カソードトー
チとアノードトーチ角度が、それぞれ本発明範囲を超え
たため溶鋼温度偏差が２℃超となりになり、温度の低い
側のストランドでノズル詰まりが発生し、モールド内の
湯面変動が大きくなり、品質異常が発生した。 【００３４】 【表２】 【００３５】 【発明の効果】プラズマトーチを本発明に示された配置
にすることで、プラズマ加熱装置の効果が最大限発揮で
きる。

【図面の簡単な説明】 【図１】１ストランドの連続鋳造用タンディッシュとツ
インプラズマ加熱装置の配置の縦断面図である。 【図２】１ストランドの連続鋳造用タンディッシュとツ
インプラズマ加熱装置の配置の水平断面図である。 【図３】２ストランドの連続鋳造用タンディッシュとツ
インプラズマ加熱装置の配置の縦断面図である。 【図４】２ストランドの連続鋳造用タンディッシュとツ
インプラズマ加熱装置の配置の水平断面図である。 【図５】Ｌｃ１／Ｌｃ２と溶鋼温度偏差の相関を示した
図である。 【図６】Ｌａ１／Ｌａ２と溶鋼温度偏差の相関を示した
図である。 【図７】２ストランドの連続鋳造用タンディッシュとツ
インプラズマ加熱装置のアノードトーチ及びカソード角
度関係を示す水平断面図である。 【図８】θｃ１／θｃ２と溶鋼温度偏差の相関を示した
図である。 【図９】θａ１／θａ２と溶鋼温度偏差の相関を示した
図である。 【符号の説明】 １、１１…カソードトーチ ２、１２…アノードトーチ ３…カソードトーチメインアーク ４…アノードトーチメインアーク ５…タンディッシュ容器 ６…タンディッシュ蓋 ７…電源装置 ８…取鍋からタンディッシュへ溶鋼を注入するノズル
（タンディッシュ注入ノズル） ９、１０…タンディッシュからモールドへ溶鋼を注入す
る浸漬ノズル（モールド注入ノズル） Ｌ…モールドノズルを通過する中心線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金子 克志 大分県大分市大字西ノ洲１番地 新日本製 鐵株式会社大分製鐵所内 Ｆターム(参考） 4E014 AA01

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 ２ストランドの連続鋳造機用のタンディ
   ッシュ内溶鋼を２組のアノードトーチ及びカソードトー
   チを用いて加熱するツイントーチ式プラズマ加熱装置に
   おいて、タンディッシュ内の溶鋼を加熱する際の２組の
   アノードトーチ及びカソードトーチが、取鍋からの溶鋼
   注入ノズル位置と、タンディッシュからモ−ルドへの溶
   鋼注入ノズル位置を基に、下記式を満足するように配置
   されることを特徴とするツイントーチ式プラズマ加熱装
   置。 ０．９０≦Ｌｃ１／Ｌｃ２≦１．１０ ０．８５≦Ｌａ１／Ｌａ２≦１．１５ ０°≦｜θｃ１−θｃ２｜≦１０° ０°≦｜θａ１−θａ２｜≦１０° ここで、 Ｌｃ１、Ｌｃ２：カノードトーチ先端と取鍋からタンデ
   ィッシュへの溶鋼注入ノズル位置との水平距離、 Ｌａ１、Ｌａ２：アノードトーチ先端と取鍋からタンデ
   ィッシュへの溶鋼注入ノズル位置との水平距離、 θｃ１、θｃ２：カソードトーチ先端と、取鍋からタン
   ディッシュへの溶鋼注入ノズル位置と、タンディッシュ
   からモ−ルドへの溶鋼注入ノズル位置とのそれぞれの水
   平投影面上で、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入ノ
   ズル位置を頂点としてなす角度、 θａ１、θａ２：アノードトーチ先端と、取鍋からタン
   ディッシュへの溶鋼注入ノズル位置と、タンディッシュ
   からモ−ルドへの溶鋼注入ノズル位置とのそれぞれの水
   平投影面上で、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入ノ
   ズル位置を頂点としてなす角度。但し、前記記号中の添
   数字１、２はそれぞれ第１及び第２のトーチを表す。