JP2009136907A - 連続鋳造鋳片のプラズマ表層加熱装置及びプラズマ表層加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼の連続鋳造鋳片の表面をシールドガスでシールしつつプラズマにより加熱するに際し、鋳片表面の酸化防止のため、酸素濃度を低くする構造のプラズマ表層加熱装置およびプラズマ表層加熱方法を提供する。
【解決手段】移動する鋼の連続鋳造鋳片の表面をシールドガスでシールしながらプラズマにより加熱するプラズマ表層加熱装置において、前記鋳片の移動方向と直交する方向に配置されたプラズマトーチと、高さ方向と長手方向の２次元的に滑らかな曲面を有し、前記プラズマトーチのノズルよりプラズマガスとして噴出される不活性ガスを、前記鋳片の表面に沿った鋳片長手方向に流出させるための整流手段と、該整流手段の外周より、前記鋳片の表面に沿って鋳片の移動方向またはその逆方向に流れる前記プラズマガスの上に重畳して前記プラズマガスと略平行な方向に、シールガスとして不活性ガスを噴出するシールガスノズルと、を含むガスシール装置を有する。
【選択図】図１

Description

移動する鋼の連続鋳造鋳片の表面をシールドガスでシールしながらプラズマによって加熱する、プラズマ加熱装置において、加熱される鋳片表面の酸化防止のため、酸素濃度を低くするガスシール構造を有するプラズマ表層加熱装置またはプラズマ表層加熱装置に関するものである。

まず、主として本発明を利用する、銅を含有する鋼の連続鋳造鋳片の表層改質方法について説明する。鋼は、銅を含むと熱間加工性が著しく阻害され、通常の鋼の製造工程である連続鋳造、再加熱、熱間圧延において表面に割れを発生する。これは、連続鋳造もしくは再加熱、熱間圧延時に鋼が雰囲気中の酸素にさらされて酸化する際に、鋼の中への銅の溶解度が低く、かつ銅の融点が低いために酸化鉄と鋼の間に液体状態で存在し、さらにこの液体の銅が鋼の結晶粒界に侵入し、界面強度を低下させるため割れに至るとされる。また、錫は銅の鋼中への溶解度を下げることにより、銅による割れの現象を促進してしまうことから、錫単独では問題となりにくいが、銅と併せて存在すると問題になることが知られている。

この現象を防止するためには、銅が鋼の精錬の工程において除去できない元素であることから、銅を鋼中に混入させないようにするか、もしくは銅の鋼中への溶解度を上げる元素であるニッケルを添加する方法が知られている。しかしながら、循環型社会となり銅を多く含むスクラップが多量に使用される現在では、銅は不可避的に混入し、鉱石からつくった鉄により希釈しても次第に累積し、徐々にニッケルを添加し、無害化する必要性が高まってきている。しかし、一方で、ニッケルは稀少で高価な元素でもあり、製造コストが高くなる問題を抱えている。

以上のことから、連続鋳造する際に、２種類の溶鋼を同時に鋳造する方法や潤滑剤内にニッケルを混入させる方法 などにより、鋳片表層のみニッケルを添加することにより、安価に処理する方法を開示されている。しかし、前者の方法では、２ 種類の溶鋼を準備するために製造コストが高くなること、後者の方法では、後に鋳片の内部となる部分もまだ凝固しないうちに添加するので、表層のみに添加することが難しく、添加厚みの安定や、成分下限を満足することが難しかった。

そこで、特許文献１には、銅を含有する鋼の鋳片表層を安価に確実に改質し、熱間加工時の割れの発生を防止することが提案されている。すなわち、特許文献１には、銅を含有する鋼鋳片の表層を誘導加熱、プラズマ加熱のいずれか一方または双方により溶融させ、溶融した鋼鋳片の表層部分に、ニッケルを含む純金属もしくは合金を添加することを特徴とする鋼鋳片の表層改質方法が示されている。図８にその概要図を示す。この技術は、銅を含有する鋼の鋳片表層に、銅の鋼中への溶解度を上げる元素であるニッケルを溶着させる方法として、誘導加熱、プラズマ加熱のいずれか一方または双方を用いて銅を含有する鋼の鋳片表層を溶融させ、そこへニッケルを含む純金属もしくは合金を添加することで、鋳片表層を安価に確実に改質できることを示している。

プラズマ加熱単独で行う場合は、プラズマ内にニッケルを含む純金属もしくは合金を供給し、鋼の溶融した部分に供給することで鋳片表層溶融部に添加できる。プラズマは一般に軸対称な形をしているため、連続的に鋳片の表面を処理するには、プラズマトーチを鋳片幅方向にスキャンさせる方法か、プラズマを鋳片幅方向に電磁力を使って扁平な往復運動させる方法等を用いることができる。図９にその概要図を示す。

連続鋳造機で得られた鋳片は、切断後、溶融処理場に輸送され、ニッケルを含む純金属もしくは合金をプラズマに供給することで、プラズマで鋳片表層を溶融しつつ、ニッケルを含む純金属もしくは合金が鋼の溶融した部分に供給され、溶着される。その後再度冷却され凝固する。この方法でも、鋳片表層の溶融部温度を液相線温度（鉄は他の成分を含むため、融点のように１つの温度では溶融状態が決まらず、凝固が始まる温度を固相線温度、全て液体となる温度を液相線温度と呼ぶ） よりもわずかに高い温度に保持し、添加後に急速に冷却凝固させることにより凝固組織を小さくでき、結晶粒のサイズを小さくすることにより、銅が鋼の結晶粒界へ侵入することで起こる強度低下という悪影響を抑制できるという利点がある。

また、鋳片表層溶融部にニッケルを含む純金属もしくは合金を添加して溶着させる場合、鋳片の酸化を防止することが好ましいため、チャンバー内で不活性ガス雰囲気（例えばアルゴン、窒素等）で溶融改質するのが好ましく、さらにより確実に酸化を防止するためには、不活性ガス雰囲気中に約２ 容量％ 程度の水素を含んで溶融改質することが好ましいとされる。この目的のため、図８に示すように、プラズマトーチ全体を覆うチャンバー構造が示されている。

N.ラジャラトナム原著「噴流」森北出版（株） 野村安正訳 第１版 第11章 軸対称壁面噴流 P.223−244 特開２００４−１９５５１５号公報 特開２００３−２４５７７６号公報

上記のように、シールガスでシールドしながら鋼材表面をプラズマによって加熱するプラズマ表層加熱装置では、鋳片表面の溶融部の酸化防止のための雰囲気制御が必要であり、その対策として図８に示すような容器（チャンバー）構造が考えられているが、プラズマトーチとチャンバー壁が近接している場合、プラズマトーチのノズルからプラズマガスとして噴出されている不活性ガス（アルゴンガス）が、プラズマトーチから離れるに従って拡散し、チャンバー内で乱流となり、溶融表面の乱れやプラズマアークの乱れによる不安定発生、鋳片からの輻射熱や高温ガス流、さらには溶融表面からのスプラッシュ発生等によるチャンバー壁の損傷が発生する。また、プラズマトーチを含む装置全体をシールされたチャンバー内に配置する方法があるが、設備コストが膨大とならない方策が必要となる。

銅を含有する鋼の連続鋳造鋳片の表面をプラズマによって溶融させ、ニッケルを含む純金属もしくは合金を添加して表層改質を行うに際して、プラズマ加熱装置を対象とした酸化防止に関する従来の特許や報告はない。一方、特許文献２にあるように、シールドガスを用いた溶接装置において、溶接トーチの周囲からシールドガスを噴出させ、さらにその外側にシール用の流体を旋回噴出させ、トーチ直下のシールドガス流れを安定化させるとともに、溶接品質を確保する技術がある。図１０にその概要を示す。上記従来技術で提案されている方法では、トーチ１本に対して同心円状にシールドガス、および、外部シールガスを噴出する構造に特徴があるが、トーチ外径が大きくなり、複数のトーチを近接させて並べるような溶融装置には不向きである。

そこで、本発明の目的は、トーチ外径が大きい場合あるいは、複数のトーチを鋳片の移動方向（鋳片の幅方向）に近接して並べて処理する場合に好適に処理可能な装置及び方法を提供するものであって、シールドガスでシールドしながら鋼の連続鋳造鋳片の表面をプラズマによって加熱するプラズマ加熱装置において、加熱される鋳片表面の酸化防止のため、酸素濃度を低くするガスシール構造を有するプラズマ表層加熱装置およびプラズマ表層加熱方法を提供するものである。

本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）移動する鋼の連続鋳造鋳片の表面をシールドガスでシールしながらプラズマによって加熱する、プラズマ表層加熱装置において、連続鋳造鋳片の移動方向と直交する方向に配置され鋳片表面を加熱するプラズマトーチと、高さ方向と長手方向の２次元的に滑らかな曲面を有し、前記プラズマトーチのノズルよりシールドガスとして噴出される不活性ガス（以下、プラズマガスという）を、前記連続鋳造鋳片の表面に沿った鋳片長手方向に流出させる流れを作る整流手段と、該整流手段の外周より、前記連続鋳造鋳片の表面に沿って鋳片の移動方向またはその逆方向に流れる前記プラズマガスの上に重畳して前記プラズマガスと略平行な方向に、シールガスとしてさらなる不活性ガス（以下、シールガスという）を噴出するシールガスノズルと、を含むガスシール装置を有することを特徴とする連続鋳造鋳片のプラズマ表層加熱装置。

（２）前記シールガスを噴出するシールガスノズルが、シールガスを噴出する方向が水平方向に対して上下に角度１０°以内となるように設置されたことを特徴とする前記（１）に記載の連続鋳造鋳片のプラズマ表層加熱装置。
（３）前記シールガスノズルのガス流出方向に、前記シールガスノズルを、複数列配設することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の連続鋳造鋳片のプラズマ表層加熱装置。

（４）シールドガスでシールしながら鋼の連続鋳造鋳片の表面をプラズマによって加熱する、プラズマ表層加熱方法において、プラズマトーチのノズルよりシールドガスとして噴出される不活性ガス（以下、プラズマガスという）の流れを、高さ方向と長手方向の２次元的に滑らかな曲面を用いて、前記連続鋳造鋳片の表面に沿った鋳片長手方向に整流し、この曲面の外周に設けたシールガスノズルから、シールガスとしてさらなる不活性ガス（以下、シールガスという）を、この整流されたプラズマガスの上に重畳してこのプラズマガスと略平行な方向に噴出させ、これらによってガスシールすることを特徴とする連続鋳造鋳片のプラズマ表層加熱方法。

（５）前記シールガスノズルから、前記整流されたプラズマガスの上に重畳して、水平、あるいは水平に対して上及び下向きに角度１０°以内となるように前記シールガスを噴出させることを特徴とする前記（４）の連続鋳造鋳片のプラズマ表層加熱方法。
（６）前記シールガスノズルの先端の鋳片表面からの高さを、前記整流されたプラズマガスが、鋳片に沿って広がっていく流れの境界層より上層、かつ最大流速値の１０％〜３０％の流速となる高さに設定することを特徴とする前記（４）または（５）に記載の連続鋳造鋳片のプラズマ表層加熱方法。

（７）前記シールガスのガス流出方向に、前記シールガスノズルを複数列配設し、該複数列のノズルについてプラズマガスの流出方向に向かってプラズマトーチに近い側から、１組目のノズル、２組目のノズル、・・・、ｎ組目のノズルとし、１組目のノズルから噴出されるシールガスの平均流速をＶ_Nm1、２組目の平均流速をＶ_Nm2、・・・、ｎ組目のガス流速をＶ_Nmnとしたとき、
Ｖ_Nm1＞Ｖ_Nm2＞・・・＞Ｖ_Nmn-1＞Ｖ_Nmn
とすることを特徴とする前記（４）〜（６）のいずれかに記載の連続鋳造鋳片のプラズマ表層加熱方法。

（８）前記シールガスとしてアルゴンガス、または窒素ガスを用いることを特徴とする前記（４）〜（７）のいずれかに記載の連続鋳造鋳片のプラズマ表層加熱方法。

本発明のプラズマ表層加熱装置およびプラズマ表層加熱方法によれば、トーチからのプラズマガスを安定的に外部に流出させるとともに、外部のシールガスによって、外気との遮断性がさらに向上し、プラズマが接触、溶融する鋳片表面の広い領域の酸素濃度を低くした加熱部近傍のみのコンパクトなシール構造を有する装置を提供できる。さらに、本発明を表層改質に用いれば、酸化層の少ない、品質の良い表層改質された連続鋳造鋳片を得ることができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかるプラズマ表層加熱装置の概略構成を示す側面模式図である。

図１において１は、プラズマトーチの本体を示し、プラズマトーチ１自身は上下移動機構（図示せず）によって、鋳片２との距離を調整できるようになっている。該プラズマトーチ１からはプラズマガス３が噴出され、プラズマアーク４が鋳片２との間に発生し、鋳片表面を溶融して溶融部５を形成する。６はシールガス７が通るシールガスノズルを示す。該シールガスノズル６自身は、シールガスによって空冷されるとともに、耐熱対策として、その内外面に耐火物や、耐熱溶射等が施される。また、シールガスノズル６の形状は、プラズマトーチ１側からその先端が鋳片長手方向（それぞれ鋳片の移動方向の上流側および下流側）に向かって広がるように、鉛直方向の上方から下方へ水平方向に滑らかに湾曲するものであり、その内側面（プラズマトーチ側の面）１９は、高さ方向及び鋳片長手方向（それぞれ鋳片の移動方向の上流側及び下流側）に関して２次元的に滑らかな曲面を有している。この内側面１９の形状はプラズマトーチ１からのプラズマガス３が鋳片表面と衝突してから鋳片表面に沿って流れていく際に、その流れを鋳片長手方向へ導きながら整流する整流機能を有する。

シールガスノズル６から噴出したシールガスは、鋳片表面に沿って流れるプラズマガス３とほぼ平行に流れ、プラズマガスの流れが層流に近い状態を保つ機能を有する。８は、シールガスノズルを支えるシールガスノズル支持筐体であり、内部は水冷構造となっている。シールガスノズル支持筐体８には貫通孔が設けられ、プラズマトーチ１はこの筐体８を貫通して設けられる構造となっている。また、シールガスノズル支持筐体８は、プラズマトーチ１とは独立した上下移動機構をもち、プラズマトーチのノズル噴出口と鋳片表面間の距離を調整できるようになっている。

上記、プラズマトーチ１、シールガスノズル６、およびシールガスノズル支持筐体８により、トーチを中心に鋳片側を開口部とするボックス構造を構成しており、これをシールボックス（シール装置とも記す）９と称することにする。このシールボックス９において、プラズマトーチ１はノズル支持筐体に設けられた貫通孔に挿通されており、シールガスノズル６は、内側面を対向させてノズル支持筐体に支持されている。なお、鋳片は移動方向１０の方向に水平に移動しており、連続的に処理されるしくみとなっている。

上記シール装置を構成する対向して設けられたノズルの内側面は、上述のように垂直方向の上方から下方へ水平方向（それぞれ鋳片移動方向の上流側及び下流側）に湾曲し、２次元的な曲面を形成してプラズマガスが鋳片の表面に沿って流れ、このノズル先端と鋳片との間隙より、鋳片の移動方向の上流側及び下流側に流れ出るように整流する手段を構成している。また、この一対のノズルの先端にはガス噴出手段として、不活性ガス供給手段から供給された不活性ガスを、鋳片の移動方向の上流側及び下流側に噴出するガス噴出口を有している。

以上説明したように、一例として図１に示した本発明の連続鋳造鋳片のプラズマ表層加熱装置は、移動する連続鋳造鋳片の表面を、シールガスでシールドしながらプラズマによって加熱するプラズマ表層加熱装置であって、連続鋳造鋳片の搬送方向と直交する方向に配置され、かつ鋳片の表面に対して昇降自在に近接可能な鋳片表面を加熱するプラズマトーチと、プラズマトーチに対して鋳片移動方向の上流側及び下流側に間隔を開け、対向して配置されたシールガスを噴出するシールガスノズルと、これらのシールガスノズルの間を連結支持して上下に昇降可能であると共に、前記プラズマトーチを上下方向に貫通させる貫通孔を有するシールガスノズル支持筐体を備えたシール装置を有しており、かつ、前記シールガスノズルは、その内側面が、垂直方向から水平方向に鋳片移動方向の上流側または下流側にそれぞれに湾曲し、２次元的な曲面を形成して、プラズマガスが鋳片の表面に沿って流れ、このノズル先端と鋳片との間隙より、鋳片の移動方向の上流側及び下流側から流れ出るようにする整流手段を構成すると共に、その先端はガス噴出手段として、前記流したプラズマガスの上に重畳して、不活性ガス供給手段から供給された不活性ガスをシールガスとして、鋳片の移動方向の上流側及び下流側に噴出するガス噴出口を有している。

この図１のシール装置の例では、対向して配置したシールガスノズルの内側面をプラズマガスの整流手段とし、また、シールガス（不活性ガス）噴出手段を同じくこのノズル先端の噴出口として、整流手段とシールガス噴出手段を一体として構成された例を示したが、これらの手段をそれぞれ独立した手段とし、例えば、上記のような曲面を有する一対の壁体（板体）を整流手段とし、この壁体の鋳片移動方向の上流側と下流側の先端（外周）にシールガスを噴出するノズルをシールガス噴出手段として組み合わせた構成とすることができることは言うまでもない。

すなわち、鋳片の表面を加熱するプラズマトーチの鋳片移動方向の上流側および下流側において、シールボックスを形成し、プラズマガスが鋳片の表面に沿って流れ、シールボックスと鋳片の間隙から、鋳片移動方向の上流側および下流側に流れるように整流する曲面を形成でき、また、この流れ出したプラズマガスの流れの上に重畳して、シールガスを噴出できる手段を備える構成であればよい。

図２は本プロセスに使用するプラズマトーチの代表的な構造を示す断面模式図である。プラズマトーチ１は、図２に示すように、全体として多重円筒形であり、その中心位置に電極棒１１を有し、その電極の外側にノズル１２が被さり、そのノズルの外側にはノズルキャップ１３が被さっている。１４はプラズマガスであるアルゴンガスの流路、１５は水冷用の冷却水路を示す。プラズマトーチ稼動中はアルゴンガスを流すことにより、プラズマを発生、安定発生させることができる。

図３はシールボックス９の構造、及びガス流れを説明するための部分拡大した断面模式図を示す。プラズマトーチ１の鋳片長手方向（鋳片の移動方向の上流側および下流側、但し、図３では上流側のみ示す。）には、シールガス７を鋳片長手方向に噴出するシールガスノズル６（流量Ｑ_N、噴出速度Ｖ_N）が配置され、該ノズルの噴出口１８はスリット構造となっている（スリット間隔ｔ）。シールガスノズル噴出し方向は上下（θ）に変更可能であり、また、その高さは鋳片の表面から一定の距離離れた位置Ｈにある。プラズマトーチ１のノズル１２（噴出ノズル径ｄ）から噴出されたプラズマガス３（流量Ｑ_A、噴出速度Ｖ_A）は、プラズマトーチ直下の鋳片２の表面１６（トーチ直下プラズマガス噴流衝突点）に衝突し、流れの方向が鋳片の表面に沿う方向１７に変えられ、鋳片に沿って流出し、拡散する。このとき、プラズマガス３はシールガスノズル６の内側面１９にまで広がる。この内側面１９は、上述のように鋳片長手方向（鋳片の移動方向の上流側）及び高さ方向に関して２次元的に滑らかに湾曲した曲面となっているので、プラズマガスは鋳片長手方向（鋳片の移動方向の上流側）へ整流される。したがって、プラズマガスは整流されて層流の状態で安定的にシールボックス９から外部へ流出する。

シールボックス９から外部へ流れ出したプラズマガス３は、シールガスノズル６からのシールガス７の流れと平行に流れ、徐々に合流する。シールガスノズル６から噴出したシールガス７は鋳片表面に沿って流れるプラズマガス３と平行に流れ、層流の状態を保つ機能を有する。この時、条件が整えば、プラズマガス３とシールガス７は２重のガス流れとなり、外気を遮断するため、鋳片表面での酸素濃度を低く保つことができる。本構造はトーチが一本の場合は軸対称構造となるが、鋳片の幅方向に対しては、複数並べる必要がある。処理能力を考えた場合、鋳片幅方向に複数本のトーチを並べる方法がとられる。その場合、鋳片幅方向端部までプラズマトーチが鋳片の上面を加熱できるように、また、プラズマガスとシールガスが鋳片長手方向に流れるように、プラズマトーチとシールガスノズルが鋳片の幅方向端部まで並べられた構造とする。

ここで、軸対称な構造及び流れを考えた場合、一般に壁（この場合鋳片）に向けたノズルからの衝突噴流は壁で方向が曲げられ、次第に境界層を発展させながら、周囲へと広がっていく。プラズマトーチ中心からの距離をｘ、プラズマトーチ中心からｘ離れた地点での壁からの高さ方向ｚでの流速をｕ、最大流速をｕ_m、ｕ_m／２となる壁からの高さをｂとした場合、非特許文献１に示されているように、ｚ／ｂ〜ｕ／ｕ_mは相似関係にあることが知られている。図４はｚ／ｂ〜ｕ／ｕ_mの関係を示す。この関係を利用することによって、効果的なシール仕様を決定することができる。

以下、具体的な構造で効果の検証を行う。
図５は、本発明の効果を確かめるために、製作したシールボックス構造を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は斜視図である。ただし、図５（ｃ）は、プラズマトーチをはずしてあるシールボックスサイズについては、幅（鋳片移動方向１０と直交する方向の長さ）は対象となる鋳片幅に適用できる幅とし、鋳片長手方向については２４０ｍｍとした。プラズマトーチ１は８０ｍｍから９０ｍｍ間隔に鋳片幅方向に並べて設置した。１本当たりのプラズマガス流量は５０ｌ／ｍｉｎ、シールガスは窒素ガスとして、１本のトーチ幅あたり最大２４０ｌ／ｍｉｎ／本まで投入できるように設計した。シールガスノズル６のスリットの間隔は０．１〜２．０ｍｍまで変更可能である。シールガスノズル６の吐出口１８の鋳片面からの高さＨは０ｍｍ〜１００ｍｍにできるように設計しており、前記ｂの測定された高さが１２ｍｍ程度であったことから、図４を参考にＨの高さは２０ｍｍとした。
以下、本装置を想定した流動シミュレーションを行った。表１は流動シミュレーション条件の一覧を示す。なお、表中の記号は図３に示すものと同じである。

表１にはシミュレーション条件とその結果を示す。シールガスノズルのスリット間隔ｔは０．５ｍｍ及び１．０ｍｍとし、ノズルの噴出し角度θを０°（水平）とし、かつプラズマトーチ１本あたりのシール用の窒素ガス（シールガス）の噴出し量Ｑを１２０ｌ／ｍｉｎ，１８０ｌ／ｍｉｎとしたに変化させた場合の、鋳片表面の酸素濃度分布のシミュレーション結果を示す。

シール用の窒素ガス噴出しによって、シールボックス直下のみならず、シールボックスから出た下流領域においても、鋳片表面の酸素濃度が低下すること、ノズルスリットの間隔ｔは１．０ｍｍよりも０．５ｍｍの方が酸素濃度低減効果が大きいこと、ノズル噴出し口の鋳片表面からの高さＨは２０ｍｍの場合で酸素濃度低減効果は大幅に向上すること、プラズマトーチ１本あたりのシール用の窒素ガスの噴出し量Ｑを１２０，１８０ｌ／ｍｉｎと増えるに従って酸素濃度低減効果が上がること、がわかる。
プラズマトーチ直下から５０ｃｍの範囲、すなわち、シールガスノズル先端（噴出し口１８）から上流側又は下流側に３８ｃｍまでの範囲では、スリット間隔０．５ｍｍ、シールガス風量１８０ｌ／ｍｉｎとすれば、酸素濃度１％以下を達成できる。また、寸法や能力の異なるプラズマトーチで同高さＨを設定する場合は、本形態と同様にｂ値（最大流速をｕ_mとしたときのｕ_m／２の高さ）を求め、図４を参考に設定すればよい。

ノズルスリット間隔ｔは１．０ｍｍより０．５ｍｍの方が酸素濃度低減効果が大きかった。これは、同じ流量でスリット間隔が狭ければ流速が速くなることによる。しかし、スリット間隔が狭くなれば減衰が速くなったり、酸素濃度が変動したりするので、狭くすればよいというものではない。

シールガスノズルの噴出し方向は下向きにしすぎると、酸素濃度が悪化してくる。その原因は、下向きにすることによって、噴出し口下部に発生する渦が、シールボックス内側にシフトし、外気のボックス内への巻き込みを促進するためと思われる。従って、シールガスノズルからの噴出し角度θは０°（水平）が望ましいが、ある程度の変動を許容した場合、上下に１０°程度が限界と考えられる。

図６は、シールガスノズルのノズルスリット間隔ｔを１．０ｍｍ、ノズルの噴出し角度θを０°（水平）、プラズマトーチ一本幅あたりのシール用の窒素ガスの噴出し量Ｑを１２０ｌ／ｍｉｎとし、ノズル噴出し口の鋳片表面からの高さＨを２０ｍｍとした場合の、シールガスノズル近傍のシールガスの速度ベクトルを示したものである。トーチから出たプラズマガスであるアルゴンガス噴流は鋳片表面に衝突した後、壁面噴流状態となって鋳片に沿って流れ、次第に速度を落としながら周囲に広がっていき、境界層も次第に発達していく。同時に、シールボックス内部にはアルゴンガスの旋回流２１が発生している。

シールガスノズル出口でのシールガスは、アルゴンガスと交わる点での両者の速度ベクトルは同じ方向である。測定によりｂ≒１２ｍｍであることから、図４に示すｚ／ｂ〜ｕ／ｕ_mの関係の中でｚ／ｂが１．６〜１．８近傍にある。高さＨが２０ｍｍの場合では、流速が揺らいでも最大流速値の１０％〜３０％の範囲から出ないと予想された。逆にこの範囲からはずれると徐々に外気が境界層に混ざって来ると予測された。以上のことから、シールガスを、プラズマガスの上に重畳するように噴出させるノズル先端の高さを、プラズマトーチから噴出したプラズマガスが、鋳片に沿って広がっていく流れの境界層より上層、かつ最大流速値の１０％〜３０％の流速となる高さとすることで、より一層流れが安定化し、高いシール機能を果たすと考えられる。

ところで、実際の処理では鋳片は移動方向に水平に連続的に移動する。従って、トーチによる鋳片表面の溶融部分は移動方向の下流側に大きく伸びることになり、必然的に酸素濃度を低くする領域も下流側に大きくとる必要が生じる。すなわち、酸素濃度はトーチから離れるに従って次第に高くなっていく。図７は、鋳片の移動方向に沿って下流側に、移動方向下流側にシールガスを噴出するシールガスノズルを複数列配置２６にシール装置を構成したものである。これによって、広範囲に渡って酸素濃度を低く保つ機能を発揮するようにしたものである。

ノズルスリット間隔ｔを０．５ｍｍ、プラズマトーチ１本幅あたりのシール用の窒素ガスの噴出し量Ｑを１２０ｌ／ｍｉｎ、ノズルの噴出し角度θを０°（水平）とし、移動方向に沿って下流側にシールガスを噴出するシールガスノズルを鋳片移動方向の下流側に２基並べた場合、酸素濃度低減効果はかなり大きいことは想像に難くない。シールガスノズルを鋳片の移動方向の下流側に沿って複数列配置することにより流速の減衰を下流へ向かって少なくできるため、効率的に酸素濃度を低く保つ機能を発揮できる。

鋳片移動方向の下流側の複数列のシールガスノズルによって分割される領域を、プラズマガスの下流側への流出方向に向かってプラズマトーチに近い側から、１組目のノズル、２組目のノズル、・・・、ｎ組目のノズルとするとき、前段（トーチに近い側）のシール効果が大きいことから、１組目のシールガスノズルから噴出されるシールガスの平均流速をＶ_Nm1、２組目の平均流速をＶ_Nm2、・・・、ｎ組目のガス流速をＶ_Nmnとしたとき、
Ｖ_Nm1＞Ｖ_Nm2＞・・・＞Ｖ_Nmn-1＞Ｖ_Nmn
として、全体の風量を下げることが可能である。

本実施形態は、プラズマガスとして、不活性ガスアルゴンを使用し、シールガスとしてアルゴン、あるいはアルゴンより比重が重く不活性なガスを用いる。本ガスを使用することにより、良好な品質で溶融することができる。図５に示すシールガスノズルに耐熱施工を行い、熱間での試験も実施し、施工品質面で良好な処理結果を得た。以上、本発明の一実施形態を説明したが、これらの実施形態はあくまで本発明の説明のための例示であり、本発明をこれら実施形態にのみ限定するものではない。従って、本発明は、上記実施形態以外の様々な形態でも実施することができる。

本発明の実施例を示す側面図である。（シールガスノズルは１列） プラズマトーチの基本構造を示す図である。（シールガスノズルは１列） プラズマトーチ〜シールガスノズルの詳細関係図を示す図である。 非特許文献１に開示された軸対称衝突噴流の壁面噴流領域での流速分布を示す図である。 本発明の一実施形態を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は斜視図を示す。 シールガスノズル高さ２０ｍｍの場合のシールガスノズル近傍のシールガスの速度ベクトルを示す図である。 本発明装置の他の実施形態を示す側面模式図である。（シールガスノズルは複数列） 特許文献１に開示されたプラズマ加熱による表面改質の説明図である。 特許文献１に開示されたプラズマ振動の説明図である。 特許文献２に開示されたガスによる整流、シールの説明図である。

符号の説明

１ プラズマトーチ
２ 鋳片
３ プラズマガス流れ
４ プラズマアーク
５ 鋳片溶融部
６ シールガスノズル
７ シールガス流れ
８ シールガスノズル支持筐体
９ シールボックス
１０ 鋳片搬送方向
１１ 電極棒
１２ プラズマガスノズル
１３ ノズルキャップ
１４ プラズマガス流路
１５ 冷却水流路
１６ トーチ直下プラズマガス噴流衝突点
１７ プラズマガスの流出、拡散方向
１８ シールガスノズル噴出し口
１９ シールガスノズル整流機能部
２０ シールガスノズル高さ２０ｍｍ時のプラズマガス流れ
２１ シールガスノズル高さ２０ｍｍ時のシールボックス内プラズマガス旋回流
２２ シールガスノズル高さ２０ｍｍ時シールガス流れ方向
２３ 複数列ノズル
３１ 元素を溶融添加する機能を保有したプラズマ
３２ 電磁誘導コイル
３３ サポートロール
３４ 鋳片
３５ 不活性ガス雰囲気をつくる容器
３６ 溶融した部分
３７ 連続引抜もしくは移動方向
３８ 磁場
３９ 未溶融の加熱部
４０ ニッケルが富化された部分
４１ 溶接母材
４２ 溶接トーチ
４３ 液体噴射ノズル
４４ スリット
４５ 外気
４６ 溶接部
４７ 高速超薄層バリア流体
４８ 乱流
４９ 減圧領域
５０ シールドガス
５１ 圧縮流体
５２ 圧縮流体入口
５３ 流体溜り室
５４ 流体分散材
５５ スリット口
５６ スリット本体
５９ バリア流体内面
６０ 下部壁面
６１ 外気導入ノズル
６２ バリア内側流体

Claims (8)

1. 移動する連続鋳造鋳片の表面を、シールドガスでシールしながらプラズマによって加熱する、プラズマ表層加熱装置において、連続鋳造鋳片の移動方向と直交する方向に配置され鋳片表面を加熱するプラズマトーチと、高さ方向と長手方向の２次元的に滑らかな曲面を有し、前記プラズマトーチのノズルよりシールドガスとして噴出される不活性ガス（以下、プラズマガスという）を、前記連続鋳造鋳片の表面に沿った鋳片長手方向に流出させる流れを作る整流手段と、該整流手段の外周より、前記連続鋳造鋳片の表面に沿って鋳片の移動方向またはその逆方向に流れる前記プラズマガスの上に重畳して前記プラズマガスと略平行な方向に、シールガスとしてさらなる不活性ガス（以下、シールガスという）を噴出するシールガスノズルと、を含むガスシール装置を有することを特徴とする連続鋳造鋳片のプラズマ表層加熱装置。
2. 前記シールガスを噴出するシールガスノズル、シールガスを噴出する方向が水平方向に対して上下に角度１０°以内となるように設置されたことを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造鋳片のプラズマ表層加熱装置。
3. 前記シールガスノズルのガス流出方向に、前記シールガスノズルを、複数列配設することを特徴とする請求項１または２に記載の連続鋳造鋳片のプラズマ表層加熱装置。
4. シールドガスでシールしながら鋼の連続鋳造鋳片の表面をプラズマによって加熱する、プラズマ表層加熱方法において、プラズマトーチのノズルよりシールドガスとして噴出される不活性ガス（以下、プラズマガスという）の流れを、高さ方向と長手方向の２次元的に滑らかな曲面を用いて、前記連続鋳造鋳片の表面に沿った鋳片長手方向に整流し、この曲面の外周に設けたシールガスノズルから、シールガスとしてさらなる不活性ガス（以下、シールガスという）を、この整流したプラズマガスの上に重畳してこのプラズマガスと略平行な方向に噴出させ、これらによって鋳片表面をガスシールすることを特徴とする連続鋳造鋳片のプラズマ表層加熱方法。
5. 前記シールガスノズルから、前記整流されたプラズマガスの上に重畳して、水平、あるいは水平に対して上及び下向きに角度１０°以内となるように前記シールガスを噴出させることを特徴とする請求項４の連続鋳造鋳片のプラズマ表層加熱方法。
6. 前記シールガスノズルの鋳片表面からの高さを、前記整流されたプラズマガスが、鋳片に沿って広がっていく流れの境界層より上層、かつ最大流速値の１０％〜３０％の流速となる高さに設定することを特徴とする請求項４または５に記載の連続鋳造鋳片のプラズマ表層加熱方法。
7. 前記シールガスのガス流出方向に、前記シールガスノズルを複数列配設し、該複数列のノズルについてプラズマガスの流出方向に向かってプラズマトーチに近い側から、１組目のノズル、２組目のノズル、・・・、ｎ組目のノズルとし、１組目のノズルから噴出されるシールガスの平均流速をＶ_Nm1、２組目の平均流速をＶ_Nm2、・・・、ｎ組目のガス流速をＶ_Nmnとしたとき、
   Ｖ_Nm1＞Ｖ_Nm2＞・・・＞Ｖ_Nmn-1＞Ｖ_Nmn
   とすることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の連続鋳造鋳片のプラズマ表層加熱方法。
8. 前記シールガスとしてアルゴンガス、または窒素ガスを用いることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の連続鋳造鋳片のプラズマ表層加熱方法。

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