JP2011000593A - タンディシュ内溶鋼加熱用プラズマトーチ - Google Patents

Abstract

【課題】ノズル部からの水漏れを防止してトーチ寿命を延長させた水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチを提供すること。
【解決手段】プラズマトーチ先端電極の外周下端部に配置されるノズル部を、リング状の外周パーツと、この外周パーツの内周及び下面に沿って延びる内周パーツから構成し、これらのパーツ間にノズル内周面冷却水路を形成した水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチであって、ノズル部の底面における内周パーツの下部外周部と外周パーツとの接続部を、使用時における熱応力集中部位を回避した箇所に設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、タンディッシュ内の溶鋼を、プラズマトーチから発生するプラズマアークによって加熱を行う連続鋳造用タンディッシュ内溶鋼のプラズマ加熱装置に使用するプラズマトーチに関するものである。

連続鋳造用タンディッシュ内溶鋼のプラズマ加熱装置に使用するプラズマトーチには、水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチと、水冷式直流熱陰極型プラズマトーチとがある。水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチは、トーチ先端を大量の循環冷却水で冷却する機能を備え、数メガワットレベルの大容量プラズマアークに対する耐熱性を有する。一方、水冷式直流熱陰極型プラズマトーチは、トーチ先端に耐熱性の高い材質を使用して極力冷却水量を減らすことで、循環冷却水の抜熱によるエネルギーロスをミニマム化できるためエネルギー効率の観点で優れている。

一般的に連続鋳造プロセスにおいては、水冷式直流熱陰極型プラズマトーチが使用されることが多く、該トーチにおいて、偏向アークの低減を図りトーチ電極寿命を延長させる技術が、例えば、特許文献１に開示されている。

連続鋳造設備の大型化に伴い、数メガワットレベルの大容量プラズマアークに対する耐熱性を有する水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチが採用される場合があるが、該水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチ特有の構造に起因したトーチ寿命劣化が問題となっている。

図５に一般的な水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチ先端部の構造を示す。電極の下から旋回を与えてArガスを吹き込み、このArガスをタンディシュの溶鋼面側へ指向性を持たせて吹き付けるためのガイドの役目を果たすリング状のノズル部が設置される。溶鋼へ吹き付けられるArガスがプラズマ化して高温のプラズマアークを形成し、アークの輻射熱で溶鋼を加熱する。ノズル部の役割は、吹き込みArガスをガイドしてプラズマアークを確実に電極と溶鋼間の位置に制御し、タンディシュ蓋等へのミスアークによる電極の溶損やプラズマの失火を防ぐことであり、非常に重要な役割を果たしている。
図４に、一般的な水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチのノズル部構造を示している。水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチでは、ノズル部に複雑な冷却水経路の機械加工を施すことが必要となる。このため、該ノズル部は、鋳造による一体形成ではなく、通常、内周パーツ１２と外周パーツ１１からなる２ピース構造とし、それぞれを機械加工した後、溶接による一体化を行って形成される。図４のＢ詳細に溶接部近傍の拡大図を示すが、内周パーツ12と外周パーツ11にかい先を取り、肉盛り溶接を行っている。該ノズル部の材料として、一般的には、熱伝導率が高く、強度が高いリン脱酸銅の鍛造品が使用される。

しかし、図４に示す従来の水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチはトーチ寿命が短く、平均１７時間程度の使用により、該ノズル部の内周パーツ１２と外周パーツ１１との溶接部や、タンディッシュ内溶鋼に近接したノズル底面内周部から、水漏れが発生しやすいという問題があった。

特開平１１−２９１０２３号公報

本発明の目的は、前記問題を解決し、ノズル部からの水漏れを防止してトーチ寿命を延長させた水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチを提供することである。

上記課題を解決するためになされた本発明の水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチは、プラズマトーチ先端電極の外周下端部に配置されるノズル部を、リング状の外周パーツと、この外周パーツの内周及び下面に沿って延びる内周パーツから構成し、これらのパーツ間にノズル内周面冷却水路を形成した水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチであって、ノズル部の底面における内周パーツの下部外周部と外周パーツとの接続部を、使用時における熱応力集中部位を回避した箇所に設けたことを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチにおいて、外周パーツの下部に放射状のノズル底面冷却水路を備えたリング状突部を形成し、その内周端部を内周パーツの下部外周部と溶接したことを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチにおいて、内周パーツの下部外周部が外周パーツの底面全体を覆う形状としてこれらのパーツ間にノズル底面冷却水路を形成し、内周パーツと外周パーツとを外周部でねじ込みで接続したことを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項２記載の水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチにおいて、ノズル底面冷却水路の入口下端部にＲ加工を施したことを特徴とするものである。

請求項５記載の発明は、請求項２または３記載の水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチにおいて、ノズル部の底面に、耐熱性及び耐磨耗性の表面処理を施したことを特徴とするものである。

水漏れが発生したノズル部の詳細調査の結果、ノズル部の溶鋼に対向する面に施された内周パーツ12と外周パーツ11 の溶接部において、冷却水路側から亀裂が伸展してノズル部1表面に到達して最終的に水漏れが発生していることを突き止めた。当該部分の水漏れ対策を検討する中で、本件発明者は、プラズマ印加時のプラズマトーチのノズル部の熱応力解析により、剛性の高い外周パーツ11と剛性の低い内周パーツ12の溶接接続部周辺に大きな熱応力が発生していることを見出した。プラズマ印加時、内周パーツ12の熱負荷が高く温度が上昇して線膨張が大きくなるため、剛性の高い外周パーツ11と接続された剛性の低い内周パーツ12の付け根部分Ｘに大きな熱応力が発生するためである。熱応力は、前述した内周パーツ12の付け根部分Ｘの非常に狭い範囲に局所的に発生しており、熱応力解析より、付け根部分Ｘから内周方向に8mm離れたところの熱応力は、約10％に大幅に低減することが判明した。また、一般的に溶接部の組織は、溶接時の入熱の影響で粗大化しているため鍛造された他部位よりも強度が弱いことが知られている。これらの知見に基づき、本件発明者は、熱応力集中位置と、強度の弱い溶接位置をずらす構成を発案した。ずらす距離としては8mm以上が好ましい。当該発案に基づく本発明の水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチは、内周パーツ12と外周パーツ11 との接続部を、プラズマ加熱時に熱応力が集中的に発生する熱応力集中部位を回避した箇所に設ける構成により、従来、内周パーツ12と外周パーツ11 との溶接部に生成した亀裂からの水漏れを防止し、トーチ寿命の延長を実現可能とした。トーチ寿命の延長により、水漏れ修繕費の削減、また水漏れに起因するプラズマ非稼動時間の短縮、これに伴いタンディシュ溶鋼温度バラツキの低減、鋳造速度高位安定による生産性向上、低温溶鋼による品質悪化防止、ノズル詰まり防止の各効果が最大限享受可能となる。

請求項４記載の発明では、請求項２記載の水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチのノズル部1において、プラズマ加熱時に熱応力が集中的に発生する熱応力集中部位Xであるノズル底面冷却水路の入口下端部にＲ加工11cを施す構成により、当該部分の熱応力を緩和することができる。

請求項３記載の発明では、請求項１記載の水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチのノズル部1において、内周パーツ12をその下部外周部12aが外周パーツ11の底面全体を覆う形状としてこれらのパーツ間にノズル底面冷却水路13bを形成し、内周パーツ12と外周パーツ11とを外周部でねじ込み接続14する構成により、もともと強度の弱い溶接部を、熱応力のかかる部分から完全に無くし、従来、該溶接部から発生していた水漏れを完全に防止し、トーチ寿命の延長を実現している。

水漏れが発生したノズル部の詳細調査の結果、ノズル部のうち、タンディッシュ内溶鋼に近接したノズル底面内周部からも水漏れが発生していることを突き止めた。当該部分の水漏れ対策を検討する中で、本件発明者は、ノズル底面内周部の断面ＥＰＭＡ解析により、当該部分の水漏れは、大量に溶鋼に吹付けられるArプラズマガスの運動エネルギーで吹き飛ばされたタンディッシュ内溶鋼液滴のアタックによる薄肉化が原因であることを見出し、該部分に、耐熱性及び耐摩耗性に優れた表面処理を行うことを発案した。当該発案に基づく請求項５記載の発明は、請求項２または３記載の水冷式直流冷陰極移行型のプラズマトーチにおいて、該ノズル部の底面に、耐熱性及び耐磨耗性の表面処理を施す構成により、タンディッシュ内溶鋼に近接したノズル底面内周部からも水漏れを防止し、トーチ寿命の延長を実現している。

実施形態１のノズル部の説明図である。 図１のＡＡ断面図である。 実施形態２のノズル部の説明図である。 一般的な水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチのノズル部構造の説明図である。 プラズマトーチとノズル部の構造を表した説明図である。

以下に本発明の好ましい実施形態を示す。

（実施形態１）
図１には、実施形態１の水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチにおける、プラズマトーチ先端電極の外周下端部に配置されるノズル部の説明図を示し、図２には、図１のＡＡ断面図を示している。

プラズマアークの指向性を高めるため、プラズマトーチ先端電極の外周下端部に配置されるノズル部１は、外周パーツ１１と、この外周パーツの内周及び下面に沿って延びる内周パーツ１２とから構成される。各パーツの構成材料には、熱伝導率が高く、強度が強い、リン脱酸銅の鍛造品を使用した。

該ノズル部１を冷却する冷却水は、内周パーツ１２と外周パーツ１１との対峙空間に形成されたノズル内周面冷却水路１３ａを通って、ノズル内周を冷却する。

図２に示すように，外周パーツ１１の下部には、放射状のノズル底面冷却水路１１ａを備えたリング状突部を形成している。

一般に、プラズマ加熱時に母材剛性の変化が最大となる位置が、最も大きい熱応力が発生する熱応力集中部位となる。本実施形態で、プラズマ加熱時に母材剛性の変化が最大となる位置とは、冷却水の水路形状が変更するノズル底面冷却水路１１ａの入口下端部となる。したがって、当該熱応力集中部位の応力緩和を目的として、ノズル底面冷却水路１１ａの入口下端部にＲ加工11cを施すことが好ましい。熱応力解析の結果、Ｒ加工の曲率半径を３．５mmとすることで、熱応力を５０%低減できることが判明している。

一般的に溶接部の組織は、溶接時の入熱の影響で粗大化しているため鍛造された他部位よりも強度が弱くなるが、本実施形態では、ノズル部の底面における内周パーツの下部外周部12aと外周パーツ１１との接続部を、使用時における熱応力集中部位を回避した箇所に設ける構成により、当該溶接部分から発生する損傷を効果的に予防している。

タンディシュ内溶鋼の跳ね返りの影響を受けるノズル部底面には、耐熱・耐磨耗性表面処理を施すことが好ましい。表面処理手段としては、例えば、Ｃｒメッキや、Ｗ−Ｃ１０％Ｎｉ溶射を採用することができる。Ｃｒの融点は１９０３℃と高くまた硬度も高いことから、耐熱・耐磨耗性向上を期待できる。Ｗ−Ｃの融点は２８００℃と非常に高いため更なる耐熱性向上が期待できる。ノズル部１の底面全体に表面処理を施工しているが、母材の薄肉化が激しい底面内周部のみの施工でも効果が得られる。

（実施形態２）
図３には、実施形態２の水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチにおける、プラズマトーチ先端電極の外周下端部に配置されるノズル部の説明図を示している。

本実施形態においても、ノズル部１は、外周パーツ１１と、内周パーツ１２とから構成される。

但し、本実施形態では、内周パーツ１２をその下部外周部が外周パーツ１１の底面全体を覆う形状として、これらのパーツ間にノズル底面冷却水路１３ｂを形成し、内周パーツ１２と外周パーツ１１とを外周部でねじ込み接続１４している。具体的には図３Ｄ詳細に示すように、内周パーツ12と外周パーツ１１の接続部に噛み合うようにそれぞれネジを切り、このネジを合わせて締め合わせることで接続している。

該ノズル部１を冷却する冷却水は、内周パーツ１２と外周パーツ１１との対峙空間に形成されたノズル内周面冷却水路１３を通ってノズル内周を冷却し、その後、ノズル底面冷却水路１３ｂ通ってノズル部から排出される。

本実施形態では、上記実施形態１と異なり、冷却水路形状の変更に伴い母材剛性が大きく変化する箇所を有さず、また、低強度の溶接部も有さない。本実施形態では、当該構成により、当該溶接部分から発生していた損傷を効果的に予防している。

表１に、本発明の各請求項の構成要素の組み合わせによる、トーチ寿命検討結果を示す。

表１の実施例１に示すように、ノズル部の底面における内周パーツの下部外周部と外周パーツとの接続部を、使用時における熱応力集中部位から10mmずらした位置に設けることにより、比較例（図４の従来例）に比べて、３倍以上のトーチ寿命の延長が可能となった。また表１の実施例３に示すように、実施例１の構成に更に該ノズル底面冷却水路の入り口下端部に曲率半径3.5mmのＲ加工を施す構成を追加することにより、比較例（図４の従来例）に比べて、４倍以上のトーチ寿命の延長が可能となった。また表１の実施例４〜５に示すように、実施例３の構成に更に、ノズル部の底面に、耐熱性及び耐摩耗性の表面処理を施す構成を追加することにより、比較例（図４の従来例）に比べて、６倍以上のトーチ寿命の延長が可能となった。

表１の実施例２に示すように、内周パーツをその下部外周部が外周パーツの底面全体を覆う形状としてこれらのパーツ間にノズル底面冷却水路を形成し、内周パーツと外周パーツとを外周部でねじ込み接続することにより比較例（図４の従来例）に比べて、３倍以上のトーチ寿命の延長が可能となった。

また表１の実施例６〜７に示すように、実施例２の構成に更に、ノズル部の底面に、耐熱性及び耐摩耗性の表面処理を施す構成を追加することにより、比較例（図４の従来例）に比べて、６倍以上のトーチ寿命の延長が可能となった。

更に、トーチ寿命の延長により、水漏れ修繕費の削減、また水漏れに起因するプラズマ非稼動時間の短縮、タンディシュ溶鋼温度バラツキの低減、鋳造速度高位安定による生産性向上、低温溶鋼による品質悪化防止、ノズル詰まり防止の各効果が最大限享受可能となった。

１ ノズル部
１１ 外周パーツ
１１ａ ノズル底面冷却水路
１１ｂ ノズル底面冷却水路の内周端部
１２ 内周パーツ
１２ａ 下部外周部
１３ａ ノズル内周面冷却水路
１３ｂ ノズル底面冷却水路
１４ ネジ込み接続部
Ｘ 熱応力集中部位

Claims (5)

1. プラズマトーチ先端電極の外周下端部に配置されるノズル部を、リング状の外周パーツと、この外周パーツの内周及び下面に沿って延びる内周パーツから構成し、これらのパーツ間にノズル内周面冷却水路を形成した水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチであって、
   ノズル部の底面における内周パーツの下部外周部と外周パーツとの接続部を、使用時における熱応力集中部位を回避した箇所に設けたことを特徴とする水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチ。
2. 外周パーツの下部に放射状のノズル底面冷却水路を備えたリング状突部を形成し、その内周端部を内周パーツの下部外周部と溶接したことを特徴とする請求項１記載の水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチ。
3. 内周パーツをその下部外周部が外周パーツの底面全体を覆う形状としてこれらのパーツ間にノズル底面冷却水路を形成し、内周パーツと外周パーツとを外周部でねじ込み接続したことを特徴とする請求項１記載の水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチ。
4. ノズル底面冷却水路の入口下端部にＲ加工を施したことを特徴とする請求項２記載の水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチ。
5. ノズル部の底面に、耐熱性及び耐磨耗性の表面処理を施したことを特徴とする請求項２または３記載の水冷式直流冷陰極移行型プラズマトーチ。