JP2018034180A - タンディッシュ内溶鋼の加熱方法及びタンディッシュプラズマ加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶鋼中へのカーボンピックアップ量を制御でき、プラズマトーチとして黒鉛電極を使用して、溶鋼を効率よく加熱することが可能なタンディッシュ内溶鋼の加熱方法を提供する。【解決手段】タンディッシュ内を通過する溶鋼をプラズマアークによって加熱するタンディッシュ内溶鋼の加熱方法であって、ｎ本の黒鉛電極を前記溶鋼面に近接し、前記溶鋼と前記黒鉛電極との間にアークを発生させて前記溶鋼を加熱する際に、前記タンディッシュ内を通過する前記溶鋼の通過量Ｑ（ｔ／ｍｉｎ）、前記黒鉛電極の消耗量δ（ｇ／ｋＷｈ）、前記溶鋼へのピックアップ係数ｋ、プラズマ印加電力Ｐ（ｋＷ）、前記溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕（ｐｐｍ）、としたときに、〔Ｃ〕＝（ｎ・ｋ・δ・Ｐ）／（６０・Ｑ）上記の式で示す前記溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕が所定値以下となるように、溶鋼の通過量Ｑ及びプラズマ印加電力Ｐを制御する。【選択図】図３

Description

本発明は、タンディッシュ内を通過する溶鋼をプラズマアークによって加熱するタンディッシュ内溶鋼の加熱方法及びタンディッシュプラズマ加熱装置に関するものである。

一般に、鋼の連続鋳造設備においては、取鍋と鋳型との間にタンディシュが配置されており、取鍋内の溶鋼をタンディシュに受け、タンディシュから鋳型内へと供給する構成とされている。ここで、鋳型内へ供給される溶鋼の温度は、操業の安定性や鋳片の品質に大きな影響を与え、連続鋳造において非常に重要な因子である。

鋳型内へ供給される溶鋼の温度としては、通常、タンディッシュ内温度としてスーパーヒートで管理することができる。スーパーヒートは、適正温度域が存在し、それよりも高温域であっても、低温域であっても、操業の安定性や鋳片の品質に問題が生じる。
以下に、スーパーヒートを、図１０に示す通り、高温域、適正温度域、低温域に分類して説明する。
図１０に示す高温域ではブレークアウトが発生し易いことから、これを防止するためには、スループットを低下させる必要があり、操業性及び生産性が低下する。一方、図１０に示す低温域では、浸漬ノズル閉塞や鋳型内で温度不足による皮張り発生、鍋を返送しなければならない等操業、品質上大きな影響がある。
また、タンディッシュ内温度は、加熱しないと、時間経過に従って、溶鋼温度が下がるため、チャージ終了時点でも適正温度域となる様に、チャージ開始時点の温度を適正温度域内で適切に設定する必要がある。例えば、図１０の上側の点線で示す様に、チャージ開始時点で、適正温度域の上限に設定できれば、チャージ終了時点でも、適正温度域内とすることができる。
しかし、チャージ開始時点の温度は、鋼種による転炉、二次精錬の操業条件のほか、溶鋼鍋や工程間のマッチングに依存するものであり、溶鋼温度はそれらの操業条件及び要因により常に変動することから、常時、チャージ開始時点の温度を適正温度域内で適切に設定することは困難である。例えば、図１０の下側の点線で示す様に、チャージ開始時点で、適正温度域の中程度の温度となった場合は、鋳造時間がＺの時点でノズルが閉塞して、鋳造が中止されるという事態になることがある。そこで、上述のタンディシュには、通過する溶鋼を加熱する手段として、プラズマ加熱装置が配設されている。

このようなプラズマ加熱装置は、プラズマトーチを被加熱物に近接させ、被加熱物とプラズマトーチとの間にアークを発生させることによって、被加熱物を加熱する構成とされている。プラズマトーチとしては、黒鉛製の消耗電極（黒鉛電極）や水冷式の金属製トーチが用いられている。
ここで、上述のタンディッシュに配設されるプラズマ加熱装置（タンディッシュプラズマ加熱装置）において、プラズマトーチとして黒鉛電極を用いた場合には、消耗した黒鉛の一部が溶鋼中に混入し、溶鋼の性状が変化してしまうおそれがある。そこで、従来のタンディッシュプラズマ加熱装置においては、例えば特許文献１，２に示すような金属製トーチが用いられていた。

特開２００３−２６６１７８号公報 特開平０７−３０３９７０号公報

ところで、金属製のプラズマトーチは、特許文献１，２に開示されているように、発生するプラズマアークからの熱及び溶鋼熱に対して耐熱向上を目的に水冷構造とされている。
このため、実際の操業時には、トーチ先端部(電極)やノズル部の溶損や亀裂により水漏れ等のトラブルが発生し、操業に支障をきたすことが懸念された。特に、高出力操業下では電極やノズル寿命が低下するという問題も発生し、従来は高出力操業は出来なかった。また、トーチを水冷していることから、溶鋼への着熱を効率よく行うことができないといった問題があった。

本発明は、前述した状況に鑑みてなされたものであって、溶鋼へのカーボンのピックアップ量を制御することにより、プラズマトーチとして黒鉛電極を使用して、水漏れ等のトーチのトラブルを発生させること無く、溶鋼を効率よく加熱することが可能なタンディッシュ内溶鋼の加熱方法及びタンディッシュプラズマ加熱装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るタンディッシュ内溶鋼の加熱方法は、ｎ本の黒鉛電極を前記溶鋼面に近接し、前記溶鋼と前記黒鉛電極との間にアークを発生させて前記溶鋼を加熱する際に、
前記タンディッシュ内を通過する前記溶鋼の通過量Ｑ（ｔ／ｍｉｎ）、
前記黒鉛電極の消耗量δ（ｇ／ｋＷｈ）、
前記溶鋼へのピックアップ係数ｋ、
プラズマ印加電力Ｐ（ｋＷ）、
前記溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕（ｐｐｍ）、
としたときに、
〔Ｃ〕＝（ｎ・ｋ・δ・Ｐ）／（６０・Ｑ）
上記の式で示す前記溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕が所定値以下となるように、前記溶鋼の通過量Ｑ及び前記プラズマ印加電力Ｐを制御することを特徴としている。

また、本発明に係るタンディッシュプラズマ加熱装置は、ｎ本の黒鉛電極と、この黒鉛電極に電力を印加する電源と、前記黒鉛電極へのプラズマ印加電力Ｐ及び前記タンディッシュ内を通過する前記溶鋼の通過量Ｑを制御する制御部と、を有し、前記制御部は、
前記タンディッシュ内を通過する前記溶鋼の通過量Ｑ（ｔ／ｍｉｎ）、
前記黒鉛電極の消耗量δ（ｇ／ｋＷｈ）、
前記溶鋼へのピックアップ係数ｋ、
プラズマ印加電力Ｐ（ｋＷ）、
前記溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕（ｐｐｍ）、
としたときに、
〔Ｃ〕＝（ｎ・ｋ・δ・Ｐ）／（６０・Ｑ）
上記の式で示す前記溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕が所定値以下となるように、前記溶鋼の通過量Ｑ及び前記プラズマ印加電力Ｐを制御する機能を有していることを特徴としている。なお、溶鋼通過量Ｑは、タンディッシュ内溶鋼量を一定量に保持する制御を行う方法が一般的であるため、タンディッシュから搬出する溶鋼量つまり操業中の鋳造サイズ(厚、幅)と鋳造速度から求めることができる。

この構成のタンディッシュ内溶鋼の加熱方法及びタンディッシュプラズマ加熱装置によれば、タンディッシュ内を通過する溶鋼の通過量Ｑ、黒鉛電極の消耗量δ、溶鋼へのピックアップ係数ｋ、プラズマ印加電力Ｐから、上述の式を用いて、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕を算出し、このカーボンピックアップ量〔Ｃ〕が所定値以下となるように、溶鋼の通過量Ｑ及びプラズマ印加電力Ｐを制御しているので、プラズマトーチとして黒鉛電極を使用した場合であっても、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕を精度良く制御することができ、品質要求レベルに応じた規格内の鋳片を製造することが可能となる。また、タンディッシュ溶鋼内の温度制御を行うことでバラツキの無い均一な安定した内質を持つ鋳片を製造することが出来る。また、操業的には黒鉛電極を使用する場合、高出力操業が可能なので温度補償量を充分にとるこができ、且つ水冷構造とする必要がないことから、溶鋼への着熱を効率よく行うことができる。

ここで、前記溶鋼への着熱効率η、前記溶鋼の温度上昇量ΔＴ、前記溶鋼の比熱Ｃｐ、としたときに、
ΔＴ＝（６０・Ｐ・η）／（Ｃｐ・Ｑ）
上記の式で示すΔＴが所定値となるように、前記溶鋼の通過量Ｑ及び前記プラズマ印加電力Ｐを制御することが好ましい。
この場合、タンディッシュ内を通過する溶鋼の温度を確実に上昇させることができるとともに、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕も抑制することが可能となる。よって、連続鋳造を安定して行うことができ、均一な高品質の鋳片を製造することが可能となる。

また、前記黒鉛電極と前記溶鋼面との間の距離Ｌが、１００ｍｍ≦Ｌ≦４００ｍｍの範囲内とされていることが好ましい。
前記黒鉛電極と前記溶鋼面との間の距離Ｌが１００ｍｍ未満の場合には、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕が増加傾向を示すためである。一方、前記黒鉛電極と前記溶鋼面との間の距離Ｌが４００ｍｍを超えた場合には、プラズマアークが不安定になって溶鋼を十分に加熱することができなくなるおそれがある。
よって、前記黒鉛電極と前記溶鋼面との間の距離Ｌを１００ｍｍ≦Ｌ≦４００ｍｍの範囲内とすることが好ましい。
黒鉛電極と溶鋼が非接触で加熱されている状況では、黒鉛電極の先端が昇華反応で損耗していくため、黒鉛電極と溶鋼面との距離Ｌを１００ｍｍ以上とすることで溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕を数ｐｐｍと小さくすることができる。

さらに、プラズマ印加電流Ｉ（Ａ）、前記黒鉛電極断面積Ｓ（ｃｍ^２）としたとき、前記黒鉛電極の電流密度Ｉ／Ｓが、１０Ａ／ｃｍ^２≦Ｉ／Ｓ≦４０Ａ／ｃｍ^２の範囲内とされていることが好ましい。
上述の電流密度Ｉ／Ｓが１０Ａ／ｃｍ^２未満の場合、プラズマアークが不安定になって溶鋼を十分に加熱することができなくなるおそれがある。また、電流密度Ｉ／Ｓが４０Ａ／ｃｍ^２を超える場合には、黒鉛電極の温度が上昇し、大気中で酸化してしまい、電極が早期に劣化してしまうおそれがある。
よって、前記黒鉛電極の電流密度Ｉ／Ｓを１０Ａ／ｃｍ^２≦Ｉ／Ｓ≦４０Ａ／ｃｍ^２の範囲内とすることが好ましい。

また、前記黒鉛電極は、内部にガス流路を備えており、このガス流路を介して前記黒鉛電極の先端側へと供給される非酸化性ガスの流量Ｇが、Ｇ≧１００Ｎｌ／ｍｉｎ以上とされていることが好ましい。
この場合、黒鉛電極の先端側へと供給される不活性ガスの流量Ｇが、Ｇ≧１００Ｎｌ／ｍｉｎ以上とされているので、プラズマアークが安定して発生しやすくなり、溶鋼を十分に加熱することができる。

上述のように、本発明によれば、溶鋼中へのカーボンピックアップ量を制御することにより、プラズマトーチとして黒鉛電極を使用して、溶鋼を効率よく加熱することが可能なタンディッシュ内溶鋼の加熱方法及びタンディッシュプラズマ加熱装置を提供することができる。

本発明の第一の実施形態であるタンディッシュプラズマ加熱装置を示す説明図である。 本発明の第一の実施形態におけるプラズマ印加電力とカーボンピックアップ量との関係を示すグラフである。 本発明の第一の実施形態におけるプラズマ印加電力と溶鋼の通過量との関係を示すグラフである。 本発明の第一の実施形態における温度上昇量とプラズマ印加電力との関係を示すグラフである。 本発明の第一の実施形態における黒鉛電極と溶鋼面との間の距離とカーボンピックアップ量との関係を示すグラフである。 本発明の第二の実施形態であるタンディッシュプラズマ加熱装置を示す説明図である。 本発明の第二の実施形態におけるプラズマ印加電力と溶鋼の通過量との関係を示すグラフである。 実施例における黒鉛電極と溶鋼面との間の距離とカーボンピックアップ量との関係を示すグラフである。 実施例におけるプラズマ印加電力と溶鋼の通過量との関係を示すグラフである。 鋳造時間とスーパーヒートとの関係を示すグラフである。

以下に、本発明の実施形態であるタンディッシュ内溶鋼の加熱方法及びタンディッシュプラズマ加熱装置について、添付した図面を参照して説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

まず、本発明の実施形態について、図１から図４を用いて説明する。
本実施形態であるタンディッシュ内溶鋼の加熱方法及びタンディッシュプラズマ加熱装置１０は、図１に示すように、鋼の連続鋳造設備１において、取鍋２と鋳型３との間に配設されたタンディッシュ５内の溶鋼を加熱するものである。ここで、タンディッシュ５においては、取鍋２から供給された溶鋼を所定の温度にまで加熱し、加熱した溶鋼を鋳型３へと注入する。

このタンディッシュプラズマ加熱装置１０は、タンディッシュ５の上部開口部を覆うように配設された蓋部１１と、タンディッシュ５内の溶鋼面の上に配設された黒鉛電極１５と、タンディッシュ５に設置された固定電極１７と、黒鉛電極１５及び固定電極１７に電力を印加する電源装置１８と、黒鉛電極１５へのプラズマ印加電力Ｐ及びタンディッシュ５内を通過する溶鋼の通過量Ｑを制御する制御部１９と、を備えている。

蓋部１１は、下方に向けて延在する側壁部１２を備え、この側壁部１２の下端部分がタンディッシュ５内の溶鋼中に浸漬されている。これにより、図１に示すように、加熱室１３が画成されている。
この加熱室１３の上部に、１本の黒鉛電極１５が上下動可能に配設されている。黒鉛電極１５は、概略円筒状をなしており、Ａｒ、Ｎ_２等の非酸化性ガスが供給されるガス流路１６が設けられている。黒鉛電極１５の直径は、例えば１００ｍｍから２００ｍｍの範囲内とされている。

電源装置１８は、上述の黒鉛電極１５と固定電極１７と、の間に配設されている。本実施形態では、図１に示すように、直流電源とされ、黒鉛電極１５側が陰極、固定電極１７側が陽極とされている。すなわち、本実施形態では、いわゆるシングルトーチ式のプラズマ加熱装置とされている。

そして、制御部１９は、タンディッシュ５内を通過する溶鋼の通過量Ｑと、プラズマ印加電力Ｐと、を制御する構成とされている。
ここで、本実施形態では、タンディッシュ５内を通過する前記溶鋼の通過量Ｑ（ｔ／ｍｉｎ）、黒鉛電極１５の消耗量δ（ｇ／ｋＷｈ）、溶鋼へのピックアップ係数ｋ、プラズマ印加電力Ｐ（ｋＷ）、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕（ｐｐｍ）としたときに、
〔Ｃ〕＝（ｎ・ｋ・δ・Ｐ）／（６０・Ｑ）
上記の式で示す溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕が所定値以下となるように、溶鋼の通過量Ｑ及びプラズマ印加電力Ｐを制御する構成とされている。ここで、本実施形態では、１本の黒鉛電極１５を用いていることから、ｎ＝１となる。
なお、溶鋼へのピックアップ係数ｋは、消耗した黒鉛電極１５のうち溶鋼中に混入する割合を規定したものであり、前記黒鉛電極と溶鋼面との間の距離Ｌに応じて変わることが実験により確認されているため、当該タンディッシュプラズマ加熱装置１０を用いて予め設定しておくことが好ましい。

また、制御部１９は、さらに、溶鋼への着熱効率η、溶鋼の温度上昇量ΔＴ、溶鋼の比熱Ｃｐとしたときに、
ΔＴ＝（６０・Ｐ・η）／（Ｃｐ・Ｑ）
上記の式で示すΔＴが所定値となるように、溶鋼の通過量Ｑ及びプラズマ印加電力Ｐを制御する構成とされている。なお、着熱効率ηは、当該タンディッシュプラズマ加熱装置１０を用いて溶鋼温度を測定して予め実験で求めた値を使用することが好ましい。
このように、制御部１９は、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕と、溶鋼の温度上昇量ΔＴとが、それぞれ所望の範囲内となるように、鋼種による操業上の制約条件や設備制約の範囲内で溶鋼の通過量Ｑ及びプラズマ印加電力Ｐを制御する。

さらに、制御部１９は、黒鉛電極１５とタンディッシュ５内の溶鋼面との間の距離Ｌが一定になるように、具体的には、黒鉛電極１５とタンディッシュ５内の溶鋼面との間の距離Ｌが、１００ｍｍ以上４００ｍｍ以下の範囲内で一定となるように、黒鉛電極１５の上下方向位置を制御する構成とされている。

また、制御部１９は、プラズマ印加電流Ｉ（Ａ）、黒鉛電極１５の断面積Ｓ（ｃｍ^２）としたとき、黒鉛電極１５の電流密度Ｉ／Ｓが、１０Ａ／ｃｍ^２≦Ｉ／Ｓ≦４０Ａ／ｃｍ^２となるように、電源装置１８を制御する構成とされている。
さらに、制御部１９は、黒鉛電極１５のガス流路１６を介して加熱室１３内へ供給されるＡｒ、Ｎ_２等の非酸化性ガスの流量Ｇを、Ｇ≧１００Ｎｌ／ｍｉｎとなるように、制御する構成とされている。

次に、このような構成とされたタンディッシュプラズマ加熱装置１０を用いたタンディッシュ内溶鋼の加熱方法について説明する。
まず、黒鉛電極１５のガス流路１６を介して、加熱室１３内に、Ａｒ、Ｎ_２等の非酸化性ガスを導入する。そして、電源装置１８から固定電極１７及び黒鉛電極１５に対して、プラズマ印加電力Ｐを供給する。すると、タンディッシュ５内の溶鋼と黒鉛電極１５との間に、プラズマアークが発生し、タンディッシュ５内の溶鋼が加熱される。

このとき、黒鉛電極１５の先端が損耗し、黒鉛の一部が溶鋼内に混入する。本実施形態では、上述のように、制御部１９によって、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕が所定値以下となるように、溶鋼の通過量Ｑ及びプラズマ印加電力Ｐを制御する構成とされている。

ここで、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕が所定値以下となるように、溶鋼の通過量Ｑ及びプラズマ印加電力Ｐを制御する方法について、図２及び図３を用いて説明する。
上述の式 〔Ｃ〕＝（ｎ・ｋ・δ・Ｐ）／（６０・Ｑ）
において、予め定めたｎ（黒鉛電極本数）、ｋ（ピックアップ係数）、δ（黒鉛電極消耗量ｇ/ｋＷｈ）を用いて、横軸をプラズマ印加電力Ｐ、縦軸を溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕として、溶鋼の通過量Ｑに対するプラズマ印加電力Ｐ及びカーボンピックアップ量〔Ｃ〕の関係を示したグラフを図２に示す。このグラフから、溶鋼中へのカーボンピックアップ量と溶鋼の通過量Ｑとを設定することで、プラズマ印加電力Ｐが決定されることが分かる。

一方、上述の式から、横軸をプラズマ印加電力Ｐ、縦軸を溶鋼の通過量Ｑとして、溶鋼のカーボンピックアップ量〔Ｃ〕を区分けしたグラフを図３に示す。
このグラフから、カーボン量の許容幅が例えば１０ｐｐｍ以下の場合には、直線Ａの上側の領域となるように、プラズマ印加電力Ｐ及び溶鋼の通過量Ｑが設定される。また、カーボン量の許容幅が例えば３０ｐｐｍ以下の場合には、直線Ｂの上側の領域となるように、プラズマ印加電力Ｐ及び溶鋼の通過量Ｑが設定される。さらに、カーボン量の許容幅が例えば５０ｐｐｍ以下の場合には、直線Ｃの上側の領域となるように、プラズマ印加電力Ｐ及び溶鋼の通過量Ｑが設定される。但し、この際、鋼種による操業上の制約条件や連鋳機、プラズマ加熱装置の設備制約を考慮して鋳造速度やプラズマ印加電力Pを決定する。このように、鋼種におけるカーボン量の許容幅から、プラズマ印加電力Ｐ及び溶鋼の通過量Ｑを設定することが可能となる。

なお、図２及び図３を用いて、プラズマ印加電力Ｐ及び溶鋼の通過量Ｑを設定する際には、上述のように、あらかじめ確認して決めておく黒鉛電極本数（ｎ）、ピックアップ係数（ｋ）、電極消耗量（δ）、と鋼種により許容できるカーボンピックアップ量〔Ｃ〕を考慮しておく。また所望のΔＴを決めるためには、上述で求めたプラズマ印加電力Ｐ及び溶鋼の通過量Ｑの他、溶鋼への着熱効率η、溶鋼の比熱Ｃｐを考慮して算出する。ここで、図４に、着熱効率ηを６０％としたときの、溶鋼の通過量Ｑに対する溶鋼の温度上昇量ΔＴとプラズマ印加電力Ｐとの関係を示す。
この図４から、操業上必要な温度上昇量Δを設定することで、溶鋼の通過量Ｑ及びプラズマ印加電力Ｐを決定することが可能となる。

また、プラズマアークの発生によって黒鉛電極１５の先端が損耗していくことから、制御部１９は、上述のように、黒鉛電極１５とタンディッシュ５内の溶鋼面との間の距離Ｌが一定になるように、黒鉛電極１５の上下方向位置を制御する。
ここで、図５に、プラズマ印加電力Ｐ及び溶鋼の通過量Ｑを一定とした場合における、黒鉛電極１５とタンディッシュ５内の溶鋼面との間の距離Ｌと、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕との関係を示す。黒鉛電極１５とタンディッシュ５内の溶鋼面との間の距離Ｌが１００ｍｍ以上では、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕が安定しているが、１００ｍｍ未満となると、カーボンピックアップ量〔Ｃ〕が上昇していることが分かる。すなわち、黒鉛電極１５とタンディッシュ５内の溶鋼面との間の距離Ｌが１００ｍｍ未満となった場合には、溶鋼へのピックアップ係数ｋが大きくなる傾向にある。
これは、黒鉛電極と溶鋼が非接触で加熱されている状況では、黒鉛電極の先端が昇華反応で損耗していくが、黒鉛電極１５とタンディシュ５の溶鋼面との距離Lを１００ｍｍ未満になると黒鉛電極から昇華したカーボンの一部が溶鋼へピックアップするためと考えられる。以上により、黒鉛電極を使用する場合、黒鉛電極と溶鋼面との距離Lは１００ｍｍ以上確保することが望ましい。ただし、製造する鋼種のカーボンレベルによっては、具体的には中〜高炭鋼種に適用する場合、カーボンピックアップ量〔Ｃ〕が５０ｐｐｍ以上を許容できる場合は、カーボン黒鉛電極１５と溶鋼面との距離Ｌは１００ｍｍ未満の適切な値に設定出来る。なお、本条件は基礎実験、実機試験で確認できている。

以上のような構成とされた本実施形態であるタンディッシュ内溶鋼の加熱方法及びタンディッシュプラズマ加熱装置１０によれば、タンディッシュ５内を通過する溶鋼の通過量Ｑ、黒鉛電極１５の消耗量δ、溶鋼へのピックアップ係数ｋ、プラズマ印加電力Ｐから、上述の式を用いて、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕を算出し、このカーボンピックアップ量〔Ｃ〕が所定値以下となるように、溶鋼の通過量Ｑ及びプラズマ印加電力Ｐを制御しているので、プラズマトーチとして黒鉛電極１５を使用した場合であっても、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕を制御することができる。鋼種毎に要求される成分範囲内を満足し且つ所望の温度で安定操業を実現しつつ高品質な鋳片を製造することが可能となる。また、黒鉛電極１５の場合、水冷構造とする必要がないことから、溶鋼への着熱を効率よく行うことができる。

また、本実施形態では、溶鋼への着熱効率η、溶鋼の温度上昇量ΔＴ、溶鋼の比熱Ｃｐとしたときに、ΔＴ＝（６０・Ｐ・η）／（Ｃｐ・Ｑ）で示すΔＴが所定値となるように、溶鋼の通過量Ｑ及び前記プラズマ印加電力Ｐを制御する構成とされているので、タンディッシュ５内を通過する溶鋼の温度を所望の温度に上昇させることができるとともに、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕も抑制することが可能となる。よって、連続鋳造を安定して行うことができ、高品質な鋳片を製造することが可能となる。

さらに、本実施形態においては、プラズマアークの発生によって黒鉛電極１５の先端が損耗しても、黒鉛電極１５とタンディッシュ５内の溶鋼面との間の距離Ｌが一定になるように、黒鉛電極１５の上下方向位置を制御する構成とされており、具体的には、黒鉛電極１５と溶鋼面との間の距離Ｌが、１００ｍｍ≦Ｌ≦４００ｍｍの範囲内とされているので、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕を安定して制御することができるとともに、プラズマアークを確実に発生させて溶鋼を十分に加熱することができる。すなわち、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕を安定させるためには、Ｌを１００ｍｍ以上とすることが望ましい。また、Ｌが４００ｍｍを超えるとプラズマアークが不安定になる傾向であるので、Ｌは４００ｍｍ以下とするのが望ましい。

また、本実施形態においては、プラズマ印加電流Ｉ（Ａ）、黒鉛電極１５断面積Ｓ（ｃｍ^２）としたとき、黒鉛電極１５の電流密度Ｉ／Ｓが、１０Ａ／ｃｍ^２≦Ｉ／Ｓ≦４０Ａ／ｃｍ^２の範囲内とされているので、プラズマアークを確実に発生させて溶鋼を十分に加熱することができるとともに、黒鉛電極１５の早期劣化を抑制することができる。
さらに、本実施形態においては、黒鉛電極１５内部のガス流路１６を介して加熱室１３内へ供給されるＡｒ、Ｎ_２等の非酸化性ガスの流量Ｇを、Ｇ≧１００Ｎｌ／ｍｉｎとしているので、プラズマアークが安定しやすくなり、溶鋼を十分に加熱することができる。

次に、本発明の第二の実施形態であるタンディッシュ内溶鋼の加熱方法及びタンディッシュプラズマ加熱装置１１０について、図６及び図７を用いて説明する。なお、第一の実施形態と同一の部材には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図６に示すタンディッシュプラズマ加熱装置１１０においては、一対の黒鉛電極１１５Ａ、１１５Ｂを備えており、一方の黒鉛電極１１５Ａが陰極とされ、他方の黒鉛電極１１５Ｂが陽極とされ、電源装置１８に接続されている。そして、一方の黒鉛電極１１５Ａ及び他方の黒鉛電極１１５Ｂがタンディッシュ５内の溶鋼面に近接されることにより、一方の黒鉛電極１１５Ａと溶鋼面の間、他方の黒鉛電極１１５Ｂと溶鋼面の間で、それぞれプラズマアークが発生し、溶鋼が加熱されることになる。すなわち、本実施形態では、いわゆるツイントーチ式のプラズマ加熱装置とされている。

この場合、タンディッシュ５内を通過する溶鋼の通過量Ｑ（ｔ／ｍｉｎ）、黒鉛電極１１５Ａ、１１５Ｂの消耗量δ（ｇ／ｋＷｈ）、溶鋼へのピックアップ係数ｋ、プラズマ印加電力Ｐ（ｋＷ）、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕（ｐｐｍ）としたときに、
〔Ｃ〕＝（ｎ・ｋ・δ・Ｐ）／（６０・Ｑ）
上記の式で示す溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕が所定値以下となるように、溶鋼の通過量Ｑ及びプラズマ印加電力Ｐを制御する構成とされることになる。ここで、本実施形態では、２本の黒鉛電極１１５Ａ、１１５Ｂを用いていることから、ｎ＝２となる。

ここで、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕が所定値以下となるように、溶鋼の通過量Ｑ及びプラズマ印加電力Ｐを制御する方法について、図７を用いて説明する。
上述の式から、横軸をプラズマ印加電力Ｐ、縦軸を溶鋼の通過量Ｑとして、溶鋼のカーボンピックアップ量〔Ｃ〕を区分けしたグラフを図７に示す。
このグラフから、カーボン量の許容幅が例えば１０ｐｐｍ以下の場合には、直線Ａの上側の領域となるように、プラズマ印加電力Ｐ及び溶鋼の通過量Ｑが設定される。また、カーボン量の許容幅が例えば３０ｐｐｍ以下の場合には、直線Ｂの上側の領域となるように、プラズマ印加電力Ｐ及び溶鋼の通過量Ｑが設定される。さらに、カーボン量の許容幅が例えば５０ｐｐｍ以下の場合には、直線Ｃの上側の領域となるように、プラズマ印加電力Ｐ及び溶鋼の通過量Ｑが設定される。このように、鋼種におけるカーボン量の許容幅から、プラズマ印加電力Ｐ及び溶鋼の通過量Ｑを設定することが可能となる。

以上、本発明の実施形態であるタンディッシュ内溶鋼の加熱方法及びタンディッシュプラズマ加熱装置について具体的に説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、電源装置として直流電源を用いるものとして説明したが、これに限定されることはなく、交流電源を用いてもよい。また、第一の実施形態において直流電源を用いた場合、黒鉛電極側を陽極、固定電極側を陰極としてもよい。

また、本実施形態では、１本又は２本の黒鉛電極を用いたもので説明したが、これに限定されることはなく、黒鉛電極の本数に限定はない。
さらに、タンディッシュや蓋部の構成については、本実施形態で例示したものに限定されることはなく、他の構造のものであってもよい。

以下に、本発明の効果を確認すべく、実施した実験結果について説明する。
図１に示すタンディッシュプラズマ加熱装置を用いて、タンディッシュ内の溶鋼の加熱を実施した。タンディッシュは、容量３０ｔとした。
ここで、黒鉛電極の直径を１５０ｍｍ、ガス流路の内径を１０ｍｍとした。ガス流路に供給する非酸化性ガスは、アルゴンとし、流量を４００Ｎｌ／ｍｉｎとした。

まず、溶鋼の通過量Ｑを４ｔ／ｍｉｎ、プラズマ印加電力Ｐを１０００ｋＷとし、黒鉛電極と溶鋼面との間の距離Ｌを１０ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍ、２００ｍｍ、２５０ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍと変更して、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕を測定した。その結果を、図８に示す。
このグラフから、黒鉛電極と溶鋼面との間の距離Ｌが１００ｍｍ以上となると、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕が安定することが確認される。そこで、黒鉛電極と溶鋼面との間の距離Ｌを３００ｍｍとし、下記の式から溶鋼へのピックアップ係数ｋを算出した。なお、ここで電極損耗量δは広く知られている文献である「工業加熱ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．６ ５６頁」を参照して、δ＝４ｇ／ｋＷｈを使用した。
ｋ＝（６０・Ｑ）・〔Ｃ〕／（ｎ・δ・Ｐ）

次に、〔Ｃ〕＝（ｎ・ｋ・δ・Ｐ）／（６０・Ｑ）の式を用いて、図９に示すように、プラズマ印加電力と溶鋼の通過量との関係を示すグラフを作成し、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕を１０ｐｐｍ，３０ｐｐｍ，５０ｐｐｍとなる直線Ａ，Ｂ，Ｃを図示した。

そして、炭素含有量１００±２０ｐｐｍの鋼種の溶鋼を用いて、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕が１０ｐｐｍ以下となるように、溶鋼の通過量Ｑ及びプラズマ印加電力Ｐを制御したものを○として、図９にプロットした。
また、炭素含有量２００ｐｐｍ±５０ｐｐｍの鋼種の溶鋼を用いて、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕が３０ｐｐｍ以下となるように、溶鋼の通過量Ｑ及びプラズマ印加電力Ｐを制御したものを△として、図９にプロットした。
さらに、炭素含有量１０００±１００ｐｐｍの鋼種の溶鋼を用いて、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕が５０ｐｐｍ以下となるように、溶鋼の通過量Ｑ及びプラズマ印加電力Ｐを制御したものを×として、図９にプロットした。

図９に示すように、〔Ｃ〕＝（ｎ・ｋ・δ・Ｐ）／（６０・Ｑ）の式を用いて、溶鋼の通過量Ｑとプラズマ印加電力Ｐを制御することにより、溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕を調整することができることが確認された。

次に、プラズマ加熱装置への印加電力Ｐ=１０００ｋＷ、スループットＱ＝４ｔ／ｍｉｎ、使用した黒鉛電極は、直径１５０ｍｍ、内径１０ｍｍのものを使用し、電極電流密度Ｉ／Ｓは２５〜３０Ａ/ｃｍ^２の条件で、鋳造を行った。その結果、チャージの開始時点から終了時点まで、スーパーヒートが２０℃で維持できた。
これに対し、プラズマ加熱を行わずに、スループットＱ＝４ｔ／ｍｉｎで、チャージ開始時点のスーパーヒートが２０℃で、鋳造を行った。その結果、鋳造途中でノズルが閉塞し、チャージ終了まで完鋳することができなかった。

１０、１１０ タンディッシュプラズマ加熱装置
１５、１１５Ａ、１１５Ｂ 黒鉛電極
１９ 制御部

Claims (7)

1. タンディッシュ内を通過する溶鋼をプラズマアークによって加熱するタンディッシュ内溶鋼の加熱方法であって、
   ｎ本の黒鉛電極を前記溶鋼面に近接し、前記溶鋼と前記黒鉛電極との間にアークを発生させて前記溶鋼を加熱する際に、
   前記タンディッシュ内を通過する前記溶鋼の通過量Ｑ（ｔ／ｍｉｎ）、
   前記黒鉛電極の消耗量δ（ｇ／ｋＷｈ）、
   前記溶鋼へのピックアップ係数ｋ、
   プラズマ印加電力Ｐ（ｋＷ）、
   前記溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕（ｐｐｍ）、
   としたときに、
   〔Ｃ〕＝（ｎ・ｋ・δ・Ｐ）／（６０・Ｑ）
   上記の式で示す前記溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕が所定値以下となるように、前記溶鋼の通過量Ｑ及び前記プラズマ印加電力Ｐを制御することを特徴とするタンディッシュ内溶鋼の加熱方法。
2. 前記溶鋼への着熱効率η、
   前記溶鋼の温度上昇量ΔＴ、
   前記溶鋼の比熱Ｃｐ、
   としたときに、
   ΔＴ＝（６０・Ｐ・η）／（Ｃｐ・Ｑ）
   上記の式で示すΔＴが所定値となるように、前記溶鋼の通過量Ｑ及び前記プラズマ印加電力Ｐを制御することを特徴とする請求項１に記載のタンディッシュ内溶鋼の加熱方法。
3. 前記黒鉛電極と前記溶鋼面との間の距離Ｌが、
   １００ｍｍ≦Ｌ≦４００ｍｍ
   の範囲内とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のタンディッシュ内溶鋼の加熱方法。
4. プラズマ印加電流Ｉ（Ａ）、
   前記黒鉛電極断面積Ｓ（ｃｍ^２）としたとき、
   前記黒鉛電極の電流密度Ｉ／Ｓが、
   １０Ａ／ｃｍ^２≦Ｉ／Ｓ≦４０Ａ／ｃｍ^２
   の範囲内とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のタンディッシュ内溶鋼の加熱方法。
5. 前記黒鉛電極は、内部にガス流路を備えており、このガス流路を介して前記黒鉛電極の先端側へと供給される非酸化性ガスの流量Ｇが、Ｇ≧１００Ｎｌ／ｍｉｎ以上とされていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のタンディッシュ内溶鋼の加熱方法。
6. タンディッシュ内を通過する溶鋼をプラズマアークによって加熱するタンディッシュプラズマ加熱装置であって、
   ｎ本の黒鉛電極と、この黒鉛電極に電力を印加する電源と、前記黒鉛電極へのプラズマ印加電力Ｐ及び前記タンディッシュ内を通過する前記溶鋼の通過量Ｑを制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、
   前記タンディッシュ内を通過する前記溶鋼の通過量Ｑ（ｔ／ｍｉｎ）、
   前記黒鉛電極の消耗量δ（ｇ／ｋＷｈ）、
   前記溶鋼へのピックアップ係数ｋ、
   プラズマ印加電力Ｐ（ｋＷ）、
   前記溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕（ｐｐｍ）、
   としたときに、
   〔Ｃ〕＝（ｎ・ｋ・δ・Ｐ）／（６０・Ｑ）
   上記の式で示す前記溶鋼中へのカーボンピックアップ量〔Ｃ〕が所定値以下となるように、前記溶鋼の通過量Ｑ及び前記プラズマ印加電力Ｐを制御する機能を有していることを特徴とするタンディッシュプラズマ加熱装置。
7. 前記制御部は、
   前記溶鋼への着熱効率η、
   前記溶鋼の温度上昇量ΔＴ、
   前記溶鋼の比熱Ｃｐ
   としたときに、
   ΔＴ＝（６０・Ｐ・η）／（Ｃｐ・Ｑ）
   上記の式で示すΔＴが所定値となるように、前記溶鋼の通過量Ｑ及び前記プラズマ印加電力Ｐを制御することを特徴とする請求項６に記載のタンディッシュプラズマ加熱装置。

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