JP3041568B2 - 移行型アークプラズマの出力制御方法 - Google Patents

移行型アークプラズマの出力制御方法

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JP3041568B2 JP6011282A JP1128294A JP3041568B2 JP 3041568 B2 JP3041568 B2 JP 3041568B2 JP 6011282 A JP6011282 A JP 6011282A JP 1128294 A JP1128294 A JP 1128294A JP 3041568 B2 JP3041568 B2 JP 3041568B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、たとえば鉄鋼業の連続
鋳造設備におけるタンディッシュ内溶鋼のプラズマ加熱
を始めとする移行型プラズマトーチを用いた加熱におけ
る移行型アークプラズマの出力制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】移行型アークプラズマによる加熱方法
は、プラズマトーチと被加熱物との間にプラズマアーク
を発生させ、被加熱物を高温のプラズマアークにより加
熱・溶融処理などする方法である。産業界では特に鉄鋼
業において広く応用されつつあり、たとえば連続鋳造設
備において鋳造時の溶鋼温度を所定の温度に加熱制御す
るために、タンディッシュ内の溶鋼を移行型アークプラ
ズマにより加熱する方法が利用されている。
【0003】タンディッシュ内溶鋼のプラズマ加熱は、
タンディッシュ内の溶鋼を加熱し、溶鋼温度を所定温度
に制御するために行われている。すなわち、一般に連続
鋳造設備においては、取鍋内の溶鋼はタンディッシュを
介して鋳型へ注湯されるが、タンディッシュから鋳型へ
注湯される溶鋼の温度は、良好な品質の鋳片を得るため
には鋳造に支障のないかぎり低い温度に調整されている
ことが好ましいとされ、溶鋼温度の変動を小さく制御し
て低温鋳造が行われている。そこで、溶鋼温度が万一所
定温度以下になった場合、タンディッシュ内で溶鋼内か
ら介在物等の不純物が浮上しきれず鋳片品質に悪影響を
与えたり、タンディッシュから鋳型へ注湯するノズルを
閉塞したりするトラブルが起こることから、これらを避
けるために、タンディッシュ内の溶鋼をプラズマにより
加熱し、溶鋼温度を所定温度に制御する必要があるわけ
である。
【0004】溶鋼温度を所定温度に制御するためには、
プラズマ出力を適当な値に制御する必要がある。移行型
プラズマトーチにおける出力はアーク電流値とアーク電
圧値の積で表すことができるので、出力を制御するため
にはアーク電流値とアーク電圧値を制御する必要があ
る。通常、プラズマ発生用の電源が外部設定の電流制御
であるので、アーク電流値は外部設定により制御する。
【0005】しかしながら、アーク電流値は電源の電流
制御の制御範囲に限界があるため、さらに広く出力制御
を行うためにはアーク電圧の制御も必要となる。アーク
電圧は、一般にアーク長さやプラズマ作動ガスの種類、
加熱雰囲気などの加熱条件により従属的に決定される。
アーク電圧を積極的に制御する方法としては、溶鋼とプ
ラズマトーチの距離をトーチ昇降装置により変化させる
ことでアーク長を制御し、アーク電圧を制御する方法が
一般的である。このように、電流値だけでなくアーク長
をトーチ昇降装置を利用して制御することでプラズマ出
力を制御する方法を実施する装置としては、例えば特開
平3−124351号公報記載の制御装置があり、これ
を図2に示す。
【0006】このプラズマ加熱制御装置は、タンディッ
シュ13に設けたプラズマトーチ10とタンディッシュ
13内の溶鋼14との間に電力を供給して溶鋼温度を所
定温度に保持するための連続鋳造設備におけるタンディ
ッシュ内溶鋼のプラズマ加熱制御装置である。そして、
プラズマトーチ10への供給電力が一定になるように制
御する主制御部2と、主制御部2からプラズマトーチ1
0へ供給される電力の電流を検出する電流検出器3と、
プラズマトーチ10でのアーク電圧を検出する電圧検出
器4と、電圧検出器4からの出力で設定電力を割算する
電流演算部5と、電流演算部5からの出力と電流検出器
3からの出力とを引算する電流制御演算部6とを具備
し、電流制御演算部6の出力を元に主制御部2において
プラズマトーチ10への供給電力が一定になるように制
御する。
【0007】上述したプラズマ加熱制御装置による加熱
制御では、実操業において、アーク電圧が、タンディッ
シュ13内の雰囲気のガス成分の変動により、あるいは
鋳型(図示せず)への溶鋼注湯量の制御及び/または取
鍋(図示せず)からタンディッシュ13への溶鋼注湯量
の制御による溶鋼面の変動に追従するプラズマトーチ1
0の昇降動作により変化した場合に、電流を制御してプ
ラズマトーチ10への供給電力が一定になるように制御
する。
【0008】尚、プラズマトーチ10は、タンディッシ
ュ蓋11の開口部を通しタンディッシュ蓋11の上面に
設けた保持具に保持され、且つその先端がタンディッシ
ュ13内の溶鋼14面と一定間隔を維持するように保持
具を介して昇降制御モータ15により昇降制御される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上述の方法では、プラ
ズマ電流値とアーク長は制御可能である。しかし、実際
には電流値とアーク長には上下限値が存在するため、出
力制御に限界がある。また、特定の操業条件では、電流
値とアーク長を固定した状態で他の制御要素により出力
を制御する必要があるが、従来の方法は電流値とアーク
長のみの制御のため制御の自由度が少なく、操業方法に
限界があるという問題があった。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、移行型プラズ
マトーチを用いた加熱装置の移行型アークプラズマの出
力制御方法において、プラズマ発生用電源の電流値制御
と、アーク長制御と、2種類以上のプラズマ作動ガスの
ガス混合比制御とをプラズマ出力の制御要素にすると共
に、これら制御要素をその制御量の操作限界内であらか
じめ定めた優先度に応じて選択し、各制御要素の制御量
を段階的に切り換えることによりプラズマ出力を制御す
ることを特徴とする移行型アークプラズマの出力制御方
法である。
【0011】
【作用】本発明の方法では、従来の電流値とアーク長と
いう2つの制御要素だけでなく、プラズマ作動ガスを2
種類以上の混合ガスとし、ガス種の混合比をも制御する
ことでアーク電圧を制御する。これは、プラズマ作動ガ
スがプラズマアーク中でプラズマ化する際、ガスの種類
により電離電圧が異なるため、電位傾度と呼ばれる単位
長さ当たりのアーク電圧値が変化するという現象に基づ
く。
【0012】電位傾度は、たとえばアルゴンで約5V/
cm、窒素で約10V/cm程度である。そして、これ
らのガスの混合比を変えたとき、アークの電位傾度はそ
の混合比に応じて変化する。これにより、アーク長一定
でもアーク電圧を制御することができるわけである。
【0013】このプラズマの現象を基に、従来の電流値
とアーク長に加え、2種類以上のプラズマ作動ガスの混
合比をプラズマ出力の制御要素として追加し、制御要素
を3種類とする。さらに、これら3種類の制御要素を、
制御量の操作限界内であらかじめ定めた制御要素の優先
度に応じて制御量を段階的に切り換えることによって制
御する。
【0014】すなわち、まず操業に応じて制御しやすい
制御要素の順序としての優先度を決める。たとえば、優
先度を電流値、アーク長、ガス混合比の順とするなら
ば、出力変更の際はまず最も優先度の高い電流値を変更
する。電流値の操作範囲の限界に達したならば、次に優
先度の高いアーク長を、トーチ昇降装置によりトーチ高
さを操作することで変更する。トーチ昇降の操作範囲の
限界に達したならば、次にガス混合比を変更する。
【0015】このように3つの制御量を段階的に切り換
えることによって、従来の電流値とアーク長という2種
類の制御要素のみの出力制御と比較してプラズマ出力の
制御範囲を広げるとともに、より自由でなめらかにそし
て体系的に制御することができる。
【0016】
【実施例】以下、本発明の実施例を図1に基づいて説明
する。
【0017】図1は、本発明の移行型アークプラズマの
出力制御方法を、連続鋳造設備におけるタンディッシュ
内溶鋼のプラズマ加熱を例として示したものである。本
実施例では、直流移行型のプラズマトーチ10により、
プラズマトーチ10とタンディッシュ13内の溶鋼14
との間にプラズマアーク16を生成し、電力を供給す
る。なお、プラズマトーチ10で生成するプラズマにつ
いて、本実施例は直流移行型プラズマを例に挙げたが、
交流電力によりプラズマアークを生成する交流プラズマ
トーチを用いる場合、複数のプラズマトーチを用いる場
合などを排除するものではない。
【0018】図1に基づき、制御要素である電流値、ア
ーク長、ガス混合比を段階的に自動で切り換えてプラズ
マ出力を制御する例を以下に説明する。なお、プラズマ
アーク16の長さを直接計測することは困難であるの
で、本実施例では、プラズマトーチ10の先端と溶鋼1
4面との距離をプラズマトーチ昇降装置によるトーチ挿
入量とタンディッシュ重量とから算出し、その算出量を
便宜上アーク長と呼ぶこととする。
【0019】標準的な運転状態では、電流値は4000
A、アーク長は200mm、ガスはAr100%で、流
量は2000Nl/minである。それぞれの制御量の
操作限界は、電流値については3500Aから4500
A、アーク長については150mmから250mm、ガ
ス混合比については窒素を0%から30%まで付加可能
としている。標準的な運転状態での電圧は約300Vで
あり、出力は約1.2MWである。
【0020】この状態よりも出力を上昇させたい場合
は、電流値を4000Aから4500Aまで上昇させて
出力を約1.35MWとすることができる。さらに高い
出力を出したいときは、アーク長を200mmから25
0mmまで上昇させる。このとき電圧は約300Vから
約325Vまで上昇し、出力は約1.46MWまで達す
ることになる。さらに出力を上昇させたいときは、電流
値とアーク長が制御範囲の上限であるので、プラズマ作
動ガスのアルゴンに窒素を混入することで電圧を増加さ
せる。窒素を最大30%混入したとき、電圧は約450
Vまで増加させることが可能であり、このとき出力は約
2.0MWとなる。
【0021】出力を下降させる際は、まず窒素ガス混入
比を下降させてアーク電圧を低下させる。窒素ガス混入
比が下限値である0%になれば、次の制御量として電流
値を4500Aから減少させ、電流値の下限値3500
Aまで下げることができる。さらに出力を減少させたい
場合は、アーク長を250mmから下限値150mmま
で減少させることができる。
【0022】
【発明の効果】本発明は、出力要求に応じて電流値、ア
ーク長、ガス混合比を切り換えて制御することにより、
プラズマ出力の制御範囲を広げることができるととも
に、自由にかつなめらかに出力制御することが可能とな
る。これにより、プラズマ加熱装置の操業の幅が広がる
とともに、操業条件に適したプラズマ加熱条件を実現す
ることができる。例えば、タンディッシュ内溶鋼プラズ
マ加熱については、溶鋼の温度制御の精度を向上させる
ことができるとともに、鋼種に応じて柔軟な操業条件を
実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の移行型アークプラズマの出力制御方法
を連続鋳造設備で実施するための装置の例を示す図であ
る。
【図2】従来の連続鋳造設備におけるタンディッシュ内
溶鋼のプラズマ加熱制御装置のブロック図である。
【符号の説明】
1 電源 2 主制御部 3 電流検出器 4 電圧検出器 5 電流演算部 6 電流制御演算部 7 電流比較演算部 8 電圧−昇降長変換演算部 9 プラズマトーチ昇降演算部 10 プラズマトーチ 11 タンディッシュ蓋 12 保持具 13 タンディッシュ 14 溶鋼 15 昇降制御モータ 16 プラズマアーク 17 制御装置 18 プラズマ作動ガス用流量計
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原 賢一 愛知県東海市東海町5−3 新日本製鐵 株式会社 名古屋製鐵所内 (56)参考文献 特開 平3−42159(JP,A) 特開 平3−243254(JP,A) 特開 平4−284955(JP,A) 特開 平4−300056(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H05H 1/36 B22D 11/10 B22D 41/01

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 移行型プラズマトーチを用いた加熱装置
    の移行型アークプラズマの出力制御方法において、プラ
    ズマ発生用電源の電流値制御と、アーク長制御と、2種
    類以上のプラズマ作動ガスのガス混合比制御とをプラズ
    マ出力の制御要素にすると共に、これら制御要素をその
    制御量の操作限界内であらかじめ定めた優先度に応じて
    選択し、各制御要素の制御量を段階的に切り換えること
    によりプラズマ出力を制御することを特徴とする移行型
    アークプラズマの出力制御方法。
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JP6050173B2 (ja) * 2013-04-05 2016-12-21 新日鉄住金エンジニアリング株式会社 プラズマ加熱制御装置とプラズマ加熱制御方法
GB2540994A (en) * 2015-08-04 2017-02-08 Edwards Ltd Control of power supplied to a plasma torch to compensate for changes at an electrode
JP6800780B2 (ja) * 2017-03-07 2020-12-16 日鉄エンジニアリング株式会社 プラズマトーチ、溶湯加熱装置及び溶湯加熱方法

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