JP3546947B2 - タンディッシュ内溶鋼加熱用アノードプラズマトーチ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タンディッシュ内に収容された溶鋼をプラズマアークによって加熱するためのタンディッシュ内溶鋼加熱用プラズマトーチの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３を参照して、従来のタンディッシュ内溶鋼加熱装置について説明する。図３において、レードル３０の底壁からタンディッシュ３１の天井壁３２を貫通するように設けられたノズル３３を通して溶鋼がタンディッシュ３１内に供給される。ノズル３３から離れた位置のタンディッシュ３１の底壁に設けられた浸漬ノズル３４を通して溶鋼がモールド３５に供給される。タンディッシュ３１内にはまた、ノズル３３と浸漬ノズル３４との間の位置で、天井壁３２から溶鋼３６内に漬かるように延びた上流側壁３７が設けられている。
【０００３】
天井壁３２側であって上流側壁３７と浸漬ノズル３４との間の領域には加熱室３８が形成されている。加熱室３８を構成している天井壁３２を貫通させてプラズマトーチ４０が加熱室３８を望むように設けられている。プラズマトーチ４０は、加熱室３８に装入、退出自在に設けられている。
【０００４】
プラズマトーチ４０は、内部にカソードを有し、その外周にはカソードを囲むようにノズルが組み合わされている。カソードとノズルとの間のスペースを通し、プラズマ形成用のガスとして、例えばアルゴンガスがプラズマトーチ４０の先端から噴き出すようにされている。カソードと溶鋼との間に電圧が加えられると、プラズマ形成用のガスがプラズマ化する。すると、カソードの先端に取り付けられた電極と溶鋼３６との間にプラズマアークが発生し、その輻射熱及びジュール熱により溶鋼が加熱される。このような加熱装置は、例えば特開平１１−２９１０２３号に開示されている。
【０００５】
上記加熱装置の一種類に、ツイントーチ式加熱装置と呼ばれるものが提供されている。図４に示されるように、この加熱装置では、タンディッシュ５０の天井壁に、プラズマ形成用のガスを噴出する一対のプラズマトーチ５１Ａ、５１Ｂが装入、退出自在に設けられる。プラズマトーチの構造は、図３で説明したプラズマトーチと基本的に同じである。プラズマトーチの一方はアノードプラズマトーチ５１Ａとされ、他方はカソードプラズマトーチ５１Ｂとされる。そして、直流電源装置５２の正側にアノードプラズマトーチ５１Ａを接続し、負側にカソードプラズマトーチ５１Ｃを接続してプラズマアークを形成することにより溶鋼５３を加熱する。このような加熱装置は、例えば特開平８−５２４７号に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のプラズマトーチにおいても、外部からの熱、すなわち溶鋼からの輻射熱及びプラズマアークからの輻射熱を受けて高温になるため、トーチの内部には冷却水の循環路が形成され、常時冷却を行うように構成されている。
【０００７】
一方、ツイントーチ式のアノードプラズマトーチにおける電極材料には、これまで主に無酸素銅が使用されている。しかしながら、この材料では、電極に流れる電流が大きくなり電流密度が大きくなった場合には、冷却水による冷却能力が一定であるために、外部からの熱が熱伝達により電極を通過し、内部の冷却面に伝達される熱量が増大した場合、内部の冷却面においては、この増大した熱量により膜沸騰が発生して冷却能力が低下する。その結果、電極表面温度が上昇してついには無酸素銅の融点１０８３℃を超過し、電極表面の溶損に至る現象が発生する。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、加熱時の電流及び外部からの熱に起因する溶損を防止し得るアノードプラズマトーチを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、タンディッシュ本体内に収容された溶鋼の上方に位置するように該タンディッシュ本体に設けられてプラズマ形成用のガスを噴出する少なくとも一対のプラズマトーチを備え、これらのプラズマトーチの少なくとも一つはアノードプラズマトーチとされ、残りの少なくとも一つはカソードプラズマトーチとされるタンディッシュ内溶鋼加熱用プラズマトーチにおいて、前記アノードプラズマトーチのアノード電極材料を、銅３０〜５０％、タングステン７０〜５０％から成る銅−タングステン合金で構成し、前記アノードプラズマトーチは、有底の筒状体によるアノード電極と、該アノード電極に対してギャップをおいてその周囲を包囲している２重の筒状体で形成したアノードノズルとを含み、前記アノード電極と前記アノードノズルとの間の前記ギャップを通して該アノードプラズマトーチの先端側からプラズマ形成用のガスが噴出するようにされており、前記アノード電極の内部及び前記アノードノズルの内部にはそれぞれ、該アノードプラズマトーチの中心軸に沿ってその先端側に向かって流入し、更に反対方向に向かって流出する冷却水の循環路が形成されていることを特徴とするタンディッシュ内溶鋼加熱用アノードプラズマトーチが提供される。
【００１０】
前記アノード電極はアノードプラズマトーチ内でその下側から上側の途中まで延びており、該アノード電極の上部の外周には該アノード電極と前記アノードノズルとの間に前記プラズマ形成用のガス流路を確保すると共に、これらの間を電気的に絶縁するための絶縁筒が設けられており、更に、該アノード電極の上端部には該アノード電極の内壁及び前記絶縁筒の内壁に接するように該アノード電極とは別の材料による電極棒が接続されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１、図２を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１において、本形態によるアノードプラズマトーチ１は、その中心部に位置する有底の筒状体によるアノード電極１０と、これを保護するためにアノード電極１０に対してギャップをおいてその周囲を包囲するように組み付けられた有底の筒状体によるアノードノズル２０とから成る。なお、アノード電極１０の上部の外周には絶縁筒２５が設けられている。絶縁筒２５は、後述するプラズマ形成用のガス流路を確保すると共に、アノード電極１０とアノードノズル２０との間を電気的に絶縁するためのものである。
【００１２】
アノードノズル２０は、下端部を底板２１−１で塞いだ２重の円筒形状部２１を有し、２重の円筒形状部２１の内部に円筒形状の冷却水デバイダ２２が配設されている。冷却水デバイダ２２は、その下端部が底板２１−１から離れている。これにより、２重の円筒形状部２１の内側の筒と冷却水デバイダ２２との間に上部から冷却水が供給されると、この冷却水は先端側に向かって流入し、２重の円筒形状部２１の外側の筒と冷却水デバイダ２２との間の空間を通して上部側に向かって流れて流出する。
【００１３】
絶縁筒２５の外周面とアノードノズル２０の内周面との間、及びアノード電極１０の外周面とアノードノズル２０の内周面との間にはギャップがあり、上部からこのギャップにプラズマ形成用のガス、例えばアルゴンガスが供給される。プラズマ形成用のガスは、アノード電極１０の先端部とアノードノズル２０との間のギャップを通して、図中下方に噴出する。なお、アノード電極１０の先端部よりやや上方における外周面とアノードノズル２０の内周面との間にはガススペーサ１１が設置されている。ガススペーサ１１はリング形状で周方向に間隔をおいて放射状に突起が形成され、各突起間がガス通路となり、プラズマ形成用のガスの噴出速度を早めると共に、ガス流を整流する機能を持つ。
【００１４】
アノード電極１０は、図２にも示されるように、有底の筒状体１０−１と、その内側に挿入された筒状部分１０−２１を持つ円筒体１０−２とから成る。筒状部分１０−２１の先端と筒状体１０−１の内壁との間、及び筒状部分１０−２１の外周面と筒状体１０−１の内壁との間にはギャップがある。また、筒状部分１０−２１には周方向に間隔をおいて複数の穴１０−２１ａが設けられている。
【００１５】
アノード電極１０の内部には円筒形状の冷却水デバイダ１２が配設されている。冷却水デバイダ１２も、その下端部がアノード電極１０の筒状体１０−１の内壁から離れ、かつ筒状部分１０−２１の内壁に接している。これにより、アノード電極１０の中心部に上部から冷却水が供給されると、この冷却水は先端側に向かって流入し、筒状部分１０−２１と筒状体１０−１との間のギャップ及び穴１０−２１ａを通して上部側に向かう。そして、冷却水デバイダ１２と円筒体１０−２との間、及び冷却水デバイダ１２と絶縁筒２５との間の空間を通して上部から流出する。
【００１６】
図１から明らかなように、アノード電極１０は、アノードプラズマトーチ１内でその下側から上側の途中まで延びていれば良い。このため、アノード電極１０の上端部には、これに電流を流すために円筒状の電極棒１３が接続されている。電極棒１３は、アノード電極１０の内壁及び絶縁筒２５の内壁に接しており、アノード電極１０と別の材料で作られても良い。なお、穴１０−２１に近い冷却水デバイダ１２の外周面とアノード電極１０の内周面との間にもスペーサ１４が設置されている。このスペーサ１４もリング形状で、周方向に間隔をおいて複数の冷却水通路が設けられている。
【００１７】
図１はアノードプラズマトーチ１の下側部分のみを示しているが、上部においては、アノード電極１０側への冷却水の導入及び排出部、アノードノズル２０側への冷却水の導入及び排出部、プラズマ形成用のガス供給部、直流電源装置への電気的接続部が設けられることは言うまでも無い。
【００１８】
さて、本形態では、上記のような構造のアノードプラズマトーチ１におけるアノード電極１０の材料を、銅−タングステン合金とした点に特徴を有する。特に、銅、タングステンの組成を、銅３０〜５０％、タングステン７０〜５０％としている。
【００２１】
一般に、タングステンの融点は３４１０℃であり、銅のそれに比べて約３倍である。しかしながら、タングステンの熱伝達率は銅の半分であり、タングステン１００％の場合には冷却効率が大幅に低下する。これに対し、アノード電極１０の材料を銅とタングステンの合金とすることにより、その融点はタングステン１００％の場合に比べて低くなるが、熱伝達率は良くなる。すなわち、銅とタングステンとの組成比にもよるが、それらの合金の融点は２０００〜３０００℃となる。銅とタングステンの合金は電気用接点にも使用されており、耐アーク性能が非常に良い。このため、アノード電極表面でプラズマがアークに移行した場合でも十分に溶損に耐えることができる。このように、融点が高く、耐アーク特性の良い材料を使用することにより、アノード電極の寿命が長くなる。
【００２２】
特に、タングステン７０％、銅３０％の合金の場合、融点は２０００℃を越え、熱伝達率や電気伝導度を多少犠牲にしても加熱時の電流及び外部からの熱に起因する溶損を防止することができる。また、耐アーク特性も向上するので寿命を長くすることができる。
【００２３】
一方、タングステン５０％、銅５０％の合金は、無酸素銅による従来品とタングステン７０％、銅３０％の合金の場合との中間に位置し、熱伝達率や電気伝導度は無酸素銅の場合とほぼ同様の特性を維持したまま、アーク特性が向上し、溶損に対する耐性を向上させることができる。
【００２４】
従って、本発明に適用されるアノード電極１０の合金組成は、銅３０〜５０％、タングステン７０〜５０％で良い。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、従来のアノードプラズマトーチに比べて寿命を長くすることができ、電極の溶損に起因するプラズマトーチ交換の回数が減り、メンテナンス性が良くなると共に、ランニングコストの低減を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるアノードプラズマトーチの部分半断面図である。
【図２】図１に示されたアノード電極の半断面図である。
【図３】従来のタンディッシュ内溶鋼加熱装置について説明するための図である。
【図４】従来のツイントーチ式のタンディッシュ内溶鋼加熱装置について説明するための図である。
【符号の説明】
１ アノードプラズマトーチ
１０ アノード電極
１１ ガススペーサ
１２、２２ 冷却水デバイダ
１３ 電極棒
１４ スペーサ
２０ アノードノズル
２１ ２重の円筒形状部
２５ 絶縁筒

Claims (2)

1. タンディッシュ本体内に収容された溶鋼の上方に位置するように該タンディッシュ本体に設けられてプラズマ形成用のガスを噴出する少なくとも一対のプラズマトーチを備え、これらのプラズマトーチの少なくとも一つはアノードプラズマトーチとされ、残りの少なくとも一つはカソードプラズマトーチとされるタンディッシュ内溶鋼加熱用プラズマトーチにおいて、
   前記アノードプラズマトーチのアノード電極材料を、銅３０〜５０％、タングステン７０〜５０％から成る銅−タングステン合金で構成し、
   前記アノードプラズマトーチは、有底の筒状体によるアノード電極と、該アノード電極に対してギャップをおいてその周囲を包囲している２重の筒状体で形成したアノードノズルとを含み、
   前記アノード電極と前記アノードノズルとの間の前記ギャップを通して該アノードプラズマトーチの先端側からプラズマ形成用のガスが噴出するようにされており、
   前記アノード電極の内部及び前記アノードノズルの内部にはそれぞれ、該アノードプラズマトーチの中心軸に沿ってその先端側に向かって流入し、更に反対方向に向かって流出する冷却水の循環路が形成されていることを特徴とするタンディッシュ内溶鋼加熱用アノードプラズマトーチ。
2. 請求項１記載のタンディッシュ内溶鋼加熱用アノードプラズマトーチにおいて、前記アノード電極はアノードプラズマトーチ内でその下側から上側の途中まで延びており、該アノード電極の上部の外周には該アノード電極と前記アノードノズルとの間に前記プラズマ形成用のガス流路を確保すると共に、これらの間を電気的に絶縁するための絶縁筒が設けられており、更に、該アノード電極の上端部には該アノード電極の内壁及び前記絶縁筒の内壁に接するように該アノード電極とは別の材料による電極棒が接続されていることを特徴とするタンディッシュ内溶鋼加熱用アノードプラズマトーチ。

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