JP4959294B2

JP4959294B2 - 鋳鋼片の表層処理装置及び鋳鋼片の表層処理方法

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Publication number: JP4959294B2
Application number: JP2006302561A
Authority: JP
Inventors: 健彦藤; 研一山本; 純田中
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2006-11-08
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2026-11-08
Also published as: JP2008114284A

Description

本発明は、例えば鋼の連続鋳造鋳片や、圧延途中の鋼片などの鋳鋼片の表層を、プラズマによって処理する表層処理装置および表層処理方法に関する。

例えば連続鋳造後の鋳片や圧延途中の鋼片の表層を改質等する処理には、プラズマ加熱装置が用いられている（特許文献１参照）。

プラズマ加熱装置は、例えば搬送鋳片に対向するように配置されたトーチを陰極とし、鋳片を陽極とする直流プラズマトーチを備え、そのプラズマトーチから鋳片の表層にプラズマアークを当てて、そのプラズマアークの熱によって鋳片の表層を加熱して溶融して、鋳片の表層を改質処理している。

また、プラズマ加熱装置では、交流磁場の電磁力を用いてプラズマアークを鋳片の幅方向に揺動させ、鋳片の幅方向の全体を加熱している(特許文献２参照)。

特開２００４−１９５５１２号公報特開昭５４−１４２１５４号公報

ところで、鋳片の処理速度を向上するために、鋳片の搬送速度を上げることが考えられている。鋳片を適正に表層処理するには、鋳片の搬送速度を上げた場合であっても、鋳片の単位面積あたりに以前と同量の熱を供給する必要がある。このため、上述の従来技術の下では、鋳片の搬送速度を上げた場合、プラズマトーチの出力を上げることが必要になる。

しかしながら、プラズマトーチの出力を上げると、プラズマトーチが噴出されるプラズマガスの流速が増大し、プラズマガスが鋳片表面に衝突する圧力も増大する。そのプラズマガスの衝突圧力は、プラズマトーチの出力の２乗に比例するため、例えばプラズマトーチの出力を２倍にすると、プラズマガスの衝突圧力は４倍になる。このようにプラズマトーチの出力を上げると、プラズマガスの鋳片への衝突圧力が飛躍的に大きくなる。

プラズマガスの流速や衝突圧力が大きくなると、例えば鋳片表層で溶けた金属がプラズマガスにより押しのけられ、その溶融金属の流動が大きく乱される。この結果、処理後の鋳片の表層に例えば上下幅が０．５ｍｍ以上の大きな凹凸が残る。このように鋳片の表層に０．５ｍｍ以上の大きな凹凸が残ると、次工程の例えば圧延処理時に鋼片の表面に長い疵が生じる恐れがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、鋳片や鋼片などの鋳鋼片の表層処理後の表面粗さを悪化させずに、表層処理時の鋳鋼片の処理速度を向上させることを目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、所定の方向に搬送される鋳鋼片とプラズマトーチとの間にプラズマアークを発生させて鋳鋼片の表層を処理する装置であって、鋳鋼片の搬送経路上の前段に配置され、鋳鋼片の幅方向に沿って少なくとも１列に並べられた複数の予熱用プラズマトーチと、鋳鋼片の搬送経路上の後段に配置され、鋳鋼片の幅方向に沿って１列に並べられた複数の溶融用プラズマトーチと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、鋳鋼片の搬送経路上の前段の予熱用プラズマトーチにより鋳鋼片の表層を予熱し、その後、後段の溶融用プラズマトーチにより鋳鋼片の表層を溶融できるので、鋳鋼片の搬送速度を上げた場合に各段のプラズマトーチの出力を上げなくても、鋳鋼片にトータルで十分な量の熱を供給することができる。このように、鋳鋼片の搬送速度を上げてもプラズマトーチの出力を低く抑えることができるので、例えば鋳鋼片の表層の溶融金属の流動がプラズマガスの圧力で乱されて処理後の鋳鋼片の表層に大きな凹凸が残ることを防止できる。したがって、鋳鋼片の表層処理後の表面粗さを悪化させずに、鋳鋼片の処理速度を向上できる。また、予熱用プラズマトーチにより溶融前の鋳鋼片にプラズマガスが噴出されるので、溶融前に鋳鋼片の表層の酸化物などの不純物を除去することができる。このため、鋳鋼片の表面の不純物が溶融時に鋳鋼片内に巻き込まれることがなく、処理後の鋳鋼片の品質を向上できる。

前記予熱用プラズマトーチまたは溶融用プラズマトーチの少なくともいずれかのプラズマガスには、非酸化性ガスが用いられていてもよい。なお、この非酸化性ガスには、初めから非酸化性を有するもののみならず、プラズマ発生時に非酸化性になるものも含まれる。

前記プラズマガスには、還元性ガスが含有されていてもよい。なお、この還元性ガスには、水素ガスのような還元ガスのみならず、プラズマ発生時に水素などに分解(または酸化)して、還元ガスとしての機能を果たすもの、例えば炭化水素なども含まれる。また、前記還元性ガスは、水素ガスであってもよい。

前記予熱用プラズマトーチと前記溶融用プラズマトーチは、鋳鋼片の搬送方向から見て互いに重ならないように配置されていてもよい。

前記鋳鋼片の幅方向に並べられた予熱用プラズマトーチは、鋳鋼片の搬送経路上の前後方向に複数列に配置され、前記複数列の予熱用プラズマトーチのうちの少なくとも前後に隣り合う列の予熱用プラズマトーチ同士は、鋳鋼片の搬送方向から見て互いに重ならないように配置されていてもよい。

別の観点による本発明は、所定の方向に搬送される鋳鋼片とプラズマトーチとの間にプラズマアークを発生させて鋳鋼片の表層を処理する方法であって、鋳鋼片の搬送経路上の前段にある予熱用プラズマトーチにより鋳鋼片の表層を予熱する工程と、その後、鋳鋼片の搬送経路上の後段にある溶融用プラズマトーチにより前記鋳鋼片の表層を溶融する工程と、を有することを特徴とする。

前記予熱用プラズマトーチまたは溶融用プラズマトーチの少なくともいずれかのプラズマガスには、非酸化性ガスが用いられていてもよい。

前記プラズマガスには、還元性ガスが含有されていてもよい。また、前記還元性ガスは、水素ガスであってもよい。

本発明によれば、鋳鋼片の表層処理の質を下げずに鋳鋼片の処理速度を上げて、金属材の生産効率を向上できる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる表層処理装置１を鋳片Ｈの幅方向の側面からみた模式図であり、図２は、表層処理装置１を平面からみた模式図である。図３、４は、表層処理装置１を鋳片Ｈの搬送方向の正面からみた模式図である。

表層処理装置１は、例えば連続鋳造により得られた鋳片Ｈを水平方向にコロ搬送する搬送経路上に設けられている。表層処理装置１は、例えば図１及び図２に示すように搬送経路Ｌ上の鋳片Ｈの搬送方向Ｂに沿って予熱用プラズマトーチ群Ｃを前段に、溶融用プラズマトーチ群Ｄを後段に備えている。

予熱用プラズマトーチ群Ｃは、図２及び図３に示すように複数、例えば５本の予熱用プラズマトーチ１０から構成されている。なお、この予熱用プラズマトーチ１０の数は任意に選択できる。これらの予熱用プラズマトーチ１０は、搬送される鋳片Ｈの上方において、鋳片Ｈの幅方向Ａに沿って例えば１列に等間隔に配置されている。

各予熱用プラズマトーチ１０は、例えば図３に示す直流電源１１に接続されており、直流電源１１から各予熱用プラズマトーチ１０に高電圧を印加することにより、各予熱用プラズマトーチ１０と鋳片Ｈの表面との間にプラズマアークＰ１を形成できる。本実施の形態では、予熱用プラズマトーチ１０から噴出されるプラズマガスとして例えば非酸化性ガスであるアルゴンガスが用いられる。

予熱用プラズマトーチ群Ｃの搬送方向Ｂの両側には、環状の誘導コイル１２がそれぞれ設けられている。誘導コイル１２は、コイルの軸方向が搬送方向Ｂに向くように、予熱用プラズマトーチ群Ｃと平行に配置されている。誘導コイル１２には、交流電源１３が接続されている。交流電源１３により誘導コイル１２に交流電流を流すことによって、各予熱用プラズマトーチ１０のプラズマアークＰ１に周期的にローレンツ力を作用させて、各プラズマアークＰ１を鋳片Ｈの幅方向Ａに揺動させることができる。図２に示すように隣り合う予熱用プラズマトーチ１０のプラズマアークＰ１の揺動範囲Ｒ１（図２に示す点線領域）は、互いに重なっており、鋳片Ｈの幅方向Ａの全体に隙間なくプラズマアークＰ１を放射できる。

予熱用プラズマトーチ群Ｃの後段に配置された溶融用プラズマトーチ群Ｄは、例えば図２及び図４に示すように複数、例えば６本の溶融用プラズマトーチ２０から構成されている。なお、この溶融用プラズマトーチ２０の数は任意に選択できる。これらの溶融用プラズマトーチ２０は、搬送される鋳片Ｈの上方において、鋳片Ｈの幅方向Ａに沿って１列に配置されている。

各溶融用プラズマトーチ２０は、図２に示すように鋳片Ｈの搬送方向Ｂから見て前段の各予熱用プラズマトーチ１０と重ならないように配置されている。例えば溶融用プラズマトーチ２０は、予熱用プラズマトーチ１０と鋳片Ｈの搬送方向Ｂに互い違いの位置に設置されている。

各溶融用プラズマトーチ２０は、図４に示すように直流電源２１に接続されており、直流電源２１から各溶融用プラズマトーチ２０に電圧を印加することにより、各溶融用プラズマトーチ２０と鋳片Ｈの表面との間にプラズマアークＰ２を形成できる。本実施の形態では、溶融用プラズマトーチ２０から噴出されるプラズマガスとして例えばアルゴンガスが用いられる。

溶融用プラズマトーチ群Ｄの搬送方向Ｂの前後には、ループ状の誘導コイル２２がそれぞれ設けられている。誘導コイル２２は、コイルの軸方向が搬送方向Ｂに向くように、溶融用プラズマトーチ群Ｄと平行に配置されている。誘導コイル２２には、交流電源２３が接続されている。交流電源２３により誘導コイル２２に交流電流を流すことによって、各溶融用プラズマトーチ２０のプラズマアークＰ２に周期的にローレンツ力を作用させて、各プラズマアークＰ２を鋳片Ｈの幅方向Ａに揺動させることができる。図２に示すように隣り合う溶融用プラズマトーチ２０のプラズマアークＰ２の揺動範囲Ｒ２（図２に示す点線領域）は、互いに重なっており、鋳片Ｈの幅方向Ａの全体に隙間なくプラズマアークＰ２を放射できる。

次に、以上のように構成された表層処理装置１で行われる鋳片Ｈの表層処理プロセスについて説明する。

先ず、連続鋳造されて得られた鋳片Ｈが、搬送経路Ｌ上を搬送され、表層処理装置１に送られる。表層処理装置１に送られた鋳片Ｈは、先ず図５に示すように予熱用プラズマトーチ群Ｃの下方を通過し、各予熱用プラズマトーチ１０から放射されたプラズマアークＰ１により鋳片Ｈの表層が例えば鋳片Ｈの溶融温度未満の所定温度に予熱される。このとき、各予熱用プラズマトーチ１０の各プラズマアークＰ１は、誘導コイル１２の作用により鋳片Ｈの幅方向Ａに揺動され、鋳片Ｈの表層の幅方向Ａの全体が所定温度に予熱される。またこのとき、プラズマアークＰ１として予熱用プラズマトーチ１０から噴出されたプラズマガスが鋳片Ｈの表層に衝突して、鋳片Ｈの表面の酸化物などの不純物が除去される。

続いて、鋳片Ｈは、図６に示すように溶融用プラズマトーチ群Ｄの下方を通過し、各溶融用プラズマトーチ２０から放射されたプラズマアークＰ２により鋳片Ｈの表層が例えば鋳片Ｈの溶融温度以上の所定温度に加熱される。これにより、鋳片Ｈの表層が所定の深さまで溶融され改質される。このとき、各溶融用プラズマトーチ２０の各プラズマアークＰ２は、誘導コイル２２の作用により鋳片Ｈの幅方向Ａに揺動され、鋳片Ｈの表層の幅方向Ａの全体が加熱され溶融される。

以上の実施の形態によれば、鋳片Ｈの搬送経路Ｌ上の前段に予熱用プラズマトーチ群Ｃを配置し、その後段に溶融用プラズマトーチ群Ｄを配置したので、鋳片Ｈの搬送速度を上げた場合でも、各プラズマトーチ１０、２０の出力を上げることなく、鋳片Ｈの単位面積当たりに十分な量の熱を供給することができる。このように、鋳片Ｈの搬送速度を上げても、プラズマトーチ１０、２０の出力を低く抑えることができるので、例えば鋳片Ｈの表層の溶融金属の流動がプラズマガスにより乱されることがなく、処理後の鋳片Ｈの表層に大きな凹凸が残ることを防止できる。すなわち、従来技術のようにプラズマトーチが一段の場合、例えば鋳片Ｈの搬送速度を２倍にしようとすると、単位時間あたりの投入熱量を２倍にする必要があるため、プラズマトーチのガス流速度を２倍にする必要がある。処理後の鋳片Ｈの表層にできる凹凸は、プラズマトーチのガス流速度の２乗に比例することが知見されているので、ガス流速度が２倍になると、鋳片Ｈの表層の凹凸は、２^２の４倍になって著しく悪化する。この点、本発明では、鋳片Ｈの搬送速度を２倍にしても、２倍の投入熱量を予熱用プラズマトーチ１０と溶融用プラズマトーチ２０で分担して、各段のプラズマトーチのガス流速度を上げる必要がない。この結果、鋳片Ｈの表層処理後の表面粗さを悪化させずに、鋳片Ｈの処理速度を上げることができる。

また、前段の予熱用プラズマトーチ１０により鋳片Ｈの表面にプラズマガスが噴出されるので、溶融前に鋳片Ｈの表面の酸化物などの不純物を吹き飛ばして除去することができる。このため、鋳片Ｈの表面の不純物が溶融時に鋳片Ｈ内に巻き込まれることがなく、処理後の鋳片Ｈの品質を向上できる。

以上の実施の形態では、予熱用プラズマトーチ１０のプラズマガスとして非酸化性ガスであるアルゴンガスが用いられたので、溶融前に鋳片Ｈの表層が酸化されて鋳片Ｈが劣化することがない。なお、非酸化性ガスとして、アルゴンガスに代えてヘリウムガスや水素ガスなどを用いてもよい。

予熱用プラズマトーチ１０と溶融用プラズマトーチ２０を、鋳片Ｈの搬送方向Ｂから見て重ならないように配置したので、鋳片Ｈに供給されるトータルの熱量が鋳片Ｈの幅方向で均一化され、鋳片Ｈの幅方向に斑のない表層処理を行うことができる。

以上の実施の形態において、予熱用プラズマトーチ１０のプラズマガスに水素ガス、メタンガスまたはプロパンガスなどの還元性ガスを含有させてもよい。こうすることにより、処理前の鋳片Ｈの表面に付着している酸化物、例えばＦｅＯが積極的に還元され除去されるので、さらに質の高い表層処理を行うことができる。なお、溶融用プラズマトーチ２０のプラズマガスに上記還元性ガスを含有させてもよいし、予熱用プラズマトーチ１０と溶融用プラズマトーチ２０の両方のプラズマガスに還元性ガスを含有させてもよい。

以上の実施の形態では、予熱用プラズマトーチ群Ｃが１列であったが、鋳片Ｈの搬送方向Ｂの前後方向に複数列に配置されてもよく、この場合少なくとも前後に隣り合う列の予熱用プラズマトーチ１０同士が鋳片Ｈの搬送方向Ｂから見て互いに重ならないように配置されてもよい。

例えば図７に示すように鋳片Ｈの搬送方向Ｂに３列の予熱用プラズマトーチ群Ｃ１〜Ｃ３が配置される。例えば最前段の予熱用プラズマトーチ群Ｃ１と最後段の予熱用プラズマトーチ群Ｃ３には、例えば５本の予熱用プラズマトーチ１０が用いられ、その間の予熱用プラズマトーチ群Ｃ２には、例えば溶融用プラズマトーチ群Ｄと同じ６本の予熱用プラズマトーチ１０が用いられ、前後に隣り合う列の予熱用プラズマトーチ１０同士が例えば互い違いの位置に設置される。各予熱用プラズマトーチ群Ｃ１〜Ｃ３の両側には、上記実施の形態と同様にそれぞれ誘導コイル１２が設けられる。表層処理の際には、鋳片Ｈが予熱用プラズマトーチ群Ｃ１〜Ｃ３の予熱用プラズマトーチ１０により予熱され、溶融用プラズマトーチ群Ｄの溶融用プラズマトーチ２０により溶融される。

かかる例によれば、表層処理装置１を通過する鋳片Ｈへのトータルの熱の供給量を増やすことができるので、鋳片Ｈをさらに高速搬送することができる。また、鋳片Ｈへの熱の供給量が幅方向に偏らないので、鋳片Ｈの表層処理を幅方向に均一に行うことができる。なお、予熱用プラズマトーチ１０の列の数は、３列に限られず任意に選択できる。また、前後に隣り合う列の予熱用プラズマトーチ１０だけでなく、総ての列の予熱用プラズマトーチ１０同士が鋳片Ｈの搬送方向Ｂから見て重ならないように配置されてもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。例えば、以上の実施の形態は、鋳片Ｈが水平方向に搬送される例であったが、本発明は、鋳片Ｈが鉛直方向に搬送され、その鋳片Ｈに対して水平方向からプラズマアークを形成する場合にも適用できる。また、以上の実施の形態では、鋳片Ｈの片側を加熱していたが、鋳片Ｈの両面に予熱用プラズマトーチ１０と溶融用プラズマトーチ２０を設けて、鋳片Ｈの両面を表層処理してもよい。また、上記実施の形態では、鋳片Ｈの表層を溶融改質処理していたが、本発明は、溶融時に鋳片Ｈの表層に添加物を付加して表層改質処理する場合にも適用できる。さらに、以上の実施の形態は、鋳片Ｈを表層処理するものであったが、本発明は、鋼片などの他の鋳鋼片を表層処理する場合にも適用できる。

連続鋳造を完了した後切断された厚さ２５０ｍｍ、幅１２００ｍｍ、長さ１０ｍの０．２質量％Ｃ鋼の鋳片の表層を、５ｍｍの深さを目標に溶融処理した。一つは例えば溶融用プラズマトーチ群のみの１段で溶融処理を行い、一つは本発明のように予熱用プラズマトーチ群と溶融用プラズマトーチ群の２段で溶融処理を行った。各段のプラズマトーチの数は１２本とし、トーチ間隔を１００ｍｍとした。

先ず、鋳片の搬送速度を５ｍｍ／ｓとした場合、プラズマトーチ群が１段と２段の両方の場合の溶融処理において、プラズマトーチの出力が３０ｋＷで目標の溶融深さ（５ｍｍ）を得ることができ、処理後の鋳片の表層の凹凸幅Ｅが０．５ｍｍ以下になって、表面状態に問題はなかった。なお、ここで言う凹凸幅Ｅとは、図８に示すように鋳片Ｈの溶融処理層Ｆの表面の凹凸の上下幅をいう。また、鋳片の表層の凹凸幅Ｅの測定は、レーザ変位計（キーエンス（株）製）を鋳片の表層に沿ってスキャンさせることによって行った。

次に、鋳片の搬送速度を１０ｍｍ／ｓに上げた場合、プラズマトーチ群が１段の場合の溶融処理では、プラズマトーチの出力が６０ｋＷで目標の溶融深さ（５ｍｍ）を得ることができたが、このとき処理後の鋳片の表層の凹凸幅Ｅが１ｍｍ以上になった。一方、プラズマトーチ群が２段の場合の溶融処理では、各段のプラズマトーチの出力が３０ｋＷで目標の溶融深さ（５ｍｍ）を得ることができ、さらに処理後の鋳片の表層の凹凸幅Ｅが１段の場合の１／４未満の０．２５ｍｍ未満となった。このように、鋳片の搬送速度を２倍の１０ｍｍ／ｓに上げた場合、１段のプラズマトーチ群では表面状態が悪化し、２段のプラズマトーチ群では表面状態に問題はなかった。

本発明は、鋳鋼片の表層処理において、処理後の鋳鋼片の表面粗さが悪化しないように、鋳鋼片の処理速度を上げる際に有用である。

本実施の形態にかかる表層処理装置を鋳片の幅方向の側面からみた模式図である。表層処理装置を平面からみた模式図である。表層処理装置の予熱用プラズマトーチ群を鋳片の搬送方向の正面からみた模式図である。表層処理装置の溶融用プラズマトーチ群を鋳片の搬送方向の正面からみた模式図である。予熱用プラズマトーチ群により鋳片の表層を予熱している状態を示す説明図である。溶融用プラズマトーチ群により鋳片の表層を溶融している状態を示す説明図である。予熱用プラズマトーチ群を複数列設けた場合の表層処理装置を平面からみた模式図である。鋳片の表面にできる凹凸幅を説明するための鋳片の断面図である。

符号の説明

１表層処理装置
１０予熱用プラズマトーチ
２０溶融用プラズマトーチ
Ａ鋳片の幅方向
Ｂ鋳片の搬送方向
Ｃ予熱用プラズマトーチ群
Ｄ溶融用プラズマトーチ群
Ｈ鋳片
Ｐ１、Ｐ２プラズマアーク

Claims

所定の方向に搬送される鋳鋼片とプラズマトーチとの間にプラズマアークを発生させて鋳鋼片の表層を処理する装置であって、
鋳鋼片の搬送経路上の前段に配置され、鋳鋼片の幅方向に沿って少なくとも１列に並べられた複数の予熱用プラズマトーチと、
鋳鋼片の搬送経路上の後段に配置され、鋳鋼片の幅方向に沿って１列に並べられた複数の溶融用プラズマトーチと、を有することを特徴とする、鋳鋼片の表層処理装置。
前記予熱用プラズマトーチまたは溶融用プラズマトーチの少なくともいずれかのプラズマガスには、非酸化性ガスが用いられることを特徴とする、請求項１に記載の鋳鋼片の表層処理装置。
前記プラズマガスには、還元性ガスが含有されていることを特徴とする、請求項２に記載の鋳鋼片の表層処理装置。
前記還元性ガスは、水素ガスであることを特徴とする、請求項３に記載の鋳鋼片の表層処理装置。
前記予熱用プラズマトーチと前記溶融用プラズマトーチは、鋳鋼片の搬送方向から見て互いに重ならないように配置されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の鋳鋼片の表層処理装置。
前記鋳鋼片の幅方向に並べられた予熱用プラズマトーチは、鋳鋼片の搬送経路上の前後方向に複数列に配置され、
前記複数列の予熱用プラズマトーチのうちの少なくとも前後に隣り合う列の予熱用プラズマトーチ同士は、鋳鋼片の搬送方向から見て互いに重ならないように配置されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の鋳鋼片の表層処理装置。
所定の方向に搬送される鋳鋼片とプラズマトーチとの間にプラズマアークを発生させて鋳鋼片の表層を処理する方法であって、
鋳鋼片の搬送経路上の前段にある予熱用プラズマトーチにより鋳鋼片の表層を予熱する工程と、
その後、鋳鋼片の搬送経路上の後段にある溶融用プラズマトーチにより前記鋳鋼片の表層を溶融する工程と、を有することを特徴とする、鋳鋼片の表層処理方法。
前記予熱用プラズマトーチまたは溶融用プラズマトーチの少なくともいずれかのプラズマガスには、非酸化性ガスが用いられることを特徴とする、請求項７に記載の鋳鋼片の表層処理方法。
前記プラズマガスには、還元性ガスが含有されていることを特徴とする、請求項８に記載の鋳鋼片の表層処理方法。
前記還元性ガスは、水素ガスであることを特徴とする、請求項９に記載の鋳鋼片の表層処理方法。