JP5027727B2 - プラズマ加熱装置 - Google Patents
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Description
本発明は、タンディッシュ内の溶融金属をプラズマアークにより加熱するツイントーチ式のプラズマ加熱装置に関する。
タンディッシュ内の溶融金属は、常時、放熱している。取鍋の容量が大きく鋳造時間が長くなる場合や、鋼種によって溶融金属の加熱温度が低く制限される場合には、鋳造途中からタンディッシュ内溶融金属の温度が標準温度以下となる。この温度低下によって、タンディッシュの底部に設置された浸漬ノズルが詰まったり、不純物（介在物）の分離が阻害されたりする。それが原因で、鋳片の品質が損なわれることになり、溶融金属の温度が極端に低下した場合は、鋳造作業そのものが中断することもある。このため、タンディッシュ内の溶融金属表面の上方に陽極プラズマトーチと陰極プラズマトーチを配置し、各プラズマトーチと溶融金属との間でプラズマアークを発生させて溶融金属を加熱する方法がある（特許文献１の［従来の技術］参照）。
上記ツイントーチ式のプラズマ加熱装置では、図４に示すように、一対のプラズマトーチ４０、４１間に直接電流が流れるサイドアークＥを防止するため、プラズマトーチの最外面を構成するノズル外筒を電気絶縁する必要がある。
ノズル外筒は、ステンレスや銅等の金属製とされ、外面には電気絶縁材（被覆材）として通常、アルミナＡｌ２Ｏ３が被覆溶射される。ノズル外筒は内側から水冷されているが、他方のプラズマトーチから発生する温度１００００℃以上のプラズマアークＰによる輻射熱Ｈを受けるため（図５参照）、被覆材が損耗する。被覆材が損耗して一対のプラズマトーチ４０、４１間にサイドアークＥが発生すると、ノズル外筒に高電流が流れてジュール発熱によるノズル外筒の溶融や水漏れにつながることとなる。そこで、従来は、この解決策として、ノズル外筒にＮｉ−ＡｌやＮｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ａｌ−Ｃｒをボンディングコートし、その上にアルミナを溶射してアルミナの密着強度を上げていた。
ノズル外筒は、ステンレスや銅等の金属製とされ、外面には電気絶縁材（被覆材）として通常、アルミナＡｌ２Ｏ３が被覆溶射される。ノズル外筒は内側から水冷されているが、他方のプラズマトーチから発生する温度１００００℃以上のプラズマアークＰによる輻射熱Ｈを受けるため（図５参照）、被覆材が損耗する。被覆材が損耗して一対のプラズマトーチ４０、４１間にサイドアークＥが発生すると、ノズル外筒に高電流が流れてジュール発熱によるノズル外筒の溶融や水漏れにつながることとなる。そこで、従来は、この解決策として、ノズル外筒にＮｉ−ＡｌやＮｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ａｌ−Ｃｒをボンディングコートし、その上にアルミナを溶射してアルミナの密着強度を上げていた。
しかしながら、被覆材のアルミナが、ノズル外筒を形成する母材や母材表面を覆うボンディングコート材と比べて熱膨張率が約１／２と小さいため、５０００Ａ以上の高電流でプラズマトーチを使用した場合、母材やボンディングコート材とアルミナとの熱膨張率の違いから被覆材に大きな熱応力が働き、被覆材が脱落するという問題があった。そして、被覆材の脱落により、一対のプラズマトーチ間での電気絶縁性が低下してサイドアークが発生し、プラズマトーチに水漏れが発生していた。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、プラズマトーチの外側露出面を被覆する絶縁被膜の寿命を、特別な材料を使用せずに、大幅に改善するプラズマ加熱装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、外側露出面がそれぞれ絶縁被膜で被覆された陽極プラズマトーチ及び陰極プラズマトーチを有し、溶融金属を介して、前記陽極プラズマトーチから前記陰極プラズマトーチに電流を流して前記溶融金属を加熱するプラズマ加熱装置において、前記絶縁被膜は、ボンディングコート材からなる最下層とアルミナ或いはスピネル或いはムライトからなる最上層との間に、前記最下層と前記最上層との混合体からなる中間層が形成されていることを特徴としている。
本発明は、プラズマトーチの最外面のノズル外筒を形成する母材や母材表面を覆うボンディングコート材と、被覆材であるアルミナ或いはスピネル或いはムライトとの熱膨張率の差に起因する熱応力を低減するため、最下層と最上層との間に、最下層と最上層の中間の熱膨張率を有する中間層を形成するものである。
具体的には、最下層と最上層の中間の熱膨張率を有する中間層を、最下層と最上層との混合体で形成する。その際、混合体の熱膨張率が最下層の熱膨張率と最上層の熱膨張率のほぼ中央値となるように、最下層（ボンディングコート材）の割合は質量で１／３〜２／３の範囲であることが好ましく、１／２がより好ましい。
また、本発明に係るプラズマ加熱装置では、前記中間層の厚みを前記最下層の厚み以上かつ前記最上層の厚み以下とすることが好ましい。
熱膨張率を、最下層＞中間層＞最上層の順で小さくし、さらに、各層の厚みを、最下層＜中間層＜最上層の順で厚くなるようにすることで、絶縁被膜の寿命延長の効果が大きいことが判明した。
熱膨張率を、最下層＞中間層＞最上層の順で小さくし、さらに、各層の厚みを、最下層＜中間層＜最上層の順で厚くなるようにすることで、絶縁被膜の寿命延長の効果が大きいことが判明した。
また、本発明に係るプラズマ加熱装置では、前記最下層、前記中間層、及び前記最上層を溶射によって形成することが好ましい。溶射の場合、被施工物や吹付け材の適用範囲が広く、熱影響による変形や歪みが被施工物に生じない利点がある。
本発明に係るプラズマ加熱装置では、プラズマトーチの外側露出面を被覆する絶縁被膜が、ボンディングコート材からなる最下層とアルミナ或いはスピネル或いはムライトからなる最上層との間に、最下層と最上層との混合体からなる中間層を有しているので、プラズマトーチの最外面のノズル外筒を形成する母材や母材表面を覆う最下層と、被覆材である最上層との熱膨張率の差に起因する熱応力が低減され、被覆材が脱落することがない。その結果、特別な材料を使用することなく、絶縁被膜の寿命を大幅に改善することが可能となる。
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。なお、以下の説明では、プラズマトーチの部位に関して、溶融金属に面する側を便宜上、「先」側とする。
図１に、本発明の一実施の形態に係るプラズマ加熱装置に使用される陽極プラズマトーチの縦断面図を、図２に陰極プラズマトーチの縦断面図をそれぞれ示す。
本発明の一実施の形態に係るプラズマ加熱装置の陽極プラズマトーチ１０及び陰極プラズマトーチ１１は、それぞれ有底筒状のトーチ電極２２、２３と、トーチ電極２２、２３を囲繞する筒状のノズル筒１２、１３とを備えている。トーチ電極２２、２３とノズル筒１２、１３との間に設けられた隙間は、アルゴンガスの供給路２６、２７となっている。
本発明の一実施の形態に係るプラズマ加熱装置の陽極プラズマトーチ１０及び陰極プラズマトーチ１１は、それぞれ有底筒状のトーチ電極２２、２３と、トーチ電極２２、２３を囲繞する筒状のノズル筒１２、１３とを備えている。トーチ電極２２、２３とノズル筒１２、１３との間に設けられた隙間は、アルゴンガスの供給路２６、２７となっている。
陽極プラズマトーチ１０及び陰極プラズマトーチ１１のトーチ電極２２、２３の先端部は、それぞれ放電電極部２８、２９とされ、溶融金属との間でプラズマアークを発生させる。放電電極部２８、２９の形状は、陽極プラズマトーチ１０と陰極プラズマトーチ１１で異なっており、陽極プラズマトーチ１０の放電電極部２８は平坦面とされ、陰極プラズマトーチ１１の放電電極部２９は凸形状になっている。また、トーチ電極２２、２３の内部には、仕切筒２４、２５が内挿されており、冷却水が循環するようになっている。
放電電極部２８、２９に用いる材料としては、銅Ｃｕや、銅ＣｕにタングステンＷ、クロムＣｒ、ニッケルＮｉ、ジルコンＺｒ、コバルトＣｏ等の一種又は二種以上を添加した組成のものを用いることができる。
ノズル筒１２、１３は、ノズル外筒１４、１５、ノズル内筒１８、１９、及び、ノズル外筒１４、１５とノズル内筒１８、１９の間に形成された空間部３２、３３の先端部を閉塞するノズル先端部２０、２１とを有する二重管構造になっている。空間部３２、３３には、仕切筒１６、１７が内挿されており、冷却水が循環するようになっている。ノズル筒１２、１３の材料としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４−Ｌ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６−Ｌなどのステンレスや銅などを用いることができる。
また、ノズル筒１２、１３の外側露出面（ノズル外筒１４、１５の外周面及びノズル先端部２０、２１の先端面）には、陽極プラズマトーチ１０と陰極プラズマトーチ１１との間に直接電流が流れるサイドアークを防止するため、絶縁被膜３０、３１が形成されている。
図３に絶縁被膜３０の断面を示すが、絶縁被膜３１の構成も同様である。
絶縁被膜３０は、ボンディングコート材からなる最下層３０ａとアルミナＡｌ２Ｏ３或いはスピネルＭｇＡｌ２Ｏ４或いはムライト３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２からなる最上層３０ｃとの間に、最下層３０ａと最上層３０ｃとの混合体からなる中間層３０ｂを有している。該混合体は、ボンディングコート材の割合が質量で１／３〜２／３の範囲にある。
なお、ボンディングコート材としては、従来から使用されているＮｉ−ＡｌやＮｉ−Ｃｒ或いはＮｉ−Ａｌ−Ｃｒを使用することができる。
絶縁被膜３０は、ボンディングコート材からなる最下層３０ａとアルミナＡｌ２Ｏ３或いはスピネルＭｇＡｌ２Ｏ４或いはムライト３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２からなる最上層３０ｃとの間に、最下層３０ａと最上層３０ｃとの混合体からなる中間層３０ｂを有している。該混合体は、ボンディングコート材の割合が質量で１／３〜２／３の範囲にある。
なお、ボンディングコート材としては、従来から使用されているＮｉ−ＡｌやＮｉ−Ｃｒ或いはＮｉ−Ａｌ−Ｃｒを使用することができる。
中間層３０ｂは、ノズル外筒１４、１５を形成する母材や母材表面を覆う最下層３０ａと、被覆材である最上層３０ｃとの熱膨張率の差に起因する熱応力を低減するものであり、最下層３０ａと最上層３０ｃとの混合体を用いることで、最下層３０ａと最上層３０ｃの中間の熱膨張率を有する中間層３０ｂを形成する。
因みに、プラズマトーチに使用される材料の熱膨張率［単位：×１０−６／℃］は以下の通りである。
ステンレス：１６〜１７、銅：１６．８、Ｎｉ−Ａｌ：１３〜１５、Ｎｉ−Ｃｒ：１５．５〜１６．５、Ｎｉ−Ａｌ−Ｃｒ：１５〜１６、アルミナ：６．５〜７．５、スピネル：６〜７、ムライト：５．５〜６
ステンレス：１６〜１７、銅：１６．８、Ｎｉ−Ａｌ：１３〜１５、Ｎｉ−Ｃｒ：１５．５〜１６．５、Ｎｉ−Ａｌ−Ｃｒ：１５〜１６、アルミナ：６．５〜７．５、スピネル：６〜７、ムライト：５．５〜６
なお、最下層３０ａ、中間層３０ｂ、及び最上層３０ｃは、プラズマ溶射法などの溶射法によって施工することが好ましい。特に、プラズマ溶射法の場合、大気中で溶射ができることに加え、形成される被膜は高密度で、母材への密着性も高い。
以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、中間層は１層としたが、ボンディングコート材の割合が異なる複数の中間層を設けても良い。
本発明に係るプラズマ加熱装置に使用されるプラズマトーチ及び従来被膜を有するプラズマトーチを、それぞれ複数本製作してプラズマ加熱試験を実施した。以下に試験に使用した２種類の試験体の仕様を示す。
（１）本発明に係るプラズマ加熱装置に使用されるプラズマトーチ
・ノズル外筒：ＳＵＳ３０４−Ｌ、厚み３ｍｍ
・最下層：Ｎｉ−Ａｌ、厚み０．１ｍｍ
・中間層：アルミナとＮｉ−Ａｌの混合体、０．２ｍｍ
・最上層：アルミナ、厚み０．５ｍｍ
（１）本発明に係るプラズマ加熱装置に使用されるプラズマトーチ
・ノズル外筒：ＳＵＳ３０４−Ｌ、厚み３ｍｍ
・最下層：Ｎｉ−Ａｌ、厚み０．１ｍｍ
・中間層：アルミナとＮｉ−Ａｌの混合体、０．２ｍｍ
・最上層：アルミナ、厚み０．５ｍｍ
（２）従来被膜を有するプラズマトーチ
・ノズル外筒：ＳＵＳ３０４−Ｌ、厚み３ｍｍ
・ボンディングコート：Ｎｉ−Ａｌ、厚み０．１ｍｍ
・被覆材：アルミナ、厚み０．５ｍｍ
・ノズル外筒：ＳＵＳ３０４−Ｌ、厚み３ｍｍ
・ボンディングコート：Ｎｉ−Ａｌ、厚み０．１ｍｍ
・被覆材：アルミナ、厚み０．５ｍｍ
上記２種類の試験体それぞれに５０００〜７０００Ａの電流を流して、タンディッシュ内の溶鋼の加熱を行った。その結果、従来被膜を有するプラズマトーチは、２５〜５５時間でノズルの水漏れが発生したが、本発明に係るプラズマ加熱装置に使用されるプラズマトーチは、８５〜１１５時間でノズルの水漏れが発生し、従来被膜を有するプラズマトーチに比べて２〜３倍の寿命を有することが確認できた。
１０：陽極プラズマトーチ、１１：陰極プラズマトーチ、１２、１３：ノズル筒、１４、１５：ノズル外筒、１６、１７：仕切筒、１８、１９：ノズル内筒、２０、２１：ノズル先端部、２２、２３：トーチ電極、２４、２５：仕切筒、２６、２７：供給路、２８、２９：放電電極部、３０、３１：絶縁被膜、３０ａ：最下層、３０ｂ：中間層、３０ｃ：最上層、３２、３３：空間部、４０、４１：プラズマトーチ
Claims (4)
- 外側露出面がそれぞれ絶縁被膜で被覆された陽極プラズマトーチ及び陰極プラズマトーチを有し、溶融金属を介して、前記陽極プラズマトーチから前記陰極プラズマトーチに電流を流して前記溶融金属を加熱するプラズマ加熱装置において、
前記絶縁被膜は、ボンディングコート材からなる最下層とアルミナ或いはスピネル或いはムライトからなる最上層との間に、前記最下層と前記最上層との混合体からなる中間層が形成されていることを特徴とするプラズマ加熱装置。 - 請求項１記載のプラズマ加熱装置において、前記混合体は、前記ボンディングコート材の割合が質量で１／３〜２／３の範囲であることを特徴とするプラズマ加熱装置。
- 請求項１及び２のいずれか１項に記載のプラズマ加熱装置において、前記中間層の厚みを前記最下層の厚み以上かつ前記最上層の厚み以下とすることを特徴とするプラズマ加熱装置。
- 請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ加熱装置において、前記最下層、前記中間層、及び前記最上層は、溶射によって形成されていることを特徴とするプラズマ加熱装置。
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