JP6350094B2 - プラズマ加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、連続鋳造中の溶融金属をプラズマ加熱するプラズマ加熱装置に関するものである。

鍋に貯留した溶融金属をタンディッシュに注湯した後に連続鋳造鋳型へ供給する連続鋳造方法において、鍋及びタンディッシュ内の溶融金属は常に放熱状態にあり、鋳造の経過と供に溶融金属の温度が低下していく。この温度低下により、タンディッシュ内の底部に鋳型への溶鋼供給用として設置している浸漬ノズルの閉塞や、タンディッシュ及び鋳型内での不純物（介在物）浮上分離の阻害が発生し、鋳片品質の低下や鋳造作業中止トラブルの引き金となる。このため、タンディッシュ内の溶融金属を加熱する技術が導入されており、その技術としてプラズマ加熱装置や誘導加熱装置が一般的に使用されている。中でも、プラズマ加熱装置は誘導加熱装置と比べ、タンディッシュに大幅な改造を施すことなく適用できるという利点がある。

プラズマ加熱装置の加熱用トーチは、溶融金属およびアークの輻射熱に曝されているため、トーチの損傷を防ぐために内部を水冷する構造になっている（例えば特許文献１）。トーチは昇降機構によって昇降可能に設けられ（例えば特許文献２）、溶融金属のプラズマ加熱を行うに際してはトーチを下降し、溶融金属表面に接近して所定の間隔を保持し、加熱を開始する。

プラズマ加熱装置はトーチと溶融金属間の距離が非常に近接しているため、トーチ先端が溶融金属に浸漬する事象が発生し得る。特にトーチ昇降装置の故障などによるトーチ落下が発生した場合、トーチは溶融金属への浸漬によって損傷してしまう。前述したように、トーチ内部には冷却水が常時循環しているため、トーチ先端が溶融金属に浸漬した場合、冷却水が溶融金属内に大量に流出し、蒸気爆発により溶融金属が飛散するトラブルが発生する懸念がある。このトラブルが発生すると、鋳込み中断や設備損傷などの大規模トラブルに発展する可能性があるため、トーチが溶融金属に浸漬することを防止する方法が望まれている。

特許文献３に記載のプラズマ制御装置は、パイロットアーク回路のインピーダンス判定回路信号またはパイロットアークの電流検出信号により、トーチと溶融金属面の異常接近を検知する方法を提唱している。

特許文献４に記載のプラズマ加熱装置は、停電時にプラズマトーチ先端をタンディッシュ内から引き上げて保護するために、トーチ昇降装置の駆動系にクラッチを配設し、トーチ支持アームが常に上昇自在となるようカウンターウェイトを連結して、停電時の上昇限退避を可能としている。

特許文献５に記載のプラズマトーチ駆動装置においては、固定フレーム、移動フレーム、内部移動体を有し、プラズマトーチは内部移動体に懸垂支持されている。移動フレームが移動フレーム用下限ストッパーまで下降し、内部移動体が移動フレーム下壁まで下降した位置がプラズマトーチ下限位置であり、この状態でプラズマトーチによりタンディッシュ内の溶鋼の加熱を行う。移動フレーム用下限ストッパーと移動フレーム下壁を有しているので、プラズマトーチがプラズマトーチ下限位置よりもさらに下降するトラブルを防いでいる。

特開２００９−２６６４２８号公報 特開平３−２８５７４６号公報 特開平１０−２２０９５号公報 特開平９−１２２８４９号公報 特開平９−１１５６８８号公報

プラズマ加熱装置のトーチが溶融金属に浸漬するトラブルは、停電時のほか、トーチ駆動制御系の異常によっても発生し得る。特許文献３に記載の方法では、停電時もトーチ駆動制御系異常時も、トーチが溶融金属へ浸漬することを防ぐことは困難である。特許文献４に記載の方法では、停電時には対応できるものの、トーチ駆動制御系の異常には対応できない。また特許文献４に記載の方法では、着火時においてトーチと溶融金属の間のギャップが小さい場合、トーチが溶融金属に浸漬しないようにするためには、駆動系からカウンターウェイトへの切り替えを非常に短い時間で実施する必要がある。更に、カウンターウェイトはトーチ構成部分以上の重量が必要となるため、基礎部分に大きな負荷がかかり、基礎部分の劣化や、構造補強等の設備投資額が増大する課題もある。

タンディッシュ内の溶融金属をプラズマ加熱する場合、タンディッシュ内の溶融金属面高さは、操業状態による変動や、タンディッシュ形状の個体差（耐火物施工など）によっても変化するため、溶融金属面の位置は一定ではない。特許文献５に記載の装置においては、ストッパー位置によって定まるプラズマトーチ下限位置は固定であるため、溶融金属面高さが一定ではない状況では、溶融金属面高さが高くなった場合にストッパーによってトーチが溶融金属へ浸漬することを防ぐことができない。

本発明は、プラズマ加熱時の溶融金属面高さが一定ではない操業条件において、停電時のほか、トーチ駆動制御系の異常があったとしても、トーチが溶融金属へ浸漬することを防止できるプラズマ加熱装置を提供することを目的とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）連続鋳造中の溶融金属をプラズマ加熱するプラズマ加熱装置であって、プラズマ加熱用のトーチは昇降可能であり、トーチの昇降と共に移動するストッパー受けを有し、
前記ストッパー受けの移動範囲内にトーチ落下防止用のストッパーをｎ個（ｎ≧２）配置し、当該ｎ個のストッパーのうちの少なくともｎ−１個は可動式ストッパーであり、可動式ストッパーは前進位置と後退位置の間で位置変更可能であり、ストッパーが前進位置にあるときはストッパー受けはストッパーに阻まれてストッパーよりも下方に移動することができず、ストッパーが後退位置にあるときはストッパーはストッパー受けの移動を妨げないことを特徴とするプラズマ加熱装置。
（２）プラズマ加熱中の溶融金属面とトーチ先端との間の距離をＴ_gとし、上からｉ番目とｉ−１番目のストッパー間の距離をＰ_i-1（ｉ＝２〜ｎ）としたとき、下記（１）式を満足することを特徴とする上記（１）に記載のプラズマ加熱装置。
２０ｍｍ≦Ｐ_i-1≦Ｔ_g／ｃｏｓθ （１）
ただし、θはトーチ昇降経路と鉛直方向との間の角度である。
（３）上からｉ番目のストッパーとストッパー受けとの間隔をＤ_iとし、ストッパー受けがストッパーよりも上方にあるときにＤ_iを正の値とし、距離Ｄ_iについて所定の閾値Ｃ_Tを予め定め、
トーチを下降動作させるに際し、前記距離Ｄ_iがＣ_Tよりも小さくなったらｉ番目のストッパーを後退動作させ、トーチを上昇動作させるに際し、前記距離Ｄ_iがＣ_Tよりも大きくなったらｉ番目のストッパーを前進動作させることを特徴とする上記（１）に記載のプラズマ加熱装置。
（４）前記所定の閾値Ｃ_Tを１０〜３０ｍｍとすることを特徴とする上記（３）に記載のプラズマ加熱装置。
（５）プラズマ加熱中の溶融金属面とトーチ先端との間の距離をＴ_gとし、上からｉ番目とｉ−１番目のストッパー間の距離をＰ_i-1（ｉ＝２〜ｎ）としたとき、下記（２）式を満足することを特徴とする上記（３）又は（４）に記載のプラズマ加熱装置。
２０ｍｍ≦（Ｐ_i-1＋Ｃ_T）≦Ｔ_g／ｃｏｓθ （２）
ただし、θはトーチ昇降経路と鉛直方向との間の角度である。
（６）プラズマ加熱中のトーチ先端位置として、定常加熱時のトーチ先端位置を用いてＴ_gを定めることを特徴とする上記（２）又は（５）に記載のプラズマ加熱装置。
（７）プラズマ加熱中のトーチ先端位置として、着火時のトーチ先端位置を用いてＴ_gを定めることを特徴とする上記（２）又は（５）に記載のプラズマ加熱装置。
（８）プラズマ加熱中において、ストッパー受けより下方にある可動式ストッパーを前進位置とし、ストッパー受けより上方にある可動式ストッパーを後退位置とすることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のプラズマ加熱装置の使用方法。

本発明のプラズマ加熱装置は、トーチの昇降と共に移動するストッパー受けと、トーチ落下防止用のストッパーをｎ個（ｎ≧２）配置し、少なくともｎ−１個は可動式ストッパーであり、可動式ストッパーは前進位置と後退位置の間で位置変更可能であり、プラズマ加熱中において、ストッパー受けより下方にある可動式ストッパーを前進位置とし、ストッパー受けより上方にある可動式ストッパーを後退位置とすることにより、タンディッシュ内の溶融金属面の位置が最低溶融金属面よりも高い場合であっても、トーチ駆動制御系の異常が発生してトーチが下降したとき、トーチが溶融金属に浸漬するトラブルを防止することが可能になる。

本発明のプラズマ加熱装置の一例を示す図であり、（ａ）はトーチが上限位置にあるとき、（ｂ）はトーチがプラズマ加熱位置にあるときを示す。 プラズマ加熱中の本発明のプラズマ加熱装置を示す部分図である。 本発明のプラズマ加熱装置のストッパー受け位置とストッパーの動作を示す図である。 本発明のプラズマ加熱装置のストッパー受け位置とストッパーの動作を示す図である。 本発明のプラズマ加熱装置のストッパー受け位置とストッパーの動作を示す図である。 本発明のプラズマ加熱装置のストッパー受け位置とストッパーの動作を示す図である。

本発明は、連続鋳造中の溶融金属をプラズマ加熱するプラズマ加熱装置であって、プラズマ加熱用のトーチは昇降可能としている。トーチの昇降機構については種々の機構を用いることができる。特許文献３、５に記載のように、トーチを装着した移動体をワイヤでつり下げて昇降する機構、特許文献４に記載のように、モーターでジャッキネジを回転させてトーチのトラベリング移動体を移動させる機構、その他、どのような方法を採用してもよい。以下、トーチの昇降機構の駆動装置として電動シリンダを用いた場合を例にとって説明する（図１）。

電動シリンダ３は、その内部に進退アーム４を備えている。電動モーター１の回転がギアボックス２を経由して電動シリンダ３に伝えられ、進退アーム４が電動シリンダ３の一端から進出し、あるいは電動シリンダ３に退入する。プラズマ加熱装置の固定フレーム６には昇降アーム７が昇降可能に設置されている。昇降アーム７の上端が電動シリンダ３の進退アーム４先端と接続される。昇降アーム７の下端にはプラズマ加熱用のトーチ１２が接続される。また、本発明のストッパー受け８も、この昇降アーム７に接続すると好ましい。

電動シリンダ３の進退アーム４の進出と退入によって昇降アーム７が下降・上昇し、それに伴ってプラズマ加熱用のトーチ１２が下降・上昇する。トーチ１２とストッパー受け８がともに昇降アーム７に接続されるので、ストッパー受け８はトーチ１２の昇降と共に移動することとなる。

トーチ１２を昇降させる昇降経路１４は、鉛直としても良く、あるいは鉛直から傾いた経路としても良い。図２に示すように、昇降経路１４と鉛直方向との間の角度をθと置く。昇降経路１４が鉛直であればθ＝０°となる。

プラズマ加熱を行わない待機状態では、図１（ａ）に示すように、トーチ１２を上昇させて待機している。プラズマ加熱を行うに際してトーチを下降し、図１（ｂ）に示すように、トーチ１２の先端をタンディッシュ内溶融金属面１３の近傍の所定の位置に配置する。

前述のとおり、タンディッシュ内の溶融金属面高さは、操業状態による変動や、タンディッシュ形状の個体差（耐火物施工など）によっても変化するため、溶融金属面の位置は一定ではない。通常の操業範囲内で、想定される最も低い溶融金属面を「最低溶融金属面」と呼ぶ。ただし、所定のチャージ処理中におけるプラズマ加熱中の溶融金属面の位置については、取鍋からの溶融金属注入量をタンディッシュからの溶融金属流出流に合致させるよう、取鍋スライディングノズル開度を制御しているので、溶融金属面の位置が一定に保持される。

プラズマ加熱開始に際しては、トーチを待機位置から下降させ、溶融金属面とトーチ先端との間の距離が所定のＴ_gとなるように調整を行う（図１（ｂ））。プラズマ加熱を行っている際に溶融金属面が変動した場合にも、溶融金属面の変動に対応してトーチ先端位置を調整する。例えば、プラズマ加熱開始時にタンディッシュ内の溶融金属面位置を実測し、溶融金属面とトーチ先端との間の距離が所定のＴ_gとなるように調整を行う。同時にタンディッシュ及び溶融金属重量を計測し、プラズマ加熱中においては、計測した重量の変化から溶融金属面位置の変動を推定し、トーチ先端位置を調整することができる。

本発明は、プラズマ加熱時の溶融金属面高さが一定ではない操業条件において、トーチが溶融金属へ浸漬することを防止するものである。

本発明は、前述のとおりトーチの昇降と共に移動するストッパー受け８を有するとともに、ストッパー受け８の移動範囲内にトーチ落下防止用のストッパー９をｎ個（ｎ≧２）配置している。当該ｎ個のストッパー９のうちの少なくともｎ−１個は可動式ストッパー９ａであり、残りの１個は固定式ストッパー９ｂとすることができる。ｎ個のストッパーのうち、最下端に位置するストッパー９を固定式ストッパー９ｂとする。図１、２の例ではストッパーの個数ｎ＝２であり、２個とも可動式ストッパーである。図３〜５の例ではストッパーの個数ｎ＝３であり、上段と中段が可動式ストッパー９ａ、下段が固定式ストッパー９ｂの例である。可動式ストッパー９ａは前進位置２１と後退位置２２の間で位置変更可能であり、ストッパーが前進位置２１にあるときはストッパー受け８はストッパーに阻まれてストッパーよりも下方に移動することができず、ストッパーが後退位置２２にあるときはストッパーはストッパー受けの移動を妨げない。

ストッパー受け８はトーチ１２の昇降とともに移動する。溶融金属面の位置が、想定される最も低い最低溶融金属面である場合に、プラズマ加熱時のトーチ位置は最も低い位置となる。ストッパーのうち最下段に配置する固定式ストッパーは、タンディッシュ内溶融金属面位置が最低溶融金属面である場合に、プラズマ加熱時においてストッパー受け位置よりも低い位置となるように配置される。そのため、プラズマ加熱時の溶融金属面が通常の範囲内でいずれの高さであっても、ストッパー受けが固定式ストッパーに阻まれて所定の位置に配置できない、という事態には至らない。

タンディッシュ内の溶融金属面の位置が最低溶融金属面よりも高い場合、プラズマ加熱時においてストッパー受けの位置は最下段のストッパーの位置よりも高い位置となる。このままでは、トーチ駆動制御系の異常が発生してトーチが下降したとき、ストッパー受けが最下段のストッパー位置に至るまで下降を止めることができないので、トーチ先端が溶融金属に浸漬する懸念が生じる。

本発明は前述のとおり、ｎ個のストッパーのうちの少なくともｎ−１個は可動式ストッパーであり、可動式ストッパーは固定式ストッパーよりも上方に配置されている。ｎ個のストッパーすべてを可動式ストッパーとしても良い。タンディッシュ内の溶融金属面の位置が最低溶融金属面よりも高い場合であって、プラズマ加熱時においてストッパー受けの位置よりも下方に位置することとなった可動式ストッパーについては、ストッパーを前進位置とする。プラズマ加熱時においてストッパー受けの位置よりも上方に位置する可動式ストッパーについては、ストッパーを後退位置とする。トーチ駆動制御系の異常が発生してトーチが下降したとき、ストッパー受けは、ストッパーが前進位置にある可動式ストッパーのうちで最も高い位置にある可動式ストッパーの位置で阻まれ、それよりも下方に移動することができない。即ち、本発明において、タンディッシュ内の溶融金属面の位置が最低溶融金属面よりも高い場合であっても、トーチ駆動制御系の異常が発生してトーチが下降したとき、トーチが溶融金属に浸漬するトラブルを防止することが可能になる。

隣接するストッパー間の距離Ｐが短いほど、トーチ駆動制御系の異常が発生したときのトーチ異常下降量を少なくすることができるので好ましい。ストッパーの個数ｎについては、タンディッシュ内の溶融金属面位置として最も高い位置と最も低い位置とを想定し、両者の位置差Ｌ_Dと、隣接するストッパー間の距離Ｐと、トーチ昇降経路と鉛直方向との間の角度θとから以下のように算出することができる。
ｎ−１＝Ｌ_D／（Ｐ・ｃｏｓθ） （３）

プラズマ加熱中の溶融金属面とトーチ先端との間の距離をＴ_gとする。また、上からｉ番目とｉ−１番目のストッパー間の距離をＰ_i-1（ｉ＝２〜ｎ）とする。

プラズマ加熱中に制御系異常でトーチが異常下降した際、本発明ではストッパー受けよりも下方にある最も近いストッパーにストッパー受けが接触することにより、異常下降が停止する。プラズマ加熱中の溶融金属面とトーチ先端との間は距離Ｔ_gであるから、異常下降量の鉛直成分がＴ_g以下であれば、トーチが溶融金属に浸漬する懸念を払拭できる。そして、異常下降量の上限は、隣接するストッパー間の距離Ｐ_i-1からＰ_i-1・ｃｏｓθと計算できるので、Ｐ_i-1≦Ｔ_g／ｃｏｓθであればトーチは溶融金属に浸漬しない。また、隣接するストッパー間の距離Ｐ_i-1の下限は、トーチ停止精度の影響により、２０ｍｍ以上にすることが望ましい。即ち、下記（１）式を満たすこととすると好ましい。
２０ｍｍ≦Ｐ_i-1≦Ｔ_g／ｃｏｓθ （１）

具体的に図３に基づいて説明する。以下、上からｉ番目のストッパーとストッパー受けとの間隔をＤ_iとし、ストッパー受けがストッパーよりも上方にあるときにＤ_iを正の値とする。図３（ａ）では、ストッパー受け８が上段の可動式ストッパー９ａ１よりも高い位置にありＤ₁が正の値であり、上段の可動式ストッパー９ａ１を含めてすべての可動式ストッパーが前進位置にある。この状態でプラズマ加熱中にトーチ異常下降が生じた場合、ストッパー受け８が距離Ｄ₁だけ移動して上段のストッパー９ａ１に接触して異常下降が終了する。図３（ｂ）では、ストッパー受け８がちょうど上段の可動式ストッパー９ａ１の位置にあり、上段の可動式ストッパー９ａ１を含めてすべての可動式ストッパーが前進位置にある。この状態でプラズマ加熱中にトーチ異常下降が生じた場合、すでにストッパー受け８は上段のストッパー９ａ１にほぼ接触状態にあるので、実際には下降しない。図３（ｃ）では、ストッパー受け８がちょうど上段の可動式ストッパー９ａ１の位置にあり、上段の可動式ストッパー９ａ１は後退位置、中段の可動式ストッパー９ａ２は前進位置にある。上段と中段のストッパー間の距離Ｐ₁であるから、Ｄ₂＝Ｐ₁であり、この状態でプラズマ加熱中にトーチ異常下降が生じた場合、ストッパー受け８が距離Ｄ₂＝Ｐ₁だけ移動して中段のストッパー９ａ２に接触して異常下降が終了する。隣接するストッパー間の距離Ｐ_i-1が上記（１）式を満たしていれば、トーチの異常下降による垂直方向下降量がＴ_gを超えることはない。

移動式ストッパーの前進・後退動作については、制御系が正常に作動しているのであれば、自動的に行うこととすると好ましい。ここで、さらに、距離Ｄ_iについて所定の閾値Ｃ_Tを予め定める。本発明で好ましくは、ｉ＝１〜ｎ−１番目の各移動式ストッパーについて、距離Ｄ_iがＣ_Tよりも小さいかマイナスであればストッパー位置を後退位置とし、距離Ｄ_iがＣ_Tよりも大きければストッパー位置を前進位置とする。具体的には、トーチを下降動作させるに際し、距離Ｄ_iがＣ_Tよりも小さくなったらｉ番目のストッパーを後退動作させ、トーチを上昇動作させるに際し、前記距離Ｄ_iがＣ_Tよりも大きくなったらｉ番目のストッパーを前進動作させる。図４（ａ）では、１番目のストッパー９ａ１との距離Ｄ₁がＣ_Tより大きいので１番目のストッパー９ａ１は前進位置２１にある。トーチを下降動作させ、下降中の図４（ｂ）の位置で距離Ｄ₁がＣ_Tに等しくなり、１番目のストッパー９ａ１が後退動作する。図４（ｃ）の状態でトーチ先端と溶融金属面の距離が目標であるＴ_gとなり、下降動作が完了する。このとき、１番目のストッパー９ａ１は後退位置２２にあり、Ｄ₂＞Ｃ_Tであるから２番目のストッパー９ａ２は前進位置２１のままである。これにより、トーチの上昇・下降動作が完了してプラズマ加熱を開始するに際し、ストッパー受けよりも下方にあってストッパー受けとの距離がＣ_T以上であるストッパーは前進位置に配置されることとなる。制御異常が発生した際には、前進位置にあるストッパーのうちで一番高い位置にあるストッパーにおいてストッパー受けの下降が阻まれる。

閾値Ｃ_Tの値は小さいほど好ましいが、あまりに小さくすると、トーチ下降時にストッパーが後退するより先にストッパー受けが当該ストッパーに衝突する可能性が生じる。閾値Ｃ_Tを１０〜３０ｍｍとすることにより、このような問題なく制御を行うことができる。

以上の制御を行うと、前進位置にあるストッパーのうちの最上段がｉ番目であるとしたとき、ストッパー受けとストッパーとの距離の最大値は、（Ｐ_i-1＋Ｃ_T）となる。従って、この状態で制御異常が発生してトーチが異常下降し、ｉ番目のストッパーで下降が阻止されるとすると、異常発生から下降終了までのトーチの下降量が
（Ｐ_i-1＋Ｃ_T）・ｃｏｓθ
となる。プラズマ加熱中に制御異常が発生したとして、溶融金属面とトーチ先端との間の距離はＴ_gであるから、
（Ｐ_i-1＋Ｃ_T）≦Ｔ_g／ｃｏｓθ
を満たすことにより、トーチの溶融金属浸漬を免れることができる。また、前述のとおり、Ｐ_i-1の下限は２０ｍｍ以上にすることが望ましい。従って、下記（２）式を満足することにより、トーチの溶融金属への浸漬を防止することができる。
２０ｍｍ≦（Ｐ_i-1＋Ｃ_T）≦Ｔ_g／ｃｏｓθ （２）

具体的に図５に基づいて説明する。図５（ａ）（ｂ）のいずれも、プラズマ加熱中であり、トーチ先端と溶融金属面との距離はＴ_gである。図５（ａ）では、ストッパー受け８が上段の可動式ストッパー９ａ１よりも高い位置にありＤ₁が正の値でＣ_Tよりも大きく、上段の可動式ストッパー９ａ１を含めてすべての可動式ストッパーが前進位置２１にある。Ｄ₁＜Ｔ_g／ｃｏｓθである。この状態でプラズマ加熱中にトーチ異常下降が生じた場合、ストッパー受け８が距離Ｄ₁だけ移動して上段のストッパー９ａ１に接触して異常下降が終了する。図５（ｂ）では、Ｄ₁がＣ_Tよりもわずかに小さく、上段の可動式ストッパー９ａ１は後退位置２２、中段の可動式ストッパー９ａ２は前進位置２１にある。上段と中段のストッパー間の距離Ｐ₁であるから、Ｄ₂＝Ｐ₁＋Ｃ_Tであり、この状態でプラズマ加熱中にトーチ異常下降が生じた場合、ストッパー受け８が距離Ｄ₂＝Ｐ₁＋Ｃ_Tだけ移動して中段のストッパー９ａ２に接触して異常下降が終了する。隣接するストッパー間の距離Ｐ_i-1が上記（２）式を満たしていれば、トーチの異常下降による垂直方向下降量がＴ_gを超えることはない。

定常加熱時と着火時では、プラズマ加熱中の溶融金属面とトーチ先端との間の距離Ｔ_gが異なる場合がある。一般に着火時の方が、定常加熱時よりもＴ_gが小さくなる。そこで、両者を区別する場合には、定常加熱時をＴ_g1、着火時をＴ_g2と呼ぶこととする。

上記（１）式、（２）式におけるＴ_gとして、着火時のＴ_g2を用いることとすれば、着火時、定常加熱時のいずれのタイミングで制御異常が発生したとしても、トーチの溶融金属浸漬を免れるので好ましい。ただし、着火時のＴ_g2は１００ｍｍ程度と小さいので、（２）式で定めるＰ_i-1が小さな値となり、ストッパーの個数ｎを多く設置する必要が生じる。

一方、上記（１）式、（２）式におけるＴ_gとして、定常加熱時のＴ_g1を用いることとすれば、定常加熱時のＴ_g1は３３０ｍｍ程度と大きいので、（２）式で定めるＰ_i-1として大きな値を用いることが可能となり、ストッパーの個数ｎを少ない数とすることができる。ただし、着火のタイミングで発生する制御異常には対応できないこととなる。

トーチを下降動作させるに際し、距離Ｄ_iがＣ_Tよりも小さくなったらｉ番目のストッパーを後退動作させる上記制御方法は、あくまで制御系が正常に機能している際における動作である。制御異常に伴ってトーチが下降する際には、当然ながら距離Ｄ_iがＣ_Tよりも小さくなってもｉ番目のストッパーを後退動作させない。制御系の正常・異常を判別する方法として例えば、トーチの位置指令と位置実績の対比で判断する方法を用いることができる。トーチの位置制御に際しては、トーチ位置の現在値を計測する位置計測器を具備し、一方で制御系はトーチ位置指令値を有し、位置計測器による位置実績が位置指令値に一致するように先進・後退制御を行う。この場合、トーチの位置指令と位置実績が一致していれば制御は正常であると判断できるので、トーチを下降動作させるに際し、距離Ｄ_iがＣ_Tよりも小さくなったらｉ番目のストッパーを後退動作させる。一方、トーチの位置指令と位置実績が不一致であれば、位置実績は位置指令に従っていないこととなり、制御異常が想定されるので、この場合は距離Ｄ_iがＣ_Tよりも小さくなってもｉ番目のストッパーを後退動作させない。

湾曲型スラブ連鋳機に付設されているプラズマ加熱装置に本発明のストッパーを設置した（図１、図３〜５）。電動モーター１の回転がギアボックス２を経由して電動シリンダ３に伝えられ、進退アーム４が電動シリンダ３の一端から進出し、あるいは電動シリンダ３に退入する。プラズマ加熱装置の固定フレーム６には昇降アーム７が昇降可能に設置されている。昇降アーム７の上端が電動シリンダ３の進退アーム４先端と接続される。昇降アーム７の下端にはプラズマ加熱用のトーチ１２が接続される。ストッパー受け８も昇降アーム７に接続している。ストッパー受け８はトーチ１２の昇降と共に移動する。

本実施例では、内容を簡素化するため、図４、５に示すように、ｎ＝３個のストッパーを有し、可動式ストッパーは上段（ｉ＝１）と中段（ｉ＝２）の２つとし、下段（ｉ＝３）を固定式ストッパーとした。可動式ストッパーはどちらもエアーシリンダによる可動式である。なお、前述したように、ストッパーの設置個数はタンディッシュ溶融金属面高さの変動幅により決定できる。従って、必要があれば３段以上とする配置を採用できることはいうまでもない。また、その際、最下段は固定式でも可動式でも構わない。

本発明者らは、本発明の効果を確認するために試験的に制御異常に起因するトーチ落下を発生させる疑似試験を行った。

トーチの昇降経路１４が鉛直方向からθが１５°の傾きをもったプラズマトーチにおいて、トーチと溶融金属間のギャップＴ_gが１００ｍｍの場合を想定し、図４、５に示すように上段と中段と下段の３個（＝ｎ）のストッパーのストッパー間距離Ｐ_i-1（ｉ＝２、３）について、下記表１に示す水準１、２，３を満たすような条件で行った。

なお、制御正常時における各ストッパーの作動判断は、トーチ下降時においてはｉ番目（ｉ＝１、２）の可動式ストッパー９ａｉとストッパー受け８の距離Ｄ_iがＣ_T＝１０ｍｍ以下になった場合にストッパー９ａｉが後退し、トーチ上昇時においては、ストッパー９ａｉとストッパー受け８の距離Ｄ_iがＣ_T＝１０ｍｍ以上になった場合に、ストッパー９ａｉが前進するように行った（図４参照）。制御異常に起因するトーチ落下に際しては、制御系は制御異常と判断し、トーチ落下時にストッパー９ａｉとストッパー受け８の距離Ｄ_iがＣ_T＝１０ｍｍ以下になってもストッパー９ａｉは後退しない。

前記（２）式に、θ＝１５°、Ｔ_g＝１００ｍｍ、Ｃ_T＝１０ｍｍを代入すると、
Ｔ_g／ｃｏｓθ＝１０３．５ｍｍ
となる。

その結果、表１の水準１のように本発明を満足する条件とした場合、すなわち、
２０ｍｍ≦（Ｐ_i-1＋１０）≦１０３．５ｍｍ（ｉ＝２、３）
の範囲を満たすピッチとして、ストッパー本数を可能な限り少なくして設備費を安くする、及び、故障発生率を下げるなどの目的を勘案して、本発明者らがピッチＰ_i-1＝８０ｍｍで実施した場合、制御異常に起因するトーチ落下に際してトーチはストッパーに干渉し、ストッパーによって溶鋼浸漬前に物理的にトーチ落下を停止できることを確認した。

一方、水準２のように、Ｐ_i-1＜２０ｍｍで本発明を満足しない条件とした場合、すなわち、Ｐ_i-1＜２０ｍｍの場合、制御正常時におけるトーチ下降時に連続してストッパーが後退し、トーチの下降動作を妨げてしまい、溶融金属面追従制御が不可能となった。また、シリンダロッド間をこのように狭くできるエアーシリンダは設備的にも選定が難しいという理由もある。

さらに、水準３のように、Ｔ_g／ｃｏｓθ＜（Ｐ_i-1＋Ｃ_T）で本発明を満足しない条件とした場合、すなわち、１０３．５ｍｍ＜（Ｐ_i-1＋Ｃ_T）の場合、上段ストッパーが後退し、中段ストッパー９ａ２とストッパー受け８の距離Ｄ₂が１０３．５ｍｍを超えるようなケースにおいて、プラズマ加熱中にトーチ落下が発生した際は、ストッパー受けが中段ストッパーに干渉する前にトーチがタンディッシュ溶融金属面に浸漬する結果となった。

次に、図３に示す装置を用い、プラズマ加熱中において、ストッパー受けより下方にある可動式ストッパーを前進位置とし、ストッパー受けより上方にある可動式ストッパーを後退位置とする制御を行った。この場合、ストッパー配置ピッチは、それぞれ（Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ₃・・・）がＴ_g／ｃｏｓθよりも小さい設定でないと、落下時にトーチが溶融金属面へ浸漬してしまうことになる。ストッパーが３段の場合の模式図を示す。図３において、（ａ）〜（ｅ）のいずれも、溶融金属面とトーチ先端との距離がＴ_gとなっている。（ａ）から（ｅ）へ順次溶融金属面が低下している状況を示している。図３（ａ）はストッパー受け８と上段ストッパー９ａ１との距離がＤ₁である。溶融金属面１３が低下し、図３（ｂ）のようにストッパー受け８が上段ストッパーＰａ１直上に位置する場合に、上段ストッパー９ａ１を後退させる（図３（ｃ））。このとき、上段ストッパー９ａ１と中段ストッパー９ａ２との距離Ｐ₂について、Ｐ₂がＴ_g／ｃｏｓθより小さければ、ここでトーチの落下が発生しても、トーチが溶融金属面に浸漬する前にストッパー受け８が中段ストッパーに接触してトーチの溶鋼浸漬を防ぐことができる。

図３（ｄ）、（ｅ）は溶融金属面１３がさらに低下した状況である。図３（ｄ）ではストッパー受け８が中段ストッパー９ａ２直上に位置する場合に、中段ストッパー９ａ２を後退させる（図３（ｅ））。このとき、中段ストッパー９ａ２と下段ストッパー９ｂ３との距離Ｐ₃について、Ｐ₃がＴ_g／ｃｏｓθより小さければ、ここでトーチの落下が発生しても、トーチが溶融金属面に浸漬する前にストッパー受け８が下段ストッパー９ｂ３に接触してトーチの溶鋼浸漬を防ぐことができる。

上記のような事例においては、隣接するストッパー間のピッチに関しては、２０ｍｍ≦Ｐ_i-1≦Ｔ_g／ｃｏｓθの中で、設備面でのメリットが見込めるピッチを選定すれば良い。

本発明によるトーチ落下時のトーチ浸漬防止装置を通常操業時のプラズマ加熱装置に使用した結果、トーチ落下時のトーチ浸漬による損傷、並びに交換に要するロス時間を解消することができた。

１ 電動モーター
２ ギアボックス
３ 電動シリンダ
４ 進退アーム
６ 固定フレーム
７ 昇降アーム
８ ストッパー受け
９ ストッパー
９ａ 移動式ストッパー
９ｂ 固定式ストッパー
１２ トーチ
１３ 溶融金属面
１４ 昇降経路
２１ 前進位置
２２ 後退位置

Claims (8)

1. 連続鋳造中の溶融金属をプラズマ加熱するプラズマ加熱装置であって、プラズマ加熱用のトーチは昇降可能であり、トーチの昇降と共に移動するストッパー受けを有し、
   前記ストッパー受けの移動範囲内にトーチ落下防止用のストッパーをｎ個（ｎ≧２）配置し、当該ｎ個のストッパーのうちの少なくともｎ−１個は可動式ストッパーであり、可動式ストッパーは前進位置と後退位置の間で位置変更可能であり、ストッパーが前進位置にあるときはストッパー受けはストッパーに阻まれてストッパーよりも下方に移動することができず、ストッパーが後退位置にあるときはストッパーはストッパー受けの移動を妨げないことを特徴とするプラズマ加熱装置。
2. プラズマ加熱中の溶融金属面とトーチ先端との間の距離をＴ_gとし、上からｉ番目とｉ−１番目のストッパー間の距離をＰ_i-1（ｉ＝２〜ｎ）としたとき、下記（１）式を満足することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ加熱装置。
   ２０ｍｍ≦Ｐ_i-1≦Ｔ_g／ｃｏｓθ （１）
   ただし、θはトーチ昇降経路と鉛直方向との間の角度である。
3. 上からｉ番目のストッパーとストッパー受けとの間隔をＤ_iとし、ストッパー受けがストッパーよりも上方にあるときにＤ_iを正の値とし、距離Ｄ_iについて所定の閾値Ｃ_Tを予め定め、
   トーチを下降動作させるに際し、前記距離Ｄ_iがＣ_Tよりも小さくなったらｉ番目のストッパーを後退動作させ、トーチを上昇動作させるに際し、前記距離Ｄ_iがＣ_Tよりも大きくなったらｉ番目のストッパーを前進動作させることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ加熱装置。
4. 前記所定の閾値Ｃ_Tを１０〜３０ｍｍとすることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ加熱装置。
5. プラズマ加熱中の溶融金属面とトーチ先端との間の距離をＴ_gとし、上からｉ番目とｉ−１番目のストッパー間の距離をＰ_i-1（ｉ＝２〜ｎ）としたとき、下記（２）式を満足することを特徴とする請求項３又は４に記載のプラズマ加熱装置。
   ２０ｍｍ≦（Ｐ_i-1＋Ｃ_T）≦Ｔ_g／ｃｏｓθ （２）
   ただし、θはトーチ昇降経路と鉛直方向との間の角度である。
6. プラズマ加熱中のトーチ先端位置として、定常加熱時のトーチ先端位置を用いてＴ_gを定めることを特徴とする請求項２又は５に記載のプラズマ加熱装置。
7. プラズマ加熱中のトーチ先端位置として、着火時のトーチ先端位置を用いてＴ_gを定めることを特徴とする請求項２又は５に記載のプラズマ加熱装置。
8. プラズマ加熱中において、ストッパー受けより下方にある可動式ストッパーを前進位置とし、ストッパー受けより上方にある可動式ストッパーを後退位置とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ加熱装置の使用方法。

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