JP6760036B2

JP6760036B2 - プラズマ加熱装置における黒鉛電極の異常放電抑制方法

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Publication number: JP6760036B2
Application number: JP2016244175A
Authority: JP
Inventors: 真士飯田; 亮西岡; 顕津山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2016-12-16
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2036-12-16
Also published as: JP2018098122A

Description

本発明は、例えば、プラズマ加熱装置を用いてタンディッシュ内を通過する溶鋼を加熱する際の黒鉛電極の異常放電を抑制して、安定的な着火を可能にする方法に関するものである。

鋼の連続鋳造時にタンディッシュ内を通過する溶鋼の温度が低下した場合、溶鋼温度の低下に伴い鋳型内のメニスカス近傍で溶鋼表面が凝固し（ディッケル生成）、最終製品にラミネーション欠陥（二枚割れ）が発生する場合がある。また、操業トラブルが発生する可能性もある。

従って、鋼の連続鋳造時は、プラズマ加熱装置を用いてタンディッシュ内を通過する溶鋼を加熱している。このプラズマ加熱装置の電極として、従来は金属電極を使用することが多かった（例えば特許文献１，２）。その理由は、図３に示すような２重管構造の金属電極１の先端の、外管１ａと内管１ｂの間で高周波２を発生しているので、安定した着火が行えるためである。

しかしながら、金属電極１は、図３に示すように、電極保護のため内管１ｂに冷却水３を供給している。そのため、加熱時に投入する電力の約３０％の熱ロスが発生し、溶鋼への着熱効率は４５％程度となっていた。また、電源出力を増加すると金属電極が消耗して寿命が大幅に低下するのみならず、水漏れの懸念があるため、電源出力を制限しているものが多い。

なお、図３中の４は冷却水３を内管１ｂに送り込むポンプ、５は高周波回路を示す。また、６はタンディッシュ、７はタンディッシュ内の溶鋼を示し、紙面右側の金属電極１がカソード電極、紙面左側の金属電極１がアノード電極を示す。

そこで、近年、金属電極にかわって冷却が不要な黒鉛電極が開発され、使用されるようになってきている。この黒鉛電極は冷却が不要であるため、冷却による溶鋼への着熱効率の低下が改善されて着熱効率が大幅に向上する。また、冷却水が漏れる懸念がないので電源出力の制限も改善できる。

しかしながら、図４に示すように、黒鉛電極１１は中実の単体構造であり、金属電極のように高周波を使用した着火ができない。

また、黒鉛電極の場合、電極と溶鋼間の着火可能距離は、金属電極の着火可能範囲の１／３程度となって短くなる。さらに、黒鉛電極は消耗型電極であるため、使用毎に電極と溶鋼間の距離が変化する。

なお、黒鉛電極を使用した場合の上記問題は、セラミックなどでコーティングされている金属電極では発生しない現象であり、黒鉛電極特有の現象である。

また、図３や図４に示すツイン電極方式のプラズマ加熱装置の場合、タンディッシュの整備が不要で、金属電極の先端と溶鋼湯面間の間隔を確保できるので高電圧化が可能で、加熱面積が広いが、シングル電極方式に比べてプラズマの生成が不安定である。

従って、シングル電極方式の場合に比べてプラズマの生成が不安定なツイン電極方式のプラズマ加熱装置を使用する場合、黒鉛電極をタンディッシュ内に挿入した際に、黒鉛電極とタンディッシュの蓋の間で異常放電が生じる懸念がある。

特許第２９６９７３１号公報特許第３３８５１５６号公報

本発明が解決しようとする問題点は、ツイン電極方式のプラズマ加熱装置の電極に黒鉛電極を使用する場合、タンディッシュ内の溶鋼への着火を安定して行うには、黒鉛電極とタンディッシュの蓋の間で発生する異常放電を抑制する必要があるという点である。

本発明の目的は、プラズマ加熱装置の電極に黒鉛電極を使用する場合に、タンディッシュ内の溶鋼への着火を安定して行えるようにすることである。

すなわち、本発明のプラズマ加熱装置における黒鉛電極の異常放電抑制方法は、
黒鉛電極を使用したプラズマ加熱装置によりタンディッシュ内を通過する溶鋼を加熱する際、タンディッシュ内の溶鋼への着火時の電力値を、１．６MW未満とすることを最も主要な特徴としている。

本発明は、黒鉛電極を使用したプラズマ加熱装置によりタンディッシュ内を通過する溶鋼を加熱する際、タンディッシュ内の溶鋼への着火時の電力値を最適範囲に規定するので、黒鉛電極とタンディッシュの蓋の間で発生する異常放電を効果的に抑制することができる。

本発明方法は、シングル電極方式に比べてプラズマの生成が不安定なツイン電極方式のプラズマ加熱装置を使用して行う場合により効果を有する。その際、使用毎に黒鉛電極と溶鋼間の距離が変化し、かつ、カソード電極とアノード電極の消耗量の相違に対応するため、両電極の高さ制御を独立に行える装置を使用することが望ましい。

本発明によれば、黒鉛電極とタンディッシュの蓋の間で発生する異常放電を効果的に抑制できて、タンディッシュ内の溶鋼への着火を安定して行え、黒鉛電極のメリットである高着熱効率を享受することができる。

タンディッシュ内の溶鋼への着火試験をプラズマ加熱装置に供給する電圧値と電流値を変化させて行った場合の結果を示した図である。黒鉛電極と、タンディッシュの蓋に設けた黒鉛電極の挿入孔の間で発生する異常放電を説明する模式図である。金属電極を用いたプラズマ加熱装置の概略説明図である。黒鉛電極を用いたプラズマ加熱装置の概略説明図である。

本発明は、プラズマ加熱装置の電極に黒鉛電極を使用する場合に、タンディッシュ内の溶鋼への着火を安定して行えるようにするという目的を、着火時の電力値を最適範囲に規定することで実現した。

以下、黒鉛電極を用いたツイン電極方式のプラズマ加熱装置を用い、各種条件を変更して黒鉛電極の先端とタンディッシュ内の溶鋼間にプラズマを発生させた際の結果を説明し、その試験結果に基づいて発明者らが成立させた本発明方法について説明する。

発明者らは、定電流電源であるプラズマ加熱装置の電源の電流値を１００Ａ、５００Ａ、１０００Ａ、２０００Ａ、３０００Ａ、４０００Ａ、５０００Ａと変化させて前記プラズマ発生時の影響を調査した。この試験のその他の条件を下記表１に示す。

表１に示した条件で行った試験の結果を図１に示す。
タンディッシュ内をＡｒガスでシールしたとき、電流値が１００Ａの場合の電圧値は１９０Ｖ、５００Ａの場合は２３０Ｖ、１０００Ａの場合は２３０Ｖ、２０００Ａの場合は２５０Ｖ、３０００Ａの場合は２００Ｖと２３０Ｖ、４０００Ａの場合は２５０Ｖと２９０Ｖ、５０００Ａの場合は２５０Ｖと２７５Ｖであった。そして、これら何れの場合も、タンディッシュ内の溶鋼への着火時、黒鉛電極と、タンディッシュの蓋に設けた黒鉛電極の挿入孔との間で異常放電は見られなかった。

一方、タンディッシュ内をＮ₂ガスでシールしたとき、電流値が１００Ａ、５００Ａ、２０００Ａ、５０００Ａの場合の電圧値は３９５Ｖ、１０００Ａの場合は３９０Ｖ、３０００Ａの場合は３７０Ｖと３９０Ｖ、４０００Ａの場合は４１０Ｖで、タンディッシュ内をＡｒガスでシールしたときに比べて同一電流で電圧値が１５０Ｖ〜２００Ｖ程度上昇することが確認された。これは、Ａｒガスに対して２原子分子であるＮ₂ガスの電離電圧が高く、プラズマ媒体のＡｒガス濃度がタンディッシュ内のシールガス（Ｎ₂ガス）によって低下するためと考えられる。

また、タンディッシュ内のシールガスがＡｒガス、Ｎ₂ガスの何れの場合も、電流増加に伴う電圧上昇は見られなかった。これは、電流の増加に伴い、電子衝突等のエネルギー増加によって電極温度が上昇し、プラズマ媒体のＡｒガスが高温化したことで、電離が促進されたためと考えられる。また、同時に、着熱量の増加によって金属蒸気が増加するため、顕著な電圧上昇がなかったと考えられる。

しかしながら、タンディッシュ内をＮ₂ガスでシールしたことによって電圧値が上昇した場合、電流値を４０００Ａ（電圧値は４００Ｖ）とした際は、タンディッシュ内の溶鋼への着火時、図２に示したように、黒鉛電極１１と、タンディッシュ６の蓋６ａに設けた黒鉛電極１１の挿入孔６ａａとの間で異常放電Ａが発生した。電流値を５０００Ａ（電圧値は３９２Ｖ）とした場合も、タンディッシュ内の溶鋼への着火時、黒鉛電極１１とタンディッシュ６の蓋６ａに設けた挿入孔６ａａの間で異常放電Ａが発生した。なお、図２中の６ｂは前記蓋６ａの挿入孔６ａａの上部に設けたシール蓋である。

これに対して、タンディッシュ内のシールをＡｒガスで行った場合は、何れの電流値の場合も、タンディッシュ内の溶鋼への着火時、黒鉛電極とタンディッシュの蓋に設けた挿入孔の間で異常放電が発生しなかった。このことから、タンディッシュ内のシールをＮ₂ガスとしたことによる電圧上昇に伴う電力上昇によるものと考えられる。

本発明は、上記の試験結果に基づいてなされたものであり、黒鉛電極を使用したプラズマ加熱装置によりタンディッシュ内を通過する溶鋼を加熱する際、タンディッシュ内の溶鋼への着火時の電力値を、１．６MW未満とすることを特徴とするプラズマ加熱装置における黒鉛電極の異常放電抑制方法である。

本発明において、タンディッシュ内の溶鋼への着火時の電力値を、１．６MW未満（図１中でハッチングを付さない領域）とするのは、発明者らによる上記試験の結果に基づくものである。

すなわち、上記試験で黒鉛電極とタンディッシュの蓋の挿入孔間で異常放電が発生した最小の電力値は、タンディッシュ内をＮ₂ガスでシールし、電流値４０００Ａ、電圧値４００Ｖで溶鋼に着火したときであったことから、着火時の電力値を１．６MW未満とした。

なお、上記試験で黒鉛電極とタンディッシュの蓋の挿入孔間で異常放電が見られなかった最小の電力値は、タンディッシュ内をＡｒガスでシールし、電流値１００Ａ、電圧値１９０Ｖで溶鋼に着火したときであった（電力値は０．０１９MW）。

上記本発明の構成は、ツイン電極方式のプラズマ加熱装置を使用した試験結果により得たものであるが、ツイン電極方式に比べてプラズマの生成が安定するシングル電極方式に適用が可能なことは言うまでもない。

また、黒鉛電極は使用毎に溶鋼との間の距離が変化し、かつ、カソード電極（図４の紙面右側の電極）とアノード電極（図４の紙面左側の電極）の消耗量が相違する。従って、上記本発明を、ツイン電極方式のプラズマ加熱装置を使用して実施する場合、両電極の高さ制御を独立に行う装置を使用することが望ましい。その際、発明者らの上記試験によれば、カソード電極の上昇が完了した後にアノード電極を上昇させることで、より発生するプラズマが安定することが確認できた。

本発明は上記した例に限らないことは勿論であり、請求項に記載の技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

例えばプラズマ媒体とするＡｒガス流量やタンディッシュ内のシールガス流量は上記した試験時の流量に限らない。

上記した試験はＡｒガスとＮ₂ガスによりタンディッシュ内をシールしたものであるが、他の不活性ガスを用いてタンディッシュ内をシールしてもよい。

６タンディッシュ
７溶鋼
１１黒鉛電極

Claims

黒鉛電極を使用したプラズマ加熱装置によりタンディッシュ内を通過する溶鋼を加熱する際、タンディッシュ内の溶鋼への着火時の電力値を、１．６MW未満とすることを特徴とするプラズマ加熱装置における黒鉛電極の異常放電抑制方法。
前記プラズマ加熱装置はツイン電極方式であ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における黒鉛電極の異常放電抑制方法。
前記黒鉛電極はアノード電極及びカソード電極がそれぞれ独立して昇降が可能であることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ加熱装置における黒鉛電極の異常放電抑制方法。
前記タンディッシュ内の雰囲気がＡｒガス又はＮ₂ガスであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のプラズマ加熱装置における黒鉛電極の異常放電抑制方法。