JP6800780B2 - プラズマトーチ、溶湯加熱装置及び溶湯加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマトーチ、プラズマトーチ用の先端電極、及び溶湯加熱装置に関する。

特許文献１は、黒鉛製のプラズマトーチを開示している。プラズマトーチは、溶融炉本体内の溶融スラグを効果的に加熱するために用いられる。プラズマトーチは、溶融炉本体の上部開口を覆うように配置された蓋の貫通孔内に挿通されている。プラズマトーチによる溶融スラグの加熱時には、プラズマトーチの下端部は溶融炉本体と蓋とで囲まれた内部空間内に位置しており、プラズマトーチの上端部は内部空間外に位置している。

特開平９−１１５６６３号公報

プラズマを効果的に発生させるため、通常、内部空間内には不活性ガスが充填されている。すなわち、内部空間内には酸素がほとんど存在していない。そのため、溶湯が存在し高温の環境にあるものの、黒鉛と反応する酸素の量が少なく、内部空間内に位置するプラズマトーチ（トーチ下端部）は損耗し難い。一方、内部空間外には酸素が多量に存在するものの、内部空間外の温度は低いので、内部空間外に位置するプラズマトーチ（トーチ上端部）も損耗し難い。

ところが、蓋の貫通孔近傍では、酸素を含む低温の外気と内部空間内の熱風とが混ざり合う。そのため、プラズマトーチのうち貫通孔に挿通されている部分は、黒鉛が酸素と反応して損耗し易い。従って、プラズマトーチの当該部分が細く抉れてしまい、プラズマトーチの寿命に影響を与える虞がある。

そのため、本発明の目的は、長寿命化を図ることが可能なプラズマトーチ及びプラズマトーチ用の先端電極、並びにプラズマトーチの長寿命化を図ることが可能な溶湯加熱装置を提供することにある。

本発明の一つの観点に係るプラズマトーチは、溶湯を貯留する本体と、上方に向けて開放された本体の開口部を覆う蓋とを備える容器内で、溶湯との間でプラズマを発生させるプラズマトーチであって、プラズマによる溶湯の加熱処理時に溶湯に向かう先端部が容器内に位置するように、蓋に設けられた貫通孔内に挿通可能に構成された金属製の本体と、本体の先端部に取り付けられた黒鉛製の先端電極とを備える。

本発明の一つの観点に係るプラズマトーチは、プラズマによる溶湯（溶融した液状の金属）の加熱処理時に、溶湯に向かう本体の先端部が容器内に位置するように、金属製の本体が貫通孔内に挿通可能に構成されている。そのため、蓋の貫通孔近傍に黒鉛製の先端電極が存在していない。従って、先端電極の損耗が極めて抑制される。その結果、プラズマトーチの長寿命化を図ることが可能となる。しかも、黒鉛製の先端電極を用いているので、プラズマを発生させる際に先端電極を溶湯に浸漬し、先端電極を溶湯から引き上げることにより、１００％の確率でプラズマを発生させることが可能となる。なお、全体が金属製のプラズマトーチを用いる場合、黒鉛の損耗は生じないが、当該プラズマトーチを溶湯に浸漬すると当該プラズマトーチが溶損し、溶湯の温度制御が困難となる。

本体の外周面を覆うように設けられた絶縁被覆材をさらに備えてもよい。この場合、プラズマによる溶湯の加熱処理時に本体が貫通孔内に挿通され、本体と蓋との距離が近接しても、絶縁被覆材により本体と蓋との間における放電（プラズマの発生）が防がれる。そのため、プラズマトーチを用いた溶湯の加熱処理を安全且つ安定して行うことが可能となる。なお、全体が黒鉛製のプラズマトーチの外周面に絶縁被覆材を設ける場合には、プラズマトーチと蓋との間における放電を防ぐことはできるものの、プラズマによる溶湯の加熱処理時に黒鉛自体が高温となり熱膨張するため、黒鉛との熱膨張率の差が大きい絶縁被覆材は黒鉛の外周面から剥がれてしまう。黒鉛を冷却することにより黒鉛からの絶縁被覆材の剥がれを抑制することも考えられるが、黒鉛は構造的に脆いので、黒鉛製のプラズマトーチに冷却液用の流路を設けることも困難である。

本発明の他の観点に係るプラズマトーチは、金属製の本体と、本体の先端部に取り付けられた黒鉛製の先端電極と、本体の外周面を覆うように設けられた絶縁被覆材とを備える。

本発明の他の観点に係るプラズマトーチでは、プラズマによる溶湯（溶融した液状の金属）の加熱処理時に、金属製の本体のうち溶湯に向かう先端部が容器内に位置するように、本体が貫通孔内に挿通された状態とすることにより、蓋の貫通孔近傍に黒鉛製の先端電極が存在しなくなる。そのため、先端電極の損耗が極めて抑制される。その結果、プラズマトーチの長寿命化を図ることが可能となる。しかも、黒鉛製の先端電極を用いているので、プラズマを発生させる際に先端電極を溶湯に浸漬し、先端電極を溶湯から引き上げることにより、１００％の確率でプラズマを発生させることが可能となる。加えて、絶縁被覆材が本体の外周面を覆うように設けられているので、プラズマによる溶湯の加熱処理時に本体が貫通孔内に挿通され、本体と蓋との距離が近接しても、絶縁被覆材により本体と蓋との間における放電（プラズマの発生）が防がれる。そのため、プラズマトーチを用いた溶湯の加熱処理を安全且つ安定して行うことが可能となる。

先端電極は、先端部に対して着脱可能に構成されていてもよい。この場合、プラズマの生成に伴い先端電極が損耗したときには、新たな先端電極を本体に取り付ければよい。そのため、本体を再利用することができる。従って、プラズマトーチのランニングコストを軽減することが可能となる。

先端電極は、先端部に対して螺合可能に構成されていてもよい。この場合、先端電極の交換を極めて簡便に行うことが可能となる。

先端部には、先端に向かうにつれて拡径する傾斜面を有する凹部が設けられており、先端電極には、傾斜面に対応する外周面を有する凸部が設けられており、先端電極の凸部は、先端部の凹部に嵌合可能に構成されていてもよい。この場合、先端電極と先端部（本体）との接触面積が大きくなる。そのため、プラズマ生成のためにプラズマトーチに通電し、本体と先端電極との間に電流が流れる際に、本体と先端電極との当接部においてジュール熱が発生し難くなる。従って、先端電極の発熱に伴う損耗がより抑制されるので、プラズマトーチの長寿命化をより図ることが可能となる。

本体の先端部は、本体の基端部に対して着脱可能に構成されていてもよい。この場合、本体の先端部が損傷等したときには、新たな先端部を本体の基端部に取り付ければよい。そのため、本体の基端部を再利用することができる。従って、プラズマトーチのランニングコストを軽減することが可能となる。

本体内には冷却液の流路が設けられていてもよい。この場合、本体が冷却液によって冷却されることで、本体の先端部に取り付けられている先端電極の冷却も行われる。そのため、先端電極の発熱に伴う損耗がさらに抑制されるので、プラズマトーチの更なる長寿命化を図ることが可能となる。

本発明の他の観点に係るプラズマトーチには、プラズマを発生させるための動作ガスの流路として機能する貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられていてもよい。この場合、動作ガスがプラズマトーチから溶湯に向けて流れるので、安定したプラズマを生成することが可能となる。

本体は、長手方向に沿って延びる外管部と、外管部内に挿通された中心部とを有し、先端電極は中心部の先端部に取り付けられており、外管部と中心部との間に構成される環状の間隙により貫通孔が構成されていてもよい。この場合、プラズマトーチ（先端電極）と溶湯との間にプラズマが生じた際に、先端電極の周縁が特に熱を受ける。そのため、先端電極のうち熱を受ける領域（受熱部）が比較的広くなるので、熱が分散しやすくなる。従って、先端電極の先端面における最高温度が低くなると共に、先端電極の先端面における温度分布がなだらかとなる。その結果、先端電極の発熱に伴う損耗がいっそう抑制されるので、プラズマトーチのいっそうの長寿命化を図ることが可能となる。

本体は、長手方向に沿って延びる外管部と、外管部内に挿通された中心部とを有し、先端電極は、環状の外側部と、外側部の内側に配置可能な内側部とを有し、内側部は中心部の先端部に取り付けられており、外側部は外管部に取り付けられており、外管部及び外側部と中心部及び内側部との間に構成される環状の間隙により貫通孔が構成されていてもよい。この場合、プラズマトーチ（先端電極）と溶湯との間にプラズマが生じた際に、先端電極のうち貫通孔近傍が特に熱を受ける。そのため、先端電極のうち熱を受ける領域（受熱部）が比較的広くなるので、熱が分散しやすくなる。従って、先端電極の先端面における最高温度が低くなると共に、先端電極の先端面における温度分布がなだらかとなる。その結果、先端電極の発熱に伴う損耗がいっそう抑制されるので、プラズマトーチのいっそうの長寿命化を図ることが可能となる。

外管部及び外側部と中心部及び内側部とは、互いに電気的に絶縁されていてもよい。この場合、外管部及び外側部と中心部及び内側部とを互いに異極の電源に接続することができる。これにより、外側部と内側部との間で放電しプラズマが発生する。この状態で電源の出力を大きくしていくことにより、外側部と内側部との間で生じているプラズマが成長していく。そして、成長したプラズマが溶湯に到達したときに、外側部及び内側部と、溶湯とを互いに異極の電源に接続することにより、プラズマトーチと溶湯との間にプラズマを生成することができる。従って、プラズマトーチの先端と溶湯との距離が大きい場合でも、プラズマトーチの先端と溶湯との間にプラズマを安定して生じさせることが可能となる。

先端電極と先端部との当接部のうち外部に露出している領域を覆う環状の絶縁部材をさらに備えてもよい。この場合、先端電極のうち当接部の近傍において放電が生ずることが防がれる。そのため、先端部が過剰に加熱され変形等してしまうことを抑制することができる。

本発明の他の観点に係るプラズマトーチ用の先端電極は、容器内の溶湯をプラズマによりの加熱処理する時に、溶湯に向かう先端部が容器内に位置する金属製の本体を有し、容器の蓋に設けられた貫通孔内に挿通可能に本体が構成されているプラズマトーチ用の、黒鉛製の先端電極であって、本体の先端部に対して着脱可能に構成されている。

本発明の他の観点に係るプラズマトーチ用の先端電極は、容器内の溶湯をプラズマによる加熱処理する時に、溶湯に向かう先端部が容器内に位置する金属製の本体を有し、容器の蓋に設けられた貫通孔内に挿通可能に本体が構成されているプラズマトーチに用いられる。そのため、蓋の貫通孔近傍に黒鉛製の先端電極が存在していない。従って、先端電極の損耗が極めて抑制される。その結果、プラズマトーチの長寿命化を図ることが可能となる。しかも、本発明の他の観点に係るプラズマトーチ用の先端電極は黒鉛製であるので、プラズマを発生させる際に先端電極を溶湯に浸漬し、先端電極を溶湯から引き上げることにより、１００％の確率でプラズマを発生させることが可能となる。なお、全体が金属製のプラズマトーチを用いる場合、黒鉛の損耗は生じないが、当該プラズマトーチを溶湯に浸漬すると当該プラズマトーチが溶損し、溶湯の温度制御が困難となる。

本発明の他の観点に係るプラズマトーチ用の先端電極は、外周面を覆うように絶縁被覆材が設けられた金属製の本体の先端部に対して着脱可能に構成されている。

本発明の他の観点に係るプラズマトーチ用の先端電極では、容器内の溶湯（溶融した液状の金属）をプラズマにより加熱処理する時に、金属製の本体のうち溶湯に向かう先端部が容器内に位置するように、本体が貫通孔内に挿通された状態とされる。そのため、蓋の貫通孔近傍に黒鉛製の先端電極が存在しなくなる。従って、先端電極の損耗が極めて抑制される。その結果、プラズマトーチの長寿命化を図ることが可能となる。しかも、本発明の他の観点に係るプラズマトーチ用の先端電極は黒鉛製であるので、プラズマを発生させる際に先端電極を溶湯に浸漬し、先端電極を溶湯から引き上げることにより、１００％の確率でプラズマを発生させることが可能となる。加えて、絶縁被覆材が本体の外周面を覆うように設けられているので、プラズマによる溶湯の加熱処理時に本体が貫通孔内に挿通され、本体と蓋との距離が近接しても、絶縁被覆材により本体と蓋との間における放電（プラズマの発生）が防がれる。そのため、本発明の他の観点に係る先端電極が取り付けられるプラズマトーチを用いた溶湯の加熱処理を安全且つ安定して行うことが可能となる。

本発明の他の観点に係る溶湯加熱装置は、溶湯を貯留する本体と、上方に向けて開放された本体の開口部を覆う蓋とを備える容器と、容器内で溶湯との間でプラズマを発生させるプラズマトーチとを備え、プラズマトーチは、プラズマによる溶湯の加熱処理時に溶湯に向かう先端部が容器内に位置するように、蓋に設けられた貫通孔内に挿通可能に構成された金属製の本体と、本体の先端部に取り付けられた黒鉛製の先端電極とを有する。

本発明の他の観点に係る溶湯加熱装置では、プラズマによる溶湯（溶融した液状の金属）の加熱処理時に、溶湯に向かう本体の先端部が容器内に位置するように、金属製の本体が貫通孔内に挿通可能に構成されている。そのため、蓋の貫通孔近傍に黒鉛製の先端電極が存在していない。従って、先端電極の損耗が極めて抑制される。その結果、プラズマトーチの長寿命化を図ることが可能となる。しかも、黒鉛製の先端電極を用いているので、プラズマを発生させる際に先端電極を溶湯に浸漬し、先端電極を溶湯から引き上げることにより、１００％の確率でプラズマを発生させることが可能となる。なお、全体が金属製のプラズマトーチを用いる場合、黒鉛の損耗は生じないが、当該プラズマトーチを溶湯に浸漬すると当該プラズマトーチが溶損し、溶湯の温度制御が困難となる。

本発明に係るプラズマトーチ、プラズマトーチ用の先端電極、及び溶湯加熱措置によれば、プラズマトーチの長寿命化を図ることが可能となる。

図１は、連続鋳造装置の一つの例を示す図である。 図２は、図１のプラズマトーチの断面を示す。 図３は、従来のプラズマトーチの断面を示す。 図４は、従来のプラズマトーチの断面を示す。 図５は、他の例に係るプラズマトーチの断面を示す。 図６は、他の例に係るプラズマトーチの断面を示す。 図７は、他の例に係るプラズマトーチの断面を示す。 図８は、他の例に係るプラズマトーチの断面を示す。 図９は、他の例に係るプラズマトーチの断面を示す。 図１０は、他の例に係るプラズマトーチの断面を示す。 図１１は、他の例に係るプラズマトーチの断面を示す。

以下に説明される本開示に係る実施形態は本発明を説明するための例示であるので、本発明は以下の内容に限定されるべきではない。以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照して、連続鋳造装置１００の構成について説明する。連続鋳造装置１００は、取鍋１０１と、タンディッシュ１０２（溶湯加熱装置）と、鋳型１０３と、鋳片支持ロール１０４と、プラズマ発生装置１（溶湯加熱装置）を備える。

取鍋１０１は、溶湯（溶鋼）Ｍを貯留する容器である。タンディッシュ１０２は、取鍋１０１の下方に配置されている。タンディッシュ１０２（容器）は、本体１０２ａと、蓋１０２ｂとを有する。本体１０２ａは、取鍋１０１の底壁に設けられたノズル１０１ａから流出した溶湯Ｍを貯留する。蓋１０２ｂは、上方に向けて開放された本体１０２ａの開口部１０２ｃを覆っている。蓋１０２ｂには、タンディッシュ１０２の内外を連通する貫通孔１０２ｄが設けられている。

鋳型１０３は、タンディッシュ１０２の下方に配置されている。鋳型１０３は、タンディッシュ１０２の底壁に設けられたノズル１０２ｅから流出した溶湯を冷却しながら所定形状に成形する。鋳片支持ロール１０４は、鋳型１０３から引き抜かれた鋳片Ｓを冷却しつつ搬送する。

プラズマ発生装置１は、タンディッシュ１０２内の溶湯Ｍの温度を制御するための装置である。そのため、プラズマ発生装置１は、タンディッシュ１０２と共に、溶湯加熱装置を構成している。プラズマ発生装置１は、プラズマトーチ１０と、トーチ保持具１２と、昇降機１４と、動作ガス源１６とを備える。

プラズマトーチ１０は、例えば直線状に延びる丸棒（直棒）である。プラズマトーチ１０の直径は、例えば５０ｍｍ〜２００ｍｍ程度であってもよい。プラズマトーチ１０の長さは、例えば１０００ｍｍ〜２５００ｍｍ程度であってもよい。プラズマトーチ１０の形状は、丸形以外の他の形状であってもよいし、必ずしも直線状に延びておらず屈曲していてもよい。プラズマトーチ１０は、図示しない電源に接続されており、所定の電圧（例えば１００Ｖ〜５００Ｖ程度）が印加される。

プラズマトーチ１０は、図１及び図２に示されるように、金属製の本体１８と、黒鉛製の先端電極２０と、絶縁被覆材２２とを有する。本体１８には、図２に示されるように、貫通孔Ｈ１が設けられている。貫通孔Ｈ１は、例えば円形状を呈し、本体１８の軸方向（プラズマトーチ１０の長手方向）に沿って延びている。貫通孔Ｈ１の直径は、例えば１０ｍｍ程度であってもよい。本体１８には、貫通孔Ｈ１を取り囲むように、冷却液（例えば、水）の流路Ｆが設けられている。流路Ｆには、図示しない冷却液源から冷却液が供給される。冷却液は、流路Ｆ内を流通した後に排出され、例えば熱交換器によって冷却され、再び流路Ｆに供給される。冷却液が流路Ｆを循環することにより、プラズマトーチ１０全体（本体１８及び先端電極２０）が冷却される。

先端電極２０は、本体１８の下端部１８ａ（先端部）に取り付けられている。より詳しくは、先端電極２０は、下端部１８ａの先端面Ｔ１に取り付けられている。先端電極２０と本体１８との接触面積が大きいと、プラズマトーチ１０への通電時に先端電極２０と本体１８との当接部に生ずるジュール熱が小さくなり、プラズマトーチ１０（本体１８及び先端電極２０）の損耗を抑制できる傾向にある。先端電極２０と本体１８との接触面積をＸとし、プラズマトーチ１０を流れる電流をＹとした場合、接触面積ＸはＸ／Ｙ≦１．０［Ａ／ｍｍ^２］を満たしていてもよい。なお、接触面積Ｘで電流Ｙを除算した値は、当接部を通過する電流の密度（通過電流密度）を表わしている。

先端電極２０には、貫通孔Ｈ２が設けられている。貫通孔Ｈ２は、先端電極２０（プラズマトーチ１０）の軸方向に沿って延びている。貫通孔Ｈ２は、先端電極２０が本体１８の先端面Ｔ１に取り付けられた状態において、貫通孔Ｈ１と連通している。

絶縁被覆材２２は、本体１８の外周面の全体に設けられている。絶縁被覆材２２は、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を本体１８の外周面に溶射することによって得られる。

図１に戻って、トーチ保持具１２は、本体１８（プラズマトーチ１０）の基端部１８ｂを保持する。トーチ保持具１２は、例えば、プラズマトーチ１０が鉛直軸に対して０°〜３０°程度傾くようにプラズマトーチ１０を保持可能である。昇降機１４は、トーチ保持具１２を上下方向に昇降させる。そのため、トーチ保持具１２によって保持されているプラズマトーチ１０も、昇降機１４によって上下方向に昇降され、タンディッシュ１０２内の溶湯Ｍに対して近接及び離間する。プラズマトーチ１０の下端部（先端部）がタンディッシュ１０２内に位置するときにプラズマトーチ１０が昇降機１４によって上昇されると、プラズマトーチ１０は、蓋１０２ｂの貫通孔１０２ｄを通ってタンディッシュ１０２の外に移動する。プラズマトーチ１０がタンディッシュ１０２外にあるときに昇降機１４によって下降されると、プラズマトーチ１０の下端部は、蓋１０２ｂの貫通孔１０２ｄを通ってタンディッシュ１０２内に移動する。

動作ガス源１６は、図１及び図２に示されるように、プラズマを発生させるための動作ガス（例えば、アルゴン、窒素等の不活性ガス）を貫通孔Ｈ１，Ｈ２に供給する。そのため、貫通孔Ｈ１，Ｈ２は、動作ガスの流路として機能する。動作ガス源１６は、配管２４を介して貫通孔Ｈ１，Ｈ２と接続されている。配管２４には、バルブ２６が設けられている。バルブ２６の開閉に応じて、動作ガス源１６からの動作ガスの貫通孔Ｈ１，Ｈ２への供給状態と非供給状態とが切り替わる。本実施形態では、動作ガス源１６、配管２４及びバルブ２６が、動作ガスを貫通孔Ｈ１，Ｈ２（プラズマトーチ１０）に供給する供給手段として機能する。

プラズマ発生装置１によってプラズマを発生させる場合には、まず、先端電極２０の周囲（溶湯Ｍの湯面近傍）を動作ガス雰囲気とする。具体的には、バルブ２６を開放して、動作ガス源１６から貫通孔Ｈ１，Ｈ２を介して動作ガスをタンディッシュ１０２内に供給する。また、プラズマトーチ１０に所定の電圧を印加させる。

次に、この状態で、昇降機１４によってプラズマトーチ１０を溶湯Ｍに向けて降下させる。このとき、昇降機１４は、先端電極２０の全体がタンディッシュ１０２内（本体１０２ａと蓋１０２ｂとの間の内部空間内）に位置すると共に、本体１８及び絶縁被覆材２２が貫通孔１０２ｄに対向した状態となるように、プラズマトーチ１０をタンディッシュ１０２及び溶湯Ｍの湯面に対して位置決めする。これにより、先端電極２０（プラズマトーチ１０）と溶湯Ｍとの距離（ギャップ）が所定の大きさとなるまで先端電極２０を溶湯Ｍに近づける。そうすると、先端電極２０と溶湯Ｍとの間で絶縁破壊が生じ、先端電極２０と溶湯Ｍとの間に電流が流れる。これにより、図２に示されるように、先端電極２０と溶湯Ｍとの間にプラズマＰが発生する。なお、先端電極２０は、熱を受けることにより徐々に消耗（損耗）していく。

ところで、図３に示されるような全体が黒鉛製のプラズマトーチ５０を用いて、溶湯Ｍとの間にプラズマＰを発生させる場合を考える。タンディッシュ１０２内には、不活性ガスが充填されているので、タンディッシュ１０２には酸素がほとんど存在していない。そのため、溶湯Ｍが存在し高温の環境にあるものの、黒鉛と反応する酸素の量が少なく、タンディッシュ１０２内に位置するプラズマトーチ５０（プラズマトーチ５０の下端部）は損耗し難い。一方、タンディッシュ１０２外の温度は低いので、タンディッシュ１０２外には酸素が多量に存在するものの、タンディッシュ１０２外の温度は低いので、タンディッシュ１０２外に位置するプラズマトーチ５０（プラズマトーチ５０の上端部）も損耗し難い。しかしながら、蓋１０２ｂの貫通孔１０２ｄ近傍では、酸素を含む低温の外気とタンディッシュ１０２内の熱風とが混ざり合う。そのため、プラズマトーチ５０のうち貫通孔１０２ｄに挿通されている部分（プラズマトーチ５０の中間部分）は、黒鉛と酸素とが反応して損耗しやすい。従って、図３に示されるように、プラズマトーチ５０の中間部分が細く抉れてしまい、プラズマトーチ５０の寿命に影響を与える虞がある。このような抉れの発生に対して、全体が金属製のプラズマトーチを用いることも考えられる。しかしながら、金属製のプラズマトーチを用いる場合には、プラズマを発生させるためにプラズマトーチを溶湯Ｍに浸漬することができないので、プラズマの発生率が低下してしまう。金属製のプラズマトーチを溶湯に浸漬すると、溶湯Ｍの温度がプラズマトーチが溶損してしまい、溶湯Ｍの温度制御が困難となる。

また、プラズマトーチ５０の中間部分と貫通孔１０２ｄとの距離は比較的短い。そのため、プラズマトーチ５０の周囲の雰囲気が不安定になると、図４に示されるように、プラズマトーチ５０の外周面と貫通孔１０２ｄとの間で放電してプラズマＰ１が生ずる虞がある。このような放電を防ぐために、プラズマトーチ５０の外周面に絶縁被覆材を設けることも考えられる。しかしながら、プラズマトーチ５０は黒鉛製であるので、プラズマトーチ５０による溶湯Ｍの加熱処理時に黒鉛自体が高温となり熱膨張する。黒鉛の熱膨張率は絶縁被覆材の熱膨張率よりも大きいので、絶縁被覆材はプラズマトーチ５０の外表面から剥がれてしまう。黒鉛を冷却することにより絶縁被覆材の剥がれを抑制することも考えられるが、黒鉛は構造的に脆いので、黒鉛製のプラズマトーチ５０に冷却液用の流路を設けることも困難である。

しかしながら、以上のような本実施形態では、プラズマＰによる溶湯Ｍの加熱処理時に、溶湯Ｍに向かう本体１８の下端部１８ａがタンディッシュ１０２内に位置するように、金属製の本体１８が貫通孔１０２ｄ内に挿通可能に構成されている。そのため、蓋１０２ｂの貫通孔１０２ｄ近傍に黒鉛製の先端電極２０が存在していない。従って、先端電極２０の損耗が極めて抑制される。その結果、プラズマトーチ１０の長寿命化を図ることが可能となる。しかも、黒鉛製の先端電極２０を用いているので、プラズマＰを発生させる際に先端電極２０を溶湯に浸漬し、先端電極２０を溶湯Ｍから引き上げることにより、１００％の確率でプラズマＰを発生させることが可能となる。

本実施形態では、絶縁被覆材２２が、本体１８の外周面を覆うように設けられている。そのため、プラズマＰによる溶湯Ｍの加熱処理時に本体１８が貫通孔１０２ｄ内に挿通され、本体１８と蓋１０２ｂとの距離が近接しても、絶縁被覆材２２により本体１８と蓋１０２ｂとの間における放電（プラズマの発生）が防がれる。そのため、プラズマトーチ１０を用いた溶湯Ｍの加熱処理を安全且つ安定して行うことが可能となる。

本実施形態では、本体１８内に冷却液の流路Ｆが設けられている。そのため、本体１８が冷却液によって冷却されることで、本体１８の下端部１８ａに取り付けられている先端電極２０の冷却も行われる。従って、先端電極２０の発熱に伴う損耗がさらに抑制されるので、プラズマトーチ１０の更なる長寿命化を図ることが可能となる。

本実施形態では、本体１８及び先端電極２０にそれぞれ、プラズマＰを発生させるための動作ガスの流路として機能する貫通孔Ｈ１，Ｈ２がプラズマトーチ１０の長手方向（軸方向）に沿って延びるように設けられている。そのため、動作ガスがプラズマトーチ１０から溶湯Ｍに向けて流れるので、安定したプラズマＰを生成することが可能となる。

以上、本開示に係る実施形態について詳細に説明したが、本発明の要旨の範囲内で種々の変形を上記の実施形態に加えてもよい。例えば、先端電極２０は、本体１８の下端部１８ａ（先端面Ｔ１）に対して着脱可能に構成されていてもよい。この場合、プラズマＰの生成に伴い先端電極２０が損耗したときには、新たな先端電極２０を本体１８に取り付ければよい。そのため、本体１８を再利用することができる。従って、プラズマトーチ１０のランニングコストを軽減することが可能となる。

具体的には、図５に示されるように、本体１８の下端部１８ａに形成された雌ねじ部１８ｃと、先端電極２０に設けられた雄ねじ部２０ａとが螺合可能に構成されていてもよい。また、図６に示されるように、本体１８の下端部１８ａに形成された雄ねじ部１８ｄと、先端電極２０に設けられた雌ねじ部２０ｂとが螺合可能に構成されていてもよい。これらの場合、先端電極２０の交換を極めて簡便に行うことが可能となる。特に、図６に示されるように、先端電極２０側が雌ねじ部２０ｂを有する場合、先端電極２０が大径化するので、先端電極２０の高強度化が図られる。

図７に示されるように、本体１８は、その軸方向（長手方向）に沿って延びる外管部１８Ａと、外管部１８Ａ内に挿通された中心部１８Ｂとを有していてもよい。外管部１８Ａは、中心部１８Ｂとは別体である。外管部１８Ａの外周面には、絶縁被覆材２２が全体的に設けられている。外管部１８Ａの内径は、中心部１８Ｂの外径よりも大きい。そのため、外管部１８Ａと中心部１８Ｂとの間には、本体１８の軸方向（長手方向）に延びる環状の貫通孔Ｈ３が設けられている。すなわち、貫通孔Ｈ３は、中心部１８Ｂを取り囲んでいる。貫通孔Ｈ３は、動作ガス源１６に接続されており、動作ガス源１６から動作ガスが供給される。外管部１８Ａの内部及び中心部１８Ｂの内部にはそれぞれ、冷却液が流通する流路ＦＡ，ＦＢが設けられている。中心部１８Ｂの下端部１８ａには、雌ねじ部１８ｃが形成されている。雌ねじ部１８ｃは、先端電極２０に設けられた雄ねじ部２０ａと螺合可能に構成されている。そのため、先端電極２０は、中心部１８Ｂに対して着脱可能である。

図７に示されるプラズマトーチ１０の場合、プラズマトーチ１０（先端電極２０）と溶湯Ｍとの間にプラズマＰが生じた際に、先端電極２０の周縁が特に熱を受ける。そのため、先端電極２０のうち熱を受ける領域（受熱部）が比較的広くなるので、熱が分散しやすくなる。従って、先端電極２０の先端面Ｔ２における最高温度が低くなると共に、先端電極２０の先端面Ｔ２における温度分布がなだらかとなる。その結果、先端電極２０の発熱に伴う損耗がいっそう抑制されるので、プラズマトーチ１０のいっそうの長寿命化を図ることが可能となる。

図８に示されるように、本体１８は、その軸方向（長手方向）に沿って延びる外管部１８Ａと、外管部１８Ａ内に挿通された中心部１８Ｂとを有しており、先端電極２０は、環状の外側部２０Ａと、外側部の内側に配置可能な内側部２０Ｂとを有していてもよい。

外管部１８Ａは、中心部１８Ｂとは別体である。外管部１８Ａの外周面及び中心部１８Ｂの外周面にはそれぞれ、絶縁被覆材２２が全体的に設けられている。外管部１８Ａの内径は、中心部１８Ｂの外径よりも大きい。そのため、外管部１８Ａと中心部１８Ｂとの間には、本体１８の軸方向（長手方向）に延びる環状の貫通孔Ｈ３が設けられている。すなわち、貫通孔Ｈ３は、中心部１８Ｂを取り囲んでいる。貫通孔Ｈ３は、動作ガス源１６に接続されており、動作ガス源１６から動作ガスが供給される。外管部１８Ａの内部及び中心部１８Ｂの内部にはそれぞれ、冷却液が流通する流路ＦＡ，ＦＢが設けられている。

外側部２０Ａの内径は、内側部２０Ｂの外径よりも大きい。外側部２０Ａの外周面には、雄ねじ部２０ａが設けられている。外側部２０Ａの雄ねじ部２０ａは、外管部１８Ａの下端部１８ａに設けられた雌ねじ部１８ｃと螺合可能に構成されている。そのため、外側部２０Ａは、外管部１８Ａに対して着脱可能である。内側部２０Ｂの外周面には、雄ねじ部２０ａが設けられている。内側部２０Ｂの雄ねじ部２０ａは、中心部１８Ｂの下端部１８ａに設けられて雌ねじ部１８ｃと螺合可能に構成されている。そのため、内側部２０Ｂは、中心部１８Ｂに対して着脱可能である。外側部２０Ａ及び内側部２０Ｂがそれぞれ外管部１８Ａ及び中心部１８Ｂに対して取り付けられた状態において、外側部２０Ａと内側部２０Ｂとの間には、先端電極２０の軸方向に延びる環状の貫通孔Ｈ４が設けられる。貫通孔Ｈ４は、貫通孔Ｈ３と連通しており、貫通孔Ｈ３を通じて動作ガスが流通する。

図８に示されるプラズマトーチ１０の場合、プラズマトーチ１０（先端電極２０）と溶湯Ｍとの間にプラズマＰが生じた際に、先端電極２０のうち貫通孔Ｈ４近傍が特に熱を受ける。そのため、先端電極２０のうち熱を受ける領域（受熱部）が比較的広くなるので、熱が分散しやすくなる。従って、先端電極２０の先端面Ｔ２における最高温度が低くなると共に、先端電極２０の先端面Ｔ２における温度分布がなだらかとなる。その結果、先端電極２０の発熱に伴う損耗がいっそう抑制されるので、プラズマトーチ１０のいっそうの長寿命化を図ることが可能となる。

図８に示されるプラズマトーチ１０の場合、外管部１８Ａの外周面及び中心部１８Ｂの外周面にはそれぞれ、絶縁被覆材２２が全体的に設けられているので、外管部１８Ａ及び外側部２０Ａと中心部１８Ｂ及び内側部２０Ｂとは互いに電気的に絶縁されている。そのため、外管部１８Ａ及び外側部２０Ａと中心部１８Ｂ及び内側部２０Ｂとを互いに異極の電源に接続することができる。これにより、外側部２０Ａと内側部２０Ｂとの間で放電しプラズマＰが発生する。この状態で電源の出力を大きくしていくことにより、外側部２０Ａと内側部２０Ｂとの間で生じているプラズマＰが成長していく。そして、成長したプラズマＰが溶湯Ｍに到達したときに、外側部２０Ａ及び内側部２０Ｂと、溶湯Ｍとを互いに異極の電源に接続することにより、プラズマトーチ１０（先端電極２０）と溶湯Ｍとの間にプラズマＰを生成することができる。従って、プラズマトーチ１０の先端と溶湯Ｍとの距離が大きい場合でも、プラズマトーチ１０の先端と溶湯との間にプラズマＰを安定して生じさせることが可能となる。

図９に示されるように、下端部１８ａが本体１８の基端部１８ｅに対して着脱可能に構成されていてもよい。具体的には、下端部１８ａに形成された雌ねじ部１８ｆと、基端部１８ｅに形成された雄ねじ部１８ｇとが螺合可能に構成されている。下端部１８ａの外周面及び基端部１８ｅの外周面にはそれぞれ、絶縁被覆材２２が設けられている。下端部１８ａの先端面Ｔ１には、先端電極２０が取り付けられている。この場合、本体１８の下端部１８ａが損傷等したときには、新たな下端部１８ａを本体１８の基端部１８ｅに取り付ければよい。そのため、本体１８の基端部１８ｅを再利用することができる。従って、プラズマトーチ１０のランニングコストを軽減することが可能となる。

図１０に示されるように、プラズマトーチ１０は、絶縁部材２５をさらに備えていてもよい。絶縁部材２５は、円環状を呈しており、先端電極２０と下端部１８ａとの当接部のうち外部に露出している領域を覆っている。当接部には、絶縁部材２５の外形に対応した凹溝が形成されている。そのため、絶縁部材２５を当接部に取り付ける際には、まず、先端電極２０と下端部１８ａとが取り外されている状態で、下端部１８ａ側の凹溝に絶縁部材２５を嵌め込む。次に、先端電極２０の雄ねじ部２０ａを下端部１８ａの雌ねじ部１８ｃに螺合する。これにより、絶縁部材２５は、先端電極２０及び下端部１８ａの凹溝内において保持される。この場合、先端電極２０のうち当接部の近傍において放電が生ずることが防がれる。そのため、下端部１８ａが過剰に加熱され変形等してしまうことを抑制することができる。

図１１に示されるように、下端部１８ａには、下端に向かうにつれて拡径する傾斜面（先端面Ｔ１）を有する凹部が設けられていてもよい。傾斜面は、例えば円錐面であってもよい。先端電極２０には、傾斜面（先端面Ｔ１）に対応する外周面を有する凸部が設けられていてもよい。すなわち、先端電極２０の凸部は、円錐状又は円錐台状を呈している。先端電極２０の凸部は、下端部１８ａの凹部に対して嵌合可能に構成されていてもよく、下端部１８ａの凹部に対して着脱可能に構成されていてもよい。図１１においては、凸部の外周面に形成された雄ねじ部２０ａと、凹部の内周面に形成された雌ねじ部１８ｃとが螺合可能に構成されている。この場合、先端電極２０と下端部１８ａ（本体１８）との接触面積が大きくなる。そのため、プラズマ生成のためにプラズマトーチ１０に通電し、本体１８と先端電極２０との間に電流が流れる際に、本体１８と先端電極２０との当接部においてジュール熱が発生し難くなる。従って、先端電極２０の発熱に伴う損耗がより抑制されるので、プラズマトーチ１０の長寿命化をより図ることが可能となる。

１…プラズマ発生装置（溶湯加熱装置）、１０，５０…プラズマトーチ、１２…トーチ保持具、１４…昇降機、１６…動作ガス源、１８…本体、１８Ａ…外管部、１８Ｂ…中心部、１８ａ…下端部（先端部）、１８ｂ…基端部、１８ｃ…雌ねじ部、１８ｄ…雄ねじ部、１８ｅ…基端部、１８ｆ…雌ねじ部、１８ｇ…雄ねじ部、２０…先端電極、２０Ａ…外側部、２０Ｂ…内側部、２０ａ…雄ねじ部、２０ｂ…雌ねじ部、２２…絶縁被覆材、２４…配管、２５…絶縁部材、２６…バルブ、１００…連続鋳造装置、１０１…取鍋、１０２…タンディッシュ（溶湯加熱装置）、１０３…鋳型、１０４…鋳片支持ロール、１０１ａ…ノズル、１０２ａ…本体、１０２ｂ…蓋、１０２ｃ…開口部、１０２ｄ…貫通孔、１０２ｅ…ノズル、Ｆ，ＦＡ，ＦＢ…流路、Ｈ１〜Ｈ４…貫通孔、Ｍ…溶湯（溶鋼）、Ｐ，Ｐ１…プラズマ、Ｓ…鋳片、Ｔ１，Ｔ２…先端面。

Claims (18)

1. 溶湯を貯留する本体と、上方に向けて開放された前記本体の開口部を覆う蓋とを備える容器内で、溶湯との間でプラズマを発生させるプラズマトーチであって、
   プラズマによる溶湯の加熱処理時に溶湯に向かう先端部が前記容器内に位置するように、前記蓋に設けられた貫通孔内に挿通可能に構成された金属製の本体と、
   前記本体の前記先端部に取り付けられた黒鉛製の先端電極とを備え、
   プラズマを発生させるための動作ガスの流路として機能する貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられており、
   前記本体は、長手方向に沿って延びる外管部と、前記外管部内に挿通された中心部とを有し、
   前記先端電極は前記中心部の先端部に取り付けられており、
   前記外管部と前記中心部との間に構成される環状の間隙により前記貫通孔が構成されている、プラズマトーチ。
2. 溶湯を貯留する本体と、上方に向けて開放された前記本体の開口部を覆う蓋とを備える容器内で、溶湯との間でプラズマを発生させるプラズマトーチであって、
   プラズマによる溶湯の加熱処理時に溶湯に向かう先端部が前記容器内に位置するように、前記蓋に設けられた貫通孔内に挿通可能に構成された金属製の本体と、
   前記本体の前記先端部に取り付けられた黒鉛製の先端電極とを備え、
   プラズマを発生させるための動作ガスの流路として機能する貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられており、
   前記本体は、長手方向に沿って延びる外管部と、前記外管部内に挿通された中心部とを有し、
   前記先端電極は、環状の外側部と、前記外側部の内側に配置可能な内側部とを有し、
   前記内側部は前記中心部の先端部に取り付けられており、
   前記外側部は前記外管部に取り付けられており、
   前記外管部及び前記外側部と前記中心部及び前記内側部との間に構成される環状の間隙により前記貫通孔が構成されている、プラズマトーチ。
3. 前記外管部及び前記外側部と前記中心部及び前記内側部とは、互いに電気的に絶縁されている、請求項２に記載のプラズマトーチ。
4. 前記先端電極と前記先端部との当接部のうち外部に露出している領域を覆う環状の絶縁部材をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
5. 溶湯を貯留する本体と、上方に向けて開放された前記本体の開口部を覆う蓋とを備える容器内で、溶湯との間でプラズマを発生させるプラズマトーチであって、
   プラズマによる溶湯の加熱処理時に溶湯に向かう先端部が前記容器内に位置するように、前記蓋に設けられた貫通孔内に挿通可能に構成された金属製の本体と、
   前記本体の前記先端部に取り付けられた黒鉛製の先端電極と、
   前記先端電極と前記先端部との当接部のうち外部に露出している領域を覆う環状の絶縁部材とを備える、プラズマトーチ。
6. 前記本体の外周面を覆うように設けられた絶縁被覆材をさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
7. 金属製の本体と、
   前記本体の先端部に取り付けられた黒鉛製の先端電極と、
   前記本体の外周面を覆うように設けられた絶縁被覆材とを備え、
   プラズマを発生させるための動作ガスの流路として機能する貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられており、
   前記本体は、長手方向に沿って延びる外管部と、前記外管部内に挿通された中心部とを有し、
   前記先端電極は前記中心部の先端部に取り付けられており、
   前記外管部と前記中心部との間に構成される環状の間隙により前記貫通孔が構成されている、プラズマトーチ。
8. 金属製の本体と、
   前記本体の先端部に取り付けられた黒鉛製の先端電極と、
   前記本体の外周面を覆うように設けられた絶縁被覆材とを備え、
   プラズマを発生させるための動作ガスの流路として機能する貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられており、
   前記本体は、長手方向に沿って延びる外管部と、前記外管部内に挿通された中心部とを有し、
   前記先端電極は、環状の外側部と、前記外側部の内側に配置可能な内側部とを有し、
   前記内側部は前記中心部の先端部に取り付けられており、
   前記外側部は前記外管部に取り付けられており、
   前記外管部及び前記外側部と前記中心部及び前記内側部との間に構成される環状の間隙により前記貫通孔が構成されている、プラズマトーチ。
9. 前記外管部及び前記外側部と前記中心部及び前記内側部とは、互いに電気的に絶縁されている、請求項８に記載のプラズマトーチ。
10. 前記先端電極と前記先端部との当接部のうち外部に露出している領域を覆う環状の絶縁部材をさらに備える、請求項７〜９のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
11. 金属製の本体と、
    前記本体の先端部に取り付けられた黒鉛製の先端電極と、
    前記本体の外周面を覆うように設けられた絶縁被覆材と、
    前記先端電極と前記先端部との当接部のうち外部に露出している領域を覆う環状の絶縁部材とを備える、プラズマトーチ。
12. 前記先端電極は、前記先端部に対して着脱可能に構成されている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
13. 前記先端電極は、前記先端部に対して螺合可能に構成されている、請求項１２に記載のプラズマトーチ。
14. 前記先端部には、先端に向かうにつれて拡径する傾斜面を有する凹部が設けられており、
    前記先端電極には、前記傾斜面に対応する外周面を有する凸部が設けられており、
    前記先端電極の前記凸部は、前記先端部の前記凹部に嵌合可能に構成されている、請求項１２又は１３に記載のプラズマトーチ。
15. 前記本体の前記先端部は、前記本体の基端部に対して着脱可能に構成されている、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
16. 前記本体内には冷却液の流路が設けられている、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
17. 溶湯を貯留する本体と、上方に向けて開放された前記本体の開口部を覆う蓋とを備える容器と、
    前記容器内で溶湯との間でプラズマを発生させるように構成された、請求項１〜１６のいずれか一項のプラズマトーチとを備える、溶湯加熱装置。
18. 溶湯を貯留する本体の開口部を覆う蓋に設けられた貫通孔内にプラズマトーチの金属製の本体が挿通された状態で、前記プラズマトーチを下方に降下させ、前記プラズマトーチの先端部に取り付けられた黒鉛製の先端電極を溶湯に浸漬することと、
    前記プラズマトーチを上昇させて、前記先端電極を溶湯から引き上げることにより、前記先端電極と溶湯との間にプラズマを発生させて、プラズマで溶湯を加熱することとを含む、溶湯加熱方法。

Images