JP7469613B2 - プラズマ加熱装置及びプラズマ加熱方法 - Google Patents

Description

本開示は、プラズマ加熱装置及びプラズマ加熱方法に関する。

特許文献１は、タンディッシュ内の溶湯（溶融した液状の金属）をプラズマアークによって加熱する加熱装置を開示している。当該加熱装置は、タンディッシュ内に配置される一対のプラズマトーチ（アノード電極及びカソード電極）を含む。これらの電極は、黒鉛で構成されているので、プラズマアークの発生に伴い異なる速度で徐々に損耗する。そのため、当該加熱装置は、これらの電極の高さ方向の相対位置を調整するための相対位置調整装置を備えている。

特開２０１５－１９９０８３号公報

しかしながら、上記の加熱装置の場合、アノード電極がカソード電極よりも早く損耗するので、アノード電極が先に交換時期に達する。すなわち、アノード電極の交換時期とカソード電極の交換時期とが異なってしまう。したがって、電極の交換タイミングが頻繁に訪れるので、交換作業に手間と時間を要していた。

そこで、本開示は、プラズマトーチを効率的に交換することが可能なプラズマ加熱装置及びプラズマ加熱方法を説明する。

例１．プラズマ加熱装置の一例は、タンディッシュ内に貯留されている溶湯との間にプラズマを発生させて溶湯を加熱するように構成されていてもよい。プラズマ加熱装置の一例は、少なくとも先端部が黒鉛で構成された第１のプラズマトーチ及び第２のプラズマトーチと、第１のプラズマトーチと第２のプラズマトーチとの間に電圧を印加するように構成された電源と、第１のプラズマトーチ及び第２のプラズマトーチのそれぞれに印加される電圧の極性を逆転させるように構成された切替部とを備えていてもよい。この場合、第１のプラズマトーチがアノード電極として機能し且つ第２のプラズマトーチがカソード電極として機能する状態と、第１のプラズマトーチがカソード電極として機能し且つ第２のプラズマトーチがアノード電極として機能する状態とが、切替部によって適宜切り替えられる。そのため、第１のプラズマトーチ及び第２のプラズマトーチの一方のみが早期に損耗してしまう事態が抑制されるので、これらのトーチを同じタイミングで交換することができる。したがって、プラズマトーチを効率的に交換することが可能となる。また、この場合、特許文献１に記載されている相対位置調整装置を要しない。そのため、装置の簡素化を図ることが可能となる。さらに、この場合、第１のプラズマトーチ及び第２のプラズマトーチの少なくとも先端部が黒鉛で構成されている。そのため、プラズマを発生させる際にトーチの先端部を溶湯に浸漬し、当該先端部を溶湯から引き上げることにより、１００％に近い確率でプラズマを発生させることが可能となる。

例２．例１の装置において、切替部は、電源の一方の端子と第１のプラズマトーチとの間のオン／オフと、電源の一方の端子と第２のプラズマトーチとの間のオン／オフと、電源の他方の端子と第１のプラズマトーチとの間のオン／オフと、電源の他方の端子と第２のプラズマトーチとの間のオン／オフとを切替可能に構成されたスイッチ要素を含んでいてもよい。この場合、簡単な構成で切替部を実現することが可能となる。

例３．例２の装置において、切替部は、電源から出力される交流電力を直流電力に変換する整流要素をさらに含んでいてもよい。整流要素は、電源とスイッチ要素との間に配置されていてもよい。

例４．例１の装置において、切替部は、電源から出力される交流電力の正の成分を第１のプラズマトーチに印加するように構成された第１の整流要素と、電源から出力される交流電力の負の成分を第１のプラズマトーチに印加するように構成された第２の整流要素と、第１の整流要素と第１のプラズマトーチとの間のオン／オフと、第２の整流要素と第１のプラズマトーチとの間のオン／オフとを切り替え可能に構成されたスイッチ要素とを含んでいてもよい。この場合、簡単な構成で切替部を実現することが可能となる。

例５．例１～例４のいずれかの装置において、第１のプラズマトーチ及び第２のプラズマトーチはそれぞれ、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含んでいてもよい。

例６．例１～例５のいずれかの装置は、第１のプラズマトーチの長さと第２のプラズマトーチの長さとの差（以下、「長さ差」と称することがある。）に基づいて切替部を制御するように構成された制御部をさらに備えていてもよい。この場合、長さ差が所定値以上に大きくなる前に、制御部が自動的に切替部を制御する。そのため、第１のプラズマトーチ及び第２のプラズマトーチの損耗量をより均一化することができる。したがって、これらのトーチを無駄なく消費しつつ、同じタイミングで交換することが可能となる。ところで、長さ差が所定値以上となると、プラズマアークの発生が不安定となることがある。しかしながら、例６の場合、長さ差が所定値以上に大きくなる前に、制御部が自動的に切替部を制御する。そのため、長さ差が所定値以上となることが防止される。したがって、これらのトーチを用いて、プラズマアークを継続的に安定して着火することが可能となる。

例７．例１～例５のいずれかの装置は、所定時間が経過したときに切替部を制御するように構成された制御部をさらに備えていてもよい。ところで、第１のプラズマトーチ及び第２のプラズマトーチのうちアノード電極側がより早く損耗するので、所定時間が経過したときには、長さ差が所定値以上となる。そこで、例７の制御部のように切替部を制御することにより、例６の装置と同様の作用効果が得られる。

例８．例１～例５のいずれかの装置は、第１のプラズマトーチを流れる電流値から予測される第１のプラズマトーチの損耗速度と、第２のプラズマトーチを流れる電流値から予測される第２のプラズマトーチの損耗速度とに基づいて、切替部を制御するように構成された制御部をさらに備えていてもよい。ところで、プラズマトーチの損耗速度は、これを流れる電流値の大きさに比例（例えば、おおよそ２乗に比例））して大きくなる。すなわち、プラズマトーチの使用環境等に応じて異なるものの、プラズマトーチの損耗速度は、これを流れる電流値の関数（例えば、二次関数）で表すことができる。したがって、当該関数を用いて、長さ差を予測することができる。そこで、例８の制御部のように切替部を制御することにより、例６の装置と同様の作用効果が得られる。

例９．プラズマ加熱方法の一例は、例１～例８のいずれかの装置によってタンディッシュ内の溶湯を加熱するであってもよい。プラズマ加熱方法の一例は、電源から第１のプラズマトーチ及び第２のプラズマトーチに電圧を印加して、第１のプラズマトーチ及び第２のプラズマトーチからプラズマアークを発生させることにより、タンディッシュ内の溶湯を加熱することと、所定のタイミングで、電源から第１のプラズマトーチ及び第２のプラズマトーチへの通電を停止し、且つ、切替部により、第１のプラズマトーチ及び第２のプラズマトーチのそれぞれに印加される電圧の極性を逆転させることとを含んでいてもよい。この場合、例１の装置と同様の作用効果が得られる。

本開示に係るプラズマ加熱装置及びプラズマ加熱方法によれば、プラズマトーチを効率的に交換することが可能となる。

図１は、連続鋳造装置の一例を示す概略図である。 図２は、プラズマ加熱装置の一例を示す概略図である。 図３は、プラズマ加熱装置によって溶湯を加熱する方法の一例を説明するためのフローチャートである。 図４は、プラズマ加熱装置の他の例を示す概略図である。 図５は、プラズマ加熱装置の他の例を示す概略図である。 図６は、プラズマトーチを流れる電流値と、プラズマトーチの損耗速度との関係を概略的に示すグラフである。

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。

［連続鋳造装置の構成］
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と、鋳型１０３と、鋳片支持ロール１０４と、プラズマ加熱装置１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を貯留するように構成されている。

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１０２ａから流出した溶湯を冷却しながら所定形状に成形するように構成されている。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ように構成されている。

［プラズマ加熱装置の構成］
プラズマ加熱装置１は、タンディッシュ１０２内の溶湯Ｍを加熱するように構成されている。プラズマ加熱装置１は、プラズマトーチ２，３と、昇降機４と、動作ガス源５と、電源装置１０と、コントローラＣｔｒ（制御部）とを備える。

プラズマトーチ２，３は、タンディッシュ１０２内の溶湯Ｍとの間にプラズマを発生させるように構成されている。プラズマトーチ２，３は、例えば、直線状に延びる棒状体であってもよいし、屈曲した棒状体であってもよい。プラズマトーチ２，３の断面形状は、例えば、円形状であってもよいし、多角形状であってもよいし、他の形状であってもよい。プラズマトーチ２，３の太さ（プラズマトーチ２，３の断面形状が円形状である場合には直径）は、例えば、５０ｍｍ～５００ｍｍ程度であってもよい。プラズマトーチ２，３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２（第１のプラズマトーチ）は、金属製の本体２ａと、黒鉛製の先端電極２ｂとを含む。本体２ａの内部には、プラズマトーチ２の全体を冷却するための冷却液の流路（図示せず）が設けられている。先端電極２ｂは、本体２ａの下端に取り付けられている。先端電極２ｂは、本体２ａに対して着脱可能に構成されていてもよい。プラズマトーチ３（第２のプラズマトーチ）は，プラズマトーチ２と同様に、本体３ａ及び先端電極３ｂを含む。

昇降機４は、本体２ａ，３ａ（プラズマトーチ２，３）の基端部を保持するように構成されている。昇降機４は、コントローラＣｔｒからの動作信号に基づいて、プラズマトーチ２，３を昇降するように構成されている。昇降機４の動作により、先端電極２ｂ，３ｂが、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。

動作ガス源５は、コントローラＣｔｒからの動作信号に基づいて、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、プラズマトーチ２，３に供給するように構成されている。動作ガス源５から供給される動作ガスは、プラズマトーチ２，３の長手方向に延びる貫通孔（図示せず）を流れて、先端電極２ｂ，３ｂの下端面から溶湯Ｍに向けて供給される。

電源装置１０は、コントローラＣｔｒからの動作信号に基づいて、プラズマトーチ２，３に電気を供給することと、プラズマトーチ２，３に供給されている電気を停止することとを実行するように構成されている。電源装置１０は、図２に示されるように、電源１１と、配線１２Ａ～１２Ｄと、整流要素１３Ａ，１３Ｂ（切替部）と、スイッチ要素１４Ａ～１４Ｄ（切替部）とを含む。

電源１１は、プラズマトーチ２とプラズマトーチ３との間に所定の電圧（例えば、１００Ｖ～５００Ｖ～５００程度）を印加するように構成されている。図２に例示されるように、電源１１は、交流電源であってもよい。

配線１２Ａは、電源１１の一方の電極とプラズマトーチ２とを電気的に接続している。配線１２Ｂは、電源１１の他方の電極とプラズマトーチ３とを電気的に接続している。配線１２Ｃは、配線１２Ａと配線１２Ｂとを電気的に接続している。配線１２Ｄは、配線１２Ａ，１２Ｃの接続点とプラズマトーチ２との間における配線１２Ａと、電源１１と配線１２Ｂ，１２Ｃの接続点との間における配線１２Ｂとを電気的に接続している。

整流要素１３Ａ，１３Ｂは、電源１１から出力される交流電力を直流電力に変換するように構成されている。整流要素１３Ａは、電源１１の一方の電極と配線１２Ａ，１２Ｃの接続点との間における配線１２Ａに配置されている。整流要素１３Ｂは、電源１１の他方の電極と配線１２Ｂ，１２Ｄの接続点との間における配線１２Ｂに配置されている。

図２に例示されるように、整流要素１３Ａ，１３Ｂはサイリスタであってもよい。整流要素１３Ａ，１３Ｂがサイリスタである場合、整流要素１３Ａ，１３Ｂは、電源１１から出力される交流電力の負の成分を低減又は除去して、電源１１から出力される交流電力の正の成分を下流の要素に印加してもよい。整流要素１３Ａ，１３Ｂがサイリスタである場合、整流要素１３Ａ，１３Ｂのゲート端子を通じて、コントローラＣｔｒが整流要素１３Ａ，１３Ｂの導通又は非導通を制御してもよい。

スイッチ要素１４Ａ～１４Ｄは、コントローラＣｔｒからの動作信号に基づいて、オン／オフを切り替え可能に構成されていてもよい。すなわち、スイッチ要素１４Ａ～１４Ｄは、電子的にオン／オフを切り替える電子スイッチであってもよい。あるいは、スイッチ要素１４Ａ～１４Ｄは、作業者によって物理的に操作が行われる操作用スイッチであってもよい。

スイッチ要素１４Ａは、配線１２Ａ，１２Ｃの接続点と、配線１２Ａ，１２Ｄの接続点との間における配線１２Ａに配置されている。スイッチ要素１４Ｂは、配線１２Ｂ，１２Ｄの接続点と、配線１２Ｂ，１２Ｃの接続点との間における配線１２Ｂに配置されている。スイッチ要素１４Ｃは、配線１２Ｃに配置されている。スイッチ要素１４Ｄは、配線１２Ｄに配置されている。

スイッチ要素１４Ａ，１４Ｂは、同時にオン／オフが切り替えられるように構成された２極式のスイッチ要素であってもよい。スイッチ要素１４Ｃ，１４Ｄは、同時にオン／オフが切り替えられるように構成された２極式のスイッチ要素であってもよい。

スイッチ要素１４Ａ，１４Ｂがオンで且つスイッチ要素１４Ｃ，１４Ｄがオフの場合、電源１１の一方の端子、整流要素１３Ａ及びプラズマトーチ２が電気的に接続されると共に、電源１１の他方の端子、整流要素１３Ｂ及びプラズマトーチ３が電気的に接続される。そのため、プラズマトーチ２が正極（アノード電極）となり、プラズマトーチ３が負極（カソード電極）となる。

一方、スイッチ要素１４Ａ，１４Ｂがオフで且つスイッチ要素１４Ｃ，１４Ｄがオンの場合、電源１１の一方の端子、整流要素１３Ａ及びプラズマトーチ３が電気的に接続されると共に、電源１１の他方の端子、整流要素１３Ｂ及びプラズマトーチ２が電気的に接続される。そのため、プラズマトーチ３が正極（アノード電極）となり、プラズマトーチ２が負極（カソード電極）となる。

コントローラＣｔｒは、例えば、記録媒体（図示せず）に記録されているプログラム又はオペレータからの操作入力等に基づいて、昇降機４、動作ガス源５又は電源装置１０を動作させるための動作信号を生成するように構成されている。コントローラＣｔｒは、生成した動作信号を、対応する機器に送信して、当該機器を動作させるように構成されている。

［プラズマ加熱方法］
続いて、図３を参照して、プラズマ加熱装置１によってタンディッシュ１０２内の溶湯Ｍを加熱する方法について説明する。

プラズマ加熱装置１によってプラズマを発生させるには、まず、タンディッシュ１０２内（溶湯Ｍの湯面近傍）を動作ガス雰囲気とする。具体的には、プラズマトーチ２，３の先端部がタンディッシュ１０２内に配置された状態で、コントローラＣｔｒが動作ガス源５を制御して、プラズマトーチ２，３内の貫通孔を介して動作ガスを動作ガス源５からタンディッシュ１０２内に供給する（図３のステップＳ１参照）。

次に、この状態で、昇降機４によってプラズマトーチ２，３を溶湯Ｍに向けて降下させる（図３のステップＳ２参照）。先端電極２ｂ，３ｂ（プラズマトーチ２，３）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２ｂ，３ｂを溶湯Ｍに近づける。

次に、コントローラＣｔｒがスイッチ要素１４Ａ～１４Ｄを制御して、スイッチ要素１４Ａ，１４Ｂをオンの状態とし且つスイッチ要素１４Ｃ，１４Ｄをオフの状態とする。これにより、プラズマトーチ２，３に電源１１から電圧が印加され、プラズマトーチ２が正極（アノード電極）となり、プラズマトーチ３が負極（カソード電極）となる（図３のステップＳ３参照）。これにより、先端電極２ｂ，３ｂと溶湯Ｍとの間で絶縁破壊が生じ、先端電極２ｂ，３ｂと溶湯Ｍとの間に電流が流れる。そのため、先端電極２ｂ，３ｂと溶湯Ｍとの間にプラズマアークが発生し、溶湯Ｍが加熱される。なお、先端電極２ｂ，３ｂは、熱を受けることにより徐々に損耗（消耗）していく。特に、アノード電極は、カソード電極よりも早く損耗する。

次に、プラズマトーチ２，３への通電開始（溶湯Ｍの加熱開始）から一定の処理時間（例えば、２０分～３０分程度）が経過すると、コントローラＣｔｒがスイッチ要素１４Ａ，１４Ｂを制御して、スイッチ要素１４Ａ，１４Ｂをオフの状態とする。すなわち、プラズマトーチ２，３への通電をいったん停止する（図３のステップＳ４参照）。次に、昇降機４によってプラズマトーチ２，３を上昇させる（図３のステップＳ５参照）。

次に、コントローラＣｔｒが、プラズマの発生のトータル時間を算出し、当該トータル時間が所定時間（例えば、２時間～４時間程度）を経過したか否かを判断する（図３のステップＳ６参照）。プラズマの発生から所定時間経過していないとコントローラＣｔｒが判断した場合（図３のステップＳ６でＮＯ）、処理を終了する。

一方、当該トータル時間が所定時間を経過したとコントローラＣｔｒが判断した場合（図３のステップＳ６でＹＥＳ）、コントローラＣｔｒがスイッチ要素１４Ｃ，１４Ｄを制御して、スイッチ要素１４Ｃ，１４Ｄをオンの状態としてから処理を終了する。これにより、プラズマトーチ２，３に印加される電圧の極性が逆転する（図３のステップＳ７参照）。このとき、コントローラＣｔｒは当該トータル時間のカウントをリセットしてもよい。

［作用］
以上の例によれば、プラズマトーチ２がアノード電極として機能し且つプラズマトーチ３がカソード電極として機能する状態と、プラズマトーチ２がカソード電極として機能し且つプラズマトーチ３がアノード電極として機能する状態とが、スイッチ要素１４Ａ～１４Ｄによって適宜切り替えられる。そのため、プラズマトーチ２，３の一方のみが早期に損耗してしまう事態が抑制されるので、プラズマトーチ２，３を同じタイミングで交換することができる。したがって、プラズマトーチ２，３を効率的に交換することが可能となる。

以上の例によれば、相対位置調整装置等の付加的な装置を要しない。そのため、プラズマ加熱装置１の簡素化を図ることが可能となる。

以上の例によれば、プラズマトーチ２，３の先端部が、黒鉛製の先端電極２ｂ，３ｂで構成されている。そのため、プラズマを発生させる際に先端電極２ｂ，３ｂを溶湯に浸漬し、先端電極２ｂ，３ｂを溶湯から引き上げることにより、１００％に近い確率でプラズマを発生させることが可能となる。

以上の例によれば、プラズマトーチ２，３が、金属製の本体２ａ，３ａと、黒鉛製の先端電極２ｂ，３ｂとを含む。先端電極２ｂ，３ｂが金属製の本体２ａ，３ａに対して着脱可能に構成されている場合には、先端電極２ｂ，３ｂの交換を極めて簡便に行うことが可能となる。また、本体２ａ，３ａは交換されずに再利用される。そのため、プラズマトーチ２，３のランニングコストを低減することが可能となる。

以上の例によれば、スイッチ要素１４Ａ～１４Ｄのオン／オフにより、プラズマトーチ２，３に印加される電圧の極性を逆転させている。そのため、簡単な構成で、極性を逆転させるための切替部を実現することが可能となる。

ところで、プラズマトーチ２，３のうちアノード電極側がより早く損耗するので、所定時間が経過したときには、プラズマトーチ２の長さとプラズマトーチ３の長さとの差（長さ差）が所定値（例えば、１０ｍｍ～５０ｍｍ程度）以上となる。以上の例によれば、所定時間が経過したときにスイッチ要素１４Ａ～１４Ｄをオン／オフして、プラズマトーチ２，３に印加される電圧の極性を逆転させている。すなわち、長さ差が所定値以上に大きくなる前に、コントローラＣｔｒが自動的にスイッチ要素１４Ａ～１４Ｄを制御している。そのため、プラズマトーチ２，３の損耗量をより均一化することができる。したがって、プラズマトーチ２，３を無駄なく消費しつつ、同じタイミングで交換することが可能となる。

ところで、長さ差が所定値以上となると、プラズマアークの発生が不安定となることがある。しかしながら、以上の例によれば、所定時間が経過したときにスイッチ要素１４Ａ～１４Ｄをオン／オフして、プラズマトーチ２，３に印加される電圧の極性を逆転させている。そのため、長さ差が所定値以上となることが防止される。したがって、プラズマトーチ２，３を用いて、プラズマアークを継続的に安定して着火することが可能となる。

［変形例］
本明細書における開示はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特許請求の範囲及びその要旨を逸脱しない範囲において、以上の例に対して種々の省略、置換、変更などが行われてもよい。

（１）プラズマ加熱装置１による溶湯Ｍの加熱処理に際して、コントローラＣｔｒは、プラズマトーチ２，３の交換時期に達したか否かを判断してもよい。交換時期に達したとコントローラＣｔｒが判断した場合、コントローラＣｔｒは、プラズマトーチ２，３への通電を停止するようにスイッチ要素１４Ａ～１４Ｄを制御してもよいし、交換時期に達した旨を作業者に報知してもよい。

（２）プラズマトーチ２，３の少なくとも先端部が黒鉛製であればよい。そのため、プラズマトーチ２，３の半分程度が黒鉛製であってもよいし、プラズマトーチ２，３の全体が黒鉛製であってもよい。

（３）図４（ａ），（ｂ）に示されるように、プラズマトーチ２，３に印加される電圧の極性を、２つの双投式のスイッチ要素１４Ａ，１４Ｂで切り替えてもよい。

図４（ａ）に示される例では、スイッチ要素１４Ａは、電源１１の一方の端子、整流要素１３Ａ及びプラズマトーチ２を電気的に接続する状態と、電源１１の一方の端子、整流要素１３Ａ及びプラズマトーチ３を電気的に接続する状態とを切替可能に構成されている。スイッチ要素１４Ｂは、電源１１の他方の端子、整流要素１３Ｂ及びプラズマトーチ３を電気的に接続する状態と、電源１１の他方の端子、整流要素１３Ｂ及びプラズマトーチ２を電気的に接続する状態とを切替可能に構成されている。

図４（ｂ）に示される例では、スイッチ要素１４Ａは、電源１１の一方の端子、整流要素１３Ａ及びプラズマトーチ２を電気的に接続する状態と、電源１１の他方の端子、整流要素１３Ｂ及びプラズマトーチ２を電気的に接続する状態とを切替可能に構成されている。スイッチ要素１４Ｂは、電源１１の他方の端子、整流要素１３Ｂ及びプラズマトーチ３を電気的に接続する状態と、電源１１の一方の端子、整流要素１３Ａ及びプラズマトーチ３を電気的に接続する状態とを切替可能に構成されている。

（４）図４（ｃ）に示されるように、電源１１は直流電源であってもよい。

（５）図５（ａ）に示されるように、プラズマトーチ２，３に印加される電圧の極性を逆転させるための切替部が、整流要素１３Ａ～１３Ｄ（第１の整流要素、第２の整流要素）によって構成されていてもよい。この場合、電源装置１０は、電源１１と、配線１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｅ，１２Ｆと、整流要素１３Ａ～１３Ｄとを含んでいてもよい。配線１２Ｅは、配線１２Ａに対して並列に接続されていてもよい。配線１２Ｆは、配線１２Ｂに対して並列に接続されていてもよい。整流要素１３Ａ～１３Ｄは、サイリスタであってもよい。

整流要素１３Ａ，１３Ｃはそれぞれ、配線１２Ａ，１２Ｅに配置されており、互いに逆向きに並列接続されていてもよい。整流要素１３Ｂ，１３Ｄはそれぞれ、配線１２Ｂ，１２Ｆに配置されており、互いに逆向きに並列接続されていてもよい。この場合、整流要素１３Ａ～１３Ｄのゲート端子を通じて、コントローラＣｔｒが整流要素１３Ａ～１３Ｄの導通又は非導通を制御してもよい。すなわち、図５（ａ）に示される例では、整流要素１３Ａ～１３Ｄのゲート端子が、切替部を構成するスイッチ要素として機能する。

（６）図５（ｂ）に示されるように、プラズマトーチ２，３に印加される電圧の極性を逆転させるための切替部が、整流要素１３Ａ～１３Ｄ（第１の整流要素、第２の整流要素）と、双投式のスイッチ要素１４Ａ，１４Ｂとによって構成されていてもよい。この場合、電源装置１０は、電源１１と、配線１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｅ，１２Ｆと、整流要素１３Ａ～１３Ｄとを含んでいてもよい。配線１２Ｅは、配線１２Ａに対して並列に接続されていてもよい。配線１２Ｆは、配線１２Ｂに対して並列に接続されていてもよい。整流要素１３Ａ，１３Ｂは、ダイオードであってもよい。

整流要素１３Ａ，１３Ｃはそれぞれ、配線１２Ａ，１２Ｅに配置されており、互いに逆向きに並列接続されていてもよい。整流要素１３Ｂ，１３Ｄはそれぞれ、配線１２Ｂ，１２Ｆに配置されており、互いに逆向きに並列接続されていてもよい。スイッチ要素１４Ａは、電源１１の一方の端子、整流要素１３Ａ及びプラズマトーチ２を電気的に接続する状態と、電源１１の一方の端子、整流要素１３Ｃ及びプラズマトーチ２を電気的に接続する状態とを切替可能に構成されていてもよい。スイッチ要素１４Ｂは、電源１１の他方の端子、整流要素１３Ｂ及びプラズマトーチ３を電気的に接続する状態と、電源１１の他方の端子、整流要素１３Ｄ及びプラズマトーチ３を電気的に接続する状態とを切替可能に構成されていてもよい。

（７）図５（ｃ）に示されるように、プラズマトーチ２，３に印加される電圧の極性を逆転させるための切替部が、整流要素１３Ａ，１３Ｂによって構成されていてもよい。この場合、電源装置１０は、電源１１と、配線１２Ａ，１２Ｂと、整流要素１３Ａ，１３Ｂとを含んでいてもよい。整流要素１３Ａ，１３Ｂは、トライアックであってもよい。整流要素１３Ａは、配線１２Ａに配置されていてもよい。整流要素１３Ｂは、配線１２Ｂに配置されていてもよい。この場合、整流要素１３Ａ，１３Ｂのゲート端子を通じて、電源１１から出力される交流電力の正の成分をプラズマトーチ２に印加するのか、電源１１から出力される交流電力の負成分をプラズマトーチ２に印加するのかを、コントローラＣｔｒが制御してもよい。すなわち、図５（ｃ）に示される例では、整流要素１３Ａ，１３Ｂのゲート端子が、切替部を構成するスイッチ要素として機能する。

（８）プラズマトーチ２，３の長さを距離センサ等でモニタして、プラズマトーチ２の長さとプラズマトーチ３の長さとの差（長さ差）が所定値以上であるか否かを、コントローラＣｔｒが判断してもよい。長さ差が所定値以上となったとコントローラＣｔｒが判断した場合、コントローラＣｔｒが自動的にスイッチ要素１４Ａ～１４Ｄを制御して、プラズマトーチ２，３に印加される電圧の極性を逆転させてもよい。この場合も、プラズマトーチ２，３を無駄なく消費しつつ、同じタイミングで交換することが可能となる。また、プラズマトーチ２，３を用いて、プラズマアークを継続的に安定して着火することが可能となる。

（９）ところで、プラズマトーチの損耗速度は、これを流れる電流値の大きさに比例して大きくなる。すなわち、プラズマトーチの使用環境等に応じて異なるものの、プラズマトーチの損耗速度は、これを流れる電流値の関数（例えば、二次関数）で表すことができる。図６の曲線Ｌ１は、プラズマトーチがアノード電極として機能する場合における、電流値と損耗速度との関数の一例である。図６の曲線Ｌ２は、プラズマトーチがカソード電極として機能する場合における、電流値と損耗速度との関数の一例である。

そこで、プラズマトーチ２，３を流れる電流を電流センサ等でモニタして、曲線Ｌ１，Ｌ２等の関数から得られる損耗速度に基づいてプラズマトーチ２，３の長さをコントローラＣｔｒが計算（予測）してもよい。さらに、コントローラＣｔｒは、計算の結果として得られたプラズマトーチ２の予測長さとプラズマトーチ３の予測長さとの差（長さ差）が所定値以上であるか否かを、判断してもよい。長さ差が所定値以上となったとコントローラＣｔｒが判断した場合、コントローラＣｔｒが自動的にスイッチ要素１４Ａ～１４Ｄを制御して、プラズマトーチ２，３に印加される電圧の極性を逆転させてもよい。この場合も、プラズマトーチ２，３を無駄なく消費しつつ、同じタイミングで交換することが可能となる。また、プラズマトーチ２，３を用いて、プラズマアークを継続的に安定して着火することが可能となる。

（１０）以上の例では、コントローラＣｔｒは、溶湯Ｍの加熱処理が終了するごとに、プラズマの発生のトータル時間が所定時間を経過したか否かを判断している。しかしながら、コントローラＣｔｒは、溶湯Ｍの加熱処理中に、当該トータル時間が所定時間を経過したか否かを常に監視してもよい。このとき、コントローラＣｔｒは、当該トータル時間が所定時間を経過したと判断ときに、溶湯Ｍの加熱処理の途中でも当該処理を終了させてもよい。

１…プラズマ加熱装置、２…プラズマトーチ（第１のプラズマトーチ）、２ａ…本体、２ｂ…先端電極、３…プラズマトーチ（第２のプラズマトーチ）、３ａ…本体、３ｂ…先端電極、１０…電源装置、１１…電源、１３Ａ～１３Ｄ…整流要素（第１の整流要素、第２の整流要素、切替部）、１４Ａ～１４Ｄ…スイッチ要素（切替部）、１００…連続鋳造装置、１０２…タンディッシュ、Ｃｔｒ…コントローラ（制御部）、Ｍ…溶湯（溶鋼）。

Claims (9)

1. タンディッシュ内に貯留されている溶湯との間にプラズマを発生させて溶湯を加熱するように構成されたプラズマ加熱装置であって、
   少なくとも先端部が黒鉛で構成された第１のプラズマトーチ及び第２のプラズマトーチと、
   前記第１のプラズマトーチと前記第２のプラズマトーチとの間に電圧を印加するように構成された電源と、
   前記第１のプラズマトーチ及び前記第２のプラズマトーチのそれぞれに印加される電圧の極性を逆転させるように構成された切替部とを備える、プラズマ加熱装置。
2. 前記切替部は、前記電源の一方の端子と前記第１のプラズマトーチとの間のオン／オフと、前記電源の一方の端子と前記第２のプラズマトーチとの間のオン／オフと、前記電源の他方の端子と前記第１のプラズマトーチとの間のオン／オフと、前記電源の他方の端子と前記第２のプラズマトーチとの間のオン／オフとを切替可能に構成されたスイッチ要素を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記切替部は、前記電源から出力される交流電力を直流電力に変換する整流要素をさらに含み、
   前記整流要素は、前記電源と前記スイッチ要素との間に配置されている、請求項２に記載の装置。
4. 前記切替部は、
   前記電源から出力される交流電力の正の成分を前記第１のプラズマトーチに印加するように構成された第１の整流要素と、
   前記電源から出力される交流電力の負の成分を前記第１のプラズマトーチに印加するように構成された第２の整流要素と、
   前記第１の整流要素と前記第１のプラズマトーチとの間のオン／オフと、前記第２の整流要素と前記第１のプラズマトーチとの間のオン／オフとを切り替え可能に構成されたスイッチ要素とを含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記第１のプラズマトーチ及び前記第２のプラズマトーチはそれぞれ、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を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記第１のプラズマトーチの長さと前記第２のプラズマトーチの長さとの差に基づいて前記切替部を制御するように構成された制御部をさらに備える、請求項１～５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記第１のプラズマトーチ及び前記第２のプラズマトーチにおけるプラズマ発生のトータル時間を算出し、前記トータル時間が所定時間を経過したか否かを判断し、前記トータル時間が前記所定時間を経過したと判断したときに前記切替部を制御するように構成された制御部をさらに備える、請求項１～５のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記第１のプラズマトーチを流れる電流値から予測される前記第１のプラズマトーチの損耗速度と、前記第２のプラズマトーチを流れる電流値から予測される前記第２のプラズマトーチの損耗速度とに基づいて、前記切替部を制御するように構成された制御部をさらに備える、請求項１～５のいずれか一項に記載の装置。
9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の装置によって前記タンディッシュ内の溶湯を加熱するプラズマ加熱方法であって、
   前記電源から前記第１のプラズマトーチ及び前記第２のプラズマトーチに電圧を印加して、前記第１のプラズマトーチ及び前記第２のプラズマトーチからプラズマを発生させることにより、前記タンディッシュ内の溶湯を加熱することと、
   前記切替部により、前記第１のプラズマトーチ及び前記第２のプラズマトーチのそれぞれに印加される電圧の極性を逆転させることとを含む、方法。
   

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