JPH03226553A

JPH03226553A - 高耐用性を有する交流プラズマトーチ

Info

Publication number: JPH03226553A
Application number: JP2018987A
Authority: JP
Inventors: Hatsuo Taira; 初雄平; Hajime Kasahara; 始笠原; Hiroshi Imawaka; 寛今若
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-01-31
Filing date: 1990-01-31
Publication date: 1991-10-07

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、高耐用性の交流プラズマトーチに関するも
のである。

［従来の技術］近年、溶鋼の二次精錬にプラズマ加熱が多用されるよう
になってきた。即ち、交流プラズマ加熱を取鍋又はタン
デイツシュ内の溶鋼に適用して溶鋼の二次精錬を行うこ
とが、例えば特開昭６１−９５７６６号、特開昭６１−
９５７５５号によって提案されている。このプラズマ加
熱に使用される交流プラズマトーチは、一般に内部水冷
式のもので取鍋又はタンデイツシュ上に加熱室を形成し
て輻射熱を溶鋼の加熱に利用する場合、トーチ自体から
の抜熱量は無視できず、熱効率を低下させてぃた。この
問題を解決するためにトーチ外面にＡＱ２０３　、　Ｚ
ｒＯ２等のセラミック溶射による断熱層を設けたプラズ
マトーチが実開昭６０−１４０３９７号によって提案さ
れている。

［発明が解決しようとする課題］三相交流プラズマでは、プラズマトーチ外筒を金属製の
ＳＯ５で構成するのが一般的であり、プラズマ加熱時に
外周部で二次アーク放電が発生しＳＵＳに局部溶損等が
発生し、トーチ肉厚の減少、トーチ垂れ下がり（曲がり
）等の損傷を与え、ト−チ寿命が短命であるという問題
点かあった。上記実開昭６０−１４０３９７号提案のセ
ラミック溶射被膜では、断熱による熱効率の向上は可能
であるが、−次アーク放電は防止できない。

本発明は、このような状況に対応すべく被覆の構成を検
討した結果、交流プラズマトーチ外筒の絶縁性熱遮蔽被
膜として最適な溶射被膜を提供することを目的としてい
る。

［課題を解決するための手段］この目的を達成するための本発明の交流プラズマトーチ
は、交流プラズマトーチ外筒を構成する耐熱金属の表面
に、前記金属より高耐熱性を有する金属被覆層を施し、
更に該金属被覆層上に強制冷却することなく微細な割れ
を有する耐熱衝繋性耐絶縁性セラミック被覆層か形成さ
れ、更にこのセラミック被覆層上に溶融金属にたいして
高耐食性を有するセラミック被覆層を形成していること
である。

すなわち本発明の構成は、交流プラズマトーチ外筒を構
成する耐熱金属に、前記耐熱金属より高耐熱性を有する
金属被覆の下層と、ＣａＯ・ｚｒ０２が５〜４０重量％
残部がγ型２　ＣａＯ・ＳｉＯ２からなる酸化物材料の
溶射被覆の中間層と、Ａ１２０３が２０〜８０重量％残
部がＣｒ２Ｏ３からなるＡＱ２０３−Ｃｒ２０３固溶体
の溶射被覆の上層を有することを特徴とする絶縁被膜を
有する交流プラズマトーチである。

以下に本発明の種々の実験例について説明する。寿命低
下の主因であるセラミック層の剥離は、金属とセラミッ
ク層の熱膨張係数の相違に基づく熱応力により引き起さ
れるため、これを緩和するために比較的大きな熱膨張係
数を有するセラミックを種々選択して耐熱衝７性試験を
実施した。尚、２　（：ａＯ・ＳｉＯ２に関しては種々
の結晶形があるが、耐スレ−キング性等を考慮してγ型
２　ＣａＯ・ＳｉＯ２を選択した。

基材は５ＬＩＳ　３０４を用い、アルミナ粉てサンドブ
ラスト処理した後、まず高温耐食性に富む金属として例
えばＮｉＣｒＡｇＬＹ合金を　］ＯＯＩＪｍプラズマ溶
射し、更にその上に第１表に示す各種セラミ・ンクを１
５０μｍプラズマ溶射した。

得られた試験片を１１００℃て１０分間加熱、室温で１
０分間冷却という熱衝撃試験を繰り返し、亀裂発生まで
の熱サイクル回数を調査した。結果を第１表に示す。

第１表耐熱衝撃性試験結果本試験結果より、Ｎｏ、５のＣａＯ−ＺｒＯ２、Ｎｏ、
７のＺｒ０２８９６Ｙ２０：＋、　Ｎｏ、９（７）ｙ型
２　Ｃａｏ−５ｊ０２、Ｎｏ、　１０のγ型２　ＣａＯ
−５１０２−３ｗｔ％ＣａＯ−７，ｒ０２−　Ｎｏ、　
１７のγ型２ＣａＯ−５ｉＯ□−４５ｗｔ’ｔ；　Ｃａ
Ｏ・ＺｒＯ２が１０回以上の耐用性を示し、良好な耐熱
衝撃性を有することか判明した。

特ニＮｏ、ＩＯノｙ型２　Ｃ：ａＯ−５ｉ０２−３ｗｔ
！ｋｃａ０４ｒ０２〜Ｎｏ、１７のγ型２　Ｃａｂ−Ｓ
ｉＯ２−４５ｗｔ９６Ｃｒ２０３４ｒ０２が優れている
。

尚、γ型２　ＣａＯ・５ｉ０２−　（：ａ０４ｒ０２系
原料に関しては、複合物か最も良好で、次いで化合物、
混合物の順で耐熱衝撃性に優れていることか本試験て判
明した。

γ型２　ＣａＯ・５ｉ０２−　ＣａＯ・ＺｒＯ２系か良
好な耐熱衝撃性を示したのて、その内、Ｎｏ、　１３の
γ型２　ＣａＯ・ＳｉＯ２−２５ｗｔ％　Ｃａ０４ｒ０
２（複合物）を代表例として被膜の断面観察を行った結
果、被膜内に微細な垂直亀裂か多数存在しているのが確
認できた。この微細垂直亀裂生成の原因としては、プラ
ズマフレーム中てのγ１２ｃａＯ・ＳｉＯ□とＣａＯ・
ＺｒＯ□の反応に起因すると考えられるアモルファス相
が生成し、基板に付着後冷却時のアモルファス相の収縮
によると考えられる。この微細垂直亀裂により熱応力か
緩和され耐熱衝撃性か向上したものと推定される。

次いで、耐熱衝撃性に優れた試料、Ｎｏ、５．７．９〜
＋３．１６．１７を用いて、高温比抵抗の測定を実施し
た。測定に際しては、１５０　ｘ　１０ｘ　８ｍｍのＳ
Ｏ５３０４基板上に上記試料を５ｍｌｌ１以上厚膜溶射
をし、その後ＳＵＳを削り、セラミックの厚膜溶射体の
みを取り出し、＋５０　Ｘ　ＩＯＸ　５ｍｍになるよう
にセラミックを加工し比抵抗測定用試料とした。この試
料を１２００℃に保持した電気炉内に設置し、４端子法
により、セラミック溶射体の１２００℃における比抵抗
を測定した。結果を第２表に示す。

第２表比抵抗測定結果Ｎｏ、７のＺｒ０２−８％Ｙｚ０３は、酸素イオン導電
体であり、絶縁能かないことか判明した。一方、Ｎｏ、
５゜ｑ＝ｏ、＋７は比抵抗か１０２Ω・ｃｍで発熱体領
域であり、＆ｆ！、縁能は不易していることか判明した
。しがし、Ｎｏ、］Ｉ　〜１６のγ型２　ＣａＯ−５ｉ
０２−５〜４０ｗｔ！ｌｌｉ　ＣａＯ・ＺｒＯ２系ては
、１０’Ω・ｃｍと絶縁体であることが判明した。これ
は、前述の微細垂直亀裂により導電パスが分断されてい
るためと推定される。

以上の両テストの結果より、ＣａＯ・ＺｒＯ２か５〜４
０ｗｔ＊残部がγ型２　ＣａＯ・ＳｉＯ２からなる酸化
物材料を溶射した被膜は高絶縁性高耐熱衝撃性を有する
ことが判明した。

次に、三相交流プラズマトーチ外筒にてＮｏ、１３のγ
型２　ＣａＯ−５ｊ０２−２５ｗｔ！ｋ　Ｃａ０４ｒ０
２系被膜の実機確性試験を実施した。

母材は　ＳＯ５３０４金属で、ポンドコートとしてＮ１
ＣｒＡ４Ｙを１００μｍ溶射し、セラミックの膜厚を第
３表に示すように変更し実機にて使用した。結果を第３
表に示す。実機試験でのプラズマ操作条件を第４表に示
す。

第４表に示す条件で約３０分プラズマ加熱し、二次アー
クの発生状況を調査した。ＮＯ，１３−１，１３−２の
ようにセラミック溶射膜厚が１５０ｕｍより薄ければ二
次アーク放電が発生し使用に適さないことが判明した。

これは、二次アーク発生を防止するのに必要な総抵抗が
１５０μｍ以上で達成するからと考えられる。

次に、二次アークの発生しなかったＮｏ、１３−３〜Ｎ
ｏ、１３−６を用いて約１０時間のプラズマ加熱を実施
したが、いずれのトーチにも溶鋼の付着によりセラミッ
ク溶射膜の剥離が認められた。

そこて、このトーチ上に耐溶鋼付着性の優れたセラミッ
ク膜を更に溶射施工することを考えた。

溶射膜の組成としては、耐溶鋼付着性及び絶縁性を考慮
し、第５表に示す試料を検討した。

基材はＳＯ５３月を用い、アルミナ粉てサンドブラスト
処理した後、まず高温耐食性に富む金属として例えばＮ
ｉＣｒｌＹ合金を　１００μｍプラズマ溶射し、更にそ
の上にγ型２　Ｃａｂ−ＳｉＯ２−２５ｗｔｋ　ＣａＯ
−Ｚｒ０２（Ｎｏ、１３）を　１５０ｕｍプラズマ溶射
した。更にその上に第５表に示す試料を５０μｌ溶射し
試験片とした。得られた試験片を１６００℃の溶鋼中に
１分間浸漬し室温で冷却という試験を行い、溶鋼付着状
況、剥離発生状況を調査した。結果を第５表に示す。

第５表　溶鋼中への浸漬試験結果Ｎｏ、＋８〜Ｎｏ、］９．Ｎｏ、２５〜Ｎｏ、２６は、
溶射被膜が剥離し実用に供し得ないことか判明した。一
方、Ｎｏ、２０〜Ｎｏ、２４のＡｉ、０３−Ｃｒ２Ｏ３
固溶体（へ２２０３含有量８０％〜２０％）は、剥離も
溶鋼付着もなく実用に供し得ることが判明した。つまり
、こわらの被膜では、剥離しなければ溶鋼付着も起こら
ないことが判明した。

次に、これらの試料の代表組成としてＮｏ、２２の材料
を選択し、適用しつる最大膜厚の検討を実施した。実験
は、前述の溶鋼浸漬試験と同様の方法で行った。

基材はＳＯ５３０４を用い、アルミナ粉でサンドブラス
ト処理した後、まず高温耐食性に富む金属として例えば
Ｎｉ［：ｒＡｉＹ合金を　１００μｍプラズマ溶射し、
更にその上にγ型２　Ｃａｂ−ＳｉＯ２−２５ｗｔ１　
ＣａＯ−７、ｒＯ２（Ｎｏ、１３　＞を３５０ｕｍプラ
ズマ溶射した。更にその上に第６表に示す膜厚を変えた
試料を溶射し試験片とした。得られた試験片を、１６０
０℃の溶鋼中に１分間浸漬し室温で冷却という試験を行
い、剥離発生状況を調査した。結果を第６表に示す。

第６表セラミック溶射被膜の膜厚と剥離性調査結果向、プラズ
マ溶射の場合、膜厚を２０４Ｉ１１以下にコントロール
しようとして溶射試作を試みたか、溶射した試料の詳細
な表面観察を行うと一部に下地層が検出され、２０叶以
下ては今回の目的の溶鋼との耐食性を発現させることか
不可能であることが判明した。

第６表の結果からもわかるように、５０％ＡＱｚ０３５
０％１Ｃｒ２０３溶射被１漠では膜厚か２０ｕｍ以下、
８０ＩＪＩＴ１以上では、溶射膜の剥離か発生し実用に
供しえないことか判明した。

尚、耐熱金属材料に被膜する金属被覆層に関しては、前
述のＮ１ＣｒＡｉＹ以外にＣｏＣｒＡＲＹ、ＣｏＮ１Ｃ
ｒＡＱＹ。

Ｎ１ＣｏＣｒＡＱＹ等を用いても同等の効果を有するこ
とが判明した。

尚、第１図は取鍋内の溶鋼を３相交流プラズマトーチを
用いて加熱している説明図で、１は取鍋、２はカバー、
３は加熱室、４はプラズマトーチ、５は溶鋼、６はスラ
グ層、７はガスバブリングを示している。

第２図は、本発明の絶縁被膜を有する交流プラズマトー
チの一例を示したもので、８は先端ノズル、９はＣｕ外
筒、１０はＳＵＳ外筒、１１は本発明における溶射被膜
である。

［実施例コ５１１５３０４からなるプラズマトーチ外筒に、ＣｏＣ
ｒＡＱＹをＯ，１ｍｍ溶射し、更にその上にγ型２　Ｃ
ａＯ・ＳｉＯ２−１５ｗＬ％ｉ　Ｃａ０−ＺｒＯ□を０
．１５ｍｍ溶射し、更にその上に７０’４　Ａ（ｈ０３
−３０９６Ｃｒ２０３を０．０５ｍｍ溶射した三相交流
プラズマトーチを用いて、プラズマ出力６０００Ａ、２
７８Ｖで延べ約３００時間の稼働でもプラズマトーチ外
筒には損傷が認められなか〕だ。一方、従来のＳＵＳ　
３０４外筒単体ては延へ約１００時間の稼働て次アーク
起因で５ｔｌＳ　３０４に損傷か発生しトーチを取り替
えざるをえなかった。

［発明の効果コ上記の結果から明らかなごとく、本発明に係わる高絶縁
性高耐食性被膜を溶射施工したプラズマトーチ外筒は、
優れた熱遮蔽効果、二次アーク発生防止、溶鋼にたいす
る高耐食性を付与でき信頼性の高い高耐用性プラズマト
ーチ外筒を得ることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は取鍋自溶鋼の３相交流プラズマ加熱装置の説明
図、第２図は本発明の交流プラズマトーチの説明図であ
る。１・・・取鍋、２・・・カバー、３・・・加熱室、４・
・・プラズマトーチ、５・・・溶鋼、６・・・スラグ層
、７・・・ガスハブリンク、８・・・先端ノズル、９・
・・Ｃｕ外筒、Ｉ　Ｏ−・・５ＬｉＳ外筒、１１・・・
溶射被膜

Claims

【特許請求の範囲】

１．交流プラズマトーチ外筒を構成する耐熱金属に、前
記耐熱金属より高耐熱性を有する金属被覆の下層と、Ｃ
ａＯ・ＺｒＯ＿２が５〜４０重量％残部がγ型２ＣａＯ
・ＳｉＯ＿２からなる酸化物材料の溶射被覆の中間層と
、Ａｌ＿２Ｏ＿３が２０〜８０重量％残部がＣｒ＿２Ｏ
＿３からなるＡｌ＿２Ｏ＿３−Ｃｒ＿２Ｏ＿３固溶体の
溶射被覆の上層を有することを特徴とする絶縁被膜を有
する交流プラズマトーチ。
２．溶射被覆の中間層の厚みが１５０μｍ以上、溶射被
覆の上層の厚みが３０〜７０μｍである請求項１記載の
絶縁被膜を有する交流プラズマトーチ。