JPH1128554A - プラズマトーチおよびこれを利用した溶鋼加熱タンディッシュ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大出力のプラズマを何ら問題なく発生させる
ことができるプラズマトーチおよびこれを利用した溶鋼
加熱タンディッシュを提供する。 【解決手段】 タンディッシュ本体１の蓋１ａに取り付
けられる下部筒体１１と、下部筒体１１にリング部材１
４を介して取り付けられる上部筒体１３と、上部筒体１
３に支持された棒状をなす陰極１５と、陰極１５の先端
部の近傍に位置するように下部筒体１１に支持された環
状の上段陽極１２ａと、上段陽極１２ａと隙間を有する
ように下部筒体１１の先端側に支持されて当該上段陽極
１２ａの内径よりも大径をなす環状の下段陽極１２ｂ
と、陰極１５の先端部と上段陽極１２ａとの間に作動ガ
ス１０１を流通させるように上部筒体１３に設けられた
連通路１３ａと、上段陽極１２ａと下段陽極１２ｂとの
隙間から当該下段陽極１２ｂの内側に作動ガスを流通さ
せるように下部筒体１１に設けられた連通路１１ａとを
備えてプラズマトーチ１０を構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、連続鋳造で溶鋼を
加熱する際に用いられるプラズマトーチおよびこれを利
用した溶鋼加熱タンディッシュに関する。

【０００２】

【従来の技術】連続鋳造時に用いられる溶鋼加熱タンデ
ィッシュの溶鋼を加熱するプラズマトーチは、従来、溶
鋼を保持するタンディッシュ本体の上部から溶鋼に向け
てアークを発生させて溶鋼内に電気を流すことにより、
当該溶鋼を加熱する移行型（トランスファ）が主流であ
った。しかしながら、このような移行型のプラズマトー
チでは、タンディッシュ本体の内壁面に付着した残鋼の
加熱や、タンディッシュ本体内の予備加熱などのオフラ
インでの加熱作業が困難であるため、アークを発生させ
て作動ガスのプラズマ（白熱炎）をタンディッシュ本体
の上部からタンディッシュ本体の内部へ向けて放射する
ことにより、タンディッシュ本体内を直接加熱するよう
にした非移行型（ノントランスファ）が用いられつつあ
る。このような非移行型のプラズマトーチを利用した溶
鋼加熱タンディッシュの概略構成を図５に示す。

【０００３】図５に示すように、タンディッシュ本体１
の上部の蓋１ａには、プラズマトーチ１１０が複数取り
付けられており、当該プラズマトーチ１１０は、図６に
示すような構造となっている。

【０００４】図６に示すように、内部で溶鋼を保持する
タンディッシュ本体１の蓋１ａに取り付けられた下部筒
体１１１の内部には、円筒状をなす陽極１１２が取り付
けられている。陽極１１２には、冷却水１０２の流通す
る流水路１１２ａが形成されている。下部筒体１１１の
上部には、上部筒体１１３がリング部材１１４を介して
相互にボルト結合されている。上部筒体１１３の内部に
は、棒状の陰極１１５が当該上部筒体１１３の内周面と
隙間を有するように挿入されており、当該陰極１１５
は、蓋板１１６を介して上部筒体１１３に支持されてい
る。

【０００５】図５，６に示すように、プラズマトーチ１
１０の上部筒体１１３の上方寄りには、当該上部筒体１
１３の内周面と上記陰極１１５との間の上記隙間に窒素
ガスやアルゴンガスなどのような不活性の作動ガス１０
１を送給する作動ガス供給装置２が供給管２ａを介して
連結されている。プラズマトーチ１１０の陰極１１５に
は、アーク放電用のプラズマ電源装置３が絶縁ケーブル
３ａを介して電気的に接続されている。プラズマトーチ
１１０の陽極１１２には、上記プラズマ電源装置３が絶
縁ケーブル３ｂを介して電気的に接続されている。プラ
ズマトーチ１１０の陽極１１２の流水路１１２ａには、
冷却水１０２を循環送給する冷却水循環装置４が下部筒
体１１１を貫通する流水管４ａ，４ｂを介して連結され
ている。上記作動ガス供給装置２、プラズマ電源装置
３、冷却水循環装置４は、制御装置５に電気的に接続さ
れており、当該制御装置５は、上記機器３〜５の出力を
制御するようになっている。

【０００６】このような溶鋼加熱タンディッシュでは、
制御装置５を作動し、冷却水循環装置４により冷却水１
０２をプラズマトーチ１１０の陽極１１２の流水路１１
２ａ内に流通させ、作動ガス供給装置２により作動ガス
１０１をプラズマトーチ１１０の上部筒体１１３内に供
給すると共に、プラズマ電源装置３によりプラズマトー
チ１１０の陽極１１２と陰極１１５との間に高周波放電
（短時間の数ｋＶ、数ｍＡの放電）を生じさせてアーク
１０３ａを発生させると、陽極１１２の内部、すなわ
ち、陽極１１２と陰極１１５との間に流入した作動ガス
１０１が絶縁破壊されて超高温のプラズマ（白熱炎）１
０４ａが発生し、続いて、作動ガス１０１に定常的にエ
ネルギを与えてプラズマ化する持続放電（数百Ｖ、数千
Ａの持続アーク放電）を行うことによりプラズマ１０４
ａを持続させると共に、電気出力および作動ガス１０１
の流量を調整してプラズマ１０４ａの発生量（加熱量）
を調整することにより、当該プラズマ１０４ａでタンデ
ィッシュ本体１の内部の加熱や保温を行うことができ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たような溶鋼加熱タンディッシュでは、プラズマトーチ
１１０から大出力のプラズマ１０４ｂを発生させるため
に、当該プラズマトーチ１１０の電気出力と作動ガス１
０１の流量とを増加すると、作動ガス１０１の流量の増
加に伴って、当該作動ガス１０１により陰極１１５の先
端部（アーク発生点）が過冷却されて、プラズマ１０４
ｂが吹き消されてしまう場合があった。そこで、陽極１
１２の内径を拡大することにより、上記作動ガス１０１
の流速を低下させて陰極１１５の先端部の過冷却を防止
することが考えられているものの、陽極１１２の内径を
拡大すると、陽極１１２と陰極１１５との間の距離も増
大することから、プラズマトーチ１１０のプラズマ１０
４ａの点火時の高周波放電が困難となってしまう。

【０００８】また、電気出力の増加により、プラズマト
ーチ１１０の陰極１１５の先端と陽極１１２の下端との
間に増長したアーク１０３ｂを発生するため、陽極１１
２の下端に局所的に高熱流束が加わって、当該陽極１１
２を破損してしまう虞があった。

【０００９】このようなことから、本発明は、大出力の
プラズマを何ら問題なく発生させることができるプラズ
マトーチおよびこれを利用した溶鋼加熱タンディッシュ
を提供することを目的とした。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前述した課題を解決する
ための、本発明によるプラズマトーチは、ケーシング
と、前記ケーシングの基端側に支持された棒状をなす陰
極と、前記陰極の先端部の近傍に位置するように前記ケ
ーシングに当該陰極と同軸をなして支持された環状の第
一陽極と、前記第一陽極と隙間を有するように前記ケー
シングの先端側に当該第一陽極と同軸をなして支持さ
れ、当該第一陽極の内径よりも大径をなす環状の第二陽
極と、前記陰極の先端部と前記第一陽極との間に作動ガ
スを流通させるように前記ケーシングに設けられた作動
ガス第一流路と、前記第一陽極と前記第二陽極との隙間
から当該第二陽極の内側に作動ガスを流通させるように
前記ケーシングに設けられた作動ガス第二流路とを備え
てなることを特徴とする。

【００１１】また、本発明による溶鋼加熱タンディッシ
ュは、上述のプラズマトーチと、内部で溶鋼を保持し、
上部で前記プラズマトーチを支持するタンディッシュ本
体と、前記プラズマトーチの前記作動ガス第一流路と前
記作動ガス第二流路とに作動ガスを供給する作動ガス供
給手段と、前記プラズマトーチの前記陰極と前記第一陽
極および前記第二陽極との間に電圧を印加する電圧印加
手段と、前記プラズマトーチの前記第一陽極と前記電圧
印加手段との電気的な接続を遮断できる遮断手段とを備
えてなることを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明によるプラズマトーチおよ
びこれを利用した溶鋼加熱タンディッシュの実施の形態
を図１〜３を用いて説明する。なお、図１は、溶鋼加熱
タンディッシュの概略構成図、図２は、プラズマトーチ
の概略構成図、図３は、溶鋼加熱タンディッシュの作用
説明図である。

【００１３】図１に示すように、内部で溶鋼を保持する
タンディッシュ本体１の上部の蓋１ａには、プラズマト
ーチ１０が複数取り付けられており、当該プラズマトー
チ１０は、図２に示すような構造となっている。

【００１４】図１に示すように、タンディッシュ本体１
の蓋１ａに取り付けられた下部筒体１１の内部には、環
状をなす第一陽極である上段陽極１２ａおよび第二陽極
である下段陽極１２ｂが当該下部筒体１１と同軸をなし
てそれぞれ取り付けられており、当該上段陽極１２ａと
下段陽極１２ｂとの間には隙間が設けられている。上段
陽極１２ａおよび下段陽極１２ｂには、冷却水１０２の
流通する流水路１２ａａ，１２ｂａがそれぞれ形成され
ている。下部筒体１１の上部には、上部筒体１３がリン
グ部材１４を介して同軸をなすようにしてボルト結合さ
れている。上部筒体１３の内部には、棒状の陰極１５が
当該上部筒体１３の内周面と隙間を有するように当該上
部筒体１３と同軸をなして挿入されており、当該陰極１
５は、その先端が上記上段陽極１２ａの近傍に位置する
ように蓋板１６を介して上部筒体１３に支持されてい
る。このような下部筒体１１、上部筒体１３、リング部
材１４、蓋板１６などにより、本実施の形態ではケーシ
ングが構成されている。

【００１５】図１，２に示すように、プラズマトーチ１
０の上部筒体１３の上方寄りには、当該上部筒体１３の
内部と外部とを連通する作動ガス第一流通路である連通
路１３ａが形成されている。上部筒体１３の上記連通路
１３ａには、窒素ガスやアルゴンガスなどのような不活
性の作動ガス１０１を送給する作動ガス供給手段である
作動ガス供給装置２が供給管２ａを介して連結されてお
り、当該上部筒体１３の内周面と陰極１５との隙間を介
して当該陰極１５の先端部と上段陽極１２ａとの間に作
動ガス１０１を流通させることができるようになってい
る。プラズマトーチ１０の下部筒体１１には、前記上段
陽極１２ａと前記下段陽極１２ｂとの前記隙間部分と当
該下部筒体１１の外部とを連通する作動ガス第二流路で
ある連通路１１ａが形成されている。下部筒体１１の上
記連通路１１ａには、上記作動ガス供給装置２が供給管
２ｂを介して連結されており、前記陽極１２ａ，１２ｂ
の前記隙間部分から上記下段陽極１２ｂの内側に作動ガ
ス１０１を送給することができるようになっている。

【００１６】図１，２に示すように、プラズマトーチ１
０の陰極１５には、当該プラズマトーチ１０ごとに設け
られたアーク放電用の電圧印加手段であるプラズマ電源
装置３が絶縁ケーブル３ａを介して電気的に接続されて
いる。プラズマトーチ１０の上部陽極１２ａには、上記
プラズマ電源装置３が絶縁ケーブル３ｂおよび遮断手段
である電磁遮断弁６を介して電気的に接続されている。
プラズマトーチ１０の下部陽極１２ｂには、上記プラズ
マ電源装置３が絶縁ケーブル３ｃを介して電気的に接続
されている。なお、上記上段陽極１２ａの内径は、陰極
１５の先端との間で放電しやすいサイズ（従来と同様）
に設定され、上記下段陽極１２ｂの内径は、上記上段陽
極１２ａの内径よりも大きいサイズに設定されている。

【００１７】図１，２に示すように、プラズマトーチ１
０の上部陽極１２ａの流水路１２ａａには、冷却水１０
２を循環送給する冷却水送給手段である冷却水循環装置
４が下部筒体１１を貫通する流水管４ａ，４ｂを介して
連結されている。プラズマトーチ１０の下部陽極１２ｂ
の流水路１２ｂａには、上記冷却水循環装置４が下部筒
体１１を貫通する流水管４ｃ，４ｄを介して連結されて
いる。上記作動ガス供給装置２、プラズマ電源装置３、
冷却水循環装置４は、制御手段である制御装置５に電気
的に接続されており、当該制御装置５は、上記機器２〜
４の出力を制御するようになっている。

【００１８】このような溶鋼加熱タンディッシュの作用
を次に説明する。電磁遮断弁６を接続状態（ＯＮ）にし
た後、制御装置５を作動し、冷却水循環装置４により冷
却水１０２をプラズマトーチ１０の上部陽極１２ａおよ
び下部陽極１２ｂの流水路１２ａａ，１２ｂａ内に流通
させ、作動ガス供給装置２により作動ガス１０１をプラ
ズマトーチ１０の下部筒体１１の連通路１１ａおよび上
部筒体１３の連通路１３ａとに分岐させながら内部に供
給すると共に、プラズマ電源装置３によりプラズマトー
チ１０の前記陽極１２ａ，１２ｂと陰極１５との間に電
圧を印加すると、上段陽極１２ａと陰極１５との間に高
周波放電（短時間の数ｋＶ、数ｍＡの放電）を生じてア
ーク１０３ａを発生することにより、上記作動ガス１０
１が絶縁破壊されて超高温のプラズマ（白熱炎）１０４
ａを生じ、続いて、作動ガス１０１に定常的にエネルギ
を与えてプラズマ化する持続放電（数百Ｖ、数千Ａの持
続アーク放電）を行うことによりプラズマ１０４ａを持
続させながら電気出力および作動ガス１０１の流量を調
整してプラズマ１０４ａの発生量（加熱量）を調整する
ことにより、図３（ａ）に示すように、オフラインでの
タンディッシュ本体１内の予備加熱（１１００〜１５０
０℃）などのような低出力での加熱や保温を行うことが
できる。

【００１９】一方、低出力運転から高出力運転に切り換
える場合には、電磁遮断弁６を遮断状態（ＯＦＦ）に切
り換えた後、制御装置５を作動し、作動ガス供給装置２
による作動ガス１０１の供給量およびプラズマ電源装置
３による電気出力を増加させるように調整することによ
り、下部陽極１２ｂと陰極１５との間に電圧が印加され
てアーク１０３ｂが発生し、電気出力および作動ガス１
０１の供給量の増加に伴う高出力のプラズマ１０４ｂが
得られ、図３（ｂ）に示すように、オンラインでのタン
ディッシュ本体１内の溶鋼１０５の加熱（１４００〜１
５００℃）や、図３（ｃ）に示すように、オフラインで
のタンディッシュ本体１の内壁面の残鋼１０５ａの溶解
排出（１５００℃以上）などのような高出力での加熱や
保温などを溶鋼１０５や残鋼１０５ａの量に応じて出力
調整しながら、すなわち、タンディッシュ本体１の内壁
面を損傷することなく行うことができる。

【００２０】ここで、作動ガス供給装置２からの作動ガ
ス１０１が下部筒体１１の連通路１１ａおよび上部筒体
１３の連通路１３ａとに分岐しながら供給されるので、
作動ガス１０１の供給量が増大しても、陰極１５の先端
部（アーク発生点部分）の作動ガス１０１の流速の増加
が抑えられ、陰極１５の先端部が過冷却されてしまうこ
とはなく、プラズマ１０４ｂが吹き消されてしまうこと
はない。

【００２１】また、内径の大きい下部陽極１２ｂと陰極
１５との間でアーク１０３ｂを発生させているので、当
該アーク１０３ｂの長さが過大に増長することはなく、
下部陽極１２ｂが破損してしまうことはない。

【００２２】したがって、大出力のプラズマ１０４ｂを
何ら問題なく発生させることができる。

【００２３】なお、プラズマトーチ１０の下段陽極１２
ｂの軸心方向の長さは、プラズマ１０４ｂの出力規模に
応じて必要な大きさに選定すればよい。例えば、プラズ
マ１０４ｂの出力規模をさらに大きくしようとする場合
には、図４に示すように、下段陽極１２ａの軸心方向の
長さをさらに長くすることにより、陰極１５と下段陽極
１２ｂとの間に発生するアーク１０３ｂを当該陽極１２
ｂの下方から外側に至ることを抑えることができる。こ
のようなさらなる高出力化の際には、冷却効率をさらに
上げるため、図４に示すように、前記陽極１２ａ，１２
ｂの流水路１２ａａ，１２ｂａを当該陽極１２ａ，１２
ｂの内周面側に近接させるように形成しておくとよい。

【００２４】

【発明の効果】本発明によるプラズマトーチでは、ケー
シングと、前記ケーシングの基端側に支持された棒状を
なす陰極と、前記陰極の先端部の近傍に位置するように
前記ケーシングに当該陰極と同軸をなして支持された環
状の第一陽極と、前記第一陽極と隙間を有するように前
記ケーシングの先端側に当該第一陽極と同軸をなして支
持され、当該第一陽極の内径よりも大径をなす環状の第
二陽極と、前記陰極の先端部と前記第一陽極との間に作
動ガスを流通させるように前記ケーシングに設けられた
作動ガス第一流路と、前記第一陽極と前記第二陽極との
隙間から当該第二陽極の内側に作動ガスを流通させるよ
うに前記ケーシングに設けられた作動ガス第二流路とを
備えてなることから、作動ガスが作動ガス第一流路と作
動ガス第二流路とに分岐しながら供給されるようになる
ので、作動ガスの供給量が増大しても、陰極の先端部の
作動ガスの流速の増加を抑えることができ、陰極の先端
部の過冷却を防止することができ、プラズマの吹き消し
現象を防止することができる。また、内径の大きい下部
陽極と陰極との間でアークを発生させれば、当該アーク
の長さの過大な増長化を防止することができるので、下
部陽極の破損を防止することができる。このため、プラ
ズマの出力を上げることを何ら問題なく行うことができ
る。

【００２５】また、本発明による溶鋼加熱タンディッシ
ュでは、上述のプラズマトーチと、内部で溶鋼を保持
し、上部で前記プラズマトーチを支持するタンディッシ
ュ本体と、前記プラズマトーチの前記作動ガス第一流路
と前記作動ガス第二流路とに作動ガスを供給する作動ガ
ス供給手段と、前記プラズマトーチの前記陰極と前記第
一陽極および前記第二陽極との間に電圧を印加する電圧
印加手段と、前記プラズマトーチの前記第一陽極と前記
電圧印加手段との電気的な接続を遮断できる遮断手段と
を備えてなることから、上述したようにプラズマトーチ
を作用させながらタンディッシュ本体の内部を直接的に
加熱することができるので、タンディッシュ本体内に付
着残留した溶鋼の加熱や、タンディッシュ本体内の予備
加熱などのオフラインでの加熱作業を容易に行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による溶鋼加熱タンディッシュの実施の
形態の概略構成図である。

【図２】本発明によるプラズマトーチの実施の形態の概
略構成図である。

【図３】本発明による溶鋼加熱タンディッシュの作用説
明図である。

【図４】本発明によるプラズマトーチの他の実施の形態
の概略構成図である。

【図５】従来の溶鋼加熱タンディッシュの概略構成図で
ある。

【図６】従来のプラズマトーチの概略構成図である。

【符号の説明】

１ タンディッシュ本体 １ａ 蓋 ２ 作動ガス供給装置 ２ａ，２ｂ 供給管 ３ プラズマ電源装置 ３ａ〜３ｃ 絶縁ケーブル ４ 冷却水循環装置 ４ａ〜４ｄ 流水管 ５ 制御装置 ６ 電磁遮断弁 １０ プラズマトーチ １１ 下部筒体 １１ａ 連通路 １２ａ 上段陽極 １２ａａ 流水路 １２ｂ 下段陽極 １２ｂａ 流水路 １３ 上部筒体 １３ａ 連通路 １４ リング部材 １５ 陰極 １６ 蓋板 １０１ 作動ガス １０２ 冷却水 １０３ａ，１０３ｂ アーク １０４ａ，１０４ｂ プラズマ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシングと、 前記ケーシングの基端側に支持された棒状をなす陰極
   と、 前記陰極の先端部の近傍に位置するように前記ケーシン
   グに当該陰極と同軸をなして支持された環状の第一陽極
   と、 前記第一陽極と隙間を有するように前記ケーシングの先
   端側に当該第一陽極と同軸をなして支持され、当該第一
   陽極の内径よりも大径をなす環状の第二陽極と、 前記陰極の先端部と前記第一陽極との間に作動ガスを流
   通させるように前記ケーシングに設けられた作動ガス第
   一流路と、 前記第一陽極と前記第二陽極との隙間から当該第二陽極
   の内側に作動ガスを流通させるように前記ケーシングに
   設けられた作動ガス第二流路とを備えてなることを特徴
   とするプラズマトーチ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のプラズマトーチと、 内部で溶鋼を保持し、上部で前記プラズマトーチを支持
   するタンディッシュ本体と、 前記プラズマトーチの前記作動ガス第一流路と前記作動
   ガス第二流路とに作動ガスを供給する作動ガス供給手段
   と、 前記プラズマトーチの前記陰極と前記第一陽極および前
   記第二陽極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、 前記プラズマトーチの前記第一陽極と前記電圧印加手段
   との電気的な接続を遮断できる遮断手段とを備えてなる
   ことを特徴とする溶鋼加熱タンディッシュ。