(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２ストランドの連続鋳造機用のタンディッシュ内溶鋼を２組のアノードトーチ及びカソードトーチを用いて加熱するツイントーチ式プラズマ加熱装置において、タンディッシュ内の溶鋼を加熱する際の２組のアノードトーチ及びカソードトーチが、取鍋からの溶鋼注入ノズル位置と、タンディッシュからモ−ルドへの溶鋼注入ノズル位置を基に、下記式を満足するように配置されることを特徴とするツイントーチ式プラズマ加熱装置。
０．９０≦Ｌｃ１／Ｌｃ２≦１．１０
０．８５≦Ｌａ１／Ｌａ２≦１．１５
０°≦｜θｃ１−θｃ２｜≦１０°
０°≦｜θａ１−θａ２｜≦１０°
ここで、
Ｌｃ１、Ｌｃ２：カノードトーチ先端と取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入ノズル位置との水平距離、
Ｌａ１、Ｌａ２：アノードトーチ先端と取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入ノズル位置との水平距離、
θｃ１、θｃ２：カソードトーチ先端と、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入ノズル位置と、タンディッシュからモ−ルドへの溶鋼注入ノズル位置とのそれぞれの水平投影面上で、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入ノズル位置を頂点としてなす角度、
θａ１、θａ２：アノードトーチ先端と、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入ノズル位置と、タンディッシュからモ−ルドへの溶鋼注入ノズル位置とのそれぞれの水平投影面上で、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入ノズル位置を頂点としてなす角度。
但し、前記記号中の添数字１、２はそれぞれ第１及び第２のトーチを表す。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ツイントーチ式のタンディッシュ内溶鋼用プラズマ加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマトーチから噴出するガスを高温のプラズマガスとし、該プラズマガスを用いて金属プロセスにおける精錬、溶解、加熱、溶射、表面改善あるいは廃棄物等の処理を行う方法が知られている。カソードプラズマトーチと対象物との間あるいはアノードプラズマトーチと対象物との間にプラズマアークを発生させる移行型プラズマトーチと、プラズマトーチ内のアノードとカソードとの間にプラズマアークを発生させる非移行式型プラズマトーチとが用いられている。移行型プラズマトーチにおいては、１対のプラズマトーチを用い、一方をアノードプラズマトーチ、他方をカソードプラズマトーチとしてプラズマアークを発生させることが可能であり、特にタンディッシュ内の溶鋼加熱用に使用するものは、ツイントーチ式のタンディッシュ内溶鋼用プラズマ加熱装置（以下、ツイントーチ式プラズマ加熱装置）と呼ばれている。
【０００３】
ツイントーチ式プラズマ加熱装置は、タンディッシュ内溶鋼の加熱をするため、一般に図１に示すような配置となっている。容器５としてのタンディッシュの蓋６に設けられた天井壁に、プラズマ形成用のガスを噴出する１対のプラズマトーチ（１，２）が挿入、進退自在に設けられている。プラズマトーチの一方をアノードプラズマトーチ２、他方をカソードプラズマトーチ１とする。直流電源装置７の正側にアノードプラズマトーチ２を接続し、負側にカソードプラズマトーチ１を接続し、各プラズマトーチと溶鋼との間にプラズマアークを形成することにより溶鋼を加熱する。電流はアノードトーチ２の電極端からメインアーク４を経由して溶鋼に流れ、更にカソードトーチ１のメインアーク３を経由してカソードトーチ１の電極端に流れる。
【０００４】
電子の流れは電流と逆向きとなり、カソードトーチ１から放出された電子は、メインアーク３を経由して溶鋼に衝突し、さらに溶鋼中を流れ、メインアーク４を経由してアノードトーチ２へ流れる。特に、カソードトーチ１と溶鋼の間に着目してみると、カソードトーチが陰極の役割を、溶鋼が擬似的に陽極の役割を果たしている。メインアーク中では、電子と陽イオンの密度は互いに相等しいので全体としては空間電荷は０であるが、溶鋼、すなわち陽極前面では、陽イオンが不足している。従って陽極前面においては、電子による空間電荷があり、このため大きな電圧降下、すなわち陽極降下が生じ、この電圧降下部分を電子は陽極の方へ吸引されて陽極に流れ込む。この際、電子が陽極降下部分を飛行することによって得る運動のエネルギーは、陽極表面に衝突して熱として放出され、プラズマ加熱の最も大きな加熱源となっている。すなわちカソードトーチ１の直下の溶鋼が最も温度上昇が大きい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ツイントーチ式プラズマ加熱装置の主な役割は、鍋からの溶鋼流をタンディッシュ内にて昇温し、タンディッシュイマージョンノズルの詰まり等の防止による操業安定化にある。しかしながらツイントーチ式プラズマ加熱装置による溶鋼の昇温を図っても、タンディッシュイマージョンノズルに詰まり等が発生し、狙い通りの効果が得られないケースが存在する。
【０００６】
即ち、タンディッシュ内では、溶鋼が静止しているのでなく、取鍋から注入された溶鋼がタンディッシュ内を流動中にプラズマ加熱されているので、タンディッシュ内の溶鋼流動の影響を考慮して、プラズマ加熱装置のトーチ（アノードトーチとカソードトーチそれぞれの位置）を配置しなければ、効率良く加熱できなくなるばかりか、逆に加熱による熱的な影響を受け、タンディッシュ内の溶鋼流動を乱す可能性があった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、ツイントーチ式プラズマ加熱装置を適用した際に、効率の良く、安定操業できうるプラズマ加熱装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は下記の点にある。
【０００９】
すなわち、２ストランドの連続鋳造機用のタンディッシュ内溶鋼を２組のアノードトーチ及びカソードトーチを用いて加熱するツイントーチ式プラズマ加熱装置において、タンディッシュ内の溶鋼を加熱する際の２組のアノードトーチ及びカソードトーチが、取鍋からの溶鋼注入ノズル位置と、タンディッシュからモ−ルドへの溶鋼注入ノズル位置を基に、下記式を満足するように配置されることを特徴とするツイントーチ式プラズマ加熱装置である。
【００１０】
０．９０≦Ｌｃ１／Ｌｃ２≦１．１０
０．８５≦Ｌａ１／Ｌａ２≦１．１５
０°≦｜θｃ１−θｃ２｜≦１０°
０°≦｜θａ１−θａ２｜≦１０°
ここで、
Ｌｃ１、Ｌｃ２：カノードトーチ先端と取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入ノズル位置との水平距離、
Ｌａ１、Ｌａ２：アノードトーチ先端と取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入ノズル位置との水平距離、
θｃ１、θｃ２：カソードトーチ先端と、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入ノズル位置と、タンディッシュからモ−ルドへの溶鋼注入ノズル位置とのそれぞれの水平投影面上で取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入ノズル位置を頂点としてなす角度、
θａ１、θａ２：アノードトーチ先端と、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入ノズル位置と、タンディッシュからモ−ルドへの溶鋼注入ノズル位置とのそれぞれの水平投影面上で、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入ノズル位置を頂点としてなす角度。
【００１１】
但し、前記記号中の添数字１、２は、それぞれ第１及び第２のトーチを表す。
【００１２】
【発明の実施の形態】
例えば、図１に示す１ストランドの連続鋳造装置用タンディッシュ６内溶鋼を加熱する場合には、取鍋からタンディッシュ６への溶鋼注入用ノズル（以下、タンディッシュ注入ノズルと称す）８とタンディッシュ６からモールドへの溶鋼注入ノズル（以下、モールド注入ノズルと称す）９は、それぞれ１箇所しかないため、図２の水平断面の配置図に示すように、それぞれを結んだ線間近傍にプラズマトーチ１、２を配置して加熱すれば、熱的に大きな影響は受けないと考えられる。
【００１３】
しかしながら、複数ストランドを有する連続鋳造機用のタンディッシュ内溶鋼を２組のトーチ（アノード及びカソードトーチ）を用いて加熱するツイントーチ式プラズマ加熱装置の場合においては、取鍋からタンディッシュへの溶鋼注入口が１箇所であるのに対し、タンディッシュからモールドへの溶鋼注入口が複数存在するため、前記の如くタンディッシュ内の溶鋼を加熱する際の２組のトーチ配置によって、それぞれのストランドに注入される溶鋼温度は大きく異なるのは当然である。
【００１４】
そこで、２ストランド用タンディッシュの場合のアノード及びカソードトーチ配置による影響を検討した。一般的に２つ以上の複数のストランドを有する連続鋳造用タンディッシュの場合は、図３に示すようにタンディッシュ６の中央付近に取鍋からの注入ノズル、すなわち、タンディッシュ注入ノズル８を有する。従って、２ストランド用のタンディッシュでは、２組のそれぞれのトーチ１〜４を、一般的に、タンディッシュ注入ノズル８と２つのモールド注入ノズル９、１０の間付近に配置することが好ましい。
【００１５】
先にも述べたように、ツイントーチ式プラズマ加熱装置において、最も大きな加熱源は、カソードトーチから放出された電子が溶鋼に衝突する際に発生する熱であり、カソードトーチの直下が最も温度上昇効果が得られる。一方、タンディッシュ内の溶鋼流動は、取鍋からのタンディッシュ溶鋼注入位置から、モールドへの注入孔の方向へ拡散する流れを形成している。また、タンディッシュ内溶鋼の表面温度も場所により差が生じている。従って、カソードトーチの加熱位置が、タンディッシュ内溶鋼の均一加熱性や着熱効率に大きく影響を与えると考えられる。従って、タンディッシュ注入ノズル８と２つのカソードトーチ１、１１までのそれぞれの距離が等しい場合に、その後にモールド注入ノズル９、１０を通過してモールドに注入される溶鋼温度偏差は小さくなる。但し、必ずしも前記距離が等しくなくても適正範囲であれば、ノズル詰まり等の操業トラブルの発生のないレベルまで溶鋼温度偏差を抑制できるようになると考えられる。
【００１６】
そこで、図４に示すようにタンディッシュ横断面における第１及び第２のカソードトーチ１、１１先端とタンディッシュ注入ノズルの水平距離をＬｃ１、Ｌｃ２とした場合のモールド内溶鋼の温度偏差量の関係を調査した。ここで、第１及び第２プラズマの投入電力を６００ＫＷ、タンディッシュ注入ノズルからアノードトーチ２、１２への距離Ｌａ１、Ｌａ２は、３３００ｍｍ一定とし、さらに第１及び第２プラズマのカソードトーチ１、１１は、それぞれ、タンディッシュ注入ノズル８とモールド注入ノズル９、１０を直線で結んだ線上に配置し、Ｌｃ１を２５００ｍｍ一定、Ｌｃ２を可変させて加熱し、それぞれのモールドで内での溶鋼温度を実測した。図５に平均溶鋼温度偏差を示すが、下記式（１）を満足すれば溶鋼温度偏差が２℃以下となって、モールド注入ノズル詰まり等の操業トラブルが無くなることが判った。
【００１７】
０．９０≦Ｌｃ１／Ｌｃ２≦１．１０・・・（１）
一方、カソードトーチの直下では、温度上昇効果が大きいが、アノードトーチも、溶鋼からトーチへ向かう電子の流れからなるアーク柱を形成している。アーク柱の温度は５０００℃以上の高温になっており、アノードトーチ周辺の溶鋼は、その輻射熱により加熱されている。従って、カソードトーチの配置方法と同じく、プラズマ加熱における重要な加熱源であるアノードトーチの配置に対しても最適配置の検討を行った。
【００１８】
前記のカソード配置検討の場合と同様に、第１及び第２のアノードトーチ２、１２先端とタンディッシュ注入ノズル８の水平距離をそれぞれＬｃ１、Ｌｃ２とした場合のモールド内の溶鋼温度偏差量の関係を調査した。ここで、第１及び第２プラズマの投入電力を６００ＫＷ、タンディッシュ注入ノズル８からカソードトーチ１、１１への距離Ｌｃ１、Ｌｃ２は２５００ｍｍ一定とし、さらに第１及び第２プラズマのアノードトーチはそれぞれ、タンディッシュ注入ノズル８とモールド注入ノズル９、１０を直線で結んだ線上に配置し、Ｌａ１を３３００ｍｍ一定、Ｌａ２を可変させて加熱し、それぞれのモールドで内での溶鋼温度を実測した。
【００１９】
図６に平均溶鋼温度偏差を示すが、前記カソードトーチの場合と比べその範囲は広がり、下記式（２）を満足すれば溶鋼温度偏差が２℃以下となり、モールド注入ノズル詰まり等の操業トラブル発生がなくなることが判った。
【００２０】
０．８５≦Ｌａ１／Ｌａ２≦１．１５・・・（２）
さらに、単にカソード及びアノードトーチのからタンディッシュ注入ノズルとの水平距離だけでなく、それぞれのトーチと、タンディッシュ注入ノズルと、モ−ルド注入ノズルとの配置関係も適正化が必要と考えた。即ち、タンディッシュ内ではタンディッシュ注入ノズルからの距離は同じでも、タンディッシュ注入ノズルから注入された溶鋼は、タンディッシュ堰等の影響によって深さ方向で上昇流や下降流といった流れの生成により、流れの形態は変化するため、溶鋼流速も異なり、２組のトーチのそれぞれ加熱位置での溶鋼流動パターンが同じになるような条件で加熱しなければ、加熱状況が変化してしまい、結果的にモールド内の溶鋼温度に偏差が生じてしまうのである。
【００２１】
そこで本発明者らがさらに鋭意検討した結果、図７に示すように、タンディッシュ注入ノズル８と、モ−ルド注入ノズル９、１０とをそれぞれ結んだ線を基準線とし、さらにタンディッシュ注入ノズル８とカソードトーチ１、１１先端との間を成す角度θｃ１、θｃ２、及びタンディッシュ注入ノズル８とアノードトーチ２、１２先端との間を成す角度θａ１、θａ２が適正範囲にある場合に、モールド内の溶鋼温度偏差が無くなることを見出したのである。
【００２２】
図８には第１及び第２カソードトーチ１、１１の角度θｃ１とθｃ２の差の絶対値とモールド内の溶鋼温度偏差量の関係を示す。ここで、第１及び第２プラズマの投入電力を６００ＫＷとし、タンディッシュ注入ノズル８からアノードトーチ２、１２への距離Ｌａ１、Ｌａ２を３３００ｍｍ一定とし、タンディッシュ注入ノズル８とモールド注入ノズル９、１０を直線で結んだ線上に配置した。即ち、θａ１＝θａ２＝０°とした。また、カソードトーチ１、１１は、タンディッシュ注入ノズル８からカソードトーチ１、１１への距離Ｌｃ１、Ｌｃ２を２５００ｍｍ一定とし、角度θｃ１＝０°一定として、θｃ２の角度を変化させて加熱し、モールド内での溶鋼温度を実測した。
【００２３】
図８に示すようにθｃ１とθｃ２の差の絶対値が１０°以下となる下記（３）式を満足する場合には温度偏差が付かないことが判った。
【００２４】
０°≦｜θｃ１−θｃ２｜≦１０°・・・（３）
即ち、タンディッシュの幅方向におけるカソードトーチ１、１１をの角度の絶対値の差が１０°以内の場合には、カソードトーチ１、１１の直下ではタンディッシュ溶鋼表面の溶鋼の流速と流れの方向はほぼ等しく（すなわち、流れの方向は、図７のモールド注入ノズルを通過する中心線Ｌの線対称となる。）流動していることを見出したのである。従って、前記角度の差が１０°超になった場合には、カソードトーチ１、１１位置直下での溶鋼流速とその方向が異なるために、プラズマ加熱される溶鋼昇温量に差が生じるために、モールド内に注入される溶鋼温度差が大きくなるものと考えられる。
【００２５】
また、アノードトーチについても前記カソードトーチと同様の検討を行った。
【００２６】
図９にはアノードトーチのなす角度θａ１とθａ２の差の絶対値とモールド内の溶鋼温度偏差量の関係を示す。ここで、第１及び第２プラズマの投入電力は６００ＫＷとし、タンディッシュ注入ノズル８からカソードトーチ１、１１への距離Ｌｃ１、Ｌｃ２を２５００ｍｍ一定とし、タンディッシュ注入ノズル８とモールド注入ノズル９、１０を直線で結んだ線上に配置した。即ち、θｃ１＝θｃ２＝０°とした。また、アノードトーチ２、１２は、タンディッシュ注入ノズル８からアノードトーチ２、１２への距離Ｌａ１、Ｌａ２を３３００ｍｍ一定とし、角度θａ１＝０°一定とし、θａ２の角度を変化させて加熱し、モールド内での溶鋼温度を実測した。
【００２７】
図９に示すように、カソードトーチと同様にアノードトーチの角度θａ１とθａ２の差の絶対値が１０°以下となる下記（４）式を満足する場合にはノズル詰まり等の操業トラブルが発生しない温度偏差２℃以下となることが判ったが、カソードトーチよりも昇温効率が小さいアノードトーチの位置も、カソードトーチと同様な位置関係が必要であるとを見出した。
【００２８】
０°≦｜θａ１−θａ２｜≦１０°・・・（４）
以上のように、タンディッシュ内の溶鋼流動を考慮して、カソードトーチ及びアノードトーチを適正範囲に配置させることによって安定操業ができることが判った。
【００２９】
【実施例】
２ストランドの連続鋳造機用のタンディッシュ内溶鋼を２組のアノード及びカソードトーチを用いて、アノードトーチ及びカソードトーチの位置を変え、そしてストランド毎にモールド内の溶鋼温度を測定し、その温度差の平均値を測定した。表１に出力等の他条件を示す。
【００３０】
【表１】
0003984504.tif 000002
【００３１】
表２にアノードトーチ及びカソードトーチの位置条件とその結果を示す。
【００３２】
本発明例であるＮｏ．１〜５においては、いずれもアノードトーチ及びカソードトーチは本発明条件を満足しており、溶鋼温度偏差が２℃以下であり、ノズル詰まり等の操業トラブルもなく安定鋳造できた。
【００３３】
一方、比較例であるＮｏ．６〜１０においては、Ｎｏ．６ではカソードトーチ距離、Ｎｏ．７ではアノードトーチ距離、Ｎｏ．８ではカソードトーチ角度、Ｎｏ．９ではアノードトーチ角度、Ｎｏ．１０ではアノードトーチとカソードトーチの距離、カソードトーチとアノードトーチ角度が、それぞれ本発明範囲を超えたため溶鋼温度偏差が２℃超となりになり、温度の低い側のストランドでノズル詰まりが発生し、モールド内の湯面変動が大きくなり、品質異常が発生した。
【００３４】
【表２】
0003984504.tif 000003
【００３５】
【発明の効果】
プラズマトーチを本発明に示された配置にすることで、プラズマ加熱装置の効果が最大限発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】１ストランドの連続鋳造用タンディッシュとツインプラズマ加熱装置の配置の縦断面図である。
【図２】１ストランドの連続鋳造用タンディッシュとツインプラズマ加熱装置の配置の水平断面図である。
【図３】２ストランドの連続鋳造用タンディッシュとツインプラズマ加熱装置の配置の縦断面図である。
【図４】２ストランドの連続鋳造用タンディッシュとツインプラズマ加熱装置の配置の水平断面図である。
【図５】Ｌｃ１／Ｌｃ２と溶鋼温度偏差の相関を示した図である。
【図６】Ｌａ１／Ｌａ２と溶鋼温度偏差の相関を示した図である。
【図７】２ストランドの連続鋳造用タンディッシュとツインプラズマ加熱装置のアノードトーチ及びカソード角度関係を示す水平断面図である。
【図８】θｃ１／θｃ２と溶鋼温度偏差の相関を示した図である。
【図９】θａ１／θａ２と溶鋼温度偏差の相関を示した図である。
【符号の説明】
１、１１…カソードトーチ
２、１２…アノードトーチ
３…カソードトーチメインアーク
４…アノードトーチメインアーク
５…タンディッシュ容器
６…タンディッシュ蓋
７…電源装置
８…取鍋からタンディッシュへ溶鋼を注入するノズル（タンディッシュ注入ノズル）
９、１０…タンディッシュからモールドへ溶鋼を注入する浸漬ノズル（モールド注入ノズル）
Ｌ…モールドノズルを通過する中心線
【図１】
0003984504.tif 000004
【図２】
0003984504.tif 000005
【図３】
0003984504.tif 000006
【図４】
0003984504.tif 000007
【図５】
0003984504.tif 000008
【図６】
0003984504.tif 000009
【図７】
0003984504.tif 000010
【図８】
0003984504.tif 000011
【図９】
0003984504.tif 000012