特許 6830379 プラズマトーチ及びプラズマ発生方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6830379

(24)【登録日】2021年1月28日

(45)【発行日】2021年2月17日

(54)【発明の名称】プラズマトーチ及びプラズマ発生方法

(51)【国際特許分類】

   B22D 11/10 20060101AFI20210208BHJP

   H05H 1/34 20060101ALI20210208BHJP

   F27D 11/08 20060101ALI20210208BHJP

   B22D 41/015 20060101ALI20210208BHJP

【ＦＩ】

   B22D11/10 310D

   H05H1/34

   F27D11/08 E

   B22D41/015

【請求項の数】9

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2017-42970(P2017-42970)

(22)【出願日】2017年3月7日

(65)【公開番号】特開2018-144081(P2018-144081A)

(43)【公開日】2018年9月20日

【審査請求日】2019年11月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】306022513

【氏名又は名称】日鉄エンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100145012

【弁理士】

【氏名又は名称】石坂 泰紀

(74)【代理人】

【識別番号】100153969

【弁理士】

【氏名又は名称】松澤 寿昭

(72)【発明者】

【氏名】前川 浩規

【審査官】 米田 健志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−２７６９１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２２Ｄ １１／００〜１１／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

黒鉛製のトーチ本体と、
前記トーチ本体の先端よりも外方に突出するように前記トーチ本体の先端部に取り付けられた金属製の導電性部材とを備え、
前記トーチ本体の先端部には開口部が設けられており、
前記導電性部材は前記開口部に挿嵌されている、プラズマトーチ。

【請求項2】

黒鉛製のトーチ本体と、
前記トーチ本体の先端よりも外方に突出するように前記トーチ本体の先端部に取り付けられた金属製の導電性部材とを備え、
前記トーチ本体の先端部には複数の開口部が設けられており、
前記導電性部材は前記複数の開口部の少なくともいずれか一つに挿嵌されている、プラズマトーチ。

【請求項3】

黒鉛製のトーチ本体と、
前記トーチ本体の先端よりも外方に突出するように前記トーチ本体の先端部に取り付けられた金属製の導電性部材と、
前記導電性部材を保持する保持具とを備え、
前記保持具は、前記トーチ本体の先端部に着脱可能に嵌着するように構成されている、プラズマトーチ。

【請求項4】

黒鉛製のトーチ本体と、
前記トーチ本体の先端よりも外方に突出するように前記トーチ本体の先端部に取り付けられた金属製の導電性部材と、
前記導電性部材は、前記トーチ本体の先端部の外周に嵌着可能な開口部を有する、プラズマトーチ。

【請求項5】

黒鉛製のトーチ本体と、前記トーチ本体の先端よりも外方に突出するように前記トーチ本体の先端部に取り付けられた金属製の導電性部材とを備えるプラズマトーチと溶湯との間にプラズマを発生する方法であって、
前記トーチ本体に所定の電圧を印加した状態で、前記導電性部材を溶湯に接触させる第１の工程と、
前記第１の工程の後に、前記導電性部材を溶湯の外に引き上げる第２の工程とを含む、プラズマ発生方法。

【請求項6】

前記トーチ本体の先端部には開口部が設けられており、
前記導電性部材は前記開口部に挿嵌されている、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記トーチ本体の先端部には複数の開口部が設けられており、
前記導電性部材は前記複数の開口部の少なくともいずれか一つに挿嵌されている、請求項５に記載の方法。

【請求項8】

前記導電性部材を保持する保持具をさらに備え、
前記保持具は、前記トーチ本体の先端部に着脱可能に嵌着するように構成されている、請求項５に記載の方法。

【請求項9】

前記導電性部材は、前記トーチ本体の先端部の外周に嵌着可能な開口部を有する、請求項５に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマトーチ及びプラズマ発生方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば連続鋳造において、溶融した液状の金属（溶湯）の温度を制御するために、プラズマトーチを用いたプラズマ加熱方式が知られている。プラズマトーチを用いてプラズマを発生させる方法としては、プラズマトーチに所定の電圧を印加した状態で、（１）プラズマトーチを溶湯に近接させる方法（第１の方法）や、（２）プラズマトーチを溶湯に浸漬し、プラズマトーチを溶湯から引き上げる方法（第２の方法）が挙げられる。第１の方法によれば、プラズマトーチが溶湯と接触しないようにプラズマトーチの先端と溶湯の表面とのギャップを極めて精度よく制御する必要があるにも関わらず、プラズマが発生しない場合がある。そこで、プラズマを１００％の確率で発生させることが可能な第２の方法の採用が検討されている。

【0003】

ところが、金属製のプラズマトーチを用いる場合、プラズマトーチが溶湯と接触することにより溶湯の熱を奪ってしまい、溶湯の温度制御が困難となる傾向にある。そこで、特許文献１は、プラズマトーチの少なくとも先端を黒鉛製とすることを開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００１−０３３１７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、プラズマの発生のために黒鉛製のプラズマトーチを溶湯に浸漬すると、プラズマトーチを溶湯に浸漬しないでプラズマを発生させる第１の方法と比較して、プラズマトーチが極めて損耗しやすく、プラズマトーチの寿命が１／３〜１／２程度となってしまう。

【0006】

そこで、本発明は、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発生方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一つの観点に係るプラズマトーチは、黒鉛製のトーチ本体と、トーチ本体の先端よりも外方に突出するようにトーチ本体の先端部に取り付けられた導電性部材とを備える。

【0008】

本発明の一つの観点に係るプラズマトーチでは、トーチ本体の先端よりも外方に突出するように導電性部材がトーチ本体の先端部に取り付けられている。そのため、プラズマトーチが溶湯に向けて降下していくと、導電性部材が溶湯に接触し、黒鉛製のトーチ本体は溶湯に接触しないか、ほとんど接触しない。従って、導電性部材が溶湯に接触することで確実にプラズマを発生させることができると共に、トーチ本体が溶湯に浸漬され難いのでプラズマトーチ（トーチ本体）の長寿命化を図ることが可能となる。

【0009】

導電性部材の電気伝導率は、トーチ本体の電気伝導率以上であってもよい。この場合、トーチ本体に所定の電圧を印加すると、導電性部材にも当該電圧が印加されやすくなるので、導電性部材を溶湯に浸漬することでより確実に導電性部材と溶湯との間にプラズマを発生させることができる。

【0010】

導電性部材は金属又は黒鉛によって構成されてもよい。

【0011】

トーチ本体の先端部には開口部が設けられており、導電性部材は開口部に挿嵌されていてもよい。この場合、導電性部材のトーチ本体への取り付けを極めて簡便に行える。

【0012】

トーチ本体の先端部には複数の開口部が設けられており、導電性部材は複数の開口部の少なくともいずれか一つに挿嵌されていてもよい。この場合、導電性部材のトーチ本体への取り付けを極めて簡便に行える。加えて、トーチ本体の先端部には複数の開口部が設けられているので、溶湯がトーチ本体の先端部に飛び跳ねたり、スラグがトーチ本体の先端部に付着して、開口部のいずれかが閉塞されても、閉塞されていない他の開口部に導電性部材を挿嵌させることができる。

【0013】

導電性部材を保持する保持具をさらに備え、保持具は、トーチ本体の先端部に着脱可能に嵌着するように構成されていてもよい。この場合、導電性部材のトーチ本体への取り付けを極めて簡便に行える。

【0014】

導電性部材は、トーチ本体の先端部の外周に嵌着可能な開口部を有してもよい。この場合、導電性部材のトーチ本体への取り付けを極めて簡便に行える。

【0015】

本発明の他の観点に係るプラズマ発生方法は、上記のプラズマトーチと溶湯との間にプラズマを発生する方法であって、トーチ本体に所定の電圧を印加した状態で、導電性部材を溶湯に接触させる第１の工程と、第１の工程の後に、導電性部材を溶湯の外に引き上げる第２の工程とを含む。

【0016】

本発明の他の観点に係るプラズマ発生方法では、第１の工程において導電性部材を溶湯に浸漬し、続く第２の工程において導電性部材を溶湯の外に引き上げている。そのため、黒鉛製のトーチ本体は溶湯に接触しないか、ほとんど接触しない。従って、導電性部材が溶湯に接触することで確実にプラズマを発生させることができると共に、トーチ本体が溶湯に浸漬されないのでトーチ本体の長寿命化を図ることが可能となる。

【発明の効果】

【0017】

本発明に係るプラズマトーチ及びプラズマ発生方法によれば、プラズマトーチの長寿命化を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、連続鋳造装置の一つの例を示す図である。

【図2】図２はプラズマトーチの一つの例を示す図であり、図２の（ａ）はプラズマトーチの断面を示し、図２の（ｂ）はトーチ本体の端面を示す。

【図3】図３はプラズマトーチの他の例を示す図であり、図３の（ａ）はプラズマトーチの側面を示し、図３の（ｂ）は図３の（ａ）のＢ−Ｂ線断面を示す。

【図4】図４は、プラズマトーチの他の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下に説明される本発明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。

【0020】

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、プラズマ発生装置１を備える。

【0021】

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を貯留する容器である。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。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。

【0022】

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。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とを備える。

【0023】

プラズマトーチ１０は、黒鉛によって構成されたトーチ本体１６と、導電性部材１８とを有する。

【0024】

トーチ本体１６は、例えば直線状に延びる丸棒である。トーチ本体１６の直径は、例えば１００ｍｍ〜２００ｍｍ程度であってもよい。トーチ本体１６の長さは、例えば１０００ｍｍ〜２５００ｍｍ程度であってもよい。トーチ本体１６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。トーチ本体１６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。

【0025】

トーチ本体１６には、図２の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、その長手方向に延びる複数の貫通孔１６ａ，１６ｂが形成されている。そのため、トーチ本体１６の端面には、貫通孔１６ａ，１６ｂからなる開口部が生じている。各貫通孔１６ａ，１６ｂの直径は、例えば５ｍｍ〜１０ｍｍ程度であってもよい。貫通孔１６ａは、トーチ本体１６の中心部に配置されている。貫通孔１６ａは、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）の供給路として機能する。貫通孔１６ｂは、トーチ本体１６の周縁に沿うように貫通孔１６ａ周りに配置されている。貫通孔１６ｂは、トーチ本体１６の先端部Ｔに導電性部材１８を取り付けるための保持孔として機能する。

【0026】

導電性部材１８は、図１及び図２に示されるように、トーチ本体１６の先端よりも外方に突出するようにトーチ本体１６の先端部Ｔに取り付けられている。導電性部材１８の材料としては、例えば、金属又は黒鉛が挙げられる。導電性部材１８を構成する金属材料としては、例えば、鉄、アルミニウム、銅などが挙げられる。導電性部材１８の電気伝導率は、トーチ本体１６の電気伝導率、すなわち黒鉛の電気伝導率（１．６×１０^−５Ｓ／ｃｍ程度）以上であってもよい。この場合、トーチ本体１６に所定の電圧を印加すると、導電性部材１８にも当該電圧が印加されやすくなるので、導電性部材１８を溶湯Ｍに浸漬することでより確実に導電性部材１８と溶湯Ｍとの間にプラズマを発生させることができる。

【0027】

導電性部材１８は、図２の（ａ）に示されるように、トーチ本体１６に取り付けられる側の端部である基端部１８ａと、溶湯Ｍに浸漬される側の端部である先端部１８ｂとを有する。基端部１８ａは、截頭円錐形状を呈している。基端部１８ａの端面側の直径は貫通孔１６ｂの直径よりも小さく、基端部１８ａの先端部１８ｂ側の直径は、貫通孔１６ｂの直径よりも大きい。そのため、基端部１８ａを貫通孔１６ｂに押し込むことにより、導電性部材１８（基端部１８ａ）を貫通孔１６ｂに挿嵌することができる。先端部１８ｂは、円柱形状を呈している。先端部１８ｂの直径は、例えば１０ｍｍ程度であってもよい。導電性部材１８の全長は、例えば２００ｍｍ程度であってもよい。

【0028】

成分を厳密に一定に保つことが求められている溶湯Ｍの場合には、導電性部材１８の全てが溶融して溶湯Ｍに溶け込んだ際に溶湯Ｍに生じさせる成分変動が許容可能な程度の成分量を導電性部材１８が含有していてもよい。例えば、導電性部材１８が単一の成分からなる場合には、導電性部材１８の大きさ（体積）を所定値以下としてもよい。

【0029】

図１に戻って、トーチ保持具１２は、トーチ本体１６の上端部を保持する。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トーチ本体１６（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。

【0030】

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、プラズマトーチ１０の先端部の周囲（溶湯Ｍの湯面近傍）を動作ガス雰囲気とする。動作ガス雰囲気とするためには、貫通孔１６ａから動作ガスを噴出させてもよいし、他のガス源から動作ガスを供給してもよい。

【0031】

次に、トーチ本体１６に所定の電圧を印加させる。そして、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、トーチ本体１６が溶湯Ｍに接触しないように、導電性部材１８を溶湯Ｍに接触（浸漬）させる。次に、昇降機１４によってプラズマトーチ１０（導電性部材１８）が溶湯Ｍから離間するように、プラズマトーチ１０を上昇させる。そうすると、導電性部材１８と溶湯Ｍとの間に間隙（ギャップ）が生ずる瞬間に絶縁破壊が生じ、導電性部材１８と溶湯Ｍとの間に電流が流れる。これにより、導電性部材１８と溶湯Ｍとの間にプラズマが発生する。その後は、導電性部材１８が熱により徐々に消耗していき、導電性部材１８が消滅する直前近傍において、トーチ本体１６と溶湯Ｍとの間でプラズマが維持される。その後、トーチ本体１６は、熱によって徐々に消耗していく。

【0032】

以上のような本実施形態では、トーチ本体１６の先端よりも外方に突出するように導電性部材１８がトーチ本体１６の先端部Ｔに取り付けられている。そのため、プラズマトーチ１０が溶湯Ｍに向けて降下していくと、導電性部材１８が溶湯Ｍに接触し、黒鉛製のトーチ本体１６は溶湯Ｍに接触しないか、ほとんど接触しない。従って、導電性部材１８が溶湯Ｍに接触することで確実にプラズマを発生させることができると共に、トーチ本体１６が溶湯Ｍに浸漬され難いのでプラズマトーチ１０（トーチ本体１６）の長寿命化を図ることが可能となる。

【0033】

本実施形態では、トーチ本体１６に設けられている貫通孔１６ｂに導電性部材１８が挿嵌されている。そのため、導電性部材１８のトーチ本体１６への取り付けを極めて簡便に行える。

【0034】

本実施形態では、トーチ本体１６に複数の貫通孔１６ｂが設けられており、導電性部材１８が複数の貫通孔１６ｂのいずれか一つに挿嵌されている。そのため、溶湯Ｍがトーチ本体１６の先端部Ｔに飛び跳ねたり、スラグがトーチ本体１６の先端部Ｔに付着して、貫通孔１６ｂのいずれかが閉塞されても、閉塞されていない他の貫通孔１６ｂに導電性部材１８を挿嵌させることができる。

【0035】

以上、本発明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、貫通孔１６ｂに代えて、トーチ本体１６を貫通しない凹部がトーチ本体１６の端面に形成されていてもよい。いずれにしても、導電性部材１８が挿嵌可能な開口部がトーチ本体１６の端面に設けられていればよい。

【0036】

図３に示されるように、導電性部材１８を保持する保持具２０を介して、導電性部材１８をトーチ本体１６の先端部Ｔに取り付けてもよい。具体的には、トーチ本体１６の周面には、図３の（ａ）に示されるように、トーチ本体１６の長さ方向において所定の間隔を有するように複数の環状凹部１６ｃが形成されている。保持具２０は、環状凹部１６ｃに着脱可能に構成されている。すなわち、保持具２０は、図３の（ｂ）に示されるように、導電性部材１８を保持可能なベース部２０ａと、ベース部２０ａに対して旋回可能な一対の可動部２０ｂとを有する。

【0037】

保持具２０は、一対の可動部２０ｂの各先端部が係合した状態において環状凹部１６ｃに嵌着し、一対の可動部２０ｂの各先端部が離間した状態において環状凹部１６ｃから取り外される。このように、保持具２０を用いて導電性部材１８をトーチ本体１６に取り付けるようにすると、導電性部材１８のトーチ本体１６への取り付けを極めて簡便に行える。トーチ本体１６の消耗の程度に応じて、トーチ本体１６の最も先端側に位置する環状凹部１６ｃに保持具２０を取り付けてもよい。

【0038】

図４に示されるように、導電性部材１８がトーチ本体１６の先端部Ｔの外周に嵌着可能に構成されていてもよい。具体的には、導電性部材１８は半球殻状を呈しており、その開放端側の開口部１８ｃがトーチ本体１６の先端部Ｔの外周に嵌着可能に構成されている。すなわち、開口部１８ｃの内径は、トーチ本体１６の外径よりも若干大きく設定されている。この場合も、導電性部材１８のトーチ本体１６への取り付けを極めて簡便に行える。導電性部材１８には、貫通孔１６ａからの動作ガスが通過可能な貫通孔１８ｄが設けられている。図４において、貫通孔１８ｄは導電性部材１８の頂部に位置しているが、貫通孔１６ａからの動作ガスが通過可能であれば貫通孔１８ｄの位置は特に限定されない。なお、開口部１８ｃを有していれば導電性部材１８は半球殻状以外の他の形状（例えば、筒状）を呈していてもよい。

【符号の説明】

【0039】

１…プラズマ発生装置、１０…プラズマトーチ、１２…トーチ保持具、１４…昇降機、１６…トーチ本体、１６ａ，１６ｂ…貫通孔（開口部）、１６ｃ…環状凹部、１８…導電性部材、１８ａ…基端部、１８ｂ…先端部、１８ｃ…開口部、１８ｄ…貫通孔、２０…保持具、２０ａ…ベース部、２０ｂ…可動部、１００…連続鋳造装置、１０１…取鍋、１０１ａ…ノズル、１０２…タンディッシュ、１０２ａ…ノズル、１０３…鋳型、１０４…鋳片支持ロール、Ｍ…溶湯（溶鋼）、Ｓ…鋳片、Ｔ…先端部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】