特許 6967900 プラズマ発生装置及びプラズマトーチ

(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】6967900

(24)【登録日】2021年10月28日

(45)【発行日】2021年11月17日

(54)【発明の名称】プラズマ発生装置及びプラズマトーチ

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/34 20060101AFI20211108BHJP

   H05B 7/085 20060101ALI20211108BHJP

   H05B 7/18 20060101ALI20211108BHJP

   F27D 11/08 20060101ALI20211108BHJP

   B22D 41/015 20060101ALN20211108BHJP

   B22D 11/10 20060101ALN20211108BHJP

【ＦＩ】

   H05H1/34

   H05B7/085 A

   H05B7/18 E

   F27D11/08 E

   !B22D41/015

   !B22D11/10 310D

【請求項の数】8

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2017-143484(P2017-143484)

(22)【出願日】2017年7月25日

(65)【公開番号】特開2019-29056(P2019-29056A)

(43)【公開日】2019年2月21日

【審査請求日】2020年3月11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

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(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

(72)【発明者】

【氏名】関 健

(72)【発明者】

【氏名】藤井 忠幸

【審査官】 大門 清

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−０３３８６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０３３１７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０７６３９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１２２８４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０３６８２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１５５９４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５２１１７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／００１６９６８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０５Ｈ １／００− １／５４

Ｈ０５Ｂ ７／００− ７／２２

Ｆ２７Ｄ ７／００−１５／０２

Ｂ２２Ｄ １１／１０

Ｂ２２Ｄ ３３／００−４７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直棒状を呈する黒鉛製のプラズマトーチと、
前記プラズマトーチが鉛直軸に対して所定の角度をなして傾くように前記プラズマトーチを保持する保持具と、
プラズマを発生させるための動作ガスを前記プラズマトーチに供給する供給手段とを備え、
前記プラズマトーチには、前記供給手段によって供給される動作ガスの流路として機能する貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられ、
前記プラズマトーチの先端部は先細り形状を呈し、
前記プラズマトーチの中心軸方向から見て、前記プラズマトーチの最下部は前記貫通孔の周縁近傍に位置している、プラズマ発生装置。

【請求項2】

直棒状を呈する黒鉛製のプラズマトーチと、
前記プラズマトーチが鉛直軸に対して所定の角度をなして傾くように前記プラズマトーチを保持する保持具と、
プラズマを発生させるための動作ガスを前記プラズマトーチに供給する供給手段とを備え、
前記プラズマトーチには、前記供給手段によって供給される動作ガスの流路として機能する第１〜第Ｎ（ただし、Ｎは２以上の自然数。）の貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられ、
前記プラズマトーチの先端部は先細り形状を呈し、
前記プラズマトーチの中心軸方向から見て、前記プラズマトーチの最下部は、前記第ｎ（ただし、ｎは１〜Ｎの自然数。）の貫通孔の位置ベクトルをＰ_ｎとし、前記第ｎの貫通孔から排出される動作ガスの流量をｑ_ｎとしたときに、式１にて求められる位置ベクトルＧの終点近傍に位置している、プラズマ発生装置。

【数1】

【請求項3】

前記最下部を頂点とし且つ前記頂点が下方を向く仮想円錐面上及びその上方に、前記プラズマトーチが位置しており、
前記仮想円錐面と水平面とのなす角度が水平方向から見て５°以上である、請求項１又は２に記載のプラズマ発生装置。

【請求項4】

水平方向から見て前記最下部を頂点とし且つ前記頂点が下方を向く仮想Ｖ字線上及びその上方に、前記プラズマトーチが位置しており、
前記仮想Ｖ字線と水平面とのなす角度が水平方向から見て５°以上である、請求項１又は２に記載のプラズマ発生装置。

【請求項5】

直棒状を呈すると共に黒鉛製であり、
プラズマを発生させるための動作ガスの流路として機能する貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられ、
先端部が先細り形状を呈し、
鉛直軸に対して所定の角度をなして傾くように保持された状態において、中心軸方向から見て、最下部が前記貫通孔の周縁近傍に位置している、プラズマトーチ。

【請求項6】

直棒状を呈すると共に黒鉛製であり、
プラズマを発生させるための動作ガスの流路として機能する第１〜第Ｎ（ただし、Ｎは２以上の自然数。）の貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられ、
先端部が先細り形状を呈し、
鉛直軸に対して所定の角度をなして傾くように保持された状態において、中心軸方向から見て、最下部が、前記第ｎ（ただし、ｎは１〜Ｎの自然数。）の貫通孔の位置ベクトルをＰ_ｎとし、前記第ｎの貫通孔から排出される動作ガスの流量をｑ_ｎとしたときに、式２にて求められる位置ベクトルＧの終点近傍に位置している、プラズマトーチ。

【数2】

【請求項7】

鉛直軸に対して所定の角度をなして傾くように保持された状態において、前記最下部を頂点とし且つ前記頂点が下方を向く仮想円錐面上及びその上方に位置しており、
前記仮想円錐面と水平面とのなす角度が水平方向から見て５°以上である、請求項５又は６に記載のプラズマトーチ。

【請求項8】

水平方向から見て前記最下部を頂点とし且つ前記頂点が下方を向く仮想Ｖ字線上及びその上方に位置しており、
前記仮想Ｖ字線と水平面とのなす角度が水平方向から見て５°以上である、請求項５又は６に記載のプラズマトーチ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマ発生装置及びプラズマトーチに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、溶融した液状の金属（溶湯）の温度を制御するために、少なくとも先端を黒鉛製としたプラズマトーチを開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【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】

【0004】

例えば、従来の連続鋳造装置では、溶湯を貯留する取鍋と、取鍋から供給される溶湯を貯留するためにその下方に配置されるタンディッシュとが、構造上近接せざるを得ない。そのため、取鍋を避けつつプラズマトーチをタンディッシュに至らせるためには、プラズマトーチを斜めに配置する必要がある。

【0005】

従来のプラズマトーチの形態は、円柱形状が一般的である。そのため、プラズマトーチを斜めに配置すると、タンディッシュ内の溶湯の表面とプラズマトーチとの直線距離が最小となるのはプラズマトーチの先端の角部となる。タンディッシュ内の溶湯の表面からの直線距離が短いほどプラズマトーチと溶湯との間の電気抵抗が小さくなるので、プラズマトーチのうち当該角部にプラズマが生じやすくなる。

【0006】

一方、プラズマトーチには、プラズマを発生させるための動作ガスの流路として機能する貫通孔が、プラズマトーチの長さ方向に延びるように設けられている。動作ガスの濃度が高いほど分子又は原子が電離しやすくなるので、プラズマトーチのうち動作ガスの出口である貫通孔の開口部にプラズマが生じやすくなる。

【0007】

このように、従来のプラズマトーチにおいては、プラズマが生じやすい箇所が複数存在している。そのため、駆動ガスの濃度変化等に伴い、プラズマトーチの先端と溶湯の表面との間において、プラズマが不規則的に移動する場合がある。この場合、プラズマによる溶湯の温度制御が困難となりうる。

【0008】

そこで、本発明は、プラズマの安定性を高めることが可能なプラズマ発生装置及びプラズマトーチを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一つの観点に係るプラズマ発生装置は、直棒状を呈する黒鉛製のプラズマトーチと、プラズマトーチが鉛直軸に対して所定の角度をなして傾くようにプラズマトーチを保持する保持具と、プラズマを発生させるための動作ガスをプラズマトーチに供給する供給手段とを備え、プラズマトーチには、供給手段によって供給される動作ガスの流路として機能する貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられ、プラズマトーチの先端部は先細り形状を呈し、プラズマトーチの中心軸方向から見て、プラズマトーチの最下部は貫通孔の周縁近傍に位置している。

【0010】

本発明の一つの観点に係るプラズマ発生装置では、プラズマトーチの中心軸方向から見て、プラズマトーチの最下部が貫通孔の周縁近傍に位置している。そのため、プラズマトーチと溶湯との間において動作ガスの濃度が高まる領域が、プラズマトーチの最下部の下方に生ずる。すなわち、プラズマトーチと溶湯との間において動作ガスの濃度が最も高い領域（第１の領域）と、プラズマトーチ（最下部）と溶湯とを最短で結ぶ仮想直線が延びる領域（第２の領域）とが略一致する。第１の領域では、電子密度が高まるので、プラズマが生じやすい。第２の領域では、電気抵抗が小さいので絶縁破壊が生じやすいと共に、電子の流れが最下部に集中しやすいので、プラズマが生じやすい。従って、第１の領域と第２の領域とが略一致している本発明の一つの観点に係るプラズマ発生装置によれば、プラズマが不規則的に移動し難くなるので、プラズマの安定性を高めることが可能となる。

【0011】

本発明の他の観点に係るプラズマ発生装置は、直棒状を呈する黒鉛製のプラズマトーチと、プラズマトーチが鉛直軸に対して所定の角度をなして傾くようにプラズマトーチを保持する保持具と、プラズマを発生させるための動作ガスをプラズマトーチに供給する供給手段とを備え、プラズマトーチには、供給手段によって供給される動作ガスの流路として機能する第１〜第Ｎ（ただし、Ｎは２以上の自然数。）の貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられ、プラズマトーチの先端部は先細り形状を呈し、プラズマトーチの中心軸方向から見て、プラズマトーチの最下部は、第ｎ（ただし、ｎは１〜Ｎの自然数。）の貫通孔の位置ベクトルをＰ_ｎとし、第ｎの貫通孔から排出される動作ガスの流量をｑ_ｎとしたときに、式１にて求められる位置ベクトルＧの終点近傍に位置している。

【数1】

【0012】

本発明の他の観点に係るプラズマ発生装置では、プラズマトーチの中心軸方向から見て、プラズマトーチの最下部が、式１にて求められる位置ベクトルＧの終点近傍に位置している。式１にて求められる位置ベクトルＧは、貫通孔の位置ベクトルに当該貫通孔から排出される動作ガスの流量を重み付けして求められる加重平均である。すなわち、位置ベクトルＧの終点は、各貫通孔から排出される動作ガスの濃度が最も高まる点（いわば、動作ガスの濃度重心）である。そのため、プラズマトーチと溶湯との間において動作ガスの濃度が高まる領域が、位置ベクトルＧの終点の下方に生ずる。すなわち、プラズマトーチと溶湯との間において動作ガスの濃度が最も高い領域（第１の領域）と、プラズマトーチ（最下部）と溶湯とを最短で結ぶ仮想直線が延びる領域（第２の領域）とが略一致する。第１の領域では、電子密度が高まるので、プラズマが生じやすい。第２の領域では、電気抵抗が小さいので絶縁破壊が生じやすいと共に、電子の流れが最下部に集中しやすいので、プラズマが生じやすい。従って、第１の領域と第２の領域とが略一致している本発明の他の観点に係るプラズマ発生装置によれば、プラズマが不規則的に移動し難くなるので、プラズマの安定性を高めることが可能となる。

【0013】

最下部を頂点とし且つ頂点が下方を向く仮想円錐面上及びその上方に、プラズマトーチが位置しており、仮想円錐面と水平面とのなす角度が水平方向から見て５°以上であってもよい。

【0014】

水平方向から見て最下部を頂点とし且つ頂点が下方を向く仮想Ｖ字線上及びその上方に、プラズマトーチが位置しており、仮想Ｖ字線と水平面とのなす角度が水平方向から見て５°以上であってもよい。

【0015】

本発明の他の観点に係るプラズマトーチは、直棒状を呈すると共に黒鉛製であり、プラズマを発生させるための動作ガスの流路として機能する貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられ、先端部が先細り形状を呈し、鉛直軸に対して所定の角度をなして傾くように保持された状態において、中心軸方向から見て、最下部が貫通孔の周縁近傍に位置している。

【0016】

本発明の他の観点に係るプラズマトーチでは、その中心軸方向から見て、最下部が貫通孔の周縁近傍に位置している。そのため、プラズマトーチが溶湯の上方に設置された場合には、プラズマトーチと溶湯との間において動作ガスの濃度が高まる領域が、プラズマトーチの最下部の下方に生ずる。すなわち、プラズマトーチと溶湯との間において動作ガスの濃度が最も高い領域（第１の領域）と、プラズマトーチ（最下部）と溶湯とを最短で結ぶ仮想直線が延びる領域（第２の領域）とが略一致する。第１の領域では、電子密度が高まるので、プラズマが生じやすい。第２の領域では、電気抵抗が小さいので絶縁破壊が生じやすいと共に、電子の流れが最下部に集中しやすいので、プラズマが生じやすい。従って、第１の領域と第２の領域とが略一致している本発明の他の観点に係るプラズマトーチによれば、プラズマが不規則的に移動し難くなるので、プラズマの安定性を高めることが可能となる。

【0017】

本発明の他の観点に係るプラズマトーチは、直棒状を呈すると共に黒鉛製であり、プラズマを発生させるための動作ガスの流路として機能する第１〜第Ｎ（ただし、Ｎは２以上の自然数。）の貫通孔が長手方向に沿って延びるように設けられ、先端部が先細り形状を呈し、鉛直軸に対して所定の角度をなして傾くように保持された状態において、中心軸方向から見て、最下部が、第ｎ（ただし、ｎは１〜Ｎの自然数。）の貫通孔の位置ベクトルをＰ_ｎとし、第ｎの貫通孔から排出される動作ガスの流量をｑ_ｎとしたときに、式２にて求められる位置ベクトルＧの終点近傍に位置している。

【数2】

【0018】

本発明の他の観点に係るプラズマトーチでは、その中心軸方向から見て、プラズマトーチの最下部が、式１にて求められる位置ベクトルＧの終点近傍に位置している。式１にて求められる位置ベクトルＧは、貫通孔の位置ベクトルに当該貫通孔から排出される動作ガスの流量を重み付けして求められる加重平均である。すなわち、位置ベクトルＧの終点は、各貫通孔から排出される動作ガスの濃度が最も高まる点（いわば、動作ガスの濃度重心）である。そのため、プラズマトーチが溶湯の上方に設置された場合には、プラズマトーチと溶湯との間において動作ガスの濃度が高まる領域が、位置ベクトルＧの終点の下方に生ずる。すなわち、プラズマトーチと溶湯との間において動作ガスの濃度が最も高い領域（第１の領域）と、プラズマトーチ（最下部）と溶湯とを最短で結ぶ仮想直線が延びる領域（第２の領域）とが略一致する。第１の領域では、電子密度が高まるので、プラズマが生じやすい。第２の領域では、電気抵抗が小さいので絶縁破壊が生じやすいと共に、電子の流れが最下部に集中しやすいので、プラズマが生じやすい。従って、第１の領域と第２の領域とが略一致している本発明の他の観点に係るプラズマトーチによれば、プラズマが不規則的に移動し難くなるので、プラズマの安定性を高めることが可能となる。

【0019】

鉛直軸に対して所定の角度をなして傾くように保持された状態において、最下部を頂点とし且つ頂点が下方を向く仮想円錐面上及びその上方に位置しており、仮想円錐面と水平面とのなす角度が水平方向から見て５°以上であってもよい。

【0020】

水平方向から見て最下部を頂点とし且つ頂点が下方を向く仮想Ｖ字線上及びその上方に位置しており、仮想Ｖ字線と水平面とのなす角度が水平方向から見て５°以上であってもよい。

【発明の効果】

【0021】

本発明に係るプラズマ発生装置及びプラズマトーチによれば、プラズマの安定性を高めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【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の（ａ）は第１実施形態に係るプラズマトーチと動作ガス源との接続状態を示し、図２の（ｂ）は図２の（ａ）のプラズマトーチの先端面を示す。

【図3】図３は、第１実施形態に係るプラズマトーチと溶湯との間に生成されるプラズマの状態を示す。

【図4】図４は、従来のプラズマトーチと溶湯との間に生成されるプラズマの状態を示す。

【図5】図５の（ａ）は第２実施形態に係るプラズマトーチと動作ガス源との接続状態を示し、図５の（ｂ）は第２実施形態に係るプラズマトーチの先端面を示す。

【図6】図６は、第２実施形態に係るプラズマトーチと溶湯との間に生成されるプラズマの状態を示す。

【図7】図７の（ａ）は第３実施形態に係るプラズマトーチと動作ガス源との接続状態を示し、図７の（ｂ）は第３実施形態に係るプラズマトーチの先端面を示す。

【図8】図８の（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ第２実施形態及び第３実施形態に係るプラズマトーチ１０の変形例を示す。

【図9】図９は、プラズマトーチの他の例を示す。

【図10】図９の（ａ）の例に係るプラズマトーチと溶湯との間に生成されるプラズマの状態を示す。

【図11】図１１は、プラズマトーチの他の例を示す。

【図12】図１２は、プラズマトーチの他の例を示す。

【図13】図１３は、プラズマトーチの他の例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下に説明される本開示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。

【0024】

［第１実施形態］
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。

【0025】

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。

【0026】

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、動作ガス源１６とを備える。

【0027】

プラズマトーチ１０は、黒鉛によって構成されており、例えば直線状に延びる丸棒（直棒状）である。プラズマトーチ１０の直径は、例えば５０ｍｍ〜２００ｍｍ程度であってもよい。プラズマトーチ１０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１０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。プラズマトーチ１０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。

【0028】

プラズマトーチ１０には、図２に示されるように、貫通孔Ｈが設けられている。貫通孔Ｈは、円形状を呈し、プラズマトーチ１０の中心軸Ａｘ上に配置されている。すなわち、貫通孔Ｈは、プラズマトーチ１０の長手方向（中心軸Ａｘ）に沿って延びている。貫通孔Ｈの直径は、例えば１０ｍｍ程度であってもよい。

【0029】

プラズマトーチ１０の先端部Ｔは、基端側から先端側に向かうにつれて縮径された先細り形状を呈している。具体的には、プラズマトーチ１０の先端部Ｔは、円錐台形状を呈している。図２では、プラズマトーチ１０（先端部Ｔ）の先端面１０ａの直径Ｄ１は、貫通孔Ｈの直径Ｄ２よりも若干大きい。直径Ｄ１の大きさは、直径Ｄ２の１００％〜１１０％程度であってもよい。この場合、先端面１０ａの外周縁は、貫通孔Ｈの周縁近傍に位置しているといえる。直径Ｄ１の大きさは、プラズマトーチ１０の基端部Ｂの直径Ｄ３の５６％以下であってもよい。先端部Ｔの母線と中心軸Ａｘとがなす角は、３０°〜８５°程度であってもよい。

【0030】

図１に戻って、トーチ保持具１２は、プラズマトーチ１０の上端部を保持する。トーチ保持具１２は、例えば、プラズマトーチ１０が鉛直軸に対して０°〜３０°程度傾くようにプラズマトーチ１０を保持可能である。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。

【0031】

トーチ保持具１２によって所定の角度傾くように保持されているプラズマトーチ１０は、図３に示されるように、最も下方に位置する最下部（最下点）ＬＰを有している。第１実施形態に係るプラズマトーチ１０において、最下部ＬＰは、先端面１０ａの外周縁上の一点である。プラズマトーチ１０は、この最下部ＬＰを頂点とし且つ当該頂点が下方を向く仮想円錐面ＳＦ１上及びその上方に位置していてもよい。仮想円錐面ＳＦ１と水平面ＳＦ２とがなす角度φ１が、水平方向から見て５°以上であってもよい。

【0032】

図１及び図２に戻って、動作ガス源１６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）を貫通孔Ｈに供給する。そのため、貫通孔Ｈは、動作ガスの流路として機能する。動作ガス源１６は、配管１８を介して貫通孔Ｈと接続されている。配管１８には、バルブ２０が設けられている。バルブ２０の開閉に応じて、動作ガス源１６からの動作ガスの貫通孔Ｈへの供給状態と非供給状態とが切り替わる。第１実施形態では、動作ガス源１６、配管１８及びバルブ２０が、動作ガスを貫通孔Ｈ（プラズマトーチ１０）に供給する供給手段として機能する。

【0033】

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Ｔの周囲（溶湯Ｍの湯面近傍）を動作ガス雰囲気とする。具体的には、バルブ２０を開放して、動作ガス源１６から貫通孔Ｈに対して動作ガスを供給する。

【0034】

次に、プラズマトーチ１０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、プラズマトーチ１０と溶湯Ｍとの距離（ギャップ）が所定の大きさとなるまで近づける。そうすると、プラズマトーチ１０と溶湯Ｍとの間で絶縁破壊が生じ、プラズマトーチ１０と溶湯Ｍとの間に電流が流れる。これにより、図３に示されるように、プラズマトーチ１０と溶湯Ｍとの間にプラズマＰが発生する。

【0035】

ところで、図４に示されるように、従来の黒鉛製のプラズマトーチ５０は円柱形状が一般的であった。そのため、取鍋１０１とタンディッシュ１０２との配置関係上、取鍋１０１を避けるようにタンディッシュ１０２に向けてプラズマトーチ５０を斜めに配置すると、タンディッシュ１０２内の溶湯Ｍの表面とプラズマトーチ５０との直線距離が最小となるのはプラズマトーチ５０の先端の角部５０ａとなる。タンディッシュ１０２内の溶湯Ｍの表面からの直線距離が短いほどプラズマトーチ５０と溶湯Ｍとの間の電気抵抗が小さくなるので、プラズマトーチ５０のうち当該角部５０ａにプラズマＰ１が生じやすくなる。

【0036】

一方、プラズマトーチ５０には、プラズマを発生させるための動作ガスの流路として機能する貫通孔５０ｂが、プラズマトーチ５０の長さ方向に延びるように設けられている。動作ガスの濃度が高いほど分子又は原子が電離しやすくなるので、プラズマトーチ５０のうち動作ガスの出口である貫通孔５０ｂの開口部５０ｃにプラズマＰ２が生じやすくなる。

【0037】

このように、従来のプラズマトーチ５０においては、プラズマが生じやすい箇所が複数存在している。そのため、駆動ガスの濃度変化等に伴い、プラズマトーチ５０の先端と溶湯Ｍの表面との間において、プラズマＰ１，Ｐ２が不規則的に移動する場合がある。この場合、プラズマによる溶湯Ｍの温度制御が困難となりうる。

【0038】

しかしながら、第１実施形態では、プラズマトーチ１０の中心軸Ａｘ方向から見て、プラズマトーチ１０の最下部ＬＰが貫通孔Ｈの周縁近傍に位置している。そのため、プラズマトーチ１０と溶湯Ｍとの間において動作ガスの濃度が高まる領域が、プラズマトーチ１０の最下部ＬＰの下方に生ずる。すなわち、プラズマトーチ１０と溶湯Ｍとの間において動作ガスの濃度が最も高い領域（第１の領域）と、プラズマトーチ１０（最下部ＬＰ）と溶湯Ｍとを最短で結ぶ仮想直線が延びる領域（第２の領域）とが略一致する。第１の領域では、電子密度が高まるので、プラズマが生じやすい。第２の領域では、電気抵抗が小さいので絶縁破壊が生じやすいと共に、電子の流れが最下部に集中しやすいので、プラズマが生じやすい。従って、第１の領域と第２の領域とが略一致している第１実施形態に係るプラズマ発生装置１によれば、プラズマが不規則的に移動し難くなるので、プラズマの安定性を高めることが可能となる。

【0039】

［第２実施形態］
図５及び図６を参照して、第２実施形態に係るプラズマトーチ１０について、第１実施形態に係るプラズマトーチ１０と相違する点を中心に説明する。

【0040】

図５に示されるように、プラズマトーチ１０に複数の貫通孔Ｈ１〜Ｈ４が設けられていてもよい。具体的には、貫通孔Ｈ１〜Ｈ４は、円形状を呈し、プラズマトーチ１０の長手方向に沿って延びている。貫通孔Ｈ１〜Ｈ４の直径は、例えば１０ｍｍ程度であってもよい。貫通孔Ｈ１〜Ｈ４は、プラズマトーチ１０の中心軸Ａｘを中心に同一半径（同一円周）上に並んでいる。貫通孔Ｈ１〜Ｈ４のうち隣り合う２つの貫通孔同士の距離（貫通孔Ｈ１，Ｈ２の距離、貫通孔Ｈ２，Ｈ３の距離、貫通孔Ｈ３，Ｈ４の距離、及び貫通孔Ｈ４，Ｈ１の距離）は、いずれも略同一である。

【0041】

プラズマトーチ１０の先端部Ｔは、円錐形状を呈している。トーチ保持具１２によって所定の角度傾くように保持されているプラズマトーチ１０は、図６に示されるように、最も下方に位置する最下部（最下点）ＬＰを有している。図５及び図６に示されるように、第２実施形態に係るプラズマトーチ１０において、最下部ＬＰは、先端部Ｔの頂点であり、中心軸Ａｘ上に位置している。

【0042】

図５の（ａ）に示されるように、動作ガス源１６は、動作ガスを貫通孔Ｈ１〜Ｈ４に供給する。そのため、貫通孔Ｈ１〜Ｈ４は、動作ガスの流路として機能する。動作ガス源１６は、配管２２を介して貫通孔Ｈ１〜Ｈ４とそれぞれ接続されている。すなわち、配管２２は、動作ガス源１６から延びた後４つに分岐し、貫通孔Ｈ１〜Ｈ４に至っている。配管２２のうち４つの分岐部分には、それぞれバルブ２４が設けられている。バルブ２４の開閉に応じて、動作ガス源１６からの動作ガスの各貫通孔Ｈ１〜Ｈ４への供給状態と非供給状態とが切り替わる。第２実施形態では、動作ガス源１６、配管２２及びバルブ２４が、動作ガスを貫通孔Ｈ１〜Ｈ４（プラズマトーチ１０）に供給する供給手段として機能する。

【0043】

第２実施形態に係るプラズマトーチ１０においてプラズマを発生させる場合、各バルブ２０を開放して、動作ガス源１６から各貫通孔Ｈ１〜Ｈ４に動作ガスを供給する。これにより、各貫通孔Ｈ１〜Ｈ４には、同時に同じ流量で動作ガスが供給される。そのため、プラズマトーチ１０と溶湯Ｍとの間において動作ガスの濃度が高まる領域は、中心軸Ａｘ方向から見て貫通孔Ｈ１〜Ｈ４の中心、すなわち最下部ＬＰの下方に生ずる。換言すれば、中心軸Ａｘ方向からプラズマトーチ１０の先端面１０ａ側を見たときに、２次元座標上の任意の点を原点とし、各貫通孔Ｈ１〜Ｈ４の位置ベクトルをそれぞれＰ_１〜Ｐ_４とすると、最下部ＬＰの位置ベクトルＧ_１は式３にて表わすことができる。

【数3】

【0044】

以上のような第２実施形態においても、プラズマトーチ１０と溶湯Ｍとの間において動作ガスの濃度が最も高い領域（第１の領域）と、プラズマトーチ１０（最下部ＬＰ）と溶湯Ｍとを最短で結ぶ仮想直線が延びる領域（第２の領域）とが略一致する。従って、プラズマの安定性を高めることが可能となる。

【0045】

［第３実施形態］
図７を参照して、第３実施形態に係るプラズマトーチ１０について、第２実施形態に係るプラズマトーチ１０と相違する点を中心に説明する。

【0046】

第３実施形態に係るプラズマトーチ１０は、最下部ＬＰが中心軸Ａｘ上に存在していない点で、第２実施形態に係るプラズマトーチ１０と異なる。すなわち、第３実施形態に係るプラズマトーチ１０では、最下部ＬＰが先端面１０ａのうち中心軸Ａｘとは異なる位置に存在している。中心軸Ａｘに直交する仮想平面ＳＦ３と先端面１０ａとがなす角は、いずれの箇所においても略同じである。例えば、図７の（ａ）に示されるように、仮想平面ＳＦ３と先端面１０ａのうち貫通孔Ｈ１側の領域とがなす角度θ１と、仮想平面ＳＦ３と先端面１０ａのうち貫通孔Ｈ３側の領域とがなす角度θ２とは、略同じである。

【0047】

第３実施形態に係るプラズマトーチ１０では、動作ガス源１６から各貫通孔Ｈ１〜Ｈ４に供給される動作ガスの流量が異なっている。第３実施形態では、各貫通孔Ｈ１〜Ｈ４の動作ガスの流量をそれぞれｑ_１〜ｑ_４とすると、例えば、ｑ_１＞ｑ_２＝ｑ_３＞ｑ_４に設定されている。そのため、プラズマトーチ１０と溶湯Ｍとの間において動作ガスの濃度が高まる領域は、中心軸Ａｘ方向から見て中心軸Ａｘよりも貫通孔Ｈ１寄りの位置、すなわち最下部ＬＰの下方に生ずる。換言すれば、中心軸Ａｘ方向からプラズマトーチ１０の先端面１０ａ側を見たときに、２次元座標上の任意の点を原点とし、各貫通孔Ｈ１〜Ｈ４の位置ベクトルをそれぞれＰ_１〜Ｐ_４とすると、最下部ＬＰの位置ベクトルＧ_２は式４にて表わすことができる。

【数4】

【0048】

以上のような第３実施形態においても、プラズマトーチ１０と溶湯Ｍとの間において動作ガスの濃度が最も高い領域（第１の領域）と、プラズマトーチ１０（最下部ＬＰ）と溶湯Ｍとを最短で結ぶ仮想直線が延びる領域（第２の領域）とが略一致する。従って、プラズマの安定性を高めることが可能となる。

【0049】

なお、プラズマトーチ１０に第１〜第Ｎ（ただし、Ｎは２以上の自然数。）の貫通孔が設けられている場合には、第ｎの貫通孔から排出される動作ガスの流量をｑ_ｎとしたときに、最下部ＬＰの位置ベクトルＧを式５の一般式にて表わすことができる。

【数5】

【0050】

［他の実施形態］
以上、本開示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、プラズマトーチ１０は、アノードとして機能してもよいし、カソードとして機能してもよい。プラズマトーチ１０がアノードとして機能する場合、広い溶湯Ｍの表面からプラズマトーチ１０の最下部ＬＰに向けて収束するように電子が流れるため、通常はプラズマが不安定になりやすい。しかしながら、上記の実施形態に係るプラズマ発生装置１によれば、プラズマトーチ１０と溶湯Ｍとの間において動作ガスの濃度が最も高い領域（第１の領域）と、プラズマトーチ１０（最下部ＬＰ）と溶湯Ｍとを最短で結ぶ仮想直線が延びる領域（第２の領域）とが略一致するので、プラズマトーチ１０がアノードとして機能する場合であっても、プラズマの安定性を高めることが可能となる。

【0051】

図８に示されるように、中心軸Ａｘに直交する仮想平面ＳＦ３と先端面１０ａとがなす角が、いずれの箇所においても略同じとなっていなくてもよい。例えば、図８の（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ第２実施形態及び第３実施形態に係るプラズマトーチ１０の変形例であり、仮想平面ＳＦ３と先端面１０ａのうち貫通孔Ｈ１側の領域とがなす角度θ１と、仮想平面ＳＦ３と先端面１０ａのうち貫通孔Ｈ３側の領域とがなす角度θ２とが、異なっている（θ１＜θ２）。

【0052】

図９に示されるように、プラズマトーチ１０は、円柱の先端部を所定の平面で切り落とした形状であってもよい。図９の（ａ）は、最下部ＬＰが中心軸Ａｘ上に位置している例を示している。図９の（ｂ）は、最下部ＬＰが中心軸Ａｘ上に位置していない例（最下部ＬＰが先端面１０ａのうち中心軸Ａｘとは異なる位置にある例）を示している。換言すれば、図９の（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、図８の（ａ）及び（ｂ）に示すプラズマトーチ１０において角度θ２が０°である場合を示している。

【0053】

図９に示されるようなプラズマトーチ１０がトーチ保持具１２によって所定の角度傾くように保持された様子を、図１０に示す。この例に係るプラズマトーチ１０において、最下部ＬＰは、先端面１０ａと、当該先端面１０ａを切り落とした平面とが交わる交線である。プラズマトーチ１０は、この最下部ＬＰを頂点とし且つ当該頂点が下方を向く仮想Ｖ字線ＶＬ上及びその上方に位置していてもよい。仮想Ｖ字線ＶＬと水平面ＳＦ２とがなす角度φ２が、水平方向から見て５°以上であってもよい。

【0054】

図１１に示されるように、貫通孔の周縁上又は周縁近傍にプラズマトーチ１０の最下部が位置していてもよい。図１１の（ａ）は、第２実施形態のプラズマトーチ１０において、中心軸Ａｘ上に貫通孔Ｈ５がさらに設けられた例を示す。図１１の（ｂ）は、第３実施形態に係るプラズマトーチ１０において、貫通孔Ｈ１が先端部Ｔの頂点を通るように設けられた例を示す。図１１の（ｃ）は、図９の（ａ）のプラズマトーチ１０において、中心軸Ａｘ上に貫通孔Ｈ５がさらに設けられた例を示す。

【0055】

図１２に示されるように、プラズマトーチ１０の外周部よりも中心部が外方に突出していてもよい。図１２の（ａ）は、図１１の（ａ）のプラズマトーチ１０において、貫通孔Ｈ５部分がその外周部よりも突出している例を示す。図１２の（ｂ）は、図１２の（ａ）のプラズマトーチ１０において、貫通孔Ｈ５が存在しない代わりに中心部の先端に窪み部１０ｂが設けられている例を示す。

【0056】

図１３に示されるように、プラズマトーチ１０の外形は円形状以外であってもよい。図１３の（ａ）は、円の一部が切り欠かれた形状の例を示す。図１３の（ｂ）は、三角形状の例を示す。図１３の（ｃ）は、四角形状の例を示す。図１３の（ｄ）は、四角形のうち一の角部が丸みを帯びている（Ｒ面取りされている）と共に、別の一の角部が直線状に切り欠かれている（Ｃ面取りされている）例を示す。

【0057】

プラズマトーチ１０は、以上に述べた各種の変形が任意に組み合わされて形成されていてもよい。

【符号の説明】

【0058】

１…プラズマ発生装置、１０…プラズマトーチ、１０ａ…先端面、１２…トーチ保持具、１４…昇降機、１６…動作ガス源（供給手段）、１８…配管（供給手段）、２０，２４…バルブ（供給手段）、２２…配管、１００…連続鋳造装置、１０１…取鍋、１０２…タンディッシュ、１０３…鋳型、１０４…鋳片支持ロール、Ａｘ…中心軸、Ｄ１〜Ｄ３…直径、Ｈ，Ｈ１〜Ｈ４…貫通孔、ＬＰ…最下部、Ｍ…溶湯（溶鋼）、Ｐ１，Ｐ２…プラズマ、Ｓ…鋳片、ＳＦ１…仮想円錐面、ＳＦ２…水平面、ＳＦ３…仮想平面、Ｔ…先端部、ＶＬ…仮想Ｖ字線、φ１，φ２，θ１，θ２…角度。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】