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JP3840060B2 - Plasma heating apparatus and method - Google Patents
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマアークを発生させてタンディッシュ内の溶鋼等の被加熱体を加熱するプラズマ加熱装置、及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、プラズマ加熱装置は種々の産業分野において実用化されている。例えば、連続鋳造設備においては、取鍋と鋳型との間にタンディッシュを設けておき、取鍋からの溶鋼をタンディッシュで受けてから鋳型に流し込むようにしているが、前記タンディッシュ内の溶鋼温度の低下は、鋳片品質に大きな影響を与える。そのため、溶鋼温度の低下を防止すべく、タンディッシュ内の溶鋼に対してプラズマ加熱を行うことがなされている。
【0003】
すなわち、タンディッシュ内にアノードとカソードとを設け、その間に高電圧を印加することにより、前記アノードと溶鋼との間、及び前記カソードと溶鋼との間にプラズマアークを発生させて、タンディッシュ内の溶鋼を加熱するようにしたプラズマ加熱装置が知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のプラズマ加熱装置においては、プラズマアークを発生させるためのプラズマ電流のすべてが溶鋼中を流れるのではなく、その一部は、アノード・カソード間の空間を通してアノードとカソードとの間を直接的に流れてしまうことがわかった。この一部のプラズマ電流(以下、「漏れプラズマ電流」と称する)は、プラズマアーク発生に関与しないものである。そのため、かかる漏れプラズマ電流が発生することにより、投入電力に対する加熱効率が低下してしまう問題があった。
【0005】
本発明は前記のような点に鑑みてなされたものであり、アノード・カソード間の空間を流れる漏れプラズマ電流を小さくして、加熱効率を向上させるようにすることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマ加熱装置は、被加熱体の上方空間に配置されたアノード及びカソードを備え、これらアノードとカソードとに電圧を印加してプラズマアークを発生させることにより、前記被加熱体を加熱する構成としたプラズマ加熱装置であって、気体吹き出し手段によって、前記アノードと前記カソードとの間の空間に、その空間の電気抵抗を大きくする気体を吹き出すことにより、前記アノードと前記カソードとの間を流れる漏れプラズマ電流を抑制する構成にし、前記気体吹き出し手段による気体の吹き出し量を、前記アノードから吹き込む気体の量と前記カソードから吹き込む気体の量とを足し合わせた量の2〜20倍とする点に特徴を有する。気体吹き出し手段から吹き出す気体は、例えば雰囲気温度よりも温度の低い気体である。
【0013】
また、本発明のプラズマ加熱装置の他の特徴とするところは、前記気体吹き出し手段による気体の吹き出し方向は、前記アノードのトーチプラズマと前記カソードのトーチプラズマとが作る平面に直接当たる方向である点にある。
【0017】
また、本発明のプラズマ加熱装置の他の特徴とするところは、前記気体吹き出し手段から吹き出す気体は、前記アノードと前記カソードとが配置された空間内に当初から存在する気体と同じものである点にある。
【0018】
また、本発明のプラズマ加熱装置の他の特徴とするところは、前記気体吹き出し手段から吹き出す気体は、室温である点にある。
【0019】
また、本発明のプラズマ加熱装置の他の特徴とするところは、前記気体吹き出し手段から吹き出す気体は、不活性気体である点にある。
【0020】
また、本発明のプラズマ加熱装置の他の特徴とするところは、前記不活性気体はアルゴンガスである点にある。
【0021】
また、本発明のプラズマ加熱装置の他の特徴とするところは、前記気体吹き出し手段を制御する制御手段を備えた点にある。
【0022】
また、本発明のプラズマ加熱装置の他の特徴とするところは、前記発生させたプラズマアークを光学的に観察する光学観察手段を備え、前記制御手段は、前記光学観察手段での観察結果に応じて前記気体吹き出し手段の制御を行う点にある。
【0023】
また、本発明のプラズマ加熱装置の他の特徴とするところは、前記アノード及び前記カソードのうち少なくとも一方の電極に関する電圧及び電流について、少なくともいずれか一方の値を所定個所で計測する計測手段を備え、前記制御手段は、前記計測手段の計測結果に応じて前記気体吹き出し手段を制御する点にある。
【0024】
また、本発明のプラズマ加熱装置の他の特徴とするところは、前記被加熱体は導電体である点にある。
【0025】
また、本発明のプラズマ加熱装置の他の特徴とするところは、前記アノードと前記カソードとをタンディッシュ内に設け、前記タンディッシュ内溶鋼を加熱する構成にした点にある。
【0026】
また、本発明のプラズマ加熱装置の他の特徴とするところは、前記タンディッシュに、前記雰囲気温度よりも温度の低い気体を吹き出すための気体供給口を設けた点にある。
【0027】
また、本発明のプラズマ加熱装置の他の特徴とするところは、前記気体供給口へと前記気体を供給する気体供給配管を前記タンディッシュに固定して配設した点にある。
【0028】
本発明のプラズマ加熱方法は、被加熱体の上方空間に配置されたアノード及びカソードを備え、これらアノードとカソードとに電圧を印加してプラズマアークを発生させることにより、前記被加熱体を加熱する構成としたプラズマ加熱方法であって、前記アノードと前記カソードとの間の空間に、その空間の電気抵抗を大きくする気体を吹き出すことにより、前記アノードと前記カソードとの間を流れる漏れプラズマ電流を抑制するとともに、その気体の吹き出し量を、前記アノードから吹き込む気体の量と前記カソードから吹き込む気体の量とを足し合わせた量の2〜20倍とする点に特徴を有する。
【0029】
このようにした本発明においては、例えば、タンディッシュ内のアノード・カソード間に空間に室温のアルゴンガス等を吹き出すようにすることにより、アノード・カソード間の空間の温度を低下させることができる。このようにアノード・カソード間の空間の温度が下がれば、その空間の電気抵抗を大きくすることができ、アノード・カソード間の空間を流れる漏れプラズマ電流を抑制することができる。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明のプラズマ加熱装置、及び方法の実施の形態について説明する。
【0031】
図1は、タンディッシュ内の溶鋼を加熱するためのプラズマ加熱装置の構成を模式的に示す図である。同図において、1はカソードKとして用いられるトーチであり、タンディッシュ101内の溶鋼102表面の上方位置において、その先端を溶鋼102表面に向け、所定の間隔(LK)を空けて配置されている。
【0032】
2はアノードAとして用いられるトーチであり、前記トーチ1に対して所定の間隔を空けて並行に配置され、かつ、タンディッシュ101内の溶鋼102表面の上方位置において、その先端を溶鋼102表面に向け、所定の間隔(LA(ここでは、LA=LK))を空けて配置されている。
【0033】
3は電源であり、アノードAとカソードKとに高電圧を印加するためのものである。なお、本実施の形態においては、タンディッシュ101内の溶鋼102が、本発明でいう被加熱体に相当する。
【0034】
このように構成されたプラズマ加熱装置では、アノードAとカソードKとに高電圧を印加して、図中点線で示すように溶鋼102中にプラズマ電流を通電させる。このとき、溶鋼102表面とトーチ1、2との間に存在する気体を通じてプラズマアーク(トーチプラズマ)7A、7Kが発生し、タンディッシュ101内の溶鋼102を加熱することになる。
【0035】
ここで、プラズマアークを発生させる場合、アノードA及びカソードKからタンディッシュ101内にアルゴンガスを吹き込み、タンディッシュ101内の溶鋼102表面上方の空間部分にアルゴンガスを充填させて、正圧となるようにしている。これは、タンディッシュ101内に酸素が存在しているとプラズマアークが発生しにくくなるためであり、酸素をタンディッシュ101内から排出して、プラズマアークを発生させやすくするためである。
【0036】
図2は、図1に示したタンディッシュ内溶鋼のプラズマ加熱装置の等価回路を表したものである。図中A、K、3は、図1に示したアノードA、カソードK、電源3であり、等価回路で表わすと、4つの抵抗により接続された回路が構成される。具体的には、アノードAとカソードKとの間には、溶鋼102の抵抗RS、アノードAと溶鋼102表面との間の空間抵抗(プラズマ抵抗)RP、及びカソードKと溶鋼102表面との間の空間抵抗(プラズマ抵抗)RPといった3つの抵抗による合成抵抗と、アノードAとカソードKとの間の空間抵抗RAKとが並列接続された回路となっている。
【0037】
アノードA・カソードK間の合成抵抗Rは、次式
1/R=1/RAK+1/(2RP+RS
すなわち、
R=R0・RAK/(R0+RAK
ただし、R0=2RP+RS
により与えられる。
【0038】
図2に示す等価回路を考慮すれば、図1に矢印103で表した漏れプラズマ電流を抑制するには、漏れプラズマ電流に対する抵抗となる前記アノードA・カソードK間の空間抵抗RAKの抵抗値[Ω]を大きくすればよいことがわかる。以下、漏れプラズマ電流を抑制するために、漏れプラズマ電流に対する抵抗となる前記アノードA・カソードK間の空間抵抗RAKを大きくすることについての実施例を説明する。
【0039】
(第1の実施例)
一般的に、導線の抵抗値Rは、次式(1)
R=ρ・L/S …(1)
により与えられる。なお、ρは電気抵抗率であり、導線の物質と温度により定められる。また、Lは導線の長さであり、抵抗値Rは導線の長さLに比例する。また、Sは断面積であり、抵抗値Rは導線の断面積Sに反比例する。
【0040】
アノードA・カソードK間の空間抵抗RAKについても、前記導線の場合と同様に抵抗値を表現することができる。すなわち、次式(2)
AK=ρAK・LAK/SAK …(2)
が成立するものと考えることができる。
【0041】
したがって、空間抵抗RAKの抵抗値を大きくするには、アノードA・カソードK間の空間距離LAKを大きくすることが考えられる。実際に、図3に示すように、アノードA・カソードK間の空間距離を大きくすることにより、漏れプラズマ電流を小さくして、投入電力に対する出力を比例的に増加させることができた。
【0042】
(第2の実施例)
図4に示すように、第2の実施例では、アノードA・カソードK間の空間に高電気低効率の物質である固体抵抗物8を配置している。同図において、図1で説明した構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。このように固体抵抗物8を配置することによって、アノードA・カソードK間の空間抵抗RAKの抵抗値を大きくすることができ、漏れプラズマ電流を小さくして、投入電力に対する出力を比例的に増加させることができる。なお、アノードA・カソードK間空間抵抗RAKの抵抗値を大きくするものであれば、固体抵抗物8の材質や形状については問わない。
【0043】
(第3の実施例)
図5には、第3の実施例のタンディッシュ内溶鋼のプラズマ加熱装置の構成を模式的に示す。同図において、図1で説明した構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。4はガス吹き出し口であり、タンディッシュ101の天井面に形成されている。このガス吹き出し口4は、詳細は後述するが、トーチ1、2間にアルゴン(Ar)ガスを吹き出すように形成されたものである。
【0044】
5はガス供給装置であり、前記ガス吹き出し口4を介してタンディッシュ101内にアルゴンガスを供給する。6はガス供給配管であり、ガス供給装置5を介してタンディッシュ101に固定されている。
【0045】
タンディッシュ101内に充填されたアルゴンガスの温度(雰囲気温度)は数千[K]となっており、そこに室温のアルゴンガスを吹き出すと、トーチ1、2間、すなわち、アノードA・カソードK間の空間の雰囲気温度は大きく低下する。
【0046】
ここで、アノードA・カソードK間の空間抵抗RAKが上式(2)により表現されるとすると、その電気抵抗率ρAKは、その空間の物質、本実施の形態の場合はタンディッシュ101内に充填されたアルゴンガスにより定められる。そして、その電気低効率ρAKは、図6に示すように、温度が低ければ大きな値となり、温度が高ければ小さな値となる。
【0047】
そこで、本実施例では、ガス吹き出し口5から室温のアルゴンガスを吹き出して、アノードA・カソードK間の空間の雰囲気温度を低下させることにより、電気抵抗率ρAKを大きくして、空間抵抗RAKの抵抗値を大きくするようにしている。このようにして空間抵抗RAKの抵抗値が大きくなれば、漏れプラズマ電流を小さくすることができ、投入電力に対する出力を増加させることができる。
【0048】
また、本実施例のようにアルゴンガス等の気体により温度を下げるようにすれば、前記第1の実施例のようにアノードA・カソードK間の空間距離を大きしたり、前記第2の実施例のように固体抵抗物8を配置したりするのと比べて、装置の小型化やコスト面において有利である。
【0049】
図5において、9はガス供給装置5を制御する制御部である。また、10は溶鋼102表面とトーチ1、2との間に発生するプラズマアーク(トーチプラズマ)7A、7Kを光学的に観察するCCD等の光学観察部である。このようにプラズマアーク7A、7Kを観察して、その結果を制御部9にフィードバックさせることにより、アルゴンガスの吹き出しのタイミングや量等を制御するようにしている。例えば、同じ条件下で投入電力に対するプラズマアーク7A、7Kが弱くなっているような場合には、漏れプラズマ電流が発生していると判断して、アルゴンガスを吹き出し口4から吹き出すように制御すればよい。このようにフィードバック制御を行うことにより、アルゴンガスの無駄な使用をなくし、ランニングコストを低減させることが可能となる。なお、他にも、例えば、投入電圧や全電流値を計測し、その計測結果を制御部9にフィードバックすることにより制御を行うようにしてもよい。
【0050】
図7には、タンディッシュ内溶鋼のプラズマ加熱装置の一具体例を示す。図中201はタンディッシュ、202はタンディッシュカバー、203はタンディッシュカバー202に形成した開口部である。タンディッシュ201内は、堰204により加熱室が形成されている。
【0051】
205、206は長円筒状のプラズマトーチ、207はプラズマトーチ205、206の移動装置の一部であり、具体的には図示しないが、その他にも冷却水配管、ガス配管、通電用ケーブル等が設置されている。プラズマトーチ205、206は、移動装置207によって水平状態から同図に示す起立状態へと移動させられる。そして、図の矢印に示すように、上下方向に動かされて、開口部203からタンディッシュ201内に挿入させられる。この状態でプラズマアークを発生させるのであるが、プラズマトーチ205、206の先端位置を変えてアーク長を調整し、出力の調整を行う。
【0052】
208はタンディッシュカバー202に形成されたガス吹き出し口であり、タンディッシュ201の加熱室内のプラズマトーチ205、206間に、図示しないガス供給源からのアルゴン(Ar)ガスを吹き出す。
【0053】
なお、図5では、いわゆるツイントーチタイプのプラズマ加熱装置について説明したが、図8に示すように、いわゆるシングルトーチタイプ(カソードKとして用いられるトーチのみを設け、アノードAの端子をタンディッシュ1側壁に設けている)のプラズマ加熱装置であってもかまわない。この場合も、上述したように室温のアルゴンガスを吹き出してアノードA・カソードK間の雰囲気温度を低下させることにより、電気抵抗率ρAKを大きくして、空間抵抗RAKの抵抗値を大きくすることができる。
【0054】
また、ガス吹き出し口4は、1つであっても、複数であってもよい。例えば、図9に示すように、タンディッシュ101の天井において、アノードA・カソードK間のほぼ中央位置に複数のガス吹き出し口4を一列に配列するようにしてもよい。また、図10に示すように、タンディッシュ101の天井において、アノードA側、カソードK側にそれぞれガス吹き出し口4を配置するようにしてもよい。
【0055】
以下、図11〜13を参照して、前記雰囲気温度よりも温度の低い気体(室温のアルゴンガス)の吹き出し方向及び吹き出し量について説明する。まず、気体の吹き出し方向について説明すると、図11、12に示すように、アノードAのトーチプラズマ7Aと、カソードKのトーチプラズマ7Kとが作る平面に直接当たるようにする。これにより、アノードAとカソードKとの間の直接抵抗が効果的に上昇して、プラズマの出力が増大する。
【0056】
図11において、矢印41、43で示す吹き出し方向では、気体がアノードAのトーチプラズマ7AとカソードKのトーチプラズマ7Kとが作る平面に直接当たっていないので、プラズマの出力の増大は小さいが、矢印42で示す吹き出し方向では、気体がアノードAのトーチプラズマ7AとカソードKのトーチプラズマ7Kとが作る平面に直接当たっているので、プラズマの出力は増大する。
【0057】
同じく、図12において、矢印44、46で示す吹き出し方向では、気体がアノードAのトーチプラズマ7AとカソードKのトーチプラズマ7Kとが作る平面に直接当たっていないので、プラズマの出力の増大は小さいが、矢印45で示す吹き出し方向では、気体がアノードAのトーチプラズマ7AとカソードKのトーチプラズマ7Kとが作る平面に直接当たっているので、プラズマの出力は増大する。
【0058】
次に、気体の吹き出し量について説明する。図13には、前記雰囲気温度よりも温度の低い気体(室温のアルゴンガス)の吹き出し量Qと、前記アノードAから吹き込む気体の量と前記カソードKから吹き込む気体の量とを足し合わせた量qとの比k(=Q/q)と、プラズマの出力増大割合との関係を表したものである。
【0059】
比kが小さいときは、アノードAとカソードKとの間の直接抵抗の増大は少ないため、出力上昇割合の増大は小さく、ほとんど効果はないが、kが2を超えたあたりから出力上昇割合は大きくなり、効果が顕著となる。
【0060】
そして、比kが20を超えたあたりから出力上昇割合は飽和する。この状態は、アノードAとカソードKとの間に直接流れる漏れプラズマ電流はほとんどゼロとなり、出力上昇にはほとんど寄与しなくなる状態である。したがって、これ以上気体を吹き出させても、出力を上昇させる効果は小さく、かえって気体を付与することによるランニングコストが増大してしまうことから、これ以上の気体の吹き出しは不要である。
【0061】
以上のことを考慮すると、比k、すなわち、前記雰囲気温度よりも温度の低い気体(室温のアルゴンガス)の吹き出し量Qと、前記アノードAから吹き込む気体の量と前記カソードKから吹き込む気体の量とを足し合わせた量qとの比は、2〜20の間の値を取ることが望ましいといえる。
【0062】
(第4の実施例)
第4の実施例は、前記第3の実施例と同じく、アルゴンガス等の気体を用いてアノードA・カソードK間の空間抵抗RAKの抵抗値を大きくするようにしたものであるが、その構成を第3の実施例と異ならせている。図14は、第4の実施例のタンディッシュ内溶鋼のプラズマ加熱装置で使用されるトーチ1(2)の構成を模式的に表した図である。
【0063】
プラズマ加熱装置全体の構成は図1で説明したものと同様であるが、図14に示すように、トーチ1(2)の先端には環状開口11が形成されており、矢印Xに示すように、プラズマアーク(トーチプラズマ)7A(7K)を囲むようにアルゴンガスを吹き出すようになっている。このようにプラズマアーク7A(7K)を囲むようにアルゴンガスを吹き出すことにより、プラズマアーク7A(7K)の乱れをなくし、乱れによるエネルギー損失を低く抑えて、安定したプラズマアーク7A(7K)を得ることが可能となる。
【0064】
前記のような構成において、本実施の形態においては、更に、環状開口11の外側には、同じく環状のガス吹き出し口12が設けられている。このようにしたガス吹き出し口12からは、矢印Yに示すように、プラズマアーク7A(7K)を囲むように吹き出すアルゴンガス(矢印X)を更に囲むようにしてアルゴンガスが吹き出すようにしている。このガス吹き出し口12から吹き出すアルゴンガスは、ガス吹き出し口12が連通する環状通路13を通過する際に水冷されたものである。
【0065】
このようにトーチ1(2)を二重管状にして、プラズマアーク7A(7K)を囲むアルゴンガスに沿って、雰囲気温度よりも温度の低いアルゴンガスを吹き出すようにすることにより、アノードA・カソードK間の空間の雰囲気温度を低下させることができる。したがって、電気抵抗率ρAKが大きくなり、空間抵抗RAKの抵抗値が大きくすることができ、漏れプラズマ電流を小さくして、投入電力に対する出力を増加させることができる。また、ガス吹き出し口12からアルゴンガスを吹き出すことにより、環状開口11から吹き出すアルゴンガスを周囲から遮断して到達距離を延ばすことができる。これにより、プラズマアーク7A(7K)の乱れを抑制する作用を向上させることができる。
【0066】
なお、第4の実施例では、ガス吹き出し口12を環状としたが、その形状に限定されるものではない。例えば、図15に示すように、矢印Xに示すアルゴンガスのすべてを囲むのではなく、一部だけ、すなわち、アノードAにおいてはカソードK側だけ、カソードKにおいてはアノードA側だけをそれぞれ遮断するように雰囲気温度よりも温度の低いアルゴンガスを吹き出すよう吹き出し口12を設けてもよい(矢印Yを参照)。
【0067】
ただし、図14に示したように、矢印Xに示すアルゴンガスのすべてを囲むように雰囲気温度よりも温度の低いアルゴンガスを吹き出すようにすれば、次のような効果が得られる。すなわち、アノードA・カソードK間の空間を通して直接的に流れる漏れプラズマ電流以外に、僅かではあるが、アノードA、カソードKからタンディッシュ101の壁等へと漏れるプラズマ電流が発生することもある。この場合に、矢印Xに示すアルゴンガスのすべてを囲むようにアルゴンガスを吹き出すようにすれば、そのようなプラズマ電流までも抑えることが可能となる。
【0068】
また、図16に示すように、環状の吹き出し口12を設けておき、その吹き出し口12及び内部の環状通路13の周方向にいくつかの壁14を設けてセパレートさせておけば、必要に応じて、所望の個所にのみ雰囲気温度よりも温度の低いアルゴンガスを吹き出すことができる。
【0069】
なお、上述した第3、4の実施例ではアルゴンガスを用いた例について説明したが、不活性気体である単原子分子気体であれば、他の種類、例えばヘリウムガス、ネオンガス等を用いてもよい。
【0070】
以上、本発明の実施例について説明した。再度、図2に示す等価回路を考えると、上述したようにアノードA・カソードK間の合成抵抗Rは、
R=R0・RAK/(R0+RAK
ただし、R0=2RP+RS
により与えられる。
【0071】
ここで、抵抗値RAKと抵抗値Rとの比m
AK=m・R
を考えると、比mと合成抵抗値Rとには、図17に示すような関係がある。すなわち、比m=3以下の場合は、合成抵抗Rの値が小さいので、出力を上昇させ難い。したがって、実際的には、3≦m程度が現実的であり、また、m≦10000程度となれば、それ以上空間抵抗値RAKを大きくして、出力上昇にはほとんど寄与しなくなる状態である。したがって、第1〜4の実施例で述べた各種手法により、3≦m≦10000の範囲で抵抗値RAKを大きくするようにすればよい。
【0072】
以上、空間抵抗値RAKを大きくする具体例を幾つか説明したが、この他に、種々の方法を考慮することができる。例えば、アノードA(カソードK)と溶鋼102との間隔LA(LK)を小さくすることにより、前記空間抵抗値RAKを相対的に大きくすることができるので、漏れプラズマ電流を抑制することができる。
【0073】
また、前述した実施の形態では、アノードAとカソードKとの間の空間を直接的に流れる漏れプラズマ電流について説明したが、本発明の抑制手段は、アノードAちカソードKとの間の空間を間接的に、例えばタンディッシュ等を介して流れる漏れプラズマ電流を抑制するものも含んでいる。すなわち、アルゴンガス等の気体を用いる例でいえば、図9、10等で説明したものはほんの一例に過ぎず、アルゴンガスを吹き出したい個所に応じて、任意の位置にガス吹き出し口4を形成すればよい。
【0074】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、アノードとカソードとの間の空間に、その空間の電気抵抗を大きくする気体を吹き出すことにより、アノードとカソードとの間の空間を流れる漏れプラズマ電流を抑制するようにしたので、投入電力に対する加熱効率を向上させることができる。また、プラズマ加熱装置の安定稼動を可能にして、安定したプラズマアークを発生させて、良好なプラズマ加熱を行うようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】タンディッシュ内溶鋼のプラズマ加熱装置の構成を模式的に示す図である。
【図2】図1で説明したプラズマ加熱装置の等価回路を表す図である。
【図3】アノードA・カソードK間の距離と投入電力に対する出力との関係を示す図である。
【図4】第2の実施例のタンディッシュ内溶鋼のプラズマ加熱装置の構成を模式的に示す図である。
【図5】第3の実施例のタンディッシュ内溶鋼のプラズマ加熱装置の構成を模式的に示す図である。
【図6】電気低効率ρAKと温度との関係を示す図である。
【図7】タンディッシュ内溶鋼のプラズマ加熱装置の一具体例を示す図である。
【図8】他のタンディッシュ内溶鋼のプラズマ加熱装置の構成を模式的に示す図である。
【図9】ガス吹き出し口4の配置例を示す図である。
【図10】ガス吹き出し口4の配置例を示す図である。
【図11】ガス吹き出し方向について説明するための図である。
【図12】ガス吹き出し方向について説明するための図である。
【図13】雰囲気温度よりも温度の低い気体(室温のアルゴンガス)の吹き出し量Qと、前記アノードAから吹き込む気体の量と前記カソードKから吹き込む気体の量とを足し合わせた量qとの比k(=Q/q)と、プラズマの出力増大割合との関係を表した図である。
【図14】第4の実施例のタンディッシュ内溶鋼のプラズマ加熱装置に使用されるトーチの構成を模式的に示す図である。
【図15】他の構成例のトーチを模式的に示す図である。
【図16】他の構成例のトーチの断面を模式的に示す図である。
【図17】抵抗値RAKと抵抗値Rとの比mと、合成抵抗値Rとの関係を示す図である。
【符号の説明】
1、2 トーチ
3 電源
4 ガス吹き出し口
5 ガス供給装置
6 ガス供給配管
7A、7K プラズマアーク
8 固体抵抗物
9 制御部
10 光学観察部
11 環状開口
12 ガス吹き出し口
13 環状通路
A アノード
K カソード
101 タンディッシュ
102 溶鋼
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma heating apparatus and method for generating a plasma arc to heat a heated object such as molten steel in a tundish.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, plasma heating apparatuses have been put into practical use in various industrial fields. For example, in continuous casting equipment, a tundish is provided between the ladle and the mold, and the molten steel from the ladle is received by the tundish and then poured into the mold. The decrease in temperature has a great influence on the slab quality. Therefore, plasma heating is performed on the molten steel in the tundish in order to prevent the molten steel temperature from decreasing.
[0003]
That is, an anode and a cathode are provided in a tundish, and a high voltage is applied between them to generate a plasma arc between the anode and the molten steel and between the cathode and the molten steel, There is known a plasma heating apparatus that heats molten steel.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional plasma heating apparatus, not all of the plasma current for generating the plasma arc flows through the molten steel, but a part of the plasma current directly flows between the anode and the cathode through the space between the anode and the cathode. I understood that it would flow. This part of the plasma current (hereinafter referred to as “leakage plasma current”) does not participate in the generation of the plasma arc. Therefore, there is a problem that the heating efficiency with respect to the input power is reduced due to the generation of the leakage plasma current.
[0005]
The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to improve the heating efficiency by reducing the leakage plasma current flowing in the space between the anode and the cathode.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  The plasma heating apparatus of the present invention includes an anode and a cathode disposed in a space above a heated body, and heats the heated body by applying a voltage to the anode and the cathode to generate a plasma arc. A plasma heating apparatus configured as described above, wherein a gas blowing means blows a gas that increases the electrical resistance of the space into the space between the anode and the cathode. It is configured to suppress the flowing leakage plasma current, and the amount of gas blown out by the gas blowing means is 2 to 20 times the amount of the amount of gas blown from the anode and the amount of gas blown from the cathode It has the characteristics. The gas blown out from the gas blowing means is a gas having a temperature lower than the ambient temperature, for example.
[0013]
Another feature of the plasma heating apparatus according to the present invention is that a gas blowing direction by the gas blowing means is a direction directly hitting a plane formed by the anode torch plasma and the cathode torch plasma. It is in.
[0017]
Another feature of the plasma heating apparatus of the present invention is that the gas blown out from the gas blowing means is the same as the gas existing from the beginning in the space where the anode and the cathode are arranged. It is in.
[0018]
Another feature of the plasma heating apparatus of the present invention is that the gas blown out from the gas blowing means is at room temperature.
[0019]
Another feature of the plasma heating apparatus of the present invention resides in that the gas blown out from the gas blowing means is an inert gas.
[0020]
Another feature of the plasma heating apparatus of the present invention is that the inert gas is argon gas.
[0021]
Another feature of the plasma heating apparatus of the present invention is that it includes a control means for controlling the gas blowing means.
[0022]
Another feature of the plasma heating apparatus of the present invention is that it comprises optical observation means for optically observing the generated plasma arc, and the control means is in accordance with the observation result of the optical observation means. Thus, the gas blowing means is controlled.
[0023]
Another feature of the plasma heating apparatus according to the present invention is that the plasma heating apparatus includes a measuring unit that measures at least one value of a voltage and a current related to at least one of the anode and the cathode at a predetermined position. The control means controls the gas blowing means according to the measurement result of the measurement means.
[0024]
Another feature of the plasma heating apparatus according to the present invention is that the object to be heated is a conductor.
[0025]
Another feature of the plasma heating apparatus according to the present invention is that the anode and the cathode are provided in a tundish to heat the molten steel in the tundish.
[0026]
Another feature of the plasma heating apparatus of the present invention is that a gas supply port for blowing out a gas having a temperature lower than the ambient temperature is provided in the tundish.
[0027]
Another feature of the plasma heating apparatus of the present invention is that a gas supply pipe for supplying the gas to the gas supply port is fixed to the tundish.
[0028]
  The plasma heating method of the present invention includes an anode and a cathode disposed in a space above a heated body, and heats the heated body by applying a voltage to the anode and the cathode to generate a plasma arc. A plasma heating method configured as described above, wherein a leakage plasma current flowing between the anode and the cathode is generated by blowing a gas that increases an electrical resistance of the space into the space between the anode and the cathode. It is characterized in that the amount of gas blown out is 2 to 20 times the sum of the amount of gas blown from the anode and the amount of gas blown from the cathode.
[0029]
In the present invention as described above, the temperature of the space between the anode and the cathode can be lowered by blowing, for example, argon gas at room temperature into the space between the anode and the cathode in the tundish. Thus, if the temperature of the space between the anode and the cathode is lowered, the electrical resistance of the space can be increased, and the leakage plasma current flowing through the space between the anode and the cathode can be suppressed.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a plasma heating apparatus and method according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0031]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a plasma heating apparatus for heating molten steel in a tundish. In the figure, reference numeral 1 denotes a torch used as a cathode K. At a position above the surface of the molten steel 102 in the tundish 101, its tip is directed to the surface of the molten steel 102, and a predetermined interval (LK).
[0032]
Reference numeral 2 denotes a torch used as the anode A. The torch 1 is arranged in parallel to the torch 1 with a predetermined interval, and the tip of the torch 1 is located above the surface of the molten steel 102 in the tundish 101. To a predetermined interval (LA(Here, LA= LK)) Is arranged.
[0033]
Reference numeral 3 denotes a power source for applying a high voltage to the anode A and the cathode K. In the present embodiment, the molten steel 102 in the tundish 101 corresponds to the heated object in the present invention.
[0034]
In the plasma heating apparatus configured as described above, a high voltage is applied to the anode A and the cathode K, and a plasma current is passed through the molten steel 102 as indicated by a dotted line in the figure. At this time, plasma arcs (torch plasma) 7A and 7K are generated through the gas existing between the surface of the molten steel 102 and the torches 1 and 2, and the molten steel 102 in the tundish 101 is heated.
[0035]
Here, when the plasma arc is generated, argon gas is blown into the tundish 101 from the anode A and the cathode K, and the argon gas is filled into the space above the surface of the molten steel 102 in the tundish 101 to obtain a positive pressure. I am doing so. This is because if the oxygen is present in the tundish 101, it is difficult for the plasma arc to be generated. Oxygen is discharged from the tundish 101 to facilitate the generation of the plasma arc.
[0036]
FIG. 2 shows an equivalent circuit of the plasma heating apparatus for molten steel in the tundish shown in FIG. In the figure, A, K, and 3 are the anode A, the cathode K, and the power source 3 shown in FIG. 1, and a circuit that is connected by four resistors is configured in an equivalent circuit. Specifically, the resistance R of the molten steel 102 is between the anode A and the cathode K.S, Spatial resistance (plasma resistance) R between the anode A and the surface of the molten steel 102P, And space resistance (plasma resistance) R between the cathode K and the surface of the molten steel 102PThe combined resistance due to the three resistances and the space resistance R between the anode A and the cathode KAKAre connected in parallel.
[0037]
The combined resistance R between the anode A and the cathode K is given by
1 / R = 1 / RAK+ 1 / (2RP+ RS)
That is,
R = R0・ RAK/ (R0+ RAK)
However, R0= 2RP+ RS
Given by.
[0038]
In consideration of the equivalent circuit shown in FIG. 2, in order to suppress the leakage plasma current represented by the arrow 103 in FIG.AKIt can be seen that the resistance value [Ω] of this should be increased. Hereinafter, in order to suppress the leakage plasma current, the space resistance R between the anode A and the cathode K, which is a resistance against the leakage plasma current.AKAn example of increasing the value will be described.
[0039]
(First embodiment)
Generally, the resistance value R of the conducting wire is expressed by the following formula (1)
R = ρ · L / S (1)
Given by. Note that ρ is the electrical resistivity, and is determined by the substance and temperature of the conductive wire. L is the length of the conducting wire, and the resistance value R is proportional to the length L of the conducting wire. Further, S is a cross-sectional area, and the resistance value R is inversely proportional to the cross-sectional area S of the conducting wire.
[0040]
Spatial resistance R between anode A and cathode KAKThe resistance value can be expressed in the same manner as in the case of the conducting wire. That is, the following formula (2)
RAK= ΡAK・ LAK/ SAK  ... (2)
Can be considered to hold.
[0041]
Therefore, space resistance RAKIn order to increase the resistance value, the spatial distance L between the anode A and the cathode KAKIt is conceivable to increase Actually, as shown in FIG. 3, by increasing the spatial distance between the anode A and the cathode K, it was possible to reduce the leakage plasma current and increase the output relative to the input power proportionally.
[0042]
(Second embodiment)
As shown in FIG. 4, in the second embodiment, a solid resistor 8, which is a material with high electrical and low efficiency, is disposed in the space between the anode A and the cathode K. In the figure, the same reference numerals are given to the components described in FIG. 1, and the description thereof is omitted. By arranging the solid resistor 8 in this way, the space resistance R between the anode A and the cathode K is determined.AKCan be increased, the leakage plasma current can be reduced, and the output relative to the input power can be increased proportionally. In addition, space resistance R between anode A and cathode KAKAs long as the resistance value is increased, the material and shape of the solid resistor 8 are not limited.
[0043]
(Third embodiment)
In FIG. 5, the structure of the plasma heating apparatus of the molten steel in a tundish of a 3rd Example is shown typically. In the figure, the same reference numerals are given to the components described in FIG. 1, and the description thereof is omitted. Reference numeral 4 denotes a gas outlet, which is formed on the ceiling surface of the tundish 101. As will be described in detail later, the gas outlet 4 is formed so as to blow out argon (Ar) gas between the torches 1 and 2.
[0044]
Reference numeral 5 denotes a gas supply device that supplies argon gas into the tundish 101 through the gas outlet 4. A gas supply pipe 6 is fixed to the tundish 101 via the gas supply device 5.
[0045]
The temperature (atmosphere temperature) of the argon gas filled in the tundish 101 is several thousand [K], and when argon gas at room temperature is blown into the argon gas, air is blown between the torches 1 and 2, that is, the anode A and the cathode K. The ambient temperature of the space between them greatly decreases.
[0046]
Here, space resistance R between anode A and cathode KAKIs expressed by the above equation (2), the electrical resistivity ρAKIs determined by the material of the space, in this embodiment, the argon gas filled in the tundish 101. And its electric low efficiency ρAKAs shown in FIG. 6, the value is large when the temperature is low, and is small when the temperature is high.
[0047]
Therefore, in this embodiment, the room temperature argon gas is blown out from the gas blowout port 5 to reduce the atmospheric temperature of the space between the anode A and the cathode K, whereby the electric resistivity ρAKTo increase the space resistance RAKThe resistance value is increased. In this way, space resistance RAKAs the resistance value increases, the leakage plasma current can be reduced, and the output relative to the input power can be increased.
[0048]
If the temperature is lowered by a gas such as argon gas as in the present embodiment, the spatial distance between the anode A and the cathode K is increased as in the first embodiment, or the second embodiment is performed. Compared with the arrangement of the solid resistor 8 as in the example, this is advantageous in terms of downsizing the device and cost.
[0049]
In FIG. 5, reference numeral 9 denotes a control unit that controls the gas supply device 5. Reference numeral 10 denotes an optical observation unit such as a CCD for optically observing plasma arcs (torch plasma) 7A and 7K generated between the surface of the molten steel 102 and the torches 1 and 2. In this way, the plasma arcs 7A and 7K are observed, and the results are fed back to the control unit 9, thereby controlling the timing and amount of blowing out the argon gas. For example, when the plasma arcs 7A and 7K with respect to the input power are weak under the same conditions, it is determined that a leakage plasma current is generated, and the argon gas is controlled to be blown out from the blowing port 4. That's fine. By performing feedback control in this way, it is possible to eliminate wasteful use of argon gas and reduce running costs. In addition, for example, the control may be performed by measuring the input voltage and the total current value and feeding back the measurement result to the control unit 9.
[0050]
FIG. 7 shows a specific example of a plasma heating apparatus for molten steel in tundish. In the figure, 201 is a tundish, 202 is a tundish cover, and 203 is an opening formed in the tundish cover 202. A heating chamber is formed in the tundish 201 by a weir 204.
[0051]
205 and 206 are long cylindrical plasma torches, and 207 is a part of the moving device of the plasma torches 205 and 206. Although not specifically shown, there are other cooling water pipes, gas pipes, energizing cables, etc. is set up. The plasma torches 205 and 206 are moved from the horizontal state to the standing state shown in FIG. Then, as shown by the arrows in the figure, the sheet is moved up and down and inserted into the tundish 201 from the opening 203. In this state, a plasma arc is generated. The tip length of the plasma torches 205 and 206 is changed to adjust the arc length and adjust the output.
[0052]
Reference numeral 208 denotes a gas blowing port formed in the tundish cover 202, which blows out argon (Ar) gas from a gas supply source (not shown) between the plasma torches 205 and 206 in the heating chamber of the tundish 201.
[0053]
Although the so-called twin torch type plasma heating apparatus has been described with reference to FIG. 5, as shown in FIG. 8, a so-called single torch type (provided only with a torch used as the cathode K, the anode A terminal is connected to the side wall of the tundish 1). Or a plasma heating apparatus provided in the above. Also in this case, the electrical resistivity ρ is reduced by blowing the argon gas at room temperature as described above to lower the ambient temperature between the anode A and the cathode K.AKTo increase the space resistance RAKThe resistance value can be increased.
[0054]
Further, the gas outlet 4 may be one or plural. For example, as shown in FIG. 9, a plurality of gas outlets 4 may be arranged in a line at a substantially central position between the anode A and the cathode K on the ceiling of the tundish 101. Further, as shown in FIG. 10, gas blowing ports 4 may be arranged on the anode A side and the cathode K side, respectively, on the ceiling of the tundish 101.
[0055]
Hereinafter, with reference to FIGS. 11 to 13, the blowing direction and the blowing amount of a gas having a temperature lower than the ambient temperature (room temperature argon gas) will be described. First, the gas blowing direction will be described. As shown in FIGS. 11 and 12, the gas is made to directly contact a plane formed by the torch plasma 7A of the anode A and the torch plasma 7K of the cathode K. This effectively increases the direct resistance between the anode A and the cathode K and increases the plasma output.
[0056]
In FIG. 11, in the blowing direction indicated by arrows 41 and 43, the gas does not directly contact the plane formed by the torch plasma 7 </ b> A of the anode A and the torch plasma 7 </ b> K of the cathode K. In the blowing direction indicated by 42, the gas directly hits the plane formed by the torch plasma 7A of the anode A and the torch plasma 7K of the cathode K, so that the plasma output increases.
[0057]
Similarly, in FIG. 12, in the blowing direction indicated by arrows 44 and 46, since the gas does not directly hit the plane formed by the torch plasma 7A of the anode A and the torch plasma 7K of the cathode K, the increase in plasma output is small. In the blowing direction indicated by the arrow 45, the gas directly hits the plane formed by the torch plasma 7A of the anode A and the torch plasma 7K of the cathode K, so that the plasma output increases.
[0058]
Next, the amount of gas blowout will be described. In FIG. 13, an amount q obtained by adding the amount Q of gas blown from the anode A and the amount of gas blown from the cathode K to the amount Q of blown gas (room temperature argon gas) lower than the ambient temperature. This represents the relationship between the ratio k (= Q / q) and the rate of increase in plasma output.
[0059]
When the ratio k is small, the increase in the direct resistance between the anode A and the cathode K is small, so the increase in the output increase rate is small and almost ineffective, but the output increase rate is around when k exceeds 2. The effect becomes significant.
[0060]
The output increase rate is saturated when the ratio k exceeds 20. In this state, the leakage plasma current directly flowing between the anode A and the cathode K becomes almost zero, and hardly contributes to the increase in output. Therefore, even if more gas is blown out, the effect of increasing the output is small, and the running cost by applying the gas is increased. Therefore, no further gas blowing is required.
[0061]
Considering the above, the ratio k, that is, the amount Q of the gas (room temperature argon gas) lower than the ambient temperature, the amount of gas blown from the anode A, and the amount of gas blown from the cathode K It can be said that it is desirable that the ratio to the amount q obtained by adding to be a value between 2 and 20.
[0062]
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment, the space resistance R between the anode A and the cathode K using a gas such as argon gas is the same as the third embodiment.AKThe resistance value is made larger, but the configuration is different from that of the third embodiment. FIG. 14 is a diagram schematically showing the configuration of the torch 1 (2) used in the plasma heating apparatus for molten steel in the tundish according to the fourth embodiment.
[0063]
The overall configuration of the plasma heating apparatus is the same as that described with reference to FIG. 1, but as shown in FIG. 14, an annular opening 11 is formed at the tip of the torch 1 (2). The argon gas is blown out so as to surround the plasma arc (torch plasma) 7A (7K). Thus, by blowing out argon gas so as to surround the plasma arc 7A (7K), the plasma arc 7A (7K) is prevented from being disturbed, and energy loss due to the disturbance is suppressed to a low level, thereby obtaining a stable plasma arc 7A (7K). It becomes possible.
[0064]
In the configuration as described above, in the present embodiment, an annular gas outlet 12 is also provided outside the annular opening 11. From the gas outlet 12 thus configured, as indicated by an arrow Y, the argon gas is blown out so as to further surround the argon gas (arrow X) blown out so as to surround the plasma arc 7A (7K). The argon gas blown out from the gas outlet 12 is water-cooled when passing through the annular passage 13 through which the gas outlet 12 communicates.
[0065]
In this way, the torch 1 (2) is formed into a double tube shape, and argon gas having a temperature lower than the ambient temperature is blown out along the argon gas surrounding the plasma arc 7A (7K). The atmospheric temperature of the space between K can be lowered. Therefore, electrical resistivity ρAKBecomes larger and space resistance RAKCan be increased, the leakage plasma current can be reduced, and the output relative to the input power can be increased. Further, by blowing out argon gas from the gas blowing port 12, the argon gas blown out from the annular opening 11 can be blocked from the surroundings to extend the reach distance. Thereby, the effect | action which suppresses disorder of plasma arc 7A (7K) can be improved.
[0066]
In addition, in the 4th Example, although the gas blower outlet 12 was cyclic | annular, it is not limited to the shape. For example, as shown in FIG. 15, not all of the argon gas indicated by the arrow X is surrounded, but only a part, that is, only the cathode K side in the anode A and only the anode A side in the cathode K are cut off. Thus, the blowout port 12 may be provided so as to blow out argon gas having a temperature lower than the ambient temperature (see arrow Y).
[0067]
However, as shown in FIG. 14, if argon gas having a temperature lower than the ambient temperature is blown out so as to surround all of the argon gas indicated by the arrow X, the following effects can be obtained. That is, in addition to the leakage plasma current that flows directly through the space between the anode A and the cathode K, a plasma current that leaks from the anode A and the cathode K to the wall of the tundish 101 may be generated. In this case, if the argon gas is blown out so as to surround all of the argon gas indicated by the arrow X, such a plasma current can be suppressed.
[0068]
Further, as shown in FIG. 16, if an annular blowing port 12 is provided, and several walls 14 are provided in the circumferential direction of the blowing port 12 and the inner annular passage 13, they are separated as required. Thus, argon gas having a temperature lower than the ambient temperature can be blown out only at a desired location.
[0069]
In the third and fourth embodiments described above, an example using argon gas has been described. However, other types such as helium gas, neon gas, etc. may be used as long as they are monoatomic molecular gas which is an inert gas. Good.
[0070]
The embodiment of the present invention has been described above. Considering the equivalent circuit shown in FIG. 2 again, as described above, the combined resistance R between the anode A and the cathode K is
R = R0・ RAK/ (R0+ RAK)
However, R0= 2RP+ RS
Given by.
[0071]
Here, the resistance value RAKRatio m to resistance R
RAK= M ・ R
, The ratio m and the combined resistance value R have a relationship as shown in FIG. That is, when the ratio m = 3 or less, the value of the combined resistance R is small, and it is difficult to increase the output. Therefore, in practice, about 3 ≦ m is practical, and if m ≦ 10000, the space resistance value R is more than that.AKIs increased so that it hardly contributes to the increase in output. Therefore, the resistance value R is in the range of 3 ≦ m ≦ 10000 by the various methods described in the first to fourth embodiments.AKShould be increased.
[0072]
Thus, the space resistance value RAKAlthough some specific examples for increasing the value have been described, various other methods can be considered. For example, the distance L between the anode A (cathode K) and the molten steel 102A(LK) Is reduced to reduce the space resistance RAKCan be made relatively large, so that the leakage plasma current can be suppressed.
[0073]
In the above-described embodiment, the leakage plasma current that directly flows in the space between the anode A and the cathode K has been described. However, the suppression means of the present invention can reduce the space between the anode A and the cathode K. Indirectly, for example, those that suppress leakage plasma current flowing through a tundish or the like are included. That is, in the example of using a gas such as argon gas, what has been described with reference to FIGS. 9 and 10 is merely an example, and the gas outlet 4 is formed at an arbitrary position depending on the location where the argon gas is to be blown out. do it.
[0074]
【The invention's effect】
  As described above, according to the present invention, the leakage plasma current flowing through the space between the anode and the cathode is generated by blowing the gas that increases the electrical resistance of the space into the space between the anode and the cathode. Since it was made to suppress, the heating efficiency with respect to input electric power can be improved. In addition, the plasma heating apparatus can be stably operated, and a stable plasma arc can be generated to perform good plasma heating.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a plasma heating apparatus for molten steel in a tundish.
FIG. 2 is a diagram illustrating an equivalent circuit of the plasma heating apparatus described in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a distance between an anode A and a cathode K and an output with respect to input power.
FIG. 4 is a diagram schematically showing a configuration of a plasma heating apparatus for molten steel in a tundish according to a second embodiment.
FIG. 5 is a diagram schematically showing a configuration of a plasma heating apparatus for molten steel in a tundish according to a third embodiment.
Fig. 6 Low electrical efficiency ρAKIt is a figure which shows the relationship between temperature.
FIG. 7 is a diagram showing a specific example of a plasma heating apparatus for molten steel in a tundish.
FIG. 8 is a diagram schematically showing the configuration of another plasma heating apparatus for molten steel in tundish.
FIG. 9 is a view showing an arrangement example of the gas outlets 4;
FIG. 10 is a view showing an arrangement example of gas outlets 4;
FIG. 11 is a diagram for explaining a gas blowing direction.
FIG. 12 is a diagram for explaining a gas blowing direction.
FIG. 13 is a graph showing an amount Q of a gas blown from the anode A and an amount q of a gas blown from the cathode K combined with a blowout amount Q of a gas (room temperature argon gas) lower than the ambient temperature. It is a figure showing the relationship between ratio k (= Q / q) and the output increase rate of plasma.
FIG. 14 is a diagram schematically showing a configuration of a torch used in a plasma heating apparatus for molten steel in a tundish according to a fourth embodiment.
FIG. 15 is a diagram schematically showing a torch of another configuration example.
FIG. 16 is a view schematically showing a cross section of a torch of another configuration example.
FIG. 17 shows a resistance value RAKIt is a figure which shows the relationship between ratio m of resistance value R, and synthetic resistance value R.
[Explanation of symbols]
1, 2 torch
3 Power supply
4 Gas outlet
5 Gas supply device
6 Gas supply piping
7A, 7K plasma arc
8 Solid resistors
9 Control unit
10 Optical observation part
11 Annular opening
12 Gas outlet
13 Annular passage
A anode
K cathode
101 tundish
102 Molten steel

Claims (15)

被加熱体の上方空間に配置されたアノード及びカソードを備え、これらアノードとカソードとに電圧を印加してプラズマアークを発生させることにより、前記被加熱体を加熱する構成としたプラズマ加熱装置であって、
気体吹き出し手段によって、前記アノードと前記カソードとの間の空間に、その空間の電気抵抗を大きくする気体を吹き出すことにより、前記アノードと前記カソードとの間を流れる漏れプラズマ電流を抑制する構成にし、
前記気体吹き出し手段による気体の吹き出し量を、前記アノードから吹き込む気体の量と前記カソードから吹き込む気体の量とを足し合わせた量の2〜20倍とすることを特徴とするプラズマ加熱装置。
A plasma heating apparatus comprising an anode and a cathode disposed in a space above a heated body, and configured to heat the heated body by generating a plasma arc by applying a voltage to the anode and the cathode. And
By blowing out a gas that increases the electrical resistance of the space into the space between the anode and the cathode by the gas blowing means, the leakage plasma current flowing between the anode and the cathode is suppressed,
The plasma heating apparatus characterized in that the amount of gas blown by the gas blowing means is 2 to 20 times the total amount of the gas blown from the anode and the gas blown from the cathode.
前記気体吹き出し手段から吹き出す気体は、雰囲気温度よりも温度の低い気体であることを特徴とする請求項1に記載のプラズマ加熱装置。  The plasma heating apparatus according to claim 1, wherein the gas blown out from the gas blowing means is a gas having a temperature lower than an ambient temperature. 前記気体吹き出し手段による気体の吹き出し方向は、前記アノードのトーチプラズマと前記カソードのトーチプラズマとが作る平面に直接当たる方向であることを特徴とする請求項1又は2に記載のプラズマ加熱装置。  3. The plasma heating apparatus according to claim 1, wherein a gas blowing direction by the gas blowing means is a direction directly hitting a plane formed by the anode torch plasma and the cathode torch plasma. 4. 前記気体吹き出し手段から吹き出す気体は、前記アノード及び前記カソードが配置された空間内に存在する気体と同じものであることを特徴とする請求項2に記載のプラズマ加熱装置。  The plasma heating apparatus according to claim 2, wherein the gas blown out from the gas blowing means is the same as the gas existing in the space in which the anode and the cathode are arranged. 前記気体吹き出し手段から吹き出す気体は、室温であることを特徴とする請求項2に記載のプラズマ加熱装置。  The plasma heating apparatus according to claim 2, wherein the gas blown out from the gas blowing means is at room temperature. 前記気体吹き出し手段から吹き出す気体は、不活性気体であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のプラズマ加熱装置。  The plasma heating apparatus according to claim 1, wherein the gas blown out from the gas blowing means is an inert gas. 前記不活性気体はアルゴンガスであることを特徴とする請求項6に記載のプラズマ加熱装置。  The plasma heating apparatus according to claim 6, wherein the inert gas is argon gas. 前記気体吹き出し手段から吹き出す気体の量及び吹き出しタイミングを制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のプラズマ加熱装置。  The plasma heating apparatus according to any one of claims 1 to 7, further comprising a control unit that controls an amount of gas blown from the gas blowing unit and a blowing timing. 前記発生させたプラズマアークを光学的に観察する光学観察手段を備え、
前記制御手段は、前記光学観察手段によって観察された結果に応じて前記気体吹き出し手段の制御を行うことを特徴とする請求項8に記載のプラズマ加熱装置。
An optical observation means for optically observing the generated plasma arc;
The plasma heating apparatus according to claim 8, wherein the control unit controls the gas blowing unit according to a result observed by the optical observation unit.
前記アノード及び前記カソードのうち少なくとも一方の電極に関する電圧及び電流について、少なくともいずれか一方の値を所定個所で計測する計測手段を備え、
前記制御手段は、前記計測手段の計測結果に応じて前記気体吹き出し手段を制御することを特徴とする請求項8に記載のプラズマ加熱装置。
For voltage and current related to at least one of the anode and the cathode, a measuring means for measuring at least one of the values at a predetermined location,
The plasma heating apparatus according to claim 8, wherein the control unit controls the gas blowing unit according to a measurement result of the measurement unit.
前記被加熱体は導電体であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載のプラズマ加熱装置。  The plasma heating apparatus according to claim 1, wherein the object to be heated is a conductor. 前記アノードと前記カソードとをタンディッシュ内に設け、前記タンディッシュ内の溶鋼を加熱する構成にしたことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載のプラズマ加熱装置。  The plasma heating apparatus according to any one of claims 1 to 11, wherein the anode and the cathode are provided in a tundish and the molten steel in the tundish is heated. 前記タンディッシュに、前記雰囲気温度よりも温度の低い気体を吹き出すための気体供給口を設けたことを特徴とする請求項12に記載のプラズマ加熱装置。  The plasma heating apparatus according to claim 12, wherein a gas supply port for blowing out a gas having a temperature lower than the ambient temperature is provided in the tundish. 前記気体供給口へと前記気体を供給する気体供給配管を前記タンディッシュに固定して配設したことを特徴とする請求項13に記載のプラズマ加熱装置。  The plasma heating apparatus according to claim 13, wherein a gas supply pipe for supplying the gas to the gas supply port is fixed to the tundish. 被加熱体の上方空間に配置されたアノード及びカソードを備え、これらアノードとカソードとに電圧を印加してプラズマアークを発生させることにより、前記被加熱体を加熱する構成としたプラズマ加熱方法であって、
前記アノードと前記カソードとの間の空間に、その空間の電気抵抗を大きくする気体を吹き出すことにより、前記アノードと前記カソードとの間を流れる漏れプラズマ電流を抑制するとともに、その気体の吹き出し量を、前記アノードから吹き込む気体の量と前記カソードから吹き込む気体の量とを足し合わせた量の2〜20倍とすることを特徴とするプラズマ加熱方法。
A plasma heating method comprising an anode and a cathode disposed in a space above a heated body and applying a voltage to the anode and the cathode to generate a plasma arc to heat the heated body. And
By blowing out a gas that increases the electrical resistance of the space into the space between the anode and the cathode, the leakage plasma current flowing between the anode and the cathode is suppressed, and the amount of gas blowout is reduced. The plasma heating method is characterized in that the amount of gas blown from the anode and the amount of gas blown from the cathode is 2 to 20 times the total amount.
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