CN104936724A - 由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法 - Google Patents

由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法 Download PDF

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Abstract

在将使钛或钛合金熔解而成的熔液浇注到无底的铸模内，一边使之凝固一边从下方排出的连续铸造方法中，一边使等离子体焰炬(7)在铸模(2)内的熔液的液面上水平移动，一边加热液面，沿着铸模(2)的周向多处设置热电偶(21)，在任一热电偶(21)测定的铸模(2)的温度低于目标温度的情况下，在等离子体焰炬(7)接近该热电偶(21)的设置处时使等离子体焰炬(7)的输出增加。另一方面，在任一热电偶(21)测定的铸模(2)的温度高于目标温度的情况下，在等离子体焰炬(7)接近该热电偶(21)的设置处时使等离子体焰炬(7)的输出降低。由此能够铸造出铸造表皮的状态良好的铸块。

Description

由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法
技术领域
本发明涉及由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法，所述连续铸造方法连续性地铸造由钛或钛合金构成的铸块。
背景技术
将经由真空电弧熔解、电子束熔解而熔融的金属浇注到无底的铸模内，一边使之凝固一边从下方排出，从而连续地铸造铸块。
专利文献1中，公开有一种自动控制等离子弧熔解铸造方法，其是将钛或钛合金在不活泼气体气氛中进行等离子弧熔解，并浇注到铸模内使之凝固的方法。在不活泼气体气氛中进行的等离子弧熔解与在真空中进行的电子束熔解不同，不仅可以铸造纯钛，而且也可以铸造钛合金。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国专利第3077387号公报
发明要解决的课题
可是，若所铸造的铸块的铸造表皮有凹凸和伤痕，则需要在轧制前对于表面进行切削等前处理，成为成品率降低、作业工时增加的原因。因此，要求铸造在铸造表皮没有凹凸和伤痕的铸块。
在此，通过等离子弧熔解连续铸造大型的铸块时，为了加热熔液的液面整体而使等离子体焰炬以规定的路线水平移动。并且，通过优化液面上的等离子体焰炬的输出和移动位置、速度、铸模排热，从而在遍及铸块的整个区域提高铸造表皮的品质。
但是，由于浇注到铸模内的熔液的温度变动、对铸模的接触状态的变化等操作条件的突发变化，因而有时供排热的平衡局部地变化，铸造表皮的品质恶化。
另外，若在温度条件大幅变化时发现该变化迟缓，则由于低温时铸块凝固而不能排出，或在高温时凝固壳破裂而发生液漏等，有时导致操作故障。
因此，一直以来，操作员监视铸模内的状况，进行以手动切换等离子体焰炬的移动模式等操作来应对，但有可能检测和应对迟缓，或发生看漏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以铸造出铸造表皮的状态良好的铸块的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法。
用于解决课题的手段
本发明的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法的特征在于，是将使钛或钛合金熔解而成的熔液浇注到无底的铸模内，一边使之凝固一边从下方排出，从而连续地铸造由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法，其具有如下工序：加热工序，一边使等离子体焰炬在所述铸模内的所述熔液的液面上水平移动，一边以来自所述等离子体焰炬的等离子弧加热所述熔液的液面；测温工序，用沿着所述铸模的周向在所述铸模的多处设置的温度传感器分别测定所述铸模的温度；以及供热量控制工序，基于由所述温度传感器测定的所述铸模的温度和对每个所述温度传感器预先设定的目标温度，来控制从所述等离子体焰炬向所述熔液的液面的每单位面积的供热量。
根据上述构成，基于用温度传感器测定的铸模的温度和对每个温度传感器预先设定的目标温度，来控制从等离子体焰炬向熔液的液面的每单位面积的供热量。例如，按照温度传感器的测温值成为目标温度的方式，来增减从等离子体焰炬向熔液的液面的每单位面积的供热量。像这样，通过基于温度传感器的测温值和目标温度使从等离子体焰炬向熔液的液面的每单位面积的供热量实时变化，能够适当控制熔液的液面附近的供排热状态。由此，能够铸造出铸造表皮的状态良好的铸块。
另外，在本发明的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法中，在所述供热量控制工序中，在任一所述温度传感器测定的所述铸模的温度低于所述目标温度的情况下，在所述等离子体焰炬接近该温度传感器的设置处时使所述等离子体焰炬的输出增加，在任一所述温度传感器测定的所述铸模的温度高于所述目标温度的情况下，在所述等离子体焰炬接近该温度传感器的设置处时使所述等离子体焰炬的输出降低即可。根据上述构成，通过基于温度传感器的测温值和目标温度使等离子体焰炬的输出实时变化，能够适当控制熔液的液面附近的供排热状态。
另外，在本发明的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法中，还具有基于由所述温度传感器测定的所述铸模的温度与所述目标温度之差算出等离子体焰炬输出补正量的算出工序，在所述供热量控制工序中，通过使所述等离子体焰炬的基准输出模式即基准等离子体焰炬输出模式加上所述等离子体焰炬输出补正量，从而对所述等离子体焰炬的输出进行补正即可。根据上述构成，能够基于温度传感器的测温值和目标温度使等离子体焰炬的输出实时变化。
发明效果
根据本发明的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法，通过基于温度传感器的测温值和目标温度使从等离子体焰炬向熔液的液面的每单位面积的供热量实时变化，能够适当控制熔液的液面附近的供排热状态。由此，能够铸造出铸造表皮的状态良好的铸块。
附图说明
图1是表示连续铸造装置的立体图。
图2是表示连续铸造装置的剖面图。
图3A是表示表面缺陷的发生机理的说明图。
图3B是表示表面缺陷的发生机理的说明图。
图4是侧方观看铸模的模型图。
图5是从上方观看铸模的模型图。
图6A是表示补正后的等离子体焰炬输出的算出方法的坐标图，示出实测温度和目标温度。
图6B是表示补正后的等离子体焰炬输出的算出方法的坐标图，示出基准等离子体焰炬输出模式。
图6C是表示补正后的等离子体焰炬输出的算出方法的坐标图，示出等离子体焰炬输出补正量。
图6D是表示补正后的等离子体焰炬输出的算出方法的坐标图，示出等离子体焰炬输出。
图7A是表示等离子体焰炬输出补正量的算出方法的坐标图，示出等离子体焰炬输出补正值。
图7B是表示等离子体焰炬输出补正量的算出方法的坐标图，示出补正系数。
图7C是表示等离子体焰炬输出补正量的算出方法的坐标图，示出等离子体焰炬输出补正量。
图8是表示与图1不同的连续铸造装置的立体图。
具体实施方式
以下，对于本发明的优选实施方式，参照图面进行说明。
(连续铸造装置的构成)
在本实施方式的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法中，将经过等离子弧熔解的钛或钛合金的熔液浇注到无底的铸模内，一边使之凝固一边从下方排出，从而连续地铸造由钛或钛合金构成的铸块。实施该连续铸造方法的钛或钛合金所构成的铸块的连续铸造装置1如立体图1和剖面图2所示，具有：铸模2；冷炉床3；进料装置4；等离子体焰炬5；起熔块6；和等离子体焰炬7。连续铸造装置1的周围是氩气、氦气等构成的不活泼气体气氛。
进料装置4用于向冷炉床3内投入海绵钛、碎料等钛或钛合金的原料。等离子体焰炬5设于冷炉床3的上方，其使等离子弧发生，使冷炉床3内的原料熔融。对于冷炉床3而言，将原料熔融的熔液12从浇注部3a浇注到铸模2内。铸模2为铜制，无底且截面形状形成为矩形，利用在方筒状的壁部的至少一部分的内部循环的水来进行冷却。起熔块6经由未图示的驱动部上下起伏，可以堵塞铸模2的下侧开口部。等离子体焰炬7设于铸模2内的熔液12的上方，一边利用未图示移动装置使之在熔液12的液面上水平移动，一边以等离子弧加热浇注到铸模2内的熔液12的液面。
在以上的构成中，浇注到铸模2内的熔液12从与水冷式的铸模2的接触面开始凝固。然后，通过将堵塞了铸模2的下侧开口部的起熔块6按规定的速度朝下方下拉，从而熔液12凝固的方柱状的铸块(板坯)11一边被从下方排出一边连续地铸造。
在此，在真空气氛下的电子束熔解中，因为微少成分蒸发，所以钛合金的铸造困难。相对于此，在不活泼气体气氛下的等离子弧熔解中，不仅可以铸造纯钛，也可以铸造钛合金。
还有，连续铸造装置1也可以具有向铸模2内的熔液12的液面投入固相或液相的助熔剂的助熔剂投入装置。在此，在真空气氛下的电子束熔解中，因为助熔剂飞散，所以将助熔剂投入到铸模2内的熔液12是困难的。相对于此，不活泼气体气氛下的等离子弧熔解具有能够将助熔剂投入到铸模2内的熔液12中的优点。
(操作条件)
那么，在连续铸造由钛或钛合金构成的铸块11时，若铸块11的表面(铸造表皮)有凹凸和伤痕，则在作为下道工序的轧制过程中成为表面缺陷。这样的铸块11表面的凹凸和伤痕需要在轧制之前通过切削等加以去除，由于成品率的降低和作业工序的增加等而成为成本上升的要因。因此，要求铸造表面没有凹凸和伤痕的铸块11。
在此，如图3A、图3B所示，在由钛构成的铸块11的连续铸造中，只有在被等离子弧、电子束加热的熔液12的液面邻域(从液面至液面下10～20mm左右的区域)，铸模2与铸块11(凝固壳13)的表面才会接触。在比该接触区域深的区域，铸块11发生热收缩，从而在与铸模2之间产生空气隙14。而后，如图3A所示，向初期凝固部15(熔液12与铸模2接触而最初凝固的部分)的供热过多时，因为凝固壳13太薄，所以强度不足，导致凝固壳13的表面被撕裂“断裂缺陷”发生。另一方面，如图3B所示，若向初期凝固部15的供热不足，则生长的(变厚的)凝固壳13上被覆熔液12，从而发生“熔覆缺陷”。因此，推定熔液12的液面邻域向初期凝固部15的供排热状况会对铸造表皮的性状造成很大的影响，认为通过恰当地控制熔液12的液面邻域的供排热状态，能够得到良好的铸造表皮的铸块11。
因此，如从侧方观看铸模2的模型图图4和从上方观看铸模2的模型图图5所示，沿着铸模2的周向在铸模2的多处设置热电偶(温度传感器)21。然后，基于各热电偶21测定的铸模2的温度和对每个热电偶21预先设定的目标温度，来控制从等离子体焰炬7向熔液12的液面的每单位面积的供热量。在本实施方式中，基于各热电偶21测定的铸模2的温度和对每个热电偶21预先设定的目标温度，来控制在熔液12的液面上水平移动的等离子体焰炬7的输出。此外，可以将等离子体焰炬7的输出设为一定，通过使等离子体焰炬7与熔液12的液面的距离变化，或使等离子气体的流量变化，来控制从等离子体焰炬7向熔液12的液面的每单位面积的供热量。另外，测量铸模2的温度的单元不限于热电偶21，也可以是光纤等。
具体来说，各热电偶21测定的铸模2的温度被输入到控制装置22。在控制装置22中，输入对每个热电偶21预先设定的目标温度值和等离子体焰炬输出补正量。然后，控制装置22将基于各热电偶21测定的铸模2的温度和目标温度的等离子体焰炬输出控制信号输出到等离子体焰炬7。按照这样，控制装置22按照任一热电偶21测定的铸模2的温度低于目标温度的情况下，在等离子体焰炬7接近该热电偶21的设置处时使等离子体焰炬7的输出增加的方式，控制等离子体焰炬7的输出。另外，控制装置22按照任一热电偶21测定的铸模2的温度高于目标温度的情况下，在等离子体焰炬7接近该热电偶21的设置处时使等离子体焰炬7的输出降低的方式，控制等离子体焰炬7的输出。
像这样，通过基于热电偶21的测温值和目标温度使从等离子体焰炬7向熔液12的液面的每单位面积的供热量实时变化，能够适当控制熔液12的液面附近的供排热状态。由此，能够铸造出铸造表皮的状态良好的铸块11。
另外，通过基于热电偶21的测温值和目标温度使等离子体焰炬7的输出实时变化，能够适当控制熔液12的液面附近的供排热状态。
在等离子体焰炬7的控制过程中，首先，事先决定能够铸造出铸造表皮的状态良好的铸块11的等离子体焰炬7的基准输出模式即基准等离子体焰炬输出模式PA(L)[W]。PA(L)为等离子体焰炬7的移动路径上的位置L[m]的等离子体焰炬7的输出值。进而，通过以往的操作实际成果和模拟等事先决定各测温位置i的铸模2的目标温度Ta(i)[℃]。具体来说，使用基准等离子体焰炬输出模式PA(L)进行铸造时，将测定为表面品质良好的温度、或预测为表面品质良好的时刻的温度用作目标温度Ta(i)。目标温度Ta(i)可以是实测值也可以是通过模拟得到的计算值。进而，基于热电偶21测定的实测温度Tm(i)[℃]与铸模2的目标温度Ta(i)之差即ΔT(i)，事先求出等离子体焰炬输出补正量ΔP(L，ΔT(i))[W]。在此，ΔT(i)＝Tm(i)-Ta(i)。
然后，在连续铸造中实时测量铸模2的实测温度Tm(i)。然后，按照下述的式1控制等离子体焰炬输出P(L)[W]。
P(L)＝PA(L)+ΔP(L，Tm(i)-Ta(i))···(式1)
上述的输出调整每隔指定时间间隔实行。
更具体来说，如图5所示，在等离子体焰炬7的移动轨道23的四角分别设置焰炬位置A～D。另外，在铸模2的长边的中央和铸模2的短边的中央分别设置热电偶21。以下，将这些热电偶21的位置分别设为位置(1)～(4)。
图6A示出在位置(1)～(4)分别设置的热电偶21的实测温度Tm(i)、和目标温度Ta(i)。另外，图6B示出焰炬位置A～D的基准等离子体焰炬输出模式PA(L)。
在图6A中，由实测温度Tm(i)与目标温度Ta(i)之差ΔT(i)求出等离子体焰炬输出补正量ΔP(L，ΔT(i))。图6C中示出焰炬位置A～D的等离子体焰炬输出补正量ΔP(L，ΔT(i))。然后，通过使基准等离子体焰炬输出模式PA(L)加上等离子体焰炬输出补正量ΔP(L，ΔT(i))，求出补正后的等离子体焰炬输出P(L)。图6D示出焰炬位置A～D的补正后的等离子体焰炬输出P(L)。
像这样，通过使基准等离子体焰炬输出模式PA(L)加上等离子体焰炬输出补正量ΔP(L，ΔT(i))，对等离子体焰炬7的输出进行补正。由此，能够基于热电偶21的测温值和目标温度使等离子体焰炬7的输出实时变化。
需要说明的是，等离子体焰炬输出补正量ΔP(L，ΔT(i))通过以下的式2求出。
ΔP(L，ΔT(i))＝∑(i＝1，N)(ΔPu(L，i)×fd(Tm(i)-Ta(i)))···(式2)
在此，N为温度的测温点数，ΔPu(L，i)[W/℃]为第i个热电偶21的实测温度从目标温度偏离单位温度时的等离子体焰炬输出补正值，fd(ΔT)[℃/℃]为基于与测温值的偏离量的补正系数。
图7A中示出等离子体焰炬输出补正值ΔPu(L，i)。另外，图7B中示出补正系数fd(ΔT)。在此，目标温度与实测温度之差非常大时，由于凝固异常而有可能发生操作故障。因此，在目标温度与实测温度之差超过预先设定的阈值时，可以向操作器输出警报，或降低排出速度，或进行铸造中止等。另外，图7C中示出由等离子体焰炬输出补正值ΔPu(L，i)和补正系数fd(Tm(i)-Ta(i))求出的等离子体焰炬输出补正量ΔP(L，ΔT(i))。
(效果)
如上所述，根据本实施方式的由钛或钛合金构成的铸块11的连续铸造方法，基于热电偶21测定的铸模2的温度和对每个热电偶21预先设定的目标温度，来控制从等离子体焰炬7向熔液12的液面的每单位面积的供热量。例如，按照热电偶21的测温值成为目标温度的方式，来增减从等离子体焰炬7向熔液12的液面的每单位面积的供热量。像这样，通过基于热电偶21的测温值和目标温度使从等离子体焰炬7向熔液12的液面的每单位面积的供热量实时变化，能够适当控制熔液12的液面附近的供排热状态。由此，能够铸造出铸造表皮的状态良好的铸块11。
另外，在任一热电偶21测定的铸模2的温度低于目标温度的情况下，在等离子体焰炬7接近该热电偶21的设置处时使等离子体焰炬7的输出增加。另外，在任一热电偶21测定的铸模2的温度高于目标温度的情况下，在等离子体焰炬7接近该热电偶21的设置处时使等离子体焰炬7的输出降低。像这样，通过基于热电偶21的测温值使等离子体焰炬7的输出实时变化，能够适当控制熔液12的液面附近的供排热状态。
另外，通过使基准等离子体焰炬输出模式加上等离子体焰炬输出补正量，从而对等离子体焰炬7的输出进行补正。由此，能够基于热电偶21的测温值使等离子体焰炬7的输出实时变化。
(变形例)
需要说明的是，实施本实施方式的连续铸造方法的连续铸造装置201如图8所示，可以是使用截面圆形的铸模202连续铸造圆柱状的铸块211的装置。
(本实施方式的变形例)
以上，说明了本发明的实施方式，但只不过例示出了具体例，并不特别限定本发明，具体构成等可以适当设计变更。另外，发明的实施方式中记载的作用和效果只不过列举出由本发明产生的最适宜的作用和效果，本发明带来的作用和效果不限于本发明的实施方式中记载的作用和效果。
本申请基于2013年1月25日提出的日本专利申请(特愿2013-012034)，将其内容作为参照援引于此。
符号说明
1、201 连续铸造装置
2、202 铸模
3 冷炉床
3a 浇注部
4 进料装置
5 等离子体焰炬
6 起熔块
7 等离子体焰炬
11、211 铸块
12 熔液
13 凝固壳
14 空气隙
15 初期凝固部
21 热电偶
22 控制装置
23 移动轨道

Claims (3)

1.一种由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法，其特征在于，是将使钛或钛合金熔解而成的熔液浇注到无底的铸模内，一边使之凝固一边从下方排出，从而连续地铸造由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法，
具有如下工序：
加热工序，一边使等离子体焰炬在所述铸模内的所述熔液的液面上水平移动，一边以来自所述等离子体焰炬的等离子弧加热所述熔液的液面；
测温工序，用沿着所述铸模的周向在所述铸模的多处设置的温度传感器分别测定所述铸模的温度；以及
供热量控制工序，基于由所述温度传感器测定的所述铸模的温度和对每个所述温度传感器预先设定的目标温度，来控制从所述等离子体焰炬向所述熔液的液面的每单位面积的供热量。
2.如权利要求1所述的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法，其特征在于，在所述供热量控制工序中，
在任一所述温度传感器测定的所述铸模的温度低于所述目标温度的情况下，在所述等离子体焰炬接近该温度传感器的设置处时使所述等离子体焰炬的输出增加，
在任一所述温度传感器测定的所述铸模的温度高于所述目标温度的情况下，在所述等离子体焰炬接近该温度传感器的设置处时使所述等离子体焰炬的输出降低。
3.如权利要求2所述的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法，其特征在于，还具有基于由所述温度传感器测定的所述铸模的温度与所述目标温度之差算出等离子体焰炬输出补正量的算出工序，
所述供热量控制工序通过使所述等离子体焰炬的基准输出模式即基准等离子体焰炬输出模式加上所述等离子体焰炬输出补正量，从而对所述等离子体焰炬的输出进行补正。
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