DE112013006290T5

DE112013006290T5 - Kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung

Info

Publication number: DE112013006290T5
Application number: DE112013006290.9T
Authority: DE
Inventors: Eisuke Kurosawa; Hidetaka Kanahashi; Hideto Oyama; Takehiro Nakaoka; Kazuyuki Tsutsumi
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2033-12-18
Also published as: JP2014140894A; WO2014103245A1; US20150343521A1; DE112013006290B4; US9682421B2; JP6161533B2

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von Titan (1) bereitgestellt, die, selbst wenn Titanblöcke oder Titanlegierungsblöcke mit einem großen Durchmesser kontinuierlich gegossen werden, eine Entmischung von deren Komponenten vermindern oder unterdrücken kann. Die Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von Titan (1) umfasst: eine Form (3), die einen oberen Abschnitt mit einer kreisförmigen oberen Öffnung (3a) zum Eingießen von geschmolzenem Metall (6) und einen unteren Abschnitt mit einer unteren Öffnung zum kontinuierlichen Abziehen von Blöcken (11) umfasst, und eine Mehrzahl von Plasmabrennern (4, 5) zum Erwärmen des geschmolzenen Metalls in der Form (3) von der Seite der oberen Öffnung (3a) her. Die Mehrzahl von Plasmabrennern (4, 5) ist so angeordnet, dass die Menge des Wärmeeintrags in das geschmolzene Metall (6), das in dem Außenumfang vorliegt, der den Mittelpunkt der oberen Öffnung (3a) umgibt, größer ist als die Menge des Wärmeeintrags in das geschmolzene Metall (6), das am Mittelpunkt der oberen Öffnung (3a) vorliegt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung, die einen säulenförmigen Block aus Titan oder einer Titanlegierung gießt, wobei der Block kontinuierlich abgezogen wird.
STAND DER TECHNIK
Bei reinem Titan und einer Titanlegierung handelt es sich um Metallmaterialien, die in chemischen/elektrischen Anlagen oder in hochwertigen Produkten, wie z. B. Flugzeugen, Sportgeräten, im Hinblick auf ein sehr geringes Gewicht, eine hervorragende Wärmebeständigkeit und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit unverzichtbar sind. Produkte aus Titanmetall, die aus solchem reinen Titan und einer solchen Titanlegierung erzeugt werden, werden durch Verfahren des Walzens oder Schmiedens eines Titanblocks hergestellt. Als Technik zur Erzeugung eines Titanblocks gibt es das VAR(Vakuumlichtbogenumschmelzen)-Vakuumlichtbogenumschmelzverfahren mit Abschmelzelektrode, das EB(Elektronenstrahl)-Herdschmelzverfahren, bei dem ein Elektronenstrahl verwendet wird, und das PAM(Plasmalichtbogenschmelzen)-Herdschmelzverfahren, bei dem ein Plasmalichtbogen verwendet wird, die nachstehend erläutert werden.
Das VAR-Vakuumlichtbogenumschmelzverfahren mit Abschmelzelektrode ist eine Technik, die herkömmlich verbreitet als Verfahren zum Schmelzen eines Titanblocks verwendet wurde, der reines Titan oder eine Titanlegierung umfasst. Das VAR-Verfahren ist ein Verfahren, bei dem ein Lichtbogen (Gleichstromlichtbogen) in einem Schmelzofen in einer Atmosphäre eines Hochvakuums oder eines Inertgases (Ar, He) zwischen einer Abschmelzelektrode, die im Vorhinein unter Verwendung eines Ausgangsmaterials eines Titanblocks hergestellt worden ist, und einem geschmolzenen Metall in einem wassergekühlten Kupfertiegel erzeugt wird, und die Abschmelzelektrode unter Verwendung des Lichtbogens als Wärmequelle geschmolzen wird, so dass aus dem geschmolzenen Metall der geschmolzenen Abschmelzelektrode ein Titanblock erhalten wird.
In dem VAR-Verfahren wird zum vollständigen Schmelzen des Ausgangsmaterials des Titanblocks zur Homogenisierung der chemischen Zusammensetzung des Titanblocks üblicherweise ein zweites Schmelzen unter Verwendung des Titanblocks, der in dem ersten Schmelzen erhalten worden ist, als Abschmelzelektrode durchgeführt. Insbesondere bei Titanlegierungen, die für Flugzeuge verwendet werden, wird das Schmelzen manchmal für eine weitere Homogenisierung der chemischen Zusammensetzung des Titanblocks dreimal durchgeführt, so dass die Entmischung der chemischen Zusammensetzung vermindert wird.
Das EB-Herdschmelzverfahren ist eine Technik zur Erzeugung eines Titanblocks durch Zuführen von Ausgangsmaterialien, die geschmolzenen Titanschwamm, Schrott oder dergleichen umfassen, zu einem wassergekühlten Kupferherd, Erwärmen dieser Ausgangsmaterialien unter Verwendung eines Elektronenstrahls als Wärmequelle, kontinuierliches Gießen des erwärmten Materials in eine wassergekühlte Kupferform und dann kontinuierliches Abziehen des Materials aus der Form. Bei diesem EB-Verfahren wird das Abziehen mit einem Bestrahlen der Oberfläche des geschmolzenen Metalls mit Elektronenstrahlen in einer Hochvakuumumgebung durchgeführt, so dass die Einheitlichkeit der Temperatur des geschmolzenen Metalls in der wassergekühlten Kupferform aufrechterhalten wird und eine Erstarrung unterdrückt wird. Dabei wird durch die Bestrahlung mit Elektronenstrahlen, die eine hohe Energiedichte aufweisen, in einer Hochvakuumumgebung ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt, wie z. B. Al, das einen hohen Dampfdruck aufweist, verdampft, und daher ist es schwierig, die chemische Zusammensetzung der Materialien zu kontrollieren bzw. einzustellen. Daher ist dieses EB-Verfahren eine bevorzugte Technik vorwiegend zu Herstellung eines Blocks aus reinem Titan.
Das PAM-Herdschmelzverfahren ist eine Technik zur Herstellung eines Titanblocks durch Zuführen von Ausgangsmaterialien, die geschmolzenen Titanschwamm, Schrott oder dergleichen umfassen, zu einem wassergekühlten Kupferherd, Erwärmen dieser Ausgangsmaterialien unter Verwendung eines Plasmalichtbogens als Wärmequelle, kontinuierliches Gießen des erwärmten Materials in eine wassergekühlte Kupferform und dann kontinuierliches Abziehen des Materials aus der Form. Bei diesem PAM-Verfahren wird das Abziehen mit einem Bestrahlen der Oberfläche des geschmolzenen Metalls mit einem Lichtbogen in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt, der durch einen Plasmabrenner erzeugt wird. Das PAM-Verfahren ist eine bevorzugte Technik zur Herstellung eines Blocks aus einer Titanlegierung, da es in einer Inertgasatmosphäre duchgeführt wird, der Verdampfungsverlust des geschmolzenen Metalls relativ gering ist und die Kontrolle bzw. Einstellung der chemischen Zusammensetzung des Ausgangsmaterials relativ einfach ist.
Sowohl mit dem EB-Verfahren als auch mit dem PAM-Verfahren kann ein Titanblock direkt aus Ausgangsmaterialien hergestellt werden, ohne dass eine Abschmelzelektrode wie bei dem VAR-Verfahren hergestellt werden muss, und sie haben daher als Schmelzverfahren mit einer höheren Produktivität als das VAR-Verfahren eine größere Bedeutung erlangt.
Das Patentdokument 1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Metallblocks mit einem hohen Schmelzpunkt durch Durchführen eines Abziehens mit Bestrahlung der Oberfläche eines geschmolzenen Metalls mit einem Elektronenstrahl, wobei es sich um ein Beispiel des EB-Verfahrens handelt. Das Verfahren zur Herstellung eines Metallblocks mit einem hohen Schmelzpunkt des Patentdokuments 1 ist ein Verfahren, bei dem, während geschmolzenes Metall einer Form, die einen Elektronenstrahl-Schmelzofen bildet, zur Bildung eines Formbads zugeführt wird, ein abgekühlter und erstarrter Blockteil in der Nähe des Bodens des Formbads abgezogen wird, wobei er gedreht wird, so dass ein Metallblock mit einem hohen Schmelzpunkt erzeugt wird, und bei dem die Oberfläche des Formbads bestrahlt wird, so dass von den Elektronenstrahlen, mit denen die Oberfläche des Formbads bestrahlt wird, die Energiedichte der Elektronenstrahlen entlang des Außenumfangsabschnitts des Formbads angrenzend an die Form bezogen auf die Elektronenstrahlen in dem zentralen Abschnitt des Formbads erhöht ist.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist das EB-Verfahren, das in der Technik des Patentdokuments 1 verwendet wird, ein Schmelzverfahren mit einer höheren Produktivität als das VAR-Verfahren, da es einen Titanblock direkt aus einem Ausgangsmaterial erzeugen kann. Aufgrund der Verwendung von Elektronenstrahlen sollte das Verfahren jedoch in einer Hochvakuumumgebung durchgeführt werden und es ist daher nicht zur Erzeugung eines Blocks aus einer Titanlegierung geeignet, bei dem eine Kontrolle bzw. Einstellung der chemischen Zusammensetzung des Ausgangsmaterials erforderlich ist.
Daher wird heutzutage ein Herdschmelzen, insbesondere das PAM-Verfahren, das einen geringen Verdampfungsverlust aufweist, zunehmend als Verfahren zur Herstellung eines Titanlegierungsblocks mit einer homogenen chemischen Zusammensetzung ohne innere Mängel empfohlen. Bei dem herkömmlichen PAM-Verfahren bestand jedoch bei der Herstellung eines Blocks mit einer geringen Entmischung der chemischen Zusammensetzung eine Beschränkung des Durchmessers des Blocks und daher war es schwierig, eine Entmischung der chemischen Zusammensetzung in der Titanlegierung zur Herstellung eines Blocks mit hoher Qualität zu unterdrücken.
Insbesondere bei einem Gießverfahren, bei dem das PAM-Verfahren verwendet wird, in dem eine geschmolzene Titanlegierung in eine Form gegossen wird und gleichzeitig das geschmolzene Metall in der Form unter Erwärmung mit einem Plasmabrenner abwärts abgezogen wird, bildet das Erwärmen des zentralen Abschnitts der oberen Oberfläche des geschmolzenen Metalls mittels Plasma ein Bad aus geschmolzenem Metall, in dem der zentrale Abschnitt am tiefsten ist. Das Bad aus geschmolzenem Metall ist eine Erstarrungsgrenzflächenposition des geschmolzenen Metalls. Wenn der Durchmesser einer Form vergrößert wird, so dass der Durchmesser eines Titanblocks, der abgezogen werden soll, vergrößert wird, wird der zentrale Abschnitt eines Bads aus geschmolzenem Metall zu tief und eine Entmischung der chemischen Zusammensetzung tritt merklich auf.
Es wird davon ausgegangen, dass die Grenze des Durchmessers für einen Titanblock für eine nicht signifikante Entmischung der chemischen Zusammensetzung herkömmlich bei φ 300 bis 400 mm liegt. Bei einem Titanlegierungsblock wird davon ausgegangen, dass sie maximal bei φ 900 mm (3-faches Schmelzen) in dem VAR-Verfahren und maximal bei etwa φ 500 mm in dem PAM-Verfahren liegt. Zum Erhalten eines Produkts mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften, wie z. B. Dauerfestigkeit, durch Verarbeiten eines Blocks durch ein Schmiedeverfahren und eine Wärmebehandlung zur Bildung eines homogenen Materialaufbaus ist ein Block mit einem großen Durchmesser von φ 800 mm oder mehr, vorzugsweise φ 1000 mm oder mehr, erforderlich. Daher war ein Gießverfahren erforderlich, bei dem die Entmischung der chemischen Zusammensetzung selbst in einem Titanblock und einem Titanlegierungsblock mit einem großen Durchmesser kontrolliert bzw. eingestellt werden kann, so dass sie äquivalent zu einer Entmischung der chemischen Zusammensetzung in einem Block mit einem kleinen Durchmesser oder kleiner als diese wird.
DOKUMENTENLISTE
PATENTDOKUMENT

Patentdokument 1: JP 2009-172665 A

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer kontinuierlichen Titan-Gießvorrichtung, die eine Entmischung der chemischen Zusammensetzung des Blocks selbst in dem Fall eines kontinuierlichen Gießens eines Titanblocks oder eines Titanlegierungsblocks mit einem großen Durchmesser vermindern bzw. unterdrücken kann.
Die erste kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, umfasst eine Form, die einen oberen Abschnitt mit einer kreisförmigen oberen Öffnung zum Eingießen von geschmolzenem Metall aus Titan oder einer Titanlegierung und einen unteren Abschnitt mit einer unteren Öffnung zum kontinuierlichen Abziehen eines Blocks aus dem Titan oder der Titanlegierung umfasst, eine erste und eine zweite Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit, die jeweils so angeordnet sind, dass sie auf die obere Öffnung der Form gerichtet sind und die obere Öffnung der Form mit einem Plasmalichtbogen bestrahlen, und eine Antriebsvorrichtung, die mindestens die zweite Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit um den Mittelpunkt der oberen Öffnung der Form dreht. Die erste Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit ist näher am Mittelpunkt der oberen Öffnung angeordnet als die zweite Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit.
Die zweite kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, umfasst eine Form, die einen oberen Abschnitt mit einer kreisförmigen oberen Öffnung zum Eingießen von geschmolzenem Metall aus Titan oder einer Titanlegierung und einen unteren Abschnitt mit einer unteren Öffnung zum kontinuierlichen Abziehen eines Blocks aus dem Titan oder der Titanlegierung umfasst, und eine Mehrzahl von Plasmabrennern, die geschmolzenes Metall in der Form von der Seite der oberen Öffnung der Form her unter Verwendung eines Plasmalichtbogens erwärmen. Die Mehrzahl von Plasmabrennern ist derart angeordnet, dass die Menge des Wärmeeintrags in das geschmolzene Metall, das in dem Außenumfangsabschnitt vorliegt, der den zentralen Abschnitt der oberen Öffnung umgibt, größer ist als die Menge des Wärmeeintrags in das geschmolzene Metall, das in dem zentralen Abschnitt der oberen Öffnung vorliegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, welche die kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2A ist eine Draufsicht, die eine wassergekühlte Kupferform, einen Heizbrenner für den zentralen Abschnitt und einen Heizbrenner für den Außenumfangsabschnitt in der kontinuierlichen Titan-Gießvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2B ist eine Schnittansicht, welche die wassergekühlte Kupferform, den Heizbrenner für den zentralen Abschnitt und den Heizbrenner für den Außenumfangsabschnitt in der kontinuierlichen Titan-Gießvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein Graph, der die Verteilung der Menge des Wärmeeintrags in das geschmolzene Metall gemäß eines Vergleichsbeispiels, in dem ein einheitliches Erwärmen durchgeführt wird, und die Verteilung der Menge des Wärmeeintrags in das geschmolzene Metall gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
4 ist ein Graph, der den Aufbau des Bads aus geschmolzenem Metall in dem Vergleichsbeispiel, bei dem ein einheitliches Erwärmen durchgeführt wird, und den Aufbau des Bads aus geschmolzenem Metall in der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Menge des Wärmeeintrags in das geschmolzene Metall einer Schnittfläche und der Tiefe des Bads aus geschmolzenem Metall zeigt.
6 ist ein Graph, der das Verhältnis zwischen der Entmischung der chemischen Zusammensetzung und der Tiefe des Bads aus geschmolzenem Metall zeigt.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. In diesem Zusammenhang ist die Ausführungsform, die nachstehend erläutert wird, ein Beispiel der Ausführung der vorliegenden Erfindung und die Struktur der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das spezifische Beispiel beschränkt. Folglich ist der technische Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die Offenbarung der vorliegenden Ausführungsform beschränkt.
Eine kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die 1 erläutert. In der folgenden Erläuterung wird die Richtung der Schwerkraft als Abwärtsrichtung bezeichnet und die entgegengesetzte Richtung wird als Aufwärtsrichtung bezeichnet.
Die 1 zeigt die kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung 1 ist eine Vorrichtung, die einen Block aus Titan und einen Block aus einer Titanlegierung erzeugen kann. In der vorliegenden Ausführungsform wird jedoch ein Fall der Erzeugung eines Blocks aus einer Titanlegierung erläutert.
Wie es in der 1 gezeigt ist, umfasst die kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung 1 einen wassergekühlten Kupferherd 2, eine wassergekühlte Kupferform 3 und eine Mehrzahl von Heizbrennern.
In dem wassergekühlten Kupferherd 2 wird eine geschmolzene Titanlegierung als Ausgangsmaterial für einen Titanlegierungsblock (nachstehend als geschmolzene Titanlegierung oder geschmolzenes Metall bezeichnet) gelagert und er weist die Form eines Kastens auf. Die wassergekühlte Form 3 entspricht der Form gemäß der vorliegenden Erfindung. Die geschmolzene Titanlegierung wird von dem wassergekühlten Kupferherd 2 in die wassergekühlte Form 3 gegossen und ein Titanlegierungsblock 11 wird von der wassergekühlten Form 3 nach unten abgezogen. Die Mehrzahl von Heizbrennern dient zum Erwärmen der geschmolzenen Titanlegierung, die in die wassergekühlte Kupferform 3 gegossen worden ist, wobei eines von deren Charakteristika darin besteht, dass sie jeweils einen Heizbrenner 4 für den zentralen Abschnitt, der den zentralen Abschnitt erwärmt, und einen Heizbrenner 5 für den Außenumfangsabschnitt umfasst, der den Außenumfangsabschnitt der Schmelzoberfläche der Oberfläche des geschmolzenen Metalls der geschmolzenen Titanlegierung erwärmt.
Nachstehend wird die Struktur der kontinuierlichen Titan-Gießvorrichtung 1 detailliert erläutert.
Wie es in der 1 gezeigt ist, ist der wassergekühlte Kupferherd 2 ein Kupferbehälter mit einer Form, die z. B. einem Wassertank des Kastentyps ähnlich ist, und die Innenwand des Behälters ist aus Kupfer hergestellt. Innerhalb der Kupferwand ist ein Wasserkühlmechanismus bereitgestellt, um eine Beschädigung des wassergekühlten Kupferherds 2 aufgrund der Wärme der gegossenen geschmolzenen Titanlegierung, die eine hohe Temperatur aufweist, zu verhindern. Ferner umfasst der wassergekühlte Kupferherd 2 eine Austragöffnung 2a zum Austragen der geschmolzenen Titanlegierung in dem wassergekühlten Kupferherd 2 mit einer vorgegebenen Strömungsgeschwindigkeit. Die geschmolzene Titanlegierung, die in den wassergekühlten Kupferherd 2 gegossen worden ist und dort gelagert wird, wird von der Austragöffnung 2a in die wassergekühlte Kupferform 3 gegossen. Die Mehrzahl von Heizbrennern ist oberhalb von dem wassergekühlten Kupferherd 2 bereitgestellt und erwärmt die geschmolzene Titanlegierung unter Verwendung eines Plasmalichtbogens, so dass die geschmolzene Titanlegierung, die in dem wassergekühlten Kupferherd 2 gelagert ist, nicht aufgrund deren verminderter Temperatur erstarrt.
Als nächstes werden die Strukturen der wassergekühlten Kupferform 3, des Heizbrenners 4 für den zentralen Abschnitt und des Heizbrenners 5 für den Außenumfangsabschnitt unter Bezugnahme auf 2A und 2B erläutert. Der Heizbrenner 4 für den zentralen Abschnitt ist ein erster Heizbrenner, der oberhalb der wassergekühlten Kupferform 3 bereitgestellt ist, und der Heizbrenner 5 für den Außenumfangsabschnitt ist ein zweiter Heizbrenner, der ebenfalls oberhalb der wassergekühlten Kupferform 3 bereitgestellt ist.
2A und 2B zeigen eine Anordnung der wassergekühlten Kupferform 3, des Heizbrenners 4 für den zentralen Abschnitt und des Heizbrenners 5 für den Außenumfangsabschnitt. Die 2A ist eine Draufsicht, die eine Anordnung einer Schmelzeoberfläche 6 der geschmolzenen Titanlegierung zeigt, wobei der Heizbrenner 4 für den zentralen Abschnitt und der Heizbrenner 5 für den Außenumfangsabschnitt auf die Schmelzeoberfläche 6 gerichtet sind, wenn die wassergekühlte Kupferform 3 von oben betrachtet wird; und die 2B ist eine perspektivische Ansicht, die eine Anordnung der wassergekühlten Kupferform 3, des Heizbrenners 4 für den zentralen Abschnitt und des Heizbrenners 5 für den Außenumfangsabschnitt zeigt.
Wie es in der 2B gezeigt ist, weist die wassergekühlte Kupferform 3 eine Form auf, die einem Trog mit dem Aussehen einer zylindrischen Form entspricht. Die wassergekühlte Kupferform 3 weist eine Innenumfangsoberfläche auf, die ein Durchgangsloch umgibt, und die Innenumfangsoberfläche weist eine Kegelform bzw. sich verjüngende Form auf, insbesondere eine Form, bei welcher deren Durchmesser entlang der Achse der wassergekühlten Kupferform 3, die eine Säulenform aufweist, von einem Ende zu dem anderen Ende abnimmt, so dass im Wesentlichen eine Kegelstumpfform gebildet wird, wobei das Ende der Seite mit dem größeren Durchmesser des Durchgangslochs eine obere Öffnung 3a der wassergekühlten Kupferform 3 bildet. Die wassergekühlte Kupferform 3 weist wie der wassergekühlte Kupferherd 2 eine Kupferinnenwand auf. Innerhalb der Kupferinnenwand ist ein Wasserkühlmechanismus bereitgestellt, so dass eine Beschädigung der Innenwand aufgrund der Wärme der gegossenen geschmolzenen Titanlegierung, die eine hohe Temperatur aufweist, verhindert wird.
Die wassergekühlte Kupferform 3 ist unterhalb der Austragöffnung 2a des wassergekühlten Kupferherds 2 angeordnet. Insbesondere ist die obere Öffnung 3a, nämlich die Öffnung an der Seite des größeren Durchmessers der Öffnungen, welche die Enden des Durchgangslochs bilden, unterhalb der Austragöffnung 2a angeordnet. Die wassergekühlte Kupferform 3 weist einen unteren Abschnitt auf, der die untere Öffnung umgibt, welche den kleineren Durchmesser des Durchgangslochs der Öffnungen aufweist. Der untere Abschnitt ist mit einer Abziehvorrichtung 12 zum Abziehen einer geschmolzenen Titanlegierung, die von dem wassergekühlten Kupferherd 2 in die wassergekühlte Form 3 gegossen worden ist, als Titanlegierungsblock 11 aus der wassergekühlten Form 3 ausgestattet. Der Kegelwinkel des Durchgangslochs und der Innenumfangsoberfläche, die das Durchgangsloch umgibt, ist so eingestellt, dass die Erstarrungsschrumpfung des Titanblocks oder des Titanlegierungsblocks, die abhängig von der Geschwindigkeit des Abziehens variiert, berücksichtigt wird. Die Form der Innenumfangsoberfläche muss nicht notwendigerweise eine Kegelform bzw. sich verjüngende Form sein, solange die Form einen Spalt verhindern kann, der zwischen der wassergekühlten Kupferform und dem Block aufgrund der Erstarrungsschrumpfung auftreten kann.
Die kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung 1 umfasst ferner eine Mehrzahl von elektromagnetischen Rührvorrichtungen 9. Diese elektromagnetischen Rührvorrichtungen 9 sind entlang einer Außenwandoberfläche der wassergekühlten Form 3 bereitgestellt und legen von deren Umfangsseite her ein Magnetfeld an die geschmolzene Titanlegierung an, die in die wassergekühlte Form 3 gegossen worden ist, so dass dadurch der Außenumfangsabschnitt der geschmolzenen Titanlegierung umgewälzt und gerührt wird. Die Verwendung der elektromagnetischen Rührvorrichtungen 9 ermöglicht den Effekt des Variierens des Strömungszustands der geschmolzenen Titanlegierung, so dass die Temperatur der geschmolzenen Titanlegierung in einem höheren Bereich liegt und einheitlich ist, und sie ermöglicht die Variation der Form des geschmolzenen Metallbads, bei dem es sich um eine Erstarrungsgrenzflächenposition der geschmolzenen Titanlegierung handelt.
Der Heizbrenner 4 für den zentralen Abschnitt, bei dem es sich um den ersten Heizbrenner handelt, ist ein Brenner zur Erzeugung eines Plasmalichtbogens und oberhalb des zentralen Abschnitts der oberen Öffnung 3a der wassergekühlten Kupferform 3 angeordnet. In dieser Ausführungsform ist der Heizbrenner 4 für den zentralen Abschnitt in einer Position versetzt von dem Mittelpunkt der oberen Öffnung der Form 3 angeordnet, wenn die kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung von der Oberseite der oberen Öffnung 3a der Form 3 her betrachtet wird. Folglich ist der Heizbrenner 4 für den zentralen Abschnitt oberhalb eines Bereichs angeordnet, der in dem zentralen Abschnitt der oberen Öffnung 3a der Schmelzeoberfläche 6 der geschmolzenen Titanlegierung vorliegt, die in die wassergekühlte Kupferform 3 gegossen wird, und erwärmt den zentralen Abschnitt der Schmelzeoberfläche 6 der geschmolzenen Titanlegierung von oben durch Bestrahlen der Schmelzeoberfläche 6 der geschmolzenen Titanlegierung mit dem erzeugten Plasmalichtbogen.
Der Heizbrenner 5 für den Außenumfangsabschnitt, bei dem es sich um den zweiten Heizbrenner handelt, ist ebenfalls ein Heizbrenner zur Erzeugung eines Plasmalichtbogens und oberhalb des Außenumfangsabschnitts angeordnet, der den zentralen Abschnitt innerhalb der oberen Öffnung der wassergekühlten Kupferform 3 umgibt. Folglich ist der Heizbrenner 5 für den Außenumfangsabschnitt oberhalb eines Bereichs angeordnet, der sich in dem Außenumfangsabschnitt der oberen Öffnung 3a der Schmelzeoberfläche 6 der geschmolzenen Titanlegierung befindet, die in die wassergekühlte Kupferform 3 gegossen wird, und erwärmt den Außenumfangsabschnitt der Schmelzeoberfläche 6 der geschmolzenen Titanlegierung von oben durch Bestrahlen der Schmelzeoberfläche 6 der geschmolzenen Titanlegierung mit dem erzeugten Plasmalichtbogen.
Als nächstes werden unter Bezugnahme auf die 2B, welche die Schmelzeoberfläche 6 der geschmolzenen Titanlegierung zeigt, der zentrale Abschnitt und der Außenumfangsabschnitt der oberen Öffnung 3a und der Schmelzeoberfläche 6 definiert und eine Anordnung des Heizbrenners 4 für den zentralen Abschnitt und des Heizbrenners 5 für den Außenumfangsabschnitt werden erläutert. Die Schmelzeoberfläche 6 der geschmolzenen Titanlegierung weist eine Kreisform auf, die im Wesentlichen mit der oberen Öffnung 3a der wassergekühlten Kupferform 3 übereinstimmt. In der folgenden Erläuterung stellt r den Radius der oberen Öffnung 3a dar.
Die Definitionen des zentralen Abschnitts und des Außenumfangsabschnitts der oberen Öffnung und der Schmelzeoberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung sind relativ. Der zentrale Abschnitt in dem Öffnungsteil der wassergekühlten Kupferform 3, bei der es sich um eine Form handelt, kann als ein Oberflächenabschnitt des geschmolzenen Metalls in einem Bereich innerhalb eines Radius r/3 von dem Mittelpunkt der oberen Öffnung 3a und der Schmelzeoberfläche 6 definiert werden. In diesem Fall ist der Außenumfangsabschnitt als ein Oberflächenabschnitt des geschmolzenen Metalls in einem Bereich innerhalb eines Radius r/3 bis r definiert. Es ist auch möglich, einen Bereich innerhalb eines Radius r/2 von dem Mittelpunkt der kreisförmigen oberen Öffnung 3a und der Schmelzeoberfläche 6 als den zentralen Abschnitt zu definieren und einen Bereich innerhalb eines Radius r/2 bis r, der den zentralen Abschnitt umgibt, als den Außenumfangsabschnitt zu definieren.
Bei einer solchen Definition des zentralen Abschnitts und des Außenumfangsabschnitts ist der Heizbrenner 4 für den zentralen Abschnitt oberhalb des zentralen Abschnitts der oberen Öffnung 3a bereitgestellt und der zentrale Abschnitt der Schmelzeoberfläche 6 wird mit dem Plasmalichtbogen von oberhalb der wassergekühlten Kupferform 3 bestrahlt. Der Heizbrenner 5 für den Außenumfangsabschnitt ist oberhalb des Außenumfangsabschnitts der oberen Öffnung 3a bereitgestellt und der Außenumfangsabschnitt der Schmelzeoberfläche 6 wird mit dem Plasmalichtbogen von oberhalb der wassergekühlten Kupferform 3 bestrahlt.
Wie es in der 2A gezeigt ist, sind die durch den Heizbrenner 4 für den zentralen Abschnitt mit Plasma bestrahlte Position und die durch den Heizbrenner 5 für den Außenumfangsabschnitt mit Plasma bestrahlte Position, die auf die Schmelzeoberfläche 6 gerichtet sind, vorzugsweise auf der gleichen Geraden ausgerichtet, die durch den Mittelpunkt der oberen Öffnung 3a und die Schmelzeoberfläche 6 verläuft. Darüber hinaus sind sie vorzugsweise in im Wesentlichen gegenüber liegenden Positionen zueinander angeordnet, wobei sie den Mittelpunkt entlang der Richtung des Durchmessers der oberen Öffnung 3a und der Schmelzeoberfläche 6 sandwichartig umgeben. Die 2A zeigt einen Brennerwirkungsbereich 7 für den zentralen Abschnitt und einen Brennerwirkungsbereich 8 für den Außenumfangsabschnitt. Der Brennerwirkungsbereich 7 für den zentralen Abschnitt ist ein Bereich, bei dem die Schmelzeoberfläche 6 direkt durch den Plasmalichtbogen erwärmt wird, der sich von dem Heizbrenner 4 für den zentralen Abschnitt erstreckt, und der mit einem Teil des zentralen Abschnitts überlappt. Der Brennerwirkungsbereich 8 für den Außenumfangsabschnitt ist ein Bereich, bei dem die Schmelzeoberfläche 6 direkt durch den Plasmalichtbogen erwärmt wird, der sich von dem Heizbrenner 5 für den Außenumfangsabschnitt erstreckt, und der mit einem Teil des Außenumfangsabschnitts überlappt. Wie es aus 2A und 2B ersichtlich ist, ist die Fläche des Brennerwirkungsbereichs 7 für den zentralen Abschnitt kleiner als die Gesamtfläche des zentralen Abschnitts, und die Fläche des Brennerwirkungsbereichs 8 für den Außenumfangsabschnitt ist kleiner als die Gesamtfläche des Außenumfangsabschnitts.
Daher umfasst die vorliegende Ausführungsform ferner eine Antriebsvorrichtung 10, wie sie in der 2B gezeigt ist. Die Antriebsvorrichtung 10 dreht den Heizbrenner 4 für den zentralen Abschnitt und den Heizbrenner 5 für den Außenumfangsabschnitt in der gleichen Richtung um den Mittelpunkt der Schmelzeoberfläche 6, wobei die relative Positionsbeziehung, die in der 2A gezeigt ist, beibehalten wird, so dass der Brennerwirkungsbereich 7 für den zentralen Abschnitt im Wesentlichen durch die gesamte Fläche des zentralen Abschnitts der Schmelzeoberfläche 6 in dem zentralen Abschnitt der oberen Öffnung 3a verläuft, und so dass der Brennerwirkungsbereich 8 für den Außenumfangsabschnitt im Wesentlichen durch die gesamte Fläche des Außenumfangsabschnitts der Schmelzeoberfläche 6 in dem Außenumfangsabschnitt der oberen Öffnung 3a verläuft. Die konkrete Struktur der Antriebsvorrichtung 10 ist nicht beschränkt. Die Antriebsvorrichtung 10 kann so ausgebildet sein, dass sie z. B. zwei Arme mit voneinander verschiedenen Längen und einen Motor umfasst, der die Arme dreht. In diesem Fall ist der kürzere Arm der zwei Arme mit dem Motor und mit dem Heizbrenner 4 für den zentralen Abschnitt verbunden, und der längere Arm ist mit dem Motor und mit dem Heizbrenner 5 für den Außenumfangsabschnitt verbunden. Der Motor treibt die zwei Arme an, so dass sie sich gleichzeitig drehen, wodurch sowohl der Heizbrenner 4 für den zentralen Abschnitt als auch der Heizbrenner 5 für den Außenumfangsabschnitt gedreht werden.
Durch die Drehung der beiden Heizbrenner 4 und 5, die durch die Antriebsvorrichtung 10 angetrieben werden, wird im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der Schmelzeoberfläche 6 durch den Verlaufsbereich des Brennerwirkungsbereichs 7 für den zentralen Abschnitt und des Brennerwirkungsbereichs 8 für den Außenumfangsabschnitt abgedeckt, und folglich ist es möglich, die gesamte Oberfläche des geschmolzenen Metalls, nämlich die gesamte Schmelzeoberfläche 6, sicher zu erwärmen. D. h., die vorliegende Ausführungsform erreicht ein Durchwärmen eines geschmolzenen Metalls durch die Drehung von jedem der Heizbrenner 4 und 5, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Die Drehrichtungen der Heizbrenner 4 und 5 sollten identisch sein, und sie können sich entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn drehen. In einem Fall, bei dem der Heizbrenner 4 für den zentralen Abschnitt so angeordnet ist, dass er mit dem Mittelpunkt der oberen Öffnung der Form 3 überlappt, wenn die kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung von der Seite der oberen Öffnung der Form 3 her betrachtet wird, kann die Antriebsvorrichtung 10 von den beiden Heizbrennern 4 und 5 nur den Heizbrenner 5 für den Außenumfangsabschnitt drehen.
Es ist ferner möglich, das Erwärmen der geschmolzenen Titanlegierung dadurch zu kontrollieren bzw. einzustellen, dass die Spannung, die an den Heizbrenner 5 für den Außenumfangsabschnitt angelegt wird, höher eingestellt wird als die Spannung, die an den Heizbrenner 4 für den zentralen Abschnitt angelegt wird, um dadurch die Plasmalichtbogenausgangsleistung des Heizbrenners 5 für den Außenumfangsabschnitt größer zu machen als die Plasmalichtbogenausgangsleistung des Heizbrenners 4 für den zentralen Abschnitt, so dass die Menge des Wärmeeintrags in den Außenumfangsabschnitt des geschmolzenen Metalls größer gemacht wird als die Menge des Wärmeeintrags in den zentralen Abschnitt des geschmolzenen Metalls.
Beispielsweise ist es möglich, die Ausgangsleistungen des Heizbrenners 4 für den zentralen Abschnitt und des Heizbrenners 5 für den Außenumfangsabschnitt so einzustellen, dass die Menge des Wärmeeintrags in das geschmolzene Metall in einem Bereich innerhalb eines Radius r/3 bis r größer wird als die Menge des Wärmeeintrags in das geschmolzene Metall in einem Bereich innerhalb eines Radius r/3 von dem Mittelpunkt der oberen Öffnung 3a und der Schmelzeoberfläche 6.
Nachstehend wird die Entmischung der chemischen Zusammensetzung, die stattfindet, wenn ein Titanlegierungsblock 11 unter Verwendung der kontinuierlichen Titan-Gießvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform hergestellt wird, unter Bezugnahme auf die 3 bis 6 diskutiert. In diesem Zusammenhang zeigen die 3 bis 6 Ergebnisse von Computersimulationen des Verhaltens der geschmolzenen Titanlegierung (geschmolzenes Metall) in der wassergekühlten Kupferform 3 der vorliegenden Ausführungsform.
Zunächst stellen in 3 und 4 die Graphen, die als „einheitliches Erwärmen (stark)” und „einheitliches Erwärmen (schwach)” gezeigt sind, das Erwärmen von geschmolzenem Metall gemäß Vergleichsbeispielen dar, und der Graph, der als „Drehbrenner” gezeigt ist, stellt ein Verfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform dar. Die wassergekühlte Kupferform 3 der vorliegenden Ausführungsform umfasst eine Mehrzahl von Plasmabrennern, die oberhalb der oberen Öffnung 3a davon angeordnet sind, wobei die Mehrzahl von Plasmabrennern entlang der radialen Richtung der oberen Öffnung 3a und der Schmelzeoberfläche 6 angeordnet ist und sich um den Mittelpunkt der oberen Öffnung 3a und der Schmelzeoberfläche 6 dreht. Die Ausgangsleistungen der Mehrzahl der Plasmabrenner, die gedreht werden sollen, sind so eingestellt, dass die Menge des Wärmeeintrags in das geschmolzene Metall, das in dem Außenumfangsabschnitt vorliegt, der den zentralen Abschnitt der oberen Öffnung 3a umgibt, größer ist als die Menge des Wärmeeintrags in das geschmolzene Metall, das in dem zentralen Abschnitt der oberen Öffnung 3a vorliegt.
Die 4 zeigt ein Ergebnis der Untersuchung der Verteilung der Schmelzbadtiefe, wobei ein Titanblock mit einem großen Durchmesser (z. B. φ 1200 mm) unter Berücksichtigung von dessen Wärmeübertragung und Erstarrung untersucht wurde. Gemäß der 4 ist zum Halten der gesamten Oberfläche des geschmolzenen Metalls in einem geschmolzenen Zustand durch ein einheitliches Erwärmen mit 2000 kW, das mit dem geschmolzenen Metall von der oberen Oberfläche der Form her durchgeführt wird, wie dies in dem Vergleichsbeispiel der Fall ist, eine eingetragene Wärmemenge von 1,06 MW/m² pro Einheitsfläche bezogen auf die Oberfläche erforderlich. Mit anderen Worten, wenn das einheitliche Erwärmen des geschmolzenen Metalls 2000 kW oder mehr beträgt, ist die Distanz der freiliegenden erstarrten Oberfläche A klein, wie es in der 4 gezeigt ist, was bedeutet, dass das geschmolzene Metall in der Nähe des Umfangs der Öffnung der wassergekühlten Kupferform 3 in einem geschmolzenen Zustand vorliegt. Die Tiefe des geschmolzenen Metallbads wird jedoch sehr groß, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Entmischung der chemischen Zusammensetzung groß wird. Aus der 6 ist ersichtlich, dass die Entmischung der chemischen Zusammensetzung umso signifikanter ist, je größer die Tiefe des geschmolzenen Metallbads ist.
Andererseits ist ersichtlich, dass dann, wenn das einheitliche Erwärmen des geschmolzenen Metalls mit etwa 600 kW schwach ist, eine große Distanz der freiliegenden erstarrten Oberfläche B erzeugt wird und das geschmolzene Metall in der Nähe des Umfangs der Öffnung der wassergekühlten Kupferform 3 in einem erstarrten Zustand vorliegt. Wenn die Oberfläche eines geschmolzenen Metalls auf diese Weise erstarrt, wird es schwierig, einen Block kontinuierlich abzuziehen und zu erzeugen. Andererseits ist die Tiefe des geschmolzenen Metallbads gering, was dahingehend vorteilhaft ist, eine Entmischung der chemischen Zusammensetzung zu vermeiden (vgl. die 6).
Die Drehbrenner der vorliegenden Ausführungsform können eine Bedingung erreichen, die der Bedingung eines einheitlichen Erwärmens mit 2000 kW für die geschmolzene Oberfläche entspricht. D. h., sie erreichen eine Bedingung, die für das kontinuierliche Gießen bevorzugt ist, bei dem die Distanz der freiliegenden erstarrten Oberfläche des geschmolzenen Metalls klein ist und das geschmolzene Metall in der Nähe des Umfangs der Öffnung der wassergekühlten Kupferform 3 in einem geschmolzenen Zustand vorliegt. Darüber hinaus weist das geschmolzene Metallbad eine mittlere Tiefe auf, wobei es sich um eine vorteilhafte Bedingung zur Verminderung oder Unterdrückung des Auftretens einer Entmischung der chemischen Zusammensetzung handelt.
Ferner haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung auch gefunden, dass die Drehbrenner der vorliegenden Ausführungsform nur eine sehr geringe Menge eines Wärmeeintrags in das geschmolzene Metall erfordern.
Die 3 zeigt Verteilungen der Menge des Wärmeeintrags in das geschmolzene Metall durch das einheitliche Erwärmen und durch die Drehbrenner einzeln bei den Bedingungen des geschmolzenen Metallbads von 4. Wie es aus der 3 ersichtlich ist, beträgt, während in dem Vergleichsbeispiel, bei dem das einheitliche Erwärmen durchgeführt wird (2000 kW), die Menge des Wärmeeintrags pro Einheitsfläche 1,06 MW/m² einer Oberfläche beträgt, die erforderliche Menge des Wärmeeintrags in die Schmelzeoberfläche 6 bei den Drehbrennern gemäß der vorliegenden Ausführungsform nur etwa 1/3, was eine signifikante Verminderung der Energiemenge ermöglicht, die dem geschmolzenen Metall zugeführt wird.
Die 5 und die folgende Tabelle 1 fassen die Informationen in 3 und 4 zusammen. Wie es darin gezeigt ist, ermöglicht die Verwendung des Drehbrenners eine geringe Tiefe des geschmolzenen Metallbads verglichen mit der Tiefe, die durch ein einheitliches Erwärmen (stark) erreicht wird, mit einer geringen Menge des Wärmeeintrags.
Selbstverständlich liegt kein erstarrter Teil auf der geschmolzenen Metalloberfläche vor und es wird davon ausgegangen, dass sie für ein Gießen eines Titanlegierungsblocks geeignet ist. [Tabelle 1]

Wärmeeintrag in die Schnittoberfläche Badtiefe

kW/m m

Einheitliches Erwärmen (stark) 1273 1,17

Einheitliches Erwärmen (schwach) 360 0,29

Drehbrenner 438 0,72
Wenn das Vorstehende zusammengefasst wird, ergibt sich, dass es durch selektives Erhöhen des Ausmaßes des Erwärmens in dem Bereich des Außenumfangsabschnitts relativ zu dem zentralen Abschnitt eines geschmolzenen Metalls möglich ist, die Entmischung der chemischen Zusammensetzung selbst in einem Fall eines Titanlegierungsblocks mit einem großen Durchmesser über dem herkömmlichen Durchmesser von φ 800 mm auf einem herkömmlichen Niveau zu halten.
Insbesondere kann bei einem Titanlegierungsblock, wenn es möglich ist, die Entmischung der chemischen Zusammensetzung entlang der Richtung des Abziehens eines Blocks durch Kontrollieren bzw. Einstellen der Tiefe und der Form des geschmolzenen Metallbads zu halbieren, der β-Umwandlungspunkt zu einer höheren Seite hin verschoben werden, was eine Erhöhung der Temperatur einer Wärmebehandlung für eine Verbesserung oder eine Bereitstellung einer mechanischen Eigenschaft ermöglicht. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, dass die Dauerfestigkeit auf einem hohen Niveau stabilisiert werden kann. Folglich wird davon ausgegangen, dass die Drehbrenner der vorliegenden Ausführungsform zum Gießen eines Titanlegierungsblocks geeignet sind.
Schließlich ist es, wie es bereits erwähnt worden ist, möglich, die Form des geschmolzenen Metallbads derjenigen einer Trapezform anzunähern, bei der die Unterseite des geschmolzenen Metallbads flach ist und nicht die nach unten gerichtete konvexe Form aufweist, wie es in der 4 gezeigt ist, und zwar durch Anlegen eines externen Magnetfelds an das geschmolzene Metall durch Anordnen von elektromagnetischen Rührvorrichtungen 9, die aus einer elektromagnetischen Spule oder dergleichen ausgebildet sind, an dem Umfangsteil der wassergekühlten Kupferform 3, wie es in 2A und 2B gezeigt ist, so dass der Außenumfangsabschnitt des geschmolzenen Metalls umgewälzt und gerührt wird. Da es auf diese Weise möglich ist, die Entmischung der chemischen Zusammensetzung in der Umfangsrichtung (nämlich in der radialen Richtung) des Titanlegierungsblocks weiter zu vermindern, und zusätzlich durch den Effekt der Entmischungsverminderung aufgrund der Verminderung der Tiefe des geschmolzenen Metallbads als Ganzes, ist es möglich, einen Titanlegierungsblock mit einer höheren Qualität zu erzeugen.
Die hier offenbarte Ausführungsform sollte als veranschaulichend und keinesfalls beschränkend aufgefasst werden. Insbesondere weichen Merkmale, die nicht explizit in den hier offenbarten Ausführungsformen offenbart sind, wie z. B. Antriebsbedingungen, Betriebsbedingungen, jedwede Arten von Parametern und Abmessungen, Gewichte oder Volumina von Strukturen nicht von dem Bereich ab, der gewöhnlich von einem Fachmann verwendet wird, und es werden Werte verwendet, die von einem Fachmann in einfacher Weise ermittelt werden können.
Bei der kontinuierlichen Titan-Gießvorrichtung 1 gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist es möglich, eine größere Wärmemenge in den Außenumfangsabschnitt der Schmelzeoberfläche 6 einzutragen als die Wärmemenge, die in den Innenumfangsabschnitt eingetragen wird, und zwar durch Erhöhen der Ausgangsleistung des Heizbrenners 5 für den Außenumfangsabschnitt, der oberhalb der Schmelzeoberfläche 6 in dem Außenumfangsabschnitt der oberen Öffnung 3a angeordnet ist, auf einen Wert, der größer ist als die Ausgangsleistung des Heizbrenners 4 für den zentralen Abschnitt, der oberhalb der Schmelzeoberfläche 6 in dem zentralen Abschnitt der oberen Öffnung 3a angeordnet ist. Die Heizbrenner sind jedoch nicht auf die zwei Brenner des Heizbrenners 4 für den zentralen Abschnitt und des Heizbrenners 5 für den Außenumfangsabschnitt beschränkt, die voneinander verschiedene Ausgangsleistungen aufweisen. Beispielsweise ist es möglich, eine größere Menge eines Wärmeintrags in den Außenumfangsabschnitt der Schmelzeoberfläche hinzuzufügen als die Menge des Wärmeeintrags in den Innenumfangsabschnitt, und zwar ebenfalls in einer Ausführungsform, bei der eine Mehrzahl von Heizbrennern mit der gleichen Ausgangsleistung bereitgestellt wird, wobei die Anzahl der Heizbrenner, die als Heizbrenner für den Außenumfangsabschnitt dienen, größer ist als die Anzahl der Heizbrenner, die als Heizbrenner für den zentralen Abschnitt dienen.
D. h., es ist möglich, die Anzahl und die Anordnung der Heizbrenner, die verwendet werden sollen, verschiedenartig auszuführen, und zwar innerhalb eines Bereichs, der die Bedingung erfüllt, dass eine größere Wärmemenge in die Schmelzeoberfläche eingetragen wird, die in einem Außenumfangsabschnitt vorliegt, als die Wärmemenge, die in die Schmelzeoberfläche eingetragen wird, die in dem zentralen Abschnitt vorliegt.
Wie es vorstehend erläutert worden ist, stellt die vorliegende Erfindung eine kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung bereit, mit der die Entmischung der chemischen Zusammensetzung des Blocks selbst in einem Fall vermindert oder unterdrückt werden kann, bei dem ein Titanblock oder ein Titanlegierungsblock, der einen großen Durchmesser aufweist, kontinuierlich gegossen wird.
Die erste kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, umfasst eine Form, die einen oberen Abschnitt mit einer kreisförmigen oberen Öffnung zum Eingießen von geschmolzenem Metall aus Titan oder einer Titanlegierung und einen unteren Abschnitt mit einer unteren Öffnung zum kontinuierlichen Abziehen eines Blocks aus dem Titan oder der Titanlegierung umfasst, eine erste und eine zweite Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit, die jeweils so angeordnet sind, dass sie auf die obere Öffnung der Form gerichtet sind und die obere Öffnung der Form mit einem Plasmalichtbogen bestrahlen, und eine Antriebsvorrichtung, die mindestens die zweite Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit um den Mittelpunkt der oberen Öffnung der Form dreht. Die erste Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit ist näher am Mittelpunkt der oberen Öffnung angeordnet als die zweite Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit.
Durch diese Vorrichtung ist es möglich, das Erwärmen eines geschmolzenen Metalls durch die Kombination aus der ersten und der zweiten Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit und der Drehung mindestens der zweiten Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit zu vereinheitlichen und dadurch die Entmischung der chemischen Zusammensetzung eines Titanblocks oder eines Titanlegierungsblocks zu vermindern.
Es ist bevorzugt, dass die erste Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit in einer Position angeordnet ist, die von dem Mittelpunkt der oberen Öffnung der Form abweicht, wenn die kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung von der Seite der oberen Öffnung der Form her betrachtet wird, und dass die Antriebsvorrichtung die erste und die zweite Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit um den Mittelpunkt der oberen Öffnung der Form dreht. Durch Drehen der ersten Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit zusätzlich zu der zweiten Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit auf diese Weise wird ein einheitlicheres Erwärmen des geschmolzenen Metalls erreicht.
Es ist mehr bevorzugt, dass die erste und die zweite Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit in Positionen auf der gleichen Geraden angeordnet sind, die durch den Mittelpunkt der oberen Öffnung der Form verläuft, wenn die kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung von der Seite der oberen Öffnung der Form her betrachtet wird, und zwar im Gegensatz zu einem sandwichartigen Umgeben des Mittelpunkts, und dass die Antriebsvorrichtung die erste und die zweite Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit in der gleichen Richtung dreht. Eine solche Anordnung der ersten und der zweiten Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit kann die Einheitlichkeit des Erwärmens des geschmolzenen Metalls durch das Drehen der beiden Plasmalichtbogenbestrahlungseinheiten weiter verbessern.
Es ist auch bevorzugt, dass die Plasmalichtbogenausgangsleistung der zweiten Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit größer ist als die Plasmalichtbogenausgangsleistung der ersten Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit. Folglich werden die Ausgangsleistungen der Plasmalichtbogenbestrahlungseinheiten in geeigneter Weise im Hinblick auf die Größen der zu erwärmenden Bereiche eingestellt, die jeder Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit zugeordnet sind.
Insbesondere ist es bevorzugt, dass es sich bei der ersten und der zweiten Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit jeweils um den ersten und den zweiten Plasmabrenner handelt, und dass die Plasmalichtbogenausgangsleistung des zweiten Plasmabrenners größer ist als die Plasmalichtbogenausgangsleistung des ersten Plasmabrenners, oder dass die erste Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit mindestens einen Plasmabrenner umfasst und die zweite Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit eine Mehrzahl von Plasmabrennern in einer Anzahl umfasst, die größer ist als die Anzahl der Plasmabrenner der ersten Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit.
Alternativ kann die erste Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit so angeordnet sein, dass sie den Mittelpunkt der oberen Öffnung der Form überlappt, wenn die kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung von der Seite der oberen Öffnung der Form her betrachtet wird.
Die zweite kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, umfasst eine Form, die einen oberen Abschnitt mit einer kreisförmigen oberen Öffnung zum Eingießen von geschmolzenem Metall aus Titan oder einer Titanlegierung und einen unteren Abschnitt mit einer unteren Öffnung zum kontinuierlichen Abziehen eines Blocks aus dem Titan oder der Titanlegierung umfasst, und eine Mehrzahl von Plasmabrennern, die geschmolzenes Metall in der Form von der Seite der oberen Öffnung der Form her unter Verwendung eines Plasmalichtbogens erwärmen. Die Mehrzahl von Plasmabrennern ist derart angeordnet, dass die Menge des Wärmeeintrags in das geschmolzene Metall, das in dem Außenumfangsabschnitt vorliegt, der den zentralen Abschnitt der oberen Öffnung umgibt, relativ zu der Menge des Wärmeeintrags in das geschmolzene Metall, das in dem zentralen Abschnitt der oberen Öffnung vorliegt, groß ist.
Durch die Vorrichtung ist es selbst in dem Fall eines Titanblocks oder eines Titanlegierungsblocks, der einen großen Durchmesser aufweist, möglich, eine Entmischung der chemischen Zusammensetzung des Blocks zu vermindern oder zu unterdrücken.
In der vorliegenden Erfindung können der zentrale Abschnitt und der Außenumfangsabschnitt der oberen Öffnung in geeigneter Weise eingestellt werden. Beispielsweise kann, wenn r den Radius der oberen Öffnung darstellt, der zentrale Abschnitt der oberen Öffnung als ein Abschnitt innerhalb eines Bereichs innerhalb eines Radius r/3 von dem Mittelpunkt der oberen Öffnung definiert werden, und der Außenumfangsabschnitt der oberen Öffnung kann als ein Abschnitt eines Bereichs innerhalb eines Radius r/3 bis r definiert werden.
Es ist bevorzugt, dass die Mehrzahl von Plasmabrennern in Positionen angeordnet ist, die bezüglich der radialen Richtung der oberen Öffnung verschieden sind, und dass die Mehrzahl von Plasmabrennern eine Mehrzahl von Drehbrennern umfasst, die um den Mittelpunkt der oberen Öffnung drehbar sind. Die Drehungen dieser Drehbrenner ermöglichen eine signifikante Erweiterung des Schmelzebereichs, der direkt durch die Plasmabrenner erwärmt werden kann.
Es ist bevorzugt, dass die Mehrzahl von Plasmabrennern einen ersten Plasmabrenner, der oberhalb des zentralen Abschnitts der oberen Öffnung angeordnet ist, und einen zweiten Plasmabrenner umfasst, der oberhalb des Außenumfangsabschnitts der oberen Öffnung angeordnet ist, und dass die Ausgangsleistung des zweiten Plasmabrenners größer ist als die Ausgangsleistung des ersten Plasmabrenners.

Claims

Kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung, die eine Form, die einen oberen Abschnitt mit einer kreisförmigen oberen Öffnung zum Eingießen von geschmolzenem Metall aus Titan oder einer Titanlegierung und einen unteren Abschnitt mit einer unteren Öffnung zum kontinuierlichen Abziehen eines Blocks aus dem Titan oder der Titanlegierung umfasst, eine erste und eine zweite Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit, die jeweils so angeordnet sind, dass sie auf die obere Öffnung der Form gerichtet sind und die obere Öffnung der Form mit einem Plasmalichtbogen bestrahlen, und eine Antriebsvorrichtung umfasst, die mindestens die zweite Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit um den Mittelpunkt der oberen Öffnung der Form dreht, wobei die erste Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit näher am Mittelpunkt der oberen Öffnung angeordnet ist als die zweite Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit.
Kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit in einer Position angeordnet ist, die von dem Mittelpunkt der oberen Öffnung der Form abweicht, wenn die kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung von der Seite der oberen Öffnung der Form her betrachtet wird, und die Antriebsvorrichtung die erste und die zweite Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit um den Mittelpunkt der oberen Öffnung der Form dreht.
Kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die erste und die zweite Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit in Positionen auf der gleichen Gerade angeordnet sind, die durch den Mittelpunkt der oberen Öffnung der Form verläuft, wenn die kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung von der Seite der oberen Öffnung der Form her betrachtet wird, und zwar im Gegensatz zu einem sandwichartigen Umgeben des Mittelpunkts, und die Antriebsvorrichtung die erste und die zweite Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit in der gleichen Richtung dreht.
Kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Plasmalichtbogenausgangsleistung der zweiten Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit größer ist als die Plasmalichtbogenausgangsleistung der ersten Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit.
Kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung nach Anspruch 4, bei der es sich bei der ersten und der zweiten Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit um einen ersten und einen zweiten Plasmabrenner handelt und die Plasmalichtbogenausgangsleistung des zweiten Plasmabrenners größer ist als die Plasmalichtbogenausgangsleistung des ersten Plasmabrenners.
Kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung nach Anspruch 4, bei der die erste Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit mindestens einen Plasmabrenner umfasst und die zweite Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit eine Mehrzahl von Plasmabrennern umfasst, deren Anzahl größer ist als die Anzahl der Plasmabrenner der ersten Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit.
Kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Plasmalichtbogenbestrahlungseinheit so angeordnet ist, dass sie den Mittelpunkt der oberen Öffnung der Form überlappt, wenn die kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung von der Seite der oberen Öffnung der Form her betrachtet wird.
Kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung, die eine Form, die einen oberen Abschnitt mit einer kreisförmigen oberen Öffnung zum Eingießen von geschmolzenem Metall aus Titan oder einer Titanlegierung und einen unteren Abschnitt mit einer unteren Öffnung zum kontinuierlichen Abziehen eines Blocks aus dem Titan oder der Titanlegierung umfasst, eine Mehrzahl von Plasmabrennern umfasst, die geschmolzenes Metall in der Form von der Seite der oberen Öffnung der Form her unter Verwendung eines Plasmalichtbogens erwärmen, wobei die Mehrzahl von Plasmabrennern derart angeordnet ist, dass die Menge des Wärmeeintrags in das geschmolzene Metall, das in einem Außenumfangsabschnitt vorliegt, der einen zentralen Abschnitt der oberen Öffnung umgibt, verglichen mit der Menge des Wärmeeintrags in das geschmolzene Metall, das in dem zentralen Abschnitt der oberen Öffnung vorliegt, groß wird.
Kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher der zentrale Abschnitt der oberen Öffnung ein Abschnitt eines Bereichs innerhalb eines Radius r/3 von dem Mittelpunkt der oberen Öffnung ist und der Außenumfangsabschnitt der oberen Öffnung ein Abschnitt eines Bereichs eines Radius r/3 bis r von dem Mittelpunkt der oberen Öffnung ist, wenn r den Radius der oberen Öffnung darstellt.
Kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Mehrzahl von Plasmabrennern eine Mehrzahl von Drehbrennern umfasst, die in Positionen, die in der radialen Richtung der oberen Öffnung voneinander verschieden sind, drehbar um den Mittelpunkt der oberen Öffnung angeordnet sind.
Kontinuierliche Titan-Gießvorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Mehrzahl von Plasmabrennern einen ersten Plasmabrenner, der oberhalb des zentralen Abschnitts der oberen Öffnung angeordnet ist, und einen zweiten Plasmabrenner umfasst, der oberhalb des Außenumfangsabschnitts der oberen Öffnung angeordnet ist, und die Ausgangsleistung des zweiten Plasmabrenners größer ist als die Ausgangsleistung des ersten Plasmabrenners.