JP2014140881A - チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳肌の状態が良好な鋳塊を鋳造することができるようにする。
【解決手段】いずれかの熱電対２１で測定した鋳型２の温度が目標温度よりも低い場合には、その熱電対２１の設置個所にプラズマトーチ７が接近した際にプラズマトーチ７の出力を増加させる一方、いずれかの熱電対２１で測定した鋳型２の温度が目標温度よりも高い場合には、その熱電対２１の設置個所にプラズマトーチ７が接近した際にプラズマトーチ７の出力を低下させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、チタンまたはチタン合金からなる鋳塊を連続的に鋳造する、チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造方法に関する。

真空アーク溶解や電子ビーム溶解によって溶融させた金属を無底の鋳型内に注入して凝固させながら下方に引抜くことで、鋳塊を連続的に鋳造することが行われている。

特許文献１には、チタンまたはチタン合金を不活性ガス雰囲気中でプラズマアーク溶解して鋳型内に注入して凝固させる、自動制御プラズマ溶解鋳造方法が開示されている。不活性ガス雰囲気中で行われるプラズマアーク溶解においては、真空中で行われる電子ビーム溶解とは異なり、純チタンだけでなく、チタン合金も鋳造することが可能である。

特許第３０７７３８７号公報

ところで、鋳造された鋳塊の鋳肌に凹凸や傷があると、圧延前に表面を切削する等の前処理が必要となり、歩留り低減や作業工数の増加の原因となる。そこで、鋳肌に凹凸や傷が無い鋳塊を鋳造することが求められる。

ここで、プラズマアーク溶解により大型の鋳塊を連続鋳造する場合には、溶湯の湯面全体を加熱するためにプラズマトーチを所定のコースで水平移動させている。そして、湯面におけるプラズマトーチの出力や移動位置、速度、鋳型抜熱を適正化することで、鋳塊の全域にわたって鋳肌の品質を向上させるようにしている。

しかし、鋳型内に注入される溶湯の温度変動や、鋳型への接触状態の変化など、操業条件の突発的な変化により、局所的に入抜熱のバランスが変化し、鋳肌の品質が悪化することがある。

また、温度条件が大きく変わった場合に発見が遅れると、低温時には鋳塊の凝固により引抜きができなくなったり、高温時には凝固シェルが破れて湯漏れが発生したりするなど、操業トラブルになる場合がある。

そこで、従来、操業オペレータが鋳型内の状況を監視して、手動でプラズマトーチの移動パターンを切り替える等の操作を行って対応していたが、検知や対応が遅れたり、見逃しが発生したりする可能性がある。

本発明の目的は、鋳肌の状態が良好な鋳塊を鋳造することが可能なチタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造方法を提供することである。

本発明におけるチタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造方法は、チタンまたはチタン合金を溶解させた溶湯を無底の鋳型内に注入して凝固させながら下方に引抜くことで、チタンまたはチタン合金からなる鋳塊を連続的に鋳造する連続鋳造方法であって、プラズマトーチを前記鋳型内の前記溶湯の湯面上で水平移動させながら、前記プラズマトーチからのプラズマアークで前記溶湯の湯面を加熱する加熱工程と、前記鋳型の周方向に沿って前記鋳型の複数箇所に設けた温度センサで前記鋳型の温度をそれぞれ測定する測温工程と、前記温度センサで測定した前記鋳型の温度と、前記温度センサ毎に予め設定された目標温度とに基づいて、前記プラズマトーチから前記溶湯の湯面への単位面積当たりの入熱量を制御する入熱量制御工程と、を有することを特徴とする。

上記の構成によれば、温度センサで測定した鋳型の温度と、温度センサ毎に予め設定された目標温度とに基づいて、プラズマトーチから溶湯の湯面への単位面積当たりの入熱量を制御する。例えば、温度センサの測温値が目標温度になるように、プラズマトーチから溶湯の湯面への単位面積当たりの入熱量を増減させる。このように、温度センサの測温値と目標温度とに基づいてプラズマトーチから溶湯の湯面への単位面積当たりの入熱量をリアルタイムで変化させることで、溶湯の湯面近傍の入抜熱状態を適切に制御することができる。これにより、鋳肌の状態が良好な鋳塊を鋳造することができる。

また、本発明におけるチタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造方法において、前記入熱量制御工程は、いずれかの前記温度センサで測定した前記鋳型の温度が前記目標温度よりも低い場合には、その温度センサの設置個所に前記プラズマトーチが接近した際に前記プラズマトーチの出力を増加させる一方、いずれかの前記温度センサで測定した前記鋳型の温度が前記目標温度よりも高い場合には、その温度センサの設置個所に前記プラズマトーチが接近した際に前記プラズマトーチの出力を低下させてよい。上記の構成によれば、いずれかの温度センサで測定した鋳型の温度が目標温度よりも低い場合には、その温度センサの設置個所にプラズマトーチが接近した際にプラズマトーチの出力を増加させる一方、いずれかの温度センサで測定した鋳型の温度が目標温度よりも高い場合には、その温度センサの設置個所にプラズマトーチが接近した際にプラズマトーチの出力を低下させる。このように、温度センサの測温値と目標温度とに基づいてプラズマトーチの出力をリアルタイムで変化させることで、溶湯の湯面近傍の入抜熱状態を適切に制御することができる。

また、本発明におけるチタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造方法においては、前記温度センサで測定した前記鋳型の温度と前記目標温度との差に基づいてプラズマトーチ出力補正量を算出する算出工程を更に有し、前記入熱量制御工程は、前記プラズマトーチの基準的な出力パターンである基準プラズマトーチ出力パターンに前記プラズマトーチ出力補正量を足し合わせることで、前記プラズマトーチの出力を補正してよい。上記の構成によれば、基準プラズマトーチ出力パターンにプラズマトーチ出力補正量を足し合わせることで、プラズマトーチの出力を補正する。これにより、温度センサの測温値と目標温度とに基づいてプラズマトーチの出力をリアルタイムで変化させることができる。

本発明のチタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造方法によると、温度センサの測温値と目標温度とに基づいてプラズマトーチから溶湯の湯面への単位面積当たりの入熱量をリアルタイムで変化させることで、溶湯の湯面近傍の入抜熱状態を適切に制御することができる。これにより、鋳肌の状態が良好な鋳塊を鋳造することができる。

連続鋳造装置を示す斜視図である。 連続鋳造装置を示す断面図である。 表面欠陥の発生メカニズムを表す説明図である。 鋳型を測方から見たモデル図である。 鋳型を上方から見たモデル図である。 補正後のプラズマトーチ出力の算出方法を表わすグラフ図である。 プラズマトーチ出力補正量の算出方法を表わすグラフ図である。 連続鋳造装置を示す斜視図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

（連続鋳造装置の構成）
本実施形態によるチタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造方法は、プラズマアーク溶解させたチタンまたはチタン合金の溶湯を無底の鋳型内に注入して凝固させながら下方に引抜くことで、チタンまたはチタン合金からなる鋳塊を連続的に鋳造する連続鋳造方法である。この連続鋳造方法を実施するチタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造装置（連続鋳造装置）１は、斜視図である図１、および、断面図である図２に示すように、鋳型２と、コールドハース３と、原料投入装置４と、プラズマトーチ５と、スターティングブロック６と、プラズマトーチ７と、を有している。連続鋳造装置１のまわりは、アルゴンガスやヘリウムガス等からなる不活性ガス雰囲気にされている。

原料投入装置４は、コールドハース３内にスポンジチタンやスクラップ等のチタンまたはチタン合金の原料を投入する。プラズマトーチ５は、コールドハース３の上方に設けられており、プラズマアークを発生させてコールドハース３内の原料を溶融させる。コールドハース３は、原料が溶融した溶湯１２を注湯部３ａから鋳型２内に注入する。鋳型２は、銅製であって、無底で断面形状が矩形に形成されており、角筒状の壁部の少なくとも一部の内部を循環する水によって冷却されるようになっている。スターティングブロック６は、図示しない駆動部によって上下動され、鋳型２の下側開口部を塞ぐことが可能である。プラズマトーチ７は、鋳型２内の溶湯１２の上方に設けられており、図示しない移動手段により溶湯１２の湯面上で水平移動されながら、鋳型２内に注入された溶湯１２の湯面をプラズマアークで加熱する。

以上の構成において、鋳型２内に注入された溶湯１２は、水冷式の鋳型２との接触面から凝固していく。そして、鋳型２の下側開口部を塞いでいたスターティングブロック６を所定の速度で下方に引き下ろしていくことで、溶湯１２が凝固した角柱状の鋳塊（スラブ）１１が下方に引抜かれながら連続的に鋳造される。

ここで、真空雰囲気での電子ビーム溶解では微少成分が蒸発するために、チタン合金の鋳造は困難であるが、不活性ガス雰囲気でのプラズマアーク溶解では、純チタンだけでなく、チタン合金も鋳造することが可能である。

なお、連続鋳造装置１は、鋳型２内の溶湯１２の湯面に固相あるいは液相のフラックスを投入するフラックス投入装置を有していてもよい。ここで、真空雰囲気での電子ビーム溶解では、フラックスが飛散するのでフラックスを鋳型２内の溶湯１２に投入するのが困難である。これに対して、不活性ガス雰囲気でのプラズマアーク溶解では、フラックスを鋳型２内の溶湯１２に投入することができるという利点を有する。

（操業条件）
ところで、チタンまたはチタン合金からなる鋳塊１１を連続鋳造した際に、鋳塊１１の表面（鋳肌）に凹凸や傷があると、次工程である圧延過程で表面欠陥となる。そのため、圧延する前に鋳塊１１表面の凹凸や傷を切削等で取り除く必要があり、歩留まりの低下や作業工程の増加など、コストアップの要因となる。そのため、表面に凹凸や傷が無い鋳塊１１を鋳造することが求められる。

ここで、図３に示すように、チタンからなる鋳塊１１の連続鋳造においては、プラズマアークや電子ビームにより加熱される溶湯１２の湯面近傍（湯面から湯面下１０〜２０ｍｍ程度までの領域）においてのみ鋳型２と鋳塊１１（凝固シェル１３）の表面とが接触しており、これより深い領域では鋳塊１１が熱収縮することで、鋳型２との間にエアギャップ１４が発生する。そして、図３（ａ）に示すように、初期凝固部１５（溶湯１２が鋳型２に触れて最初に凝固する部分）への入熱が過多の場合、凝固シェル１３が薄すぎるために強度不足により凝固シェル１３の表面が引きちぎられる「ちぎれ欠陥」が発生する。一方、図３（ｂ）に示すように、初期凝固部１５への入熱が不足すると、成長した（厚くなった）凝固シェル１３上に溶湯１２が被ることで「湯被り欠陥」が発生する。したがって、溶湯１２の湯面近傍における初期凝固部１５への入抜熱状況が鋳肌の性状に大きな影響を与えると推定され、溶湯１２の湯面近傍の入抜熱状態を適切に制御することで良好な鋳肌の鋳塊１１が得られると考えられる。

そこで、鋳型２を測方から見たモデル図である図４、および、鋳型２を上方から見たモデル図である図５に示すように、鋳型２の周方向に沿って鋳型２の複数箇所に熱電対（温度センサ）２１を設け、各熱電対２１が測定した鋳型２の温度と、熱電対２１毎に予め設定された目標温度とに基づいて、プラズマトーチ７から溶湯１２の湯面への単位面積当たりの入熱量を制御するようにしている。本実施形態においては、各熱電対２１が測定した鋳型２の温度と、熱電対２１毎に予め設定された目標温度とに基づいて、溶湯１２の湯面上で水平移動されるプラズマトーチ７の出力を制御するようにしている。なお、プラズマトーチ７の出力を一定とし、プラズマトーチ７と溶湯１２の湯面との距離を変化させたり、プラズマガスの流量を変化させたりすることで、プラズマトーチ７から溶湯１２の湯面への単位面積当たりの入熱量を制御するようにしてもよい。また、鋳型２の温度を計測する手段は熱電対２１に限定されず、光ファイバー等であってもよい。

具体的には、各熱電対２１が測定した鋳型２の温度は、制御装置２２に入力される。制御装置２２には、熱電対２１毎に予め設定された目標温度値およびプラズマトーチ出力補正量が入力されている。そして、制御装置２２は、各熱電対２１が測定した鋳型２の温度と目標温度とに基づいたプラズマトーチ出力制御信号をプラズマトーチ７に出力する。このようにして、制御装置２２は、いずれかの熱電対２１で測定した鋳型２の温度が目標温度よりも低い場合には、その熱電対２１の設置個所にプラズマトーチ７が接近した際にプラズマトーチ７の出力を増加させる一方、いずれかの熱電対２１で測定した鋳型２の温度が目標温度よりも高い場合には、その熱電対２１の設置個所にプラズマトーチ７が接近した際にプラズマトーチ７の出力を低下させるように、プラズマトーチ７の出力を制御している。

このように、熱電対２１の測温値と目標温度とに基づいてプラズマトーチ７から溶湯１２の湯面への単位面積当たりの入熱量をリアルタイムで変化させることで、溶湯１２の湯面近傍の入抜熱状態を適切に制御することができる。これにより、鋳肌の状態が良好な鋳塊１１を鋳造することができる。

また、熱電対２１の測温値と目標温度とに基づいてプラズマトーチ７の出力をリアルタイムで変化させることで、溶湯１２の湯面近傍の入抜熱状態を適切に制御することができる。

プラズマトーチ７の制御にあたっては、まず、鋳肌の状態が良好な鋳塊１１を鋳造することが可能なプラズマトーチ７の基準的な出力パターンである基準プラズマトーチ出力パターンＰＡ（Ｌ）［Ｗ］を事前に決めておく。ＰＡ（Ｌ）は、プラズマトーチ７の移動経路における位置Ｌ［ｍ］でのプラズマトーチ７の出力値である。さらに、各側温位置ｉでの鋳型２の目標温度Ｔａ（ｉ）［℃］を、過去の操業実績やシミュレーション等により事前に決めておく。具体的には、基準プラズマトーチ出力パターンＰＡ（Ｌ）を用いて鋳造したときに、表面品質が良好であると測定された、または、良好であると予測される時点での温度を、目標温度Ｔａ（ｉ）として用いる。目標温度Ｔａ（ｉ）は、実測値でもシミュレーションによる計算値でもよい。さらに、熱電対２１による実測温度Ｔｍ（ｉ）［℃］と鋳型２の目標温度Ｔａ（ｉ）との差であるΔＴ（ｉ）に基づいて、プラズマトーチ出力補正量ΔＰ（Ｌ，ΔＴ（ｉ））［Ｗ］を事前に求めておく。ここで、ΔＴ（ｉ）＝Ｔｍ（ｉ）−Ｔａ（ｉ）である。

そして、連続鋳造中にリアルタイムで鋳型２の実測温度Ｔｍ（ｉ）を計測する。そして、プラズマトーチ出力Ｐ（Ｌ）［Ｗ］を下記の式１で制御する。

Ｐ（Ｌ）＝ＰＡ（Ｌ）＋ΔＰ（Ｌ，Ｔｍ（ｉ）−Ｔａ（ｉ）） ・・・（式１）

上記の出力調整を指定時間間隔毎に実行する。

より具体的には、図５に示すように、プラズマトーチ７の移動軌道２３における角部にトーチ位置Ａ〜Ｄをそれぞれ設ける。また、鋳型２の長辺の中央、および、鋳型２の短辺の中央にそれぞれ熱電対２１を設け、熱電対２１の位置を（１）〜（４）とする。

図６（ａ）に、位置（１）〜（４）にそれぞれ設置された熱電対２１の実測温度Ｔｍ（ｉ）と目標温度Ｔａ（ｉ）とを示す。また、図６（ｂ）に、トーチ位置Ａ〜Ｄにおける基準プラズマトーチ出力パターンＰＡ（Ｌ）を示す。

図６（ａ）において、実測温度Ｔｍ（ｉ）と目標温度Ｔａ（ｉ）との差ΔＴ（ｉ）から、プラズマトーチ出力補正量ΔＰ（Ｌ，ΔＴ（ｉ））を求める。図６（ｃ）に、トーチ位置Ａ〜Ｄにおけるプラズマトーチ出力補正量ΔＰ（Ｌ，ΔＴ（ｉ））を示す。そして、基準プラズマトーチ出力パターンＰＡ（Ｌ）にプラズマトーチ出力補正量ΔＰ（Ｌ，ΔＴ（ｉ））を足し合わせることで、補正後のプラズマトーチ出力Ｐ（Ｌ）を求める。図６（ｄ）に、トーチ位置Ａ〜Ｄにおける補正後のプラズマトーチ出力Ｐ（Ｌ）を示す。

このように、基準プラズマトーチ出力パターンＰＡ（Ｌ）にプラズマトーチ出力補正量ΔＰ（Ｌ，ΔＴ（ｉ））を足し合わせることで、プラズマトーチ７の出力を補正する。これにより、熱電対２１の測温値と目標温度とに基づいてプラズマトーチ７の出力をリアルタイムで変化させることができる。

なお、プラズマトーチ出力補正量ΔＰ（Ｌ，ΔＴ（ｉ））は、以下の式２により求まる。

ΔＰ（Ｌ，ΔＴ（ｉ））＝Σ（ｉ＝１，Ｎ）（ΔＰｕ（Ｌ，ｉ）×ｆｄ（Ｔｍ（ｉ）−Ｔａ（ｉ））） ・・・（式２）

ここで、Ｎは温度の測温点数、ΔＰｕ（Ｌ，ｉ）［Ｗ／℃］はｉ番目の熱電対２１における実測温度が目標温度から単位温度ずれたときのプラズマトーチ出力補正値、ｆｄ（ΔＴ）［℃／℃］は、測温値とのずれ量による補正係数である。

図７（ａ）に、プラズマトーチ出力補正値ΔＰｕ（Ｌ，ｉ）を示す。また、図７（ｂ）に、補正係数ｆｄ（ΔＴ）を示す。ここで、目標温度と実測温度との差が非常に大きくなる場合には、凝固異常により操業トラブルが発生する可能性がある。そこで、目標温度と実測温度との差が予め設けた閾値を超える場合には、オペレータにアラームを出力したり、引抜き速度を低下させたり、鋳造中止等を行ってもよい。また、図７（ｃ）に、プラズマトーチ出力補正値ΔＰｕ（Ｌ，ｉ）と補正係数ｆｄ（Ｔｍ（ｉ）−Ｔａ（ｉ））で求まるプラズマトーチ出力補正量ΔＰ（Ｌ，ΔＴ（ｉ））を示す。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るチタンまたはチタン合金からなる鋳塊１１の連続鋳造方法によると、熱電対２１で測定した鋳型２の温度と、熱電対２１毎に予め設定された目標温度とに基づいて、プラズマトーチ７から溶湯１２の湯面への単位面積当たりの入熱量を制御する。例えば、熱電対２１の測温値が目標温度になるように、プラズマトーチ７から溶湯１２の湯面への単位面積当たりの入熱量を増減させる。このように、熱電対２１の測温値と目標温度とに基づいてプラズマトーチ７から溶湯１２の湯面への単位面積当たりの入熱量をリアルタイムで変化させることで、溶湯１２の湯面近傍の入抜熱状態を適切に制御することができる。これにより、鋳肌の状態が良好な鋳塊１１を鋳造することができる。

また、いずれかの熱電対２１で測定した鋳型２の温度が目標温度よりも低い場合には、その熱電対２１の設置個所にプラズマトーチ７が接近した際にプラズマトーチ７の出力を増加させる一方、いずれかの熱電対２１で測定した鋳型２の温度が目標温度よりも高い場合には、その熱電対２１の設置個所にプラズマトーチ７が接近した際にプラズマトーチ７の出力を低下させる。このように、熱電対２１の測温値に基づいてプラズマトーチ７の出力をリアルタイムで変化させることで、溶湯１２の湯面近傍の入抜熱状態を適切に制御することができる。

また、基準プラズマトーチ出力パターンにプラズマトーチ出力補正量を足し合わせることで、プラズマトーチ７の出力を補正する。これにより、熱電対２１の測温値に基づいてプラズマトーチ７の出力をリアルタイムで変化させることができる。

（変形例）
なお、本実施形態の連続鋳造方法を実施する連続鋳造装置２０１は、図８に示すように、断面円形の鋳型２０２を用いて円柱状の鋳塊２１１を連続鋳造するものであってもよい。

（本実施形態の変形例）
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１，２０１ 連続鋳造装置
２，２０２ 鋳型
３ コールドハース
３ａ 注湯部
４ 原料投入装置
５ プラズマトーチ
６ スターティングブロック
７ プラズマトーチ
１１，２１１ 鋳塊
１２ 溶湯
１３ 凝固シェル
１４ エアギャップ
１５ 初期凝固部
２１ 熱電対
２２ 制御装置
２３ 移動軌道

Claims (3)

1. チタンまたはチタン合金を溶解させた溶湯を無底の鋳型内に注入して凝固させながら下方に引抜くことで、チタンまたはチタン合金からなる鋳塊を連続的に鋳造する連続鋳造方法であって、
   プラズマトーチを前記鋳型内の前記溶湯の湯面上で水平移動させながら、前記プラズマトーチからのプラズマアークで前記溶湯の湯面を加熱する加熱工程と、
   前記鋳型の周方向に沿って前記鋳型の複数箇所に設けた温度センサで前記鋳型の温度をそれぞれ測定する測温工程と、
   前記温度センサで測定した前記鋳型の温度と、前記温度センサ毎に予め設定された目標温度とに基づいて、前記プラズマトーチから前記溶湯の湯面への単位面積当たりの入熱量を制御する入熱量制御工程と、
   を有することを特徴とするチタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造方法。
2. 前記入熱量制御工程は、いずれかの前記温度センサで測定した前記鋳型の温度が前記目標温度よりも低い場合には、その温度センサの設置個所に前記プラズマトーチが接近した際に前記プラズマトーチの出力を増加させる一方、いずれかの前記温度センサで測定した前記鋳型の温度が前記目標温度よりも高い場合には、その温度センサの設置個所に前記プラズマトーチが接近した際に前記プラズマトーチの出力を低下させることを特徴とする請求項１に記載のチタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造方法。
3. 前記温度センサで測定した前記鋳型の温度と前記目標温度との差に基づいてプラズマトーチ出力補正量を算出する算出工程を更に有し、
   前記入熱量制御工程は、前記プラズマトーチの基準的な出力パターンである基準プラズマトーチ出力パターンに前記プラズマトーチ出力補正量を足し合わせることで、前記プラズマトーチの出力を補正することを特徴とする請求項２に記載のチタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造方法。