JP5701720B2 - チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造用の鋳型およびこれを備えた連続鋳造装置 - Google Patents

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装置、および、これに用いられる鋳型に関する。

プラズマ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。

また、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溶解し、引続き不活性ガス雰囲気中にて連続鋳造により薄肉スラブを鋳造し、これを圧延してストリップを製造し、このストリップを圧延する、チタンまたはチタン合金圧延材の製造方法が開示されている。

ここで、チタンまたはチタン合金からなる鋳塊を連続鋳造した際に、鋳造された鋳塊の表面（鋳肌）に凹凸や傷があると、その後の圧延過程で表面欠陥となる。そのため、圧延する前に鋳塊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を鋳造することが求められる。

鋳塊の表面欠陥を低減する方法として、特許文献２には、電子ビーム溶解炉で連続鋳造して引き抜いた後、鋳塊表面に電子ビームを照射して表層を再溶融して、ローラー間に送り込んで表面を平滑化する方法が開示されている。さらに、鋳塊の表面欠陥を低減する方法として、製鋼分野では、鋳型直下の鋳塊の表面をスプレー水で冷却する方法がある。しかし、チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の場合、活性金属であるチタンは高温状態であり水から酸素を吸収して水素を発生させるので、水素爆発の危険があり採用することはできない。

ここで、鋳塊の表面欠陥は、鋳型の壁面近傍において凝固シェルが成長しすぎて湯面に露出し、湯被りが発生したり、鋳塊を鋳型から引抜く際に、成長した凝固シェルと鋳型との界面に作用する摩擦力で凝固シェルが断裂したりすることで生じるものと推測される。そこで、鋳型の壁面近傍において凝固シェルの成長を抑制するには、加熱装置の出力を上げて、湯面への入熱量を上昇させ、凝固シェルを再溶融させる必要がある。しかし、湯面近傍では、鋳型からの抜熱が大きく、またチタンは熱伝導率が低いため、初期の凝固シェルを十分に溶解できない可能性がある。

そこで、鋳型と溶湯との熱伝導率を下げて溶湯からの抜熱量を小さくすることで、鋳型と溶湯との界面を緩冷却して、初期の凝固シェルを溶融させることが考えられる。

特許文献３には、鋳型の厚みや材質を変更したり、鋳型内を流れる冷却水の流速や温度を変更したりすることで、初期の凝固シェルを緩冷却して、鋳片の表面疵の発生を防止する鋼の連続鋳造方法が開示されている。

特開平７−１１８７７３号公報 特開昭６２−０５００４７公報 特開平９−９４６３５号公報

しかしながら、特許文献２においては、鋳塊を引き抜いた後のローラーや、表面加熱用の電子ビーム発生器を別途設置する必要があり、設備コスト面の課題がある。また、特許文献３のように、鋳型の厚みや材質を変更するのは、飛躍的な緩冷却の効果を得られず、鋳型の溶損を招き、溶湯に混入して品質が低下する虞がある。さらに、特許文献３のように、鋳型を冷却する冷却水の流速や温度を制御するのは、鋳型の溶損だけでなく、鋳型構造の複雑さを招き、メンテナンス性を低下させる可能性がある。

本発明の目的は、表面に欠陥が少ない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用の鋳型およびこれを備えた連続鋳造装置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用の鋳型は、チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造に用いられて、チタンまたはチタン合金を溶融させた溶湯が内部に注入される無底の鋳型であって、前記鋳型の内周面の少なくとも一部において、少なくとも前記溶湯の湯面が接触する箇所に、前記溶湯からの抜熱量が前記鋳型よりも小さい緩冷却部が設けられており、前記緩冷却部が、前記溶湯の湯面の温度よりも融点が高い高融点材料からなり、前記高融点材料が、前記溶湯の湯面の温度よりも融点が高い高融点金属であるタンタル、モリブデン、ニオブ、タングステンのいずれかであることを特徴とする。

上記の構成によれば、鋳型の内周面の少なくとも一部において、少なくとも溶湯の湯面が接触する箇所に緩冷却部を設けることで、緩冷却部に接触する溶湯からの抜熱量は、鋳型に接触する溶湯からの抜熱量よりも小さくなる。すると、緩冷却部に接触する凝固シェルの冷却速度が緩やかになるので、緩冷却部が設けられた箇所において凝固シェルが成長するのが抑制される。これにより、鋳型の壁面近傍において凝固シェルが成長することで鋳塊の表面に欠陥が発生するのが抑制される。よって、表面に欠陥が少ない鋳塊を鋳造することができる。

また、緩冷却部が、溶湯の湯面の温度よりも融点が高い高融点材料からなるので、緩冷却部を溶損しにくくすることができる。

また、高融点金属は、チタン中での拡散が遅く、チタンとの反応もしにくいので、チタン表面の活性を抑えることができる。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用の鋳型において、前記高融点材料が、タンタル、ニオブのいずれかであってよい。

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装置は、上記の鋳型と、前記鋳型内に前記溶湯を注入する溶湯注入装置と、前記溶湯が前記鋳型内で凝固した鋳塊を前記鋳型の下方に引抜く引抜装置と、を有することを特徴とする。

上記の構成によれば、鋳型の内周面の緩冷却部が設けられた箇所において凝固シェルが成長するのが抑制されるので、表面に欠陥が少ない鋳塊を連続的に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装置においては、少なくとも前記鋳型のまわりが不活性ガス雰囲気にされており、前記鋳型内に注入された前記溶湯の湯面をプラズマアークで加熱するプラズマアーク加熱装置を更に有していてよい。上記の構成によれば、プラズマアークにより安定した入熱を溶湯の湯面に与えることができるため、鋳型の内周面の緩冷却部からの抜熱量を一定に保つことができる。これにより、凝固シェルが成長するのを抑制して、表面に欠陥が少ない鋳塊を安定して連続的に鋳造することができる。

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用の鋳型およびこれを備えた連続鋳造装置によると、鋳型の内周面の少なくとも一部において、少なくとも溶湯の湯面が接触する箇所に緩冷却部を設けることで、緩冷却部に接触する凝固シェルの冷却速度が緩やかになるので、緩冷却部が設けられた箇所において凝固シェルが成長するのが抑制される。これにより、鋳型の壁面近傍において凝固シェルが成長することで鋳塊の表面に欠陥が発生するのが抑制されるから、表面に欠陥が少ない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。 表面欠陥の発生メカニズムを表す説明図である。 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。

［第１実施形態］
（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用の鋳型（鋳型）２は、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に設けられている。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（溶湯注入装置）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（引抜装置）６と、プラズマトーチ（プラズマアーク加熱装置）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、無底で断面長方形状に形成されており、四辺をなす壁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の上方に設けられており、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。

また、連続鋳造装置１は、図示しないフラックス投入装置を有している。フラックス投入装置は、鋳型２内の溶湯１２に固相のフラックス９を投入する。溶湯１２の湯面において溶解したフラックス９は、鋳型２と溶湯１２との間に侵入して、鋳型２と凝固シェル１３との摩擦抵抗を低減させる潤滑効果を発揮するとともに、鋳型２と溶湯１２との界面を緩冷却する効果を発揮することとなる。

鋳型２の長辺をなす壁部の内側面には、緩冷却板（緩冷却部）８ａがそれぞれ取り付けられている。緩冷却板８ａは、鋳型２の長辺方向においては、鋳型２の長辺をなす壁部の内側面の全長にわたって設けられているとともに、鋳型２の鉛直方向においては、溶湯１２の湯面を挟んで鋳型２の上端から下端の上方にかけて設けられている。また、鋳型２の短辺をなす壁部の内側面には、緩冷却板（緩冷却部）８ｂがそれぞれ取り付けられている。緩冷却板８ｂは、鋳型２の短辺方向においては、鋳型２の短辺をなす壁部の内側面の全長にわたって設けられているとともに、鋳型２の鉛直方向においては、溶湯１２の湯面を挟んで鋳型２の上端から下端の上方にかけて設けられている。これにより、溶湯１２の湯面の全周が緩冷却板８ａおよび緩冷却板８ｂで囲まれている。

なお、緩冷却板８ａは、少なくとも溶湯１２の湯面が接触する箇所であれば、鋳型２の長辺をなす壁部の内側面の一部に設けられていてよい。同様に、緩冷却板８ｂは、少なくとも溶湯１２の湯面が接触する箇所であれば、鋳型２の短辺をなす壁部の内側面の一部に設けられていてよい。あるいは、緩冷却板８ａは、鋳型２の長辺をなす壁部の内側面の全面に設けられていてよい。同様に、緩冷却板８ｂは、鋳型２の短辺をなす壁部の内側面の全面に設けられていてよい。

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が凝固したスラブ１１が下方に引抜かれながら連続的に鋳造される。

なお、真空雰囲気での電子ビーム溶解では、電子ビーム自体のエネルギー密度が高く、低融点で蒸気圧の大きい金属元素が蒸発するために、成分コントロールの点で、チタン合金の製造は困難であるが、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。また、真空雰囲気での電子ビーム溶解では、フラックス９が飛散するのでフラックス９を鋳型２内の溶湯１２に投入するのが困難であるが、不活性ガス雰囲気でのプラズマアーク溶解では、フラックス９を好適に鋳型２内の溶湯１２に投入することができる。

（表面欠陥の発生メカニズム）
ところで、チタンまたはチタン合金からなるスラブ１１を連続鋳造した際に、スラブ１１の表面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、圧延する前にスラブ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スラブ１１を鋳造することが求められる。

ここで、スラブ１１の表面に生じる欠陥の中には、鋳型２の壁面近傍において凝固シェルが成長しすぎて湯面に露出し、湯被りが発生することで生じるものがあると推測される。そのメカニズムについて図３を用いて説明する。まず、図３（ａ）に示すように、鋳型２の壁面近傍において凝固シェル１３が成長する。次に、図３（ｂ）に示すように、鋳型２の壁面近傍に溶湯１２が供給されない状態で、引抜きにより凝固シェル１３が下降する。すると、図３（ｃ）に示すように、凝固シェル１３の上端が溶湯１２の液面よりも低くなることで、凝固シェル１３の上に溶湯１２が流れ込む。そして、図３（ｄ）に示すように、凝固シェル１３の上に流れ込んだ溶湯１２が凝固して凝固シェル１３になることで、凝固シェル１３に表面欠陥が生じ、これがスラブ１１の表面欠陥となる。

また、スラブ１１の表面に生じる欠陥の中には、凝固シェル１３の断裂により生じるものがあると推測される。そのメカニズムについて図４を用いて説明する。鋳型２の壁面近傍において成長した凝固シェル１３が、引抜きにより下降する。このとき、成長した凝固シェル１３と鋳型２との界面に作用する摩擦力で凝固シェル１３が断裂し、この断裂がスラブ１１の表面欠陥となる。

（緩冷却）
本実施形態では、図１，２に示すように、スラブ１１の表面に欠陥が生じるのを抑制するために、鋳型２の長辺をなす壁部の内側面に緩冷却板８ａを、鋳型２の短辺をなす壁部の内側面に緩冷却板８ｂを、それぞれ設けている。緩冷却板８ａおよび緩冷却板８ｂは、溶湯１２の湯面の温度よりも融点が高い高融点金属からなっている。ここで、溶湯１２の湯面の温度は、溶湯１２が純チタンからなる場合、チタンの融点である１６８０℃よりも高くなっており、プラズマトーチ７による加熱箇所ではさらに高くなっていると推測される。そこで、溶湯１２の湯面の温度よりも融点が高い高融点金属として、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）を挙げることができる。この中で特に好ましいのはタンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）である。これらの高融点金属は、チタンの融点との融点差が大きいので、チタンとはほとんど反応しない。また、真空あるいは不活性ガス環境下において高い耐食性を有することから好適である。

このような緩冷却板８ａ，８ｂは、銅よりも熱伝導率が小さいので、溶湯１２からの抜熱量が銅製の鋳型２よりも小さい。そのため、鋳型２の内周面の全周において、溶湯１２の湯面が接触する箇所に緩冷却板８ａ，８ｂを設けることで、緩冷却板８ａ，８ｂに接触する溶湯１２からの抜熱量は、鋳型２に接触する溶湯１２からの抜熱量よりも小さくなる。すると、緩冷却板８ａ，８ｂに接触する凝固シェル１３の冷却速度が緩やかになるので、緩冷却板８ａ，８ｂが設けられた箇所において凝固シェル１３が成長するのが抑制される。これにより、鋳型２の壁面近傍において凝固シェル１３が成長することでスラブ１１の表面に欠陥が発生するのが抑制される。

また、緩冷却板８ａ，８ｂが、溶湯１２の湯面の温度よりも融点が高い高融点金属からなるので、緩冷却板８ａ，８ｂが溶損しにくい。また、高融点金属は、チタン中での拡散が遅く、チタンとの反応もしにくいので、チタン表面の活性が抑えられる。

また、図示しないフラックス投入装置から鋳型２内の溶湯１２に投入されたフラックス９は、鋳型２と凝固シェル１３との間を潤滑する効果の他に、鋳型２と溶湯１２との熱伝導率を下げて、鋳型２と溶湯１２との界面を緩冷却する効果を発揮する。この緩冷却効果により、凝固シェル１３が成長するのが一層抑制されるので、フラックス９を併用することが好ましい。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る鋳型２および連続鋳造装置１によると、鋳型２の内周面の少なくとも一部において、少なくとも溶湯１２の湯面が接触する箇所に緩冷却板８ａ，８ｂを設けることで、緩冷却板８ａ，８ｂに接触する溶湯１２からの抜熱量は、鋳型２に接触する溶湯１２からの抜熱量よりも小さくなる。すると、緩冷却板８ａ，８ｂに接触する凝固シェル１３の冷却速度が緩やかになるので、緩冷却板８ａ，８ｂが設けられた箇所において凝固シェル１３が成長するのが抑制される。これにより、鋳型２の壁面近傍において凝固シェル１３が成長することでスラブ１１の表面に欠陥が発生するのが抑制される。よって、表面に欠陥が少ないスラブ１１を鋳造することができる。

また、緩冷却板８ａ，８ｂが、溶湯１２の湯面の温度よりも融点が高い高融点金属からなるので、緩冷却板８ａ，８ｂを溶損しにくくすることができる。また、高融点金属は、チタン中での拡散が遅く、チタンとの反応もしにくいので、チタン表面の活性を抑えることができる。

また、フラックス９には、鋳型２と凝固シェル１３との間の潤滑効果の他に、鋳型２と溶湯１２との熱伝導率を下げて、鋳型２と溶湯１２との界面を緩冷却する効果がある。本実施形態に係る連続鋳造装置１によると、不活性ガス雰囲気でのプラズマアーク溶解において、フラックス９を併用することで、凝固シェル１３が成長するのを一層抑制することができる。

（変形例）
なお、緩冷却板８ａ，８ｂが、チタンまたはチタン合金からなっていてもよい。そして、純チタンからなるスラブ１１を鋳造する場合には、緩冷却板８ａ，８ｂを純チタン製にし、チタン合金からなるスラブ１１を鋳造する場合には、緩冷却板８ａ，８ｂを同種のチタン合金製にすることで、仮に緩冷却板８ａ，８ｂが溶損したとしてもスラブ１１の表面品質を悪化させることがない。

［第２実施形態］
（緩冷却）
次に、本発明の第２実施形態に係る連続鋳造装置２０１について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態の連続鋳造装置２０１が第１実施形態の連続鋳造装置１と異なる点は、図５に示すように、鋳型２の内側面に溶射膜（緩冷却部）８ｃが形成されている点である。

溶射膜８ｃは、溶湯１２の湯面の温度よりも融点が高い高融点金属や、酸化物や炭化物など無機材料の総称であるセラミックスからなる溶射膜である。溶射膜８ｃは、鋳型２の内側面の全面に形成されている。なお、溶射膜８ｃは、少なくとも溶湯１２の湯面が接触する箇所であれば、鋳型２の内側面の一部に設けられていてよい。また、溶射膜８ｃは、チタンまたはチタン合金からなる溶射膜であってもよい。なお、航空機向けチタン合金においては、疲労破壊の起点になるタングステンカーバイドの混入が制限されているが、航空機向け以外のチタンまたはチタン合金を鋳造する場合には、タングステンカーバイドを溶射膜８ｃに採用してもよい。

上記のような構成においても、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（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。

例えば、断面長方形状のスラブ１１が連続鋳造される構成に限定されず、断面円形の鋳塊などが連続鋳造される構成であってもよい。

また、緩冷却板８ａ，８ｂは、溶湯１２の湯面の温度よりも融点が高いセラミックスからなる構成であってもよい。

また、プラズマトーチ７からのプラズマアークで溶湯１２の湯面を加熱する構成に限定されず、電子ビームや非消耗電極式アーク、高周波誘導加熱により溶湯１２の湯面を加熱する構成であってもよい。

１，２０１ 連続鋳造装置
２ 鋳型
３ コールドハース（溶湯注入装置）
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（引抜装置）
７ プラズマトーチ（プラズマアーク加熱装置）
８ａ，８ｂ 緩冷却板
８ｃ 溶射膜
９ フラックス
１１ スラブ
１２ 溶湯
１３ 凝固シェル

Claims (4)

1. チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造に用いられて、チタンまたはチタン合金を溶融させた溶湯が内部に注入される無底の鋳型であって、
   前記鋳型の内周面の少なくとも一部において、少なくとも前記溶湯の湯面が接触する箇所に、前記溶湯からの抜熱量が前記鋳型よりも小さい緩冷却部が設けられており、
   前記緩冷却部が、前記溶湯の湯面の温度よりも融点が高い高融点材料からなり、
   前記高融点材料が、前記溶湯の湯面の温度よりも融点が高い高融点金属であるタンタル、モリブデン、ニオブ、タングステンのいずれかであ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用の鋳型。
2. 前記高融点材料が、タンタル、ニオブのいずれかであ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用の鋳型。
3. 請求項１又は２に記載の鋳型と、
   前記鋳型内に前記溶湯を注入する溶湯注入装置と、
   前記溶湯が前記鋳型内で凝固した鋳塊を前記鋳型の下方に引抜く引抜装置と、
   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装置。
4. 少なくとも前記鋳型のまわりが不活性ガス雰囲気にされており、
   前記鋳型内に注入された前記溶湯の湯面をプラズマアークで加熱するプラズマアーク加熱装置を更に有することを特徴とする請求項３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装置。

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