JP5730738B2 - チタンまたはチタン合金からなるスラブの連続鋳造方法および連続鋳造装置 - Google Patents

Description

本発明は、チタンまたはチタン合金からなるスラブ（鋳片）を連続的に鋳造する、チタンまたはチタン合金からなるスラブの連続鋳造方法および連続鋳造装置に関する。

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矩形状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、スラブ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、鋳造されたスラブの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、鋳肌に凹凸や傷が無いスラブを鋳造することが求められる。

そこで、特許文献２には、電子ビーム溶解炉において、断面長方形状の鋳型の短辺の一方から鋳型内に溶湯を注入し、短辺の他方側から一方側に向かって電子ビーム密度を減少させることで、チタンスラブの幅方向の温度分布を均一に維持し、鋳肌の改善を図った熱間圧延用チタンスラブの溶製方法が開示されている。

また、特許文献３には、鋳型と鋳型に溶湯を注入するハースとの間に、溶湯を一旦保持して分散させながら鋳型に供給する溶湯分散レードルを介装することで、鋳型内の溶湯の温度分布を均一にして、インゴットの表面欠陥を抑制する金属インゴットの溶製方法が開示されている。

また、特許文献４には、ハースに設けられた複数のハースリップから鋳型内に溶湯を注入することで、鋳型内に供給される溶湯の温度分布を均一化して、インゴットの表面欠陥を抑制する金属インゴットの溶製方法が開示されている。

特開平７−１１８７７３号公報 国際公開第２０１０／０９０３１０号パンフレット 特開２０１０−２４７２０１号公報 特開２０１０−２４７２０２号公報

ところで、断面長方形状の鋳型内に溶湯を注入する場合、鋳型内に均等に溶湯を行き渡らせるという観点から、鋳型の長辺方向の中央部付近に溶湯を注入するのが一般的である。しかしながら、中央部付近に注入された溶湯の温度は、長辺方向の両端部に流動しながら徐々に低くなっていくので、中央部の方が両端部よりも温度分布が高くなる。また、鋳型との接触面積が広い両端部の方が、中央部よりも溶湯の冷却速度が速い。そのため、中央部よりも両端部の方が凝固シェルの成長が速くなり、凝固シェルの形状が鋳型内で不均一となるので、凝固シェルの断裂や、凝固シェルの凝固収縮に起因する溶湯差込等が発生し、鋳肌の状態が悪くなる。

そこで、特許文献２では、チタンスラブの幅方向の温度分布を均一に維持するために、断面長方形状の鋳型の短辺の一方から鋳型内に溶湯を注入し、短辺の他方側から一方側に向かって電子ビーム密度を減少させているが、電子ビームの緻密な制御が必要で、手間がかかる。

また、特許文献３では、鋳型内の溶湯の温度分布を均一にするために、溶湯分散レードルを用いているが、この溶湯分散レードル自体が電子ビームを溶湯に照射する妨げとなるばかりか、溶湯分散レードルの修理や交換などのメンテナンスにかなりの手間を要する。

また、特許文献４では、鋳型内の溶湯の温度分布を均一にするために、ハースに複数のハースリップを設けているが、ハースリップの詰まりなどにより、各ハースリップの注湯量に差異が生じると、鋳型内の溶湯の温度分布が不均一となるばかりか、ハースリップのメンテナンスに手間を要する。

本発明の目的は、鋳肌の状態が良好なスラブを効率的に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スラブの連続鋳造方法および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スラブの連続鋳造方法は、チタンまたはチタン合金を溶融させた溶湯を無底で断面長方形状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スラブを連続的に鋳造する連続鋳造方法であって、前記鋳型の長辺方向において、前記鋳型の両端部以外を前記鋳型の中央部としたときに、前記鋳型の長辺方向の両端部への単位時間当たりの熱量が、前記長辺方向の中央部への単位時間当たりの熱量よりも多くなるように、前記鋳型内の前記溶湯の湯面を加熱し、前記両端部の各々における前記長辺方向の長さｌは、前記鋳型の長辺方向の長さをＬとしたときに、０＜ｌ／Ｌ≦０．２５の関係を満足し、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により加熱することを特徴とする。

上記の構成によれば、断面長方形状の鋳型においては、鋳型の長辺方向の両端部の方が中央部よりも鋳型との接触面積が広いので、両端部の方が中央部よりも冷却速度が速い。そこで、鋳型の長辺方向の両端部への単位時間当たりの熱量が、長辺方向の中央部への単位時間当たりの熱量よりも多くなるように、鋳型内の溶湯の湯面を加熱することで、鋳型の長辺方向の両端部における溶湯の冷却速度と、鋳型の長辺方向の中央部における溶湯の冷却速度とを均一にすることができる。これにより、凝固シェルの形状を鋳型内で均一にすることができるから、凝固シェルの断裂や、凝固シェルの凝固収縮に起因する溶湯差込等の発生を抑制することができる。よって、鋳肌の状態が良好なスラブを効率的に鋳造することができる。

また、上記関係を満足することで、鋳型の長辺方向の両端部における溶湯の冷却速度と、鋳型の長辺方向の中央部における溶湯の冷却速度とを好適に均一にすることができる。

また、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ったが、不活性ガス雰囲気においてプラズマアークにより溶湯の湯面を加熱することで、純チタンだけでなく、チタン合金も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スラブの連続鋳造装置は、チタンまたはチタン合金を溶融させた溶湯を無底で断面長方形状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スラブを連続的に鋳造する連続鋳造装置であって、前記鋳型内に前記溶湯を注入するハースと、前記鋳型内の前記溶湯の湯面を加熱する加熱装置と、前記鋳型の長辺方向において、前記鋳型の両端部以外を前記鋳型の中央部としたときに、前記鋳型の長辺方向の両端部への単位時間当たりの熱量が、前記長辺方向の中央部への単位時間当たりの熱量よりも多くなるように、前記加熱装置を制御する熱量制御装置と、を有し、前記両端部の各々における前記長辺方向の長さｌは、前記鋳型の長辺方向の長さをＬとしたときに、０＜ｌ／Ｌ≦０．２５の関係を満足し、前記加熱装置は、プラズマアークを発生させるプラズマトーチであることを特徴とする。

上記の構成によれば、断面長方形状の鋳型においては、鋳型の長辺方向の両端部の方が中央部よりも鋳型との接触面積が広いので、両端部の方が中央部よりも冷却速度が速い。そこで、鋳型の長辺方向の両端部への単位時間当たりの熱量が、長辺方向の中央部への単位時間当たりの熱量よりも多くなるように、鋳型内の溶湯の湯面を加熱することで、鋳型の長辺方向の両端部における溶湯の冷却速度と、鋳型の長辺方向の中央部における溶湯の冷却速度とを均一にすることができる。これにより、凝固シェルの形状を鋳型内で均一にすることができるから、凝固シェルの断裂や、凝固シェルの凝固収縮に起因する溶湯差込等の発生を抑制することができる。よって、鋳肌の状態が良好なスラブを効率的に鋳造することができる。

また、上記関係を満足することで、鋳型の長辺方向の両端部における溶湯の冷却速度と、鋳型の長辺方向の中央部における溶湯の冷却速度とを好適に均一にすることができる。

また、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ったが、不活性ガス雰囲気においてプラズマアークにより溶湯の湯面を加熱することで、純チタンだけでなく、チタン合金も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スラブの連続鋳造方法および連続鋳造装置によると、断面長方形状の鋳型の長辺方向の両端部への単位時間当たりの熱量が、長辺方向の中央部への単位時間当たりの熱量よりも多くなるように、鋳型内の溶湯の湯面を加熱することで、鋳型の長辺方向の両端部における溶湯の冷却速度と、鋳型の長辺方向の中央部における溶湯の冷却速度とを均一にすることができる。これにより、凝固シェルの形状を鋳型内で均一にすることができるから、凝固シェルの断裂や、凝固シェルの凝固収縮に起因する溶湯差込等の発生を抑制することができて、鋳肌の状態が良好なスラブを効率的に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上面図である。

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スラブの連続鋳造装置（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（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（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。

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。また、溶湯１２を緩冷却する目的で、溶湯１２の湯面上にフラックスを散布することも好ましい態様ではあるが、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。

（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（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、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３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。

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の凝固収縮に起因する溶湯差込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。まず、図４（ａ）に示すように、過度に冷却された凝固シェル１３が凝固収縮することで鋳型２の壁面から離れる方向に凝固シェル１３が変形する。次に、図４（ｂ）に示すように、鋳型２と凝固シェル１３との間に生じた隙間に溶湯１２が流れ込む。そして、図４（ｃ）に示すように、隙間に流れ込んだ溶湯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。

（熱量制御）
本実施形態では、溶湯１２の冷却速度を鋳型２内で均一にするために、図示しない熱量制御装置によって、プラズマトーチ７を制御している。具体的には、熱量制御装置は、断面長方形状の鋳型２の長辺方向の両端部への単位時間当たりの熱量が、鋳型２の長辺方向の中央部への単位時間当たりの熱量よりも多くなるように、プラズマトーチ７を制御している。

ここで、鋳型２の長辺方向の両端部とは、上面図である図５に示すように、両端部の各々における長辺方向の長さ（短辺側の壁面から中央側の端までの長さ）をｌ、鋳型２の長辺方向の長さをＬとしたときに、０＜ｌ／Ｌ≦０．２５の関係を満足する領域１４を指す。

断面長方形状の鋳型２においては、鋳型２の長辺方向の両端部の方が中央部よりも鋳型２との接触面積が広いので、両端部の方が中央部よりも冷却速度が速い。そこで、鋳型２の長辺方向の両端部への単位時間当たりの熱量が、長辺方向の中央部への単位時間当たりの熱量よりも多くなるように、鋳型２内の溶湯１２の湯面を加熱することで、鋳型２の長辺方向の両端部における溶湯１２の冷却速度と、鋳型２の長辺方向の中央部における溶湯１２の冷却速度とが均一になる。これにより、凝固シェル１３の形状が鋳型２内で均一になるから、凝固シェル１３の断裂や、凝固シェル１３の凝固収縮に起因する溶湯差込等の発生が抑制される。

ここで、鋳型２の長辺方向の中央部に与える熱量に対して、鋳型２の長辺方向の両端部に与える熱量をどの程度多くするかは、鋳型２の形状（鋳型２の長辺と短辺との比など）によっても異なるが、たとえば、長辺と短辺との比が６程度の場合には、両端部への単位時間当たりの熱量を中央部への単位時間当たりの熱量の１．３〜６．０倍程度にする。そうすると、鋳型２の長辺方向の両端部における溶湯１２の冷却速度が、鋳型２の長辺方向の中央部における溶湯１２の冷却速度の０．５〜１．５倍程度となり、凝固シェル１３の断裂や、凝固シェル１３の凝固収縮に起因する溶湯差込等の発生が好適に抑制される程度に、溶湯１２の冷却速度が鋳型２内で均一になる。

また、鋳型２の長辺方向の両端部への単位時間当たりの熱量を、鋳型２の長辺方向の中央部への単位時間当たりの熱量よりも多くするには、例えば、溶湯１２の湯面をプラズマトーチ７で加熱するに際して、プラズマトーチ７から鋳型２の長辺方向の両端部への投入出力を、プラズマトーチ７から鋳型２の長辺方向の中央部への投入出力よりも多くすればよい。具体的には、鋳型２の長辺と短辺との比が６程度の場合であれば、鋳型２の長辺方向の両端部への投入出力を、鋳型２の長辺方向の中央部への投入出力の１．３〜６．０倍にすればよい。あるいは、プラズマトーチ７からの投入出力が鋳型２の長辺方向の両端部と中央部とで同じであっても、鋳型２の長辺方向の両端部をプラズマトーチ７で加熱する時間を、鋳型２の長辺方向の中央部をプラズマトーチ７で加熱する時間よりも長くすればよい。具体的には、鋳型２の長辺と短辺との比が６程度の場合であれば、鋳型２の長辺方向の両端部における加熱時間を、鋳型２の長辺方向の中央部における加熱時間の１．３〜６．０倍にすればよい。なお、プラズマトーチ７を溶湯１２の湯面全域に亘って移動させることができるように構成した場合には、鋳型２の長辺方向の両端部にプラズマトーチ７が滞在する時間を、鋳型２の長辺方向の中央部にプラズマトーチ７が滞在する時間よりも長くすることで、鋳型２の長辺方向の両端部における加熱時間を、鋳型２の長辺方向の中央部における加熱時間よりも長くすることができる。そして、鋳型２の長辺と短辺との比が６程度の場合であれば、鋳型２の長辺方向の両端部にプラズマトーチ７が滞在する時間を、鋳型２の長辺方向の中央部にプラズマトーチ７が滞在する時間の１．３〜６．０倍にすればよい。

また、鋳型２内に注入された溶湯１２の湯面をプラズマアークにより加熱することで、鋳型２内の溶湯１２の形状を一定に保ち、鋳型２内の温度分布をより精度良く均一にすることができる。

なお、本実施形態では、２つのプラズマトーチ７を制御することで、鋳型２の長辺方向の両端部に与える単位時間当たりの熱量が、鋳型２の長辺方向の中央部に与える単位時間当たりの熱量よりも多くなるようにしているが、この構成に限らず、鋳型２の長辺方向の中央部あるいは中央部寄りにもプラズマトーチ７を１つ以上設けて、鋳型２の長辺方向の両端部に与える単位時間当たりの熱量が、鋳型２の長辺方向の中央部に与える単位時間当たりの熱量よりも多くなるように、複数のプラズマトーチ７を制御する構成であってもよい。また、逆にプラズマトーチ７の数を１つとし、このプラズマトーチ７を溶湯１２の湯面全域に亘って移動させることができるようにして、鋳型２の長辺方向の両端部に与える熱量が鋳型２の長辺方向の中央部に与える熱量よりも多くなるように制御する構成であってもよい。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る連続鋳造装置１によると、断面長方形状の鋳型２においては、鋳型２の長辺方向の両端部の方が中央部よりも鋳型２との接触面積が広いので、両端部の方が中央部よりも冷却速度が速い。そこで、鋳型２の長辺方向の両端部への単位時間当たりの熱量が、長辺方向の中央部への単位時間当たりの熱量よりも多くなるように、鋳型２内の溶湯１２の湯面を加熱することで、鋳型２の長辺方向の両端部における溶湯１２の冷却速度と、鋳型２の長辺方向の中央部における溶湯１２の冷却速度とを均一にすることができる。これにより、凝固シェル１３の形状を鋳型２内で均一にすることができるから、凝固シェル１３の断裂や、凝固シェル１３の凝固収縮に起因する溶湯差込等の発生を抑制することができる。よって、鋳肌の状態が良好なスラブ１１を効率的に鋳造することができる。

また、両端部の各々における長辺方向の長さｌが、鋳型２の長辺方向の長さをＬとしたときに、０＜ｌ／Ｌ≦０．２５の関係を満足することで、鋳型２の長辺方向の両端部における溶湯１２の冷却速度と、鋳型２の長辺方向の中央部における溶湯１２の冷却速度とを好適に均一にすることができる。

また、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ったが、不活性ガス雰囲気においてプラズマアークにより溶湯１２の湯面を加熱することで、純チタンだけでなく、チタン合金も鋳造することができる。

（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、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が好適ではあるが、これに限定されず、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 連続鋳造装置
２ 鋳型
３ コールドハース（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（加熱装置）
１１ スラブ
１２ 溶湯
１３ 凝固シェル
１４ 領域

Claims (2)

1. チタンまたはチタン合金を溶融させた溶湯を無底で断面長方形状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スラブを連続的に鋳造する連続鋳造方法であって、
   前記鋳型の長辺方向において、前記鋳型の両端部以外を前記鋳型の中央部としたときに、前記鋳型の長辺方向の両端部への単位時間当たりの熱量が、前記長辺方向の中央部への単位時間当たりの熱量よりも多くなるように、前記鋳型内の前記溶湯の湯面を加熱し、
   前記両端部の各々における前記長辺方向の長さｌは、前記鋳型の長辺方向の長さをＬとしたときに、０＜ｌ／Ｌ≦０．２５の関係を満足し、
   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により加熱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スラブの連続鋳造方法。
2. チタンまたはチタン合金を溶融させた溶湯を無底で断面長方形状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スラブを連続的に鋳造する連続鋳造装置であって、
   前記鋳型内に前記溶湯を注入するハースと、
   前記鋳型内の前記溶湯の湯面を加熱する加熱装置と、
   前記鋳型の長辺方向において、前記鋳型の両端部以外を前記鋳型の中央部としたときに、前記鋳型の長辺方向の両端部への単位時間当たりの熱量が、前記長辺方向の中央部への単位時間当たりの熱量よりも多くなるように、前記加熱装置を制御する熱量制御装置と、
   を有し、
   前記両端部の各々における前記長辺方向の長さｌは、前記鋳型の長辺方向の長さをＬとしたときに、０＜ｌ／Ｌ≦０．２５の関係を満足し、
   前記加熱装置は、プラズマアークを発生させるプラズマトーチ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スラブの連続鋳造装置。

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