JP6022416B2 - チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造装置 - 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に関する。

プラズマアーク溶解（ＰＡＭ）や電子ビーム溶解（ＥＢ）により、湯面を加熱して溶融させたチタンまたはチタン合金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、自動制御プラズマ溶解鋳造方法が開示されている。自動制御プラズマ溶解鋳造方法では、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。特許文献１に示す不活性ガス雰囲気中で行われるプラズマアーク溶解法においては、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。

特許文献２には、電子ビーム法による高融点金属鋳塊の溶解連続鋳造装置が開示されている。特許文献２に示す溶解連続鋳造装置においては、鋳塊の底部を回転させながら引抜き、湯面に照射する電子ビームのうち、鋳型中心部に比べて鋳型周縁部に沿った電子ビーム密度を高めて照射する。

そして、チタンまたはチタン合金からなる鋳塊は、圧延、鍛造、熱処理などの工程を経て製品化されるため、疲労強度など機械的特性に優れた製品を得るには、φ８００〜１２００ｍｍといった大径の鋳塊が求められている。

特許第３０７７３８７号公報 特開２００９−１７２６６５号公報

しかしながら、プラズマアーク溶解法により、径が大きい丸型鋳塊を連続鋳造する場合には、プラズマトーチの加熱範囲に限界がある。そのため、チタンまたはチタン合金を溶解させるには、トーチを移動しながら湯面を全面的に加熱する必要がある。

ここで、プラズマアーク溶解法によるチタン（特にチタン合金）の丸型鋳塊の連続鋳造装置では、下記の通り、鋳塊の大径化に伴って成分偏析が顕著となる。顕著な成分偏析により、得られる鋳塊表面に凹凸や傷が発生すると、その後の圧延や鍛造工程で表面欠陥となってしまう。そのため、チタンまたはチタン合金からなる大径の鋳塊の連続鋳造において、成分偏析を低減して鋳肌改善を確立する必要がある。

鋳塊の大径化に伴って顕著となる成分偏析について説明する。即ち、丸型鋳塊の径が大きくするために、丸型鋳型の径が大きくなるほど、連続鋳造時に必要となる湯面への総入熱量が大きくなる。連続鋳造装置において均一入熱及び傾斜入熱した場合の湯面総入熱量と鋳型内に形成される溶湯プールのプール深さの関係を示す図１７に示すように、湯面への総入熱量が大きくなると、形成される溶湯プールの中心の深さが深くなる。形成される溶湯プールの中心の深さが深くなると、成分偏析が顕著となり、丸型鋳型の端部近傍の入熱量が過小となる。そして、連続鋳造装置において均一入熱及び傾斜入熱した場合の端部平均入熱量と湯面シェル露出量の関係を示す図１８に示すように、湯面シェル露出量が増加してしまい、初期凝固シェルの成長が促進されてしまう。そして、鋳塊の表面性状が悪化し、場合によっては引抜鋳造することが困難となる。

一方、丸型鋳型の端部近傍での入熱量を大きく、中央部付近では入熱量を小さくするように傾斜加熱を行うことにより、湯面への総入熱量を低減させ、溶湯プールの中心の深さを低減させながら、初期凝固シェルの成長も抑制できると考えられる。しかしながら、総入熱量を低減させて端部近傍への入熱量を集中させた場合の連続鋳造装置における湯面平均入熱量と鋳型内に形成される溶湯プールのプール深さの関係を示す断面図である図１９に示すように、総入熱量を低減させて端部近傍への入熱量を集中させすぎると、中央部付近では入熱量が不足して、中央部付近（図１９に示す破線で囲まれた部分）が凝固してしまう問題が発生してしまう。また、同じ総入熱量にして中央部付近の入熱量を上げた場合の連続鋳造装置における湯面平均入熱量と鋳型内に形成される溶湯プールのプール深さの関係を示す断面図である図２０に示すように、同じ総入熱量にして、中央部付近（図２０に示す破線で囲まれた部分）の入熱量を上げると、端部近傍（図２０に示す破線で囲まれた部分）での入熱量は小さくなり、初期凝固シェルの成長が促進されてしまう。

以上述べたように、総入熱量が等しい場合の連続鋳造装置における鋳型端部近傍での入熱量と鋳型中央部付近での入熱量の関係を示す図２１で示すように、チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造装置では、初期凝固シェルの成長を抑制しつつ、且つ、中央部付近の凝固を回避できる領域内で、総入熱量を可能な限り低減させるように、総入熱量及び鋳型端部近傍での入熱量と鋳型中央部付近（図２１で示す破線で囲まれた範囲）での入熱量が決定されるのが望ましい。

また、φ８００〜１２００ｍｍといった大径鋳塊を連続鋳造する場合、図２２（ａ）に示すように使用する湯面加熱用のプラズマトーチが１本のみでは、トーチ移動距離が長くなってしまう。そのため、点Ａでの入熱履歴のグラフである図２２（ｂ）に示すように、所定箇所（ここでは点Ａ）においてプラズマトーチが離れてから戻ってくるまでの時間が長くなり、その間に（図２２（ｂ）中で示す破線で囲まれた範囲）、鋳塊温度が大幅に低下してしまう。そのため、図２３（ａ）に示すように湯面加熱用のプラズマトーチを複数本（ここでは２本）使用することで、点Ａでの入熱履歴のグラフである図２３（ｂ）に示すように、プラズマトーチが離れる時間が短くなり、鋳塊温度の低下を軽減できる。しかしながら、複数本のプラズマトーチを使用した場合に、各プラズマトーチが移動中に近づきすぎると、図２３（ａ）に示すようにプラズマトーチ同士がお互い干渉し合う等、プラズマトーチの寿命を縮める恐れがある。そのため、複数のプラズマトーチ間において、ある程度の距離を保つことができるトーチ移動パターンを確立する必要がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、成分偏析を低減させて、鋳肌の状態が良好な鋳塊を鋳造するとともに、プラズマトーチ同士が干渉せず、プラズマトーチの寿命を長く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装置を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明に係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、チタンまたはチタン合金を溶解させた溶湯を上部開口から注入して、凝固させながら下方に引抜く断面形状が円形の無底の鋳型と、前記鋳型内の前記溶湯の上方に配置されて、前記溶湯を加熱するプラズマアークを発生するプラズマトーチと、を備え、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装置であって、前記鋳型内の前記溶湯の上方に、複数本のプラズマトーチが配置され、前記複数本のプラズマトーチを、互いに干渉しない距離を保つ軌道に沿って前記溶湯の湯面上を水平方向に移動させることを特徴とする。

これによると、複数本のプラズマトーチを、互いに干渉しない距離を保って移動させることにより、それぞれのプラズマトーチの移動距離を短くすることができる。これにより、鋳塊温度の低下を軽減して、成分偏析を低減させて、鋳肌の状態が良好な鋳塊を鋳造するとともに、プラズマトーチ同士が干渉せず、プラズマトーチの寿命を長くすることができる。

ここで、本発明に係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、前記プラズマトーチは２本であり、前記湯面の半径をＲとしたとき、一方のプラズマトーチの中心が前記湯面の中心からＲ／２＜ｒ２＜Ｒの半径を持つ外周部円弧の上方に位置しているときには、他方のプラズマトーチの中心が前記湯面の中心から０＜ｒ１＜Ｒ／２の半径を持つ内周部円弧の上方に位置するように移動させて良い。

これによると、２本のプラズマトーチを用いていることから、それぞれのプラズマトーチの移動距離を短くすることができ、鋳塊温度の低下を軽減することができる。また、２本のプラズマトーチの中心を、それぞれ、湯面の半径をＲとしたときの湯面の中心からＲ／２＜ｒ２＜Ｒの半径を持つ外周部円弧の上方または湯面の中心から０＜ｒ１＜Ｒ／２の半径を持つ内周部円弧の上方のいずれかに位置するように移動させることにより、２本のプラズマトーチが互いに干渉せずに、湯面全体を暖めることができる。そして、成分偏析を低減させて、鋳肌の状態が良好な鋳塊を鋳造するとともに、プラズマトーチの寿命を長くすることができる。

更に、前記プラズマトーチを、前記内周部円弧と前記外周部円弧とを直線でつないだ軌道上に位置するように移動させ、前記内周部円弧を移動する際の前記プラズマトーチのプラズマ出力が、前記外周部円弧を移動する際の前記プラズマトーチのプラズマ出力よりも低くなるように制御されて良い。

これによると、２本のプラズマトーチの中心を、湯面の中心から０＜ｒ１＜Ｒ／２の半径を持つ内周部円弧と湯面の中心からＲ／２＜ｒ２＜Ｒの半径を持つ外周部円弧とを直線でつないだ軌道上に位置するように移動させていることから、２本のプラズマトーチが互いに干渉せず、湯面全体を暖めることができる。その結果、プラズマトーチの寿命を長くすることができる。また、プラズマトーチが外周部円弧を移動するときはプラズマ出力を高く、内周部円弧を移動するときはプラズマ出力を低くすることにより、鋳型端部近傍での入熱量を大きく、鋳型中央部付近での入熱量を小さくできる。そして、初期凝固シェルの成長を抑制でき、湯面総入熱量は均一入熱時に比べて小さくなるため、溶湯プール深さは浅くなり、成分偏析を低減させることができる。その結果、鋳肌の状態が良好な鋳塊を鋳造することができる。

更に、前記プラズマトーチを、それぞれ、前記湯面正面視で２つに分けた半円のいずれかの範囲内において移動させて良い。

これによると、プラズマトーチを、それぞれ、湯面正面視で２つに分けた半円のいずれかの範囲内において移動させることから、２本のプラズマトーチが互いに干渉しない軌道を確保することができる。

更に、前記プラズマトーチの中心間の距離が、Ｒ／２以上となるように移動が制御されて良い。

これによると、プラズマトーチの中心間の距離が、Ｒ／２以上となるように移動が制御されることにより、２本のプラズマトーチが互いに干渉しない距離を確保することができる。

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装置は、成分偏析を低減させて、鋳肌の状態が良好な鋳塊を鋳造するとともに、トーチの寿命を長くすることが可能である。

本実施形態に係る連続鋳造装置の斜視図である。 本実施形態に係る連続鋳造装置における鋳型の断面図である。 本実施形態に係る連続鋳造装置における２本のプラズマトーチが移動する軌道を示す湯面正面図である。 本実施形態に係る連続鋳造装置における２本のプラズマトーチが移動する軌道と位置関係を示す湯面正面図である。 本実施形態に係る連続鋳造装置における２本のプラズマトーチが移動する軌道とプラズマ出力の関係を示す湯面正面図である。 本実施形態に係る連続鋳造装置における２本のプラズマトーチが移動する軌道の座標を示す湯面正面図である。 本実施形態に係る連続鋳造装置における２本のプラズマトーチが図６に示す軌道に沿って移動する際のトーチ間距離を示すグラフである。 本実施形態に係る連続鋳造装置における２本のプラズマトーチが図６に示す軌道に沿って移動した際の湯面平均入熱量を示す湯面斜視図である。 本実施形態に係る連続鋳造装置における２本のプラズマトーチが図６に示す軌道に沿って移動する際のｘｙ座標軸方向からみた平均入熱量（時間平均）座標と湯面平均入熱量の関係を示すグラフである。 本実施形態に係る連続鋳造装置における２本のプラズマトーチが図６に示す軌道に沿って移動する際に傾斜加熱する場合と均一入熱する場合の座標とプール深さの関係を示すグラフである。 比較例１における２本のプラズマトーチが移動する軌道の座標を示す湯面正面図である。 比較例１における２本のプラズマトーチが移動する軌道と位置関係を示す湯面正面図である。 比較例１における２本のプラズマトーチが図１２に示す軌道に沿って移動する際のトーチ間距離を示すグラフである。 比較例２における２本のプラズマトーチが移動する軌道と位置関係を示す湯面正面図である。 比較例２における２本のプラズマトーチが図１４に示す軌道に沿って移動する際の座標と湯面平均入熱量の関係を示すグラフである。 比較例２における２本のプラズマトーチが図１４に示す軌道に沿って移動する際の鋳型内に形成される溶湯プールのプール深さを示す断面図である。 連続鋳造装置において均一入熱及び傾斜入熱した場合の湯面総入熱量と鋳型内に形成される溶湯プールのプール深さの関係を示すグラフである。 連続鋳造装置において均一入熱及び傾斜入熱した場合の端部平均入熱量と湯面シェル露出量の関係を示すグラフである。 総入熱量を低減させて端部近傍への入熱量を集中させた場合の連続鋳造装置における湯面平均入熱量と鋳型内に形成される溶湯プールのプール深さの関係を示す断面図である。 同じ総入熱量にして中央部付近の入熱量を上げた場合の連続鋳造装置における湯面平均入熱量と鋳型内に形成される溶湯プールのプール深さの関係を示す断面図である。 総入熱量が等しい場合の連続鋳造装置における鋳型端部近傍での入熱量と鋳型中央部付近での入熱量の関係を示すグラフである。 プラズマトーチが１本の場合の（ａ）プラズマトーチの中心の軌道を示す湯面正面図と（ｂ）点Ａでの入熱量の履歴を示すグラフである。 プラズマトーチが２本の場合の（ａ）プラズマトーチの中心の軌道を示す湯面正面図と（ｂ）点Ａでの入熱量の履歴を示すグラフである。 他の実施形態に係る連続鋳造装置における２本のプラズマトーチが移動する軌道を示す湯面正面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係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を実施するための形態について、具体的な一例に即して説明する。

尚、以下に説明するものは、例示したものにすぎず、本発明に係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の適用限界を示すものではない。すなわち、本発明に係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、下記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいてさまざまな変更が可能なものである。

（連続鋳造装置の構成）
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の連続鋳造装置は、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装置である。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の連続鋳造装置（以下、「連続鋳造装置」と略する。）１について、図１及び図２に基づいて説明する。

本実施形態に係る連続鋳造装置の斜視図である図１及び本実施形態に係る連続鋳造装置における鋳型の断面図である図２に示すように、連続鋳造装置１は、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、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂ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、コールドハース３内の原料が溶融した溶湯１２を所定の流量で注湯部３ａから鋳型２内に注入する。

鋳型２は、銅製であって、無底で上部に開口（上部開口）を有するように形成されている。また、鋳型２は、断面形状がφ８００〜１２００ｍｍの円形となるように形成されている。鋳型２の円筒状の壁部の少なくとも一部の内部には、注入された高温の溶湯１２による損傷を防ぐために、循環する水によって冷却される水冷機構（図示せず）が設けられている。

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。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が凝固した円柱状の鋳塊１１が下方に引抜かれながら連続的に鋳造される。

２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂは、プラズマアークを発生するトーチであり、鋳型２の上側開口部の上方、即ち、鋳型２内の溶湯１２の上方に設けられている。２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂは、発生したプラズマアークを鋳型２内に注入された溶湯１２の湯面に照射することによって、鋳型２内の溶湯１２をプラズマアークで加熱する。また、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂは、水平方向に移動可能に配置される。

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。

次に、本実施形態に係る連続鋳造装置１における２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂが移動する軌道について、図３〜図５に基づいて説明する。

２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂが移動する軌道を示す湯面正面図である図３に示す通り、湯面１２正面視で、鋳型２内の溶湯１２の中心を原点として、溶湯１２の中心軸に垂直な湯面をｘｙ平面とすると、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂは、それぞれの中心が下記の範囲を移動するように制御される。
プラズマトーチ７ａの範囲：ｘ＜０の範囲（図３の左側の半円）
プラズマトーチ７ｂの範囲：ｘ＞０の範囲（図３の右側の半円）

そして、溶湯１２（即ち、鋳塊１１）の半径をＲとしたとき、プラズマトーチ７ａ，７ｂは、それぞれの中心がＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆと移動する際に、下記の軌道をたどるように制御される。
０＜ｒ１＜Ｒ／２の半径を持つ内周部円弧：プラズマトーチ７ａにおいては、Ｂ→Ｃ→Ｄ、プラズマトーチ７ｂにおいては、Ｄ→Ｅ→Ｆ
Ｒ／２＜ｒ２＜Ｒの半径を持つ外周部円弧：プラズマトーチ７ａにおいては、Ｅ→Ｆ→Ａ、プラズマトーチ７ｂにおいては、Ａ→Ｂ→Ｃ
内周部円弧及び外周部円弧の２つの円弧をつなぐ直線：プラズマトーチ７ａにおいては、Ａ→Ｂ及びＤ→Ｅ、プラズマトーチ７ｂにおいては、Ｃ→Ｄ及びＦ→Ａ

即ち、プラズマトーチ７ａは、その中心が下記の軌道をたどるように制御される。
Ａ→Ｂ：内周部円弧及び外周部円弧の２つの円弧をつなぐ直線
Ｂ→Ｃ→Ｄ：内周部円弧
Ｄ→Ｅ：内周部円弧及び外周部円弧の２つの円弧をつなぐ直線
Ｅ→Ｆ→Ａ： 外周部円弧

また、プラズマトーチ７ｂは、その中心が下記の軌道をたどるように制御される。
Ａ→Ｂ→Ｃ：外周部円弧
Ｃ→Ｄ： 内周部円弧及び外周部円弧の２つの円弧をつなぐ直線
Ｄ→Ｅ→Ｆ：内周部円弧
Ｆ→Ａ：内周部円弧及び外周部円弧の２つの円弧をつなぐ直線

２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂが移動する軌道とプラズマ出力の関係を示す湯面正面図である図５に示すように、プラズマトーチ７ａ，７ｂは、それぞれの中心が、外周部円弧を移動するときはトーチ出力を高く、内周部円弧を移動するときはトーチ出力を低くするように制御される。これにより、鋳型２の端部近傍での入熱量を大きく、中央部付近での入熱量を小さくできる。結果として、初期凝固シェルの成長を抑制でき、さらに湯面総入熱量は均一入熱時に比べて小さくなるため、溶湯プール深さは浅くなり、成分偏析を低減させることができる。

そして、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂが移動する軌道と位置関係を示す湯面正面図である図４に示すように、プラズマトーチ７ａ，７ｂは、それぞれの中心が、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆと移動することで、プラズマトーチ７ａ，７ｂのトーチの中心間の距離（以下、「トーチ間距離」と略する。）がＲ／２以上に保つことができることがわかる。また、プラズマトーチ７ａ，７ｂのいずれかが内周部円弧を移動する際には、もう一方のプラズマトーチ７ａ，７ｂは外周部円弧上に位置するように制御されることがわかる。

次に、図６〜図１０を参照しながら、本実施形態に係る連続鋳造装置１を用いて鋳塊を連続鋳造したときに発生する成分偏析のシミュレーション結果について検討する。

本実施形態に係るシミュレーションにおいて、鋳塊の材料は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖとし、鋳型２のサイズ（即ち、溶湯１２の湯面の半径Ｒ）は、φ１２００ｍｍとし、原料の溶解量は、１．３ｔｏｎ／ｈｏｕｒとした。また、湯面正面（即ち、鋳型２の上側開口部）からみて、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂが移動する軌道の座標を湯面の中心を原点とするｘｙ座標軸で示すと、図６の通りとなる。ここで、図６に示すプラズマトーチ７ａ，７ｂの軌道において、内周部円弧の半径ｒ１を２００ｍｍ、外周部円弧の半径ｒ２を４５０ｍｍとする。また、各プラズマトーチ７ａ，７ｂは、その移動方向をＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆとし、移動速度を５０ｍｍ／ｓｅｃとする。また、各プラズマトーチ７ａ，７ｂは、内周部円弧移動時のプラズマ出力を２００ｋＷとし、外周部円弧移動時のプラズマ出力を７５０ｋＷとする。

図６に示す軌道に基づいて移動するプラズマトーチ７ａ，７ｂのトーチ間距離は、図７のトーチ間距離の履歴を示すグラフから、６００ｍｍ以上であることがわかる。即ち、本シミュレーションにおいては、プラズマトーチ７ａ，７ｂのトーチ間距離が、溶湯１２の湯面の半径Ｒ／２以上の距離を確保することが可能であることがわかる。

また、図６に示す軌道に基づいてプラズマトーチ７ａ，７ｂが移動した場合の溶湯１２の湯面平均入熱量（時間平均）を示す図８、及び、図６に示す軌道に基づいてプラズマトーチ７ａ，７ｂが移動した場合のｘ軸及びｙ軸方向（図６参照）からみた平均入熱量（時間平均）を示す図９によると、鋳型２の端部近傍では入熱量が高く、鋳型２の中心部では入熱量が低く、傾斜加熱が実現できていることがわかる。

更に、図６に示す軌道に基づいてプラズマトーチ７ａ，７ｂが移動させつつ、上述の通り、内周部円弧移動時のプラズマ出力を２００ｋＷとし、外周部円弧移動時のプラズマ出力を７５０ｋＷとして傾斜加熱をした場合と、プラズマ出力を一定の１５００ｋＷとして均一入熱した場合とで、鋳型２内に形成される溶湯プールのプール深さ（即ち、ｙ＝０の際のｘ座標に対するｚ座標の値）を測定したシミュレーション結果は、図１０に示す通りとなる。図１０に示す通り、傾斜加熱した場合のプール深さは８７３ｍｍであり、均一入熱した場合のプール深さは１１５０ｍｍであるため、傾斜加熱を行った場合の方が、プール深さが低減されていることがわかる。また、傾斜加熱した場合と均一入熱した場合とで、鋳型２の端部近傍（図１０に示す破線で囲まれたｘ座標軸の０．６ｍ付近及び−０．６ｍ付近）においてプール深さが得られているため、鋳型２の端部近傍まで溶融できていることがわかり、シェル成長の抑制が可能である。

次に、上述した本実施形態に係る連続鋳造装置１と比較して、２本のプラズマトーチを、図６に示す軌道とは別の軌道で移動させた比較例１のシミュレーション結果について、図１１〜図１３に基づいて説明する。

比較例１のシミュレーションにおいては、鋳塊の材料、鋳型２のサイズ、原料の溶解量は、上述した本実施形態に係るシミュレーションと同条件とし、２本のプラズマトーチの軌道のみを変更した。また、湯面正面（即ち、鋳型２の上側開口部）からみて、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂが移動する軌道の座標を湯面の中心を原点とするｘｙ座標軸で示すと、図１１の通りとなる。ここで、プラズマトーチ７ａ，７ｂの軌道において、内周部円弧の半径ｒ１を２００ｍｍ、外周部円弧の半径ｒ２を４５０ｍｍとする。

また、各プラズマトーチ７ａ，７ｂは、その移動方向をＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆとし、移動速度を５０ｍｍ／ｓｅｃとすると、比較例１では、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂは、図１２に示すような軌道と位置関係で移動する。

図１２に示すように、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂは、同時に、内周部円弧または外周部円弧に位置してしまうことがわかる。そして、図１３のグラフを示すように、図１１及び図１２に示す軌道に基づいて移動するプラズマトーチ７ａ，７ｂのトーチ間距離は、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂが共に内周部軌道に位置するとき（図１３に示す破線で囲まれた範囲にトーチ間距離が含まれる時間）には、溶湯１２の湯面の半径Ｒ／２（６００ｍｍ）以下となってしまう。そして、プラズマトーチ７ａ，７ｂ同士が干渉する恐れがあることがわかる。

次に、上述した本実施形態に係る連続鋳造装置１と比較して、２本のプラズマトーチを、図６に示す軌道とは別の軌道で移動させた比較例２のシミュレーション結果について、図１４〜図１６に基づいて説明する。

比較例２のシミュレーションにおいては、鋳塊の材料、鋳型２のサイズ、原料の溶解量は、上述した本実施形態に係るシミュレーションと同条件とし、２本のプラズマトーチの軌道とプラズマ出力のみを変更した。また、湯面正面（即ち、鋳型２の上側開口部）からみて、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂが移動する軌道は、図１４の通りとなる。図１４に示す通り、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂは、外周部円弧のみを移動し、内周部円弧を移動しない。即ち、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂは、外周部円弧のみを加熱し、内周部円弧を加熱しない。ここで、プラズマトーチ７ａ，７ｂの軌道において、外周部円弧の半径ｒ２を５２５ｍｍとする。

各プラズマトーチ７ａ，７ｂは、その移動速度を５０ｍｍ／ｓｅｃとする。また、各プラズマトーチ７ａ，７ｂは、そのプラズマ出力を、一定の１０００ｋＷとする。

図１４に示す軌道に基づいてプラズマトーチ７ａ，７ｂが移動した場合の溶湯１２の湯面平均入熱量（時間平均）を示す図１５によると、図中の破線で示す通り、鋳型２の端部近傍に過度な集中加熱が行われ、鋳型２の中心部では入熱量がゼロであることがわかる。尚、図１５における座標は、図１４に示す２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂが移動する軌道の座標を、図６及び図１１と同様に、湯面正面（即ち、鋳型２の上側開口部）からみて、湯面の中心を原点とするｘｙ座標軸で示したものである。

更に、図１４に示す軌道に基づいてプラズマトーチ７ａ，７ｂが移動させつつ、上述の通り、外周部円弧移動時のプラズマ出力を一定の１０００ｋＷとして均一入熱した場合に、鋳型２内の入熱量を断面図で示す鋳型２内に形成される溶湯プールのプール深さを測定したシミュレーション結果は、図１６に示す通りとなる。図１６の破線で示す通り、鋳型２の中心部では、入熱量が不足することにより、凝固してしまうことがわかる。

このように、本実施形態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によると、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂを用いていることから、それぞれのプラズマトーチ７ａ，７ｂの移動距離を短くすることができ、鋳塊温度の低下を軽減することができる。また、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂを、それぞれ、鋳型２端部近傍の上方または鋳型２中央部付近の上方のいずれかに位置するように移動させることにより、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂが互いに干渉せずに、湯面全体を暖めることができる。

また、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂの中心を、湯面の中心から０＜ｒ１＜Ｒ／２の半径を持つ内周部円弧と湯面の中心からＲ／２＜ｒ２＜Ｒの半径を持つ外周部円弧とを直線でつないだ軌道上に位置するように移動させていることから、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂが互いに干渉せず、湯面全体を暖めることができる。その結果、トーチの寿命を長くすることができる。また、プラズマトーチ７ａ，７ｂが外周部円弧を移動するときはプラズマ出力を高く、内周部円弧を移動するときはプラズマ出力を低くすることにより、鋳型２端部近傍での入熱量を大きく、鋳型２中央部付近での入熱量を小さくできる。そして、初期凝固シェルの成長を抑制でき、湯面総入熱量は均一入熱時に比べて小さくなるため、溶湯プール深さは浅くなり、成分偏析を低減させることができる。

その結果、本実施形態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では、成分偏析を低減させて、鋳肌の状態が良好な鋳塊１１を鋳造することができるとともに、プラズマトーチ７ａ，７ｂ同士が干渉せず、プラズマトーチ７ａ，７ｂの寿命を長くすることができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいてさまざまな変更が可能なものである。

上述した本実施形態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では、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂが移動する軌道について、湯面１２正面視で、鋳型２内の溶湯１２の中心を原点として、溶湯１２の中心軸に垂直な湯面をｘｙ平面とすると、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂは、それぞれの中心がｘ＜０またはｘ＞０の範囲を移動するように制御されるがそれに限らない。

例えば、図２４に示すように、溶湯１２（即ち、鋳塊１１）の半径をＲとしたとき、プラズマトーチ７ａ，７ｂは、それぞれの中心がＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆと移動する際に、下記の軌道をたどるように制御されても良い。
０＜ｒ１＜Ｒ／２の半径を持つ内周部円弧：プラズマトーチ７ａにおいては、Ｂ→Ｃ→Ｄ、プラズマトーチ７ｂにおいては、Ｄ→Ｅ→Ｆ
Ｒ／２＜ｒ２＜Ｒの半径を持つ外周部円弧：プラズマトーチ７ａにおいては、Ｅ→Ｆ→Ａ、プラズマトーチ７ｂにおいては、Ａ→Ｂ→Ｃ
内周部円弧及び外周部円弧の２つの円弧をつなぐ直線：プラズマトーチ７ａにおいては、Ａ→Ｂ及びＤ→Ｅ、プラズマトーチ７ｂにおいては、Ｃ→Ｄ及びＦ→Ａ

即ち、図２４では、プラズマトーチ７ａ，７ｂは、それぞれの中心が下記の軌道をたどるように制御される。
プラズマトーチ７ａは、
Ａ→Ｂ：内周部円弧及び外周部円弧の２つの円弧をつなぐ直線
Ｂ→Ｃ→Ｄ：内周部円弧（ｘ＞０の範囲）
Ｄ→Ｅ：内周部円弧及び外周部円弧の２つの円弧をつなぐ直線
Ｅ→Ｆ→Ａ： 外周部円弧（ｘ＜０の範囲）
プラズマトーチ７ｂは
Ａ→Ｂ→Ｃ：外周部円弧（ｘ＞０の範囲）
Ｃ→Ｄ： 内周部円弧及び外周部円弧の２つの円弧をつなぐ直線
Ｄ→Ｅ→Ｆ：内周部円弧（ｘ＜０の範囲）
Ｆ→Ａ：内周部円弧及び外周部円弧の２つの円弧をつなぐ直線

かかる場合も、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂの中心を、湯面の中心から０＜ｒ１＜Ｒ／２の半径を持つ内周部円弧と湯面の中心からＲ／２＜ｒ２＜Ｒの半径を持つ外周部円弧とを直線でつないだ軌道上に位置するように移動させていることから、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂが互いに干渉せず、湯面全体を暖めることができる。

その他、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂがそれぞれ、互いに干渉せず、湯面全体を暖めることができる軌道であれば、どのような軌道であっても良い。

また、上述した本実施形態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では、プラズマトーチを２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂとしているがそれに限らない。複数本のプラズマトーチを用いて、互いに干渉せず、湯面全体を暖めることができるように、軌道を確保するようにしても良い。

１ 連続鋳造装置
２ 鋳型
７ａ プラズマトーチ
７ｂ プラズマトーチ
１１ 鋳塊
１２ 溶湯

Claims (5)

1. チタンまたはチタン合金を溶解させた溶湯を上部開口から注入して、凝固させながら下方に引抜く断面形状が円形の無底の鋳型と、前記鋳型内の前記溶湯の上方に配置されて、前記溶湯を加熱するプラズマアークを発生するプラズマトーチと、を備え、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装置であって、
   前記鋳型内の前記溶湯の上方に、複数本のプラズマトーチが配置され、
   前記複数本のプラズマトーチを、互いに干渉しない距離を保つ軌道に沿って前記溶湯の湯面上を水平方向に移動させ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。
2. 前記プラズマトーチは２本であり、
   前記湯面の半径をＲとしたとき、一方のプラズマトーチの中心が前記湯面の中心からＲ／２＜ｒ２＜Ｒの半径を持つ外周部円弧の上方に位置しているときには、他方のプラズマトーチの中心が前記湯面の中心から０＜ｒ１＜Ｒ／２の半径を持つ内周部円弧の上方に位置するように移動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装置。
3. 前記プラズマトーチを、前記内周部円弧と前記外周部円弧とを直線でつないだ軌道上に位置するように移動させ、
   前記内周部円弧を移動する際の前記プラズマトーチのプラズマ出力が、前記外周部円弧を移動する際の前記プラズマトーチのプラズマ出力よりも低くなるように制御され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装置。
4. 前記プラズマトーチを、それぞれ、前記湯面正面視で２つに分けた半円のいずれかの範囲内において移動させ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。
5. 前記プラズマトーチの中心間の距離が、Ｒ／２以上となるように移動が制御されることを特徴とする請求項３または４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。