JP6105296B2 - 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

チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造方法 Download PDF

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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、チタンからなる鋳塊の連続鋳造では、プラズマアークや電子ビームにより加熱される溶湯の湯面近傍(湯面から湯面下10〜20mm程度までの領域)においてのみ鋳型と鋳塊の表面とが接触しており、これより深い領域では鋳塊が熱収縮することで、鋳型との間にエアギャップが発生する。したがって、溶湯の湯面近傍における初期凝固部(溶湯が鋳型に触れて最初に凝固する部分)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が得られると考えられる。
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、前記鋳型と前記鋳塊との接触領域における前記鋳塊の表面部の温度TSの平均値を800℃<TS<1250℃の範囲に制御するとともに、前記接触領域における前記鋳塊の表面部から前記鋳型への通過熱流束qの平均値を5MW/m 2 <q<7.5MW/m 2 の範囲に制御することを特徴とする。
上記の構成によれば、鋳型と鋳塊との接触領域における鋳塊の表面部の温度、および、接触領域における鋳塊の表面部から鋳型への通過熱流束の少なくとも一方の値により、接触領域における凝固シェルの厚みが決定される。よって、接触領域における鋳塊の表面部の温度、および、接触領域における鋳塊の表面部から鋳型への通過熱流束の少なくとも一方を制御することで、接触領域における凝固シェルの厚みを、鋳塊の表面に欠陥が生じない所定の範囲内に収める。これにより、鋳塊の表面に欠陥が生じるのを抑制することができるから、鋳肌の状態が良好な鋳塊を鋳造することができる。
また、鋳型と鋳塊との接触領域における鋳塊の表面部の温度TSの平均値を800℃<TS<1250℃の範囲に制御することで、鋳塊の表面に欠陥が生じるのを抑制することができる。
また、鋳型と鋳塊との接触領域における鋳塊の表面部から鋳型への通過熱流束qの平均値を5MW/m2<q<7.5MW/m2の範囲に制御することで、鋳塊の表面に欠陥が生じるのを抑制することができる。



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、前記接触領域における前記凝固シェルの厚みDを0.4mm<D<4mmの範囲内に収めてよい。上記の構成によれば、鋳型と鋳塊との接触領域における凝固シェルの厚みDを0.4mm<D<4mmの範囲内に収めることで、凝固シェルが薄すぎるために強度不足により凝固シェルの表面が引きちぎられる「ちぎれ欠陥」の発生、および、成長した(厚くなった)凝固シェル上に溶湯が被る「湯被り欠陥」の発生を抑制することができる。
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、前記チタンまたは前記チタン合金をコールドハース溶解させてなる前記溶湯を前記鋳型内に注入してよい。また、前記コールドハース溶解がプラズマアーク溶解であってよい。上記の構成によれば、チタンまたはチタン合金をプラズマアーク溶解させることで、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。ここで、コールドハース溶解とは、プラズマアーク溶解や電子ビーム溶解を一例とする、これら溶解法の上位概念の溶解法である。
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、接触領域における凝固シェルの厚みを、鋳塊の表面に欠陥が生じない所定の範囲内に収めることで、鋳塊の表面に欠陥が生じるのを抑制することができるから、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。 連続鋳造装置を示す斜視図である。 表面欠陥の発生メカニズムを表す説明図である。 接触領域における温度と通過熱流束とを示すモデル図である。 鋳型を上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。 連続鋳造試験で得られた鋳型測温結果と鋳型温度のシミュレーション結果との比較を示す図である。 通過熱流束と鋳塊表面温度との関係を示す図である。 鋳塊表面温度と凝固シェルの厚みとの関係を示す図である。
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。なお、以下の説明においては、チタンまたはチタン合金をプラズマアーク溶解させる場合について説明する。
(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、無底で断面形状が円形に形成されており、円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、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。
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。
また、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3に示すように、断面矩形の鋳型202を用いてスラブ211を連続鋳造するものであってもよい。以下、断面円形の鋳型2と断面矩形の鋳型202とをまとめて鋳型2として説明し、鋳塊11とスラブ211とをまとめて鋳塊11として説明する。
(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4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4(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、溶湯12が凝固した凝固シェル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4(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、図5に示すように、純チタンの融点(1680℃)をT、鋳塊11の表面部11aの温度をT、鋳型2の表面温度をT、鋳型2内を循環する冷却水の温度をT、凝固シェル13の厚みをD、鋳型2の厚みをL、矢印で示す鋳塊11の表面部11aから鋳型2への通過熱流束をqとし、凝固シェル13の熱伝導率をλ、接触領域16における鋳型2と鋳塊11との間の熱伝達率をh、鋳型2の熱伝導率をλとすると、通過熱流束qは以下のように表わせる。なお、接触領域16とは、湯面から湯面下10〜20mm程度までのハッチングで図示された、鋳型2と鋳塊11とが接触している領域である。
q=λ(T−T)/D=h(T−T)=λ(T−T)/L ・・・(式1)
上記の式1を整理すると、凝固シェル13の厚みDと鋳塊11の表面部11aの温度Tとの関係、および、凝固シェル13の厚みDと通過熱流束qとの関係が得られる。
D=λ(T−T)(1/h+L/λ)/(T−T) ・・・(式2)
D=λ(T−T)/q−λ(1/h+L/λ) ・・・(式3)
これらの式から、鋳塊11の表面部11aの温度Tと通過熱流束qとの関係は以下のようになる。
=(1/h+L/λ)q+T ・・・(式4)
上記の式2および式3から、凝固シェル13の厚みDは、溶湯12の湯面近傍(鋳型2と鋳塊11との接触領域16)における鋳塊11の表面部11aの温度Tまたは通過熱流束qの値により決定される。よって、制御すべきパラメータは、鋳型2と鋳塊11との接触領域16における鋳塊11の表面部11aの温度T、または、鋳型2と鋳塊11との接触領域16における鋳塊11の表面部11aから鋳型2への通過熱流束qである。
そこで、本実施形態では、鋳型2と鋳塊11との接触領域16における鋳塊11の表面部11aの温度Tの平均値を800℃<T<1250℃の範囲に制御している。また、鋳型2と鋳塊11との接触領域16における鋳塊11の表面部11aから鋳型2への通過熱流束qの平均値を5MW/m<q<7.5MW/mの範囲に制御している。これにより、鋳型2と鋳塊11との接触領域16における凝固シェル13の厚みDは0.4mm<D<4mmの範囲内に収まる。
このように、鋳型2と鋳塊11との接触領域16における鋳塊11の表面部11aの温度Tの平均値、および、鋳型2と鋳塊11との接触領域16における鋳塊11の表面部11aから鋳型2への通過熱流束qの平均値を上記の範囲にそれぞれ制御することで、後述するように、「ちぎれ欠陥」や「湯被り欠陥」の発生が抑制される。よって、鋳肌の状態が良好な鋳塊11を鋳造することができる。
なお、本実施形態においては、接触領域16における鋳塊11の表面部11aの温度Tの平均値、および、接触領域16における鋳塊11の表面部11aから鋳型2への通過熱流束qの平均値を制御すべきパラメータとしているが、どちらか一方のみでもよい。
また、本実施形態においては、純チタンからなる鋳塊11の連続鋳造において制御すべきパラメータを設定しているが、この設定は、チタン合金からなる鋳塊11の連続鋳造においても適用可能である。
また、図3に示す断面矩形の鋳型202においては、鋳型202の内周のすべての接触領域16において、鋳塊11の表面部11aの温度Tの平均値および通過熱流束qの平均値が上記の範囲に設定されていることが好ましいが、鋳型202の長辺側の接触領域16のみにおいて、鋳塊11の表面部11aの温度Tの平均値および通過熱流束qの平均値が上記の範囲に設定されていてもよい。即ち、鋳塊11の短辺側は切削の可能性があるため、鋳型202の短辺側の接触領域16においては、鋳塊11の表面部11aの温度Tの平均値および通過熱流束qの平均値が上記の範囲に設定されていなくてもよい。切削の可能性がある鋳塊11の下端部(鋳造初期部)や上端部(鋳造最終部)についても同様である。
(鋳肌評価)
次に、鋳型形状、プラズマトーチ7の出力、プラズマトーチ7の中心位置、および、スターティングブロック6の引抜速度をパラメータとして、実験操業条件を11種類に異ならせて、純チタンの連続鋳造試験を実施し、鋳肌の状態を評価した。この試験においては、鋳型2,202の上面図である図6に示すように、複数の熱電対31を埋め込んだ鋳型2,202を用いた。ここで、熱電対31はすべて溶湯12の湯面から5mm下の位置に埋め込んだ。11種類の実験操業条件を表1に示す。
ここで、鋳型形状が丸型とは、図1に示す断面円形の鋳型2を指す。また、鋳型形状が矩形とは、図3に示す断面矩形の鋳型202を指す。また、「東10mm片寄せ」の「東」とは、鋳型2,202の上面図である図7に示すように、「西」、「南」、「北」とともに断面丸型の鋳型2および断面矩形の鋳型202にそれぞれ設定された互いに直交する4つの方向の1つを指す。断面矩形の鋳型202において、東西方向は長手方向であり、南北方向は長手方向に直交する短手方向である。また、「鋳型中心」とは、鋳型2,202の中心にプラズマトーチ7の中心が位置していることを意味する。また、「東10mm片寄せ」とは、図7に示すように、鋳型2,202の中心から東の方向に10mmずれた位置にプラズマトーチ7の中心が位置していることを意味する。
次に、連続鋳造試験で得られた鋳型測温データをもとに、流動凝固シミュレーションモデルを作成した。連続鋳造試験で得られた鋳型測温結果と鋳型温度のシミュレーション結果との比較を図8に示す。そして、シミュレーションにより、鋳塊11の温度分布、鋳型2と鋳塊11との間の通過熱流束、凝固シェル13の形状などの熱指標の値を評価した。評価結果を表2に示す。
なお、「南」については東西断面に対して「北」と対称であると仮定しているため、データの抽出を行っていない。また、case1,5〜9については、2次元軸対称シミュレーションを行っているため、「東」でのデータのみを抽出している。
通過熱流束と鋳塊表面温度(鋳塊の表面部の温度)との関係を図9に示す。鋳型2と鋳塊11との接触領域16における鋳塊表面温度Tの平均値が800℃以下では、初期凝固部15への入熱が不足し、成長した凝固シェル13上に溶湯12が被る「湯被り欠陥」が発生している。一方、鋳型2と鋳塊11との接触領域16における鋳塊表面温度Tの平均値が1250℃以上では、初期凝固部15への入熱が過多となり、凝固シェル13の薄い表面が引きちぎられる「ちぎれ欠陥」が発生している。そこで、鋳型2と鋳塊11との接触領域16における鋳塊表面温度Tの平均値を800℃<T<1250℃の範囲に制御することが好ましいことがわかる。
また、鋳型2と鋳塊11との接触領域16における鋳塊11の表面部11aから鋳型2への通過熱流束qの平均値が5MW/m以下では、初期凝固部15への入熱が不足し、成長した凝固シェル13上に溶湯12が被る「湯被り欠陥」が発生している。一方、鋳型2と鋳塊11との接触領域16における通過熱流束qの平均値が7.5MW/m以上では、初期凝固部15への入熱が過多となり、凝固シェル13の薄い表面が引きちぎられる「ちぎれ欠陥」が発生している。そこで、鋳型2と鋳塊11との接触領域16における通過熱流束qの平均値を5MW/m<q<7.5MW/mの範囲に制御することが好ましいことがわかる。
また、鋳塊11の表面部11aの温度と凝固シェル13の厚みとの関係を図10に示す。鋳型2と鋳塊11との接触領域16における凝固シェル13の厚みDが0.4mm以下では、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」が発生している。一方、鋳型2と鋳塊11との接触領域16における凝固シェル13の厚みDが4mm以上では、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」が発生している。そこで、鋳型2と鋳塊11との接触領域16における凝固シェル13の厚みDを0.4mm<D<4mmの範囲内に収めることが好ましいことがわかる。
(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の連続鋳造方法によると、鋳型2と鋳塊11との接触領域16における鋳塊11の表面部11aの温度、および、接触領域16における鋳塊11の表面部11aから鋳型2への通過熱流束の少なくとも一方の値により、接触領域16における凝固シェル13の厚みが決定される。よって、接触領域16における鋳塊11の表面部11aの温度、および、接触領域16における鋳塊11の表面部11aから鋳型2への通過熱流束の少なくとも一方を制御することで、接触領域16における凝固シェル13の厚みを、鋳塊11の表面に欠陥が生じない所定の範囲内に収める。これにより、鋳塊11の表面に欠陥が生じるのを抑制することができるから、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、鋳型2と鋳塊11との接触領域16における鋳塊11の表面部11aの温度Tの平均値を800℃<T<1250℃の範囲に制御することで、鋳塊11の表面に欠陥が生じるのを抑制することができる。
また、鋳型2と鋳塊11との接触領域16における鋳塊11の表面部11aから鋳型2への通過熱流束qの平均値を5MW/m<q<7.5MW/mの範囲に制御することで、鋳塊11の表面に欠陥が生じるのを抑制することができる。
また、鋳型2と鋳塊11との接触領域16における凝固シェル13の厚みDを0.4mm<D<4mmの範囲内に収めることで、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」の発生、および、成長した(厚くなった)凝固シェル13上に溶湯12が被る「湯被り欠陥」の発生を抑制することができる。
また、チタンまたはチタン合金をプラズマアーク溶解させることで、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、本実施形態においては、チタンまたはチタン合金をプラズマアーク溶解する場合について説明したが、プラズマアーク溶解以外のコールドハース溶解、具体的には、電子ビーム加熱や誘導加熱、レーザ加熱等によりチタンまたはチタン合金を溶解させる場合にも本発明を適用可能である。
また、鋳型2と鋳塊11との間にフラックス層を介在させる場合にも本発明を適用可能である。
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
9 フラックス
11 鋳塊
11a 表面部
12 溶湯
13 凝固シェル
14 エアギャップ
15 初期凝固部
16 接触領域
31 熱電対
211 スラブ

Claims (4)

  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、
    前記鋳型と前記鋳塊との接触領域における前記鋳塊の表面部の温度TSの平均値を800℃<TS<1250℃の範囲に制御するとともに、前記接触領域における前記鋳塊の表面部から前記鋳型への通過熱流束qの平均値を5MW/m 2 <q<7.5MW/m 2 の範囲に制御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. 前記接触領域における前記凝固シェルの厚みDを0.4mm<D<4mmの範囲内に収め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. 前記チタンまたは前記チタン合金をコールドハース溶解させてなる前記溶湯を前記鋳型内に注入することを特徴とする請求項1又は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。
  4. 前記コールドハース溶解がプラズマアーク溶解であることを特徴とする請求項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。
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