JP6185450B2 - チタンまたはチタン合金からなる丸型インゴットの連続鋳造における湯面入熱量の規定方法、およびそれを用いた連続鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマアークを溶湯の湯面の加熱源とする、チタンまたはチタン合金からなる断面が丸型の円柱形状のインゴットの連続鋳造における湯面入熱量の規定方法に関する。

チタンまたはチタン合金からなるインゴットの鋳造においては、プラズマアーク、電子ビームなどで溶湯の湯面を加熱しながらインゴットの連続鋳造を行う。

特許文献１には、チタンからなるインゴットの連続鋳造に関する技術が記載されており、チタン（溶湯）の加熱源として電子ビームを用いている。特許文献１に記載の連続鋳造方法は、鋳型の引抜き方向の長さを鋳型の径の１〜３倍にし、鋳型内プールに照射する加熱源のエネルギー密度を０．０５〜０．１０ｋＷ／ｃｍ²とし、且つ溶製速度を０．１〜３．０Ｋｇ／ｈｒ・ｃｍ²とすることを特徴とする。この方法により、インゴットが鋳型を出た後にその表面が膨らむような熱変形（バルジング）の少ないインゴットを高速で効率よく溶製できると特許文献１に記載されている。

特開２０１２−１７６４２７号公報

ここで、チタンまたはチタン合金からなるインゴットの鋳造においては、溶湯の湯面への入熱が過多の場合には、凝固シェルの成長が不十分ととなり、インゴットの引抜きの際にシェルが強度不足により引きちぎられ湯漏れ等の事故につながる。一方、溶湯の湯面への入熱が過少の場合には、必要以上に凝固シェルが発達し、その上に湯が被ることにより大きな表面欠陥が生じたり、場合によっては十分な溶湯プールが確保できずに連続鋳造そのものが不可能となったりする。

そのため、溶湯の湯面への入熱量には適正な範囲が存在し、その範囲は鋳造する鋳塊のサイズに応じて異なる。しかしながら、プラズマアークを溶湯の湯面の加熱源とするチタンまたはチタン合金からなる丸型インゴットの鋳造においては、各種鋳塊サイズに応じたプラズマトーチによる溶湯の湯面への入熱量の適正範囲は不明確である。

一方、特許文献１には、丸型や矩形の鋳型内プールに照射する加熱源のエネルギー密度を０．０５〜０．１０ｋＷ／ｃｍ²とすることが好ましい旨記載されている。しかしながら、特許文献１の明細書の段落００２２には、溶湯の加熱源としては電子ビームだけでなくプラズマアークでもよいことが記載されているものの、発明を実施するための形態欄でプラズマアークに触れられているのはここだけであり、実施例は全て電子ビーム溶解によるものである。

ここで、プラズマアークによる溶解では、電子ビームによる溶解の場合と異なり、アーク中心からの距離によって照射されるエネルギー密度が大きく異なるので、その影響を考慮して溶湯の湯面への適正な入熱量の範囲を決める必要がある。

本発明の目的は、プラズマアークを溶湯の湯面の加熱源とするチタンまたはチタン合金からなる丸型インゴットの連続鋳造において、各種鋳塊サイズに応じた溶湯の湯面への適正な入熱量を明確にすることである。

本発明は、チタンまたはチタン合金を溶解させた溶湯を断面円形で無底の鋳型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丸型インゴットを連続的に鋳造するプラズマアークを前記溶湯の湯面の加熱源とする連続鋳造における前記溶湯の湯面への入熱量の規定方法である。鋳造する前記丸型インゴットの径から、下記の（１）式を用いて、前記入熱量を決定することを特徴とする。
０．０００６Ｄ²＋０．２Ｄ−９０≦入熱量（ｋＷ）≦０．００１５Ｄ²−０．８Ｄ＋４７０ ・・・（１）
Ｄ：鋳造する丸型インゴットの径（ｍｍ）但し、５００≦Ｄ

本発明によれば、各種鋳塊サイズに応じた溶湯の湯面への適正な入熱量が明確になる。

連続鋳造装置の側断面図である。 鋳型と丸型インゴットとの完全接触領域のモデル図である。 丸型インゴットの表面写真である。 丸型インゴットの表面写真である。 鋳塊表面温度の抽出位置を示す平面図である。 鋳塊径がφＤ２（ｍｍ）の場合の平均鋳塊表面温度の変化の第１解析結果を示すグラフである。 鋳塊径がφＤ２（ｍｍ）の場合の平均鋳塊表面温度の変化の第２解析結果を示すグラフである。 鋳塊径がφＤ１（ｍｍ）の場合の湯面入熱量（ｎ・α・Ｑ）と鋳塊表面温度との関係を示すグラフである。 鋳塊径がφＤ２（ｍｍ）の場合の湯面入熱量（ｎ・α・Ｑ）と鋳塊表面温度との関係を示すグラフである。 鋳塊径がφＤ３（ｍｍ）の場合の湯面入熱量（ｎ・α・Ｑ）と鋳塊表面温度との関係を示すグラフである。 鋳塊径がφＤ４（ｍｍ）の場合の湯面入熱量（ｎ・α・Ｑ）と鋳塊表面温度との関係を示すグラフである。 鋳塊径（鋳造する丸型インゴットの径）と湯面入熱量（ｎ・α・Ｑ）との関係を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。

（鋳造装置の構成）
本発明は、チタンまたはチタン合金を溶解させた溶湯を断面円形で無底の鋳型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丸型インゴットを連続的に鋳造する連続鋳造に関するものである。これを行うための一例である連続鋳造装置１を図１に示した。

図１に示すように、連続鋳造装置１は、断面円形で無底の鋳型２、鋳型２内に溶湯１２を供給する注湯部３、鋳型２の上方に配置され溶湯１２の湯面をプラズマアークで加熱するプラズマトーチ５、鋳型２の下方に配置され丸型インゴット１１を下方に引抜くためのスターティングブロック４などを備えている。なお、連続鋳造装置１は、原料投入装置、原料を溶解させるためのコールドハースなども備えるが、これら機器の図示は省略している。連続鋳造装置１のまわりは、アルゴンガス、ヘリウムガスなどの不活性ガス雰囲気とされる。原料となるチタンまたはチタン合金は、例えばスポンジチタン、スクラップといった形態のものである。鋳型２は、例えば水冷式の鋳型とされる。

鋳型２に注入された溶湯１２は、鋳型２との接触面から凝固していく。そして、鋳型２の下端開口部を塞いでいたスターティングブロック４を所定の速度で下方に引き下ろしていくことで、溶湯１２が凝固した丸型インゴット１１（断面が丸型の円柱形状のインゴット）が連続的に鋳造される。

（鋳肌性状欠陥について）
ところで、チタンまたはチタン合金からなる丸型インゴット１１を連続鋳造した際に、丸型インゴット１１の表面（鋳肌）に凹凸や傷があると、その後の圧延で表面欠陥となる。そのため、圧延する前に丸型インゴット１１の表面の凹凸や傷を切削等にて取り除く必要がある。これは、歩留まりの低下、作業工程の増加になり、すなわち、コストアップの要因となる。そのため、鋳肌に極力凹凸や傷が無い丸型インゴット１１を鋳造することが求められる。

丸型インゴット１１の連続鋳造においては、図２に示すように、プラズマアークにより加熱される溶湯１２の湯面近傍（湯面から湯面下１０ｍｍ程度までの領域）においてのみ鋳型２と丸型インゴット１１（凝固シェル１３）とが接触している。これより深い領域では丸型インゴット１１が熱収縮することで、鋳型２と丸型インゴット１１との間にエアギャップ１４が発生する。湯面から湯面下１０ｍｍ程度までの領域のことを完全接触領域１６という（図２中にハッチングを付して示す領域）。この完全接触領域１６では、丸型インゴット１１から鋳型２への通過熱流束ｑが生じる。図２中の符号Ｔは、凝固シェル１３の厚みである。

ここで、溶湯１２の湯面への入熱が過多の場合、凝固シェル１３の成長が不十分となり薄くなりすぎるため強度不足により凝固シェル１３の表面が引きちぎられる。これは、「ちぎれ欠陥」と呼ばれる。一方、溶湯１２の湯面への入熱が過少の場合、必要以上に成長した（厚くなった）凝固シェル１３の上に溶湯１２が被り大きな表面欠陥が生じる。これは、「湯被り欠陥」と呼ばれる。「湯被り欠陥」が発生した丸型インゴット１１の表面写真を図３Ａに、「ちぎれ欠陥」が発生した丸型インゴット１１の表面写真を図３Ｂに、それぞれ示している。

（鋳肌凹凸量が許容範囲に収まる鋳塊表面温度）
本発明者らは、様々な条件での実験、およびこれに対応する数値解析（流動凝固シミュレーション）を行った。その結果、鋳型２と丸型インゴット１１（凝固シェル１３）との完全接触領域１６における平均鋳塊表面温度と平均通過熱流束との間に相関関係があることを見出し、そして、上記平均鋳塊表面温度が４５０〜１３００℃の範囲内にあれば、鋳肌凹凸量、ちぎれ欠陥が許容範囲内に収まることを確認した。

（各種サイズの丸型インゴット鋳造に関する流動凝固シミュレーション）
次に、本発明者らは、各種サイズの丸型インゴット１１を鋳造するに際し、上記平均鋳塊表面温度を４５０〜１３００℃の範囲内にするための、溶湯１２の湯面への適正な入熱量を検討した。

検討条件（シミュレーション条件）について説明する。鋳造する丸型インゴット１１の径、すなわち、鋳塊径（ｍｍ）は、φＤ１、φＤ２、φＤ３、φＤ４の計４サイズとし、それぞれ解析を行った。なお、上記した鋳造する丸型インゴット１１の径、すなわち、鋳塊径は、鋳型２の内径でもある。また、５００＜Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ４＜１２００である。

プラズマトーチ５による湯面の加熱は、プラズマトーチ５を、鋳型２の内壁面に沿って移動させる。すなわち、アーク中心（プラズマトーチ５からのプラズマアークの中心）は、鋳型２の内壁面に沿って湯面上を移動し、鋳型２が円形であるので、アーク中心の移動軌道は円形となる。アーク中心の移動軌道の直径をトーチ移動軌道の直径Ｄｔと呼ぶとすると、トーチ移動軌道の直径Ｄｔ（ｍｍ）は、鋳塊径（鋳型２の内径）よりも小さな値となる。

プラズマトーチ５の移動速度は、５０ｍｍ／秒で、且つ一定とした。また、溶解速度（鋳造速度）は、６５０ｋｇ／時とした。なお、実際の連続鋳造において、プラズマトーチ５の移動速度を５０ｍｍ／秒とする必要は必ずしもない。溶解速度（鋳造速度）についても同様である。

図４は、鋳塊径（ｍｍ）がφＤ２の場合の鋳塊表面温度の抽出位置を示す平面図である。鋳塊径、プラズマトーチ５の出力を変化させて、図４に示す注湯部近傍、反注湯側、注湯部近傍と反注湯側との間の鋳型２内壁面に沿う３箇所、計５箇所の鋳塊表面温度を流動凝固シミュレーションにより求めた。

＜解析結果＞
図５Ａ、Ｂは、鋳塊径（ｍｍ）がφＤ２の場合の平均鋳塊表面温度の変化の様子を示すグラフである。ここで、図５Ａは、出力１０００ｋＷのプラズマトーチ５が１本、当該プラズマトーチ５による湯面への入熱効率が０．７５の場合のグラフであり、図５Ｂは、出力８００ｋＷのプラズマトーチ５が１本、当該プラズマトーチ５による湯面への入熱効率が０．７５の場合のグラフである。平均鋳塊表面温度とは、完全接触領域１６（湯面から湯面下１０ｍｍまでの領域）における各位置の鋳塊表面温度の平均のことである。なお、時間が経過するとともに、各測定点（温度の抽出位置）の温度が周期的に波打っているのは、鋳型２の内壁面に沿ってプラズマトーチ５を移動させているからである。プラズマトーチ５が近づくと、すなわちアーク中心が近づくとその部分の温度が高くなり、プラズマトーチ５が離れると、すなわちアーク中心が離れると温度は低くなる。

図５Ａからわかるように、鋳塊径（ｍｍ）がφＤ２の場合、出力１０００ｋＷのプラズマトーチ５が１本、当該プラズマトーチ５による湯面への入熱効率が０．７５という条件では、抽出点１、２において（図４参照）平均鋳塊表面温度が上限の１３００℃を超える。すなわち、鋳塊径（ｍｍ）がφＤ２の場合、出力１０００ｋＷのプラズマトーチ５が１本、当該プラズマトーチ５による湯面への入熱効率が０．７５という条件は丸型インゴット１１の鋳造に不適である。

これに対して、図５Ｂからわかるように、鋳塊径（ｍｍ）がφＤ２の場合、出力８００ｋＷのプラズマトーチ５が１本、当該プラズマトーチ５による湯面への入熱効率が０．７５という条件では、計５箇所の抽出点全てにおいて、平均鋳塊表面温度は、４５０〜１３００℃の範囲内に収まっている。すなわち、鋳塊径（ｍｍ）がφＤ２の場合、出力８００ｋＷのプラズマトーチ５が１本、当該プラズマトーチ５による湯面への入熱効率が０．７５という条件は、丸型インゴット１１の鋳造に適している。

次に、図６Ａ〜図７Ｂは、鋳塊径毎の湯面入熱量（ｎ・α・Ｑ）と鋳塊表面温度との関係を示すグラフである。図６Ａ〜図７Ｂは、それぞれ鋳塊径が、φＤ１、φＤ２、φＤ３、φＤ４の場合の結果である。なお、ｎは、プラズマトーチの本数であり、αは、プラズマトーチによる湯面への入熱効率であり、Ｑは、プラズマトーチの出力（ｋＷ）である。図６Ａ中にのみ、４５０〜１３００℃の範囲が鋳造可能であることを明示しているが、これは図６Ｂ〜図７Ｂでも同じである。

図６Ａ〜図７Ｂの各グラフのデータを表１〜４としてそれぞれ以下に示していく。

（鋳塊径：φＤ１）

（鋳塊径：φＤ２）

（鋳塊径：φＤ３）

（鋳塊径：φＤ４）

図６Ｂ（鋳塊径：φＤ２）を例にとり、図６Ａ〜図７Ｂに示す各グラフの見方を記載しておく。グラフ中の縦に延びる湯面入熱量毎の各棒線は、湯面入熱量毎の図４に示す鋳塊表面温度の抽出位置、計５箇所のそれぞれの平均鋳塊表面温度の最大値と最小値とを結ぶ線である。白抜きの菱形マークは、上記計５箇所のそれぞれの平均鋳塊表面温度の平均値である。図６Ｂにおいて、湯面入熱量が７５０ｋＷの場合、鋳型２の周方向のいずれかの位置で、完全接触領域１６における平均鋳塊表面温度が１３００℃を超えるので、湯面入熱量を７５０ｋＷとすることは鋳造に適さないということである。

＜適正な湯面入熱量（ｎ・α・Ｑ）の範囲＞
図６Ａ〜図７Ｂの各グラフ（表１〜４の各データ）をまとめたのが、図８に示すグラフである。各鋳塊径において鋳造可否の判定で○と判定された（前記の各表を参照）上限、下限のそれぞれの４点のプロット値を用いて、湯面入熱量（ｎ・α・Ｑ）の上限、下限について、それぞれ２次関数で近似した。近似式の各係数は最小二乗法を用いて算出した。

図８からわかるように、下記の（１）式を満たす少なくとも１本のプラズマトーチを用いて前記溶湯の湯面を加熱することにより、丸型インゴット１１の鋳肌凹凸量、ちぎれ欠陥を許容範囲内に収めることができる。

０．０００６Ｄ²＋０．２Ｄ−９０≦ｎ・α・Ｑ（入熱量）≦０．００１５Ｄ²−０．８Ｄ＋４７０ ・・・（１）
Ｑ：プラズマトーチの出力（ｋＷ）
ｎ：プラズマトーチの本数
α：プラズマトーチによる入熱効率
Ｄ：鋳造する丸型インゴットの径（ｍｍ）

なお、上記（１）式において、鋳塊径、すなわちＤの下限をφ５００ｍｍ、上限をφ１２００ｍｍとすることが好ましい。

（発明の作用・効果）
本発明では、適正な湯面入熱量（ｎ・α・Ｑ）を、鋳造する丸型インゴットの径で規定している。そのため、各種鋳塊サイズに応じた溶湯の湯面への適正な入熱量が明確となっている。そして、上記（１）式を満たす少なくとも１本のプラズマトーチを用いて前記溶湯の湯面を加熱することにより、丸型インゴット１１の鋳肌凹凸量、ちぎれ欠陥を許容範囲内に収めることができる。

また、本発明を用いてチタンまたはチタン合金からなる丸型インゴットを連続鋳造するには、鋳型の内壁面に沿ってプラズマトーチを移動させることが好ましい。この構成によると、アーク中心（プラズマトーチからのプラズマアークの中心）は、鋳型と同じ円形の軌道で当該鋳型の内壁面に沿って湯面上を移動する。加熱のむらが抑えられるので、鋳肌凹凸量、ちぎれ欠陥をより確実に許容範囲内に収めることができる。

１：連続鋳造装置
２：鋳型
３：注湯部
４：スターティングブロック
５：プラズマトーチ
１１：丸型インゴット
１２：溶湯
１３：凝固シェル
１４：エアギャップ
１６：完全接触領域

Claims (3)

1. チタンまたはチタン合金を溶解させた溶湯を断面円形で無底の鋳型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丸型インゴットを連続的に鋳造するプラズマアークを前記溶湯の湯面の加熱源とする連続鋳造における前記溶湯の湯面への入熱量の規定方法であって、
   鋳造する前記丸型インゴットの径から、下記の（１）式を用いて、前記入熱量を決定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丸型インゴットの連続鋳造における湯面入熱量の規定方法。
   ０．０００６Ｄ²＋０．２Ｄ−９０≦入熱量（ｋＷ）≦０．００１５Ｄ²−０．８Ｄ＋４７０ ・・・（１）
   Ｄ：鋳造する丸型インゴットの径（ｍｍ）但し、５００≦Ｄ
   入熱量：チタンまたはチタン合金を溶解させた溶湯の湯面への入熱量（ｋＷ）
2. 請求項１に記載の湯面入熱量の規定方法を用いた、チタンまたはチタン合金からなる丸型インゴットの連続鋳造方法であって、
   前記（１）式を満たす前記入熱量で、少なくとも１本のプラズマトーチを用いて前記溶湯の湯面を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丸型インゴットの連続鋳造方法。
3. 請求項２に記載のチタンまたはチタン合金からなる丸型インゴットの連続鋳造方法において、
   前記鋳型の内壁面に沿って前記プラズマトーチを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丸型インゴットの連続鋳造方法。