JP6234841B2

JP6234841B2 - 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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Publication number: JP6234841B2
Application number: JP2014032718A
Authority: JP
Inventors: 瑛介黒澤; 中岡　威博; 威博中岡; 大山　英人; 英人大山; 秀豪金橋
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2014-02-24
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2034-02-24
Also published as: WO2015125624A1; JP2015157296A

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。

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アルゴン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。

また、特許文献２には、電子ビームを用いた高融点金属インゴットの製造方法が開示されている。この製造方法では、インゴットの底部を回転させながら引き抜くとともに、鋳型プール面に照射する電子ビームを、鋳型プールの中心部に比べて、鋳型プールの周縁部に沿った電子ビームのエネルギー密度を高めて照射している。

特許第３０７７３８７号公報特開２００９−１７２６６５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ている。

また、チタンまたはチタン合金からなる丸型の鋳塊（丸型インゴット）は、圧延、鍛造、熱処理などの工程を経て製品化される。そのため、疲労強度など機械的特性に優れた製品を得るには、直径が１０００ｍｍ以上の大径の鋳塊が求められている。

しかし、鋳塊の径が大きくなるほど、溶湯の湯面への総入熱量が大きくなる。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って、成分偏析が顕著となり、溶湯の湯面の周縁部において入熱量が過小となる。溶湯の湯面の周縁部において入熱量が過小となると、湯面シェル露出量が増加して、初期凝固シェルの成長が促進される。その結果、鋳塊の鋳肌性状が悪化したり、場合によっては鋳塊の引抜きが困難になったりする。

また、大径の鋳塊をプラズマアーク溶解によって鋳造する場合、プラズマトーチを固定していたのでは溶湯の湯面を加熱できる範囲に限界がある。そこで、プラズマトーチを移動させて溶湯の湯面を全面的に加熱しながら引抜きを行う必要がある。

しかし、直径が１０００ｍｍ以上の大径の鋳塊を製造する場合、プラズマトーチが１本では移動距離が長くなる。そのため、湯面上の所定箇所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、その間に溶湯の温度が大幅に低下してしまう。そこで、プラズマトーチを複数本使用することで、溶湯の温度低下を軽減させる必要がある。

しかしながら、プラズマトーチの移動速度には限界があるため、鋳塊の径が大きくなってプラズマトーチの移動距離が長くなるほど、溶湯の湯面上の位置や時間による入熱量のばらつきが大きくなる。その結果、鋳塊内の位置によって凝固挙動が不均一となり、鋳肌性状が悪化する。

特に、直径が１０００ｍｍ以上の大径の鋳塊を製造する場合、溶湯の湯面の加熱を鋳型との境界近傍である周縁部に限定しなければ、熱バランス指標を目標範囲に近づけることができず、鋳肌性状の良好な鋳塊を得ることが困難になる。

しかし、周縁部に限定して溶湯の湯面を加熱しても、プラズマトーチの移動距離が長いために、湯面近傍での入抜熱バランス範囲の変動幅が大きくなる。その結果、良好な鋳肌性状を安定的に得ることが困難になる。

また、溶湯の湯面の加熱を鋳型との境界近傍に集中させすぎると、湯面の中央部付近では入熱量が不足して、湯面の中央部付近が凝固するという問題が生じる。中央部付近が凝固すると、凝固物が溶湯の流れに沿って鋳型との境界に移動し、その上に溶湯が被って表面欠陥が発生することが懸念される。

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装置を提供することである。

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って、前記鋳型の上方に設けられ、前記鋳型内の前記溶湯の湯面を加熱するプラズマトーチと、前記鋳型の側方に設けられ、交流電流による電磁撹拌によって、前記溶湯の少なくとも湯面を撹拌する電磁撹拌装置と、を有し、前記電磁撹拌装置により、前記溶湯の湯面の周縁部において、前記鋳型の壁面に平行する流れを、前記溶湯の少なくとも湯面に生じさせることを特徴とする。

本発明によれば、電磁撹拌によって、溶湯の湯面の周縁部において、鋳型の壁面に平行する流れを溶湯の少なくとも湯面に生じさせる。これにより、溶湯の湯面の周縁部において、プラズマトーチによる溶湯の湯面への入熱を鋳型の壁面に沿って拡散させることができる。これにより、溶湯の湯面の周縁部が均熱化されるので、入抜熱バランスの変動幅を狭くすることができる。また、電磁撹拌で、プラズマトーチによる入熱を拡散させることで、溶湯の湯面への総入熱量を小さくすることができる。これにより、溶湯プールの中心深さを浅くすることができるので、成分偏析を低減させることができる。よって、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。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。鋳塊の表面写真である。鋳塊の表面写真である。鋳型と鋳塊との完全接触領域のモデル図である。通過熱流束と鋳塊表面温度との関係を示す図である。均一入熱及び傾斜入熱した場合の溶湯の湯面への総入熱量と溶湯プールの中心深さとの関係を示す図である。均一入熱及び傾斜入熱した場合の鋳型との境界近傍における平均入熱量と湯面シェル露出量との関係を示す図である。鋳型を上方から見たモデル図である。点Ａにおける入熱履歴のグラフである。鋳型を上方から見たモデル図である。点Ａにおける入熱履歴のグラフである。鋳型の断面図である。鋳型を上方から見たときのプラズマトーチの移動パターンを示す図である。傾斜加熱によるプラズマトーチの出力パターンを示す図である。総入熱量が等しい場合の鋳型の境界近傍での入熱量と鋳型の中央部付近での入熱量との関係を示す図である。鋳型を上方から見たときの溶湯の流れを示す図である。直流型電磁撹拌の概念図である。プラズマトーチの中心からの距離と周方向の撹拌力との関係を示す図である。交流型電磁撹拌の概念図である。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。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。鋳型を側方から見たモデル図である。鋳型を側方から見たモデル図である。鋳型を側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。鋳型を上方から見たときのプラズマトーチの移動パターンを示す図である。鋳型を上方から見たときの溶湯の流れを示す図である。溶湯の湯面の温度分布を示す図である。溶湯の湯面の流速ベクトルを示す図である。電磁撹拌を行わない場合の溶湯プールを示す図である。電磁撹拌を行った場合の溶湯プールを示す図である。鋳塊表面の通過熱量と鋳塊表面温度との関係を示す図である。鋳型を上方から見たときの溶湯の流れを示す図である。溶湯プール内での溶湯の流れを示す図である。電磁撹拌を行った場合の溶湯プールを示す図である。鋳型を側方から見たときの溶湯の流れを示す図である。溶湯プール内での溶湯の流速ベクトルを示す図である。電磁撹拌を行った場合の溶湯プールを示す図である。電磁撹拌を行った場合の溶湯プールを示す図である。

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。

（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装置（連続鋳造装置）１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断面円形で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丸型インゴット（鋳塊）を連続的に鋳造する連続鋳造装置である。この連続鋳造装置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、電磁撹拌装置８と、コントローラ（制御装置）９と、を有している。なお、図１においては、電磁撹拌装置８およびコントローラ９の図示を省略している。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の上方に設けられており、図示しない移動手段により溶湯１２の湯面上で水平移動されながら、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。コントローラ９は、プラズマトーチ７の移動を制御する。

電磁撹拌装置８は、コイル鉄心にＥＭＳコイルを巻回したものであって、鋳型２の側方に設けられており、交流電流による電磁撹拌によって、鋳型２内の溶湯１２の少なくとも湯面を攪拌する。コントローラ９は、電磁撹拌装置８による電磁撹拌を制御する。

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丸型インゴット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。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、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。

（操業条件）
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、次工程である圧延過程で表面欠陥となる。そのため、圧延する前に丸型インゴット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、鋳肌に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ている。

表面欠陥の発生メカニズムを表す説明図である図３Ａおよび図３Ｂに示すように、鋳型２との境界近傍では、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と凝固シェル１３の表面とが接触している。そして、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との間にエアギャップ１４が発生する。そして、図３Ａに示すように、初期凝固シェル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、凝固シェル１３が薄くなり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３Ｂに示すように、初期凝固シェル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。「ちぎれ欠陥」が発生した鋳塊の表面写真を図４Ａに、「湯被り欠陥」が発生した鋳塊の表面写真を図４Ｂに、それぞれ示す。

鋳型２と丸型インゴット１１との完全接触領域１６のモデル図を図５に示す。完全接触領域１６は、湯面から湯面下１０ｍｍ程度までのハッチングで図示された、鋳型２と丸型インゴット１１とが接触している領域である。完全接触領域１６においては、丸型インゴット１１の表面から鋳型２への通過熱流束ｑが生じる。Ｄは湯面シェルの厚みである。

通過熱流束ｑと丸型インゴット１１の表面温度Ｔ_Ｓとの関係を図６に示す。ここで、熱バランス指標である通過熱流束ｑ［Ｗ／ｍ^２］および丸型インゴット１１の表面温度Ｔ_Ｓ［℃］は、完全接触領域１６における平均値で評価している。この関係図から、鋳型２と丸型インゴット１１との完全接触領域１６における丸型インゴット１１の表面温度Ｔ_Ｓの平均値が８００℃＜Ｔ_Ｓ＜１２５０℃の範囲であれば、ちぎれ欠陥や湯被り欠陥のない、鋳肌の状態が良好な丸型インゴット１１を得ることができることがわかる。

また、チタンまたはチタン合金からなる丸型インゴット１１は、圧延、鍛造、熱処理などの工程を経て製品化される。そのため、疲労強度など機械的特性に優れた製品を得るには、直径が１０００ｍｍ以上の大径の丸型インゴット１１が求められている。

しかし、丸型インゴット１１の径が大きくなるほど、溶湯１２の湯面への総入熱量が大きくなる。均一入熱及び傾斜入熱した場合の溶湯１２の湯面への総入熱量と溶湯プールの中心深さとの関係を図７に示す。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って、成分偏析が顕著となり、溶湯１２の湯面の周縁部において入熱量が過小となる。また、均一入熱及び傾斜入熱した場合の鋳型２との境界近傍における平均入熱量と湯面シェル露出量との関係を図８に示す。溶湯１２の湯面の周縁部において入熱量が過小になると、湯面シェル露出量が増加して、初期凝固シェル１５（図３Ｂ参照）の成長が促進される。その結果、丸型インゴット１１の鋳肌性状が悪化したり、場合によっては丸型インゴット１１の引抜きが困難になったりする。

また、大径の丸型インゴット１１をプラズマアーク溶解によって鋳造する場合、プラズマトーチ７を固定していたのでは溶湯１２の湯面を加熱できる範囲に限界がある。そこで、プラズマトーチ７を移動させて溶湯１２の湯面を全面的に加熱しながら引抜きを行う必要がある。

しかし、直径が１０００ｍｍ以上の大径の丸型インゴット１１を製造する場合、鋳型２を上方から見たモデル図である図９Ａに示すように、プラズマトーチ７が１本では移動距離が長くなる。そのため、湯面上の点Ａにおいてプラズマトーチ７が離れてから戻ってくるまでの時間が長くなる。湯面上の点Ａにおける入熱履歴のグラフである図９Ｂに示すように、プラズマトーチ７が離れてから戻ってくるまでの間（図９Ｂに示す時間ｔ）に、溶湯１２の温度が大幅に低下してしまう。

そこで、鋳型２を上方から見たモデル図である図１０Ａに示すように、プラズマトーチ７を複数本（ここでは２本）使用することで、溶湯１２の温度低下を軽減させる必要がある。点Ａにおける入熱履歴のグラフである図１０Ｂに示すように、プラズマトーチ７が離れてから戻ってくるまでの時間（図１０Ｂに示す時間ｔ’）が短くなることで、溶湯１２の温度低下が軽減する。

しかしながら、プラズマトーチ７の移動速度に限界があるため、丸型インゴット１１の径が大きくなってプラズマトーチ７の移動距離が長くなるほど、溶湯１２の湯面上の位置や時間による入熱量のばらつきが大きくなる。その結果、丸型インゴット１１内の位置によって凝固挙動が不均一となり、鋳肌性状が悪化する。

特に、直径が１０００ｍｍ以上の大径の丸型インゴット１１を製造する場合、溶湯１２の湯面の加熱を鋳型２との境界近傍である周縁部に限定しなければ、熱バランス指標を図６に示した目標範囲に近づけることができず、鋳肌性状の良好な丸型インゴット１１を得ることが困難になる。

なお、複数本のプラズマトーチ７を使用した場合に、各プラズマトーチ７が移動中に近づきすぎると、図１０Ａに示すようにプラズマトーチ７同士がお互いに干渉し合う等して、プラズマトーチ７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７間において、ある程度の距離を保つ必要がある。

しかし、周縁部に限定して溶湯１２の湯面を加熱しても、プラズマトーチ７の移動距離が長いために、湯面近傍での入抜熱バランス範囲の変動幅が大きくなる。その結果、安定して良好な鋳肌性状を得ることが困難になる。

また、溶湯１２の湯面の加熱を周縁部に集中させすぎると、鋳型２の断面図である図１１に示すように、溶湯１２の湯面の中央部付近では入熱量が不足して、中央部付近（図１１中、破線で囲まれた部分）が凝固するという問題が生じる。中央部付近が凝固すると、凝固物が溶湯１２の流れに沿って鋳型２との境界に移動し、その上に溶湯１２が被って「湯被り欠陥」（図３Ｂ参照）が発生することが懸念される。

（プラズマトーチの移動パターン）
そこで、本実施形態では、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂで溶湯１２の湯面における鋳型２との境界近傍、即ち、湯面の周縁部を集中的に加熱する。鋳型２を上方から見たときのプラズマトーチ７の移動パターンを図１２に示す。

図１２に示すように、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。そして、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂの各々の中心が、下記の範囲を移動するように、コントローラ９（図２参照）で制御する。
プラズマトーチ７ａの範囲：ｘ＜０の範囲（図１２の左側の半円）
プラズマトーチ７ｂの範囲：ｘ＞０の範囲（図１２の右側の半円）

そして、溶湯１２の湯面の半径をＲとしたとき、プラズマトーチ７ａ，７ｂを、それぞれの中心がＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆと移動するようにして、下記の軌道をたどるように制御する。
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を、その中心が下記の軌道をたどるように制御する。
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を、その中心が下記の軌道をたどるように制御する。
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

このように、コントローラ９で２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂの動きを制御することで、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂを図１２に示す移動パターンで移動させる。そして、外周部円弧を移動するプラズマトーチ７ａ，７ｂで溶湯１２の湯面の周縁部を集中的に加熱する。これにより、初期凝固シェル１５（図３Ａ、図３Ｂ参照）の成長を抑制することができるので、熱バランス指標を目標範囲に近づけることができる。

また、２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂで傾斜加熱を行うように、コントローラ９で２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂのトーチ出力を制御する。傾斜加熱によるプラズマトーチ７ａ，７ｂの出力パターンを図１３に示す。即ち、プラズマトーチ７ａ，７ｂの各々の中心が外周部円弧を移動するときにはトーチ出力が高く、内周部円弧を移動するときにはトーチ出力が低くなるように、トーチ出力を制御する。これにより、溶湯１２の湯面の周縁部における入熱量が大きく、溶湯１２の湯面の中央部付近における入熱量が小さくなる。

内周部円弧を移動するプラズマトーチ７ａ，７ｂで溶湯１２の湯面の中央部付近を加熱することで、溶湯１２の湯面の中央部付近が凝固するのを回避することができる。また、溶湯１２の湯面への総入熱量が、均一入熱時に比べて小さくなるので、溶湯プールの中心深さが浅くなる。その結果、成分偏析を低減させることができる。

ここで、総入熱量が等しい場合の鋳型２の境界近傍での入熱量と鋳型２の中央部付近での入熱量との関係を図１４に示す。チタンまたはチタン合金からなる丸型インゴット１１の連続鋳造装置１においては、初期凝固シェル１５の成長を抑制しつつ、且つ、鋳型２の中央部付近（溶湯１２の湯面の中央部付近）における凝固を回避することができる領域内で、溶湯１２の湯面への総入熱量を可能な限り低減させるように、総入熱量、鋳型２の境界近傍での入熱量（溶湯１２の湯面の周縁部における入熱量）、および、鋳型２の中央部付近での入熱量（溶湯１２の湯面の中央部付近における入熱量）を決定するのが好ましい。図１４においては、破線で囲まれた範囲で、鋳型２の境界近傍での入熱量、および、鋳型２の中央部付近での入熱量を決定することで、初期凝固シェル１５の成長を抑制し、溶湯１２の湯面の中央部付近における凝固を回避しながら、湯面への総入熱量を低減させることができる。

（電磁撹拌による撹拌パターン）
また、電磁撹拌装置８が、溶湯１２の少なくとも湯面を撹拌するように、コントローラ９（図２参照）で制御する。そして、溶湯１２の湯面の周縁部において、鋳型２の壁面に平行する流れ、例えば、鋳型２の周方向に旋回する流れを溶湯１２の少なくとも湯面に生じさせるように、電磁撹拌装置８を制御する。さらに、鋳型２の壁面に平行する流れに加えて、溶湯１２の湯面の中央部に向かう流れを溶湯１２の少なくとも湯面に生じさせるように、電磁撹拌装置８を制御する。鋳型２を上方から見たときの溶湯１２の流れを図１５に示す。

溶湯１２の湯面の周縁部において、鋳型２の壁面に平行する流れを溶湯１２の少なくとも湯面に生じさせることで、溶湯１２の湯面の周縁部において、プラズマトーチ７ａ，７ｂによる溶湯１２の湯面への入熱を鋳型２の壁面に沿って拡散させることができる。これにより、溶湯１２の湯面の周縁部が均熱化されるので、入抜熱バランスの変動幅を狭くすることができる。

また、溶湯１２の湯面の中央部に向かう流れを溶湯１２の少なくとも湯面に生じさせることで、プラズマトーチ７ａ，７ｂによる溶湯１２の湯面の周縁部への入熱を溶湯１２の湯面の中央部に向かって拡散させることができる。その結果、溶湯１２の湯面の中央部付近が温められるので、溶湯１２の湯面の中央部付近が凝固するのを回避することができる。

また、電磁撹拌で、プラズマトーチ７ａ，７ｂによる入熱を拡散させることで、溶湯１２の湯面への総入熱量を小さくすることができる。これにより、溶湯プールの中心深さを浅くすることができるので、成分偏析を低減させることができる。よって、鋳肌の状態が良好な丸型インゴット１１を鋳造することができる。

ここで、溶湯１２の湯面の周縁部において、鋳型２の壁面に平行する流れを溶湯１２の少なくとも湯面に生じさせる方法として、直流電流による電磁撹拌が挙げられる。しかし、直流型電磁撹拌の概念図である図１６に示すように、プラズマトーチの中心に近いほど電流密度Ｊが高いので、電流密度Ｊに磁束密度Ｂをかけた値である撹拌力Ｆは、プラズマトーチの中心に近いほど大きくなる。その結果、プラズマトーチの中心位置の近傍に撹拌力Ｆが集中する。プラズマトーチの中心からの距離ｒと周方向の撹拌力Ｆとの関係を図１７に示す。図１７に示すように、プラズマトーチの中心から離れた位置ほど周方向の撹拌力Ｆが小さくなる。このように、直流電流による電磁撹拌では、得られる溶湯１２の流れパターンが、プラズマトーチの中心の位置によって決定されてしまうため、鋳型２の壁面に平行する流れを得るための流動制御が困難になる。

そこで、本実施形態では、交流電流による電磁撹拌を適用している。交流型電磁撹拌の概念図である図１８に示すように、交流電流型の電磁撹拌装置８の電磁コイルを、例えば、鋳型２の周りに等間隔で４つ配置する。この電磁撹拌装置８による撹拌力は、プラズマトーチの位置に関わらず、電磁コイルに近い位置で大きくなる。その結果、溶湯１２の湯面の周縁部において、鋳型２の壁面に平行する流れを溶湯１２の少なくとも湯面に生じさせることが可能となる。なお、電磁コイルの数は４つに限定されず、また、電磁コイル同士の間隔も等間隔に限定されない。

例えば、鋳型２を上方から見たモデル図である図１９に示すように、電磁コイルを鋳型２の全周に設ける。電磁コイルのコイル鉄心を鋳型２に沿って湾曲させることで、鋳型２の壁面に沿った周方向の流れを効果的に生じさせることができる。また、鋳型２を上方から見たモデル図である図２０に示すように、鋳型２の周方向に電磁コイルを４つに分割する。なお、これら電磁コイルの数は４つに限定されず、また、電磁コイル同士の間隔は等間隔であっても不等間隔であってもよい。そして、これらの配置及び出力をコントローラ９で適正に制御することで、溶湯１２の湯面の中央部に向かう流れ等の流れを溶湯１２の少なくとも湯面に生じさせることができる。

具体的には、鋳型２を上方から見たモデル図である図２１に示すように、４つの電磁コイルの移動磁界の方向がすべて同じ方向になるように制御することで、溶湯１２の湯面の周縁部において、鋳型２の周方向に旋回する流れを溶湯１２の少なくとも湯面に生じさせることができる。これにより、プラズマトーチ７による溶湯１２の湯面の周縁部への入熱を鋳型２の周方向に拡散させることができる。

また、鋳型２を上方から見たモデル図である図２２に示すように、４つの電磁コイルのうち、図中右側の２つの電磁コイルと、図中左側の２つの電磁コイルとで、移動磁界の方向が逆になるように制御することで、溶湯１２の湯面の周縁部を通って鋳型２の周方向に旋回し、且つ、互いに逆方向に旋回する一対の流れを溶湯１２の少なくとも湯面に生じさせることができる。この流れにより、溶湯１２の湯面の中央部に向かう流れを、溶湯１２の少なくとも湯面に生じさせることができる。これにより、プラズマトーチ７による溶湯１２の湯面の周縁部への入熱を鋳型２の周方向に拡散させるとともに、溶湯１２の湯面の中央部に向かって拡散させることができる。

また、鋳型２を側方から見たモデル図である図２３に示すように、電磁コイルを鋳型２の軸方向に沿って設け、移動磁界の方向が下から上になるように制御することで、溶湯１２の湯面の周縁部において、鋳型２の壁面に沿って上昇する流れを溶湯１２に生じさせることができる。この流れにより、溶湯プールの湯面側から溶湯１２の中央部に流れ込む方向に流れる対流を生じさせることができる。これにより、プラズマトーチ７による溶湯１２の湯面の周縁部への入熱を周縁部において拡散させるとともに、溶湯１２の湯面の中央部に向かって拡散させることができる。

また、鋳型２を側方から見たモデル図である図２４に示すように、電磁コイルを鋳型２の軸方向に沿って設け、移動磁界の方向が上から下になるように制御することで、溶湯１２の湯面の周縁部において、鋳型２の壁面に沿って下降する流れを溶湯１２に生じさせることができる。この流れにより、溶湯プールの底側から溶湯１２の中央部に流れ込む方向に流れる対流を生じさせることができる。これにより、プラズマトーチ７による溶湯１２の湯面の周縁部への入熱を周縁部において拡散させるとともに、溶湯１２の湯面の中央部に向かって拡散させることができる。

また、鋳型２を側方から見たモデル図である図２５に示すように、電磁コイルを鋳型２の軸方向から傾斜させて設けることで、鋳型２の周方向に旋回する流れに加えて、鋳型２の軸方向に沿った流れを溶湯１２に生じさせることができる。即ち、図２１、図２２に示したような、鋳型２の周方向に旋回する流れと、図２３、図２４に示したような、溶湯１２の中央部を流れる対流とを生じさせることができる。これにより、プラズマトーチ７による溶湯１２の湯面の周縁部への入熱を鋳型２の周方向に拡散させるとともに、溶湯１２の湯面の中央部に向かって拡散させることができる。

また、鋳型２を上方から見たモデル図である図２６に示すように、４つの電磁コイルの撹拌力に強弱をつけるように制御することで、溶湯１２の湯面の中央部に向かう流れを溶湯１２の少なくとも湯面に生じさせることができる。これにより、プラズマトーチ７による溶湯１２の湯面の周縁部への入熱を周縁部において拡散させるとともに、溶湯１２の湯面の中央部に向かって拡散させることができる。なお、これら電磁コイルの数は４つに限定されず、また、電磁コイル同士の間隔は等間隔であっても不等間隔であってもよい。

そして、電磁撹拌により、溶湯プールの形状も大きく変化する。よって、コントローラ９で電磁撹拌パターンを適正に制御することで、溶湯プールの深さを低減させたり、溶湯プールの形状を鍋底形にしたりすることができる。ここで、鍋底形は、後述するように、鋳塊の鋳肌品質を向上させ、成分偏析を低減させるのに望ましい形状である。

（流動凝固計算）
次に、本実施形態に係る連続鋳造装置１を用いて、丸型インゴット１１を連続鋳造したときの流動凝固計算を行った。丸型インゴット１１の材料は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖとした。また、鋳型２のサイズ（即ち、溶湯１２の湯面の直径）は、φ１２００ｍｍとした。また、原料の溶解量は、１．３ｔｏｎ／ｈｏｕｒとした。

さらに、鋳型２を上方から見たときのプラズマトーチの移動パターンを示す図である図２７に示すように、出力１０００ｋＷの２本のプラズマトーチ７ａ，７ｂを、溶湯１２の湯面の周縁部の上方において、トーチ間距離が常に１０５０ｍｍとなるようにして、鋳型２の中心に対して点対称となるように往復移動させた。このとき、プラズマトーチ７ａ，７ｂの移動速度を５０ｍｍ／ｓｅｃ、周期を約６６ｓｅｃとした。

また、３種の電磁撹拌パターンを想定した体積力を溶湯１２に付与した。このとき、溶湯１２の湯面の周縁部で１０００Ｎ／ｍ^３程度の撹拌力となるように、体積力を溶湯１２に付与した。

まず、鋳型２を上方から見たときの溶湯の流れを示す図である図２８に示すように、鋳型２の周方向に等間隔で設けた４つの電磁コイルで、鋳型２の周方向に旋回する流れを溶湯１２の少なくとも湯面に生じさせた場合について、流動凝固計算を行った。

溶湯１２の湯面の温度分布を図２９に示す。プラズマトーチ７ａ，７ｂによる入熱が鋳型２の周方向に拡散していることがわかる。また、溶湯１２の湯面の流速ベクトルを図３０に示す。溶湯１２の湯面の周縁部において、流速は４５０ｍｍ／ｓｅｃであった。また、電磁撹拌を行わない場合の溶湯プールを図３１に示す。これに対し、電磁撹拌を行った場合の溶湯プールを図３２に示す。溶湯１２の湯面の中央部が凝固していることがわかる。

丸型インゴット１１の表面の通過熱量と丸型インゴット１１の表面温度との関係を図３３に示す。電磁撹拌の印加により、丸型インゴット１１の表面温度は目標範囲にほぼ収まることがわかる。

次に、鋳型２を上方から見たときの溶湯の流れを示す図である図３４に示すように、鋳型２の周方向に等間隔で設けた４つの電磁コイルで、溶湯１２の湯面の周縁部を通って鋳型２の周方向に旋回し、且つ、互いに逆方向に旋回する一対の流れを溶湯１２の少なくとも湯面に生じさせた場合について、流動凝固計算を行った。溶湯プール内での溶湯１２の流れを図３５に示す。溶湯１２の湯面の中央部に向かう流れが生じていることがわかる。また、この電磁撹拌を行ったときの溶湯プールを図３６に示す。溶湯１２の湯面の中央部の凝固が回避されていることがわかる。

次に、鋳型２を側方から見たときの溶湯の流れを示す図である図３７に示すように、鋳型２の軸方向に沿って設けた電磁コイルで、溶湯１２の湯面の周縁部において、鋳型２の壁面に沿って上昇する流れを溶湯１２に生じさせた場合について、流動凝固計算を行った。溶湯プール内での溶湯の流速ベクトルを図３８に示す。溶湯１２の湯面の中央部に向かう流れが生じていることがわかる。また、電磁撹拌を行ったときの溶湯プールを図３９に示す。溶湯１２の湯面の中央部の凝固が回避されていることがわかる。

次に、図１２に示した移動パターンでプラズマトーチ７ａ，７ｂを移動させるとともに、図２８に示すパターンで電磁撹拌を行った場合について、流動凝固計算を行った。ここで、図１２に示す内周部円弧の半径ｒ１を２００ｍｍ、外周部円弧の半径ｒ２を５２５ｍｍとした。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とした。また、各プラズマトーチ７ａ，７ｂの出力は、内周部円弧移動時と外周部円弧移動時とでそれぞれ１０００ｋＷとした。即ち、ここでは傾斜加熱を行っていない。

また、図２８に示すように、鋳型２の周方向に等間隔で設けた４つの電磁コイルで、溶湯１２の湯面の周縁部において、鋳型２の周方向に旋回する流れを溶湯１２の少なくとも湯面に生じさせた。

このときの溶湯プールを図４０に示す。電磁撹拌を行わない場合、図３１に示すように溶湯プールの形状は放物形である。この放物形は、凝固シェルの厚みが鉛直下方向に向かって増加する傾向を示しており、プール底部が狭い形状である。電磁撹拌の印加により、図４０に示すように、溶湯プールの形状は鍋底形に変化した。この鍋底形は、プール底部において凝固界面が径方向外方に膨らんだ形状であり、鋳塊の鋳肌品質を向上させ、成分偏析を低減させるのに望ましい形状である。

（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装置１によると、電磁撹拌によって、溶湯１２の湯面の周縁部において、鋳型２の壁面に平行する流れを溶湯１２の少なくとも湯面に生じさせる。これにより、溶湯１２の湯面の周縁部において、プラズマトーチ７による溶湯１２の湯面への入熱を鋳型２の壁面に沿って拡散させることができる。これにより、溶湯１２の湯面の周縁部が均熱化されるので、入抜熱バランスの変動幅を狭くすることができる。また、電磁撹拌で、プラズマトーチ７による入熱を拡散させることで、溶湯１２の湯面への総入熱量を小さくすることができる。これにより、溶湯プールの中心深さを浅くすることができるので、成分偏析を低減させることができる。よって、鋳肌の状態が良好な丸型インゴット１１を鋳造することができる。

また、電磁撹拌によって、溶湯１２の湯面の周縁部において、鋳型２の周方向に旋回する流れを溶湯１２の少なくとも湯面に生じさせる。これにより、プラズマトーチ７による溶湯１２の湯面の周縁部への入熱を鋳型２の周方向に拡散させることができる。よって、溶湯１２の湯面の周縁部を好適に均熱化することができる。

また、電磁撹拌によって、溶湯１２の湯面の周縁部を通って鋳型２の周方向に旋回し、且つ、互いに逆方向に旋回する一対の流れを溶湯１２の少なくとも湯面に生じさせることで、溶湯１２の湯面の中央部に向かう流れを溶湯１２の少なくとも湯面に生じさせる。これにより、プラズマトーチ７による溶湯１２の湯面の周縁部への入熱を鋳型２の周方向に拡散させるとともに、溶湯１２の湯面の中央部に向かって拡散させることができる。その結果、溶湯１２の湯面の周縁部を好適に均熱化することができる。また、溶湯１２の湯面の中央部付近が温められるので、溶湯１２の湯面の中央部付近が凝固するのを回避することができる。

また、電磁撹拌によって、溶湯１２の湯面の周縁部において、鋳型２の壁面に沿って上昇または下降する流れを溶湯１２に生じさせることで、溶湯１２の湯面の中央部に向かう流れを溶湯１２に生じさせる。これにより、プラズマトーチ７による溶湯１２の湯面の周縁部への入熱を周縁部において拡散させるとともに、溶湯１２の湯面の中央部に向かって拡散させることができる。その結果、溶湯１２の湯面の周縁部を好適に均熱化することができる。また、溶湯１２の湯面の中央部付近が温められるので、溶湯１２の湯面の中央部付近が凝固するのを回避することができる。

（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。

１連続鋳造装置
２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
７，７ａ，７ｂプラズマトーチ
８電磁撹拌装置
９コントローラ
１１丸型インゴット（鋳塊）
１２溶湯
１３凝固シェル
１４エアギャップ
１５初期凝固シェル
１６完全接触領域

Claims

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って、
前記鋳型の上方に設けられ、前記鋳型内の前記溶湯の湯面を加熱するプラズマトーチと、
前記鋳型の側方に設けられ、交流電流による電磁撹拌によって、前記溶湯の少なくとも湯面を撹拌する電磁撹拌装置と、
を有し、
前記電磁撹拌装置により、前記溶湯の湯面の周縁部を通って前記鋳型の周方向に旋回し、且つ、互いに逆方向に旋回する一対の流れを前記溶湯の少なくとも湯面に生じさせることで、前記溶湯の湯面の中央部に向かう流れを前記溶湯の少なくとも湯面に生じ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。
前記電磁撹拌装置により、前記溶湯の湯面の周縁部において、前記鋳型の壁面に沿って上昇または下降する流れを前記溶湯に生じさせることで、前記溶湯の湯面の中央部に向かう流れを前記溶湯に生じ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。