WO2013151061A1 - チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造用の鋳型およびこれを備えた連続鋳造装置 - Google Patents

チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造用の鋳型およびこれを備えた連続鋳造装置 Download PDF

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瑛介 黒澤
中岡　威博
一之 堤
大山　英人
秀豪 金橋
石田　斉
大喜 高橋
大介 松若
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株式会社神戸製鋼所
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    • F27D99/0006—Electric heating elements or system
    • F27D2099/0031—Plasma-torch heating

Definitions

  • the present invention relates to a continuous casting apparatus for an ingot made of titanium or a titanium alloy for continuously casting an ingot made of titanium or a titanium alloy, and a mold used in the apparatus.
  • Ingots are continuously cast by injecting metal melted by vacuum arc melting or electron beam melting into a mold that is not provided with a bottom and pulling it downward while solidifying. .
  • Patent Document 1 discloses a method for producing a rolled titanium or titanium alloy material.
  • a thin slab is cast by continuously casting titanium or a titanium alloy plasma-dissolved in an inert gas atmosphere in the inert gas atmosphere, and this is rolled to produce a strip. By rolling this strip, a rolled titanium or titanium alloy material is obtained.
  • the surface defect of the ingot is caused by the fact that the solidified shell grows too much in the vicinity of the wall surface of the mold and is exposed to the hot water surface, and the hot water cover is generated. Further, it is estimated that the surface defect of the ingot is caused when the solidified shell is torn by the frictional force acting on the interface between the grown solidified shell and the mold when the ingot is pulled out from the mold. Further, it is estimated that the surface defect of the ingot is caused by the molten metal flowing into the gap formed between the solidified shell that has been solidified and contracted and the mold and solidified.
  • the initial solidified shell is melted by slowly cooling the interface between the mold and the molten metal by lowering the heat transfer rate from the molten metal by reducing the contact heat transfer coefficient between the mold and the molten metal.
  • the molten metal is more easily cooled at the corner where the two sides are in contact than at the surface. Therefore, there is a problem that the growth rate of the solidified shell is faster in the corner portion than in the surface portion, and surface defects are likely to occur in the corner portion.
  • the surface portion is a portion sandwiched between two corner portions in the mold.
  • An object of the present invention is to provide titanium or a titanium apparatus capable of casting an ingot with few defects on the surface.
  • the mold for continuous casting of an ingot made of titanium or a titanium alloy in the present invention is used for continuous casting of an ingot made of titanium or a titanium alloy, and a molten metal in which titanium or a titanium alloy is melted is injected into the mold.
  • template is smaller than the heat flux in the four surface parts of a casting_mold
  • the shape of the solidified shell can be made uniform in the mold, it is possible to suppress the occurrence of molten metal insertion due to the covering of the molten metal, the rupture of the solidified shell, and the solidification shrinkage of the solidified shell. Therefore, the ingot with few defects on the surface can be cast.
  • the heat flux indicates the amount of heat per unit area / unit time.
  • the cooling means may have a flow path embedded in each of the four surface portions of the mold and through which a cooling fluid flows.
  • connects a surface part is cooled by the cooling fluid which flows through the flow path respectively embedded at the four surface parts of the casting_mold
  • the heat flux at the four corner portions of the mold is smaller than the heat flux at the four face portions of the mold.
  • the cooling means is a slow cooling layer embedded in four corners of the mold and having a lower thermal conductivity than the mold. You may have.
  • template becomes smaller than the heat flux in the four surface parts of a casting_mold
  • the cooling rate of the molten metal in a corner part and the cooling rate of the molten metal in a surface part can be made uniform.
  • the cooling means is embedded in four corner portions of the mold, respectively, and a first flow path through which a cooling fluid flows,
  • a second flow path that is embedded in each of the four surface portions of the mold and through which the cooling fluid flows, and the distance from the inner peripheral surface of the mold to the first flow path is the distance from the inner peripheral surface of the mold to the first flow path. It may be longer than the distance to the second flow path.
  • connects a corner part is cooled by the cooling fluid which flows through the 1st flow path respectively embed
  • connects a surface part is cooled with the cooling fluid which flows through the 2nd flow path respectively embed
  • the heat flux at the four corners of the mold is It becomes smaller than the heat flux in the four face portions.
  • the first flow path and the second flow path are extended in a horizontal direction, and the cooling means includes the first flow path.
  • a cooling fluid can be made to flow from a 1st flow path to a 2nd flow path by connecting the 1st flow path and the 2nd flow path extended in the horizontal direction with a bypass flow path. . Therefore, the number of entrances / exits of the flow path can be reduced, and the cooling fluid can be easily flowed.
  • the cooling means is located closer to the inner peripheral surface side of the mold than the first flow path at the four corner portions of the mold. It may further have a slow cooling layer that is embedded and has a thermal conductivity lower than that of the mold.
  • template becomes smaller than the heat flux in the four surface parts of a casting_mold
  • the cooling rate of the molten metal in a corner part and the cooling rate of the molten metal in a surface part can be made uniform.
  • An ingot continuous casting apparatus made of titanium or a titanium alloy according to the present invention includes the above mold, a molten metal injection apparatus for injecting the molten metal into the mold, and an ingot in which the molten metal has solidified in the mold. And a drawing device that pulls out below the mold.
  • template becomes smaller than the heat flux in the four surface parts of a casting_mold
  • the heat flux at the four corner portions of the mold is more than the heat flux at the four face portions of the mold. Get smaller.
  • the molten metal cooling rate at the corner portion and the molten metal cooling rate at the surface portion can be made uniform, so that the shape of the solidified shell can be made uniform in the mold, and the casting with few defects on the surface. A lump can be cast.
  • FIG. 1st Embodiment It is a perspective view which shows the continuous casting apparatus of 1st Embodiment. It is sectional drawing which shows the continuous casting apparatus of FIG. (A) (b) (c) (d) is explanatory drawing showing the generation
  • FIG. (A) and (b) are examples of a CC cross-sectional view of the mold of FIG. (A) is a top view which shows the model of a two-dimensional heat-transfer solidification analysis, (b) is an enlarged view of the principal part D of (a).
  • (A)-(f) is a figure which shows the temperature distribution near a corner part.
  • (A)-(f) is a figure which shows solidification interface distribution near a corner part. It is a top view which shows the casting_mold
  • a mold (mold) 2 for continuous casting of an ingot made of titanium or a titanium alloy according to the present embodiment is provided in a continuous casting apparatus (continuous casting apparatus) 1 of an ingot made of titanium or a titanium alloy.
  • the continuous casting apparatus 1 includes a mold 2, a cold hearth (a molten metal injection apparatus) 3, a raw material charging apparatus 4, and a plasma torch 5. And a starting block (drawing device) 6 and a plasma torch 7.
  • the continuous casting apparatus 1 is surrounded by an inert gas atmosphere made of argon gas, helium gas, or the like.
  • Material input device 4 supplies titanium or titanium alloy material such as sponge titanium and scrap into cold hearth 3.
  • the plasma torch 5 is provided above the cold hearth 3 and generates a plasma arc to melt the raw material in the cold hearth 3.
  • the cold hearth 3 injects the molten metal 12 in which the raw material is melted into the mold 2 from the pouring part 3a.
  • the mold 2 is made of copper and has a bottomless rectangular cross section.
  • the casting mold 2 is cooled by water circulating through at least a part of the wall portion forming the four sides.
  • the starting block 6 is moved up and down by a drive unit (not shown) and can close the lower opening of the mold 2.
  • the plasma torch 7 is provided above the mold 2 and heats the surface of the molten metal 12 injected into the mold 2 with a plasma arc.
  • the molten metal 12 injected into the mold 2 solidifies from the contact surface with the water-cooled mold 2. Then, the starting block 6 that has closed the lower opening of the mold 2 is pulled downward at a predetermined speed, whereby the slab 11 in which the molten metal 12 has solidified is continuously cast while being pulled downward.
  • the ingot that is continuously cast is not limited to the slab 11.
  • the upper end of the solidified shell 13 becomes lower than the liquid level of the molten metal 12, so that the molten metal 12 flows onto the solidified shell 13. Then, as shown in FIG. 3 (d), the molten metal 12 flowing onto the solidified shell 13 is solidified to become a solidified shell 13. In this way, a surface defect is generated in the solidified shell 13 and this becomes a surface defect of the slab 11.
  • the solidified shell 13 is deformed in a direction away from the wall surface of the mold 2 by solidifying and shrinking the excessively cooled solidified shell 13.
  • the molten metal 12 flows into a gap formed between the mold 2 and the solidified shell 13.
  • the molten metal 12 that has flowed into the gap is solidified to become a solidified shell 13. In this way, a surface defect is generated in the solidified shell 13 and this becomes a surface defect of the slab 11.
  • the mold 2 is a water-cooled copper mold made of copper and water-cooled.
  • the mold 2 is not limited to copper, and the cooling fluid is not limited to water.
  • FIG. 6 which is a top view, the mold 2 has a rectangular cross-section, and has a short side length L1 and a long side length L2.
  • the mold 2 includes four corner portions 2a and four surface portions 2b.
  • the surface portion 2b is a portion sandwiched between two corner portions 2a, and the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the mold 2 in the surface portion 2b are flat. Note that the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the mold 2 in the surface portion 2b may be slightly curved in consideration of thermal deformation.
  • FIG. 7 which is an enlarged sectional view of the main part A of FIG. 6, the short side of the corner part 2a and the horizontal length a along the long side are longer than the thickness l of the surface part 2b. Longer than half of the short side length L1 (see FIG. 6). That is, the horizontal length a of the corner portion 2a, the thickness l of the surface portion 2b, and the length L1 of the short side of the mold 2 satisfy the relationship of l ⁇ a ⁇ L1 / 2.
  • the vertical length of the mold 2 is 200 to 300 mm.
  • the vertical length of the mold used for continuous casting of steel is 600 mm or more. This is because titanium or a titanium alloy solidifies faster than steel, so there is no need to lengthen the vertical cooling range.
  • the mold 2 includes a cooling unit 21 that makes the heat flux at the four corner portions 2 a smaller than the heat flux at the four surface portions 2 b.
  • the heat flux indicates the amount of heat per unit area / unit time.
  • the cooling means 21 includes a first flow path 22a through which cooling water flows, a second flow path 22b through which cooling water flows, a first flow path 22a, and a second flow path 22b. And a bypass channel 22c that connects the two.
  • the first flow path 22a is embedded in each of the four corner portions 2a of the mold 2 and extends in the horizontal direction.
  • the second flow path 22b is embedded in each of the four surface portions 2b of the mold 2 and extends in the horizontal direction.
  • the bypass passage 22c extends in the horizontal direction.
  • the second flow path 22b is a flow path which is wide in the vertical direction.
  • the mold 2 may be formed from the upper part to the lower part.
  • FIG. 8B which is a BB sectional view of FIG. 6,
  • FIG. 9B which is a CC sectional view of FIG.
  • a plurality may be formed at equal intervals over the lower part.
  • the 2nd flow path 22b is provided in the same height position as the hot_water
  • channel of this inner frame the 2nd flow path 22b may be sufficient.
  • the mold 2 is produced by casting copper together with a material that does not melt in the molten copper, the space formed by removing the material that does not melt in the molten copper is the second flow path 22b. There may be. The same applies to the first flow path 22a and the bypass flow path 22c. As described above, the vertical length of the mold 2 is shorter than the mold for continuous casting of iron or steel.
  • the number of channels and the outlets of one channel and the inlets of the other channels on the outer peripheral surface of the mold 2 are larger than when formed in the vertical direction. It is preferable that the number of pipes connecting the two can be reduced.
  • the distance d1 from the inner peripheral surface of the mold 2 to the first flow path 22a is longer than the distance d2 from the inner peripheral surface of the mold 2 to the second flow path 22b. Therefore, the heat flux at the four corner portions 2 a of the mold 2 is smaller than the heat flux at the four surface portions 2 b of the mold 2.
  • the long side direction is the x-axis direction
  • the short side direction is the y-axis direction
  • the x-axis direction and the y-axis direction end of the corner portion 2a from the origin The distance to is b.
  • the thermal conductivity of copper is ⁇ Cu
  • the water temperature is Tw
  • the surface temperature of the slab 11 is Ts.
  • d 1 ⁇ d 2 ( ⁇ > 1). Therefore, the heat flux at the four corner portions 2 a of the mold 2 is smaller than the heat flux at the four surface portions 2 b of the mold 2.
  • the cooling rate of the molten metal 12 at the corner portion 2a and the molten metal 12 at the surface portion 2b are limited by limiting the ranges of b and ⁇ in which the heat removal amount is the same at the corner portion 2a and the surface portion 2b.
  • the cooling rate can be made uniform.
  • the cooling means 21 has a slow cooling layer 23 embedded in each of the four corner portions 2 a of the mold 2.
  • the slow cooling layer 23 is embedded on the inner peripheral surface side of the mold 2 with respect to the first flow path 22a.
  • the slow cooling layer 23 is an air layer and has a lower thermal conductivity than the copper mold 2. Therefore, the heat flux at the four corner portions 2 a of the mold 2 is smaller than the heat flux at the four surface portions 2 b of the mold 2.
  • the thermal conductivity of copper is ⁇ Cu
  • the thermal conductivity of the slow cooling layer 23 is ⁇ ′
  • the water temperature is Tw
  • the surface temperature of the slab 11 is Ts.
  • the distance from the inner peripheral surface of the mold 2 to the slow cooling layer 23 is d 5 and the thickness of the slow cooling layer 23 is d. 4
  • ⁇ ′ ⁇ Cu the heat flux at the four corner portions 2 a with the slow cooling layer 23 becomes smaller than the heat flux at the four face portions 2 b without the slow cooling layer 23. Therefore, the cooling rate of the molten metal 12 in the corner part 2a and the cooling rate of the molten metal 12 in the surface part 2b can be made uniform.
  • the slow cooling layer 23 is not limited to an air layer, and is a layer made of a metal such as titanium (Ti), tungsten (W), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), etc. having a lower thermal conductivity than copper. Also good.
  • a metal such as titanium (Ti), tungsten (W), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), etc. having a lower thermal conductivity than copper. Also good.
  • FIGS. 10A which is a top view
  • the mold has a long side length of 1500 mm and a short side length of 250 mm, and the temperature of the uniform heating region 31 is constant at 2000 ° C.
  • FIG. 10 (b) which is an enlarged view of the main part D of FIG. 10 (a)
  • the length of the corner portion in the long side direction and the short side direction is d (mm).
  • the external temperature is set to 200 ° C.
  • the temperature distribution in the vicinity of the corner portion was examined for the molds (Cases 1 to 6) having different corner lengths d and ⁇ . Table 1 shows the lengths d and ⁇ of the corners of Cases 1 to 6.
  • FIGS. 11A to 11F show the results.
  • the solidification interface distribution near the corner was examined. 12A to 12F show the results.
  • the heat flux at the four corner portions 2 a of the mold 2 is smaller than the heat flux at the four face portions 2 b of the mold 2.
  • the cooling rate of the molten metal 12 in the corner part 2a and the cooling rate of the molten metal 12 in the surface part 2b can be made uniform.
  • the shape of the solidified shell 13 can be made uniform in the mold 2, it is possible to suppress the occurrence of molten metal insertion caused by the covering of the molten metal, the rupture of the solidified shell 13, and the solidification shrinkage of the solidified shell 13. it can. Therefore, the slab 11 with few defects on the surface can be cast.
  • the molten metal 12 in contact with the corner portion 2a is cooled by the cooling water flowing through the first flow paths 22a embedded in the four corner portions 2a of the mold 2, respectively. Further, the molten metal 12 in contact with the surface portion 2 b is cooled by the cooling water flowing through the second flow paths 22 b embedded in the four surface portions 2 b of the mold 2.
  • the heat flow in the four corner portions 2a of the mold 2 The bundle is smaller than the heat flux at the four surface portions 2 b of the mold 2. Thereby, the cooling rate of the molten metal 12 in the corner part 2a and the cooling rate of the molten metal 12 in the surface part 2b can be made uniform.
  • first flow path 22a and the second flow path 22b extending in the horizontal direction are connected by the bypass flow path 22c, so that the cooling water can flow from the first flow path 22a to the second flow path 22b. . Therefore, the number of entrances / exits of the flow path can be reduced, and the cooling water can be easily flowed.
  • the heat flux at the four corner portions 2 a of the mold 2 becomes smaller than the heat flux at the four face portions 2 b of the mold 2.
  • the cooling rate of the molten metal 12 in the corner part 2a and the cooling rate of the molten metal 12 in the surface part 2b can be made uniform.
  • the cooling means 21 included in the mold 2 includes only the first flow path 22a, the second flow path 22b, and the bypass flow path 22c. Also good. That is, the cooling means 21 may not have the slow cooling layer 23. Even with such a configuration, the heat flux at the four corner portions 2a of the mold 2 can be made smaller than the heat flux at the four surface portions 2b of the mold 2.
  • the cooling means 21 included in the mold 2 may have only the slow cooling layer 23. That is, the cooling means 21 may not have the first flow path 22a, the second flow path 22b, and the bypass flow path 22c. Even with such a configuration, the heat flux at the four corner portions 2a of the mold 2 can be made smaller than the heat flux at the four surface portions 2b of the mold 2.
  • the continuous casting apparatus 201 of the present embodiment is different from the continuous casting apparatus 1 of the first embodiment in that the mold 202 has four heat fluxes at the four corner portions 2a as shown in FIG. It is a point which has the cooling means 221 made smaller than the heat flux in the surface part 2b.
  • the cooling means 221 has a flow path 222 through which cooling water flows.
  • the flow paths 222 are embedded in the four surface portions 2b of the mold 202 and extend in the horizontal direction.
  • the flow path 222 is connected to an introduction path 223 for introducing cooling water into the flow path 222 and a discharge path 224 for discharging cooling water from the flow path 222.
  • the cooling means 221 does not include a flow path at the four corner portions 2a. Therefore, the heat flux at the four corner portions 2 a of the mold 202 is smaller than the heat flux at the four surface portions 2 b of the mold 202. Thereby, the cooling rate of the molten metal 12 in the corner part 2a and the cooling rate of the molten metal 12 in the surface part 2b can be made uniform.
  • cooling means 221 may have the slow cooling layers 23 embedded in the four corner portions 2a as in the first embodiment.
  • the heat flux at the four corner portions 2a of the mold 2 is smaller than the heat flux at the four face portions 2b of the mold 2.
  • the continuous casting apparatus 301 of the present embodiment is different from the continuous casting apparatus 1 of the first embodiment in that the mold 302 has four heat fluxes at the four corner portions 2a as shown in FIG. It is a point which has the cooling means 321 made smaller than the heat flux in the surface part 2b.
  • the cooling means 321 has a first flow path 322a through which cooling water flows and a second flow path 322b through which cooling water flows.
  • the first flow path 322a is embedded in each of the four corner portions 2a of the mold 302 and extends in the horizontal direction.
  • the second flow path 322b is embedded in each of the four surface portions 2b of the mold 302 and extends in the horizontal direction.
  • An introduction path 323 for introducing cooling water into the flow paths 322a and 322b is connected to the flow paths 322a and 322b.
  • a discharge path 324 for discharging cooling water from the flow paths 322a and 322b is connected to the flow paths 322a and 322b.
  • the first flow path 322a and the second flow path 322b are not in communication.
  • the distance d 1 from the inner peripheral surface of the mold 302 to the first flow path 322a is longer than the distance d 2 from the inner circumferential surface of the mold 302 to the second flow path 322b. Therefore, the heat flux at the four corner portions 2 a of the mold 302 is smaller than the heat flux at the four surface portions 2 b of the mold 302. Thereby, the cooling rate of the molten metal 12 in the corner part 2a and the cooling rate of the molten metal 12 in the surface part 2b can be made uniform.
  • the flow rate of the cooling water flowing through the first flow path 322a is made slower than the flow rate of the cooling water flowing through the second flow path 322b.
  • the heat flux in the four corner parts 2a can be made smaller suitably than the heat flux in the four surface parts 2b.
  • the flow rate u of the cooling water is controlled by adjusting the flow path diameter e between the corner portion 2a and the surface portion 2b. be able to.
  • the flow rate u of the cooling water can be controlled by adjusting the flow rate Q between the corner portion 2a and the surface portion 2b.
  • the temperature of the cooling water flowing through the first flow path 322a may be higher than the temperature of the cooling water flowing through the second flow path 322b.
  • cooling means 321 may include the slow cooling layers 23 embedded in the four corner portions 2a, as in the first embodiment.
  • molten_metal surface of the molten metal 12 with the plasma arc from the plasma torch 7 is suitable, it is not limited to this.
  • molten_metal surface of the molten metal 12 by an electron beam, a non-consumable electrode type arc, and high frequency induction heating may be employ

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Abstract

　鋳型２は、４つのコーナー部２ａにおける熱流束を、４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくする冷却手段２１を有している。冷却手段２１は、４つのコーナー部２ａにそれぞれ埋設されて冷却水が流動する第１流路２２ａと、４つの面部２ｂにそれぞれ埋設されて冷却水が流動する第２流路２２ｂと、を有している。鋳型２の内周面から第１流路２２ａまでの距離は、鋳型２の内周面から第２流路２２ｂまでの距離よりも長い。

Description

チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造用の鋳型およびこれを備えた連続鋳造装置
　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、および、当該装置に用いられる鋳型に関する。
　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、底部が設けられていない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。
　また、特許文献１には、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。ここでは、不活性ガス雰囲気中でプラズマ溶解されたチタンまたはチタン合金を、引続き不活性ガス雰囲気中にて連続鋳造すること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する。このストリップを圧延することにより、チタン又はチタン合金圧延材が得られる。
日本国特開平７－１１８７７３号公報
　ところで、チタンまたはチタン合金からなる鋳塊を連続鋳造した際に、鋳造された鋳塊の表面（鋳肌）に凹凸や傷があると、この凹凸や傷が、その後の圧延過程で表面欠陥となる。そのため、圧延する前に鋳塊表面の凹凸や傷を切削等で取り除く必要がある。このことが、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を鋳造することが求められる。
　ここで、鋳塊の表面欠陥は、鋳型の壁面近傍において凝固シェルが成長しすぎて湯面に露出し、湯被りが発生することで生じるものと推測される。また、鋳塊の表面欠陥は、鋳塊を鋳型から引抜く際に、成長した凝固シェルと鋳型との界面に作用する摩擦力で凝固シェルが断裂することで生じるものと推測される。また、鋳塊の表面欠陥は、凝固収縮した凝固シェルと鋳型との間に生じた隙間に溶湯が流れ込んで凝固することで生じるものと推測される。
　鋳型の壁面近傍において凝固シェルの成長を抑制するには、加熱装置の出力を上げて、湯面への入熱量を上昇させ、凝固シェルを再溶融させる必要がある。しかし、湯面近傍では、鋳型からの抜熱が大きく、またチタンは熱伝導率が低い。そのため、初期の凝固シェルを十分に溶解できない可能性がある。ここで、プラズマアーク溶解の場合、断面矩形状の鋳型の２つの辺が接するコーナー部を狙って加熱するのが、電子ビーム溶解に比べて困難である。このことも、壁面近傍の凝固シェルを再溶融できない理由の一つである。
　そこで、鋳型と溶湯との接触熱伝達率を下げて溶湯からの抜熱量を小さくすることにより、鋳型と溶湯との界面を緩冷却して、初期の凝固シェルを溶融させることが考えられる。
　しかしながら、断面矩形状の鋳型においては、２つの辺が接するコーナー部の方が面部よりも溶湯が冷却され易い。そのため、面部よりもコーナー部の方が凝固シェルの成長速度が速く、コーナー部に表面欠陥が生じやすいという問題がある。ここで、面部とは、鋳型において２つのコーナー部で挟まれた部分である。
　本発明の目的は、表面に欠陥が少ない鋳塊を鋳造することが可能なチタンまたはチタン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鋳塊の連続鋳造用の鋳型は、チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造に用いられて、チタンまたはチタン合金を溶融させた溶湯が内部に注入される、底部を有しない断面矩形状の鋳型であって、前記鋳型の４つのコーナー部における熱流束を、前記コーナー部同士で挟まれている４つの面部における熱流束よりも小さくする冷却手段を有していることを特徴とする。
　上記の構成によれば、鋳型の４つのコーナー部における熱流束が、鋳型の４つの面部における熱流束よりも小さいことにより、コーナー部における溶湯の冷却速度と、面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、湯被りや凝固シェルの断裂、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、表面に欠陥が少ない鋳塊を鋳造することができる。ここで、熱流束は、単位面積・単位時間当たりの熱量を示すものである。
　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用の鋳型において、前記冷却手段は、前記鋳型の４つの面部にそれぞれ埋設されて冷却流体が流動する流路を有していてよい。上記の構成によれば、鋳型の４つの面部にそれぞれ埋設された流路を流動する冷却流体により、面部に接する溶湯が冷却される。その一方、鋳型の４つのコーナー部には流路が設けられていないので、鋳型の４つのコーナー部における熱流束は、鋳型の４つの面部における熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部における溶湯の冷却速度と、面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。
　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用の鋳型において、前記冷却手段は、前記鋳型の４つのコーナー部にそれぞれ埋設されて前記鋳型よりも熱伝導率が低い緩冷却層を有していてよい。上記の構成によれば、鋳型の４つのコーナー部にそれぞれ埋設された緩冷却層により、鋳型の４つのコーナー部における熱流束は、鋳型の４つの面部における熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部における溶湯の冷却速度と、面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。
　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用の鋳型において、前記冷却手段は、前記鋳型の４つのコーナー部にそれぞれ埋設されて冷却流体が流動する第１流路と、前記鋳型の４つの面部にそれぞれ埋設されて冷却流体が流動する第２流路と、を有し、前記鋳型の内周面から前記第１流路までの距離は、前記鋳型の内周面から前記第２流路までの距離よりも長くてよい。上記の構成によれば、鋳型の４つのコーナー部にそれぞれ埋設された第１流路を流動する冷却流体により、コーナー部に接する溶湯が冷却される。また、鋳型の４つの面部にそれぞれ埋設された第２流路を流動する冷却流体により、面部に接する溶湯が冷却される。その一方で、鋳型の内周面から第１流路までの距離が、鋳型の内周面から第２流路までの距離よりも長いので、鋳型の４つのコーナー部における熱流束は、鋳型の４つの面部における熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部における溶湯の冷却速度と、面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。
　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用の鋳型において、前記第１流路および前記第２流路は水平方向に延設されており、前記冷却手段は、前記第１流路と前記第２流路とを繋ぐバイパス流路を更に有していてよい。上記の構成によれば、水平方向に延設された第１流路および第２流路をバイパス流路で繋ぐことで、第１流路から第２流路にかけて冷却流体を流動させることができる。よって、流路の出入口の数を減らすことができて、冷却流体を流動させ易くできる。
　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用の鋳型において、前記冷却手段は、前記鋳型の４つのコーナー部において前記第１流路よりも前記鋳型の内周面側にそれぞれ埋設されて前記鋳型よりも熱伝導率が低い緩冷却層を更に有していてよい。上記の構成によれば、鋳型の４つのコーナー部にそれぞれ埋設された緩冷却層により、鋳型の４つのコーナー部における熱流束は、鋳型の４つの面部における熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部における溶湯の冷却速度と、面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。
　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装置は、上記の鋳型と、前記鋳型内に前記溶湯を注入する溶湯注入装置と、前記溶湯が前記鋳型内で凝固した鋳塊を前記鋳型の下方に引抜く引抜装置と、を有することを特徴とする。
　上記の構成によれば、鋳型の４つのコーナー部における熱流束が、鋳型の４つの面部における熱流束よりも小さくなることにより、コーナー部における溶湯の冷却速度と、面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て、表面に欠陥が少ない鋳塊を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鋳塊の連続鋳造用の鋳型、およびこれを備えた連続鋳造装置によると、鋳型の４つのコーナー部における熱流束が、鋳型の４つの面部における熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部における溶湯の冷却速度と、面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から、凝固シェルの形状を鋳型内で均一にすることができて、表面に欠陥が少ない鋳塊を鋳造することができる。
第１実施形態の連続鋳造装置を示す斜視図である。 図１の連続鋳造装置を示す断面図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は表面欠陥の発生メカニズムを表す説明図である。 表面欠陥の他の発生メカニズムを表す説明図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は表面欠陥のさらに他の発生メカニズムを表す説明図である。 図１の鋳型を示す上面図である。 図６の要部Ａの拡大断面図である。 （ａ）（ｂ）は図６の鋳型のＢ－Ｂ断面図の例である。 （ａ）（ｂ）は図６の鋳型のＣ－Ｃ断面図の例である。 （ａ）は２次元伝熱凝固解析のモデルを示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）の要部Ｄの拡大図である。 （ａ）～（ｆ）はコーナー部付近の温度分布を示す図である。 （ａ）～（ｆ）はコーナー部付近の凝固界面分布を示す図である。 第２実施形態の鋳型を示す上面図である。 第３実施形態の鋳型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。
［第１実施形態］
（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用の鋳型（鋳型）２は、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に設けられている。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（溶湯注入装置）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（引抜装置）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、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、コールドハース３内に投入する。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いる。鋳型２は、四辺をなす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、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、連続鋳造される鋳塊はスラブ１１に限定されない。
　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。しかしながら、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点で有利である。
（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この凹凸や傷が表面欠陥となる。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る。このことが、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、鋳型２の壁面近傍において凝固シェルが成長しすぎて湯面に露出し、湯被りが発生することで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（ａ）～（ｄ）を用いて説明する。まず、図３（ａ）に示すように、鋳型２の壁面近傍において凝固シェル１３が成長する。次に、図３（ｂ）に示すように、鋳型２の壁面近傍に溶湯１２が供給されない状態で、引抜きにより凝固シェル１３が下降する。すると、図３（ｃ）に示すように、凝固シェル１３の上端が溶湯１２の液面よりも低くなるので、凝固シェル１３の上に溶湯１２が流れ込む。そして、図３（ｄ）に示すように、凝固シェル１３の上に流れ込んだ溶湯１２が凝固して凝固シェル１３になる。このようにして、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。
　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４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５（ａ）～（ｃ）を用いて説明する。まず、図５（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５（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５（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。このようにして、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。
（鋳型）
　上述したように、鋳型２は、銅製で水冷式の水冷銅鋳型である。なお、鋳型２は銅製に限定されず、冷却流体は水に限定されない。鋳型２は、上面図である図６に示すように、断面長方形状であって、短辺の長さがＬ１で、長辺の長さがＬ２である。鋳型２は、４つのコーナー部２ａと、４つの面部２ｂとからなる。ここで、面部２ｂは、２つのコーナー部２ａで挟まれた部分であり、面部２ｂにおける鋳型２の内周面および外周面は平面である。なお、面部２ｂにおける鋳型２の内周面および外周面は、熱変形を考慮に入れて若干湾曲されていてもよい。
　図６の要部Ａの拡大断面図である図７に示すように、コーナー部２ａの短辺および長辺に沿った水平方向の長さａは、面部２ｂの厚みｌよりも長く、鋳型２の短辺の長さＬ１（図６参照）の半分よりも長い。即ち、コーナー部２ａの水平方向の長さａと、面部２ｂの厚みｌと、鋳型２の短辺の長さＬ１とは、ｌ＜ａ＜Ｌ１／２の関係を満足している。
　なお、鋳型２の垂直方向の長さは２００～３００ｍｍである。これに対して、鋼を連続鋳造するのに使用される鋳型の垂直方向の長さは６００ｍｍ以上である。これは、チタンやチタン合金は鋼に比べて速く凝固するので、垂直方向の冷却範囲を長くする必要がないからである。
　ここで、鋼の連続鋳造においては、２つの辺が接するコーナー部２ａに溶鋼からの熱が集中するので、コーナー部２ａに接する溶鋼の冷却速度が、面部２ｂに接する溶鋼の冷却速度よりも遅くなり、凝固組織が不均一になるという問題が生じる。そこで、鋼の連続鋳造においては、コーナー部２ａにおける冷却能を向上させて、鋳型の表面温度を均一化する必要がある。一方、本実施形態のように、チタンまたはチタン合金の連続鋳造においては、鋼の場合と異なり、２つの辺が接するコーナー部２ａの方が面部２ｂよりも溶湯１２が冷却され易いので、面部２ｂよりもコーナー部２ａの方が凝固シェル１３の成長速度が速い。そのため、図３（ａ）～（ｄ）～図５（ａ）～（ｃ）を用いて説明したメカニズムにより、コーナー部２ａに表面欠陥が生じやすい。そこで、チタンまたはチタン合金の連続鋳造においては、コーナー部２ａにおける冷却能を低減させて、コーナー部２ａに接する溶湯１２の冷却速度を減少させる必要がある。そのため、図６に示すように、鋳型２は、４つのコーナー部２ａにおける熱流束を、４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくする冷却手段２１を有している。ここで、熱流束は、単位面積・単位時間当たりの熱量を示す。
　冷却手段２１は、図６および図７に示すように、冷却水が流動する第１流路２２ａと、冷却水が流動する第２流路２２ｂと、第１流路２２ａと第２流路２２ｂとを繋ぐバイパス流路２２ｃと、を有している。第１流路２２ａは、鋳型２の４つのコーナー部２ａにそれぞれ埋設されて水平方向に延設されている。第２流路２２ｂは、鋳型２の４つの面部２ｂにそれぞれ埋設されて水平方向に延設されている。バイパス流路２２ｃは、水平方向に延設されている。
　第２流路２２ｂは、図６のＢ－Ｂ断面図である図８（ａ）および図６のＣ－Ｃ断面図である図９（ａ）に示すように、上下方向に幅広な流路として鋳型２の上部から下部にわたって形成されていてもよい。または、第２流路２２ｂは、図６のＢ－Ｂ断面図である図８（ｂ）および図６のＣ－Ｃ断面図である図９（ｂ）に示すように、鋳型２の上部から下部にかけて等間隔に複数形成されていてもよい。なお、第２流路２２ｂは、部分的に溶湯１２の湯面と同じ高さ位置に設けられていることが好ましい。そして、外周面に溝が形成された内枠の外周に外枠を嵌めることにより鋳型２を作製する場合には、この内枠の溝を第２流路２２ｂとする構成であってもよい。また、銅の溶湯に溶けない材料とともに銅を鋳込んで鋳型２を作製する場合には、その後、この銅の溶湯に溶けない材料を取り除いてできた空間を第２流路２２ｂとする構成であってもよい。第１流路２２ａおよびバイパス流路２２ｃについても同様である。上述したように、鋳型２の垂直方向の長さは、鉄や鋼の連続鋳造用の鋳型よりも短い。そのため、流路が水平方向に形成される場合には、垂直方向に形成される場合よりも、流路の数や、鋳型２の外周面において一の流路の出口と他の流路の入口とをつなぐ配管の数を少なくすることができて好適である。
　ここで、図７に示すように、鋳型２の内周面から第１流路２２ａまでの距離ｄ１は、鋳型２の内周面から第２流路２２ｂまでの距離ｄ２よりも長い。そのため、鋳型２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束は、鋳型２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくなる。
　具体的には、コーナー部２ａの内周側の角を原点として、長辺方向をｘ軸方向、短辺方向をｙ軸方向とし、原点からコーナー部２ａのｘ軸方向およびｙ軸方向の端までの距離をｂとする。また、銅の熱伝導率をλＣｕ、水温をＴｗ、スラブ１１の表面温度をＴｓとする。このとき、面部２ｂにおけるｘ軸方向およびｙ軸方向の熱流束は、ｑｘ＝－λＣｕ（Ｔｗ－Ｔｓ）／ｄ２、ｑｙ≒０、または、ｑｘ≒０、ｑｙ＝－λＣｕ（Ｔｗ－Ｔｓ）／ｄ２で表わせる。一方、コーナー部２ａにおけるｘ軸方向およびｙ軸方向の熱流束は、ｑｘ＝－λＣｕ（Ｔｗ－Ｔｓ）／αｄ２、ｑｙ＝－λＣｕ（Ｔｗ－Ｔｓ）／αｄ２で表わせる。ここで、ｄ１＝αｄ２（α＞１）である。そのため、鋳型２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束は、鋳型２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくなる。
　また、鋳型２の内周面からバイパス流路２２ｃまでの距離ｄｘは、０≦ｙ≦ｂのときに、ｄｘ＝αｄ２－（α－１）ｄ２ｙ／ｂとなり、ｂ＜ｙのときに、ｄｘ＝ｄ２となる。また、鋳型２の内周面からバイパス流路２２ｃまでの距離ｄｙは、０≦ｘ≦ｂのときに、ｄｙ＝αｄ２－（α－１）ｄ２ｘ／ｂとなり、ｂ＜ｘのときに、ｄｙ＝ｄ２となる。よって、ｘ軸方向の熱流束は、ｑｘ＝－λＣｕ（Ｔｗ－Ｔｓ）／ｄｙとなり、ｙ軸方向の熱流束は、ｑｙ＝－λＣｕ（Ｔｗ－Ｔｓ）／ｄｘとなる。
　そして、伝熱凝固計算によって、コーナー部２ａと面部２ｂとで抜熱量が同程度となるｂ、αの範囲を限定することで、コーナー部２ａにおける溶湯１２の冷却速度と、面部２ｂ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、湯被りや凝固シェル１３の断裂、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。
　また、冷却手段２１は、鋳型２の４つのコーナー部２ａにそれぞれ埋設された緩冷却層２３を有している。この緩冷却層２３は、第１流路２２ａよりも鋳型２の内周面側に埋設されている。この緩冷却層２３は空気層であり、銅製の鋳型２よりも熱伝導率が低い。そのため、鋳型２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束は、鋳型２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくなる。
　具体的には、銅の熱伝導率をλＣｕ、緩冷却層２３の熱伝導率をλ’、水温をＴｗ、スラブ１１の表面温度をＴｓとする。また、コーナー部２ａの内周側の角と外周側の角とをむすぶ直線ｃ上において、鋳型２の内周面から緩冷却層２３までの距離をｄ５、緩冷却層２３の厚みをｄ４、緩冷却層２３から第１流路２２ａまでの距離をｄ３とする。このとき、緩冷却層２３がない場合の熱流束は、ｑ＝－λＣｕ（Ｔｗ－Ｔｓ）／（ｄ３＋ｄ４＋ｄ５）で表わせる。一方、緩冷却層２３がある場合の熱流束は、ｑ’＝－λＣｕ（Ｔｗ－Ｔｓ）／（ｄ３＋λＣｕｄ４／λ’＋ｄ５）で表わせる。ここで、λ’＜λＣｕであるので、ｑ’＜ｑとなる。これにより、緩冷却層２３がある４つのコーナー部２ａにおける熱流束は、緩冷却層２３がない４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくなる。よって、コーナー部２ａにおける溶湯１２の冷却速度と、面部２ｂ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。
　なお、緩冷却層２３は空気層に限定されず、銅よりも熱伝導率が低いチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）などの金属からなる層であってもよい。
（２次元伝熱凝固解析）
　次に、図１０（ａ）（ｂ）に示すモデルを用いて２次元伝熱凝固解析を行った。上面図である図１０（ａ）に示すように、鋳型は、長辺の長さが１５００ｍｍで短辺の長さが２５０ｍｍであり、均一加熱領域３１の温度は２０００℃で一定である。また、図１０（ａ）の要部Ｄの拡大図である図１０（ｂ）に示すように、コーナー部の長辺方向および短辺方向の長さをｄ（ｍｍ）とする。また、面部側外周面３２における接触熱伝達条件として、熱伝達率をｈ＝１５００Ｗ／ｍ２／Ｋ、外部温度を２００℃に設定するとともに、コーナー部側外周面３３における接触熱伝達条件として、熱伝達率をｈ’＝βｈ、外部温度を２００℃に設定した。ここで、β＜１である。そして、コーナー部の長さｄとβとが異なる鋳型（Ｃａｓｅ１～６）について、コーナー部付近の温度分布を調べた。表１はＣａｓｅ１～６のコーナー部の長さｄとβとを示す。図１１（ａ）～（ｆ）はその結果を示す。また、同様にしてコーナー部付近の凝固界面分布を調べた。図１２（ａ）～（ｆ）はその結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図１１（ａ）～（ｃ）、図１２（ａ）～（ｃ）に示すように、Ｃａｓｅ１～３ではコーナー部での冷却能が高すぎて、コーナー部での温度勾配が急になりすぎ、コーナー部において凝固シェルが成長しすぎている。逆に、図１１（ｄ）、（ｅ）、図１２（ｄ）、（ｅ）に示すように、Ｃａｓｅ４，５では、コーナー部での冷却能が低すぎて、コーナー部での温度勾配が緩くなりすぎ、コーナー部において凝固シェルの成長が遅れている。その点、図１１（ｆ）、図１２（ｆ）に示すように、Ｃａｓｅ６では、コーナー部での温度勾配が緩やかで、コーナー部における凝固シェルの成長が好適に抑制されている。このように、コーナー部における凝固シェルの成長を好適に抑制することで、凝固シェルの形状を鋳型内で均一にすることができる。
（効果）
　以上に述べたように、本実施形態に係る鋳型２および連続鋳造装置１によると、鋳型２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束が、鋳型２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部２ａにおける溶湯１２の冷却速度と、面部２ｂ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、湯被りや凝固シェル１３の断裂、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、表面に欠陥が少ないスラブ１１を鋳造することができる。
　また、鋳型２の４つのコーナー部２ａにそれぞれ埋設された第１流路２２ａを流動する冷却水により、コーナー部２ａに接する溶湯１２が冷却される。さらに、鋳型２の４つの面部２ｂにそれぞれ埋設された第２流路２２ｂを流動する冷却水により、面部２ｂに接する溶湯１２が冷却される。このとき、鋳型２の内周面から第１流路２２ａまでの距離が、鋳型２の内周面から第２流路２２ｂまでの距離よりも長いので、鋳型２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束は、鋳型２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部２ａにおける溶湯１２の冷却速度と、面部２ｂ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。
　また、水平方向に延設された第１流路２２ａおよび第２流路２２ｂをバイパス流路２２ｃで繋ぐことで、第１流路２２ａから第２流路２２ｂにかけて冷却水を流動させることができる。よって、流路の出入口の数を減らすことができて、冷却水を流動させ易くできる。
　また、鋳型２の４つのコーナー部２ａにそれぞれ埋設された緩冷却層２３により、鋳型２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束は、鋳型２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部２ａにおける溶湯１２の冷却速度と、面部２ｂ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。
（変形例）
　なお、第１実施形態の鋳型２の第１の変形例として、鋳型２が有する冷却手段２１は、第１流路２２ａ、第２流路２２ｂ、および、バイパス流路２２ｃのみを有していてもよい。即ち、冷却手段２１は、緩冷却層２３を有していなくてもよい。このような構成であっても、鋳型２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束を、鋳型２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくすることができる。
　また、第１実施形態の鋳型２の第２の変形例として、鋳型２が有する冷却手段２１は、緩冷却層２３のみを有していてもよい。即ち、冷却手段２１は、第１流路２２ａ、第２流路２２ｂ、および、バイパス流路２２ｃを有していなくてもよい。このような構成であっても、鋳型２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束を、鋳型２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくすることができる。
［第２実施形態］
（鋳型）
　次に、本発明の第２実施形態に係る連続鋳造装置２０１について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態の連続鋳造装置２０１が第１実施形態の連続鋳造装置１と異なる点は、上面図である図１３に示すように、鋳型２０２が、４つのコーナー部２ａにおける熱流束を、４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくする冷却手段２２１を有している点である。
　冷却手段２２１は、冷却水が流動する流路２２２を有している。流路２２２は、鋳型２０２の４つの面部２ｂにそれぞれ埋設されて水平方向に延設されている。これら流路２２２には、流路２２２内に冷却水を導入する導入路２２３、および、流路２２２内から冷却水を排出する排出路２２４がそれぞれ接続されている。
　このように、冷却手段２２１は、４つのコーナー部２ａに流路を備えていない。そのため、鋳型２０２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束は、鋳型２０２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部２ａにおける溶湯１２の冷却速度と、面部２ｂ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。
　なお、冷却手段２２１は、第１実施形態と同様に、４つのコーナー部２ａにそれぞれ埋設された緩冷却層２３を有していてもよい。
（効果）
　以上に述べたように、本実施形態に係る鋳型２０２および連続鋳造装置２０１によると、鋳型２の４つの面部２ｂにそれぞれ埋設された流路２２２を流動する冷却水により、面部２ｂに接する溶湯１２が冷却される。その一方、鋳型２の４つのコーナー部２ａには流路が設けられていないので、鋳型２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束は、鋳型２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部２ａにおける溶湯１２の冷却速度と、面部２ｂ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。
［第３実施形態］
（鋳型）
　次に、本発明の第３実施形態に係る連続鋳造装置３０１について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態の連続鋳造装置３０１が第１実施形態の連続鋳造装置１と異なる点は、上面図である図１４に示すように、鋳型３０２が、４つのコーナー部２ａにおける熱流束を、４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくする冷却手段３２１を有している点である。
　冷却手段３２１は、冷却水が流動する第１流路３２２ａと、冷却水が流動する第２流路３２２ｂと、を有している。第１流路３２２ａは、鋳型３０２の４つのコーナー部２ａにそれぞれ埋設されて、水平方向に延設されている。第２流路３２２ｂは、鋳型３０２の４つの面部２ｂにそれぞれ埋設されて、水平方向に延設されている。流路３２２ａ，３２２ｂには、流路３２２ａ，３２２ｂ内に冷却水を導入する導入路３２３が接続されている。また、流路３２２ａ，３２２ｂには、流路３２２ａ，３２２ｂ内から冷却水を排出する排出路３２４が接続されている。第１流路３２２ａと第２流路３２２ｂとは連通していない。
　ここで、鋳型３０２の内周面から第１流路３２２ａまでの距離ｄ１は、鋳型３０２の内周面から第２流路３２２ｂまでの距離ｄ２よりも長い。そのため、鋳型３０２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束は、鋳型３０２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部２ａにおける溶湯１２の冷却速度と、面部２ｂ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。
　また、第１流路３２２ａを流れる冷却水の流速は、第２流路３２２ｂを流れる冷却水の流速よりも遅くされている。これにより、４つのコーナー部２ａにおける熱流束を、４つの面部２ｂにおける熱流束よりも好適に小さくすることができる。なお、流路の断面形状が円の場合、冷却水の流速をｕ、流量をＱ、流路断面積をＥ、流路径をｅとすると、ｕ＝Ｑ／Ｅ、Ｅ＝πｅ２／４の関係を満たす。よって、第１流路３２２ａと第２流路３２２ｂとで冷却水の流量Ｑが一定の場合、コーナー部２ａと面部２ｂとで流路径ｅを調整することで、冷却水の流速ｕを制御することができる。また、第１流路３２２ａと第２流路３２２ｂとで流路径ｅが同じ場合、コーナー部２ａと面部２ｂとで流量Ｑを調整することで、冷却水の流速ｕを制御することができる。また、第１流路３２２ａを流れる冷却水の温度が、第２流路３２２ｂを流れる冷却水の温度よりも高くされていてもよい。
　なお、冷却手段３２１は、第１実施形態と同様に、４つのコーナー部２ａにそれぞれ埋設された緩冷却層２３を有していてもよい。
（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い。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、これに限定されない。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が採用されてもよい。
　また、第１実施形態の第１流路２２ａ、第２流路２２ｂ、バイパス流路２２ｃ、第２実施形態の流路２２２、および、第３実施形態の第１流路３２２ａ、第２流路３２２ｂは、いずれも水平方向に延設されているが、上下方向に延設されていてもよい。
　本出願は２０１２年４月２日出願の日本特許出願（特願２０１２－０８３６８３）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
１，２０１，３０１　連続鋳造装置
２，２０２，３０２　鋳型
２ａ　コーナー部
２ｂ　面部
３　コールドハース（溶湯注入装置）
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（引抜装置）
７　プラズマトーチ
１１　スラブ
１２　溶湯
１３　凝固シェル
２１，２２１，３２１　冷却手段
２２ａ，３２２ａ　第１流路
２２ｂ，３２２ｂ　第２流路
２２ｃ　バイパス流路
２３　緩冷却層
３１　均一加熱領域
３２　面部側外周面
３３　コーナー部側外周面
２２２　流路
２２３，３２３　導入路
２２４，３２４　排出路

Claims (7)

  1. 　チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造に用いられて、チタンまたはチタン合金を溶融させた溶湯が内部に注入される、底部を有しない断面矩形状の鋳型であって、
    　前記鋳型の４つのコーナー部における熱流束を、前記コーナー部同士で挟まれている４つの面部における熱流束よりも小さくする冷却手段を有してい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用の鋳型。
  2. 　前記冷却手段は、前記鋳型の４つの面部にそれぞれ埋設されて冷却流体が流動する流路を有してい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用の鋳型。
  3. 　前記冷却手段は、前記鋳型の４つのコーナー部にそれぞれ埋設されて前記鋳型よりも熱伝導率が低い緩冷却層を有してい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用の鋳型。
  4. 　前記冷却手段は、
    　前記鋳型の４つのコーナー部にそれぞれ埋設されて冷却流体が流動する第１流路と、
    　前記鋳型の４つの面部にそれぞれ埋設されて冷却流体が流動する第２流路と、
    を有し、
    　前記鋳型の内周面から前記第１流路までの距離は、前記鋳型の内周面から前記第２流路までの距離よりも長い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用の鋳型。
  5. 　前記第１流路および前記第２流路は、水平方向に延設されており、
    　前記冷却手段は、前記第１流路と前記第２流路とを繋ぐバイパス流路を更に有していることを特徴とする請求項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用の鋳型。
  6. 　前記冷却手段は、前記鋳型の４つのコーナー部において前記第１流路よりも前記鋳型の内周面側にそれぞれ埋設されて前記鋳型よりも熱伝導率が低い緩冷却層を更に有していることを特徴とする請求項４又は５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用の鋳型。
  7. 　請求項１に記載の鋳型と、
    　前記鋳型内に前記溶湯を注入する溶湯注入装置と、
    　前記溶湯が前記鋳型内で凝固した鋳塊を前記鋳型の下方に引抜く引抜装置と、
    を有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装置。
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