WO2014115824A1 - 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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titanium
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中岡　威博
瑛介 黒澤
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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    • B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould

Definitions

  • the present invention relates to a continuous casting method for an ingot made of titanium or a titanium alloy, in which an ingot made of titanium or a titanium alloy is continuously cast.
  • An ingot is continuously cast by injecting a metal melted by vacuum arc melting or electron beam melting into a bottomless mold and drawing it downward while solidifying it.
  • Patent Document 1 discloses an automatic control plasma melting casting method in which titanium or a titanium alloy is melted by plasma arc melting in an inert gas atmosphere and injected into a mold to be solidified.
  • plasma arc melting performed in an inert gas atmosphere unlike electron beam melting performed in a vacuum, not only pure titanium but also a titanium alloy can be cast.
  • the plasma torch is moved horizontally along a predetermined course in order to heat the entire surface of the molten metal. Then, the quality of the casting surface is improved over the entire ingot by optimizing the output, moving position, speed, and mold heat removal of the plasma torch on the molten metal surface.
  • the operation operator has monitored the situation in the mold and manually performed operations such as switching the movement pattern of the plasma torch, but detection and response are delayed or overlooked. there is a possibility.
  • An object of the present invention is to provide a continuous casting method of an ingot made of titanium or a titanium alloy capable of casting an ingot having a good casting surface state.
  • a continuous casting method of an ingot made of titanium or a titanium alloy is obtained by injecting a molten metal in which titanium or a titanium alloy is melted into a bottomless mold and pulling it downward while solidifying the titanium or titanium alloy.
  • a continuous casting method for continuously casting an ingot comprising: a plasma arc from the plasma torch while the plasma torch is horizontally moved on the molten metal surface in the mold.
  • the amount of heat input per unit area from the plasma torch to the molten metal surface is controlled based on the temperature of the mold measured by the temperature sensor and the target temperature preset for each temperature sensor.
  • the heat input / extraction state near the molten metal surface can be controlled appropriately. Thereby, the ingot with a favorable state of a casting surface can be cast.
  • the heat input control step when the temperature of the mold measured by any one of the temperature sensors is lower than the target temperature, When the plasma torch approaches the location where the temperature sensor is installed, the output of the plasma torch is increased, and when the temperature of the mold measured by any of the temperature sensors is higher than the target temperature, the temperature The output of the plasma torch may be reduced when the plasma torch approaches a sensor installation location. According to the above configuration, by changing the output of the plasma torch in real time based on the temperature measurement value and the target temperature of the temperature sensor, it is possible to appropriately control the heat input / extraction state in the vicinity of the molten metal surface. .
  • the plasma torch output correction amount is added to a reference plasma torch output pattern which is a standard output pattern of the plasma torch, thereby correcting the output of the plasma torch. Good.
  • the output of the plasma torch can be changed in real time based on the temperature measurement value of the temperature sensor and the target temperature.
  • the heat input per unit area from the plasma torch to the molten metal surface is changed in real time based on the temperature measurement value of the temperature sensor and the target temperature.
  • the heat input / extraction state in the vicinity of the molten metal surface can be appropriately controlled.
  • the ingot with a favorable state of a casting surface can be cast.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a continuous casting apparatus.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a continuous casting apparatus.
  • FIG. 3A is an explanatory diagram showing a generation mechanism of surface defects.
  • FIG. 3B is an explanatory diagram illustrating a generation mechanism of surface defects.
  • FIG. 4 is a model view of the mold as viewed from the measuring method.
  • FIG. 5 is a model view of the mold as seen from above.
  • FIG. 6A is a graph showing a method for calculating the corrected plasma torch output, and shows the actually measured temperature and the target temperature.
  • FIG. 6B is a graph showing a method for calculating the corrected plasma torch output and shows a reference plasma torch output pattern.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a continuous casting apparatus.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a continuous casting apparatus.
  • FIG. 3A is an explanatory diagram showing a generation mechanism of surface defects.
  • FIG. 3B is an explanatory diagram
  • FIG. 6C is a graph showing a method for calculating the corrected plasma torch output, and shows the plasma torch output correction amount.
  • FIG. 6D is a graph showing the plasma torch output calculation method after correction, and shows the plasma torch output.
  • FIG. 7A is a graph showing a method for calculating the plasma torch output correction amount, and shows the plasma torch output correction value.
  • FIG. 7B is a graph showing a method for calculating the plasma torch output correction amount, and shows correction coefficients.
  • FIG. 7C is a graph showing a method for calculating the plasma torch output correction amount, and shows the plasma torch output correction amount.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a continuous casting apparatus different from FIG.
  • an ingot continuous casting apparatus 1 made of titanium or a titanium alloy for performing this continuous casting method includes a mold 2, a cold hearth 3, , A raw material charging device 4, a plasma torch 5, a starting block 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.
  • the raw material input device 4 inputs the raw material of titanium or titanium alloy such as sponge titanium and scrap into the 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 casting mold 2 is made of copper, has a bottom and has a rectangular cross-sectional shape, and is cooled by water circulating through at least a part of the rectangular tube-shaped wall portion.
  • the starting block 6 can be moved up and down by a drive unit (not shown) to close the lower opening of the mold 2.
  • the plasma torch 7 is provided above the molten metal 12 in the mold 2.
  • the plasma torch 7 plasmas the molten metal 12 injected into the mold 2 while being horizontally moved on the molten metal 12 by moving means (not shown). Heat with an arc.
  • the molten metal 12 injected into the mold 2 solidifies from the contact surface with the water-cooled mold 2. Then, by pulling down the starting block 6 that has closed the lower opening of the mold 2 at a predetermined speed, a prismatic ingot (slab) 11 in which the molten metal 12 has solidified is drawn downward. While continuously cast.
  • the continuous casting apparatus 1 may have a flux feeding apparatus that feeds a solid phase or liquid phase flux to the molten metal surface of the molten metal 12 in the mold 2.
  • a flux feeding apparatus that feeds a solid phase or liquid phase flux to the molten metal surface of the molten metal 12 in the mold 2.
  • plasma arc melting in an inert gas atmosphere has the advantage that the flux can be charged into the molten metal 12 in the mold 2.
  • a “tearing defect” occurs in which the surface of the shell 13 is torn off.
  • the molten metal 12 is covered on the grown (thickened) solidified shell 13 to generate a “hot water covering defect”. Therefore, it is estimated that the heat input / extraction state to the initial solidification portion 15 in the vicinity of the molten metal surface of the molten metal 12 has a great influence on the properties of the casting surface, and the heat input / exhaust state in the vicinity of the molten metal surface of the molten metal 12 is appropriately controlled. It is considered that an ingot 11 having a good casting surface can be obtained.
  • FIG. 4 which is a model view of the mold 2 as viewed from the measuring method
  • FIG. 5 which is a model view of the mold 2 as viewed from above
  • a plurality of locations of the mold 2 along the circumferential direction of the mold 2 Is provided with a thermocouple (temperature sensor) 21.
  • thermocouple 21 temperature sensor
  • the plasma torch 7 horizontally moved on the surface of the molten metal 12 based on the temperature of the mold 2 measured by each thermocouple 21 and the target temperature preset for each thermocouple 21.
  • the output is controlled.
  • the output of the plasma torch 7 is kept constant, the distance between the plasma torch 7 and the molten metal 12 is changed, or the flow rate of the plasma gas is changed to change the flow rate of the plasma torch 7 to the molten metal 12.
  • the amount of heat input per unit area may be controlled.
  • the means for measuring the temperature of the mold 2 is not limited to the thermocouple 21 and may be an optical fiber or the like.
  • the temperature of the mold 2 measured by each thermocouple 21 is input to the control device 22.
  • a target temperature value and a plasma torch output correction amount set in advance for each thermocouple 21 are input to the control device 22.
  • the control device 22 outputs a plasma torch output control signal based on the temperature of the mold 2 and the target temperature measured by each thermocouple 21 to the plasma torch 7.
  • the control device 22 causes the plasma when the plasma torch 7 approaches the place where the thermocouple 21 is installed.
  • the output of the plasma torch 7 is controlled so as to increase the output of the torch 7.
  • the control device 22 detects the plasma torch 7 when the plasma torch 7 approaches the place where the thermocouple 21 is installed.
  • the output of the plasma torch 7 is controlled so as to reduce the output.
  • the amount of heat input per unit area from the plasma torch 7 to the molten metal surface of the molten metal 12 is changed in real time based on the measured temperature value and the target temperature of the thermocouple 21, so that the vicinity of the molten metal surface of the molten metal 12.
  • the heat input / extraction state can be appropriately controlled. Thereby, the ingot 11 with a favorable state of a casting surface can be cast.
  • the heat input / extraction state near the molten metal surface of the molten metal 12 can be appropriately controlled.
  • a reference plasma torch output pattern PA (L) [W], which is a reference output pattern of the plasma torch 7 capable of casting the ingot 11 having a good casting surface state. Determine in advance.
  • PA (L) is an output value of the plasma torch 7 at a position L [m] in the moving path of the plasma torch 7.
  • the target temperature Ta (i) [° C.] of the mold 2 at each side temperature position i is determined in advance by past operation results, simulations, or the like. Specifically, when casting using the reference plasma torch output pattern PA (L), the temperature at which the surface quality is measured or the temperature at which the surface quality is predicted to be good. Is used as the target temperature Ta (i).
  • the target temperature Ta (i) may be an actually measured value or a calculated value by simulation. Further, based on ⁇ T (i), which is the difference between the actual temperature Tm (i) [° C.] measured by the thermocouple 21 and the target temperature Ta (i) of the mold 2, the plasma torch output correction amount ⁇ P (L, ⁇ T (i )) Obtain [W] in advance.
  • ⁇ T (i) Tm (i) ⁇ Ta (i).
  • thermocouples 21 are provided at each of the center of the long side of the mold 2 and the center of the short side of the mold 2.
  • positions of these thermocouples 21 are defined as positions (1) to (4), respectively.
  • FIG. 6A shows the measured temperature Tm (i) and the target temperature Ta (i) of the thermocouples 21 installed at the positions (1) to (4), respectively.
  • FIG. 6B shows the reference plasma torch output pattern PA (L) at the torch positions A to D.
  • the plasma torch output correction amount ⁇ P (L, ⁇ T (i)) is obtained from the difference ⁇ T (i) between the measured temperature Tm (i) and the target temperature Ta (i).
  • FIG. 6C shows the plasma torch output correction amount ⁇ P (L, ⁇ T (i)) at the torch positions A to D.
  • the corrected plasma torch output P (L) is obtained by adding the plasma torch output correction amount ⁇ P (L, ⁇ T (i)) to the reference plasma torch output pattern PA (L).
  • FIG. 6D shows the corrected plasma torch output P (L) at the torch positions AD.
  • the output of the plasma torch 7 is corrected by adding the plasma torch output correction amount ⁇ P (L, ⁇ T (i)) to the reference plasma torch output pattern PA (L).
  • the output of the plasma torch 7 can be changed in real time based on the temperature measurement value of the thermocouple 21 and the target temperature.
  • the plasma torch output correction amount ⁇ P (L, ⁇ T (i)) is obtained by the following equation 2.
  • N is the number of temperature measurement points
  • ⁇ Pu (L, i) [W / ° C.] is the plasma torch output correction value when the measured temperature in the i-th thermocouple 21 deviates from the target temperature by unit temperature
  • fd ( [Delta] T) [[deg.] C./[deg.] C.] is a correction coefficient based on the amount of deviation from the temperature measurement value.
  • FIG. 7A shows the plasma torch output correction value ⁇ Pu (L, i).
  • FIG. 7B shows the correction coefficient fd ( ⁇ T).
  • FIG. 7C shows the plasma torch output correction value ⁇ P (L, ⁇ T (i)) obtained by the plasma torch output correction value ⁇ Pu (L, i) and the correction coefficient fd (Tm (i) ⁇ Ta (i)). Show.
  • thermocouple 21 As described above, according to the continuous casting method of the ingot 11 made of titanium or titanium alloy according to this embodiment, the temperature of the mold 2 measured by the thermocouple 21 and the target set in advance for each thermocouple 21. Based on the temperature, the amount of heat input per unit area from the plasma torch 7 to the surface of the molten metal 12 is controlled. For example, the amount of heat input per unit area from the plasma torch 7 to the molten metal surface of the molten metal 12 is increased or decreased so that the temperature measurement value of the thermocouple 21 becomes the target temperature.
  • the amount of heat input per unit area from the plasma torch 7 to the molten metal surface of the molten metal 12 is changed in real time based on the measured temperature value and the target temperature of the thermocouple 21, so that the vicinity of the molten metal surface of the molten metal 12.
  • the heat input / extraction state can be appropriately controlled. Thereby, the ingot 11 with a favorable state of a casting surface can be cast.
  • the output of the plasma torch 7 is increased when the plasma torch 7 approaches the place where the thermocouple 21 is installed.
  • the output of the plasma torch 7 is reduced when the plasma torch 7 approaches the place where the thermocouple 21 is installed. In this way, by changing the output of the plasma torch 7 in real time based on the temperature measurement value of the thermocouple 21, the heat input / extraction state in the vicinity of the molten metal surface of the molten metal 12 can be appropriately controlled.
  • the output of the plasma torch 7 is corrected by adding the plasma torch output correction amount to the reference plasma torch output pattern. Thereby, based on the temperature measurement value of the thermocouple 21, the output of the plasma torch 7 can be changed in real time.
  • the continuous casting apparatus 201 which implements the continuous casting method of this embodiment may continuously cast the cylindrical ingot 211 using the mold 202 having a circular cross section, as shown in FIG.

Abstract

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き抜く連続鋳造法において、プラズマトーチ７を鋳型２内の溶湯の湯面上で水平移動させながら湯面を加熱し、鋳型２の周方向に沿って複数箇所に熱電対２１を設け、いずれかの熱電対２１で測定された鋳型２の温度が目標温度より低い場合には、その熱電対２１の設置箇所にプラズマトーチ７が近接した際にプラズマトーチ７の出力を増加させ、目標温度より高い場合には、その熱電対２１の設置箇所にプラズマトーチ７が近接した際にプラズマトーチ７の出力を低下させることにより、鋳肌の状態が良好な鋳塊を鋳造することができる。

Description

チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造方法
　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。
日本国特許第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、プラズマアーク溶解により大型の鋳塊を連続鋳造する場合には、溶湯の湯面全体を加熱するためにプラズマトーチを所定のコースで水平移動させている。そして、湯面におけるプラズマトーチの出力や移動位置、速度、鋳型抜熱を適正化することで、鋳塊の全域にわたって鋳肌の品質を向上させるようにしている。
　しかし、鋳型内に注入される溶湯の温度変動や、鋳型への接触状態の変化など、操業条件の突発的な変化により、局所的に入抜熱のバランスが変化し、鋳肌の品質が悪化することがある。
　また、温度条件が大きく変わった場合に当該変化の発見が遅れると、低温時には鋳塊の凝固により引抜きができなくなったり、高温時には凝固シェルが破れて湯漏れが発生したりするなど、操業トラブルになる場合がある。
　そこで、従来、操業オペレータが鋳型内の状況を監視して、手動でプラズマトーチの移動パターンを切り替える等の操作を行って対応していたが、検知や対応が遅れたり、見逃しが発生したりする可能性がある。
　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により、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、プラズマトーチを前記鋳型内の前記溶湯の湯面上で水平移動させながら、前記プラズマトーチからのプラズマアークで前記溶湯の湯面を加熱する加熱工程と、前記鋳型の周方向に沿って前記鋳型の複数箇所に設けられた温度センサで前記鋳型の温度をそれぞれ測定する測温工程と、前記温度センサで測定された前記鋳型の温度と、前記温度センサ毎に予め設定された目標温度とに基づいて、前記プラズマトーチから前記溶湯の湯面への単位面積当たりの入熱量を制御する入熱量制御工程と、を有することを特徴とする。
　上記の構成によれば、温度センサで測定した鋳型の温度と、温度センサ毎に予め設定された目標温度とに基づいて、プラズマトーチから溶湯の湯面への単位面積当たりの入熱量が制御される。例えば、温度センサの測温値が目標温度になるように、プラズマトーチから溶湯の湯面への単位面積当たりの入熱量を増減させる。このように、温度センサの測温値と目標温度とに基づいてプラズマトーチから溶湯の湯面への単位面積当たりの入熱量をリアルタイムで変化させることで、溶湯の湯面近傍の入抜熱状態を適切に制御することができる。これにより、鋳肌の状態が良好な鋳塊を鋳造することができる。
　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、前記入熱量制御工程では、いずれかの前記温度センサで測定した前記鋳型の温度が前記目標温度よりも低い場合には、その温度センサの設置個所に前記プラズマトーチが接近した際に前記プラズマトーチの出力を増加させ、いずれかの前記温度センサで測定した前記鋳型の温度が前記目標温度よりも高い場合には、その温度センサの設置個所に前記プラズマトーチが接近した際に前記プラズマトーチの出力を低下させてよい。上記の構成によれば、温度センサの測温値と目標温度とに基づいてプラズマトーチの出力をリアルタイムで変化させることで、溶湯の湯面近傍の入抜熱状態を適切に制御することができる。
　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、前記温度センサで測定した前記鋳型の温度と前記目標温度との差に基づいてプラズマトーチ出力補正量を算出する算出工程を更に有し、前記入熱量制御工程では、前記プラズマトーチの基準的な出力パターンである基準プラズマトーチ出力パターンに前記プラズマトーチ出力補正量を足し合わせることで、前記プラズマトーチの出力を補正してよい。上記の構成によれば、温度センサの測温値と目標温度とに基づいてプラズマトーチの出力をリアルタイムで変化させることができる。
　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方法によると、温度センサの測温値と目標温度とに基づいてプラズマトーチから溶湯の湯面への単位面積当たりの入熱量をリアルタイムで変化させることで、溶湯の湯面近傍の入抜熱状態を適切に制御することができる。これにより、鋳肌の状態が良好な鋳塊を鋳造することができる。
図１は連続鋳造装置を示す斜視図である。 図２は連続鋳造装置を示す断面図である。 図３Ａは表面欠陥の発生メカニズムを表す説明図である。 図３Ｂは表面欠陥の発生メカニズムを表す説明図である。 図４は鋳型を測方から見たモデル図である。 図５は鋳型を上方から見たモデル図である。 図６Ａは補正後のプラズマトーチ出力の算出方法を表わすグラフ図であって、実測温度および目標温度を示す。 図６Ｂは補正後のプラズマトーチ出力の算出方法を表わすグラフ図であって、基準プラズマトーチ出力パターンを示す。 図６Ｃは補正後のプラズマトーチ出力の算出方法を表わすグラフ図であって、プラズマトーチ出力補正量を示す。 図６Ｄは補正後のプラズマトーチ出力の算出方法を表わすグラフ図であって、プラズマトーチ出力を示す。 図７Ａはプラズマトーチ出力補正量の算出方法を表わすグラフ図であって、プラズマトーチ出力補正値を示す。 図７Ｂはプラズマトーチ出力補正量の算出方法を表わすグラフ図であって、補正係数を示す。 図７Ｃはプラズマトーチ出力補正量の算出方法を表わすグラフ図であって、プラズマトーチ出力補正量を示す。 図８は、図１とは異なる連続鋳造装置を示す斜視図である。
　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方法では、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。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、無底で断面形状が矩形に形成されており、角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、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。
　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が凝固した角柱状の鋳塊（スラブ）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、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。このような鋳塊１１表面の凹凸や傷は、圧延する前に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に起因して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３Ａ、図３Ｂ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いる。この接触領域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３Ａ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、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３Ｂ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、鋳型２を測方から見たモデル図である図４、および、鋳型２を上方から見たモデル図である図５に示すように、鋳型２の周方向に沿って鋳型２の複数箇所に熱電対（温度センサ）２１を設ける。そして、各熱電対２１が測定した鋳型２の温度と、熱電対２１毎に予め設定された目標温度とに基づいて、プラズマトーチ７から溶湯１２の湯面への単位面積当たりの入熱量を制御するようにしている。本実施形態においては、各熱電対２１で測定された鋳型２の温度と、熱電対２１毎に予め設定された目標温度とに基づいて、溶湯１２の湯面上で水平移動されるプラズマトーチ７の出力を制御するようにしている。なお、プラズマトーチ７の出力を一定とし、プラズマトーチ７と溶湯１２の湯面との距離を変化させたり、プラズマガスの流量を変化させたりすることで、プラズマトーチ７から溶湯１２の湯面への単位面積当たりの入熱量を制御するようにしてもよい。また、鋳型２の温度を計測する手段は、熱電対２１に限定されず、光ファイバー等であってもよい。
　具体的には、各熱電対２１が測定した鋳型２の温度は、制御装置２２に入力される。制御装置２２には、熱電対２１毎に予め設定された目標温度値およびプラズマトーチ出力補正量が入力されている。そして、制御装置２２は、各熱電対２１が測定した鋳型２の温度と目標温度とに基づいたプラズマトーチ出力制御信号を、プラズマトーチ７に出力する。このようにして、制御装置２２は、いずれかの熱電対２１で測定した鋳型２の温度が目標温度よりも低い場合には、その熱電対２１の設置個所にプラズマトーチ７が接近した際にプラズマトーチ７の出力を増加させるように、プラズマトーチ７の出力を制御する。また、制御装置２２は、いずれかの熱電対２１で測定した鋳型２の温度が目標温度よりも高い場合には、その熱電対２１の設置個所にプラズマトーチ７が接近した際にプラズマトーチ７の出力を低下させるように、プラズマトーチ７の出力を制御する。
　このように、熱電対２１の測温値と目標温度とに基づいてプラズマトーチ７から溶湯１２の湯面への単位面積当たりの入熱量をリアルタイムで変化させることで、溶湯１２の湯面近傍の入抜熱状態を適切に制御することができる。これにより、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、熱電対２１の測温値と目標温度とに基づいてプラズマトーチ７の出力をリアルタイムで変化させることで、溶湯１２の湯面近傍の入抜熱状態を適切に制御することができる。
　プラズマトーチ７の制御にあたっては、まず、鋳肌の状態が良好な鋳塊１１を鋳造することが可能なプラズマトーチ７の基準的な出力パターンである基準プラズマトーチ出力パターンＰＡ（Ｌ）［Ｗ］を事前に決めておく。ＰＡ（Ｌ）は、プラズマトーチ７の移動経路における位置Ｌ［ｍ］でのプラズマトーチ７の出力値である。さらに、各側温位置ｉでの鋳型２の目標温度Ｔａ（ｉ）［℃］を、過去の操業実績やシミュレーション等により事前に決めておく。具体的には、基準プラズマトーチ出力パターンＰＡ（Ｌ）を用いて鋳造したときにおいて、表面品質が良好であると測定された温度、または、表面品質が良好であると予測される時点での温度を、目標温度Ｔａ（ｉ）として用いる。目標温度Ｔａ（ｉ）は、実測値でもシミュレーションによる計算値でもよい。さらに、熱電対２１による実測温度Ｔｍ（ｉ）［℃］と鋳型２の目標温度Ｔａ（ｉ）との差であるΔＴ（ｉ）に基づいて、プラズマトーチ出力補正量ΔＰ（Ｌ，ΔＴ（ｉ））［Ｗ］を事前に求めておく。ここで、ΔＴ（ｉ）＝Ｔｍ（ｉ）－Ｔａ（ｉ）である。
　そして、連続鋳造中にリアルタイムで鋳型２の実測温度Ｔｍ（ｉ）を計測する。そして、プラズマトーチ出力Ｐ（Ｌ）［Ｗ］を、下記の式１に従って制御する。
　Ｐ（Ｌ）＝ＰＡ（Ｌ）＋ΔＰ（Ｌ，Ｔｍ（ｉ）－Ｔａ（ｉ））・・・（式１）
　上記の出力調整を指定時間間隔毎に実行する。
　より具体的には、図５に示すように、プラズマトーチ７の移動軌道２３における角部に、トーチ位置Ａ～Ｄをそれぞれ設ける。また、鋳型２の長辺の中央、および、鋳型２の短辺の中央のそれぞれに、熱電対２１を設ける。以後、これらの熱電対２１の位置をそれぞれ位置（１）～（４）とする。
　図６Ａは、位置（１）～（４）にそれぞれ設置された熱電対２１の実測温度Ｔｍ（ｉ）と、目標温度Ｔａ（ｉ）とを示す。また、図６Ｂは、トーチ位置Ａ～Ｄにおける基準プラズマトーチ出力パターンＰＡ（Ｌ）を示す。
　図６Ａにおいて、実測温度Ｔｍ（ｉ）と目標温度Ｔａ（ｉ）との差ΔＴ（ｉ）から、プラズマトーチ出力補正量ΔＰ（Ｌ，ΔＴ（ｉ））が求められる。図６Ｃは、トーチ位置Ａ～Ｄにおけるプラズマトーチ出力補正量ΔＰ（Ｌ，ΔＴ（ｉ））を示す。そして、基準プラズマトーチ出力パターンＰＡ（Ｌ）にプラズマトーチ出力補正量ΔＰ（Ｌ，ΔＴ（ｉ））を足し合わせることで、補正後のプラズマトーチ出力Ｐ（Ｌ）を求める。図６Ｄは、トーチ位置Ａ～Ｄにおける補正後のプラズマトーチ出力Ｐ（Ｌ）を示す。
　このように、基準プラズマトーチ出力パターンＰＡ（Ｌ）に、プラズマトーチ出力補正量ΔＰ（Ｌ，ΔＴ（ｉ））を足し合わせることで、プラズマトーチ７の出力を補正する。これにより、熱電対２１の測温値と目標温度とに基づいてプラズマトーチ７の出力をリアルタイムで変化させることができる。
　なお、プラズマトーチ出力補正量ΔＰ（Ｌ，ΔＴ（ｉ））は、以下の式２により求められる。
　ΔＰ（Ｌ，ΔＴ（ｉ））＝Σ（ｉ＝１，Ｎ）（ΔＰｕ（Ｌ，ｉ）×ｆｄ（Ｔｍ（ｉ）－Ｔａ（ｉ）））・・・（式２）
　ここで、Ｎは温度の測温点数、ΔＰｕ（Ｌ，ｉ）［Ｗ／℃］はｉ番目の熱電対２１における実測温度が目標温度から単位温度ずれたときのプラズマトーチ出力補正値、ｆｄ（ΔＴ）［℃／℃］は、測温値とのずれ量による補正係数である。
　図７Ａは、プラズマトーチ出力補正値ΔＰｕ（Ｌ，ｉ）を示す。また、図７Ｂは、補正係数ｆｄ（ΔＴ）を示す。ここで、目標温度と実測温度との差が非常に大きくなる場合には、凝固異常により操業トラブルが発生する可能性がある。そこで、目標温度と実測温度との差が予め設けた閾値を超える場合には、オペレータにアラームを出力したり、引抜き速度を低下させたり、鋳造中止等を行ってもよい。また、図７Ｃは、プラズマトーチ出力補正値ΔＰｕ（Ｌ，ｉ）と補正係数ｆｄ（Ｔｍ（ｉ）－Ｔａ（ｉ））で求められるプラズマトーチ出力補正量ΔＰ（Ｌ，ΔＴ（ｉ））を示す。
（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１１の連続鋳造方法によると、熱電対２１で測定した鋳型２の温度と、熱電対２１毎に予め設定された目標温度とに基づいて、プラズマトーチ７から溶湯１２の湯面への単位面積当たりの入熱量が制御される。例えば、熱電対２１の測温値が目標温度になるように、プラズマトーチ７から溶湯１２の湯面への単位面積当たりの入熱量を増減させる。このように、熱電対２１の測温値と目標温度とに基づいてプラズマトーチ７から溶湯１２の湯面への単位面積当たりの入熱量をリアルタイムで変化させることで、溶湯１２の湯面近傍の入抜熱状態を適切に制御することができる。これにより、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、いずれかの熱電対２１で測定した鋳型２の温度が目標温度よりも低い場合には、その熱電対２１の設置個所にプラズマトーチ７が接近した際にプラズマトーチ７の出力を増加させる。また、いずれかの熱電対２１で測定した鋳型２の温度が目標温度よりも高い場合には、その熱電対２１の設置個所にプラズマトーチ７が接近した際にプラズマトーチ７の出力を低下させる。このように、熱電対２１の測温値に基づいてプラズマトーチ７の出力をリアルタイムで変化させることで、溶湯１２の湯面近傍の入抜熱状態を適切に制御することができる。
　また、基準プラズマトーチ出力パターンにプラズマトーチ出力補正量を足し合わせることで、プラズマトーチ７の出力が補正される。これにより、熱電対２１の測温値に基づいてプラズマトーチ７の出力をリアルタイムで変化させることができる。
（変形例）
　なお、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８に示すように、断面円形の鋳型２０２を用いて円柱状の鋳塊２１１を連続鋳造するものであってもよい。
（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。
　本出願は２０１３年１月２５日出願の日本特許出願（特願２０１３－０１２０３４）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　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
　１１，２１１　鋳塊
　１２　溶湯
　１３　凝固シェル
　１４　エアギャップ
　１５　初期凝固部
　２１　熱電対
　２２　制御装置
　２３　移動軌道

Claims (3)

  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により、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、
    　プラズマトーチを前記鋳型内の前記溶湯の湯面上で水平移動させながら、前記プラズマトーチからのプラズマアークで前記溶湯の湯面を加熱する加熱工程と、
    　前記鋳型の周方向に沿って前記鋳型の複数箇所に設けられた温度センサで前記鋳型の温度をそれぞれ測定する測温工程と、
    　前記温度センサで測定された前記鋳型の温度と、前記温度センサ毎に予め設定された目標温度とに基づいて、前記プラズマトーチから前記溶湯の湯面への単位面積当たりの入熱量を制御する入熱量制御工程と、
    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方法。
  2. 　前記入熱量制御工程は、
    　いずれかの前記温度センサで測定した前記鋳型の温度が前記目標温度よりも低い場合には、その温度センサの設置個所に前記プラズマトーチが接近した際に前記プラズマトーチの出力を増加させ、
    　いずれかの前記温度センサで測定した前記鋳型の温度が前記目標温度よりも高い場合には、その温度センサの設置個所に前記プラズマトーチが接近した際に前記プラズマトーチの出力を低下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方法。
  3. 　前記温度センサで測定した前記鋳型の温度と前記目標温度との差に基づいてプラズマトーチ出力補正量を算出する算出工程を更に有し、
    　前記入熱量制御工程は、前記プラズマトーチの基準的な出力パターンである基準プラズマトーチ出力パターンに前記プラズマトーチ出力補正量を足し合わせることで、前記プラズマトーチの出力を補正す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方法。
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