(57)【要約】【課題】大径のチタン鋳塊及びチタン合金鋳塊においても、成分偏析を小径の鋳塊における成分偏析以下に抑制できるチタン連続鋳造装置を提供すること。【解決手段】チタン連続鋳造装置１において、上部にチタン又はチタン合金の溶湯を流し込むための円形の開口を有し、且つ底部からチタン又はチタン合金の鋳塊を連続的に引き抜く水冷銅鋳型３と、水冷銅鋳型３の開口側から水冷銅鋳型３内の溶湯を加熱するプラズマアークを利用したプラズマトーチと、を備える。その上で、水冷銅鋳型３の開口には、中央部加熱トーチ４及び外周部加熱トーチ５を配置し、水冷銅鋳型３の開口の中央部に存在する溶湯への入熱量に対して、該中央部を取り囲む外周部に存在する溶湯への入熱量を大きくする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン連続鋳造装置であって、
チタン又はチタン合金の溶湯を流し込むための円形の上側開口を有する上部及びチタン又はチタン合金の鋳塊を連続的に引き抜くための下側開口を有する底部を有する鋳型と、
それぞれが前記鋳型の上側開口に対向するように配置され、前記鋳型の上側開口に向けてプラズマアークを照射する第１及び第２のプラズマアーク照射部と、
少なくとも前記第２のプラズマアーク照射部を前記鋳型の上側開口の中心周りに回転させる駆動装置と、を備え、
前記第１のプラズマアーク照射部は、前記第２のプラズマアーク照射部よりも前記上側開口の中心寄りに配置されることを特徴とするチタン連続鋳造装置。
【請求項２】
前記第１のプラズマアーク照射部は、前記鋳型の上側開口側からチタン連続鋳造装置を見たときに、前記鋳型の上側開口の中心から外れた位置に配置され、
前記駆動装置は、前記第１及び前記第２のプラズマアーク照射部を前記鋳型の上側開口の中心周りに回転させることを特徴とする請求項１に記載のチタン連続鋳造装置。
【請求項３】
前記第１及び第２のプラズマアーク照射部は、前記鋳型の上側開口側からチタン連続鋳造装置を見たときに、前記鋳型の上側開口の中心を通る同一直線上に、かつ、前記中心を挟んで反対の位置に配置され、
前記駆動装置は、第１及び第２のプラズマアーク照射部を同じ方向に回転させることを特徴とする請求項２に記載のチタン連続鋳造装置。
【請求項４】
前記第２のプラズマアーク照射部のプラズマアーク出力は、前記第１のプラズマアーク照射部のプラズマアーク出力よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載のチタン連続鋳造装置。
【請求項５】
前記第１及び第２のプラズマアーク照射部は、それぞれ第１及び第２のプラズマトーチであり、
前記第２のプラズマトーチのプラズマアーク出力は、前記第１のプラズマトーチのプラズマアーク出力よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載のチタン連続鋳造装置。
【請求項６】
前記第１プラズマアーク照射部は、少なくとも一つのプラズマトーチを有し、前記第２プラズマアーク照射部は、前記第１プラズマアーク照射部のプラズマトーチよりも多くの複数のプラズマトーチを有することを特徴とする請求項４に記載のチタン連続鋳造装置。
【請求項７】
前記第１のプラズマアーク照射部は、前記鋳型の上側開口側からチタン連続鋳造装置を見たときに前記鋳型の上側開口の中心と重なるように配置されることを特徴とする請求項１に記載のチタン連続鋳造装置。
【請求項８】
上部にチタン又はチタン合金の溶湯を流し込むための円形の開口を有し、且つ底部からチタン又はチタン合金の鋳塊を連続的に引き抜く円形鋳型と、前記円形鋳型の開口側から前記円形鋳型内の溶湯を加熱するプラズマアークを利用したプラズマトーチと、を備えたチタン連続鋳造装置であって、
前記円形鋳型の開口には、複数のプラズマトーチが配置され、
前記複数のプラズマトーチにより、前記開口の中央部に存在する溶湯への入熱量に対して、前記開口の中央部を取り囲む外周部に存在する溶湯への入熱量を大きくするように構成されていることを特徴とするチタン連続鋳造装置。
【請求項９】
前記複数のプラズマトーチが、前記溶湯の湯面の中心から半径ｒに沿って距離ｒ/3以内
にある溶湯への入熱量よりも、距離ｒ/3〜半径ｒの距離にある溶湯への入熱量を大きくすることを特徴とする請求項８に記載のチタン連続鋳造装置。
【請求項１０】
前記複数のプラズマトーチが、前記湯面の径方向に沿って配置され且つ前記湯面の中心周りを回転可能に設けられていることを特徴とする請求項８又は９に記載のチタン連続鋳造装置。
【請求項１１】
前記複数のプラズマトーチは、前記湯面の中央部に配置された第１のプラズマトーチと、前記湯面の外周部に配置された第２のプラズマトーチとを有し、
前記第２のプラズマトーチの出力が、前記第１のプラズマトーチの出力より大きいことを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載のチタン連続鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタン又はチタン合金の円柱状の鋳塊を連続的に引き抜きながら鋳造するチタン連続鋳造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
純チタンおよびチタン合金は、優れた軽量性、耐熱性、耐腐食性等を有することから、化学・電気プラントや、航空機、スポーツ用品など高付加価値製品に欠かせない金属素材である。このような純チタンやチタン合金で製造されるチタン金属製品は、チタン鋳塊に対する圧延や鍛造等の工程を経て製作されるが、チタン鋳塊の製造技術としては、以下に説明する消耗電極式真空アーク溶解ＶＡＲ（Ｖａｃｕｕｍ  Ａｒｃ  Ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ）法、電子ビームを用いたハース溶解ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ）法、及びプラズマアークを用いたハース溶解ＰＡＭ（Ｐｌａｓｍａ  Ａｒｃ  Ｍｅｌｔｉｎｇ）法などが存在する。
【０００３】
消耗電極式真空アーク溶解ＶＡＲ法は、純チタンまたはチタン合金からなるチタン鋳塊の溶解方法として従来から多用されている技術である。このＶＡＲ法は、高真空、あるいは不活性ガス（Ａｒ、Ｈｅ）雰囲気下の溶解炉内で、チタン鋳塊の原料を用いて予め製造された消耗電極と水冷銅るつぼ内の溶湯との間にアーク（直流アーク）を発生させ、このアークを熱源として消耗電極を溶解し、溶解した消耗電極の溶湯からチタン鋳塊を得る方法である。
【０００４】
ＶＡＲ法では、チタン鋳塊の原料を完全に溶解して、チタン鋳塊の成分を均一化するために、通常は、１回目の溶解で得られたチタン鋳塊を消耗電極として再度、２回目の溶解を行う。特に、航空機用途のチタン合金では、更なるチタン鋳塊の成分均一化によって成分偏析を低減させるために、溶解を３回行うことがある。
ハース溶解ＥＢ法は、スポンジチタンやスクラップなどが溶解された原料を水冷銅ハースへ供給し、電子ビームを熱源としてこれら溶解原料を加熱した上で連続的に水冷銅鋳型に流し込み、この鋳型から連続的に引き抜くことによってチタン鋳塊を製造する技術である。このＥＢ法では、高真空環境下において、水冷銅鋳型内の湯面温度の均一性の保持と凝固抑止のために、溶湯表面に電子ビームを照射しながら引き抜きを行う。このとき、高いエネルギー密度を有する電子ビームを高真空環境下で照射することによって、蒸気圧の高いＡｌなどの低融点金属は蒸発してしまうので、溶解原料の成分制御が難しい。従って、このＥＢ法は主に純チタン鋳塊の製造に好適な技術であるといえる。
【０００５】
ハース溶解ＰＡＭ法は、スポンジチタンやスクラップなどが溶解された原料を水冷銅ハースへ供給し、プラズマアークを熱源としてこれら溶解原料を加熱した上で連続的に水冷銅鋳型に流し込み、この鋳型から連続的に引き抜くことによってチタン鋳塊を製造する技術である。このＰＡＭ法では、不活性ガス環境下において、プラズマトーチから発生させたアークを溶湯表面に照射しながら引き抜きを行う。ＰＡＭ法は、不活性ガス環境下で実施されるため、溶湯の蒸発ロスが少なく、溶解原料の成分制御が比較的容易であるので、チタン合金の鋳塊製造に好適な技術であるといえる。
【０００６】
ＥＢ法及びＰＡＭ法は共に、ＶＡＲ法のように消耗電極を作成する必要が無く、溶解原料から直接にチタン鋳塊を製造できるため、ＶＡＲ法より生産性の高い溶解方法として注目されている。
特許文献１は、ＥＢ法の一例であって、溶湯表面を電子ビームで照射しながら引き抜きを行う高融点金属インゴットの製造方法を開示している。特許文献１の高融点金属インゴットの製造方法は、電子ビーム溶解炉を構成する鋳型内に溶湯を供給して鋳型プールを形成しつつ、上記鋳型プールの底部近傍の冷却固化したインゴット部分を回転させながら引き抜く高融点金属インゴットの製造方法であって、上記鋳型プール面に照射する電子ビームのうち、鋳型プールの中心部に比べて、上記鋳型に隣接した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することを特徴とするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１７２６６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、特許文献１の技術で採用されるＥＢ法は、溶解原料から直接にチタン鋳塊を製造できるためＶＡＲ法より生産性の高い溶解方法であるが、電子ビームを用いるが故に高真空環境下で実施しなければならず、溶解原料の成分制御が要求されるチタン合金の鋳塊製造には適していない。
そこで、最近では、内部欠陥がなく均質成分のチタン合金鋳塊を製造する手段として、ハース溶解、特に、蒸発ロスの少ないＰＡＭ法が推奨され始めている。しかし、従来のＰＡＭ法において成分偏析の少ない鋳塊を製造するためには鋳塊の径に限界があり、チタン合金中における成分偏析を抑制し、高品質な鋳塊を製造することは困難であった。
【０００９】
具体的に述べると、溶解したチタン合金を鋳型に注湯しつつ鋳型内の溶湯をプラズマトーチで加熱しながら下方に引き抜くＰＡＭ法を用いた鋳造方法においては、溶湯上面の中心部分をプラズマで加熱すると当該中心部分が最も深くなる溶湯プールが形成される。溶湯プールとは溶湯の凝固界面位置のことである。鋳型の径を大きくして引き抜くチタン鋳塊の径を大きくすると、溶湯プールの中心部分が深くなりすぎ、成分偏析が顕著となる。
【００１０】
成分偏析が問題とならないチタン鋳塊の径は、従来ではφ３００〜４００ｍｍが限界であり、チタン合金鋳塊では、ＶＡＲ法において最大φ９００ｍｍ（３回溶解）、ＰＡＭ法では最大φ５００ｍｍ程度といわれている。しかし、鋳塊から鍛造工程を経て、熱処理を行うことで均質な材料組織を形成させて、疲労強度など機械的特性に優れた製品を得るには、φ８００ｍｍ以上、望ましくは、φ１,０００ｍｍ以上の大径の鋳塊が求められる。このため、大径のチタン鋳塊及びチタン合金鋳塊においても、成分偏析を小径の鋳塊における成分偏析と同等、もしくは、それ以下となるように制御できる鋳造方法が求められている。
【００１１】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、大径のチタン鋳塊またはチタン合金鋳塊を連続鋳造する場合でも、当該鋳塊の成分偏析を抑制できるチタン連続鋳造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を達成するために、本発明は、以下の技術的手段を採用した。
本発明に係る第１のチタン連続鋳造装置は、チタン又はチタン合金の溶湯を流し込むための円形の上側開口を有する上部及びチタン又はチタン合金の鋳塊を連続的に引き抜くための下側開口を有する底部を有する鋳型と、それぞれが前記鋳型の上側開口に対向するように配置され、前記鋳型の上側開口に向けてプラズマアークを照射する第１及び第２のプラズマアーク照射部と、少なくとも前記第２のプラズマアーク照射部を前記鋳型の上側開口の中心周りに回転させる駆動装置と、を備え、前記第１のプラズマアーク照射部は、前記第２のプラズマアーク照射部よりも前記上側開口の中心寄りに配置されることを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、前記第１のプラズマアーク照射部は、前記鋳型の上側開口側からチタン連続鋳造装置を見たときに、前記鋳型の上側開口の中心から外れた位置に配置され、前記駆動装置は、前記第１及び前記第２のプラズマアーク照射部を前記鋳型の上側開口の中心周りに回転させるとよい。
また、好ましくは、前記第１及び第２のプラズマアーク照射部は、前記鋳型の上側開口側からチタン連続鋳造装置を見たときに、前記鋳型の上側開口の中心を通る同一直線上に、かつ、前記中心を挟んで反対の位置に配置され、前記駆動装置は、第１及び第２のプラズマアーク照射部を同じ方向に回転させるとよい。
【００１４】
さらに、好ましくは、前記第２のプラズマアーク照射部のプラズマアーク出力は、前記第１のプラズマアーク照射部のプラズマアーク出力よりも大きいとよい。
また、好ましくは、前記第１及び第２のプラズマアーク照射部は、それぞれ第１及び第２のプラズマトーチであり、前記第２のプラズマトーチのプラズマアーク出力は、前記第
１のプラズマトーチのプラズマアーク出力よりも大きいとよい。
【００１５】
ここで、好ましくは、前記第１プラズマアーク照射部は、少なくとも一つのプラズマトーチを有し、前記第２プラズマアーク照射部は、前記第１プラズマアーク照射部のプラズマトーチよりも多くの複数のプラズマトーチを有するとよい。
また、好ましくは、前記第１のプラズマアーク照射部は、前記鋳型の上側開口側からチタン連続鋳造装置を見たときに前記鋳型の上側開口の中心と重なるように配置されるとよい。
【００１６】
本発明に係る第２のチタン連続鋳造装置は、上部にチタン又はチタン合金の溶湯を流し込むための円形の開口を有し、且つ底部からチタン又はチタン合金の鋳塊を連続的に引き抜く円形鋳型と、前記円形鋳型の開口側から前記円形鋳型内の溶湯を加熱するプラズマアークを利用したプラズマトーチと、を備えたチタン連続鋳造装置であって、前記円形鋳型の開口には、複数のプラズマトーチが配置され、前記複数のプラズマトーチにより、前記開口の中央部に存在する溶湯への入熱量に対して、前記開口の中央部を取り囲む外周部に存在する溶湯への入熱量を大きくするように構成されていることを特徴とする。
【００１７】
ここで、好ましくは、前記複数のプラズマトーチが、前記溶湯の湯面の中心から半径ｒに沿って距離ｒ/3以内にある溶湯への入熱量よりも、距離ｒ/3〜半径ｒの距離にある溶湯への入熱量を大きくするとよい。
また、好ましくは、前記複数のプラズマトーチが、前記湯面の径方向に沿って配置され且つ前記湯面の中心周りを回転可能に設けられているとよい。
【００１８】
加えて、好ましくは、前記複数のプラズマトーチは、前記湯面の中央部に配置された第１のプラズマトーチと、前記湯面の外周部に配置された第２のプラズマトーチとを有し、前記第２のプラズマトーチの出力が、前記第１のプラズマトーチの出力より大きいとよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のチタン連続鋳造装置によれば、大径のチタン鋳塊またはチタン合金鋳塊を連続鋳造する場合でも、当該鋳塊の成分偏析を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態によるチタン連続鋳造装置を示す斜視図である。
【図２Ａ】本実施形態によるチタン連続鋳造装置における、水冷銅鋳型、中央部加熱トーチ、及び外周部加熱トーチを示す平面図である。
【図２Ｂ】本実施形態によるチタン連続鋳造装置における、水冷銅鋳型、中央部加熱トーチ、及び外周部加熱トーチを示す断面図である。
【図３】均一加熱を行う比較例による溶湯への入熱量の分布と、本実施形態による溶湯への入熱量の分布と、を示すグラフである。
【図４】均一加熱を行う比較例における溶湯プールの形状と、本実施形態における溶湯プールの形状と、を示すグラフである。
【図５】溶湯への断面入熱量と溶湯プール深さの関係を示すグラフである。
【図６】溶湯プールの深さに対する成分偏析率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を具体化した一例であって、その具体例をもって本発明の構成を限定するものではない。従って、本発明の技術的範囲は、本実施形態に開示内容だけに限定されるものではない。
図１を参照しながら、本実施形態によるチタン連続鋳造装置１について説明する。以下の説明では、重力方向を下方といい、その反対方向を上方という。
【００２２】
図１は、本実施形態によるチタン連続鋳造装置１を示す。このチタン連続鋳造装置１は、チタンの鋳塊及びチタン合金の鋳塊を製造することができる装置であるが、本実施形態では、チタン合金の鋳塊を製造する場合について説明する。
図１に示すように、チタン連続鋳造装置１は、水冷銅ハース２と、水冷銅鋳型３と、複数の加熱トーチと、を含む。
【００２３】
水冷銅ハース２は、チタン合金鋳塊の原料として溶解されたチタン合金（以下、溶解チタン合金又は溶湯と呼ぶ）を溜めるためのもので、箱型である。水冷用鋳型３は、本実施形態に係る鋳型に相当する。この水冷用鋳型３には水冷銅ハース２から溶解チタン合金が注入され、当該水冷用鋳型３からチタン合金鋳塊１１が下方に引き抜かれる。複数の加熱トーチは、水冷銅鋳型３に注入された溶解チタン合金を加熱するものであり、溶解チタン合金の溶湯表面である湯面のうちの中央部を加熱するための中央部加熱トーチ４と、外周部を加熱するための外周部加熱トーチ５と、を個別に含むことを特徴の一つとしている。
【００２４】
以下、チタン連続鋳造装置１の構成について詳しく説明する。
図１に示すように、水冷銅ハース２は、例えば、箱型の水槽に類似した形状を有する銅製の容器であって、該容器の内壁は銅製とされている。この銅製の壁の内部には、注入された高温の溶解チタン合金の熱による水冷銅ハース２の損傷を防ぐために水冷機構が設けられている。また、水冷銅ハース２は、水冷銅ハース２内の溶解チタン合金を所定の流量で吐出する吐出口２ａを有している。この水冷銅ハース２に注入され一旦蓄えられた溶解チタン合金は吐出口２ａから水冷銅鋳型３に注入される。複数の加熱トーチは、水冷銅ハース２の上方に設けられ、この水冷銅ハース２に蓄えられた溶解チタン合金の温度が低下して凝固しないように、プラズマアークを用いて該溶解チタン合金を加熱する。
【００２５】
次に、図２Ａ，図２Ｂを参照しながら、水冷銅鋳型３、中央部加熱トーチ４及び外周部加熱トーチ５の構成について説明する。中央部加熱トーチ４は、水冷銅鋳型３の上方に設けられる第１の加熱トーチであり、外周部加熱トーチ５は、同じく水冷銅鋳型３の上方に設けられる第２の加熱トーチである。
図２Ａ，図２Ｂは、水冷銅鋳型３、中央部加熱トーチ４、及び外周部加熱トーチ５の配置を示す。図２Ａは、水冷銅鋳型３を上方から見たときの溶解チタン合金の湯面６、及び湯面６に対する中央部加熱トーチ４及び外周部加熱トーチ５の配置を示す平面図であり、図２Ｂは、水冷銅鋳型３、中央部加熱トーチ４、及び外周部加熱トーチ５の配置を示す斜視図である。
【００２６】
図２Ｂに示す如く、水冷銅鋳型３は、円柱形状の外観を有する桶に類似した形状を有する。水冷銅鋳型３は、貫通孔を囲むテーパー状の内周面を有し、この内周面は、当該貫通孔のうち径が大きい側の端が水冷銅鋳型３の上側開口３ａを構成している。ここでテーパー状とは、円柱形状の水冷銅鋳型３の軸心に沿って一方の端部から他方の端部にかけて略円錐台状に縮径する形状のことである。水冷銅ハース２と同様に、水冷銅鋳型３は銅製の内壁を有する。この銅製の内壁の内部には、注入された高温の溶解チタン合金の熱による当該内壁の損傷を防ぐために水冷機構が設けられている。
【００２７】
水冷銅鋳型３は、水冷銅ハース２の吐出口２ａの下方に配置される。詳しくは、該吐出口２ａの下方に上側開口３ａ、すなわち、貫通孔の端部を構成する開口のうち径が大きい側の開口が位置する。水冷銅鋳型３は、上記開口のうち貫通孔の径が小さい方の下側開口を囲む底部を有し、この底部には、水冷銅ハース２から水冷用鋳型３に注入された溶解チタン合金をチタン合金鋳塊１１として当該水冷用鋳型３から引き抜くための引抜装置１２が設けられている。上記貫通孔及びこれを囲む内周面のテーパー角度は、引抜速度により変化するチタン鋳塊あるいはチタン合金鋳塊の凝固収縮に対応できるように設定される。当該内周面は、凝固収縮により水冷銅鋳型と鋳塊との間に生じ得る隙間を防止できる形状であれば、必ずしもテーパー状である必要はない。
【００２８】
このチタン連続鋳造装置１は、さらに、複数の電磁攪拌装置９を備える。これらの電磁攪拌装置９は、水冷用鋳型３の外壁面に沿って設けられ、当該水冷用鋳型３に注入された溶解チタン合金に対してその外周側から磁場を印加し、これにより当該溶解チタン合金の外周部を流動させて攪拌する。当該電磁攪拌装置９の使用は、溶解チタン合金の流動状態を変化させて溶解チタン合金の温度をより高位に、かつ、均一にする効果を得ることを可能にし、また、溶解チタン合金の凝固界面位置である溶湯プールの形状を変化させることも可能にする。
【００２９】
第１の加熱トーチ（第１のプラズマアーク照射部）である中央部加熱トーチ４は、プラズマアークを発生させるトーチであり、水冷銅鋳型３の上側開口３ａの中央部の上方であ
って、この実施形態では鋳型３の上側開口３ａの側からチタン連続鋳造装置を見たときに鋳型３の上側開口の中心から外れた位置に配置される。従って、中央部加熱トーチ４は、水冷銅鋳型３に注入される溶解チタン合金の湯面６のうち上側開口３ａの中央部に存在する部分の上方に配置され、発生したプラズマアークを溶解チタン合金の湯面６に照射することによって当該溶解チタン合金の湯面６の中央部を上方から加熱する。
【００３０】
第２の加熱トーチ（第２のプラズマアーク照射部）である外周部加熱トーチ５は、同じくプラズマアークを発生するトーチであり、水冷銅鋳型３の上部開口内で中央部を取り囲む外周部の上方に配置される。従って、外周部加熱トーチ５は、水冷銅鋳型３に注入される溶解チタン合金の湯面６のうち上側開口３ａの外周部に存在する部分の上方に配置され、発生したプラズマアークを溶解チタン合金の湯面６に照射することによって溶解チタン合金の湯面６の外周部を上方から加熱する。
【００３１】
次に、溶解チタン合金の湯面６を示す図２Ｂを参照しながら、上側開口３ａ及び湯面６の中央部及び外周部を定義すると共に、中央部加熱トーチ４及び外周部加熱トーチ５の配置を説明する。溶解チタン合金が水冷銅鋳型３をほぼ満たすように注入されたとき、溶解チタン合金の湯面６は水冷銅鋳型３の上側開口３ａとほぼ一致する円形である。この場合、上側開口３ａの半径と湯面６の半径とは等しいとみなすことができ、これを半径ｒとする。
【００３２】
本発明に係る上側開口及び湯面の中央部及び外周部の定義は相対的なものである。鋳型である水冷銅鋳型３の開口部における中央部は、例えば、上側開口３ａ及び湯面６の中心から半径ｒ／３以内の領域にある溶湯の表面部分とすることができる。その場合、外周部は、半径ｒ／３〜ｒの領域にある溶湯の表面部分となる。また、円形の上側開口３ａ及び湯面６の中心から半径ｒ／２以内の領域を中央部とし、この中央部を取り囲む半径ｒ／２〜ｒの領域を外周部とすることもできる。
【００３３】
ただし、溶解チタン合金が水冷銅鋳型３を満たしておらず湯面６が上側開口３ａよりも低い位置にあるとき、上述の半径ｒは、その低い位置にある湯面６の半径、又はその湯面６に対応する位置での水冷銅鋳型３の内周面の半径とする。
このような中央部及び外周部の定義の下、中央部加熱トーチ４は、上側開口３ａの中央部の上方に設けられて湯面６の中央部に水冷銅鋳型３の上方からプラズマアークを照射し、外周部加熱トーチ５は、上側開口３ａの外周部の上方に設けられて湯面６の外周部に向けて水冷銅鋳型３の上方からプラズマアークを照射する。
【００３４】
図２Ａに示すように、湯面６に対する中央部加熱トーチ４のプラズマ照射位置と外周部加熱トーチ５のプラズマ照射位置とは、上側開口３ａ及び湯面６の中心を通る同一直線上に並んでいるのが好ましく、さらに、上側開口３ａ及び湯面６の径方向に沿って上記中心を挟んだほぼ反対の位置に配置されるのが、好ましい。図２Ａは中央部トーチ有効範囲７及び外周部トーチ有効範囲８を示す。中央部トーチ有効範囲７は、中央部加熱トーチ４から広がるプラズマアークによって湯面６が直接的に加熱される領域であり、中央部の一部と重なっている。外周部トーチ有効範囲８は外周部加熱トーチ５から広がるプラズマアークによって湯面６が直接的に加熱される領域であり、外周部の一部と重なっている。図２Ａ及び図２Ｂから分かるように、中央部トーチ有効範囲７の面積は中央部の全面積よりも小さく、外周部トーチ有効範囲８の面積は外周部の全面積よりも小さい。
【００３５】
そこで、本実施形態では、さらに、図２Ｂに示すような駆動装置１０を備える。この駆動装置１０は、中央部加熱トーチ４と外周部加熱トーチ５とを、図２Ａで示した相対位置関係を保ちながら湯面６の中心周りに同じ方向に回転させることで、中央部トーチ有効範囲７を上側開口３ａの中央部にある湯面６の中央部のほぼ全域を通過させ、外周部トーチ有効範囲８を上側開口３ａの外周部にある湯面６の外周部のほぼ全域を通過させる。具体的に、駆動装置１０は、例えば、１つのモータと互いに長さの異なる２つのアームとを備え、短いアームはモータと中央部加熱トーチ４とに接続され、長いアームはモータと外周部加熱トーチ５とに接続され、モータの回転駆動により、２つのアームを介して中央部加熱トーチ４および外周部加熱トーチ５とを回転駆動させるものとすることができるが、本発明はこのような例に限定されない。
【００３６】
この駆動装置１０による両加熱トーチ４，５の回転によって、中央部トーチ有効範囲７の通過領域と外周部トーチ有効範囲８の通過領域とが、湯面６のほぼ全面を覆うので、溶湯の全表面すなわち湯面６の全体を確実に加熱することができる。すなわち、本実施形態では、上述のような各加熱トーチ４及び５の回転によって溶湯の均熱加熱が実現される。各加熱トーチ４，５の回転方向は互いに同一であればよく、時計回りでも半時計周りでも差し支えない。また、中央部加熱トーチ４が、鋳型３の上側開口側からチタン連続鋳造装置を見たときに当該鋳型３の上側開口の中心と重なるように配置されている場合、駆動装置１０は両加熱トーチ４，５のうちの外周部加熱トーチ５のみを回転させるものでもよい。
【００３７】
加えて、外周部加熱トーチ５へ印加する電圧を中央部加熱トーチ４へ印加する電圧よりも大きくすることで、外周部加熱トーチ５のプラズマアーク出力を中央部加熱トーチ４のプラズマアーク出力より大きくし、溶湯の中央部への入熱量に対し外周部への入熱量を大きくして、溶解チタン合金の加熱を制御することができる。
例えば、上側開口３ａ及び湯面６の中心から半径ｒ／３以内の領域にある溶湯への入熱量よりも、半径ｒ／３〜ｒの領域にある溶湯への入熱量が大きくなるように、中央部加熱トーチ４及び外周部加熱トーチ５の出力を設定することができる。
【００３８】
以下、図３〜図６を参照しながら、本実施形態によるチタン連続鋳造装置１を用いてチタン合金鋳塊１１を製造したときに発生する成分偏析について検討する。なお、図３〜図６は、本実施形態の水冷銅鋳型３内における溶解チタン合金（溶湯）の挙動をコンピュータシミュレーションした結果である。
まず、図３、図４において、「均一加熱（強）」、「均一加熱（弱）」と記してあるグラフは比較例による溶湯加熱であり、「回転トーチ」と記してあるグラフは、本実施形態に拠る方法である。本実施形態の水冷銅鋳型３では、その上側開口３ａの上方に複数のプラズマトーチが配置され、当該複数のプラズマトーチが、上側開口３ａ及び湯面６の径方向に沿って配置され且つ上側開口３ａ及び湯面６の中心周りを回転する。この回転する複数のプラズマトーチの出力は、上側開口３ａの中央部に存在する溶湯への入熱量に対して、上側開口３ａの中央部を取り囲む外周部に存在する溶湯への入熱量が大きくなるように設定されている。
【００３９】
図４は、大径のチタン合金鋳塊（例えばφ１,２００ｍｍ）を対象とし、その伝熱及び凝固を考慮して溶融プール深さの分布を検討した結果を示す。この図４によれば、比較例のように鋳型上面から溶湯に対して２,０００ｋＷの均一加熱を行って溶湯表面全体を溶融状態に保持するためには、表面積について単位面積あたり１.０６ＭＷ／ｍ２の入熱量が必要である。すなわち、溶湯に対する均一加熱が２,０００ｋＷ以上であれば、図４に示されるようにそのときの凝固面露出距離Ａが小さく、水冷銅鋳型３の開口の周縁近傍において溶湯が溶融状態で存在することになる。しかしながら、溶湯プールの深さは非常に深いものとなり、成分偏析発生の可能性が大きい。溶湯プールの深さが大きいほど成分偏析が著しいことは図６から明らかである。
【００４０】
一方、溶湯に対する均一加熱が６００ｋＷ程度の弱状態であれば、大きな凝固面露出距離Ｂが生じ、水冷銅鋳型３の開口の周縁近傍において溶湯が凝固状態となることが分かる。このように、溶湯表面が凝固した場合、連続的に引き抜いて鋳塊を製造することが困難となる。その一方、溶湯プールの深さは小さいので、成分偏析の回避には好都合である（図６参照）。
【００４１】
本実施形態の回転トーチでは、湯面について２,０００ｋＷの均一加熱の状態に類似する状態を実現することができる。すなわち、溶湯の凝固面露出距離が小さく、水冷銅鋳型３の開口の周縁近傍において溶湯が溶融状態で存在し、連続鋳造に好適な状態となっている。しかも、溶湯プールの深さは中程度であり、成分偏析の発生を抑制するのに好都合な状態となっている。
【００４２】
さらに本願の発明者らは、本実施形態の回転トーチでは、溶湯に対する入熱量が非常に小さくて済むことについても知見を得ている。
図３は、図４の溶湯プール状態における、均一加熱及び回転トーチによる溶湯への入熱
量の分布をそれぞれ示す。図３から明らかなように、均一加熱を行う比較例（２,０００ｋＷ）では表面積について単位面積あたりの入熱量が１.０６ＭＷ／ｍ２であるのに対し、本実施形態による回転トーチにおいて必要な湯面６への入熱量は約１／３でよく、溶湯に加えるエネルギー量を大幅に低減可能とする。
【００４３】
図５及び以下の表１は、図３、図４で知見された事項をまとめたものである。これらに示されているように、回転トーチを採用することで、少ない入熱量でありながら、均熱加熱（強）に比して小さめの溶鋼プール深さを実現することができる。当然、溶湯表面に凝固部分は存在せず、チタン合金鋳塊の鋳造に好適であると考えられる。
【００４４】
【表１】
2014140894.tif 000003
【００４５】
以上まとめれば、溶湯の中央部よりも外周部の領域において、選択的に加熱量を相対的に大きくすることによって、従来のφ８００ｍｍを超える大径のチタン合金鋳塊でも成分偏析を従来程度に制御できる。
特に、チタン合金鋳塊において、溶湯プールの深さ及び形状を制御することによって鋳塊の引き抜き方向に沿った成分偏析を半減させることができれば、β変態点を高位側にシフトすることができ、機械的特性の向上・発現のための熱処理温度を上げることができる。例えば、疲労強度を高位に安定化させられる可能性がある。従って、本実施形態の回転トーチは、チタン合金鋳塊の鋳造に好適であると考えられる。
【００４６】
最後に、既に述べたように、図２Ａ，図２Ｂに示される水冷銅鋳型３の周辺部に電磁コイル等で構成された電磁攪拌装置９を配置して溶湯に外部磁場を付与することで、溶湯の外周部を流動及び攪拌することにより、溶湯プールの形状を、図４に示すような下に凸ではなく、溶湯プールの底が平坦な台形形状に近接させることができる。これによって、チタン合金鋳塊の周方向（つまり、径方向）における成分偏析をより低減することができ、更には、溶湯プールの深さが小さくなることによる偏析低減効果によって、全体としてより高品質なチタン合金鋳塊を製造することができる。
【００４７】
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【００４８】
上述の実施形態に係るチタン連続鋳造装置１では、上側開口３ａの外周部における湯面６の上方に配置された外周部加熱トーチ５の出力を、上側開口３ａの中央部における湯面６の上方に配置された中央部加熱トーチ４の出力よりも大きくすることで、内周部への入熱量よりも大きい熱量を湯面６の外周部へ加えることが可能である。しかし、加熱トーチは互いに出力の異なる２つの中央部加熱トーチ４及び外周部加熱トーチ５に限定されない。例えば、互いに同じ出力をもつ複数の加熱トーチを具備し、そのうち中央部加熱トーチとして機能する加熱トーチの数よりも外周部加熱トーチとして機能する加熱トーチの数が多い態様でも、内周部への入熱量よりも大きい熱量を湯面の外周部へ加えることができる。
【００４９】
すなわち、中央部に存在する湯面への入熱量よりも大きい熱量を外周部に存在する湯面へ加えるという条件を満たす範囲で、用いる加熱トーチの数及び配置は様々に工夫することができる。
以上のように、本発明によれば、大径のチタン鋳塊またはチタン合金鋳塊を連続鋳造す
る場合でも、当該鋳塊の成分偏析を抑制できるチタン連続鋳造装置が提供される。
【００５０】
本発明が提供する第１のチタン連続鋳造装置は、チタン又はチタン合金の溶湯を流し込むための円形の上側開口を有する上部及びチタン又はチタン合金の鋳塊を連続的に引き抜くための下側開口を有する底部を有する鋳型と、それぞれが前記鋳型の上側開口に対向するように配置され、前記鋳型の上側開口に向けてプラズマアークを照射する第１及び第２のプラズマアーク照射部と、少なくとも前記第２のプラズマアーク照射部を前記鋳型の上側開口の中心周りに回転させる駆動装置と、を備える。前記第１のプラズマアーク照射部は、前記第２のプラズマアーク照射部よりも前記上側開口の中心寄りに配置される。
【００５１】
この装置によれば、第１及び第２のプラズマアーク照射部の組み合わせと、少なくとも第２のプラズマアーク照射部の回転と、により、溶湯の加熱の均一化を図ることができ、これにより、チタン鋳塊またはチタン合金鋳塊の成分偏析を抑制することができる。
前記第１のプラズマアーク照射部は、前記鋳型の上側開口側からチタン連続鋳造装置を見たときに、前記鋳型の上側開口の中心から外れた位置に配置され、前記駆動装置は、前記第１及び前記第２のプラズマアーク照射部を前記鋳型の上側開口の中心周りに回転させる、ことが、好ましい。このように第２のプラズマアーク照射部に加えて第１のプラズマ照射部も回転することにより、さらに均一な溶湯の加熱が実現される。
【００５２】
より好ましくは、前記第１及び第２のプラズマアーク照射部は、前記鋳型の上側開口側からチタン連続鋳造装置を見たときに、前記鋳型の上側開口の中心を通る同一直線上に、かつ、前記中心を挟んで反対の位置に配置され、前記駆動装置は、第１及び第２のプラズマアーク照射部を同じ方向に回転させるのが、好ましい。このような第１及び第２のプラズマアーク照射部の配置は、両プラズマアーク照射部の回転による溶湯の加熱の均一性をさらに高めることができる。
【００５３】
また、前記第２のプラズマアーク照射部のプラズマアーク出力は、前記第１のプラズマアーク照射部のプラズマアーク出力よりも大きいことが、好ましい。これにより、各プラズマアーク照射部が受け持つ加熱領域の大きさに適した当該プラズマ照射部の出力が設定される。
具体的に、前記第１及び第２のプラズマアーク照射部が、それぞれ第１及び第２のプラズマトーチであり、前記第２のプラズマトーチのプラズマアーク出力が、前記第１のプラズマトーチのプラズマアーク出力よりも大きいものや、前記第１プラズマアーク照射部は、少なくとも一つのプラズマトーチを有し、前記第２プラズマアーク照射部は、前記第１プラズマアーク照射部のプラズマトーチよりも多くの複数のプラズマトーチを有するものが、好適である。
【００５４】
前記第１のプラズマアーク照射部は、あるいは、前記鋳型の上側開口側からチタン連続鋳造装置を見たときに前記鋳型の上側開口の中心と重なるように配置されるものでもよい。
また、本発明が提供する第２のチタン連続鋳造装置は、チタン又はチタン合金の溶湯を流し込むための円形の上側開口を有する上部及びチタン又はチタン合金の鋳塊を連続的に引き抜くための下側開口を有する底部を有する鋳型と、プラズマアークを利用して前記鋳型の上側開口側から前記鋳型内の溶湯を加熱する複数のプラズマトーチと、を備える。前記複数のプラズマトーチは、前記上側開口の中央部に存在する溶湯への入熱量に対して前記上側開口の中央部を取り囲む外周部に存在する溶湯への入熱量が大きくなるように配置される。
【００５５】
本発明において、前記上側開口の中央部及び外周部は、適宜設定されることが可能である。例えば、前記上側開口の半径をｒとしたときに、当該上側開口の中央部は前記上側開口の中心から半径ｒ／３以内の領域の部分であり、前記上側開口の外周部は半径ｒ／３〜ｒの領域の部分とすることができる。
好ましくは、前記複数のプラズマトーチが、前記上側開口の径方向について互いに異なる位置に配置され、かつ、前記上側開口の中心周りを回転可能である複数の回転トーチを含むことが、好ましい。これらの回転トーチの回転は、プラズマトーチによって直接加熱することが可能な溶融の範囲を大幅に広げることを可能にする。
【００５６】
好ましくは、前記複数のプラズマトーチは、前記上側開口の中央部の上方に配置された第１のプラズマトーチと、前記上側開口の外周部の上方に配置された第２のプラズマトーチとを含み、前記第２のプラズマトーチの出力が、前記第１のプラズマトーチの出力より大きいのがよい。
【符号の説明】
【００５７】
１    チタン連続鋳造装置
２    水冷銅ハース
２ａ    吐出口
３    水冷銅鋳型
３ａ    上側開口
４    中央部加熱トーチ
５    外周部加熱トーチ
６    湯面
７    中央部トーチ有効範囲
８    外周部トーチ有効範囲
９    電磁攪拌装置
１０    駆動装置
１１    チタン合金鋳塊
１２    引抜装置
【図１】
2014140894.tif 000004
【図２Ａ】
2014140894.tif 000005
【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2014140894.tif 000009
【図６】
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