(57)【要約】【課題】どのようなサイズのスラブを鋳造しても、鋳肌を平滑化することができるようにする。【解決手段】プラズマトーチ７を溶湯１２の湯面上において所定の移動パターンで一回移動させるのに要する時間であるトーチ移動周期が、予め得た操業条件のトーチ移動周期にほぼ一致し、且つ、溶湯１２が鋳型２に触れて最初に凝固する部分である初期凝固部を鋳型２の周方向に複数に分割してなる複数の部位の各々において、部位への平均入熱量に補正値をかけた値であるスラブ平均入熱量が、予め得た操業条件の平均入熱量にほぼ一致するように、プラズマトーチ７の本数、出力、および、移動パターンを決定する。また、電磁攪拌により、鋳型２の長辺方向におけるトーチ加熱領域の幅を溶湯１２が移流するのに要する時間である溶湯移流時間が、予め得た操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致するように、電磁攪拌の撹拌力を決定する。【選択図】図１
2015160213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタンまたはチタン合金を溶解させた溶湯を断面矩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スラブを連続的に鋳造する連続鋳造方法であって、
予め特定のサイズのスラブを鋳造して、このスラブの鋳肌を平滑化可能な操業条件を得ておき、
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を前記湯面上において所定の移動パターンで一回移動させるのに要する時間であるトーチ移動周期が、前記操業条件のトーチ移動周期にほぼ一致し、且つ、前記溶湯が前記鋳型に触れて最初に凝固する部分である初期凝固部を前記鋳型の周方向に複数に分割してなる複数の部位の各々において、前記部位への入熱量を前記部位の前記鋳型に沿った長さ方向に平均した平均入熱量に、前記溶湯の湯面のうち各プラズマトーチが加熱する領域であるトーチ加熱領域を前記鋳型が囲む長さに基づいた補正値をかけた値であるスラブ平均入熱量が、前記操業条件の平均入熱量にほぼ一致するように、前記プラズマトーチの本数、出力、および、移動パターンを決定するとともに、
水平方向に旋回する流れを前記溶湯の少なくとも湯面に生じさせる電磁攪拌により、前記鋳型の長辺方向における前記トーチ加熱領域の幅を前記溶湯が移流するのに要する時間である溶湯移流時間が、前記操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致するように、前記電磁攪拌の撹拌力を決定することを特徴とするチタンまたはチタン合金からなるスラブの連続鋳造方法。
【請求項２】
前記スラブ平均入熱量を１．０ＭＷ／ｍ２以上にす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スラブの連続鋳造方法。
【請求項３】
前記溶湯移流時間を３ｓｅｃ以下にす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スラブの連続鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタンまたはチタン合金からなるスラブを連続的に鋳造する、チタンまたはチタン合金からなるスラブの連続鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３０７７３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
ここで、溶湯が鋳型に触れて最初に凝固する部分である初期凝固部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る。そこで、溶湯の湯面近傍における初期凝固部への入抜熱状態を適切に制御することで、良好な鋳肌の鋳塊が得られると考えられる。
【０００７】
ところが、プラズマアーク溶解により、例えば２５０×１５００ｍｍ程度の大型のスラブを連続鋳造する場合には、プラズマトーチの加熱範囲に限界がある。そのため、断面矩形の鋳型に沿ってプラズマトーチを水平方向に移動させて、鋳型近傍の初期凝固部の成長を抑制しながら引抜きを行う必要がある。
【０００８】
ところが、鋳型の長辺側ではプラズマトーチの滞留時間が長いために、初期凝固部への入熱が大きく、凝固シェルが薄くなる。一方、鋳型の短辺側やコーナー部では、プラズマトーチの滞留時間が短いために、初期凝固部への入熱が不足し凝固シェルが成長する（厚くなる）。これにより、スラブの位置によって凝固挙動が不均一となり、鋳肌性状の悪化につながる。
【０００９】
そこで、電磁撹拌によって水平方向に旋回する流れ（旋回流）を溶湯の少なくとも湯面に生じさせる。この旋回流によって、鋳型の長辺部に滞留する熱い溶湯が、凝固シェルが成長しやすい鋳型の短辺部やコーナー部に移流される。これにより、プラズマトーチの滞留時間が長い鋳型の長辺側での温度上昇、および、プラズマトーチの滞留時間が短い鋳型の短辺側やコーナー部での温度低下が緩和される。
【００１０】
しかしながら、鋳造するスラブのサイズによって、鋳肌を平滑化するために必要なプラズマトーチの本数や出力、移動パターンが異なる。また、鋳造するスラブのサイズによって、鋳肌を平滑化するために必要な電磁撹拌の撹拌力が異なる。そのため、鋳造するスラブのサイズ毎に、入熱パターンや電磁撹拌パターンといった、鋳肌を平滑化するための操業条件を評価しなければならず、煩雑である。
【００１１】
本発明の目的は、どのようなサイズのスラブを鋳造しても、鋳肌を平滑化することが可能なチタンまたはチタン合金からなるスラブの連続鋳造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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矩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スラブを連続的に鋳造する連続鋳造方法であって、予め特定のサイズのスラブを鋳造して、このスラブの鋳肌を平滑化可能な操業条件を得ておき、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を前記湯面上において所定の移動パターンで一回移動させるのに要する時間であるトーチ移動周期が、前記操業条件のトーチ移動周期にほぼ一致し、且つ、前記溶湯が前記鋳型に触れて最初に凝固する部分である初期凝固部を前記鋳型の周方向に複数に分割してなる複数の部位の各々において、前記部位への入熱量を前記部位の前記鋳型に沿った長さ方向に平均した平均入熱量に、前記溶湯の湯面のうち各プラズマトーチが加熱する領域であるトーチ加熱領域を前記鋳型が囲む長さに基づいた補正値をかけた値であるスラブ平均入熱量が、前記操業条件の平均入熱量にほぼ一致するように、前記プラズマトーチの本数、出力、および、移動パターンを決定するとともに、水平方向に旋回する流れを前記溶湯の少なくとも湯面に生じさせる電磁攪拌により、前記鋳型の長辺方向における前記トーチ加熱領域の幅を前記溶湯が移流するのに要する時間である溶湯移流時間が、前記操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致するように、前記電磁攪拌の撹拌力を決定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、トーチ移動周期が、予め得た操業条件のトーチ移動周期にほぼ一致し、且つ、スラブ平均入熱量が、予め得た操業条件の平均入熱量にほぼ一致するように、プラズマトーチの本数、出力、および、移動パターンを決定する。ここで、予め得た操業条件の入熱パターンに対して、プラズマトーチの移動による溶湯の湯面への入熱量の時間変化および空間変動による不均一性がほぼ一致した入熱パターンが、求める入熱パターンであると推定される。そこで、プラズマトーチの移動による溶湯の湯面への入熱量の不均一性をほぼ一致させるために、トーチ移動周期を予め得た操業条件のトーチ移動周期にほぼ一致させる。また、予め得た操業条件の入熱パターンに対して、初期凝固部を複数に分割してなる複数の部位の各々における平均入熱量がほぼ一致した入熱パターンが、求める入熱パターンであると推定される。そこで、各部位における平均入熱量を予め得た操業条件の各部位における平均入熱量にほぼ一致させる。ここで、トーチ加熱領域を鋳型が囲む長さが長いほど、鋳型による冷却能力が大きくなる。そこで、平均入熱量を補正値で補正したスラブ平均入熱量を、予め得た操業条件の平均入熱量にほぼ一致させる。このようにして、プラズマトーチの本数、出力、および、移動パターンを決定することで、鋳肌を平滑化するための入熱パターンを得ることができる。
【００１４】
また、本発明によれば、溶湯移流時間が、予め得た操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致するように、電磁攪拌の撹拌力を決定する。ここで、予め得た操業条件の電磁撹拌パターンに対して、溶湯移流時間がほぼ一致した電磁撹拌パターンが、求める電磁撹拌パターンであると推定される。そこで、溶湯移流時間を予め得た操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致させる。このようにして、電磁攪拌の撹拌力を決定することで、鋳肌を平滑化するための電磁撹拌パターンを得ることができる。
【００１５】
そして、得られた入熱パターンおよび電磁撹拌パターンを用いてスラブの鋳造を行うことで、鋳型とスラブとが接触する完全接触領域におけるスラブの表面温度の平均値を、良好な鋳肌が得られる所定の範囲に収めることができる。これにより、どのようなサイズのスラブを鋳造しても、鋳肌を平滑化することができる。
【００１６】
なお、ほぼ一致とは、完全一致を含み、予め得た操業条件と求める操業条件とで、トーチ移動周期などが実質的に等しいとみなせる程度に一致していることを意味する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】連続鋳造装置を示す斜視図である。
【図２】連続鋳造装置を示す断面図である。
【図３Ａ】表面欠陥の発生メカニズムを表す説明図である。
【図３Ｂ】表面欠陥の発生メカニズムを表す説明図である。
【図４Ａ】スラブの表面写真である。
【図４Ｂ】スラブの表面写真である。
【図５Ａ】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図５Ｂ】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図６Ａ】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図６Ｂ】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図７】鋳型とスラブとの完全接触領域のモデル図である。
【図８】通過熱流束とスラブ表面温度との関係を示す図である。
【図９Ａ】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図９Ｂ】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図１０Ａ】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図１０Ｂ】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図１１】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図１２】スラブ表面温度の時間変化を表す図である。
【図１３】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図１４】初期凝固部を複数の部位に分割した各部位における平均入熱量を示す図である。
【図１５Ａ】通過熱流束とスラブ表面温度との関係を示す図である。
【図１５Ｂ】通過熱流束とスラブ表面温度との関係を示す図である。
【図１５Ｃ】通過熱流束とスラブ表面温度との関係を示す図である。
【図１６Ａ】熱バランス指標のヒストグラムを示す図である。
【図１６Ｂ】熱バランス指標の累積分布を示す図である。
【図１７Ａ】通過熱流束とスラブ表面温度との関係を示す図である。
【図１７Ｂ】通過熱流束とスラブ表面温度との関係を示す図である。
【図１７Ｃ】通過熱流束とスラブ表面温度との関係を示す図である。
【図１８Ａ】熱バランス指標のヒストグラムを示す図である。
【図１８Ｂ】熱バランス指標の累積分布を示す図である。
【図１９】通過熱流束とスラブ表面温度との関係を示す図である。
【図２０】鋳型２を上方から見たモデル図である。
【図２１】溶湯移流時間と凹凸発生頻度指数との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
（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スラブの連続鋳造方法は、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矩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スラブを連続的に鋳造する連続鋳造方法である。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スラブの連続鋳造装置（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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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スラブ１１が下方に引抜かれながら連続的に鋳造される。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
（操業条件）
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スラブ１１を鋳造することが求められる。
【００２６】
ここで、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、チタンからなるスラブ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１０ｍｍ程度までの領域）においてのみ鋳型２とスラブ１１（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スラブ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。「ちぎれ欠陥」が発生したスラブ１１の表面写真を図４Ａに、「湯被り欠陥」が発生したスラブ１１の表面写真を図４Ｂに、それぞれ示す。
【００２７】
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る。そこで、溶湯１２の湯面近傍における初期凝固部１５への入抜熱状態を適切に制御することで、良好な鋳肌のスラブ１１が得られると考えられる。
【００２８】
ここで、鋳型２を上方から見たモデル図である図５Ａに示すように、プラズマアーク溶解により、例えば２５０×１５００ｍｍといった大型サイズのスラブ１１を連続鋳造する場合には、プラズマトーチ７の加熱範囲に限界がある。そのため、出力が大きいプラズマトーチ７を複数用いて、湯面全体を加熱する必要がある。図５Ａにおいては、出力が大きいプラズマトーチ７を２本用いている。また、スラブ１１の厚みが厚いため、鋳型２の短辺側やコーナー部において凝固シェル１３の成長を抑制するには、鋳型２に沿ってプラズマトーチ７を旋回移動させる必要がある。ここで、図５Ａに示す矢印は、プラズマトーチ７が移動する経路を示している。
【００２９】
ところが、鋳型２の長辺側ではプラズマトーチ７の滞留時間が長いために、初期凝固部１５への入熱が大きく、凝固シェル１３が薄くなる。一方、鋳型２の短辺側やコーナー部では、プラズマトーチ７の滞留時間が短いために、初期凝固部１５への入熱が不足し凝固シェル１３が成長する（厚くなる）。これにより、スラブ１１の位置によって凝固挙動が不均一となり、鋳肌性状の悪化につながる。
【００３０】
そこで、鋳型２を上方から見たモデル図である図５Ｂに示すように、鋳型２の側方に配置した図示しない電磁攪拌装置（ＥＭＳ）で鋳型２内の溶湯１２の少なくとも湯面を電磁誘導により攪拌する。ＥＭＳは、コイル鉄心にＥＭＳコイルを巻回したものである。ＥＭＳによる電磁撹拌によって、水平方向に旋回する流れ（旋回流）を溶湯の湯面もしくは湯面近傍に生じさせる。この旋回流によって、鋳型２の長辺部に滞留する熱い溶湯１２が、凝固シェル１３が成長しやすい鋳型２の短辺部やコーナー部に移流される。これにより、プラズマトーチ７の滞留時間が長い鋳型２の長辺側での温度上昇、および、プラズマトーチ７の滞留時間が短い鋳型２の短辺側やコーナー部での温度低下が緩和される。
【００３１】
なお、溶湯１２の少なくとも湯面における旋回流の方向は、プラズマトーチ７の旋回方向と一致していてもよいし、逆方向であってもよい。ただし、プラズマトーチ７の旋回方向とは逆方向に溶湯１２の少なくとも湯面を旋回させることで、スラブ１１の表面温度の変動幅を小さくすることができる。
【００３２】
ここで、大型サイズのスラブ１１を連続鋳造する場合、電磁撹拌によって湯面全体に熱を移流させるためには、大きな撹拌力によって溶湯１２の流速を速める必要がある。
【００３３】
一方、鋳型２を上方から見たモデル図である図６Ａに示すように、プラズマアーク溶解により、例えば１２５×３７５ｍｍといった小型サイズのスラブ１１を連続鋳造する場合には、湯面の面積が小さいため、出力が小さい１本のプラズマトーチ７で湯面全体を加熱することが可能である。また、スラブ１１の厚みが薄いため、同一線上においてプラズマトーチ７を往復移動させることで、鋳型２の短辺側やコーナー部において凝固シェル１３の成長を抑制することが可能である。ここで、図６Ａに示す矢印は、プラズマトーチ７が移動する経路を示している。
【００３４】
また、鋳型２を上方から見たモデル図である図６Ｂに示すように、小型サイズのスラブ１１を連続鋳造する場合、電磁撹拌による撹拌力が小さくて溶湯１２の流速が遅めであっても、湯面全体に熱を移流させることが可能である。
【００３５】
このように、鋳造するスラブ１１のサイズによって、鋳肌を平滑化するために必要なプラズマトーチ７の本数や出力、移動パターンが異なる。また、鋳造するスラブ１１のサイズによって、鋳肌を平滑化するために必要な電磁撹拌の撹拌力が異なる。そのため、鋳造するスラブ１１のサイズ毎に、入熱パターンや電磁撹拌パターンといった、鋳肌を平滑化するための操業条件を評価しなければならず、煩雑である。
【００３６】
ここで、鋳型２とスラブ１１との完全接触領域１６のモデル図を図７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とスラブ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、スラブ１１の表面から鋳型２への通過熱流束ｑが生じる。Ｄは凝固シェル１３の厚みである。
【００３７】
通過熱流束ｑとスラブ１１の表面温度ＴＳとの関係を図８に示す。ここで、熱バランス指標である通過熱流束ｑ［Ｗ／ｍ２］およびスラブ１１の表面温度ＴＳ［℃］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とスラブ１１との完全接触領域１６におけるスラブ１１の表面温度ＴＳの平均値が８００℃＜ＴＳ＜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スラブ１１を得ることができることがわかる。
【００３８】
よって、鋳肌の状態が良好なスラブ１１を得るには、鋳肌を平滑化することが可能な操業条件において、プラズマトーチ７が所定の移動パターンで一回移動する間、完全接触領域１６におけるスラブ１１の平均表面温度が８００℃＜ＴＳ＜１２５０℃の範囲に収まるようにすればよい。
【００３９】
そこで、本実施形態においては、予め特定のサイズのスラブ１１を鋳造して、このスラブ１１の鋳肌を平滑化可能な操業条件を得ておく。そして、このサイズのスラブ１１とはサイズが異なるスラブ１１において、鋳肌を平滑化可能な操業条件を求めるに当たり、トーチ移動周期およびスラブ平均入熱量が、予め得た操業条件のトーチ移動周期および平均入熱量にほぼ一致するように、プラズマトーチ７の本数、出力、および、移動パターンを決定している。
【００４０】
なお、本実施形態において、「ほぼ一致」とは、完全一致を含み、予め得た操業条件と求める操業条件とで、トーチ移動周期などが実質的に等しいとみなせる程度に一致していることを意味する。
【００４１】
ここで、トーチ移動周期とは、鋳型２内の溶湯１２の湯面を加熱するプラズマトーチ７を湯面上において所定の移動パターンで一回移動させるのに要する時間である。具体的には、トーチ移動周期は、プラズマトーチ７の一回分の移動距離をプラズマトーチ７の移動速度で割ったものである。
【００４２】
図５Ａに示すように、大型のスラブ１１を鋳造する場合、プラズマトーチ７が湯面上を所定の速度で旋回移動される。プラズマトーチ７を１周させるのに要する時間がトーチ移動周期である。また、図６Ａに示すように、小型のスラブ１１を鋳造する場合、プラズマトーチ７が湯面上を所定の速度で往復移動される。プラズマトーチ７を１往復させるのに要する時間がトーチ移動周期である。
【００４３】
ここで、溶湯１２の湯面の同じ箇所においてみた場合、移動するプラズマトーチ７が近づいたり離れたりすることで、時間の経過とともに入熱量が変化する。また、溶湯１２の湯面全体でみた場合、プラズマトーチ７の移動とともに、プラズマトーチ７に近くて入熱量が多い箇所と、プラズマトーチ７から遠くて入熱量が少ない箇所とが変化する。このように、プラズマトーチ７が移動することによって、溶湯１２の湯面への入熱量に時間変化および空間変動による不均一性が生じる。
【００４４】
よって、予め得た操業条件の入熱パターンに対して、プラズマトーチ７の移動による溶湯１２の湯面への入熱量の時間変化および空間変動による不均一性がほぼ一致した入熱パターンが、求める入熱パターンであると推定される。そこで、プラズマトーチ７の移動による溶湯１２の湯面への入熱量の不均一性をほぼ一致させるために、トーチ移動周期を予め得た操業条件のトーチ移動周期にほぼ一致させる。
【００４５】
また、平均入熱量とは、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）（図３Ａ、図３Ｂ参照）を鋳型２の周方向に複数に分割してなる複数の部位の各々において、ある部位への入熱量をその部位の鋳型２に沿った長さ方向に平均したものである。スラブ平均入熱量とは、平均入熱量に補正値をかけた値である。補正値は、トーチ加熱領域を鋳型２が囲む長さに基づいた値である。トーチ加熱領域は、溶湯１２の湯面のうち各プラズマトーチ７が加熱する領域である。
【００４６】
本実施形態においては、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、初期凝固部１５を鋳型２の内周に沿ってコーナー（１）〜（４）、長辺１／４（１），（２）、長辺１／２（１），（２）、長辺３／４（１），（２）、短辺（１），（２）の合計１２個の部位１５ａに分割して、各部位１５ａにおける平均入熱量を求めている。また、鋳型２を上方から見たモデル図である図９Ｂに示すように、１２個の部位１５ａの各々において代表点を設定している。即ち、コーナー（１）〜（４）および短辺（１），（２）においては、鋳型２の壁面に沿った長さ方向の中心位置に代表点をそれぞれ設定している。また、長辺１／４（１），（２）、長辺１／２（１），（２）、長辺３／４（１），（２）においては、図中左から右に向かって、鋳型２の長辺の１／４の位置、鋳型２の長辺の１／２の位置、鋳型２の長辺の３／４の位置に、それぞれ代表点を設定している。
【００４７】
また、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、２本のプラズマトーチ７を使用して大型のスラブ１１を鋳造する場合、溶湯１２の湯面の半分が、各プラズマトーチ７が加熱するトーチ加熱領域１７である。一方、鋳型２を上方から見たモデル図である図１０Ｂに示すように、１本のプラズマトーチ７を使用して小型のスラブ１１を鋳造する場合、溶湯１２の湯面の全部が、プラズマトーチ７が加熱するトーチ加熱領域１７である。
【００４８】
上述したように、溶湯１２の湯面近傍の凝固シェル１３の成長は、初期凝固部１５への入熱状況に大きく影響を受ける。図３Ａに示したように、初期凝固部１５への入熱が過多の場合、「ちぎれ欠陥」が発生する。一方、図３Ｂに示したように、初期凝固部１５への入熱が不足すると、「湯被り欠陥」が発生する。
【００４９】
よって、予め得た操業条件の入熱パターンに対して、初期凝固部１５への入熱状況がほぼ一致した入熱パターン、より具体的には、初期凝固部１５を複数に分割してなる複数の部位１５ａの各々における平均入熱量がほぼ一致した入熱パターンが、求める入熱パターンであると推定される。そこで、各部位１５ａにおける平均入熱量を予め得た操業条件の各部位における平均入熱量にほぼ一致させる。
【００５０】
しかしながら、図１０Ａに示すトーチ加熱領域１７が、鋳型２によって３方を囲まれているのに対して、図１０Ｂに示すトーチ加熱領域１７は、鋳型２によって４方を囲まれている。そして、トーチ加熱領域１７を鋳型２が囲む長さが長いほど、鋳型２による冷却能力が大きくなる。そこで、予め得た操業条件のトーチ加熱領域１７と、求めたい操業条件のトーチ加熱領域１７とで、鋳型２による冷却能力が異なる場合には、求めたい操業条件の平均入熱量を、トーチ加熱領域１７を鋳型２が囲む長さに基づいた補正値で補正する。そして、平均入熱量を補正値で補正したスラブ平均入熱量を、予め得た操業条件の平均入熱量にほぼ一致させる。
【００５１】
このように、トーチ移動周期が、予め得た操業条件のトーチ移動周期にほぼ一致し、且つ、スラブ平均入熱量が、予め得た操業条件の平均入熱量にほぼ一致するように、プラズマトーチ７の本数、出力、および、移動パターンを決定する。これにより、鋳肌を平滑化するための入熱パターンを得ることができる。
【００５２】
また、本実施形態においては、電磁攪拌による溶湯移流時間が、予め得た操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致するように、電磁攪拌の撹拌力を決定している。ここで、溶湯移流時間とは、鋳型２の長辺方向におけるトーチ加熱領域１７の幅を溶湯１２が移流するのに要する時間である。具体的には、溶湯移流時間は、鋳型２の長辺方向におけるトーチ加熱領域１７の幅（トーチ有効加熱幅）を鋳型２近傍の溶湯１２の流速で除した値である。
【００５３】
図１０Ａに示すように、大型のスラブ１１を鋳造する場合、各プラズマトーチ７のトーチ加熱領域１７は、溶湯１２の湯面の半分であるので、トーチ有効加熱幅は鋳型２の長辺の１／２の長さである。一方、図１０Ｂに示すように、小型のスラブ１１を鋳造する場合、プラズマトーチ７のトーチ加熱領域１７は、溶湯１２の湯面の全部であるので、トーチ有効加熱幅は鋳型２の長辺の全長である。
【００５４】
ここで、鋳型２を上方から見たモデル図である図１１に示すように、プラズマトーチ７が湯面の図中左側に移動すると、プラズマトーチ７から離れた図中右側の湯面において溶湯１２の温度が低下する。そこで、矢印で示すように、電磁撹拌によって、湯面の左側の熱い溶湯１２を湯面の右側に移流させる。これにより、スラブ１１の表面温度の時間変化を表す図である図１２に示すように、電磁撹拌がない場合に比べて、溶湯１２の温度低下が緩和され、スラブ表面温度が均一化される。
【００５５】
しかしながら、トーチ有効加熱幅を溶湯１２が移流するのに要する時間である溶湯移流時間が異なると、時間の経過に伴うスラブ１１の表面温度の変化の度合いが異なってくる。具体的には、溶湯移流時間が短いほどスラブ１１の表面温度の時間変化が小さくなり、スラブ１１の表面温度が均一化される。よって、予め得た操業条件の電磁撹拌パターンに対して、溶湯移流時間がほぼ一致した電磁撹拌パターンが、求める電磁撹拌パターンであると推定される。そこで、溶湯移流時間を予め得た操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致させる。
【００５６】
このように、溶湯移流時間が、予め得た操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致するように、電磁攪拌の撹拌力を決定する。これにより、鋳肌を平滑化するための電磁撹拌パターンを得ることができる。
【００５７】
そして、得られた入熱パターンおよび電磁撹拌パターンを用いてスラブ１１の鋳造を行うことで、鋳型２とスラブ１１とが接触する完全接触領域１６におけるスラブ１１の表面温度ＴＳの平均値を、良好な鋳肌が得られる所定の範囲（８００℃＜ＴＳ＜１２５０℃）に収めることができる。これにより、どのようなサイズのスラブ１１を鋳造しても、鋳肌を平滑化することができる。
【００５８】
（流動凝固計算）
次に、流動凝固計算により、全周にわたって鋳肌が良好なスラブ１１を得るための操業条件を得た。具体的には、予め２５０×１５００ｍｍの大型サイズのスラブ１１の鋳肌を平滑化可能な操業条件を得ておき、流動凝固計算により、１２５×３７５ｍｍの小型サイズのスラブ１１の鋳肌を平滑化可能な操業条件を得た。
【００５９】
予め得ている操業条件では、図５Ａに示すように、プラズマトーチ７の本数は２本であり、各プラズマトーチ７の出力は７５０ｋＷである。また、各プラズマトーチ７の移動パターンは、トーチ有効加熱幅を７５０ｍｍとして時計回りに旋回するパターンである。各プラズマトーチ７は鋳型２の鋳壁から６２．５ｍｍほど内側で旋回される。そして、プラズマトーチ７の移動速度は５０ｍｍ／ｓｅｃで一定である。よって、プラズマトーチ７のトーチ移動周期は３０ｓｅｃである。
【００６０】
これに対して、流動凝固計算で求める操業条件では、図６Ａに示すように、プラズマトーチ７の本数は１本であり、プラズマトーチ７の出力は２００〜２５０ｋＷである。また、プラズマトーチ７の移動パターンは、トーチ有効加熱幅を３７５ｍｍとして同一線上を往復するパターンである。そこで、鋳型２を上方から見たモデル図である図１３に示すように、プラズマトーチ７が移動する片道の距離である２９０ｍｍのうち、中央の２１０ｍｍを移動する速度を３０ｍｍ／ｓｅｃ、その両側の４０ｍｍを移度する速度をそれぞれ１０ｍｍ／ｓｅｃにすることで、プラズマトーチ７のトーチ移動周期を予め得ている操業条件のトーチ移動周期（３０ｓｅｃ）に一致させた。
【００６１】
また、初期凝固部１５を１２個の部位１５ａに分割した各部位（図９Ａ参照）における平均入熱量を、予め得ている操業条件の平均入熱量にほぼ一致させた。各部位１５ａにおける平均入熱量を図１４に示す。ここで、プラズマトーチ７の出力は２００ｋＷである。また、Ｃａｓｅ（１）は、予め得ている操業条件における各部位１５ａの平均入熱量、Ｃａｓｅ（２）は、求める操業条件において、Ｃａｓｅ（１）の平均入熱量にほぼ一致させた各部位１５ａの平均入熱量である。
【００６２】
ここで、図１０Ａに示すように、予め得ている操業条件では、トーチ加熱領域１７は鋳型２によって３方を囲まれている。これに対して、図１０Ｂに示すように、求める操業条件においては、トーチ加熱領域１７は鋳型２によって４方を囲まれている。このように、求める操業条件の方が鋳型２による冷却能力が大きいので、平均入熱量を補正値で補正した。補正値は、図６Ａに示す鋳型２の長辺及び短辺の長さ（ｍｍ）を用いて、以下の式（１）から算出した。
【００６３】
（３７５＋１２５＋３７５＋１２５）／（３７５＋１２５＋３７５）＝１．３  ・・・式（１）
【００６４】
この補正値をプラズマトーチ７の出力値にかけると、出力は２５０ｋＷとなる。また、この補正値で平均入熱量を補正した値であるスラブ平均入熱量をＣａｓｅ（３）として図１４に示す。各部位１５ａにおけるスラブ平均入熱量を１．０ＭＷ／ｍ２以上にすることで、溶湯１２の湯面近傍の凝固シェル１３の成長を好適に抑制することができる。これにより、良好な鋳肌のスラブ１１を得ることができる。
【００６５】
電磁攪拌を行わない場合における、通過熱流束とスラブ表面温度との関係を図１５Ａ〜Ｃに示す。図１５Ａ〜Ｃは、プラズマトーチ７が所定の移動パターンで１回移動する間に、図９Ｂに示す１２個の代表点において熱バランス指標（通過熱流束およびスラブ表面温度）をそれぞれ抽出してプロットしたものである。Ｃａｓｅ（１）における、通過熱流束とスラブ表面温度との関係を図１５Ａに示す。これに対して、Ｃａｓｅ（２）における、通過熱流束とスラブ表面温度との関係を図１５Ｂに示す。Ｃａｓｅ（２）における熱バランス指標の分布範囲は、Ｃａｓｅ（１）のものに対して全体的に低温側にシフトしている。
【００６６】
Ｃａｓｅ（３）における、通過熱流束とスラブ表面温度との関係を図１５Ｃに示す。Ｃａｓｅ（３）における熱バランス指標の分布範囲は、Ｃａｓｅ（１）のものと同等であり、溶湯１２の湯面への入熱量の不均一性が同程度であることがわかる。
【００６７】
熱バランス指標のヒストグラムを図１６Ａに示す。また、熱バランス指標の累積分布を図１６Ｂに示す。Ｃａｓｅ（１）とＣａｓｅ（３）とで熱バランス指標の分布がほぼ一致しており、両者は相似とみなせる入熱パターンとなっている。
【００６８】
このように、トーチ移動周期が、予め得た操業条件のトーチ移動周期にほぼ一致し、且つ、各部位１５ａにおいて、スラブ平均入熱量が、予め得た操業条件の平均入熱量にほぼ一致するように、プラズマトーチ７の本数、出力、および、移動パターンを決定することで、鋳肌を平滑化するための入熱パターンが得られることがわかる。
【００６９】
次に、溶湯移流時間が、予め得た操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致するように、電磁攪拌の撹拌力を決定し、その電磁撹拌パターンによる電磁撹拌を加えた。Ｃａｓｅ（１）における、通過熱流束とスラブ表面温度との関係を図１７Ａに、Ｃａｓｅ（２）における、通過熱流束とスラブ表面温度との関係を図１７Ｂに、Ｃａｓｅ（３）における、通過熱流束とスラブ表面温度との関係を図１７Ｃに、それぞれ示す。電磁撹拌を加えることで、熱バランス指標のばらつぎが緩和され、均熱化効果があらわれている。そして、Ｃａｓｅ（１）とＣａｓｅ（３）とでは、熱バランス指標が目標範囲に収まっている。一方、Ｃａｓｅ（２）では、目標範囲を下回る領域が存在している。これは、鋳型２の冷却能力が大きいことによる入熱不足が原因であると推定される。
【００７０】
熱バランス指標のヒストグラムを図１８Ａに示す。また、熱バランス指標の累積分布を図１８Ｂに示す。Ｃａｓｅ（１）とＣａｓｅ（３）とで熱バランス指標の分布がほぼ一致している。
【００７１】
このように、溶湯移流時間が、予め得た操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致するように、電磁攪拌の撹拌力を決定することで、鋳肌を平滑化するための電磁撹拌パターンが得られることがわかる。そして、入熱パターンをほぼ一致させた上で、電磁撹拌パターンをほぼ一致させることで、スラブサイズに寄らずに熱バランス指標の分布がほぼ一致することがわかる。
【００７２】
ここで、通過熱流束とスラブ表面温度との関係図である図１９に示すように、スラブ１１の表面温度ＴＳの目標温度範囲（８００℃＜ＴＳ＜１２５０℃）からのずれ幅をａｊとすると、スラブ１１の表面に凹凸が発生する頻度を示す凹凸発生頻度指数Ｄは、以下の式（２）のようになる。
【００７３】
Ｄ＝Σａｊ／Ｎ  ・・・式（２）
ここで、Ｎはデータ抽出点の総数である。Ｄが０の場合、スラブ１１のすべての箇所での鋳肌の凹凸が目標範囲以下となり、良好な鋳肌性状が得られることを示す。
【００７４】
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の内面から１０ｍｍ離れた位置でのＸ方向の流速（絶対値）の、−２Ｌ／５≦ｘ≦２Ｌ／５の範囲での平均値を用いて、溶湯移流時間を求めた。
【００７５】
溶湯移流時間と凹凸発生頻度指数Ｄとの関係を図２１に示す。この関係図では、電磁撹拌の撹拌力を変化させて、それぞれの撹拌力における計算結果をプロットしている。ここで、電磁撹拌の撹拌力が強いほど溶湯１２の流速が速くなって溶湯移流時間が短くなる。また、凹凸発生頻度指数Ｄが小さいほど鋳肌の性状が良好になる。
【００７６】
Ｃａｓｅ（１）およびＣａｓｅ（３）の計算結果から、入熱パターンを予め得た操業条件の入熱パターンに相似するように制御すれば、スラブサイズに寄らずに、溶湯移流時間によって電磁撹拌の条件と鋳肌性状との関係を整理することができることがわかる。そして、溶湯移流時間が３ｓｅｃ以下になるように撹拌力を増加させることで、鋳肌性状が改善することがわかる。このように、溶湯移流時間によって、電磁撹拌による鋳肌改善の挙動を定量的に評価することができる。
【００７７】
一方、Ｃａｓｅ（２）の計算結果から、入熱パターンが予め得た操業条件の入熱パターンに相似していなければ、撹拌力を増加させても鋳肌性状は改善しないことがわかる。
【００７８】
（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スラブの連続鋳造方法によると、トーチ移動周期が、予め得た操業条件のトーチ移動周期にほぼ一致し、且つ、スラブ平均入熱量が、予め得た操業条件の平均入熱量にほぼ一致するように、プラズマトーチ７の本数、出力、および、移動パターンを決定する。ここで、予め得た操業条件の入熱パターンに対して、プラズマトーチ７の移動による溶湯１２の湯面への入熱量の時間変化および空間変動による不均一性がほぼ一致した入熱パターンが、求める入熱パターンであると推定される。そこで、プラズマトーチ７の移動による溶湯１２の湯面への入熱量の不均一性をほぼ一致させるために、トーチ移動周期を予め得た操業条件のトーチ移動周期にほぼ一致させる。また、予め得た操業条件の入熱パターンに対して、初期凝固部１５を複数に分割してなる複数の部位１５ａの各々における平均入熱量がほぼ一致した入熱パターンが、求める入熱パターンであると推定される。そこで、各部位１５ａにおける平均入熱量を予め得た操業条件の各部位における平均入熱量にほぼ一致させる。ここで、トーチ加熱領域１７を鋳型２が囲む長さが長いほど、鋳型２による冷却能力が大きくなる。そこで、平均入熱量を補正値で補正したスラブ平均入熱量を、予め得た操業条件の平均入熱量にほぼ一致させる。このようにして、プラズマトーチ７の本数、出力、および、移動パターンを決定することで、鋳肌を平滑化するための入熱パターンを得ることができる。
【００７９】
また、本実施形態によれば、溶湯移流時間が、予め得た操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致するように、電磁攪拌の撹拌力を決定する。ここで、予め得た操業条件の電磁撹拌パターンに対して、溶湯移流時間がほぼ一致した電磁撹拌パターンが、求める電磁撹拌パターンであると推定される。そこで、溶湯移流時間を予め得た操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致させる。このようにして、電磁攪拌の撹拌力を決定することで、鋳肌を平滑化するための電磁撹拌パターンを得ることができる。
【００８０】
そして、得られた入熱パターンおよび電磁撹拌パターンを用いてスラブ１１の鋳造を行うことで、鋳型２とスラブ１１とが接触する完全接触領域１６におけるスラブ１１の表面温度ＴＳの平均値を、良好な鋳肌が得られる所定の範囲（８００℃＜ＴＳ＜１２５０℃）に収めることができる。これにより、どのようなサイズのスラブ１１を鋳造しても、鋳肌を平滑化することができる。
【００８１】
また、スラブ平均入熱量を１．０ＭＷ／ｍ２以上にすることで、溶湯１２の湯面近傍の凝固シェル１３の成長を好適に抑制することができる。これにより、良好な鋳肌のスラブ１１を得ることができる。
【００８２】
また、電磁撹拌の撹拌力を増加させて、溶湯移流時間を３ｓｅｃ以下にすることで、鋳肌性状を好適に改善することができる。
【００８３】
（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。
【符号の説明】
【００８４】
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  プラズマトーチ
１１  スラブ
１２  溶湯
１３  凝固シェル
１４  エアギャップ
１５  初期凝固部
１５ａ  部位
１６  完全接触領域
１７  トーチ加熱領域
【図１】
2015160213.tif 000003
【図２】
2015160213.tif 000004
【図３Ａ】
2015160213.tif 000005
【図３Ｂ】
2015160213.tif 000006
【図４Ａ】
2015160213.tif 000007
【図４Ｂ】
2015160213.tif 000008
【図５Ａ】
2015160213.tif 000009
【図５Ｂ】
2015160213.tif 000010
【図６Ａ】
2015160213.tif 000011
【図６Ｂ】
2015160213.tif 000012
【図７】
2015160213.tif 000013
【図８】
2015160213.tif 000014
【図９Ａ】
2015160213.tif 000015
【図９Ｂ】
2015160213.tif 000016
【図１０Ａ】
2015160213.tif 000017
【図１０Ｂ】
2015160213.tif 000018
【図１１】
2015160213.tif 000019
【図１２】
2015160213.tif 000020
【図１３】
2015160213.tif 000021
【図１４】
2015160213.tif 000022
【図１５Ａ】
2015160213.tif 000023
【図１５Ｂ】
2015160213.tif 000024
【図１５Ｃ】
2015160213.tif 000025
【図１６Ａ】
2015160213.tif 000026
【図１６Ｂ】
2015160213.tif 000027
【図１７Ａ】
2015160213.tif 000028
【図１７Ｂ】
2015160213.tif 000029
【図１７Ｃ】
2015160213.tif 000030
【図１８Ａ】
2015160213.tif 000031
【図１８Ｂ】
2015160213.tif 000032
【図１９】
2015160213.tif 000033
【図２０】
2015160213.tif 000034
【図２１】
2015160213.tif 000035
【手続補正書】
【提出日】平成26年8月26日(2014.8.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタンまたはチタン合金を溶解させた溶湯を断面矩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スラブを連続的に鋳造する連続鋳造方法であって、
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を前記湯面上において所定の移動パターンで一回移動させるのに要する時間であるトーチ移動周期が、所定の操業条件のトーチ移動周期にほぼ一致し、且つ、前記溶湯が前記鋳型に触れて最初に凝固する部分である初期凝固部を前記鋳型の周方向に複数に分割してなる複数の部位の各々において、前記部位への入熱量を前記部位の前記鋳型に沿った長さ方向に平均した平均入熱量に、前記溶湯の湯面のうち各プラズマトーチが加熱する領域であるトーチ加熱領域を前記鋳型が囲む長さに基づいた補正値をかけた値であるスラブ平均入熱量が、前記操業条件の平均入熱量にほぼ一致するように、前記プラズマトーチの本数、出力、および、移動パターンを決定するとともに、
水平方向に旋回する流れを前記溶湯の少なくとも湯面に生じさせる電磁攪拌により、前記鋳型の長辺方向における前記トーチ加熱領域の幅を前記溶湯が移流するのに要する時間である溶湯移流時間が、前記操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致するように、前記電磁攪拌の撹拌力を決定することを特徴とするチタンまたはチタン合金からなるスラブの連続鋳造方法。
【請求項２】
前記スラブ平均入熱量を１．０ＭＷ／ｍ2以上にす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スラブの連続鋳造方法。
【請求項３】
前記溶湯移流時間を３ｓｅｃ以下にす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スラブの連続鋳造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタンまたはチタン合金からなるスラブを連続的に鋳造する、チタンまたはチタン合金からなるスラブの連続鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３０７７３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
ここで、溶湯が鋳型に触れて最初に凝固する部分である初期凝固部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る。そこで、溶湯の湯面近傍における初期凝固部への入抜熱状態を適切に制御することで、良好な鋳肌の鋳塊が得られると考えられる。
【０００７】
ところが、プラズマアーク溶解により、例えば２５０×１５００ｍｍ程度の大型のスラブを連続鋳造する場合には、プラズマトーチの加熱範囲に限界がある。そのため、断面矩形の鋳型に沿ってプラズマトーチを水平方向に移動させて、鋳型近傍の初期凝固部の成長を抑制しながら引抜きを行う必要がある。
【０００８】
ところが、鋳型の長辺側ではプラズマトーチの滞留時間が長いために、初期凝固部への入熱が大きく、凝固シェルが薄くなる。一方、鋳型の短辺側やコーナー部では、プラズマトーチの滞留時間が短いために、初期凝固部への入熱が不足し凝固シェルが成長する（厚くなる）。これにより、スラブの位置によって凝固挙動が不均一となり、鋳肌性状の悪化につながる。
【０００９】
そこで、電磁撹拌によって水平方向に旋回する流れ（旋回流）を溶湯の少なくとも湯面に生じさせる。この旋回流によって、鋳型の長辺部に滞留する熱い溶湯が、凝固シェルが成長しやすい鋳型の短辺部やコーナー部に移流される。これにより、プラズマトーチの滞留時間が長い鋳型の長辺側での温度上昇、および、プラズマトーチの滞留時間が短い鋳型の短辺側やコーナー部での温度低下が緩和される。
【００１０】
しかしながら、鋳造するスラブのサイズによって、鋳肌を平滑化するために必要なプラズマトーチの本数や出力、移動パターンが異なる。また、鋳造するスラブのサイズによって、鋳肌を平滑化するために必要な電磁撹拌の撹拌力が異なる。そのため、鋳造するスラブのサイズ毎に、入熱パターンや電磁撹拌パターンといった、鋳肌を平滑化するための操業条件を評価しなければならず、煩雑である。
【００１１】
本発明の目的は、どのようなサイズのスラブを鋳造しても、鋳肌を平滑化することが可能なチタンまたはチタン合金からなるスラブの連続鋳造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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矩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スラブを連続的に鋳造する連続鋳造方法であって、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を前記湯面上において所定の移動パターンで一回移動させるのに要する時間であるトーチ移動周期が、所定の操業条件のトーチ移動周期にほぼ一致し、且つ、前記溶湯が前記鋳型に触れて最初に凝固する部分である初期凝固部を前記鋳型の周方向に複数に分割してなる複数の部位の各々において、前記部位への入熱量を前記部位の前記鋳型に沿った長さ方向に平均した平均入熱量に、前記溶湯の湯面のうち各プラズマトーチが加熱する領域であるトーチ加熱領域を前記鋳型が囲む長さに基づいた補正値をかけた値であるスラブ平均入熱量が、前記操業条件の平均入熱量にほぼ一致するように、前記プラズマトーチの本数、出力、および、移動パターンを決定するとともに、水平方向に旋回する流れを前記溶湯の少なくとも湯面に生じさせる電磁攪拌により、前記鋳型の長辺方向における前記トーチ加熱領域の幅を前記溶湯が移流するのに要する時間である溶湯移流時間が、前記操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致するように、前記電磁攪拌の撹拌力を決定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、トーチ移動周期が、所定の操業条件のトーチ移動周期にほぼ一致し、且つ、スラブ平均入熱量が、上記の操業条件の平均入熱量にほぼ一致するように、プラズマトーチの本数、出力、および、移動パターンを決定する。ここで、上記の操業条件の入熱パターンに対して、プラズマトーチの移動による溶湯の湯面への入熱量の時間変化および空間変動による不均一性がほぼ一致した入熱パターンが、求める入熱パターンであると推定される。そこで、プラズマトーチの移動による溶湯の湯面への入熱量の不均一性をほぼ一致させるために、トーチ移動周期を上記の操業条件のトーチ移動周期にほぼ一致させる。また、上記の操業条件の入熱パターンに対して、初期凝固部を複数に分割してなる複数の部位の各々における平均入熱量がほぼ一致した入熱パターンが、求める入熱パターンであると推定される。そこで、各部位における平均入熱量を上記の操業条件の各部位における平均入熱量にほぼ一致させる。ここで、トーチ加熱領域を鋳型が囲む長さが長いほど、鋳型による冷却能力が大きくなる。そこで、平均入熱量を補正値で補正したスラブ平均入熱量を、上記の操業条件の平均入熱量にほぼ一致させる。このようにして、プラズマトーチの本数、出力、および、移動パターンを決定することで、鋳肌を平滑化するための入熱パターンを得ることができる。
【００１４】
また、本発明によれば、溶湯移流時間が、上記の操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致するように、電磁攪拌の撹拌力を決定する。ここで、上記の操業条件の電磁撹拌パターンに対して、溶湯移流時間がほぼ一致した電磁撹拌パターンが、求める電磁撹拌パターンであると推定される。そこで、溶湯移流時間を上記の操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致させる。このようにして、電磁攪拌の撹拌力を決定することで、鋳肌を平滑化するための電磁撹拌パターンを得ることができる。
【００１５】
そして、得られた入熱パターンおよび電磁撹拌パターンを用いてスラブの鋳造を行うことで、鋳型とスラブとが接触する完全接触領域におけるスラブの表面温度の平均値を、良好な鋳肌が得られる所定の範囲に収めることができる。これにより、どのようなサイズのスラブを鋳造しても、鋳肌を平滑化することができる。
【００１６】
なお、ほぼ一致とは、完全一致を含み、上記の操業条件と求める操業条件とで、トーチ移動周期などが実質的に等しいとみなせる程度に一致していることを意味する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】連続鋳造装置を示す斜視図である。
【図２】連続鋳造装置を示す断面図である。
【図３Ａ】表面欠陥の発生メカニズムを表す説明図である。
【図３Ｂ】表面欠陥の発生メカニズムを表す説明図である。
【図４Ａ】スラブの表面写真である。
【図４Ｂ】スラブの表面写真である。
【図５Ａ】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図５Ｂ】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図６Ａ】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図６Ｂ】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図７】鋳型とスラブとの完全接触領域のモデル図である。
【図８】通過熱流束とスラブ表面温度との関係を示す図である。
【図９Ａ】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図９Ｂ】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図１０Ａ】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図１０Ｂ】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図１１】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図１２】スラブ表面温度の時間変化を表す図である。
【図１３】鋳型を上方から見たモデル図である。
【図１４】初期凝固部を複数の部位に分割した各部位における平均入熱量を示す図である。
【図１５Ａ】通過熱流束とスラブ表面温度との関係を示す図である。
【図１５Ｂ】通過熱流束とスラブ表面温度との関係を示す図である。
【図１５Ｃ】通過熱流束とスラブ表面温度との関係を示す図である。
【図１６Ａ】熱バランス指標のヒストグラムを示す図である。
【図１６Ｂ】熱バランス指標の累積分布を示す図である。
【図１７Ａ】通過熱流束とスラブ表面温度との関係を示す図である。
【図１７Ｂ】通過熱流束とスラブ表面温度との関係を示す図である。
【図１７Ｃ】通過熱流束とスラブ表面温度との関係を示す図である。
【図１８Ａ】熱バランス指標のヒストグラムを示す図である。
【図１８Ｂ】熱バランス指標の累積分布を示す図である。
【図１９】通過熱流束とスラブ表面温度との関係を示す図である。
【図２０】鋳型２を上方から見たモデル図である。
【図２１】溶湯移流時間と凹凸発生頻度指数との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
（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スラブの連続鋳造方法は、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矩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スラブを連続的に鋳造する連続鋳造方法である。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スラブの連続鋳造装置（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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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スラブ１１が下方に引抜かれながら連続的に鋳造される。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
（操業条件）
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スラブ１１を鋳造することが求められる。
【００２６】
ここで、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、チタンからなるスラブ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１０ｍｍ程度までの領域）においてのみ鋳型２とスラブ１１（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スラブ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。「ちぎれ欠陥」が発生したスラブ１１の表面写真を図４Ａに、「湯被り欠陥」が発生したスラブ１１の表面写真を図４Ｂに、それぞれ示す。
【００２７】
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る。そこで、溶湯１２の湯面近傍における初期凝固部１５への入抜熱状態を適切に制御することで、良好な鋳肌のスラブ１１が得られると考えられる。
【００２８】
ここで、鋳型２を上方から見たモデル図である図５Ａに示すように、プラズマアーク溶解により、例えば２５０×１５００ｍｍといった大型サイズのスラブ１１を連続鋳造する場合には、プラズマトーチ７の加熱範囲に限界がある。そのため、出力が大きいプラズマトーチ７を複数用いて、湯面全体を加熱する必要がある。図５Ａにおいては、出力が大きいプラズマトーチ７を２本用いている。また、スラブ１１の厚みが厚いため、鋳型２の短辺側やコーナー部において凝固シェル１３の成長を抑制するには、鋳型２に沿ってプラズマトーチ７を旋回移動させる必要がある。ここで、図５Ａに示す矢印は、プラズマトーチ７が移動する経路を示している。
【００２９】
ところが、鋳型２の長辺側ではプラズマトーチ７の滞留時間が長いために、初期凝固部１５への入熱が大きく、凝固シェル１３が薄くなる。一方、鋳型２の短辺側やコーナー部では、プラズマトーチ７の滞留時間が短いために、初期凝固部１５への入熱が不足し凝固シェル１３が成長する（厚くなる）。これにより、スラブ１１の位置によって凝固挙動が不均一となり、鋳肌性状の悪化につながる。
【００３０】
そこで、鋳型２を上方から見たモデル図である図５Ｂに示すように、鋳型２の側方に配置した図示しない電磁攪拌装置（ＥＭＳ）で鋳型２内の溶湯１２の少なくとも湯面を電磁誘導により攪拌する。ＥＭＳは、コイル鉄心にＥＭＳコイルを巻回したものである。ＥＭＳによる電磁撹拌によって、水平方向に旋回する流れ（旋回流）を溶湯の湯面もしくは湯面近傍に生じさせる。この旋回流によって、鋳型２の長辺部に滞留する熱い溶湯１２が、凝固シェル１３が成長しやすい鋳型２の短辺部やコーナー部に移流される。これにより、プラズマトーチ７の滞留時間が長い鋳型２の長辺側での温度上昇、および、プラズマトーチ７の滞留時間が短い鋳型２の短辺側やコーナー部での温度低下が緩和される。
【００３１】
なお、溶湯１２の少なくとも湯面における旋回流の方向は、プラズマトーチ７の旋回方向と一致していてもよいし、逆方向であってもよい。ただし、プラズマトーチ７の旋回方向とは逆方向に溶湯１２の少なくとも湯面を旋回させることで、スラブ１１の表面温度の変動幅を小さくすることができる。
【００３２】
ここで、大型サイズのスラブ１１を連続鋳造する場合、電磁撹拌によって湯面全体に熱を移流させるためには、大きな撹拌力によって溶湯１２の流速を速める必要がある。
【００３３】
一方、鋳型２を上方から見たモデル図である図６Ａに示すように、プラズマアーク溶解により、例えば１２５×３７５ｍｍといった小型サイズのスラブ１１を連続鋳造する場合には、湯面の面積が小さいため、出力が小さい１本のプラズマトーチ７で湯面全体を加熱することが可能である。また、スラブ１１の厚みが薄いため、同一線上においてプラズマトーチ７を往復移動させることで、鋳型２の短辺側やコーナー部において凝固シェル１３の成長を抑制することが可能である。ここで、図６Ａに示す矢印は、プラズマトーチ７が移動する経路を示している。
【００３４】
また、鋳型２を上方から見たモデル図である図６Ｂに示すように、小型サイズのスラブ１１を連続鋳造する場合、電磁撹拌による撹拌力が小さくて溶湯１２の流速が遅めであっても、湯面全体に熱を移流させることが可能である。
【００３５】
このように、鋳造するスラブ１１のサイズによって、鋳肌を平滑化するために必要なプラズマトーチ７の本数や出力、移動パターンが異なる。また、鋳造するスラブ１１のサイズによって、鋳肌を平滑化するために必要な電磁撹拌の撹拌力が異なる。そのため、鋳造するスラブ１１のサイズ毎に、入熱パターンや電磁撹拌パターンといった、鋳肌を平滑化するための操業条件を評価しなければならず、煩雑である。
【００３６】
ここで、鋳型２とスラブ１１との完全接触領域１６のモデル図を図７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とスラブ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、スラブ１１の表面から鋳型２への通過熱流束ｑが生じる。Ｄは凝固シェル１３の厚みである。
【００３７】
通過熱流束ｑとスラブ１１の表面温度ＴSとの関係を図８に示す。ここで、熱バランス指標である通過熱流束ｑ［Ｗ／ｍ2］およびスラブ１１の表面温度ＴS［℃］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とスラブ１１との完全接触領域１６におけるスラブ１１の表面温度ＴSの平均値が８００℃＜ＴS＜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スラブ１１を得ることができることがわかる。
【００３８】
よって、鋳肌の状態が良好なスラブ１１を得るには、鋳肌を平滑化することが可能な操業条件において、プラズマトーチ７が所定の移動パターンで一回移動する間、完全接触領域１６におけるスラブ１１の平均表面温度が８００℃＜ＴS＜１２５０℃の範囲に収まるようにすればよい。
【００３９】
そこで、本実施形態においては、予め特定のサイズのスラブ１１を鋳造して、このスラブ１１の鋳肌を平滑化可能な操業条件を得ておく。そして、このサイズのスラブ１１とはサイズが異なるスラブ１１において、鋳肌を平滑化可能な操業条件を求めるに当たり、トーチ移動周期およびスラブ平均入熱量が、予め得た操業条件のトーチ移動周期および平均入熱量にほぼ一致するように、プラズマトーチ７の本数、出力、および、移動パターンを決定している。
【００４０】
なお、本実施形態において、「ほぼ一致」とは、完全一致を含み、予め得た操業条件と求める操業条件とで、トーチ移動周期などが実質的に等しいとみなせる程度に一致していることを意味する。
【００４１】
ここで、トーチ移動周期とは、鋳型２内の溶湯１２の湯面を加熱するプラズマトーチ７を湯面上において所定の移動パターンで一回移動させるのに要する時間である。具体的には、トーチ移動周期は、プラズマトーチ７の一回分の移動距離をプラズマトーチ７の移動速度で割ったものである。
【００４２】
図５Ａに示すように、大型のスラブ１１を鋳造する場合、プラズマトーチ７が湯面上を所定の速度で旋回移動される。プラズマトーチ７を１周させるのに要する時間がトーチ移動周期である。また、図６Ａに示すように、小型のスラブ１１を鋳造する場合、プラズマトーチ７が湯面上を所定の速度で往復移動される。プラズマトーチ７を１往復させるのに要する時間がトーチ移動周期である。
【００４３】
ここで、溶湯１２の湯面の同じ箇所においてみた場合、移動するプラズマトーチ７が近づいたり離れたりすることで、時間の経過とともに入熱量が変化する。また、溶湯１２の湯面全体でみた場合、プラズマトーチ７の移動とともに、プラズマトーチ７に近くて入熱量が多い箇所と、プラズマトーチ７から遠くて入熱量が少ない箇所とが変化する。このように、プラズマトーチ７が移動することによって、溶湯１２の湯面への入熱量に時間変化および空間変動による不均一性が生じる。
【００４４】
よって、予め得た操業条件の入熱パターンに対して、プラズマトーチ７の移動による溶湯１２の湯面への入熱量の時間変化および空間変動による不均一性がほぼ一致した入熱パターンが、求める入熱パターンであると推定される。そこで、プラズマトーチ７の移動による溶湯１２の湯面への入熱量の不均一性をほぼ一致させるために、トーチ移動周期を予め得た操業条件のトーチ移動周期にほぼ一致させる。
【００４５】
また、平均入熱量とは、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）（図３Ａ、図３Ｂ参照）を鋳型２の周方向に複数に分割してなる複数の部位の各々において、ある部位への入熱量をその部位の鋳型２に沿った長さ方向に平均したものである。スラブ平均入熱量とは、平均入熱量に補正値をかけた値である。補正値は、トーチ加熱領域を鋳型２が囲む長さに基づいた値である。トーチ加熱領域は、溶湯１２の湯面のうち各プラズマトーチ７が加熱する領域である。
【００４６】
本実施形態においては、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、初期凝固部１５を鋳型２の内周に沿ってコーナー（１）〜（４）、長辺１／４（１），（２）、長辺１／２（１），（２）、長辺３／４（１），（２）、短辺（１），（２）の合計１２個の部位１５ａに分割して、各部位１５ａにおける平均入熱量を求めている。また、鋳型２を上方から見たモデル図である図９Ｂに示すように、１２個の部位１５ａの各々において代表点を設定している。即ち、コーナー（１）〜（４）および短辺（１），（２）においては、鋳型２の壁面に沿った長さ方向の中心位置に代表点をそれぞれ設定している。また、長辺１／４（１），（２）、長辺１／２（１），（２）、長辺３／４（１），（２）においては、図中左から右に向かって、鋳型２の長辺の１／４の位置、鋳型２の長辺の１／２の位置、鋳型２の長辺の３／４の位置に、それぞれ代表点を設定している。
【００４７】
また、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、２本のプラズマトーチ７を使用して大型のスラブ１１を鋳造する場合、溶湯１２の湯面の半分が、各プラズマトーチ７が加熱するトーチ加熱領域１７である。一方、鋳型２を上方から見たモデル図である図１０Ｂに示すように、１本のプラズマトーチ７を使用して小型のスラブ１１を鋳造する場合、溶湯１２の湯面の全部が、プラズマトーチ７が加熱するトーチ加熱領域１７である。
【００４８】
上述したように、溶湯１２の湯面近傍の凝固シェル１３の成長は、初期凝固部１５への入熱状況に大きく影響を受ける。図３Ａに示したように、初期凝固部１５への入熱が過多の場合、「ちぎれ欠陥」が発生する。一方、図３Ｂに示したように、初期凝固部１５への入熱が不足すると、「湯被り欠陥」が発生する。
【００４９】
よって、予め得た操業条件の入熱パターンに対して、初期凝固部１５への入熱状況がほぼ一致した入熱パターン、より具体的には、初期凝固部１５を複数に分割してなる複数の部位１５ａの各々における平均入熱量がほぼ一致した入熱パターンが、求める入熱パターンであると推定される。そこで、各部位１５ａにおける平均入熱量を予め得た操業条件の各部位における平均入熱量にほぼ一致させる。
【００５０】
しかしながら、図１０Ａに示すトーチ加熱領域１７が、鋳型２によって３方を囲まれているのに対して、図１０Ｂに示すトーチ加熱領域１７は、鋳型２によって４方を囲まれている。そして、トーチ加熱領域１７を鋳型２が囲む長さが長いほど、鋳型２による冷却能力が大きくなる。そこで、予め得た操業条件のトーチ加熱領域１７と、求めたい操業条件のトーチ加熱領域１７とで、鋳型２による冷却能力が異なる場合には、求めたい操業条件の平均入熱量を、トーチ加熱領域１７を鋳型２が囲む長さに基づいた補正値で補正する。そして、平均入熱量を補正値で補正したスラブ平均入熱量を、予め得た操業条件の平均入熱量にほぼ一致させる。
【００５１】
このように、トーチ移動周期が、予め得た操業条件のトーチ移動周期にほぼ一致し、且つ、スラブ平均入熱量が、予め得た操業条件の平均入熱量にほぼ一致するように、プラズマトーチ７の本数、出力、および、移動パターンを決定する。これにより、鋳肌を平滑化するための入熱パターンを得ることができる。
【００５２】
また、本実施形態においては、電磁攪拌による溶湯移流時間が、予め得た操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致するように、電磁攪拌の撹拌力を決定している。ここで、溶湯移流時間とは、鋳型２の長辺方向におけるトーチ加熱領域１７の幅を溶湯１２が移流するのに要する時間である。具体的には、溶湯移流時間は、鋳型２の長辺方向におけるトーチ加熱領域１７の幅（トーチ有効加熱幅）を鋳型２近傍の溶湯１２の流速で除した値である。
【００５３】
図１０Ａに示すように、大型のスラブ１１を鋳造する場合、各プラズマトーチ７のトーチ加熱領域１７は、溶湯１２の湯面の半分であるので、トーチ有効加熱幅は鋳型２の長辺の１／２の長さである。一方、図１０Ｂに示すように、小型のスラブ１１を鋳造する場合、プラズマトーチ７のトーチ加熱領域１７は、溶湯１２の湯面の全部であるので、トーチ有効加熱幅は鋳型２の長辺の全長である。
【００５４】
ここで、鋳型２を上方から見たモデル図である図１１に示すように、プラズマトーチ７が湯面の図中左側に移動すると、プラズマトーチ７から離れた図中右側の湯面において溶湯１２の温度が低下する。そこで、矢印で示すように、電磁撹拌によって、湯面の左側の熱い溶湯１２を湯面の右側に移流させる。これにより、スラブ１１の表面温度の時間変化を表す図である図１２に示すように、電磁撹拌がない場合に比べて、溶湯１２の温度低下が緩和され、スラブ表面温度が均一化される。
【００５５】
しかしながら、トーチ有効加熱幅を溶湯１２が移流するのに要する時間である溶湯移流時間が異なると、時間の経過に伴うスラブ１１の表面温度の変化の度合いが異なってくる。具体的には、溶湯移流時間が短いほどスラブ１１の表面温度の時間変化が小さくなり、スラブ１１の表面温度が均一化される。よって、予め得た操業条件の電磁撹拌パターンに対して、溶湯移流時間がほぼ一致した電磁撹拌パターンが、求める電磁撹拌パターンであると推定される。そこで、溶湯移流時間を予め得た操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致させる。
【００５６】
このように、溶湯移流時間が、予め得た操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致するように、電磁攪拌の撹拌力を決定する。これにより、鋳肌を平滑化するための電磁撹拌パターンを得ることができる。
【００５７】
そして、得られた入熱パターンおよび電磁撹拌パターンを用いてスラブ１１の鋳造を行うことで、鋳型２とスラブ１１とが接触する完全接触領域１６におけるスラブ１１の表面温度ＴSの平均値を、良好な鋳肌が得られる所定の範囲（８００℃＜ＴS＜１２５０℃）に収めることができる。これにより、どのようなサイズのスラブ１１を鋳造しても、鋳肌を平滑化することができる。
【００５８】
（流動凝固計算）
次に、流動凝固計算により、全周にわたって鋳肌が良好なスラブ１１を得るための操業条件を得た。具体的には、予め２５０×１５００ｍｍの大型サイズのスラブ１１の鋳肌を平滑化可能な操業条件を得ておき、流動凝固計算により、１２５×３７５ｍｍの小型サイズのスラブ１１の鋳肌を平滑化可能な操業条件を得た。
【００５９】
予め得ている操業条件では、図５Ａに示すように、プラズマトーチ７の本数は２本であり、各プラズマトーチ７の出力は７５０ｋＷである。また、各プラズマトーチ７の移動パターンは、トーチ有効加熱幅を７５０ｍｍとして時計回りに旋回するパターンである。各プラズマトーチ７は鋳型２の鋳壁から６２．５ｍｍほど内側で旋回される。そして、プラズマトーチ７の移動速度は５０ｍｍ／ｓｅｃで一定である。よって、プラズマトーチ７のトーチ移動周期は３０ｓｅｃである。
【００６０】
これに対して、流動凝固計算で求める操業条件では、図６Ａに示すように、プラズマトーチ７の本数は１本であり、プラズマトーチ７の出力は２００〜２５０ｋＷである。また、プラズマトーチ７の移動パターンは、トーチ有効加熱幅を３７５ｍｍとして同一線上を往復するパターンである。そこで、鋳型２を上方から見たモデル図である図１３に示すように、プラズマトーチ７が移動する片道の距離である２９０ｍｍのうち、中央の２１０ｍｍを移動する速度を３０ｍｍ／ｓｅｃ、その両側の４０ｍｍを移度する速度をそれぞれ１０ｍｍ／ｓｅｃにすることで、プラズマトーチ７のトーチ移動周期を予め得ている操業条件のトーチ移動周期（３０ｓｅｃ）に一致させた。
【００６１】
また、初期凝固部１５を１２個の部位１５ａに分割した各部位（図９Ａ参照）における平均入熱量を、予め得ている操業条件の平均入熱量にほぼ一致させた。各部位１５ａにおける平均入熱量を図１４に示す。ここで、プラズマトーチ７の出力は２００ｋＷである。また、Ｃａｓｅ（１）は、予め得ている操業条件における各部位１５ａの平均入熱量、Ｃａｓｅ（２）は、求める操業条件において、Ｃａｓｅ（１）の平均入熱量にほぼ一致させた各部位１５ａの平均入熱量である。
【００６２】
ここで、図１０Ａに示すように、予め得ている操業条件では、トーチ加熱領域１７は鋳型２によって３方を囲まれている。これに対して、図１０Ｂに示すように、求める操業条件においては、トーチ加熱領域１７は鋳型２によって４方を囲まれている。このように、求める操業条件の方が鋳型２による冷却能力が大きいので、平均入熱量を補正値で補正した。補正値は、図６Ａに示す鋳型２の長辺及び短辺の長さ（ｍｍ）を用いて、以下の式（１）から算出した。
【００６３】
（３７５＋１２５＋３７５＋１２５）／（３７５＋１２５＋３７５）＝１．３  ・・・式（１）
【００６４】
この補正値をプラズマトーチ７の出力値にかけると、出力は２５０ｋＷとなる。また、この補正値で平均入熱量を補正した値であるスラブ平均入熱量をＣａｓｅ（３）として図１４に示す。各部位１５ａにおけるスラブ平均入熱量を１．０ＭＷ／ｍ2以上にすることで、溶湯１２の湯面近傍の凝固シェル１３の成長を好適に抑制することができる。これにより、良好な鋳肌のスラブ１１を得ることができる。
【００６５】
電磁攪拌を行わない場合における、通過熱流束とスラブ表面温度との関係を図１５Ａ〜Ｃに示す。図１５Ａ〜Ｃは、プラズマトーチ７が所定の移動パターンで１回移動する間に、図９Ｂに示す１２個の代表点において熱バランス指標（通過熱流束およびスラブ表面温度）をそれぞれ抽出してプロットしたものである。Ｃａｓｅ（１）における、通過熱流束とスラブ表面温度との関係を図１５Ａに示す。これに対して、Ｃａｓｅ（２）における、通過熱流束とスラブ表面温度との関係を図１５Ｂに示す。Ｃａｓｅ（２）における熱バランス指標の分布範囲は、Ｃａｓｅ（１）のものに対して全体的に低温側にシフトしている。
【００６６】
Ｃａｓｅ（３）における、通過熱流束とスラブ表面温度との関係を図１５Ｃに示す。Ｃａｓｅ（３）における熱バランス指標の分布範囲は、Ｃａｓｅ（１）のものと同等であり、溶湯１２の湯面への入熱量の不均一性が同程度であることがわかる。
【００６７】
熱バランス指標のヒストグラムを図１６Ａに示す。また、熱バランス指標の累積分布を図１６Ｂに示す。Ｃａｓｅ（１）とＣａｓｅ（３）とで熱バランス指標の分布がほぼ一致しており、両者は相似とみなせる入熱パターンとなっている。
【００６８】
このように、トーチ移動周期が、予め得た操業条件のトーチ移動周期にほぼ一致し、且つ、各部位１５ａにおいて、スラブ平均入熱量が、予め得た操業条件の平均入熱量にほぼ一致するように、プラズマトーチ７の本数、出力、および、移動パターンを決定することで、鋳肌を平滑化するための入熱パターンが得られることがわかる。
【００６９】
次に、溶湯移流時間が、予め得た操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致するように、電磁攪拌の撹拌力を決定し、その電磁撹拌パターンによる電磁撹拌を加えた。Ｃａｓｅ（１）における、通過熱流束とスラブ表面温度との関係を図１７Ａに、Ｃａｓｅ（２）における、通過熱流束とスラブ表面温度との関係を図１７Ｂに、Ｃａｓｅ（３）における、通過熱流束とスラブ表面温度との関係を図１７Ｃに、それぞれ示す。電磁撹拌を加えることで、熱バランス指標のばらつぎが緩和され、均熱化効果があらわれている。そして、Ｃａｓｅ（１）とＣａｓｅ（３）とでは、熱バランス指標が目標範囲に収まっている。一方、Ｃａｓｅ（２）では、目標範囲を下回る領域が存在している。これは、鋳型２の冷却能力が大きいことによる入熱不足が原因であると推定される。
【００７０】
熱バランス指標のヒストグラムを図１８Ａに示す。また、熱バランス指標の累積分布を図１８Ｂに示す。Ｃａｓｅ（１）とＣａｓｅ（３）とで熱バランス指標の分布がほぼ一致している。
【００７１】
このように、溶湯移流時間が、予め得た操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致するように、電磁攪拌の撹拌力を決定することで、鋳肌を平滑化するための電磁撹拌パターンが得られることがわかる。そして、入熱パターンをほぼ一致させた上で、電磁撹拌パターンをほぼ一致させることで、スラブサイズに寄らずに熱バランス指標の分布がほぼ一致することがわかる。
【００７２】
ここで、通過熱流束とスラブ表面温度との関係図である図１９に示すように、スラブ１１の表面温度ＴSの目標温度範囲（８００℃＜ＴS＜１２５０℃）からのずれ幅をａjとすると、スラブ１１の表面に凹凸が発生する頻度を示す凹凸発生頻度指数Ｄは、以下の式（２）のようになる。
【００７３】
Ｄ＝Σａj／Ｎ  ・・・式（２）
ここで、Ｎはデータ抽出点の総数である。Ｄが０の場合、スラブ１１のすべての箇所での鋳肌の凹凸が目標範囲以下となり、良好な鋳肌性状が得られることを示す。
【００７４】
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の内面から１０ｍｍ離れた位置でのＸ方向の流速（絶対値）の、−２Ｌ／５≦ｘ≦２Ｌ／５の範囲での平均値を用いて、溶湯移流時間を求めた。
【００７５】
溶湯移流時間と凹凸発生頻度指数Ｄとの関係を図２１に示す。この関係図では、電磁撹拌の撹拌力を変化させて、それぞれの撹拌力における計算結果をプロットしている。ここで、電磁撹拌の撹拌力が強いほど溶湯１２の流速が速くなって溶湯移流時間が短くなる。また、凹凸発生頻度指数Ｄが小さいほど鋳肌の性状が良好になる。
【００７６】
Ｃａｓｅ（１）およびＣａｓｅ（３）の計算結果から、入熱パターンを予め得た操業条件の入熱パターンに相似するように制御すれば、スラブサイズに寄らずに、溶湯移流時間によって電磁撹拌の条件と鋳肌性状との関係を整理することができることがわかる。そして、溶湯移流時間が３ｓｅｃ以下になるように撹拌力を増加させることで、鋳肌性状が改善することがわかる。このように、溶湯移流時間によって、電磁撹拌による鋳肌改善の挙動を定量的に評価することができる。
【００７７】
一方、Ｃａｓｅ（２）の計算結果から、入熱パターンが予め得た操業条件の入熱パターンに相似していなければ、撹拌力を増加させても鋳肌性状は改善しないことがわかる。
【００７８】
（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スラブの連続鋳造方法によると、トーチ移動周期が、所定の操業条件のトーチ移動周期にほぼ一致し、且つ、スラブ平均入熱量が、上記の操業条件の平均入熱量にほぼ一致するように、プラズマトーチ７の本数、出力、および、移動パターンを決定する。ここで、上記の操業条件の入熱パターンに対して、プラズマトーチ７の移動による溶湯１２の湯面への入熱量の時間変化および空間変動による不均一性がほぼ一致した入熱パターンが、求める入熱パターンであると推定される。そこで、プラズマトーチ７の移動による溶湯１２の湯面への入熱量の不均一性をほぼ一致させるために、トーチ移動周期を上記の操業条件のトーチ移動周期にほぼ一致させる。また、上記の操業条件の入熱パターンに対して、初期凝固部１５を複数に分割してなる複数の部位１５ａの各々における平均入熱量がほぼ一致した入熱パターンが、求める入熱パターンであると推定される。そこで、各部位１５ａにおける平均入熱量を上記の操業条件の各部位における平均入熱量にほぼ一致させる。ここで、トーチ加熱領域１７を鋳型２が囲む長さが長いほど、鋳型２による冷却能力が大きくなる。そこで、平均入熱量を補正値で補正したスラブ平均入熱量を、上記の操業条件の平均入熱量にほぼ一致させる。このようにして、プラズマトーチ７の本数、出力、および、移動パターンを決定することで、鋳肌を平滑化するための入熱パターンを得ることができる。
【００７９】
また、本実施形態によれば、溶湯移流時間が、上記の操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致するように、電磁攪拌の撹拌力を決定する。ここで、上記の操業条件の電磁撹拌パターンに対して、溶湯移流時間がほぼ一致した電磁撹拌パターンが、求める電磁撹拌パターンであると推定される。そこで、溶湯移流時間を上記の操業条件の溶湯移流時間にほぼ一致させる。このようにして、電磁攪拌の撹拌力を決定することで、鋳肌を平滑化するための電磁撹拌パターンを得ることができる。
【００８０】
そして、得られた入熱パターンおよび電磁撹拌パターンを用いてスラブ１１の鋳造を行うことで、鋳型２とスラブ１１とが接触する完全接触領域１６におけるスラブ１１の表面温度ＴSの平均値を、良好な鋳肌が得られる所定の範囲（８００℃＜ＴS＜１２５０℃）に収めることができる。これにより、どのようなサイズのスラブ１１を鋳造しても、鋳肌を平滑化することができる。
【００８１】
また、スラブ平均入熱量を１．０ＭＷ／ｍ2以上にすることで、溶湯１２の湯面近傍の凝固シェル１３の成長を好適に抑制することができる。これにより、良好な鋳肌のスラブ１１を得ることができる。
【００８２】
また、電磁撹拌の撹拌力を増加させて、溶湯移流時間を３ｓｅｃ以下にすることで、鋳肌性状を好適に改善することができる。
【００８３】
（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。
【符号の説明】
【００８４】
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  プラズマトーチ
１１  スラブ
１２  溶湯
１３  凝固シェル
１４  エアギャップ
１５  初期凝固部
１５ａ  部位
１６  完全接触領域
１７  トーチ加熱領域