CN104903024B - 由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法 - Google Patents

由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法 Download PDF

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Abstract

通过控制铸模(2)和铸块(11)的接触区域(16)的铸块(11)的表面部(11a)的温度Ts、和接触区域(16)的从铸块(11)的表面部(11a)向铸模(2)的通过热通量q中的至少一个，将熔液(12)凝固的凝固壳(13)的接触区域(16)的厚度D纳入到规定的范围内。由此，能够铸造出铸造表皮的状态良好的铸块。

Description

由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法
技术领域
本发明涉及由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法，所述连续铸造方法连续性地铸造由钛或钛合金构成的铸块。
背景技术
将经由真空电弧熔解、电子束熔解而熔融的金属浇注到无底的铸模内，一边使之凝固一边从下方排出，从而连续地铸造铸块。
专利文献1中，公开有一种自动控制等离子电弧熔解铸造方法，其是将钛或钛合金在不活泼气体气氛中进行等离子电弧熔解，并浇注到铸模内使之凝固的方法。在不活泼气体气氛中进行的等离子电弧熔解与在真空中进行的电子束熔解不同，不仅可以铸造纯钛，而且也可以铸造钛合金。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国专利第3077387号公报
发明要解决的课题
可是，若所铸造的铸块的铸造表皮有凹凸和伤痕，则需要在轧制前对于表面进行切削等前处理，成为成品率降低、作业工时增加的原因。因此，要求铸造在铸造表皮没有凹凸和伤痕的铸块。
在此，在由钛构成的铸块的连续铸造中，只有在被等离子弧、电子束加热的熔液的液面邻域(从液面至液面下10～20mm左右的区域)，铸模与铸块的表面有所接触。在比该接触区域深的区域，铸块发生热收缩，从而与铸模之间发生空气隙。因此，推定熔液的液面邻域对初期凝固部(熔液与铸模接触而最初凝固的部分)的供排热状况对铸造表皮的性状造成很大的影响，认为通过恰当地控制熔液的液面邻域的供排热状态，能够得到有良好的铸造表皮的铸块。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以铸造出铸造表皮的状态良好的铸块的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法。
用于解决课题的手段
本发明的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法的特征在于，是将使钛或钛合金熔解而成的熔液浇注到无底的铸模内，一边使之凝固一边从下方排出，从而连续地铸造由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法，通过控制所述铸模与述铸块的接触区域的所述铸块的表面部的温度、和所述接触区域的从所述铸块的表面部向所述铸模的通过热通量中的至少一个，从而将所述熔液凝固的凝固壳在所述接触区域的厚度纳入到规定的范围内。
根据上述的构成，可由铸模与铸块的接触区域的铸块的表面部的温度，和接触区域的从铸块的表面部向铸模的通过热通量中的至少一个的值，决定接触区域的凝固壳的厚度。因此，控制接触区域的铸块的表面部的温度，和接触区域的从铸块的表面部向铸模的通过热通量中的至少一个，从而将接触区域的凝固壳的厚度，纳入到铸块的表面不会发生缺陷的规定的范围内。由此，能够抑制在铸块的表面发生缺陷，因而能够铸造出铸造表皮的状态良好的铸块。
另外，在本发明的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法中，可以将所述接触区域的所述铸块的表面部的温度Ts的平均值控制在800℃＜Ts＜1250℃的范围。根据上述的构成，能够抑制铸块的表面发生缺陷。
另外，在本发明的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法中，可以将所述接触区域的从所述铸块的表面部向所述铸模的通过热通量q的平均值控制在5MW/m2＜q＜7.5MW/m2的范围。根据上述的构成，能够抑制铸块的表面发生缺陷。
另外，在本发明的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法中，可以使所述接触区域的所述凝固壳的厚度D在0.4mm＜D＜4mm的范围内。根据上述的构成，能够抑制因凝固壳太薄而强度不足所导致凝固壳的表面发生撕裂“断裂缺陷”、以及抑制在生长的(变厚的)凝固壳上被覆熔液的“熔覆缺陷(日文：湯被り欠陷)”的发生。
另外，在本发明的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法中，可以将所述钛或所述钛合金经冷床熔解而成的所述熔液浇注到所述铸模内。另外，所述冷床熔解可以是等离子电弧熔解。根据上述的构成，不仅能够铸造纯钛，也能够铸造钛合金。在此，所谓冷床熔解以等离子电弧熔解、电子束熔解作为一例，这些熔解法是上位概念的熔解法。
发明效果
根据本发明的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法，能够将接触区域的凝固壳的厚度纳入到不会在铸块的表面发生缺陷的规定的范围内，从而能够抑制铸块的表面发生缺陷，因此能够铸造出铸造表皮的状态良好的铸块。
附图说明
图1是表示连续铸造装置的立体图。
图2是表示连续铸造装置的剖面图。
图3是表示连续铸造装置的立体图。
图4A是表示表面缺陷的发生机理的说明图。
图4B是表示表面缺陷的发生机理的说明图。
图5是表示接触区域的温度与通过热通量的模型图。
图6A是从上方观看截面圆形的铸模的模型图。
图6B是从上方观看截面矩形的铸模的模型图。
图7A是从上方观看截面圆形的铸模的模型图
图7B是从上方观看截面矩形的铸模的模型图
图8是表示由连续铸造试验得到的铸模测温结果与铸模温度的模拟结果相比较的图。
图9是表示通过热通量与铸块表面温度的关系的图。
图10是表示铸块表面温度与凝固壳的厚度的关系的图。
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边对于本发明的优选的实施方式进行说明。还有，在以下的说明中，对于等离子电弧熔解钛或钛合金的情况进行说明。
(连续铸造装置的构成)
在本实施方式的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法中，将经过等离子电弧熔解的钛或钛合金的熔液浇注到无底的铸模内，一边使之凝固一边从下方排出，从而连续地铸造由钛或钛合金构成的铸块。实施该连续铸造方法的钛或钛合金所构成的铸块的连续铸造装置1如立体图1和剖面图2所示，具有：铸模2；冷炉床3；进料装置4；等离子体焰炬5；起熔块6；等离子体焰炬7。连续铸造装置1的周围是氩气、氦气等构成的不活泼气体气氛。
进料装置4用于向冷炉床3内投入海绵钛、碎料等的钛或钛合金的原料。等离子体焰炬5设于冷炉床3的上方，其使等离子弧发生，使冷炉床3内的原料熔融。对于冷炉床3而言，将原料熔融的熔液12从浇注部3a浇注到铸模2内。铸模2为铜制，无底且截面形状形成为圆形，利用在圆筒状的壁部的至少一部分的内部循环的水来进行冷却。起熔块6经由未图示的驱动部上下起伏，可以堵塞铸模2的下侧开口部。等离子体焰炬7设于铸模2内的熔液12的上方，以等离子弧加热浇注到铸模2内的熔液12的液面。
在以上的构成中，浇注到铸模2内的熔液12从与水冷式的铸模2的接触面起开始凝固。然后，将堵塞了铸模2的下侧开口部的起熔块6按规定的速度朝下方下拉，熔液12凝固的圆柱状的铸块11一边被从下方排出一边被连续地铸造。
在此，在真空气氛下的电子束熔解中，因为有微少成分蒸发，所以钛合金的铸造困难。相对于此，在不活泼气体气氛下的等离子电弧熔解中，不仅可以铸造纯钛，也可以铸造钛合金。
还有，连续铸造装置1也可以具有向铸模2内的熔液12的液面投入固相或液相的助熔剂的助熔剂投入装置。在此，在真空气氛下的电子束熔解中，因为助熔剂飞散，所以将助熔剂投入到铸模2内的熔液12是困难的。相对于此，不活泼气体气氛下的等离子电弧熔解具有能够将助熔剂投入到铸模2内的熔液12中的优点。
另外，实施本实施方式的连续铸造方法的连续铸造装置201如图3所示，也可以使用截面矩形的铸模202对于板坯211进行连续铸造。以下，将截面圆形的铸模2和截面矩形的铸模202一并作为铸模2进行说明，将铸块11和板坯211一并作为铸块11进行说明。
(操作条件)
那么，在连续铸造由钛或钛合金构成的铸块11时，若铸块11的表面(铸造表皮)有凹凸和伤痕，则在作为下道工序的轧制过程中成为表面缺陷。因此，铸块11表面的凹凸和伤痕，需要在轧制之前通过切削等加以去除，由于成品率的降低和作业工序的增加等而成为成本上升的要因。因此，要求铸造表面没有凹凸和伤痕的铸块11。
在此，如图4A、图4B所示，在由钛构成的铸块11的连续铸造中，只有在被等离子弧、电子束加热的熔液12的液面邻域(从液面至液面下10～20mm左右的区域)，铸模2与铸块11(凝固壳13)的表面才会接触。在比该接触区域深的区域，铸块11发生热收缩，从而在与铸模2之间发生空气隙14。而后，如图4A所示，向初期凝固部15(熔液12与铸模2接触而最初凝固的部分)的供热过多时，因为熔液12凝固成的凝固壳13太薄，所以强度不足，导致凝固壳13的表面被撕裂“断裂缺陷”发生。另一方面，如图4B所示，若向初期凝固部15的供热不足，则生长的(变厚的)凝固壳13上被覆熔液12，从而发生“熔覆缺陷”。因此，推定熔液12的液面邻域向初期凝固部15的供排热状况会对铸造表皮的性状造成很大的影响，认为通过恰当地控制熔液12的液面邻域的供排热状态，能够得到良好的铸造表皮的铸块11。
因此，如图5所示，若纯钛的熔点(1680℃)为TM，铸块11的表面部11a的温度为Ts，铸模2的表面温度为Tm，在铸模2内循环的冷却水的温度为TW，凝固壳13的厚度为D，铸模2的厚度为Lm，以箭头表示的从铸块11的表面部11a向铸模2的通过热通量为q，凝固壳13的热传导率为λs，接触区域16的铸模2与铸块11之间的传热速率为h，铸模2的热传导率为λm，则通过热通量q如以下的式1这样表示。还有，所谓接触区域16，是从液面至液面下10～20mm左右的由影线图示的、铸模2与铸块11接触的区域。
q＝λs(TM-Ts)/D＝h(Ts-Tm)＝λm(Tm-TW)/Lm…(式1)
若整理上述的式1，则能够得到表示凝固壳13的厚度D与铸块11的表面部11a的温度Ts的关系的式2，以及表示凝固壳13的厚度D与通过热通量q的关系的式3。
D＝λs(TM-Ts)(1/h+Lm/λm)/(Ts-TW)…(式2)
D＝λs(TM-TW)/q-λs(1/h+Lm/λm)…(式3)
据此式2和式3，铸块11的表面部11a的温度Ts与通过热通量q的关系如以下的式4。
Ts＝(1/h+Lm/λm)q+TW…(式4)
根据上述的式2和式3，凝固壳13的厚度D，由熔液12的液面邻域(铸模2与铸块11的接触区域16)的铸块11的表面部11a的温度Ts或通过热通量q的值决定。因此，应该进行控制的参数是，铸模2与铸块11的接触区域16的铸块11的表面部11a的温度Ts，或者铸模2与铸块11的接触区域16的从铸块11的表面部11a向铸模2的通过热通量q。
因此，在本实施方式中，将铸模2与铸块11的接触区域16的铸块11的表面部11a的温度Ts的平均值控制在800℃＜Ts＜1250℃的范围。另外，将铸模2与铸块11的接触区域16的从铸块11的表面部11a向铸模2的通过热通量q的平均值控制在5MW/m2＜q＜7.5MW/m2的范围。由此，铸模2与铸块11的接触区域16的凝固壳13的厚度D纳入到0.4mm＜D＜4mm的范围内。
这样一来，在本发明中，将铸模2与铸块11的接触区域16的铸块11的表面部11a的温度Ts的平均值、和铸模2与铸块11的接触区域16的从铸块11的表面部11a向铸模2的通过热通量q的平均值分别控制在上述的范围。由此，如后所述，“断裂缺陷”和“熔覆缺陷”的发生被抑制。因此，能够铸造出铸造表皮的状态良好的铸块11。
还有，在本实施方式中，将接触区域16的铸块11的表面部11a的温度Ts的平均值、和接触区域16的从铸块11的表面部11a向铸模2的通过热通量q的平均值作为应该进行控制的参数，但仅为任何一个时也可以。
另外，在本实施方式中，虽然是在由纯钛构成的铸块11的连续铸造中设定应该控制的参数，但该设定在由钛合金构成的铸块11的连续铸造中也可以适用。
另外，在图3所示的截面矩形的铸模202中，优选在铸模202的内周的全部的接触区域16中，铸块11的表面部11a的温度Ts的平均值和通过热通量q的平均值被设定在上述的范围。但是，也可以只在铸模202的长边侧的接触区域16中，铸块11的表面部11a的温度Ts的平均值和通过热通量q的平均值被设定在上述的范围。即，铸块11的短边侧存在切削的可能性，因此在铸模202的短边侧的接触区域16，铸块11的表面部11a的温度Ts的平均值和通过热通量q的平均值也可以不设定在上述的范围。在有切削的可能性的铸块11的下端部(铸造初期部)、上端部(铸造最终部)也同样。
(铸造表皮评价)
接下来，以铸模形状、等离子体焰炬7的输出功率、等离子体焰炬7的中心位置和起熔块6的排出速度为参数，在使实验操作条件分为11种而作为Case1～11的基础上，实施纯钛的连续铸造试验，评价铸造表皮的状态。在此试验中，如铸模2的俯视图6A、铸模202的俯视图6B所示，使用埋入有多个热电偶31的铸模2、202。在此，热电偶31全部埋入距熔液12的液面5mm下的位置。表1表示Case1～11的实验操作条件。
【表1】
在此，所谓铸模形状为圆形，指图1所示这样的截面圆形的铸模2。另外，所谓铸模形状为矩形，指图3所示这样的截面矩形的铸模202。另外，表1所述的“东移10mm”等中的“东”，如铸模2、202的俯视图7A、图7B所示，是指与“西”、“南”、“北”一起，分别设定在截面圆形的铸模2和截面矩形的铸模202上的相互正交的4个方向之一。在截面矩形的铸模202中，东西方向是纵长方向，南北方向是与纵长方向正交的横宽方向。另外，所谓“铸模中心”，意思是等离子体焰炬7的中心位于铸模2、202的中心。另外，所谓“东移10mm”，如图7A、图7B所示，意思是等离子体焰炬7的中心位于从铸模2、202的中心朝东的方向上偏移10mm位置。
接着，以连续铸造试验中得到的铸模测温数据为基础，制成流动凝固模拟模型。图8表示在连续铸造试验中取得的铸模测温结果与铸模温度的模拟结果的比较。然后，通过模拟，评价铸块11的温度分布、铸模2与铸块11之间的通过热通量、凝固壳13的形状等热指标的值。表2中示出评价结果。
【表2】
还有，“南”假定为相对于东西截面与“北”对称，因此在“南”不进行数据的提取。另外，在Case1、5～9中进行的是二维轴对称模拟，因此只提取“东”的数据。
图9表示通过热通量与铸块表面温度(铸块的表面部的温度)的关系。铸模2和铸块11的接触区域16的铸块表面温度Ts的平均值在800℃以下时，向初期凝固部15的供热不足，在生长的凝固壳13上有熔液12被覆的“熔覆缺陷”发生。另一方面，铸模2和铸块11的接触区域16的铸块表面温度Ts的平均值为1250℃以上时，向初期凝固部15的供热过多，凝固壳13的薄的表面撕裂的“断裂缺陷”发生。由此可知，优选将铸模2和铸块11的接触区域16的铸块表面温度Ts的平均值控制在800℃＜Ts＜1250℃的范围。
另外，铸模2和铸块11的接触区域16的从铸块11的表面部11a向铸模2的通过热通量q的平均值为5MW/m2以下时，向初期凝固部15的供热不足，生长的凝固壳13上有熔液12被覆的“熔覆缺陷”发生。另一方面，铸模2和铸块11的接触区域16的通过热通量q的平均值为7.5MW/m2以上时，向初期凝固部15的供热过多，凝固壳13的薄的表面撕裂的“断裂缺陷”发生。由此可知，优选将铸模2和铸块11的接触区域16的通过热通量q的平均值控制在5MW/m2＜q＜7.5MW/m2的范围。
另外，图10表示铸块11的表面部11a的温度与凝固壳13的厚度的关系。铸模2和铸块11的接触区域16的凝固壳13的厚度D为0.4mm以下时，因凝固壳13太薄而强度不足，导致凝固壳13的表面撕裂的“断裂缺陷”发生。另一方面，铸模2和铸块11的接触区域16的凝固壳13的厚度D为4mm以上时，生长的(变厚的)凝固壳13上有熔液12被覆而发生“熔覆缺陷”。因此，优选将铸模2和铸块11的接触区域16的凝固壳13的厚度D纳入0.4mm＜D＜4mm的范围内。
(效果)
如上所述，根据本实施方式的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法，由铸模2和铸块11的接触区域16的铸块11的表面部11a的温度、和接触区域16的从铸块11的表面部11a向铸模2的通过热通量中的至少一个的值，决定接触区域16的凝固壳13的厚度。因此，通过控制接触区域16的铸块11的表面部11a的温度、和接触区域16的从铸块11的表面部11a向铸模2的通过热通量中的至少一个，将接触区域16的凝固壳13的厚度纳入到铸块11的表面不会发生缺陷的规定的范围内。由此，由于能够抑制铸块11的表面发生缺陷，所以能够铸造出铸造表皮的状态良好的铸块11。
另外，通过将铸模2和铸块11的接触区域16的铸块11的表面部11a的温度Ts的平均值控制在800℃＜Ts＜1250℃的范围，能够抑制在铸块11的表面发生缺陷。
另外，通过将铸模2和铸块11的接触区域16的从铸块11的表面部11a向铸模2的通过热通量q的平均值控制在5MW/m2＜q＜7.5MW/m2的范围，能够抑制在铸块11的表面发生缺陷。
另外，通过将铸模2和铸块11的接触区域16的凝固壳13的厚度D纳入0.4mm＜D＜4mm的范围内，能够抑制因凝固壳13过薄而强度不足导致凝固壳13的表面撕裂的“断裂缺陷”的发生、和在生长的(变厚的)凝固壳13上有熔液12被覆的“熔覆缺陷”的发生。
另外，对于钛或钛合金进行等离子电弧熔解，不仅能够铸造纯钛，也能够铸造钛合金。
(本实施方式的变形例)
以上，说明了本发明的实施方式，但只不过是例示具体例，而并非特别限定本发明，具体的构成等可以适宜设计变更。另外，发明的实施方式所述的作用及效果只不过是列举由本发明产生的最佳的作用及效果，而来自本发明的作用及效果并不限定为本发明的实施方式中所述的。
例如，在本实施方式中，对于等离子电弧熔解钛或钛合金的情况进行了说明，但等离子电弧熔解以外的冷床熔解，具体来说是通过电子束加热、或感应加热、激光加热等使钛或钛合金熔解的情况，也可以适用本发明。
另外，使助熔剂层介于铸模2与铸块11之间的情况下，也可以适用本发明。
本申请基于2013年1月11日申请的日本专利申请(特愿2013-003916)，其内容在此作为参照并援引。
符号说明
1、201 连续铸造装置
2、202 铸模
3 冷炉床
3a 浇注部
4 进料装置
5 等离子体焰炬
6 起熔块
7 等离子体焰炬
11 铸块
11a 表面部
12 熔液
13 凝固壳
14 空气隙
15 初期凝固部
16 接触区域
31 热电偶
211 板坯

Claims (4)

1.一种由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法，其特征在于，是将使钛或钛合金熔解而成的熔液浇注到无底的铸模内，一边使之凝固一边从下方排出，从而连续地铸造由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法，其中，
通过控制所述铸模与所述铸块的接触区域的所述铸块的表面部的温度、和所述接触区域中的从所述铸块的表面部向所述铸模的通过热通量中的至少一个，从而将所述熔液凝固的凝固壳的所述接触区域的厚度纳入到规定的范围内，其中，所述接触区域是指从熔液的液面至液面下10～20mm的铸模和铸块相接触的区域，
其中，将所述接触区域的所述铸块的表面部的温度Ts的平均值控制在800℃＜Ts＜1250℃的范围，使所述接触区域中的所述凝固壳的厚度D为0.4mm＜D＜4mm的范围内。
2.根据权利要求1所述的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法，其特征在于，将所述接触区域中的从所述铸块的表面部向所述铸模的通过热通量q的平均值控制在5MW/m2＜q＜7.5MW/m2的范围。
3.根据权利要求1所述的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法，其特征在于，将所述钛或所述钛合金经冷床熔解而成的所述熔液浇注到所述铸模内。
4.根据权利要求3所述的由钛或钛合金构成的铸块的连续铸造方法，其特征在于，所述冷床熔解是等离子电弧熔解。
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