熱間圧延用チタンスラブの溶製方法
【課題】溶解後にブレークダウン工程やその後の矯正工程を経ることなく、熱間圧延機に送り込むことができる直線性に優れ（反りや曲がりが抑制された）、また、コーナー部に割れやクラックのない健全な組織を有する電子ビーム溶解炉により溶製された熱間圧延に好適なチタンスラブとその溶製方法を提供する。
【解決手段】電子ビーム溶解炉に内装された矩形鋳型を構成する一対の対向する長辺鋳型壁および一対の対向する短辺鋳型壁のうち、一対の短辺鋳型壁の両方から同時に溶湯を注入し、また、コーナー部に面取り部を設けた鋳型を用いることを特徴とする熱間圧延用チタンスラブの溶製方法。
【解決手段】電子ビーム溶解炉に内装された矩形鋳型を構成する一対の対向する長辺鋳型壁および一対の対向する短辺鋳型壁のうち、一対の短辺鋳型壁の両方から同時に溶湯を注入し、また、コーナー部に面取り部を設けた鋳型を用いることを特徴とする熱間圧延用チタンスラブの溶製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、電子ビーム溶解炉により溶製された熱間圧延に好適なチタンスラブとその溶製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属チタンは、近年にない需要の増加に対して、スポンジチタンあるいはインゴットのメーカーはその増産対応に追われている状態である。この状況は、スポンジチタンあるいはインゴットのメーカーのみならず、前記チタンインゴットを鍛造した板材に加工するメーカーにおいても同じような状況が続いている。
【０００３】
上記のようなチタンインゴットを加工した板材の一種である帯状コイルの従来の一般的な製造方法は、消耗電極式アーク溶解法や電子ビーム溶解法で溶解して凝固させた大型のチタンインゴットからスタートし、これをブレークダウンして熱間圧延用スラブを製造するものである。
【０００４】
この大型のインゴットの形状は、消耗電極式アーク溶解法の場合には直径約１ｍの円柱形、電子ビーム溶解法の場合には矩形形状も製造されており一辺が約０．５〜１ｍの断面を有する。このように大きな断面であるため、この大型インゴットは、分塊や鍛造や圧延などの熱間加工によってブレークダウンされて、熱間圧延機で圧延可能なスラブ形状とする。
【０００５】
ブレークダウン後に、さらに、反りや曲がり（キャンバー）の矯正工程、表面のスケールや疵を除去するための手入れ工程を経て、初めて熱間圧延用スラブとなる。この熱間圧延用スラブは、所定の温度に加熱して鉄鋼等の汎用な熱間圧延機によって熱間圧延し帯状コイル（薄板）に加工される。この熱間圧延された帯状コイルは、その後、焼鈍や脱スケールされてそのまま製品になるもの、あるいは更に冷間圧延などの冷間加工と焼鈍が施されて製品となるものがある。
【０００６】
このようにチタンの薄板コイルの製造に際しては、いくつかの工程を経て初めて製造されるものであるため、コスト増大の原因となっており、チタン溶解メーカーに対して、前記工程の短縮あるいは工程改善しうるようなチタンスラブの提供が望まれている。
【０００７】
一方、最近では、電子ビーム溶解炉では鋳型の断面形状を矩形とすることにより、矩形のインゴットも溶製されている。しかしながら、現状では前記矩形インゴットの厚みは、ブレークダウン工程を経ずには熱間圧延機にかけることができる程度まで薄くは溶製されていない。そのため、更に薄手の矩形インゴットを溶製する技術は未だ十分ではなく、実用化が望まれている。
【０００８】
即ち、従来の電子ビーム溶解炉を用いて熱間圧延機に直接送りこむことのできるような厚みのチタンスラブを溶製するには、まずは、チタンスラブを溶製するための専用の鋳型が必要となる。しかしながら、電子ビーム溶解炉でチタンスラブを溶製する際に単純に従来の角形鋳型の厚みを薄くした場合には、前記鋳型にて溶製されるチタンスラブに反りや曲がりが発生して長手方向に波打ち、鉄鋼等の圧延に利用されている汎用の熱間圧延機にそのまま送り込むことができないという新たな課題に遭遇する。
【０００９】
鉄鋼等の汎用の熱間圧延機で帯状コイルを製造する上で、スラブの反りや曲がり（直線性が悪いこと）は通材性を損なうため、上下に大きく反ったり、左右にふれたり、被圧延材が真っ直ぐに進行せずに、連続した熱間圧延ができなくなる。熱間圧延ができたとしても、被圧延材がガイドや搬送ロールに激しくぶつかるために、エッジの割れや表面疵が発生してしまう。溶製されたチタンスラブの反りや曲がりが大きい場合には、加熱して熱間で矯正するか、所定の形状になるように切削などの機械加工によって厚みや幅を相当量切除する必要が生じる。
【００１０】
電子ビーム溶解炉による角形鋳型を用いた矩形インゴットの溶製方法は、例えば、特開平０４−１３１３３０号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１の第１図には、溶湯が角形鋳型１の長辺鋳型壁側から注がれている図が示されている。しかしながら、特許文献１には、矩形インゴットを溶製することにより、前記インゴットの圧延工程を改善することができるという効果の記載はあるが、角形鋳型を用いて溶製されたチタンスラブの曲がりや反りなどの直線性に関する技術開示は見あたらない。
【００１１】
しかしながら、実操業を勘案した場合、減圧された電子ビーム溶解炉で溶製されたチタンスラブを大気圧下に抜き出す技術は実用化されておらず、抜き出しには電子ビーム溶解炉の運転を停止して炉内を大気圧にする等しなければならず、電子ビーム溶解とスラブの抜き出しを連続的に行うことは困難であり、今後の周辺技術の進歩が望まれている。
【００１２】
このように、電子ビーム溶解炉を用いて熱間圧延用に好適なチタンスラブを直接溶製するには、前記した課題を解決する必要があり、前記課題の合理的な解決手段が望まれている。
【００１３】
特開昭６２−０５００４７号公報（特許文献２）には、電子ビーム溶解炉を構成する鋳型から引き抜かれたチタンスラブの表面に、電子ビームを照射して表層部を溶融加熱した後、表面成形圧延ロールにかけてスラブを製造することで、鋳造スラブの鋳肌を改善する方法が開示されている。
【００１４】
特許文献２によれば、単にスラブを鋳型から引き抜いたままでは表面欠陥や大きなオッシレーションマークが発生しているため、再度、電子ビームを照射して表層部を溶融した後、表面成形ロールにかけることによって良好な鋳肌を得るもので、１８０ｍｍ×５０ｍｍの断面を有する矩形チタンスラブの例が開示されている。
【００１５】
しかしながら、特許文献２にも、角形鋳型を用いて溶製されたチタンスラブの曲がりや反りなどの直線性に関する技術開示は見あたらない。また、この１８０ｍｍ×５０ｍｍの断面は工業的に非常に小さいため、帯状コイルを製造する鉄鋼などの大型の熱間圧延機では、温度低下が大きく、適していない。さらに、特許文献２では、鋳型から引き抜いた後の表面成形ロールと電子ビーム溶解炉の内部にチタンスラブ加熱用の電子銃を別途準備する必要があり、コスト面での課題が残されている。
【００１６】
角型鋳型を用いて直線性に優れたチタンスラブを製造する技術として、角型鋳型の長辺鋳型壁ではなく、短辺鋳型壁から溶湯を注ぐ技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。この技術によれば、特許文献１に記載のように長辺鋳型壁から溶湯を注いだ場合と比べて、スラブの厚さ方向の温度分布が対称となるため、スラブの反り・曲がりが改善され、直線性が向上するという記載がある。しかしながら、溶製後のスラブを直接圧延機に送り込むためには、必ずしも直線性が十分とは言えなかった。
【００１７】
上述のとおり、電子ビーム溶解炉に角形の鋳型を配設し、角形のインゴットを製造する技術も開発されつつあり、前記した角形のインゴットは、丸型インゴットに比べて熱間鍛造が容易であり、前記鍛造工程を効率化することができるという効果を奏するものである。これに加えて、前記角形インゴットの厚みを更に薄くしたスラブの製造方法も検討されつつある。
【００１８】
しかしながら、前記角形鋳型を用いて溶製されたスラブの直線性が改善されたとしても、他の問題として、スラブのコーナー部に割れや傷が発見される場合があり改善が求められている。
【００１９】
前記した割れや傷があるとその後に行う鍛造あるいは圧延工程において加工された薄板の表面に傷を残す場合があり、また、薄板自身に割れが入る場合がある。さらには、コーナー部に割れや傷が発生していなかったとしても、角形スラブのコーナー形状が適正でない場合には、そのまま熱間圧延するとエッジ部に割れが発生して、薄板の製品歩留まりを大きく低下させてしまい、改善が求められている。
【００２０】
このような点については、連続鋳造技術に見られるような鋳型の内面を外部に張り出させた形状とすることで、前記スラブのコーナー部に対する冷却強度を緩和して、その結果鋳肌の改善されたインゴットを製造する試みがある（例えば、特許文献４参照）。
【００２１】
また、前記鋳型の断面積をスラブの引抜き方向に向かって減少させるように構成することで、鋳型とスラブと密着性を改善することで、前記コーナー部や鋳肌の改善を目論んだ技術も開示されている（例えば、特許文献５参照）。
【００２２】
しかしながら、これらの技術は溶製される鋳片全体の鋳肌に関して言及されており、前記した角形インゴットのコーナー部に発生する割れについては言及されていない。このように、電子ビーム溶解炉を用いて溶製された角形インゴットのコーナー部の割れや傷の発生がない健全な鋳肌のインゴットを安定的に製造する技術が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開平０４−１３１３３０号公報
【特許文献２】特開昭６２−０５００４７号公報
【特許文献３】ＷＯ２０１０／０９０３１０号公報
【特許文献４】特開平１１−０２８５５０号公報
【特許文献５】特開平０４−３１９０４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本願発明は、電子ビーム溶解炉による溶解後にブレークダウン工程やその後の矯正工程を経ることなく、熱間圧延機に送り込むことができるような、熱間圧延に好適な特性を具備したチタンスラブとその溶製方法の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
かかる実情に鑑み前記課題について鋭意検討を進めてきたところ、角形鋳型を構成する一対の対向する長辺鋳型壁と一対の対向する短辺鋳型壁のうち、前記一対の短辺鋳型壁の両方から同時に溶湯を注入することにより、長手方向の直線性に優れたチタンスラブを溶製することができることを見出し、以下の本願発明を完成するに至った。
【００２６】
すなわち、本願発明の熱間圧延用チタンスラブの溶製方法は、電子ビーム溶解炉を用いた熱間圧延用チタンスラブの溶製方法であって、電子ビーム溶解炉に内装された矩形鋳型は、一対の対向する長辺鋳型壁および一対の対向する短辺鋳型壁から構成され、一対の短辺鋳型壁の両方から同時に溶湯を注入することを特徴としている。
【００２７】
本願発明に係る前記熱間圧延用チタンスラブの溶製方法は、前記矩形鋳型のコーナー部に面取り部を形成させ、前記面取り部の形状が矩形鋳型の内部に形成されている溶湯とその外周部に形成される凝固シェルとの境界である平衡固相線と相似となるように形成された鋳型を用いることを好ましい態様とするものである。
【００２８】
本願発明に係る前記熱間圧延用チタンスラブの溶製方法は、前記矩形鋳型のコーナー部に面取り部を形成させ、前記面取り部を円弧の一部で構成し、前記円弧の曲率半径（ｒｃ）が２〜５０ｍｍとされた鋳型を用いることを好ましい態様とするものである。
【００２９】
本願発明に係る前記熱間圧延用チタンスラブの溶製方法は、前記矩形鋳型の厚み（Ｄ）に対する幅（Ｗ）の比（Ｗ／Ｄ）は、２≦（Ｗ／Ｄ）≦１０の範囲とされた鋳型を用いることを好ましい態様とするものである。
【００３０】
本願発明に係る前記熱間圧延用チタンスラブの溶製方法は、前記角形鋳型の面取り部の曲率半径（ｒｃ）は、鋳型長辺に対する鋳型短辺の比（α）に対して比例関係となるように構成された鋳型を用いることを好ましい態様とするものである。
【００３１】
本願発明に係る前記熱間圧延用チタンスラブは、純チタンまたはチタン合金で構成されていることを好ましい態様とするものである。ここで、純チタンとは、ＪＩＳ１種から４種相当品を意味する。また、チタン合金とは、前記純チタンに規定されている以外の金属元素が意図的に添加されたチタン材を意味する。
【００３２】
本願発明に係る熱間圧延用チタンスラブの圧延方法は、前記熱間圧延用スラブを、熱間圧延機に送り込み、帯状コイルへ熱間圧延することを好ましい態様とするものである。
【００３３】
本願発明に係る前記熱間圧延用チタンスラブの圧延方法は、前記熱間圧延をタンデム圧延機、ステッケル圧延機またはプラネタリー圧延機を用いて行うことを好ましい態様とするものである。
【発明の効果】
【００３４】
前記した本願発明の熱間圧延用チタンスラブの溶製方法では、両側の短辺鋳型壁から溶湯を同時に注入しているので、鋳型内の溶融プールの温度分布が、対向する長辺鋳型壁どうしに関して対称となり薄手である厚み方向の変形（反り）が起こり難くなることに加え、対向する短辺鋳型壁どうしに関しても対称となるため、さらに幅方向の変形（曲がり）も抑制することができる。
【００３５】
この方法により製造されたチタンスラブは、長手方向の直線性に優れており、その結果、鉄鋼などの汎用の熱間圧延機で安定な熱間圧延が可能になり、熱間圧延に先立ってブレークダウン工程やチタンスラブの長手方向の矯正工程を省力することができ、その結果、チタン薄板の加工時間を大幅に短縮することができるという効果を奏するものである。
【００３６】
本願発明によれば、チタンスラブの反りや曲がりが高度に抑制されているので、電子ビーム溶解後にブレークダウン工程やその後の矯正工程を必要とせず、熱間圧延機に送り込むことができるような長手方向の直線性に優れた熱間圧延用チタンスラブ、およびその溶製方法を提供することができる。
【００３７】
加えて、両側の短辺鋳型壁から溶湯を同時に注入しているため、鋳型内の溶融プール内の対流が良くなり、純チタンに意図的に添加されている鉄や酸素といった元素が溶融プールで攪拌され、成分偏析を抑制することができる。
【００３８】
更に、両側の短辺鋳型壁から溶湯を同時に注入しているので、一辺から溶湯の注入量が少なくなる。そのため、例えば溶解速度を速くした場合でも、湯の流れ（湯道）が安定し、溶湯が長辺側に回り込むことを防ぐことができ、鋳造後の表面性状圧下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】電子ビーム溶解炉の主要な装置構成を示す図である。
【図２】角形鋳型の断面形状、その長辺鋳型壁および短辺鋳型壁、および溶湯を注入する壁側を示す図であり、（ａ）は両方の短辺鋳型壁側から、（ｂ）は一方の短辺鋳型壁側から、（ｃ）は長辺鋳型壁側から、溶湯を注入していることを示す図である。
【図３】角型鋳型の両方の短辺鋳型壁から溶湯を注入している状態を示す平面図であり、（ａ）はハースを２基設けた態様、（ｂ）は１基のハースおよび分散樋を設けた態様を示す図である。
【図４】本願発明の角型鋳型におけるチタンスラブの溶製中の状態を示す模式図である。
【図５】熱間圧延用チタンスラブの形状を模式的に示す図である。
【図６】スラブの長手方向の反りを模式的に示す図である。
【図７】スラブの長手方向の曲がり（キャンバー）を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
本願発明の最良の実施形態について図面を用いて以下に説明する。
１．熱間圧延用チタンスラブの溶製方法
本願発明のチタンスラブの好ましい溶製方法について、図１を参照しながら説明する。図１は、本願発明に係るチタンスラブの溶製に好適な電子ビーム溶解炉の主要な装置構成を表している。本願発明においては、ハース４に投入されたチタン原料１０は、電子ビーム溶解炉の頂部に保持された電子銃１から放出される電子ビーム２によって加熱溶解されて溶湯５を生成し、前記溶湯５は、ハース４の下流側に配設した鋳型３に連続的に注入される。
【００４１】
鋳型３に連続的に注入された溶湯５は、鋳型３の内部に形成されているチタンプール６に合体されると共に、前記チタンプール６の下方で凝固したチタンスラブ７は連続的に引き抜かれ、前記チタンプール面６を一定のレベルに保持するように操業される。
【００４２】
前記したハース４、鋳型３は、溶解室１１に内装されて大気と遮断されており、前記溶解室１１の内部は減圧に保持されている。鋳型３の下端より引き抜かれたチタンスラブ７は、溶解室１１の下部に密着配置されたインゴット室１２内に連続的に引き抜かれる。前記インゴット室１２の内部は溶解室１１と同様に減圧状態に維持することが好ましい。前記のような圧力状態に維持することで、インゴット室１２から溶解室１１への大気の侵入を効果的に抑制することができる。
【００４３】
インゴット室１２内に所定量引き抜かれたチタンスラブ７は、鋳型３から完全に引き抜かれた後、ゲートバルブ２０を作動させて溶解室１１とインゴット室１２の縁を切ることが好ましい。
【００４４】
次いで、インゴット室１２内にアルゴンガスを投入して、インゴット室１２内の圧力を大気圧まで戻すと共に、前記インゴット室１２内の温度を室温近傍まで冷却することが好ましい。
【００４５】
室温まで冷却されたチタンスラブ７は、インゴット室１２に設けられた図示しない開放扉より大気中に抜き出すことができる。
【００４６】
図２は、電子ビーム溶解炉におけるチタンスラブを溶製する角形鋳型の平面図を示す。また、溶融プール６の温度分布を模式的に濃淡で表している。矩形鋳型は、長辺鋳型壁と短辺鋳型壁を有し、本願発明では、これらのうち、図２（ａ）のように前記短辺鋳型壁の両側から溶湯を注入することを好ましい態様とするものであり、その結果、長手方向の直線性に優れたチタンスラブを溶製できるという効果を奏するものである。その直線性は、スラブの長さ１０００ｍｍ当たりの反りが５ｍｍ以下、曲がりが２．５ｍｍ以下であり、鉄鋼などの汎用な熱間圧延機で安定した通材性を十分に確保できる品質にある。
【００４７】
従来は、溶湯が鋳型外枠から外れずに安定して鋳型内に注ぎ込まれるように、図２（ｃ）のように間口が広い長辺鋳型壁側から溶湯を注入する方法が一般的であった。この場合、スラブの反りが５ｍｍ（長さ１０００ｍｍ当たり）を超えると、必要とされる直線性が得られない場合がある。これは、溶融プールの温度分布図が示すように、スラブの表裏面となる溶湯の注入面側の長辺鋳型壁側と、反注入面側である対向する長辺鋳型壁側で温度差が大きくなり、それに応じて温度や冷却の差が薄手である厚み方向で非常に大きくなるためと考えられる。
【００４８】
また、特許文献３に記載のように、図２（ｂ）のように一方の短辺鋳型壁から溶湯を注入する方法も提案されている。この方法によれば、長辺鋳型壁から溶湯を注入する方法と比較して、溶融プールの温度分布図が示すように、対向する長辺鋳型壁どうしに関しては温度分布が対称となり、その結果、スラブの薄手である厚み方向の変形が抑制されるが、スラブの幅方向の変形に関しては抑制効果は十分ではなかった。
【００４９】
本願発明のように両側の短辺鋳型壁から溶湯を注入することによって、図２（ａ）からわかるように、鋳型のコーナー部が、薄手の鋳型を使用しているために溶湯が注ぎ込まれている箇所に非常に近い。鋳型のコーナー部は、冷却能が平面部に比べて高く、溶湯が注ぎ込まれることによる温度差を急激に緩和する作用がある。その作用によって、冷却の対称性が高まり、反りと曲がりが抑制されていると考えられる。また、両側の短辺鋳型壁から注ぎ込むため、溶融プールの温度分布図が示すように、対向する長辺鋳型壁どうしに関して温度分布が対称となる上に、対向する短辺鋳型壁どうしに関しても温度分布が対称となる、その結果、薄手である厚み方向の変形に加え、幅方向の変形も起こり難いと考えられる。
【００５０】
図３は、上述した両側の短辺鋳型壁から溶湯を注入する際の具体的な態様を示す。まず第１に、図３（ａ）に示すように、矩形鋳型３の一対の短辺鋳型壁に対応するように、ハース４を２基設けることができる。このような態様により、溶湯を矩形鋳型３の両側の短辺鋳型壁から同時に注入することができる。
【００５１】
また、第２に、図３（ｂ）に示すように、１基のハース４を用いた場合であって、その溶湯排出口の下方に、分散樋１３を配設し、この分散樋１３によって、溶湯を矩形鋳型３の両側の短辺鋳型壁から同時に注入することができる。
【００５２】
本願発明においては、前記チタンスラブの好ましい長さを確保する意味から、前記インゴット室１２の長さは、少なくとも５０００ｍｍ以上確保しておくことが好ましい。
【００５３】
本願発明においては、前記鋳型３は、前記したチタンスラブ７の溶製に好適な厚みに構成しておくことが好ましく、具体的には、１５０〜３００ｍｍの範囲に構成しておくことが好ましい。
【００５４】
また、前記角形鋳型の厚み（Ｔ）に対する幅（Ｗ）の比（Ｗ／Ｔ）は、２〜１０の範囲に構成することが好ましい。前記のような断面形状の角形鋳型を用いることで、鉄鋼などの汎用な熱間圧延機に直接送り込むことができるという効果を奏するものである。
【００５５】
図４は、図１における鋳型３を上方から見た図である。図４に示すように、本願発明においては、矩形鋳型３１のコーナー部に面取り部を形成させ、前記面取り部の形状が矩形鋳型の内部に形成されている溶湯３２とその外周部に形成される凝固シェル３４との境界である平衡固相線３５と相似となるように形成された鋳型を用いることを好ましい態様とするものである。
【００５６】
ここで、平衡固相線３５とは、矩形鋳型３１の内部に形成されている固相３４と液相３２の境界面を示し、溶湯の凝固点に相当する温度を結ぶ線に相当する。一般に金属の融点では固液が共存しているが、前記鋳型プール３２の外周面は固相を表しており、本願発明においてはこの等温線を平衡固相線３５と呼ぶことにする。
【００５７】
前記平衡固相線３５は、鋳型の長辺部および短辺部では、鋳型壁と平行な直線をなしている。しかしながら、コーナー部では、外に凸な曲線で構成されている。本願発明では、前記の曲線の形状に着目したものであり、角形鋳型３１のコーナー部の形状を前記角形鋳型３１内に形成される平衡固相線３５に相似な形状に構成することを好ましい態様としている。
【００５８】
前記のようなコーナー部を平衡固相線に対応した形状に構成することにより、鋳型プール３２から水冷鋳型３１への抜熱による熱流が鋳型内面と直交する方向に形成されるため、これに伴って形成される鋳造組織も熱流にそって形成され、凝固組織の均一な鋳塊を溶製できるという効果を奏するものである。
【００５９】
また、本願発明においては、前記角形鋳型３１のコーナー部の面取り部を円弧の一部として構成することもできる。本願発明においては、前記面取り部の円弧の曲率半径（ｒｃ）は、２〜５０ｍｍの範囲に設定することが好ましい。
【００６０】
前記コーナー部の面取り部を構成する円弧の曲率半径が上限値５０ｍｍを超えると、溶製されるチタンスラブのコーナー部の凝固組織は健全に維持されるものの、前記チタンスラブを圧延により形成される薄板の均質性が低下し好ましくない。また、スラブコーナー部の冷却凝固速度が低下して、スラブ内からのブレークアウトが懸念されて好ましくない。一方、前記曲率半径の下限値２ｍｍより小さい曲率半径の面取り部を構成した場合には、スラブから鋳型コーナー部への抜熱が大きく、スラブ表面鋳肌の改善効果を享受することが難しく、溶製されたチタンスラブ自身のコーナー部に割れや傷が発生し好ましくない。
【００６１】
よって本願発明においては、角形鋳型３１のコーナー部の面取り部を構成する円弧の曲率半径は、２〜５０ｍｍの範囲に設定することが好ましく、更には、５〜３０ｍｍに設定することが好ましい。前記した範囲の平滑な曲面で鋳型の内面を構成することにより、コーナー部にクラックや傷の無い健全な凝固組織を呈したチタンスラブを溶製することができるという効果を奏するものである。
【００６２】
本願発明においては、前記面取り部の曲率半径（ｒｃ）は、鋳型長辺の長さに対する鋳型短辺の長さの比（α）に対して比例関係となるように構成することが好ましい。即ち、溶製されるインゴットの厚みが増加するほど、面取り部を大きくとれるように構成することが好ましい。このような構成とすることで種々の形状の角形鋳型にも好適に対応することができるという効果を奏するものである。
【００６３】
また、本願発明に用いる鋳型の厚み（Ｄ）に対する幅（Ｗ）の比（Ｗ／Ｄ）は、２≦（Ｗ／Ｄ）≦１０の範囲とすることが好ましく、更に、２．５≦（Ｗ／Ｄ）≦８の範囲とすることがより好ましい。
【００６４】
本願発明で用いる鋳型の形状は角形であることが好ましく、前記鋳型の厚みは後工程に供される圧延工程に対しては薄い方が好ましい。しかしながら鋳型の厚みが薄くなるにつれて水冷銅壁への抜熱量が増加するので前記鋳型プールへ供給する熱量も増加させることが必要となり好ましくない。
【００６５】
よって前記鋳型の大きさには上限および下限があり、本願発明においては、種々の検討の結果、前記鋳型の厚みに対する幅の比（Ｗ／Ｄ）は、１０を上限としている。前記上限値を越えて鋳型幅を短くすると、鋳型プールから鋳型への抜熱量が増加し、これに見合う電子ビーム加熱量が増加して好ましくないからである。一方、比（Ｗ／Ｄ）の下限値２以下であると、断面が正方形に近づき、鋳型の幅と厚さの関係が近接してしまい、本願発明の効果を得られない。さらに、１以下であると幅と厚さの関係が逆転して本願発明の意味をなさないからである。前記鋳型の厚み対する幅の比（Ｗ／Ｄ）は、より好ましくは、２．５〜８に設定することで、鋳型の多少の変形があった場合にも、目的とする幅と厚みのスラブを確実に溶製できるという効果を奏するものである。
【００６６】
本願発明においては、前記した角形鋳型３１に保持された鋳型プール３２の面取り部に隣接したプール部に電子ビームを照射する際には、前記角形鋳型３２の面取り部の形状に相似な形状の電子ビームを前記面取り部に照射することが好ましい。
【００６７】
また、前記面取り部が円弧の一部で構成されている場合には、電子ビームの形状も円形に構成し、更に、前記円形の半径を、前記面取り部を構成する円弧の曲率半径に一致させることが好ましい。
【００６８】
前記のような電子ビームを鋳型プール３２に照射することで、角形鋳型３１の面取り部の隅々まで熱エネルギーを投入することができ、その結果、溶製されるチタンスラブのコーナー部の鋳肌も割れや傷のない健全な凝固組織を得ることができるという効果を奏するものである。
【００６９】
図１に示した電子ビーム溶解炉から抜き出されたチタンスラブは、次いで、表面に形成されている付着物や凹凸を切削や研磨などで除去した後、加熱炉で加熱された後、高温の状態で熱間圧延機に送り込むことにより、帯状コイルに熱間圧延することができる。
【００７０】
本願発明では、前記圧延機として、タンデム圧延機、ステッケル圧延機あるいはプラネタリー圧延機を好適に使用することができる。特にタンデム圧延機は、チタンスラブを帯状コイルに熱間圧延する際に、粗圧延から仕上げ圧延の際に好適に用いることができる。
【００７１】
２．熱間圧延用チタンスラブ
図５は、本願発明で製造された熱間圧延用チタンスラブの形状を模式的に表している。また、図６はスラブの長手方向の反りを、図７はスラブの長手方向の曲がり（キャンバー）を説明する図を示している。
【００７２】
本願発明の方法で製造された熱間圧延用チタンスラブは、まず表面が平滑な定盤の上に載置して反りと曲がりを確認する。即ち、前記チタンスラブを鉛直方向に揺動させてチタンスラブの鉛直方向の変形具合を確認し、定盤から浮いている他端のコーナー部と定盤の距離を測定し、その中の最大値を図６に示すように「反り」として計測する。
【００７３】
同様に定盤の上に載置されたチタンスラブの端面に沿って長手方向に移動して、スラブの長手方向に表示された定盤上の直線に対する変移量を測定し、その中の最大値を図７に示すように「曲がり」として計測する。
【００７４】
図２の説明で述べたように、本願発明では、矩形鋳型は、長辺鋳型壁と短辺鋳型壁を有し、これらのうち、図２（ａ）のように両方の短辺鋳型壁から溶湯を注入するものであり、その結果、長手方向の直線性に優れたチタンスラブを溶製することができる。
【００７５】
その直線性は、スラブの長さ１０００ｍｍ当たりの反りが５ｍｍ以下、曲がりが２．５ｍｍ以下であり、鉄鋼などの汎用な熱間圧延機で安定した通材性を十分に確保できる品質にある。
【００７６】
さらに、上述したより好ましい電子ビームパターンを採用した装置および方法により製造された熱間圧延用チタンスラブは、スラブの長さ１０００ｍｍ当たりの反りが２ｍｍ以下、曲がりが２ｍｍ以下に制御することができる。
【００７７】
加えて、溶製したチタンスラブの鋳肌にある凹凸などの表面欠陥を切削などで手入れ除去する場合、スラブの反りや曲がりが小さいことによって、手入れ効率の向上と削量低減の効果が成し得る。
【００７８】
本願発明に係る熱間圧延用チタンスラブは、電子ビーム溶解炉から直接溶製されたことを特徴とするものである。前記チタンスラブは、溶製当初から圧延に適した厚みに調整されているために、従来のインゴットから行っていたスラブへのブレークダウン工程が不要であるのみならず、溶製したままのチタンスラブの反りや曲がりが非常に小さいために矯正工程や切削などによる機械加工も不要にできる。
【００７９】
前記したチタンスラブは、純チタンまたはチタン合金のいずれでも構成することができる。例えば、スポンジチタンを溶解原料として溶製されたチタンスラブあるいは、スポンジチタンに合金成分を添加して溶製されたチタンスラブに対しても適用することができる。
【００８０】
以上述べた電子ビーム溶解炉により溶製されたチタンスラブは、鉄鋼メーカーの保有する熱間圧延機を好適に用いることができ、その結果、品質の優れた熱間圧延チタンコイルを製造することができるという効果を奏するものある。
【実施例】
【００８１】
１．溶解原料：スポンジチタン
２．溶解装置：
１）電子ビーム出力
ハース側：最大１０００ｋＷ
鋳型側：最大４００ｋＷ
鋳型内プールへの電子ビーム照射方法：鋳型内プール面に対して電子ビーム密度が均一になるように照射。
２）角形鋳型
大きさ：厚み２７０ｍｍ×幅１１００ｍｍ
構成：水冷銅
コーナー部：ｒｃ＝５ｍｍ または平衡固相線に平行になるように構成。
３）鋳型への溶湯注入方向：角形鋳型の短辺鋳型の両辺から注入。但し、比較例では、片辺から注入。
４）溶製スラブの寸法：
幅：１１００ｍｍ
厚み：２７０ｍｍ
長さ：５０００〜９０００ｍｍ
【００８２】
［実施例１］
上記装置構成および溶解原料を用い、鋳型短辺の両側から溶湯を注入し、かつ、鋳型内プール表面への電子ビームが均一になるように照射して、幅が１１００ｍｍ、厚みが２７０ｍｍ、全長が、７０００ｍｍのスラブを５本溶製した。溶製されたスラブの反りを計測したところ、長さ１０００ｍｍ当たりに対する反りは、３ｍｍ〜５ｍｍの範囲にあり製品特性を満足するものであった。
【００８３】
［実施例２］
実施例１において、鋳型コーナー部の形状を平衡固相線に相似になるように構成した以外は同じ条件下でスラブを溶製した。溶製したスラブのコーナー部の鋳肌を観察したとところ実施例１で溶製されたスラブに比べて優れていることが確認された。また、溶製されたスラブの反りは、実施例１と同等のレベルにあった。
【００８４】
［比較例１］
実施例２において、鋳型短辺の片側から溶湯を注入した以外は、同じ条件で５本のスラブを溶製した。溶製されたスラブの反りを計測したところ、１０００ｍｍ当たりの反りは、４ｍｍ〜６ｍｍであり、製品特性を満足するものであったが、ＤＣスラブの鋳肌という観点では実施例１および２までのレベルになかった。
【００８５】
【表１】
【００８６】
前記実施例および比較例により、生成されたスラブを溶製する場合には、鋳型のコーナー部の形状を平衡固相線と相似になるように構成することにより、生成スラブの反りは、勿論のこと、コーナー部を含めたスラブ全体の鋳肌を優れたレベルに維持されることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本願発明によれば、電子ビーム溶解炉を用いて、反りや曲がりが高度に抑制され、鋳肌が改善された高品質なチタンスラブを直接溶製することができ、チタン製品の製造コストの削減に寄与する。
【符号の説明】
【００８８】
１…電子銃、２…電子ビーム、３、３１…矩形鋳型、３２…溶融プール、３３…等温線、３４…固相、３５…平衡固相線、４…ハース、５…溶湯、６…溶融プール、７…スラブ、８…引き抜き台座、９…引き抜きシャフト、１０…原料、１１…溶解室、１２…インゴット室、１３…分散樋、２０…ゲートバルブ。
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、電子ビーム溶解炉により溶製された熱間圧延に好適なチタンスラブとその溶製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属チタンは、近年にない需要の増加に対して、スポンジチタンあるいはインゴットのメーカーはその増産対応に追われている状態である。この状況は、スポンジチタンあるいはインゴットのメーカーのみならず、前記チタンインゴットを鍛造した板材に加工するメーカーにおいても同じような状況が続いている。
【０００３】
上記のようなチタンインゴットを加工した板材の一種である帯状コイルの従来の一般的な製造方法は、消耗電極式アーク溶解法や電子ビーム溶解法で溶解して凝固させた大型のチタンインゴットからスタートし、これをブレークダウンして熱間圧延用スラブを製造するものである。
【０００４】
この大型のインゴットの形状は、消耗電極式アーク溶解法の場合には直径約１ｍの円柱形、電子ビーム溶解法の場合には矩形形状も製造されており一辺が約０．５〜１ｍの断面を有する。このように大きな断面であるため、この大型インゴットは、分塊や鍛造や圧延などの熱間加工によってブレークダウンされて、熱間圧延機で圧延可能なスラブ形状とする。
【０００５】
ブレークダウン後に、さらに、反りや曲がり（キャンバー）の矯正工程、表面のスケールや疵を除去するための手入れ工程を経て、初めて熱間圧延用スラブとなる。この熱間圧延用スラブは、所定の温度に加熱して鉄鋼等の汎用な熱間圧延機によって熱間圧延し帯状コイル（薄板）に加工される。この熱間圧延された帯状コイルは、その後、焼鈍や脱スケールされてそのまま製品になるもの、あるいは更に冷間圧延などの冷間加工と焼鈍が施されて製品となるものがある。
【０００６】
このようにチタンの薄板コイルの製造に際しては、いくつかの工程を経て初めて製造されるものであるため、コスト増大の原因となっており、チタン溶解メーカーに対して、前記工程の短縮あるいは工程改善しうるようなチタンスラブの提供が望まれている。
【０００７】
一方、最近では、電子ビーム溶解炉では鋳型の断面形状を矩形とすることにより、矩形のインゴットも溶製されている。しかしながら、現状では前記矩形インゴットの厚みは、ブレークダウン工程を経ずには熱間圧延機にかけることができる程度まで薄くは溶製されていない。そのため、更に薄手の矩形インゴットを溶製する技術は未だ十分ではなく、実用化が望まれている。
【０００８】
即ち、従来の電子ビーム溶解炉を用いて熱間圧延機に直接送りこむことのできるような厚みのチタンスラブを溶製するには、まずは、チタンスラブを溶製するための専用の鋳型が必要となる。しかしながら、電子ビーム溶解炉でチタンスラブを溶製する際に単純に従来の角形鋳型の厚みを薄くした場合には、前記鋳型にて溶製されるチタンスラブに反りや曲がりが発生して長手方向に波打ち、鉄鋼等の圧延に利用されている汎用の熱間圧延機にそのまま送り込むことができないという新たな課題に遭遇する。
【０００９】
鉄鋼等の汎用の熱間圧延機で帯状コイルを製造する上で、スラブの反りや曲がり（直線性が悪いこと）は通材性を損なうため、上下に大きく反ったり、左右にふれたり、被圧延材が真っ直ぐに進行せずに、連続した熱間圧延ができなくなる。熱間圧延ができたとしても、被圧延材がガイドや搬送ロールに激しくぶつかるために、エッジの割れや表面疵が発生してしまう。溶製されたチタンスラブの反りや曲がりが大きい場合には、加熱して熱間で矯正するか、所定の形状になるように切削などの機械加工によって厚みや幅を相当量切除する必要が生じる。
【００１０】
電子ビーム溶解炉による角形鋳型を用いた矩形インゴットの溶製方法は、例えば、特開平０４−１３１３３０号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１の第１図には、溶湯が角形鋳型１の長辺鋳型壁側から注がれている図が示されている。しかしながら、特許文献１には、矩形インゴットを溶製することにより、前記インゴットの圧延工程を改善することができるという効果の記載はあるが、角形鋳型を用いて溶製されたチタンスラブの曲がりや反りなどの直線性に関する技術開示は見あたらない。
【００１１】
しかしながら、実操業を勘案した場合、減圧された電子ビーム溶解炉で溶製されたチタンスラブを大気圧下に抜き出す技術は実用化されておらず、抜き出しには電子ビーム溶解炉の運転を停止して炉内を大気圧にする等しなければならず、電子ビーム溶解とスラブの抜き出しを連続的に行うことは困難であり、今後の周辺技術の進歩が望まれている。
【００１２】
このように、電子ビーム溶解炉を用いて熱間圧延用に好適なチタンスラブを直接溶製するには、前記した課題を解決する必要があり、前記課題の合理的な解決手段が望まれている。
【００１３】
特開昭６２−０５００４７号公報（特許文献２）には、電子ビーム溶解炉を構成する鋳型から引き抜かれたチタンスラブの表面に、電子ビームを照射して表層部を溶融加熱した後、表面成形圧延ロールにかけてスラブを製造することで、鋳造スラブの鋳肌を改善する方法が開示されている。
【００１４】
特許文献２によれば、単にスラブを鋳型から引き抜いたままでは表面欠陥や大きなオッシレーションマークが発生しているため、再度、電子ビームを照射して表層部を溶融した後、表面成形ロールにかけることによって良好な鋳肌を得るもので、１８０ｍｍ×５０ｍｍの断面を有する矩形チタンスラブの例が開示されている。
【００１５】
しかしながら、特許文献２にも、角形鋳型を用いて溶製されたチタンスラブの曲がりや反りなどの直線性に関する技術開示は見あたらない。また、この１８０ｍｍ×５０ｍｍの断面は工業的に非常に小さいため、帯状コイルを製造する鉄鋼などの大型の熱間圧延機では、温度低下が大きく、適していない。さらに、特許文献２では、鋳型から引き抜いた後の表面成形ロールと電子ビーム溶解炉の内部にチタンスラブ加熱用の電子銃を別途準備する必要があり、コスト面での課題が残されている。
【００１６】
角型鋳型を用いて直線性に優れたチタンスラブを製造する技術として、角型鋳型の長辺鋳型壁ではなく、短辺鋳型壁から溶湯を注ぐ技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。この技術によれば、特許文献１に記載のように長辺鋳型壁から溶湯を注いだ場合と比べて、スラブの厚さ方向の温度分布が対称となるため、スラブの反り・曲がりが改善され、直線性が向上するという記載がある。しかしながら、溶製後のスラブを直接圧延機に送り込むためには、必ずしも直線性が十分とは言えなかった。
【００１７】
上述のとおり、電子ビーム溶解炉に角形の鋳型を配設し、角形のインゴットを製造する技術も開発されつつあり、前記した角形のインゴットは、丸型インゴットに比べて熱間鍛造が容易であり、前記鍛造工程を効率化することができるという効果を奏するものである。これに加えて、前記角形インゴットの厚みを更に薄くしたスラブの製造方法も検討されつつある。
【００１８】
しかしながら、前記角形鋳型を用いて溶製されたスラブの直線性が改善されたとしても、他の問題として、スラブのコーナー部に割れや傷が発見される場合があり改善が求められている。
【００１９】
前記した割れや傷があるとその後に行う鍛造あるいは圧延工程において加工された薄板の表面に傷を残す場合があり、また、薄板自身に割れが入る場合がある。さらには、コーナー部に割れや傷が発生していなかったとしても、角形スラブのコーナー形状が適正でない場合には、そのまま熱間圧延するとエッジ部に割れが発生して、薄板の製品歩留まりを大きく低下させてしまい、改善が求められている。
【００２０】
このような点については、連続鋳造技術に見られるような鋳型の内面を外部に張り出させた形状とすることで、前記スラブのコーナー部に対する冷却強度を緩和して、その結果鋳肌の改善されたインゴットを製造する試みがある（例えば、特許文献４参照）。
【００２１】
また、前記鋳型の断面積をスラブの引抜き方向に向かって減少させるように構成することで、鋳型とスラブと密着性を改善することで、前記コーナー部や鋳肌の改善を目論んだ技術も開示されている（例えば、特許文献５参照）。
【００２２】
しかしながら、これらの技術は溶製される鋳片全体の鋳肌に関して言及されており、前記した角形インゴットのコーナー部に発生する割れについては言及されていない。このように、電子ビーム溶解炉を用いて溶製された角形インゴットのコーナー部の割れや傷の発生がない健全な鋳肌のインゴットを安定的に製造する技術が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開平０４−１３１３３０号公報
【特許文献２】特開昭６２−０５００４７号公報
【特許文献３】ＷＯ２０１０／０９０３１０号公報
【特許文献４】特開平１１−０２８５５０号公報
【特許文献５】特開平０４−３１９０４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本願発明は、電子ビーム溶解炉による溶解後にブレークダウン工程やその後の矯正工程を経ることなく、熱間圧延機に送り込むことができるような、熱間圧延に好適な特性を具備したチタンスラブとその溶製方法の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
かかる実情に鑑み前記課題について鋭意検討を進めてきたところ、角形鋳型を構成する一対の対向する長辺鋳型壁と一対の対向する短辺鋳型壁のうち、前記一対の短辺鋳型壁の両方から同時に溶湯を注入することにより、長手方向の直線性に優れたチタンスラブを溶製することができることを見出し、以下の本願発明を完成するに至った。
【００２６】
すなわち、本願発明の熱間圧延用チタンスラブの溶製方法は、電子ビーム溶解炉を用いた熱間圧延用チタンスラブの溶製方法であって、電子ビーム溶解炉に内装された矩形鋳型は、一対の対向する長辺鋳型壁および一対の対向する短辺鋳型壁から構成され、一対の短辺鋳型壁の両方から同時に溶湯を注入することを特徴としている。
【００２７】
本願発明に係る前記熱間圧延用チタンスラブの溶製方法は、前記矩形鋳型のコーナー部に面取り部を形成させ、前記面取り部の形状が矩形鋳型の内部に形成されている溶湯とその外周部に形成される凝固シェルとの境界である平衡固相線と相似となるように形成された鋳型を用いることを好ましい態様とするものである。
【００２８】
本願発明に係る前記熱間圧延用チタンスラブの溶製方法は、前記矩形鋳型のコーナー部に面取り部を形成させ、前記面取り部を円弧の一部で構成し、前記円弧の曲率半径（ｒｃ）が２〜５０ｍｍとされた鋳型を用いることを好ましい態様とするものである。
【００２９】
本願発明に係る前記熱間圧延用チタンスラブの溶製方法は、前記矩形鋳型の厚み（Ｄ）に対する幅（Ｗ）の比（Ｗ／Ｄ）は、２≦（Ｗ／Ｄ）≦１０の範囲とされた鋳型を用いることを好ましい態様とするものである。
【００３０】
本願発明に係る前記熱間圧延用チタンスラブの溶製方法は、前記角形鋳型の面取り部の曲率半径（ｒｃ）は、鋳型長辺に対する鋳型短辺の比（α）に対して比例関係となるように構成された鋳型を用いることを好ましい態様とするものである。
【００３１】
本願発明に係る前記熱間圧延用チタンスラブは、純チタンまたはチタン合金で構成されていることを好ましい態様とするものである。ここで、純チタンとは、ＪＩＳ１種から４種相当品を意味する。また、チタン合金とは、前記純チタンに規定されている以外の金属元素が意図的に添加されたチタン材を意味する。
【００３２】
本願発明に係る熱間圧延用チタンスラブの圧延方法は、前記熱間圧延用スラブを、熱間圧延機に送り込み、帯状コイルへ熱間圧延することを好ましい態様とするものである。
【００３３】
本願発明に係る前記熱間圧延用チタンスラブの圧延方法は、前記熱間圧延をタンデム圧延機、ステッケル圧延機またはプラネタリー圧延機を用いて行うことを好ましい態様とするものである。
【発明の効果】
【００３４】
前記した本願発明の熱間圧延用チタンスラブの溶製方法では、両側の短辺鋳型壁から溶湯を同時に注入しているので、鋳型内の溶融プールの温度分布が、対向する長辺鋳型壁どうしに関して対称となり薄手である厚み方向の変形（反り）が起こり難くなることに加え、対向する短辺鋳型壁どうしに関しても対称となるため、さらに幅方向の変形（曲がり）も抑制することができる。
【００３５】
この方法により製造されたチタンスラブは、長手方向の直線性に優れており、その結果、鉄鋼などの汎用の熱間圧延機で安定な熱間圧延が可能になり、熱間圧延に先立ってブレークダウン工程やチタンスラブの長手方向の矯正工程を省力することができ、その結果、チタン薄板の加工時間を大幅に短縮することができるという効果を奏するものである。
【００３６】
本願発明によれば、チタンスラブの反りや曲がりが高度に抑制されているので、電子ビーム溶解後にブレークダウン工程やその後の矯正工程を必要とせず、熱間圧延機に送り込むことができるような長手方向の直線性に優れた熱間圧延用チタンスラブ、およびその溶製方法を提供することができる。
【００３７】
加えて、両側の短辺鋳型壁から溶湯を同時に注入しているため、鋳型内の溶融プール内の対流が良くなり、純チタンに意図的に添加されている鉄や酸素といった元素が溶融プールで攪拌され、成分偏析を抑制することができる。
【００３８】
更に、両側の短辺鋳型壁から溶湯を同時に注入しているので、一辺から溶湯の注入量が少なくなる。そのため、例えば溶解速度を速くした場合でも、湯の流れ（湯道）が安定し、溶湯が長辺側に回り込むことを防ぐことができ、鋳造後の表面性状圧下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】電子ビーム溶解炉の主要な装置構成を示す図である。
【図２】角形鋳型の断面形状、その長辺鋳型壁および短辺鋳型壁、および溶湯を注入する壁側を示す図であり、（ａ）は両方の短辺鋳型壁側から、（ｂ）は一方の短辺鋳型壁側から、（ｃ）は長辺鋳型壁側から、溶湯を注入していることを示す図である。
【図３】角型鋳型の両方の短辺鋳型壁から溶湯を注入している状態を示す平面図であり、（ａ）はハースを２基設けた態様、（ｂ）は１基のハースおよび分散樋を設けた態様を示す図である。
【図４】本願発明の角型鋳型におけるチタンスラブの溶製中の状態を示す模式図である。
【図５】熱間圧延用チタンスラブの形状を模式的に示す図である。
【図６】スラブの長手方向の反りを模式的に示す図である。
【図７】スラブの長手方向の曲がり（キャンバー）を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
本願発明の最良の実施形態について図面を用いて以下に説明する。
１．熱間圧延用チタンスラブの溶製方法
本願発明のチタンスラブの好ましい溶製方法について、図１を参照しながら説明する。図１は、本願発明に係るチタンスラブの溶製に好適な電子ビーム溶解炉の主要な装置構成を表している。本願発明においては、ハース４に投入されたチタン原料１０は、電子ビーム溶解炉の頂部に保持された電子銃１から放出される電子ビーム２によって加熱溶解されて溶湯５を生成し、前記溶湯５は、ハース４の下流側に配設した鋳型３に連続的に注入される。
【００４１】
鋳型３に連続的に注入された溶湯５は、鋳型３の内部に形成されているチタンプール６に合体されると共に、前記チタンプール６の下方で凝固したチタンスラブ７は連続的に引き抜かれ、前記チタンプール面６を一定のレベルに保持するように操業される。
【００４２】
前記したハース４、鋳型３は、溶解室１１に内装されて大気と遮断されており、前記溶解室１１の内部は減圧に保持されている。鋳型３の下端より引き抜かれたチタンスラブ７は、溶解室１１の下部に密着配置されたインゴット室１２内に連続的に引き抜かれる。前記インゴット室１２の内部は溶解室１１と同様に減圧状態に維持することが好ましい。前記のような圧力状態に維持することで、インゴット室１２から溶解室１１への大気の侵入を効果的に抑制することができる。
【００４３】
インゴット室１２内に所定量引き抜かれたチタンスラブ７は、鋳型３から完全に引き抜かれた後、ゲートバルブ２０を作動させて溶解室１１とインゴット室１２の縁を切ることが好ましい。
【００４４】
次いで、インゴット室１２内にアルゴンガスを投入して、インゴット室１２内の圧力を大気圧まで戻すと共に、前記インゴット室１２内の温度を室温近傍まで冷却することが好ましい。
【００４５】
室温まで冷却されたチタンスラブ７は、インゴット室１２に設けられた図示しない開放扉より大気中に抜き出すことができる。
【００４６】
図２は、電子ビーム溶解炉におけるチタンスラブを溶製する角形鋳型の平面図を示す。また、溶融プール６の温度分布を模式的に濃淡で表している。矩形鋳型は、長辺鋳型壁と短辺鋳型壁を有し、本願発明では、これらのうち、図２（ａ）のように前記短辺鋳型壁の両側から溶湯を注入することを好ましい態様とするものであり、その結果、長手方向の直線性に優れたチタンスラブを溶製できるという効果を奏するものである。その直線性は、スラブの長さ１０００ｍｍ当たりの反りが５ｍｍ以下、曲がりが２．５ｍｍ以下であり、鉄鋼などの汎用な熱間圧延機で安定した通材性を十分に確保できる品質にある。
【００４７】
従来は、溶湯が鋳型外枠から外れずに安定して鋳型内に注ぎ込まれるように、図２（ｃ）のように間口が広い長辺鋳型壁側から溶湯を注入する方法が一般的であった。この場合、スラブの反りが５ｍｍ（長さ１０００ｍｍ当たり）を超えると、必要とされる直線性が得られない場合がある。これは、溶融プールの温度分布図が示すように、スラブの表裏面となる溶湯の注入面側の長辺鋳型壁側と、反注入面側である対向する長辺鋳型壁側で温度差が大きくなり、それに応じて温度や冷却の差が薄手である厚み方向で非常に大きくなるためと考えられる。
【００４８】
また、特許文献３に記載のように、図２（ｂ）のように一方の短辺鋳型壁から溶湯を注入する方法も提案されている。この方法によれば、長辺鋳型壁から溶湯を注入する方法と比較して、溶融プールの温度分布図が示すように、対向する長辺鋳型壁どうしに関しては温度分布が対称となり、その結果、スラブの薄手である厚み方向の変形が抑制されるが、スラブの幅方向の変形に関しては抑制効果は十分ではなかった。
【００４９】
本願発明のように両側の短辺鋳型壁から溶湯を注入することによって、図２（ａ）からわかるように、鋳型のコーナー部が、薄手の鋳型を使用しているために溶湯が注ぎ込まれている箇所に非常に近い。鋳型のコーナー部は、冷却能が平面部に比べて高く、溶湯が注ぎ込まれることによる温度差を急激に緩和する作用がある。その作用によって、冷却の対称性が高まり、反りと曲がりが抑制されていると考えられる。また、両側の短辺鋳型壁から注ぎ込むため、溶融プールの温度分布図が示すように、対向する長辺鋳型壁どうしに関して温度分布が対称となる上に、対向する短辺鋳型壁どうしに関しても温度分布が対称となる、その結果、薄手である厚み方向の変形に加え、幅方向の変形も起こり難いと考えられる。
【００５０】
図３は、上述した両側の短辺鋳型壁から溶湯を注入する際の具体的な態様を示す。まず第１に、図３（ａ）に示すように、矩形鋳型３の一対の短辺鋳型壁に対応するように、ハース４を２基設けることができる。このような態様により、溶湯を矩形鋳型３の両側の短辺鋳型壁から同時に注入することができる。
【００５１】
また、第２に、図３（ｂ）に示すように、１基のハース４を用いた場合であって、その溶湯排出口の下方に、分散樋１３を配設し、この分散樋１３によって、溶湯を矩形鋳型３の両側の短辺鋳型壁から同時に注入することができる。
【００５２】
本願発明においては、前記チタンスラブの好ましい長さを確保する意味から、前記インゴット室１２の長さは、少なくとも５０００ｍｍ以上確保しておくことが好ましい。
【００５３】
本願発明においては、前記鋳型３は、前記したチタンスラブ７の溶製に好適な厚みに構成しておくことが好ましく、具体的には、１５０〜３００ｍｍの範囲に構成しておくことが好ましい。
【００５４】
また、前記角形鋳型の厚み（Ｔ）に対する幅（Ｗ）の比（Ｗ／Ｔ）は、２〜１０の範囲に構成することが好ましい。前記のような断面形状の角形鋳型を用いることで、鉄鋼などの汎用な熱間圧延機に直接送り込むことができるという効果を奏するものである。
【００５５】
図４は、図１における鋳型３を上方から見た図である。図４に示すように、本願発明においては、矩形鋳型３１のコーナー部に面取り部を形成させ、前記面取り部の形状が矩形鋳型の内部に形成されている溶湯３２とその外周部に形成される凝固シェル３４との境界である平衡固相線３５と相似となるように形成された鋳型を用いることを好ましい態様とするものである。
【００５６】
ここで、平衡固相線３５とは、矩形鋳型３１の内部に形成されている固相３４と液相３２の境界面を示し、溶湯の凝固点に相当する温度を結ぶ線に相当する。一般に金属の融点では固液が共存しているが、前記鋳型プール３２の外周面は固相を表しており、本願発明においてはこの等温線を平衡固相線３５と呼ぶことにする。
【００５７】
前記平衡固相線３５は、鋳型の長辺部および短辺部では、鋳型壁と平行な直線をなしている。しかしながら、コーナー部では、外に凸な曲線で構成されている。本願発明では、前記の曲線の形状に着目したものであり、角形鋳型３１のコーナー部の形状を前記角形鋳型３１内に形成される平衡固相線３５に相似な形状に構成することを好ましい態様としている。
【００５８】
前記のようなコーナー部を平衡固相線に対応した形状に構成することにより、鋳型プール３２から水冷鋳型３１への抜熱による熱流が鋳型内面と直交する方向に形成されるため、これに伴って形成される鋳造組織も熱流にそって形成され、凝固組織の均一な鋳塊を溶製できるという効果を奏するものである。
【００５９】
また、本願発明においては、前記角形鋳型３１のコーナー部の面取り部を円弧の一部として構成することもできる。本願発明においては、前記面取り部の円弧の曲率半径（ｒｃ）は、２〜５０ｍｍの範囲に設定することが好ましい。
【００６０】
前記コーナー部の面取り部を構成する円弧の曲率半径が上限値５０ｍｍを超えると、溶製されるチタンスラブのコーナー部の凝固組織は健全に維持されるものの、前記チタンスラブを圧延により形成される薄板の均質性が低下し好ましくない。また、スラブコーナー部の冷却凝固速度が低下して、スラブ内からのブレークアウトが懸念されて好ましくない。一方、前記曲率半径の下限値２ｍｍより小さい曲率半径の面取り部を構成した場合には、スラブから鋳型コーナー部への抜熱が大きく、スラブ表面鋳肌の改善効果を享受することが難しく、溶製されたチタンスラブ自身のコーナー部に割れや傷が発生し好ましくない。
【００６１】
よって本願発明においては、角形鋳型３１のコーナー部の面取り部を構成する円弧の曲率半径は、２〜５０ｍｍの範囲に設定することが好ましく、更には、５〜３０ｍｍに設定することが好ましい。前記した範囲の平滑な曲面で鋳型の内面を構成することにより、コーナー部にクラックや傷の無い健全な凝固組織を呈したチタンスラブを溶製することができるという効果を奏するものである。
【００６２】
本願発明においては、前記面取り部の曲率半径（ｒｃ）は、鋳型長辺の長さに対する鋳型短辺の長さの比（α）に対して比例関係となるように構成することが好ましい。即ち、溶製されるインゴットの厚みが増加するほど、面取り部を大きくとれるように構成することが好ましい。このような構成とすることで種々の形状の角形鋳型にも好適に対応することができるという効果を奏するものである。
【００６３】
また、本願発明に用いる鋳型の厚み（Ｄ）に対する幅（Ｗ）の比（Ｗ／Ｄ）は、２≦（Ｗ／Ｄ）≦１０の範囲とすることが好ましく、更に、２．５≦（Ｗ／Ｄ）≦８の範囲とすることがより好ましい。
【００６４】
本願発明で用いる鋳型の形状は角形であることが好ましく、前記鋳型の厚みは後工程に供される圧延工程に対しては薄い方が好ましい。しかしながら鋳型の厚みが薄くなるにつれて水冷銅壁への抜熱量が増加するので前記鋳型プールへ供給する熱量も増加させることが必要となり好ましくない。
【００６５】
よって前記鋳型の大きさには上限および下限があり、本願発明においては、種々の検討の結果、前記鋳型の厚みに対する幅の比（Ｗ／Ｄ）は、１０を上限としている。前記上限値を越えて鋳型幅を短くすると、鋳型プールから鋳型への抜熱量が増加し、これに見合う電子ビーム加熱量が増加して好ましくないからである。一方、比（Ｗ／Ｄ）の下限値２以下であると、断面が正方形に近づき、鋳型の幅と厚さの関係が近接してしまい、本願発明の効果を得られない。さらに、１以下であると幅と厚さの関係が逆転して本願発明の意味をなさないからである。前記鋳型の厚み対する幅の比（Ｗ／Ｄ）は、より好ましくは、２．５〜８に設定することで、鋳型の多少の変形があった場合にも、目的とする幅と厚みのスラブを確実に溶製できるという効果を奏するものである。
【００６６】
本願発明においては、前記した角形鋳型３１に保持された鋳型プール３２の面取り部に隣接したプール部に電子ビームを照射する際には、前記角形鋳型３２の面取り部の形状に相似な形状の電子ビームを前記面取り部に照射することが好ましい。
【００６７】
また、前記面取り部が円弧の一部で構成されている場合には、電子ビームの形状も円形に構成し、更に、前記円形の半径を、前記面取り部を構成する円弧の曲率半径に一致させることが好ましい。
【００６８】
前記のような電子ビームを鋳型プール３２に照射することで、角形鋳型３１の面取り部の隅々まで熱エネルギーを投入することができ、その結果、溶製されるチタンスラブのコーナー部の鋳肌も割れや傷のない健全な凝固組織を得ることができるという効果を奏するものである。
【００６９】
図１に示した電子ビーム溶解炉から抜き出されたチタンスラブは、次いで、表面に形成されている付着物や凹凸を切削や研磨などで除去した後、加熱炉で加熱された後、高温の状態で熱間圧延機に送り込むことにより、帯状コイルに熱間圧延することができる。
【００７０】
本願発明では、前記圧延機として、タンデム圧延機、ステッケル圧延機あるいはプラネタリー圧延機を好適に使用することができる。特にタンデム圧延機は、チタンスラブを帯状コイルに熱間圧延する際に、粗圧延から仕上げ圧延の際に好適に用いることができる。
【００７１】
２．熱間圧延用チタンスラブ
図５は、本願発明で製造された熱間圧延用チタンスラブの形状を模式的に表している。また、図６はスラブの長手方向の反りを、図７はスラブの長手方向の曲がり（キャンバー）を説明する図を示している。
【００７２】
本願発明の方法で製造された熱間圧延用チタンスラブは、まず表面が平滑な定盤の上に載置して反りと曲がりを確認する。即ち、前記チタンスラブを鉛直方向に揺動させてチタンスラブの鉛直方向の変形具合を確認し、定盤から浮いている他端のコーナー部と定盤の距離を測定し、その中の最大値を図６に示すように「反り」として計測する。
【００７３】
同様に定盤の上に載置されたチタンスラブの端面に沿って長手方向に移動して、スラブの長手方向に表示された定盤上の直線に対する変移量を測定し、その中の最大値を図７に示すように「曲がり」として計測する。
【００７４】
図２の説明で述べたように、本願発明では、矩形鋳型は、長辺鋳型壁と短辺鋳型壁を有し、これらのうち、図２（ａ）のように両方の短辺鋳型壁から溶湯を注入するものであり、その結果、長手方向の直線性に優れたチタンスラブを溶製することができる。
【００７５】
その直線性は、スラブの長さ１０００ｍｍ当たりの反りが５ｍｍ以下、曲がりが２．５ｍｍ以下であり、鉄鋼などの汎用な熱間圧延機で安定した通材性を十分に確保できる品質にある。
【００７６】
さらに、上述したより好ましい電子ビームパターンを採用した装置および方法により製造された熱間圧延用チタンスラブは、スラブの長さ１０００ｍｍ当たりの反りが２ｍｍ以下、曲がりが２ｍｍ以下に制御することができる。
【００７７】
加えて、溶製したチタンスラブの鋳肌にある凹凸などの表面欠陥を切削などで手入れ除去する場合、スラブの反りや曲がりが小さいことによって、手入れ効率の向上と削量低減の効果が成し得る。
【００７８】
本願発明に係る熱間圧延用チタンスラブは、電子ビーム溶解炉から直接溶製されたことを特徴とするものである。前記チタンスラブは、溶製当初から圧延に適した厚みに調整されているために、従来のインゴットから行っていたスラブへのブレークダウン工程が不要であるのみならず、溶製したままのチタンスラブの反りや曲がりが非常に小さいために矯正工程や切削などによる機械加工も不要にできる。
【００７９】
前記したチタンスラブは、純チタンまたはチタン合金のいずれでも構成することができる。例えば、スポンジチタンを溶解原料として溶製されたチタンスラブあるいは、スポンジチタンに合金成分を添加して溶製されたチタンスラブに対しても適用することができる。
【００８０】
以上述べた電子ビーム溶解炉により溶製されたチタンスラブは、鉄鋼メーカーの保有する熱間圧延機を好適に用いることができ、その結果、品質の優れた熱間圧延チタンコイルを製造することができるという効果を奏するものある。
【実施例】
【００８１】
１．溶解原料：スポンジチタン
２．溶解装置：
１）電子ビーム出力
ハース側：最大１０００ｋＷ
鋳型側：最大４００ｋＷ
鋳型内プールへの電子ビーム照射方法：鋳型内プール面に対して電子ビーム密度が均一になるように照射。
２）角形鋳型
大きさ：厚み２７０ｍｍ×幅１１００ｍｍ
構成：水冷銅
コーナー部：ｒｃ＝５ｍｍ または平衡固相線に平行になるように構成。
３）鋳型への溶湯注入方向：角形鋳型の短辺鋳型の両辺から注入。但し、比較例では、片辺から注入。
４）溶製スラブの寸法：
幅：１１００ｍｍ
厚み：２７０ｍｍ
長さ：５０００〜９０００ｍｍ
【００８２】
［実施例１］
上記装置構成および溶解原料を用い、鋳型短辺の両側から溶湯を注入し、かつ、鋳型内プール表面への電子ビームが均一になるように照射して、幅が１１００ｍｍ、厚みが２７０ｍｍ、全長が、７０００ｍｍのスラブを５本溶製した。溶製されたスラブの反りを計測したところ、長さ１０００ｍｍ当たりに対する反りは、３ｍｍ〜５ｍｍの範囲にあり製品特性を満足するものであった。
【００８３】
［実施例２］
実施例１において、鋳型コーナー部の形状を平衡固相線に相似になるように構成した以外は同じ条件下でスラブを溶製した。溶製したスラブのコーナー部の鋳肌を観察したとところ実施例１で溶製されたスラブに比べて優れていることが確認された。また、溶製されたスラブの反りは、実施例１と同等のレベルにあった。
【００８４】
［比較例１］
実施例２において、鋳型短辺の片側から溶湯を注入した以外は、同じ条件で５本のスラブを溶製した。溶製されたスラブの反りを計測したところ、１０００ｍｍ当たりの反りは、４ｍｍ〜６ｍｍであり、製品特性を満足するものであったが、ＤＣスラブの鋳肌という観点では実施例１および２までのレベルになかった。
【００８５】
【表１】
【００８６】
前記実施例および比較例により、生成されたスラブを溶製する場合には、鋳型のコーナー部の形状を平衡固相線と相似になるように構成することにより、生成スラブの反りは、勿論のこと、コーナー部を含めたスラブ全体の鋳肌を優れたレベルに維持されることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本願発明によれば、電子ビーム溶解炉を用いて、反りや曲がりが高度に抑制され、鋳肌が改善された高品質なチタンスラブを直接溶製することができ、チタン製品の製造コストの削減に寄与する。
【符号の説明】
【００８８】
１…電子銃、２…電子ビーム、３、３１…矩形鋳型、３２…溶融プール、３３…等温線、３４…固相、３５…平衡固相線、４…ハース、５…溶湯、６…溶融プール、７…スラブ、８…引き抜き台座、９…引き抜きシャフト、１０…原料、１１…溶解室、１２…インゴット室、１３…分散樋、２０…ゲートバルブ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビーム溶解炉を用いた熱間圧延用チタンスラブの溶製方法であって、
前記電子ビーム溶解炉に内装された矩形鋳型は、一対の対向する長辺鋳型壁および一対の対向する短辺鋳型壁から構成され、
前記一対の短辺鋳型壁の両方から同時に溶湯を注入することを特徴とする熱間圧延用チタンスラブの溶製方法。
【請求項２】
前記矩形鋳型のコーナー部に面取り部を形成させ、前記面取り部の形状が矩形鋳型の内部に形成されている溶湯とその外周部に形成される凝固シェルとの境界である平衡固相線と相似となるように形成された鋳型を用いることを特徴とする請求項１に記載の熱間圧延用チタンスラブの溶製方法。
【請求項１】
電子ビーム溶解炉を用いた熱間圧延用チタンスラブの溶製方法であって、
前記電子ビーム溶解炉に内装された矩形鋳型は、一対の対向する長辺鋳型壁および一対の対向する短辺鋳型壁から構成され、
前記一対の短辺鋳型壁の両方から同時に溶湯を注入することを特徴とする熱間圧延用チタンスラブの溶製方法。
【請求項２】
前記矩形鋳型のコーナー部に面取り部を形成させ、前記面取り部の形状が矩形鋳型の内部に形成されている溶湯とその外周部に形成される凝固シェルとの境界である平衡固相線と相似となるように形成された鋳型を用いることを特徴とする請求項１に記載の熱間圧延用チタンスラブの溶製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１０７１３０（Ｐ２０１３−１０７１３０Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５６４３１（Ｐ２０１１−２５６４３１）
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（３９０００７２２７）東邦チタニウム株式会社 (191)
【出願人】（０００００６６５５）新日鐵住金株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（３９０００７２２７）東邦チタニウム株式会社 (191)
【出願人】（０００００６６５５）新日鐵住金株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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