特許 5896811 チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造用の鋳型およびこれを備えた連続鋳造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5896811

(24)【登録日】2016年3月11日

(45)【発行日】2016年3月30日

(54)【発明の名称】チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造用の鋳型およびこれを備えた連続鋳造装置

(51)【国際特許分類】

   B22D 11/055 20060101AFI20160317BHJP

   B22D 11/00 20060101ALI20160317BHJP

   B22D 11/04 20060101ALI20160317BHJP

【ＦＩ】

   B22D11/055 A

   B22D11/00 D

   B22D11/04 311F

   B22D11/04 311G

【請求項の数】4

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2012-83683(P2012-83683)

(22)【出願日】2012年4月2日

(65)【公開番号】特開2013-212518(P2013-212518A)

(43)【公開日】2013年10月17日

【審査請求日】2014年9月1日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】110001841

【氏名又は名称】特許業務法人梶・須原特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】黒澤 瑛介

(72)【発明者】

【氏名】中岡 威博

(72)【発明者】

【氏名】堤 一之

(72)【発明者】

【氏名】大山 英人

(72)【発明者】

【氏名】金橋 秀豪

(72)【発明者】

【氏名】石田 斉

(72)【発明者】

【氏名】高橋 大喜

(72)【発明者】

【氏名】松若 大介

【審査官】 田代 吉成

(56)【参考文献】

【文献】 特開平６−３１４０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平３−９９７５２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２２Ｄ １１／０５５

Ｂ２２Ｄ １１／００

Ｂ２２Ｄ １１／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造に用いられて、チタンまたはチタン合金を溶融させた溶湯が内部に注入される無底で断面矩形状の鋳型であって、
前記鋳型の４つのコーナー部における熱流束を、前記コーナー部同士で挟まれている４つの面部における熱流束よりも小さくする冷却手段を有し、
前記冷却手段は、
前記鋳型の４つの面部のみにそれぞれ埋設されて冷却流体が流動する流路と、
前記鋳型の４つのコーナー部にそれぞれ埋設されて前記鋳型よりも熱伝導率が低い緩冷却層と、
を有してい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用の鋳型。

【請求項2】

チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造に用いられて、チタンまたはチタン合金を溶融させた溶湯が内部に注入される無底で断面矩形状の鋳型であって、
前記鋳型の４つのコーナー部における熱流束を、前記コーナー部同士で挟まれている４つの面部における熱流束よりも小さくする冷却手段を有し、
前記冷却手段は、
前記鋳型の４つのコーナー部にそれぞれ埋設されて冷却流体が流動する第１流路と、
前記鋳型の４つの面部にそれぞれ埋設されて冷却流体が流動する第２流路と、
前記鋳型の４つのコーナー部において前記第１流路よりも前記鋳型の内周面側にそれぞれ埋設されて前記鋳型よりも熱伝導率が低い緩冷却層と、
を有し、
前記鋳型の内周面から前記第１流路までの距離は、前記鋳型の内周面から前記第２流路までの距離よりも長い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用の鋳型。

【請求項3】

前記第１流路および前記第２流路は、水平方向に延設されており、
前記冷却手段は、前記第１流路と前記第２流路とを繋ぐバイパス流路を更に有してい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用の鋳型。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋳型と、
前記鋳型内に前記溶湯を注入する溶湯注入装置と、
前記溶湯が前記鋳型内で凝固した鋳塊を前記鋳型の下方に引抜く引抜装置と、
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装置。

【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装置、および、これに用いられる鋳型に関する。

【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】

また、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溶解し、引続き不活性ガス雰囲気中にて連続鋳造により薄肉スラブを鋳造し、これを圧延してストリップを製造し、このストリップを圧延する、チタンまたはチタン合金圧延材の製造方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平７−１１８７７３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、チタンまたはチタン合金からなる鋳塊を連続鋳造した際に、鋳造された鋳塊の表面（鋳肌）に凹凸や傷があると、その後の圧延過程で表面欠陥となる。そのため、圧延する前に鋳塊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、表面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、鋳塊の表面欠陥は、鋳型の壁面近傍において凝固シェルが成長しすぎて湯面に露出し、湯被りが発生したり、鋳塊を鋳型から引抜く際に、成長した凝固シェルと鋳型との界面に作用する摩擦力で凝固シェルが断裂したり、凝固収縮した凝固シェルと鋳型との間に生じた隙間に溶湯が流れ込んで凝固したりすることで生じるものと推測される。

【0007】

そこで、鋳型の壁面近傍において凝固シェルの成長を抑制するには、加熱装置の出力を上げて、湯面への入熱量を上昇させ、凝固シェルを再溶融させる必要がある。しかし、湯面近傍では、鋳型からの抜熱が大きく、またチタンは熱伝導率が低いため、初期の凝固シェルを十分に溶解できない可能性がある。ここで、プラズマアーク溶解の場合、断面矩形状の鋳型の２つの辺が接するコーナー部を狙って加熱するのが、電子ビーム溶解に比べて困難であることも、壁面近傍の凝固シェルを再溶融できない理由の一つである。

【0008】

そこで、鋳型と溶湯との接触熱伝達率を下げて溶湯からの抜熱量を小さくすることで、鋳型と溶湯との界面を緩冷却して、初期の凝固シェルを溶融させることが考えられる。

【0009】

しかしながら、断面矩形状の鋳型においては、２つの辺が接するコーナー部の方が面部よりも溶湯が冷却され易いので、面部よりもコーナー部の方が凝固シェルの成長速度が速く、コーナー部に表面欠陥が生じやすいという問題がある。ここで、面部とは、鋳型において２つのコーナー部で挟まれた部分である。

【0010】

本発明の目的は、表面に欠陥が少ない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用の鋳型およびこれを備えた連続鋳造装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

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用の鋳型は、チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造に用いられて、チタンまたはチタン合金を溶融させた溶湯が内部に注入される無底で断面矩形状の鋳型であって、前記鋳型の４つのコーナー部における熱流束を、前記コーナー部同士で挟まれている４つの面部における熱流束よりも小さくする冷却手段を有し、前記冷却手段は、前記鋳型の４つの面部のみにそれぞれ埋設されて冷却流体が流動する流路と、前記鋳型の４つのコーナー部にそれぞれ埋設されて前記鋳型よりも熱伝導率が低い緩冷却層と、を有していることを特徴とする。

【0012】

上記の構成によれば、鋳型の４つのコーナー部における熱流束を、鋳型の４つの面部における熱流束よりも小さくすることで、コーナー部における溶湯の冷却速度と、面部における溶湯の冷却速度とを均一にすることができる。これにより、凝固シェルの形状を鋳型内で均一にすることができるから、湯被りや凝固シェルの断裂、凝固シェルの凝固収縮に起因する溶湯差込等の発生を抑制することができる。よって、表面に欠陥が少ない鋳塊を鋳造することができる。ここで、熱流束とは、単位面積・単位時間当たりの熱量を示すものである。

【0013】

また、鋳型の４つの面部にそれぞれ埋設された流路を流動する冷却流体により、面部に接する溶湯が冷却される一方、鋳型の４つのコーナー部には流路が設けられていないので、鋳型の４つのコーナー部における熱流束は、鋳型の４つの面部における熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部における溶湯の冷却速度と、面部における溶湯の冷却速度とを均一にすることができる。

【0014】

また、鋳型の４つのコーナー部にそれぞれ埋設された緩冷却層により、鋳型の４つのコーナー部における熱流束は、鋳型の４つの面部における熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部における溶湯の冷却速度と、面部における溶湯の冷却速度とを均一にすることができる。

【0015】

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用の鋳型は、チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造に用いられて、チタンまたはチタン合金を溶融させた溶湯が内部に注入される無底で断面矩形状の鋳型であって、前記鋳型の４つのコーナー部における熱流束を、前記コーナー部同士で挟まれている４つの面部における熱流束よりも小さくする冷却手段を有し、前記冷却手段は、前記鋳型の４つのコーナー部にそれぞれ埋設されて冷却流体が流動する第１流路と、前記鋳型の４つの面部にそれぞれ埋設されて冷却流体が流動する第２流路と、前記鋳型の４つのコーナー部において前記第１流路よりも前記鋳型の内周面側にそれぞれ埋設されて前記鋳型よりも熱伝導率が低い緩冷却層と、を有し、前記鋳型の内周面から前記第１流路までの距離は、前記鋳型の内周面から前記第２流路までの距離よりも長いことを特徴とする。上記の構成によれば、鋳型の４つのコーナー部にそれぞれ埋設された第１流路を流動する冷却流体により、コーナー部に接する溶湯が冷却されるとともに、鋳型の４つの面部にそれぞれ埋設された第２流路を流動する冷却流体により、面部に接する溶湯が冷却されるが、鋳型の内周面から第１流路までの距離が、鋳型の内周面から第２流路までの距離よりも長いので、鋳型の４つのコーナー部における熱流束は、鋳型の４つの面部における熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部における溶湯の冷却速度と、面部における溶湯の冷却速度とを均一にすることができる。また、鋳型の４つのコーナー部にそれぞれ埋設された緩冷却層により、鋳型の４つのコーナー部における熱流束は、鋳型の４つの面部における熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部における溶湯の冷却速度と、面部における溶湯の冷却速度とを均一にすることができる。

【0016】

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用の鋳型において、前記第１流路および前記第２流路は、水平方向に延設されており、前記冷却手段は、前記第１流路と前記第２流路とを繋ぐバイパス流路を更に有していてよい。上記の構成によれば、水平方向に延設された第１流路および第２流路をバイパス流路で繋ぐことで、第１流路から第２流路にかけて冷却流体を流動させることができる。よって、流路の出入口の数を減らすことができて、冷却流体を流動させ易くできる。

【0018】

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装置は、上記の鋳型と、前記鋳型内に前記溶湯を注入する溶湯注入装置と、前記溶湯が前記鋳型内で凝固した鋳塊を前記鋳型の下方に引抜く引抜装置と、を有することを特徴とする。

【0019】

上記の構成によれば、鋳型の４つのコーナー部における熱流束を、鋳型の４つの面部における熱流束よりも小さくすることで、コーナー部における溶湯の冷却速度と、面部における溶湯の冷却速度とを均一にすることができるから、凝固シェルの形状を鋳型内で均一にすることができて、表面に欠陥が少ない鋳塊を鋳造することができる。

【発明の効果】

【0020】

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用の鋳型およびこれを備えた連続鋳造装置によると、鋳型の４つのコーナー部における熱流束を、鋳型の４つの面部における熱流束よりも小さくすることで、コーナー部における溶湯の冷却速度と、面部における溶湯の冷却速度とを均一にすることができるから、凝固シェルの形状を鋳型内で均一にすることができて、表面に欠陥が少ない鋳塊を鋳造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【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3】表面欠陥の発生メカニズムを表す説明図である。

【図4】表面欠陥の発生メカニズムを表す説明図である。

【図5】表面欠陥の発生メカニズムを表す説明図である。

【図6】鋳型を示す上面図である。

【図7】要部Ａの拡大断面図である。

【図8】鋳型のＢ−Ｂ断面図である。

【図9】鋳型のＣ−Ｃ断面図である。

【図10】２次元伝熱凝固解析のモデルを示す上面図である。

【図11】コーナー部付近の温度分布を示す図である。

【図12】コーナー部付近の凝固界面分布を示す図である。

【図13】鋳型を示す上面図である。

【図14】鋳型を示す上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

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。

【0023】

［第１実施形態］
（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用の鋳型（鋳型）２は、チタンまたはチタン合金からなる鋳塊の連続鋳造装置（連続鋳造装置）１に設けられている。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（溶湯注入装置）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（引抜装置）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。

【0024】

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、無底で断面長方形状に形成されており、四辺をなす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の上方に設けられており、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。

【0025】

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が凝固したスラブ１１が下方に引抜かれながら連続的に鋳造される。なお、連続鋳造される鋳塊はスラブ１１に限定されない。

【0026】

なお、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が、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。また、溶湯１２を緩冷却する目的で、溶湯１２の湯面上にフラックスを散布することも好ましい態様ではあるが、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。

【0027】

（表面欠陥の発生メカニズム）
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、表面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。

【0028】

ここで、スラブ１１の表面に生じる欠陥の中には、鋳型２の壁面近傍において凝固シェルが成長しすぎて湯面に露出し、湯被りが発生することで生じるものがあると推測される。そのメカニズムについて図３を用いて説明する。まず、図３（ａ）に示すように、鋳型２の壁面近傍において凝固シェル１３が成長する。次に、図３（ｂ）に示すように、鋳型２の壁面近傍に溶湯１２が供給されない状態で、引抜きにより凝固シェル１３が下降する。すると、図３（ｃ）に示すように、凝固シェル１３の上端が溶湯１２の液面よりも低くなることで、凝固シェル１３の上に溶湯１２が流れ込む。そして、図３（ｄ）に示すように、凝固シェル１３の上に流れ込んだ溶湯１２が凝固して凝固シェル１３になることで、凝固シェル１３に表面欠陥が生じ、これがスラブ１１の表面欠陥となる。

【0029】

また、スラブ１１の表面に生じる欠陥の中には、凝固シェル１３の断裂により生じるものがあると推測される。そのメカニズムについて図４を用いて説明する。鋳型２の壁面近傍において成長した凝固シェル１３が、引抜きにより下降する。このとき、成長した凝固シェル１３と鋳型２との界面に作用する摩擦力で凝固シェル１３が断裂し、この断裂がスラブ１１の表面欠陥となる。

【0030】

また、スラブ１１の表面に生じる欠陥の中には、凝固シェル１３の凝固収縮に起因する溶湯差込により生じるものがあると推測される。そのメカニズムについて図５を用いて説明する。まず、図５（ａ）に示すように、過度に冷却された凝固シェル１３が凝固収縮することで鋳型２の壁面から離れる方向に凝固シェル１３が変形する。次に、図５（ｂ）に示すように、鋳型２と凝固シェル１３との間に生じた隙間に溶湯１２が流れ込む。そして、図５（ｃ）に示すように、隙間に流れ込んだ溶湯１２が凝固して凝固シェル１３になることで、凝固シェル１３に表面欠陥が生じ、これがスラブ１１の表面欠陥となる。

【0031】

（鋳型）
上述したように、鋳型２は、銅製で水冷式の水冷銅鋳型である。なお、鋳型２は銅製に限定されず、冷却流体は水に限定されない。鋳型２は、上面図である図６に示すように、断面長方形状であって、短辺の長さがＬ１で、長辺の長さがＬ２であり、４つのコーナー部２ａと、４つの面部２ｂとからなる。ここで、面部２ｂとは、２つのコーナー部２ａで挟まれた部分であり、面部２ｂにおける鋳型２の内周面および外周面は平面である。なお、面部２ｂにおける鋳型２の内周面および外周面は、熱変形を考慮に入れて若干湾曲されていてもよい。

【0032】

図６の要部Ａの拡大断面図である図７に示すように、コーナー部２ａの短辺および長辺に沿った水平方向の長さａは、面部２ｂの厚みｌよりも長く、鋳型２の短辺の長さＬ１（図６参照）の半分よりも長い。即ち、コーナー部２ａの水平方向の長さａと、面部２ｂの厚みｌと、鋳型２の短辺の長さＬ１とは、ｌ＜ａ＜Ｌ１／２の関係を満足している。

【0033】

なお、鋳型２の垂直方向の長さは２００〜３００ｍｍである。これに対して、鋼を連続鋳造するのに使用される鋳型の垂直方向の長さは６００ｍｍ以上である。これは、チタンやチタン合金は鋼に比べて速く凝固するので、垂直方向の冷却範囲を長くする必要がないからである。

【0034】

ここで、鋼の連続鋳造においては、２つの辺が接するコーナー部２ａに溶鋼からの熱が集中するので、コーナー部２ａに接する溶鋼の冷却速度が、面部２ｂに接する溶鋼の冷却速度よりも遅くなり、凝固組織が不均一になるという問題が生じる。そこで、鋼の連続鋳造においては、コーナー部２ａにおける冷却能を向上させて、鋳型の表面温度を均一化する必要がある。一方、本実施形態のように、チタンまたはチタン合金の連続鋳造においては、鋼の場合と異なり、２つの辺が接するコーナー部２ａの方が面部２ｂよりも溶湯１２が冷却され易いので、面部２ｂよりもコーナー部２ａの方が凝固シェル１３の成長速度が速く、図３〜図５を用いて説明したメカニズムにより、コーナー部２ａに表面欠陥が生じやすい。そこで、チタンまたはチタン合金の連続鋳造においては、コーナー部２ａにおける冷却能を低減させて、コーナー部２ａに接する溶湯１２の冷却速度を減ずる必要がある。そのため、図６に示すように、鋳型２は、４つのコーナー部２ａにおける熱流束を、４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくする冷却手段２１を有している。ここで、熱流束とは、単位面積・単位時間当たりの熱量を示すものである。

【0035】

冷却手段２１は、図６および図７に示すように、鋳型２の４つのコーナー部２ａにそれぞれ埋設されて水平方向に延設された、冷却水が流動する第１流路２２ａと、鋳型２の４つの面部２ｂにそれぞれ埋設されて水平方向に延設された、冷却水が流動する第２流路２２ｂと、水平方向に延設されて第１流路２２ａと第２流路２２ｂとを繋ぐバイパス流路２２ｃと、を有している。

【0036】

第２流路２２ｂは、図６のＢ−Ｂ断面図である図８（ａ）および図６のＣ−Ｃ断面図である図９（ａ）に示すように、上下方向に幅広な流路として鋳型２の上部から下部にわたって形成されていてもよいし、図６のＢ−Ｂ断面図である図８（ｂ）および図６のＣ−Ｃ断面図である図９（ｂ）に示すように、鋳型２の上部から下部にかけて等間隔に複数形成されていてもよい。なお、第２流路２２ｂは、その一部が溶湯１２の湯面と同じ高さ位置に設けられていることが好ましい。そして、鋳型２を作製するに当たり、外周面に溝が形成された内枠の外周に外枠を嵌めて鋳型２とすることで、内枠の溝を第２流路２２ｂとする構成であってもよいし、銅を銅の溶湯に溶けない材料とともに鋳込んで鋳型２を作製し、その後、銅の溶湯に溶けない材料を取り除いてできた空間を第２流路２２ｂとする構成であってもよい。第１流路２２ａおよびバイパス流路２２ｃについても同様である。上述したように、鋳型２の垂直方向の長さは、鉄や鋼の連続鋳造用の鋳型よりも短いので、垂直方向に流路を形成するよりも、水平方向に流路を形成する方が、流路の数や、鋳型２の外周面において一の流路の出口と他の流路の入口とをつなぐ配管の数を少なくすることができて好適である。

【0037】

ここで、図７に示すように、鋳型２の内周面から第１流路２２ａまでの距離ｄ_１は、鋳型２の内周面から第２流路２２ｂまでの距離ｄ_２よりも長い。そのため、鋳型２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束は、鋳型２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくなる。

【0038】

具体的には、コーナー部２ａの内周側の角を原点として、長辺方向をｘ軸方向、短辺方向をｙ軸方向とし、原点からコーナー部２ａのｘ軸方向およびｙ軸方向の端までの距離をｂとし、銅の熱伝導率をλ_Ｃｕ、水温をＴｗ、スラブ１１の表面温度をＴｓとすると、面部２ｂにおけるｘ軸方向およびｙ軸方向の熱流束は、ｑ_ｘ＝−λ_Ｃｕ（Ｔｗ−Ｔｓ）／ｄ_２、ｑ_ｙ≒０、または、ｑ_ｘ≒０、ｑ_ｙ＝−λ_Ｃｕ（Ｔｗ−Ｔｓ）／ｄ_２で表わせる。一方、コーナー部２ａにおけるｘ軸方向およびｙ軸方向の熱流束は、ｑ_ｘ＝−λ_Ｃｕ（Ｔｗ−Ｔｓ）／αｄ_２、ｑ_ｙ＝−λ_Ｃｕ（Ｔｗ−Ｔｓ）／αｄ_２で表わせる。ここで、ｄ_１＝αｄ_２（α＞１）である。そのため、鋳型２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束は、鋳型２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくなる。

【0039】

また、鋳型２の内周面からバイパス流路２２ｃまでの距離ｄ_ｘは、０≦ｙ≦ｂのときに、ｄ_ｘ＝αｄ_２−（α―１）ｄ_２ｙ／ｂとなり、ｂ＜ｙのときに、ｄ_ｘ＝ｄ_２となる。また、鋳型２の内周面からバイパス流路２２ｃまでの距離ｄ_ｙは、０≦ｘ≦ｂのときに、ｄ_ｙ＝αｄ_２−（α―１）ｄ_２ｘ／ｂとなり、ｂ＜ｘのときに、ｄ_ｙ＝ｄ_２となる。よって、ｘ軸方向の熱流束は、ｑ_ｘ＝−λ_Ｃｕ（Ｔｗ−Ｔｓ）／ｄ_ｙとなり、ｙ軸方向の熱流束は、ｑ_ｙ＝−λ_Ｃｕ（Ｔｗ−Ｔｓ）／ｄ_ｘとなる。

【0040】

そして、伝熱凝固計算によって、コーナー部２ａと面部２ｂとで抜熱量が同程度となるｂ、αの範囲を限定していくことで、コーナー部２ａにおける溶湯１２の冷却速度と、面部２ｂにおける溶湯１２の冷却速度とを均一にすることができる。これにより、凝固シェル１３の形状を鋳型２内で均一にすることができるから、湯被りや凝固シェル１３の断裂、凝固シェル１３の凝固収縮に起因する溶湯差込等の発生を抑制することができる。

【0041】

また、冷却手段２１は、鋳型２の４つのコーナー部２ａにそれぞれ埋設された緩冷却層２３を有している。この緩冷却層２３は空気層であり、第１流路２２ａよりも鋳型２の内周面側に埋設されており、銅製の鋳型２よりも熱伝導率が低い。そのため、鋳型２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束は、鋳型２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくなる。

【0042】

具体的には、銅の熱伝導率をλ_Ｃｕ、緩冷却層２３の熱伝導率をλ’、水温をＴｗ、スラブ１１の表面温度をＴｓとし、コーナー部２ａの内周側の角と外周側の角とをむすぶ直線ｃ上において、鋳型２の内周面から緩冷却層２３までの距離をｄ_５、緩冷却層２３の厚みをｄ_４、緩冷却層２３から第１流路２２ａまでの距離をｄ_３とすると、緩冷却層２３がない場合の熱流束は、ｑ＝−λ_Ｃｕ（Ｔｗ−Ｔｓ）／（ｄ_３＋ｄ_４＋ｄ_５）で表わせるのに対し、緩冷却層２３がある場合の熱流束は、ｑ’＝−λ_Ｃｕ（Ｔｗ−Ｔｓ）／（ｄ_３＋λ_Ｃｕｄ_４／λ’＋ｄ_５）で表わせる。ここで、λ’＜λ_Ｃｕであるので、ｑ’＜ｑとなり、緩冷却層２３がある４つのコーナー部２ａにおける熱流束は、緩冷却層２３がない４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくなる。よって、コーナー部２ａにおける溶湯１２の冷却速度と、面部２ｂにおける溶湯１２の冷却速度とを均一にすることができる。

【0043】

なお、緩冷却層２３は空気層に限定されず、銅よりも熱伝導率が低いチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）などの金属からなるものであってもよい。

【0044】

（２次元伝熱凝固解析）
次に、図１０に示すモデルを用いて２次元伝熱凝固解析を行った。上面図である図１０（ａ）に示すように、長辺の長さが１５００ｍｍで短辺の長さが２５０ｍｍの鋳型を用いて、均一加熱領域３１の温度を２０００℃で一定とした。また、図１０（ａ）の要部Ｄの拡大図である図１０（ｂ）に示すように、コーナー部の長辺方向および短辺方向の長さをｄ（ｍｍ）とし、面部側外周面３２における接触熱伝達条件として、熱伝達率をｈ＝１５００Ｗ／ｍ^２／Ｋ、外部温度を２００℃に設定するとともに、コーナー部側外周面３３における接触熱伝達条件として、熱伝達率をｈ’＝βｈ、外部温度を２００℃に設定した。ここで、β＜１である。そして、コーナー部の長さｄとβとを表１のようにＣａｓｅ１〜６で異ならせて、コーナー部付近の温度分布を調べた。その結果を図１１に示す。また、同様にしてコーナー部付近の凝固界面分布を調べた。その結果を図１２に示す。

【0045】

【表1】

【0046】

図１１、図１２に示すように、Ｃａｓｅ１〜３ではコーナー部での冷却能が高すぎて、コーナー部での温度勾配が急になりすぎ、コーナー部において凝固シェルが成長しすぎている。逆に、Ｃａｓｅ４，５ではコーナー部での冷却能が低すぎて、コーナー部での温度勾配が緩くなりすぎ、コーナー部において凝固シェルの成長が遅れている。その点、Ｃａｓｅ６では、コーナー部での温度勾配が緩やかで、コーナー部における凝固シェルの成長が好適に抑制されている。このように、コーナー部における凝固シェルの成長を好適に抑制することで、凝固シェルの形状を鋳型内で均一にすることができる。

【0047】

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る鋳型２および連続鋳造装置１によると、鋳型２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束を、鋳型２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくすることで、コーナー部２ａにおける溶湯１２の冷却速度と、面部２ｂにおける溶湯１２の冷却速度とを均一にすることができる。これにより、凝固シェル１３の形状を鋳型２内で均一にすることができるから、湯被りや凝固シェル１３の断裂、凝固シェル１３の凝固収縮に起因する溶湯差込等の発生を抑制することができる。よって、表面に欠陥が少ないスラブ１１を鋳造することができる。

【0048】

また、鋳型２の４つのコーナー部２ａにそれぞれ埋設された第１流路２２ａを流動する冷却水により、コーナー部２ａに接する溶湯１２が冷却されるとともに、鋳型２の４つの面部２ｂにそれぞれ埋設された第２流路２２ｂを流動する冷却水により、面部２ｂに接する溶湯１２が冷却されるが、鋳型２の内周面から第１流路２２ａまでの距離が、鋳型２の内周面から第２流路２２ｂまでの距離よりも長いので、鋳型２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束は、鋳型２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部２ａにおける溶湯１２の冷却速度と、面部２ｂにおける溶湯１２の冷却速度とを均一にすることができる。

【0049】

また、水平方向に延設された第１流路２２ａおよび第２流路２２ｂをバイパス流路２２ｃで繋ぐことで、第１流路２２ａから第２流路２２ｂにかけて冷却水を流動させることができる。よって、流路の出入口の数を減らすことができて、冷却水を流動させ易くできる。

【0050】

また、鋳型２の４つのコーナー部２ａにそれぞれ埋設された緩冷却層２３により、鋳型２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束は、鋳型２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部２ａにおける溶湯１２の冷却速度と、面部２ｂにおける溶湯１２の冷却速度とを均一にすることができる。

【0051】

（変形例）
なお、第１実施形態の鋳型２の第１の変形例として、鋳型２が有する冷却手段２１は、第１流路２２ａ、第２流路２２ｂ、および、バイパス流路２２ｃのみを有していてもよい。即ち、冷却手段２１は、緩冷却層２３を有していなくてもよい。このような構成であっても、鋳型２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束を、鋳型２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくすることができる。

【0052】

また、第１実施形態の鋳型２の第２の変形例として、鋳型２が有する冷却手段２１は、緩冷却層２３のみを有していてもよい。即ち、冷却手段２１は、第１流路２２ａ、第２流路２２ｂ、および、バイパス流路２２ｃを有していなくてもよい。このような構成であっても、鋳型２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束を、鋳型２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくすることができる。

【0053】

［第２実施形態］
（鋳型）
次に、本発明の第２実施形態に係る連続鋳造装置２０１について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態の連続鋳造装置２０１が第１実施形態の連続鋳造装置１と異なる点は、上面図である図１３に示すように、鋳型２０２が、４つのコーナー部２ａにおける熱流束を、４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくする冷却手段２２１を有している点である。

【0054】

冷却手段２２１は、鋳型２０２の４つの面部２ｂにそれぞれ埋設されて水平方向に延設された、冷却水が流動する流路２２２を有している。これら流路２２２には、流路２２２内に冷却水を導入する導入路２２３、および、流路２２２内から冷却水を排出する排出路２２４がそれぞれ接続されている。

【0055】

このように、冷却手段２２１は、４つのコーナー部２ａに流路を備えていない。そのため、鋳型２０２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束は、鋳型２０２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部２ａにおける溶湯１２の冷却速度と、面部２ｂにおける溶湯１２の冷却速度とを均一にすることができる。

【0056】

なお、冷却手段２２１は、第１実施形態と同様に、４つのコーナー部２ａにそれぞれ埋設された緩冷却層２３を有していてもよい。

【0057】

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る鋳型２０２および連続鋳造装置２０１によると、鋳型２の４つの面部２ｂにそれぞれ埋設された流路２２２を流動する冷却水により、面部２ｂに接する溶湯１２が冷却される一方、鋳型２の４つのコーナー部２ａには流路が設けられていないので、鋳型２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束は、鋳型２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部２ａにおける溶湯１２の冷却速度と、面部２ｂにおける溶湯１２の冷却速度とを均一にすることができる。

【0058】

［第３実施形態］
（鋳型）
次に、本発明の第３実施形態に係る連続鋳造装置３０１について説明する。なお、上述した構成要素と同じ構成要素については、同じ参照番号を付してその説明を省略する。本実施形態の連続鋳造装置３０１が第１実施形態の連続鋳造装置１と異なる点は、上面図である図１４に示すように、鋳型３０２が、４つのコーナー部２ａにおける熱流束を、４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくする冷却手段３２１を有している点である。

【0059】

冷却手段３２１は、鋳型３０２の４つのコーナー部２ａにそれぞれ埋設されて水平方向に延設された、冷却水が流動する第１流路３２２ａと、鋳型３０２の４つの面部２ｂにそれぞれ埋設されて水平方向に延設された、冷却水が流動する第２流路３２２ｂと、を有している。これら流路３２２ａ，３２２ｂには、流路３２２ａ，３２２ｂ内に冷却水を導入する導入路３２３、および、流路３２２ａ，３２２ｂ内から冷却水を排出する排出路３２４がそれぞれ接続されている。つまり、第１流路３２２ａと第２流路３２２ｂとは連通していない。

【0060】

ここで、鋳型３０２の内周面から第１流路３２２ａまでの距離ｄ_１は、鋳型３０２の内周面から第２流路３２２ｂまでの距離ｄ_２よりも長い。そのため、鋳型３０２の４つのコーナー部２ａにおける熱流束は、鋳型３０２の４つの面部２ｂにおける熱流束よりも小さくなる。これにより、コーナー部２ａにおける溶湯１２の冷却速度と、面部２ｂにおける溶湯１２の冷却速度とを均一にすることができる。

【0061】

また、第１流路３２２ａを流れる冷却水の流速は、第２流路３２２ｂを流れる冷却水の流速よりも遅くされている。これにより、４つのコーナー部２ａにおける熱流束を、４つの面部２ｂにおける熱流束よりも好適に小さくすることができる。なお、流路の断面形状が円の場合、冷却水の流速をｕ、流量をＱ、流路断面積をＥ、流路径をｅとすると、ｕ＝Ｑ／Ｅ、Ｅ＝πｅ^２／４の関係を満たす。よって、第１流路３２２ａと第２流路３２２ｂとで冷却水の流量Ｑが一定の場合、コーナー部２ａと面部２ｂとで流路径ｅを調整することで、冷却水の流速ｕを制御することができる。また、第１流路３２２ａと第２流路３２２ｂとで流路径ｅが同じ場合、コーナー部２ａと面部２ｂとで流量Ｑを調整することで、冷却水の流速ｕを制御することができる。また、第１流路３２２ａを流れる冷却水の温度が、第２流路３２２ｂを流れる冷却水の温度よりも高くされていてもよい。

【0062】

なお、冷却手段３２１は、第１実施形態と同様に、４つのコーナー部２ａにそれぞれ埋設された緩冷却層２３を有していてもよい。

【0063】

（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。

【0064】

例えば、プラズマトーチ７からのプラズマアークで溶湯１２の湯面を加熱する構成が好適ではあるが、これに限定されず、電子ビームや非消耗電極式アーク、高周波誘導加熱により溶湯１２の湯面を加熱する構成であってもよい。

【0065】

また、第１実施形態の第１流路２２ａ、第２流路２２ｂ、バイパス流路２２ｃ、第２実施形態の流路２２２、および、第３実施形態の第１流路３２２ａ、第２流路３２２ｂは、いずれも水平方向に延設されているが、上下方向に延設されていてもよい。

【符号の説明】

【0066】

１，２０１，３０１ 連続鋳造装置
２，２０２，３０２ 鋳型
２ａ コーナー部
２ｂ 面部
３ コールドハース（溶湯注入装置）
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（引抜装置）
７ プラズマトーチ
１１ スラブ
１２ 溶湯
１３ 凝固シェル
２１，２２１，３２１ 冷却手段
２２ａ，３２２ａ 第１流路
２２ｂ，３２２ｂ 第２流路
２２ｃ バイパス流路
２３ 緩冷却層
３１ 均一加熱領域
３２ 面部側外周面
３３ コーナー部側外周面
２２２ 流路
２２３，３２３ 導入路
２２４，３２４ 排出路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図13】

【図14】

【図11】

【図12】