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KR101737721B1 - 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브의 연속 주조 방법 - Google Patents

티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브의 연속 주조 방법 Download PDF

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KR101737721B1
KR101737721B1 KR1020157019582A KR20157019582A KR101737721B1 KR 101737721 B1 KR101737721 B1 KR 101737721B1 KR 1020157019582 A KR1020157019582 A KR 1020157019582A KR 20157019582 A KR20157019582 A KR 20157019582A KR 101737721 B1 KR101737721 B1 KR 101737721B1
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다이키 다카하시
다이스케 마츠와카
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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

티타늄 또는 티타늄 합금을 용해시킨 용탕을 직사각형 단면이고 바닥이 없는 주형 내에 주입하여 응고시키면서 하방으로 인발하는 연속 주조법에 있어서, 주형(2) 내의 용탕(12)의 탕면 상에서 플라즈마 토치(7)를 수평 방향으로 선회시킴과 함께, 전자 교반에 의해 수평 방향으로 선회하는 흐름을 주형(2) 내의 용탕(12)의 적어도 탕면에 발생시킴으로써, 주조 표면의 상태가 양호한 슬래브를 주조할 수 있다.

Description

티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브의 연속 주조 방법{CONTINUOUS CASTING METHOD FOR SLAB MADE OF TITANIUM OR TITANIUM ALLOY}
본 발명은, 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브를 연속적으로 주조하는, 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브의 연속 주조 방법에 관한 것이다.
진공 아크 용해나 전자 빔 용해에 의해 용융시킨 금속을 바닥이 없는 주형 내에 주입하여 응고시키면서 하방으로 인발함으로써, 주괴를 연속적으로 주조하는 것이 행해지고 있다.
특허문헌 1에는, 티타늄 또는 티타늄 합금을 불활성 가스 분위기 중에서 플라즈마 아크 용해하여 주형 내에 주입하여 응고시키는, 자동 제어 플라즈마 용해 주조 방법이 개시되어 있다. 불활성 가스 분위기 중에서 행해지는 플라즈마 아크 용해에 있어서는, 진공 중에서 행해지는 전자 빔 용해와는 달리, 순티타늄뿐만 아니라, 티타늄 합금도 주조하는 것이 가능하다.
일본 특허 제3077387호 공보
그런데, 주조된 주괴의 주조 표면에 요철이나 흠집이 있으면, 압연 전에 표면을 절삭하는 등의 전처리가 필요해져, 수율 저감이나 작업 공정수의 증가의 원인으로 된다. 따라서, 주조 표면에 요철이나 흠집이 없는 주괴를 주조하는 것이 요구된다.
여기서, 플라즈마 아크 용해에 의해, 예를 들어 250×750㎜, 250×1000㎜, 250×1500㎜와 같은 사이즈가 얇은 슬래브를 연속 주조하는 경우에 대해 생각한다. 이 경우에는, 프라즈마 토치의 가열 범위에 한계가 있기 때문에, 단면 직사각형의 주형을 따라 프라즈마 토치를 수평 방향으로 이동시켜, 주형 근방의 초기 응고부의 성장을 억제할 필요가 있다.
그런데, 주형의 장변측에서는 프라즈마 토치의 체류 시간이 길기 때문에, 초기 응고부에의 입열이 크고, 응고쉘이 얇아진다. 한편, 주형의 단변측이나 코너부에서는, 프라즈마 토치의 체류 시간이 짧기 때문에, 초기 응고부에의 입열이 부족하여 응고쉘이 성장한다(두꺼워진다). 이와 같이, 얇은 슬래브의 위치에 따라 응고 거동이 불균일하여, 주조 표면 성상의 악화로 이어진다.
본 발명의 목적은, 주조 표면의 상태가 양호한 슬래브를 주조하는 것이 가능한 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브의 연속 주조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 있어서의 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브의 연속 주조 방법은, 티타늄 또는 티타늄 합금을 용해시킨 용탕을 단면 직사각형이고 바닥이 없는 주형 내에 주입하여 응고시키면서 하방으로 인발함으로써, 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브를 연속적으로 주조하는 연속 주조 방법이며, 상기 주형 내의 상기 용탕의 탕면 상에서 프라즈마 토치를 수평 방향으로 선회시켜, 전자 교반에 의해 수평 방향으로 선회하는 흐름을 상기 주형 내의 상기 용탕의 적어도 탕면에 발생시키는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 따르면, 플라즈마 토치의 선회 이동에 더하여, 전자 교반에 의해 수평 방향으로 선회하는 흐름을 주형 내의 용탕의 적어도 탕면에 발생시킨다. 이에 의해, 주형의 장변측에 체류하고 있던 뜨거운 용탕이 주형의 단변측이나 코너부에 이류(移流)되므로, 주형의 장변측에서의 초기 응고부의 용융 및 주형의 단변측이나 코너부에서의 초기 응고부의 성장이 완화된다. 따라서, 슬래브 전체에 걸쳐 균일하게 응고시킬 수 있기 때문에, 주조 표면의 상태가 양호한 슬래브를 주조할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서의 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브의 연속 주조 방법에 있어서는, 상기 슬래브의 장변의 길이를 L로 하고, 상기 슬래브의 장변의 중앙을 0으로 하는 좌표축 x를 장변 방향에 설정하였을 때에, 상기 주형의 장변측의 주형벽 근방에 있어서 -2L/5≤x≤2L/5의 범위에 위치하는 상기 용탕의 탕면에 있어서의 x축 방향의 유속의 평균값의 절댓값을, 300㎜/sec 이상으로 해도 된다. 상기한 구성에 따르면, 주형의 장변측에 체류하고 있던 뜨거운 용탕을, 주형의 단변측이나 코너부에 적절하게 이류시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서의 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브의 연속 주조 방법에 있어서, 상기 주형의 장변측의 주형벽 근방이, 상기 주형의 장변측의 주형벽으로부터 10㎜ 이격된 위치여도 된다. 상기한 구성에 따르면, 주형의 장변측에 체류하고 있던 뜨거운 용탕을 주형의 단변측이나 코너부에 적절하게 이류시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서의 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브의 연속 주조 방법에 있어서는, 상기 용탕의 상기 x축 방향의 유속의 절댓값의 위치 및 시각에 의한 변동에 관한 표준 편차 σ를, 50㎜/sec≤σ≤85㎜/sec의 범위에 들어가게 해도 된다. 상기한 구성에 따르면, 용탕과 슬래브가 접촉하는 접촉 영역에 있어서의 슬래브의 표면 온도의 변동폭의 최댓값을, 슬래브 전체 둘레에 걸쳐 400℃ 이하로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서의 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브의 연속 주조 방법에 있어서는, 상기 플라즈마 토치의 선회 방향과는 역방향으로 선회하는 흐름을 상기 용탕의 적어도 탕면에 발생시켜도 된다. 상기한 구성에 따르면, 슬래브의 표면 온도의 변동폭을 작게 할 수 있다. 이에 의해, 슬래브 전체에 걸쳐 균일하게 응고시킬 수 있다.
본 발명의 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브의 연속 주조 방법에 따르면, 주형의 장변측에서의 초기 응고부의 용융 및 주형의 단변측이나 코너부에서의 초기 응고부의 성장이 완화된다. 따라서, 슬래브 전체에 걸쳐 균일하게 응고시킬 수 있기 때문에, 주조 표면의 상태가 양호한 슬래브를 주조할 수 있다.
도 1은 연속 주조 장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 연속 주조 장치를 나타내는 단면도이다.
도 3a는 표면 결함의 발생 메커니즘을 나타내는 설명도이다.
도 3b는 표면 결함의 발생 메커니즘을 나타내는 설명도이다.
도 4a는 주형을 상방으로부터 본 모델도이다.
도 4b는 주형을 상방으로부터 본 모델도이다.
도 4c는 주형을 상방으로부터 본 모델도이다.
도 5는 주형의 상면도이다.
도 6a는 주형의 상면도이다.
도 6b는 주형의 상면도이다.
도 7a는 슬래브의 표면 온도의 시간 변동을 나타내는 개념도이다.
도 7b는 슬래브의 표면 온도의 시간 변동을 나타내는 개념도이다.
도 8은 주형과 슬래브와의 접촉 영역의 모델도이다.
도 9는 통과 열유속과 슬래브 표면 온도와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10a는 플라즈마 토치의 이동 패턴 및 탕면 입열 분포를 나타내는 도면이다.
도 10b는 플라즈마 토치의 이동 패턴 및 탕면 입열 분포를 나타내는 도면이다.
도 11a는 전자 교반의 패턴 및 로렌츠력 분포를 나타내는 도면이다.
도 11b는 전자 교반의 패턴 및 로렌츠력 분포를 나타내는 도면이다.
도 12는 데이터의 추출 위치와 플라즈마 토치의 위치를 나타내는 도면이다.
도 13은 데이터의 추출 위치의 각각에 있어서의 슬래브의 표면 온도를 나타내는 도면이다.
도 14는 데이터의 추출 위치의 각각에 있어서의 온도 변동폭을 나타내는 도면이다.
도 15는 데이터의 추출 위치의 각각에 있어서의 슬래브의 표면 온도를 나타내는 도면이다.
도 16은 데이터의 추출 위치의 각각에 있어서의 온도 변동폭을 나타내는 도면이다.
도 17은 데이터의 추출 위치의 각각에 있어서의 슬래브의 표면 온도를 나타내는 도면이다.
도 18은 데이터의 추출 위치의 각각에 있어서의 온도 변동폭을 나타내는 도면이다.
도 19a는 라인 상에서의 유속의 크기를 나타내는 도면이다.
도 19b는 라인 상에서의 유속의 크기를 나타내는 도면이다.
도 20a는 라인 상에서의 유속의 크기를 나타내는 도면이다.
도 20b는 라인 상에서의 유속의 크기를 나타내는 도면이다.
도 21a는 라인 상에서의 유속의 크기를 나타내는 도면이다.
도 21b는 라인 상에서의 유속의 크기를 나타내는 도면이다.
도 22a는 라인 상에서의 유속의 크기를 나타내는 도면이다.
도 22b는 라인 상에서의 유속의 크기를 나타내는 도면이다.
도 23a는 상당 코일 전류와 용탕의 평균 유속과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 23b는 상당 코일 전류와 유속의 표준 편차와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 23c는 상당 코일 전류와 온도 변동폭의 최댓값과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 24a는 용탕의 평균 유속과 온도 변동폭의 최댓값과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 24b는 용탕의 유속의 표준 편차와 온도 변동폭의 최댓값과의 관계를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다.
(연속 주조 장치의 구성)
본 실시 형태에 따른 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브의 연속 주조 방법에서는, 플라즈마 아크 용해시킨 티타늄 또는 티타늄 합금의 용탕을 단면 직사각형이고 바닥이 없는 주형 내에 주입하여 응고시키면서 하방으로 인발함으로써, 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브를 연속적으로 주조한다. 이 연속 주조 방법을 실시하는 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브의 연속 주조 장치(1)는, 사시도인 도 1 및 단면도인 도 2에 나타내는 바와 같이, 주형(2)과, 콜드 하스(3)와, 원료 투입 장치(4)와, 플라즈마 토치(5)와, 스타팅 블록(6)과, 플라즈마 토치(7)를 갖고 있다. 연속 주조 장치(1)의 주위는, 아르곤 가스나 헬륨 가스 등을 포함하는 불활성 가스 분위기로 되어 있다.
원료 투입 장치(4)는, 콜드 하스(3) 내에, 스폰지 티탄이나 스크랩 등의 티타늄 또는 티타늄 합금의 원료를 투입한다. 플라즈마 토치(5)는, 콜드 하스(3)의 상방에 설치되어 있고, 플라즈마 아크를 발생시켜 콜드 하스(3) 내의 원료를 용융시킨다. 콜드 하스(3)는, 원료가 용융된 용탕(12)을, 주탕부(3a)로부터 주형(2) 내에 주입한다. 주형(2)은, 구리제이며, 바닥이 없고 단면 형상이 직사각형으로 형성되어 있고, 각통 형상의 벽부의 적어도 일부의 내부를 순환하는 물에 의해 냉각되도록 되어 있다. 스타팅 블록(6)은, 도시하지 않은 구동부에 의해 상하 이동 되어, 주형(2)의 하측 개구부를 폐색하는 것이 가능하다. 플라즈마 토치(7)는, 주형(2) 내의 용탕(12)의 상방에 설치되어 있고, 도시하지 않은 이동 수단에 의해 용탕(12)의 탕면 상에서 수평 이동되면서, 주형(2) 내에 주입된 용탕(12)의 탕면을 플라즈마 아크로 가열한다.
이상의 구성에 있어서, 주형(2) 내에 주입된 용탕(12)은, 수냉식의 주형(2)과의 접촉면으로부터 응고해 간다. 그리고, 주형(2)의 하측 개구부를 폐색하고 있던 스타팅 블록(6)을 소정의 속도로 하방으로 인하시켜 감으로써, 용탕(12)이 응고된 각기둥 형상의 슬래브(11)가, 하방으로 인발되면서 연속적으로 주조된다.
여기서, 진공 분위기에서의 전자 빔 용해에서는 미소 성분이 증발하기 때문에, 티타늄 합금의 주조는 곤란하다. 이에 반해, 불활성 가스 분위기에서의 플라즈마 아크 용해에서는, 순티타늄뿐만 아니라, 티타늄 합금도 주조하는 것이 가능하다.
또한, 연속 주조 장치(1)는, 주형(2) 내의 용탕(12)의 탕면에 고상 혹은 액상의 플럭스를 투입하는 플럭스 투입 장치를 갖고 있어도 된다. 여기서, 진공 분위기에서의 전자 빔 용해에서는, 플럭스가 비산하므로 플럭스를 주형(2) 내의 용탕(12)에 투입하는 것이 곤란하다. 이에 반해, 불활성 가스 분위기에서의 플라즈마 아크 용해는, 플럭스를 주형(2) 내의 용탕(12)에 투입할 수 있다고 하는 이점을 갖는다.
(조업 조건)
그런데, 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브(11)를 연속 주조하였을 때에, 슬래브(11)의 표면(주조 표면)에 요철이나 흠집이 있으면, 다음 공정인 압연 과정에서 표면 결함으로 된다. 이러한 슬래브(11) 표면의 요철이나 흠집은, 압연 하기 전에 절삭 등으로 제거할 필요가 있어, 수율의 저하나 작업 공정의 증가 등에 기인하여, 비용 상승의 요인으로 된다. 그로 인해, 표면에 요철이나 흠집이 없는 슬래브(11)를 주조하는 것이 요구된다.
여기서, 도 3a, 도 3b에 나타내는 바와 같이, 티타늄을 포함하는 슬래브(11)의 연속 주조에 있어서는, 플라즈마 아크나 전자 빔에 의해 가열되는 용탕(12)의 탕면 근방(탕면으로부터 탕면 아래 10∼20㎜ 정도까지의 영역)에 있어서만 주형(2)과 슬래브(11)[응고쉘(13)]의 표면이 접촉하고 있다. 이 접촉 영역보다 깊은 영역에서는 슬래브(11)가 열수축함으로써, 주형(2)과의 사이에 에어 갭(14)이 발생한다. 그리고, 도 3a에 나타내는 바와 같이, 초기 응고부(15)[용탕(12)이 주형(2)에 접촉하여 최초로 응고되는 부분]에의 입열이 과다할 경우, 응고쉘(13)이 너무 얇기 때문에, 강도 부족에 의해 응고쉘(13)의 표면이 찢어지는 「찢김 결함」이 발생한다. 한편, 도 3b에 나타내는 바와 같이, 초기 응고부(15)에의 입열이 부족하면, 성장한(두꺼워진) 응고쉘(13) 상에 용탕(12)이 넘침으로써 「탕 넘침(molten metal covering) 결함」이 발생한다. 따라서, 용탕(12)의 탕면 근방에 있어서의 초기 응고부(15)에의 입발열(入拔熱) 상황이 주조 표면의 성상에 큰 영향을 준다고 추정되고, 용탕(12)의 탕면 근방의 입발열 상태를 적절하게 제어함으로써 양호한 주조 표면의 슬래브(11)가 얻어진다고 생각된다.
여기서, 플라즈마 아크 용해에 의해, 예를 들어 250×750㎜, 250×1000㎜, 250×1500㎜과 같은 사이즈의 슬래브(11)를 연속 주조하는 경우에는, 플라즈마 토치(7)의 가열 범위에 한계가 있다. 따라서, 본 실시 형태에 있어서는, 주형(2)을 상방으로부터 본 모델도인 도 4a, 도 4b, 도 4c에 나타내는 바와 같이, 플라즈마 토치(7)를 용탕(12) 상에서 수평하게 선회시키고 있다. 도 4a는, 1개의 플라즈마 토치(7)를 선회시킨 경우의 궤도를 나타내고 있다. 한편, 도 4b, 도 4c는, 2개의 플라즈마 토치(7)를 선회시킨 경우의 궤도를 나타내고 있다. 도 4b에 있어서, 2개의 플라즈마 토치(7)의 선회 방향은 동일하지만, 도 4c에 있어서, 2개의 플라즈마 토치(7)의 선회 방향은 다르다.
그런데, 플라즈마 토치(7)를 선회시키면, 주형(2)의 장변측에서는 플라즈마 토치(7)의 체류 시간이 길기 때문에, 초기 응고부(15)에의 입열이 크고, 응고쉘(13)이 얇아진다. 한편, 주형(2)의 단변측이나 코너부에서는, 플라즈마 토치(7)의 체류 시간이 짧기 때문에, 초기 응고부(15)에의 입열이 부족하여 응고쉘(13)이 성장한다(두꺼워진다). 이와 같이, 슬래브(11)의 위치에 따라 응고 거동이 불균일해지고, 주조 표면 성상의 악화로 이어진다.
따라서, 본 실시 형태에 있어서는, 주형(2)의 측방에 배치한 도시하지 않은 전자 교반 장치(EMS:In-mold Electro-Magnetic Stirrer)로, 주형(2) 내의 용탕(12)의 적어도 탕면을 전자 유도에 의해 교반하고 있다. EMS는, 코일 철심에 EMS 코일을 권회한 것이다. 이 EMS에 의한 용탕(12)의 교반에 의해, 수평 방향으로 선회하는 흐름이, 용탕(12)의 탕면 또는 탕면 근방에 발생한다.
이에 의해, 주형(2)의 장변측에 체류하고 있던 뜨거운 용탕(12)이 주형(2)의 단변측이나 코너부에 이류되므로, 주형(2)의 장변측에서의 초기 응고부(15)의 용융 및 주형(2)의 단변측이나 코너부에서의 초기 응고부(15)의 성장이 완화된다. 따라서, 슬래브(11) 전체에 걸쳐 균일하게 응고시킬 수 있기 때문에, 주조 표면의 상태가 양호한 슬래브(11)를 주조할 수 있다.
여기서, 주형(2)과 슬래브(11)와의 접촉 영역에 있어서의 슬래브(11)의 표면 온도 TS의 평균값이 800℃＜TS＜1250℃의 범위이면, 주조 표면의 상태가 양호한 슬래브(11)를 얻을 수 있는 것을 알고 있다. 따라서, 본 실시 형태에 있어서는, 주형(2)의 상면도인 도 5에 나타내는 바와 같이, 슬래브(11)의 장변의 길이를 L로 하고, 슬래브(11)의 장변의 중앙을 0으로 하는 좌표값 x를 장변 방향에 설정한다. 이때에, 주형(2)의 장변측의 주형벽 근방에 있어서 -2L/5≤x≤2L/5의 범위에 위치하는 용탕(12)의 탕면에 있어서의 x축 방향의 유속의 평균값 Vm의 절댓값을, 300㎜/sec 이상으로 하고 있다. 여기서, 주형(2)의 장변측의 주형벽 근방이라 함은, 주형(2)의 장변측의 주형벽으로부터 10㎜ 이격된 위치이다.
이에 의해, 주형(2)의 장변측에 체류하고 있던 뜨거운 용탕(12)을, 주형(2)의 단변측이나 코너부에 적절하게 이류시킬 수 있다.
또한, 후술하는 바와 같이, 용탕(12)의 x축 방향의 유속 Vx의 절댓값의, 위치 및 시각에 의한 변동에 관한 표준 편차 σ를 50㎜/sec≤σ≤85㎜/sec의 범위에 들어가게 하고 있다.
이에 의해, 용탕(12)과 슬래브(11)가 접촉하는 접촉 영역에 있어서의 슬래브(11)의 표면 온도의 변동폭의 최댓값을, 슬래브(11) 전체 둘레에 걸쳐 400℃ 이하로 할 수 있다.
또한, 용탕(12)의 적어도 탕면에 있어서의 선회류의 방향은, 플라즈마 토치(7)의 선회 방향과 일치하고 있어도 되고, 역방향이어도 된다. 그러나, 플라즈마 토치(7)의 선회 방향과는 역방향으로 용탕(12)의 적어도 탕면을 선회시킴으로써, 슬래브(11)의 표면 온도의 변동폭을 작게 할 수 있다.
(시뮬레이션)
다음으로, 수치 시뮬레이션에 의해, 슬래브(11) 전체 둘레에 걸쳐 주조 표면이 양호한 슬래브(11)를 얻기 위한 플라즈마 토치(7)의 이동 패턴 및 전자 교반의 패턴에 대해 검토하였다.
우선, 주형(2)의 상면도인 도 6a, 도 6b에 나타내는 바와 같이, 주형(2)의 장변부 및 단변부·코너부를 각각 설정하였다. 도 7a, 도 7b는, 주형(2)의 장변부 및 단변부·코너부에 있어서의 슬래브(11)의 표면 온도의 시간 변동의 개념도를 나타낸다.
도 7a는, 플라즈마 토치(7)만 이동하고, 전자 교반을 행하지 않는 경우의 슬래브(11)의 표면 온도의 시간 변동을 나타낸다. 장변부에서는 플라즈마 토치(7)에 의한 가열 시간이 길기 때문에 뜨거운 용탕(12)이 체류한다. 한편, 단변부·코너부에서는, 플라즈마 토치(7)의 체류 시간이 짧기 때문에, 온도 변동이 크다. 도 7b는, 플라즈마 토치(7)의 이동에 더하여 전자 유도를 행한 경우의 슬래브(11)의 표면 온도의 시간 변동을 나타낸다. 장변부에 체류한 뜨거운 용탕(12)을 단변부·코너부에 이류시킴으로써, 슬래브(11) 전체에 걸쳐 온도의 변동폭이 동일 정도로 되어 있는 것을 알 수 있다.
다음으로, 주형(2)과 슬래브(11)와의 접촉 영역에 있어서의 슬래브(11)의 표면 온도 TS의 평균값에 대해 평가하였다. 도 8은, 주형(2)과 슬래브(11)와의 접촉 영역의 모델도를 나타낸다. 접촉 영역(16)은, 탕면으로부터 탕면 아래 10∼20㎜ 정도까지의, 해칭으로 도시된, 주형(2)과 슬래브(11)가 접촉하고 있는 영역이다. 접촉 영역(16)에 있어서는, 슬래브(11)의 표면으로부터 주형(2)에의 통과 열유속 q가 발생한다. D는 응고쉘(13)의 두께이다.
도 9는, 통과 열유속 q와 슬래브(11)의 표면 온도 TS와의 관계를 나타낸다. 주형(2)과 슬래브(11)와의 접촉 영역(16)에 있어서의 슬래브(11)의 표면 온도 TS의 평균값이 800℃＜TS＜1250℃의 범위이면, 찢김 결함이나 탕 넘침 결함이 없는 주조 표면이 양호한 슬래브(11)를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 접촉 영역(16)에 있어서의 슬래브(11)의 표면으로부터 주형(2)에의 통과 열유속 q의 평균값이 5㎿/㎡＜q＜7.5㎿/㎡의 범위이면, 찢김 결함이나 탕 넘침 결함이 없는 주조 표면이 양호한 슬래브(11)를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
다음으로, 플라즈마 토치(7)의 이동 패턴 및 전자 교반의 패턴을 다르게 하여, 슬래브(11)의 표면 온도를 평가하였다. 도 10a, 도 10b는, 2개의 플라즈마 토치(7)의 이동 패턴 및 탕면 입열 분포를 나타낸다. 주형(2)의 내주 사이즈는 250×1500㎜이며, 플라즈마 토치(7)의 출력은 각각 750㎾이다. 또한, 플라즈마 토치(7)의 이동 속도는 50㎜/min이며, 플라즈마 토치(7)의 이동 주기는 30sec이다. 또한, 용해량은 1.3ton/hour이다. 플라즈마 토치(7)는 주형(2)의 주형벽으로부터 62.5㎜ 정도 내측에서 선회된다.
또한, 도 11a, 도 11b는, 전자 교반의 패턴 및 로렌츠력 분포를 나타낸다. 도 11a는 전자 교반에 의한 선회 방향이 플라즈마 토치(7)의 선회 방향과 동일 방향인 경우를 나타내고, 도 11b는 전자 교반에 의한 선회 방향이 플라즈마 토치(7)의 선회 방향과 역방향인 경우를 나타낸다. 전자 유도에 의한 교반력은, 코일 전류를 변화시킴으로써 조정하였다. 또한, 코일 전류값이 클수록 교반력은 커진다.
여기서, 데이터의 추출 위치와 플라즈마 토치(7)의 위치를 도 12와 같이 설정하였다. 우선, 2개의 플라즈마 토치(7)의 각각의 중심 위치에 대해 위치 A∼H를 설정하였다. 또한, 주형(2)의 내주를 따라 코너 (1)∼(4), 장변 1/4 (1), (2), 장변 1/2 (1), (2), 장변 3/4 (1), (2), 단변 (1), (2)의 계 12개소를 데이터의 추출 위치로서 설정하였다. 그리고 Case 1∼5의 5종류의 패턴으로 슬래브(11)의 표면 온도를 평가하였다. 표 1은, Case 1∼5의 패턴의 상세를 나타낸다.
Figure 112015069744954-pct00001
도 13은, 전자 교반을 행하지 않고 있는 Case 1과, 플라즈마 토치(7)의 선회 방향과 동일 방향으로 전자 교반시킨 Case 3에 대한, 데이터의 추출 위치의 각각에 있어서의 슬래브(11)의 표면 온도를 나타낸다. 또한, 도 14는, Case 1과 Case 3에 대한, 데이터의 추출 위치의 각각에 있어서의 온도 변동폭을 나타낸다. 도 13으로부터, 전자 교반에 의해, 주형(2)의 장변부에 있어서의 슬래브(11)의 표면 온도만이, 대폭으로 저하되어 있는 것을 알 수 있다. 그리고, 전자 교반에 의해, 슬래브(11) 전체 둘레에 걸쳐 슬래브(11)의 표면 온도의 값이 대략 동일 영역 내에서 변동하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 도 14로부터, 전자 교반에 의해, 주형(2)의 단변부·코너부에서의 슬래브(11)의 표면 온도의 변동폭이 작아져 있는 것을 알 수 있다. 그리고, 전자 교반에 의해, 데이터의 추출 위치에 관계 없이, 슬래브(11)의 표면 온도의 변동폭이 동일 정도인 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 15는, 전자 교반의 교반력이 다른 Case 2∼4에 대한, 데이터의 추출 위치의 각각에 있어서의 슬래브(11)의 표면 온도를 나타낸다. 또한, 도 16은, Case 2∼4에 대한, 데이터의 추출 위치의 각각에 있어서의 온도 변동폭을 나타낸다. 도 16으로부터, 전자 교반의 교반력을 증대시키면, 데이터의 추출 위치에 따라 슬래브(11)의 표면 온도의 변동폭에 편차가 발생하는 것을 알 수 있다. 이것은, 용탕(12)의 흐름이 흐트러지는 것에 의한 것이라고 추정된다.
다음으로, 플라즈마 토치(7)의 선회 방향과 동일 방향으로 전자 교반시킨 Case 3과, 플라즈마 토치(7)의 선회 방향과 역방향으로 전자 교반시킨 Case 5에 대한, 데이터의 추출 위치의 각각에 있어서의 슬래브(11)의 표면 온도를 도 17에 나타낸다. 또한, 도 18은, Case 3과 Case 5에 대한, 데이터의 추출 위치의 각각에 있어서의 온도 변동폭을 나타낸다. 도 18로부터, 전자 교반의 선회 방향을 플라즈마 토치(7)의 선회 방향과 역방향으로 함으로써, 슬래브(11)의 표면 온도의 변동폭이 더욱 작아져, 전체 영역에 있어서 대략 목표 범위에 들어가는 것을 알 수 있다.
다음으로, Case 1∼5의 각 조건에 있어서, 용탕(12)의 유속을 평가하였다. 평가에 있어서는, 도 5에 나타내는, 주형(2)의 장변측의 주형벽으로부터 10㎜ 이격된, x좌표가 -2L/5로부터 2L/5까지의 범위로 설정한 라인(21) 상 및 라인(22) 상에서의 유속의 x축 방향의 절댓값을 사용하였다. 그리고, 플라즈마 토치(7)의 중심이 위치 A∼H에 왔을 때의 유속을 출력하였다. 또한, 본 시뮬레이션에 있어서는, 계산상의 탕면 유속으로서, 계산 모델의 최상부 요소의 값을 출력하여 평가를 행하고 있다. 도 19a는, Case 2에 있어서의 라인(21) 상에서의 유속의 크기를 나타낸다. 또한, 도 19b는, Case 2에 있어서의 라인(22) 상에서의 유속의 크기를 나타낸다. Case 2의 경우, 라인(21) 상의 유속은, 위치나 시각에서의 편차가 적어, 안정된 흐름이 얻어지고 있는 것을 알 수 있다. 한편, Case 2의 경우, 라인(22) 상의 평균 유속은 236㎜/sec이며, 유속이 작고 주형(2)의 단변부·코너부에의 용탕(12)의 이류가 불충분한 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 20a는, Case 3에 있어서의 라인(21) 상에서의 유속의 크기를 나타내고, 도 20b는, Case 3에 있어서의 라인(22) 상에서의 유속의 크기를 나타낸다. 라인(22) 상의 평균 유속은 305㎜/sec이다. 또한, 도 21a는, Case 4에 있어서의 라인(21) 상에서의 유속의 크기를 나타내고, 도 21b는 Case 4에 있어서의 라인(22) 상에서의 유속의 크기를 나타낸다. 라인(22) 상의 평균 유속은 271㎜/sec이다. 전자 교반의 교반력이 커짐에 따라, 유속의 편차가 커지고, 흐름이 흐트러지는 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 22a는, Case 5에 있어서의 라인(21) 상에서의 유속의 크기를 나타내고, 도 22b는, Case 5에 있어서의 라인(22) 상에서의 유속의 크기를 나타낸다. 라인(22) 상의 평균 유속은 316㎜/sec이다. 플라즈마 토치(7)의 선회 방향과는 역방향으로 전자 교반함으로써, 안정된 선회류가 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 23a는, Case 1∼5의 모든 경우에 있어서의 상당 코일 전류와 용탕(12)의 평균 유속과의 관계를 나타낸다. 교반력을 너무 올리면 평균 유속이 저하되는 것을 알 수 있다. 또한, 도 23b는, Case 1∼5의 모든 경우에 있어서의 상당 코일 전류와 용탕(12)의 유속의 표준 편차와의 관계를 나타낸다. 교반력을 올리면 흐름이 흐트러지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 23c는, Case 1∼5의 모든 경우에 있어서의 상당 코일 전류와 온도 변동폭의 최댓값과의 관계를 나타낸다.
다음으로, 도 24a는, 용탕(12)의 평균 유속과 온도 변동폭의 최댓값과의 관계를 나타낸다. 또한, 도 24b는, 용탕(12)의 유속의 표준 편차와 온도 변동폭의 최댓값과의 관계를 나타낸다. 도 5에 나타내는 라인(21) 및 라인(22)에 있어서, x축 방향의 용탕(12)의 평균 유속 Vm이 300㎜/sec 이상이며, 용탕(12)의 x축 방향의 유속 Vx의 표준 편차 σ가 50㎜/sec≤σ≤85㎜/sec의 범위에 들어감으로써, 주조 표면의 상태가 양호한 슬래브(11)를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
(효과)
이상에 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브의 연속 주조 방법에 따르면, 플라즈마 토치(7)를 선회 이동시키는 것에 더하여, 전자 교반에 의해 수평 방향으로 선회하는 흐름을 주형(2) 내의 용탕(12)의 적어도 탕면에 발생시킨다. 이에 의해, 주형(2)의 장변측에 체류하고 있던 뜨거운 용탕(12)이 주형(2)의 단변측이나 코너부에 이류되므로, 주형(2)의 장변측에서의 초기 응고부(15)의 용융 및 주형(2)의 단변측이나 코너부에서의 초기 응고부(15)의 성장이 완화된다. 따라서, 슬래브(11) 전체에 걸쳐 균일하게 응고시킬 수 있기 때문에, 주조 표면의 상태가 양호한 슬래브(11)를 주조할 수 있다.
또한, 주형(2)의 장변측의 주형벽 근방에 있어서 -2L/5≤x≤2L/5의 범위에 위치하는 용탕(12)의 탕면에 있어서의 x축 방향의 유속의 평균값의 절댓값을 300㎜/sec 이상으로 함으로써, 주형(2)의 장변측에 체류하고 있던 뜨거운 용탕(12)을 주형(2)의 단변측이나 코너부에 적절하게 이류시킬 수 있다.
또한, 주형(2)의 장변측의 주형벽으로부터 10㎜ 이격된 위치에 있어서, 용탕(12)의 탕면에 있어서의 x축 방향의 유속의 평균값의 절댓값을 300㎜/sec 이상으로 함으로써, 주형(2)의 장변측에 체류하고 있던 뜨거운 용탕(12)을 주형(2)의 단변측이나 코너부에 적절하게 이류시킬 수 있다.
또한, 용탕(12)의 x축 방향의 유속의 절댓값의 위치 및 시각에 의한 변동에 관한 표준 편차 σ를 50㎜/sec≤σ≤85㎜/sec의 범위에 들어가게 함으로써, 용탕(12)과 슬래브(11)가 접촉하는 접촉 영역에 있어서의 슬래브(11)의 표면 온도의 변동폭의 최댓값을, 슬래브(11) 전체 둘레에 걸쳐 400℃ 이하로 할 수 있다.
또한, 플라즈마 토치(7)의 선회 방향과는 역방향으로 선회하는 흐름을 용탕(12)의 적어도 탕면에 발생시킴으로써, 슬래브(11)의 표면 온도의 변동폭을 작게 할 수 있다. 이에 의해, 슬래브(11) 전체에 걸쳐 균일하게 응고시킬 수 있다.
(본 실시 형태의 변형예)
이상, 본 발명의 실시 형태를 설명하였지만, 구체예를 예시한 것에 불과하며, 특별히 본 발명을 한정하는 것은 아니고, 구체적 구성 등은, 적절하게 설계 변경 가능하다. 또한, 발명의 실시 형태에 기재된, 작용 및 효과는, 본 발명으로부터 발생하는 가장 적합한 작용 및 효과를 열거한 것에 불과하며, 본 발명에 의한 작용 및 효과는, 본 발명의 실시 형태에 기재된 것에 한정되는 것은 아니다.
본 출원은 2013년 1월 23일에 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2013-010247)에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.
1 : 연속 주조 장치
2 : 주형
3 : 콜드 하스
3a : 주탕부
4 : 원료 투입 장치
5 : 플라즈마 토치
6 : 스타팅 블록
7 : 플라즈마 토치
11 : 슬래브
12 : 용탕
13 : 응고쉘
14 : 에어 갭
15 : 초기 응고부
16 : 접촉 영역
21, 22 : 라인

Claims (5)

  1. 티타늄 또는 티타늄 합금을 용해시킨 용탕을 단면 직사각형이고 바닥이 없는 주형 내에 주입하여 응고시키면서 하방으로 인발함으로써, 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브를 연속적으로 주조하는 연속 주조 방법이며,
    상기 주형 내의 상기 용탕의 탕면 상에서 플라즈마 토치를 수평 방향으로 선회시키고,
    전자 교반에 의해 수평 방향으로 선회하는 흐름을 상기 주형 내의 상기 용탕의 적어도 탕면에 발생시키고,
    상기 슬래브의 장변의 길이를 L로 하고, 상기 슬래브의 장변의 중앙을 0으로 하는 좌표축 x를 장변 방향에 설정하였을 때에, 상기 주형의 장변측의 주형벽 근방에 있어서 -2L/5≤x≤2L/5의 범위에 위치하는 상기 용탕의 탕면에 있어서의 x축 방향의 유속의 평균값의 절댓값을, 300㎜/sec 이상으로 하고,
    상기 주형의 장변측의 주형벽 근방이, 상기 주형의 장변측의 주형벽으로부터 10㎜ 이격된 위치이고,
    상기 플라즈마 토치의 선회 방향과는 역방향으로 선회하는 흐름을 상기 용탕의 적어도 탕면에 발생시키는 것을 특징으로 하는, 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브의 연속 주조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용탕의 상기 x축 방향의 유속의 절댓값의 위치 및 시각에 의한 변동에 관한 표준 편차 σ를, 50㎜/sec≤σ≤85㎜/sec의 범위에 들어가게 하는 것을 특징으로 하는, 티타늄 또는 티타늄 합금을 포함하는 슬래브의 연속 주조 방법.
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