JP2007070640A - 溶断又はロウ付けに適した燃焼ガス及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】安全でかつ安価に、能率の高い溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスを製造する方法を提供する。
【解決手段】本願発明に係る溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスの製造方法は、水或いは水蒸気を電気分解することにて生成中の、水素と酸素の混合ガスk1に対し、鋼材の溶断に利用されているプロパンガス、エチレンガス或いは天然ガスなどの液化石油ガスを加えることにより、水素、酸素及び液化石油ガスの成分比率について、燃焼、爆発の上限界を超えるものとし、非燃焼、爆発範囲外での取り扱いを可能とする。
【選択図】図1
【解決手段】本願発明に係る溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスの製造方法は、水或いは水蒸気を電気分解することにて生成中の、水素と酸素の混合ガスk1に対し、鋼材の溶断に利用されているプロパンガス、エチレンガス或いは天然ガスなどの液化石油ガスを加えることにより、水素、酸素及び液化石油ガスの成分比率について、燃焼、爆発の上限界を超えるものとし、非燃焼、爆発範囲外での取り扱いを可能とする。
【選択図】図1
Description
本願発明は、溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスの製造方法に関する。
従来、溶断用燃焼ガスとして、ボンベに充填された水素と、他の可燃性ガス、例えば天然ガス、プロパンガス、エチレンガス、又はメタノール、イソプロピルアルコール、アセトン、トルエン、ノルマルヘキサンなどの炭化水素溶剤の気化ガスを混合して使用する場合があるが、コストが高くつき、一般的ではない。
従来の技術では、ボンベに充填された可燃性ガスを混合するか、製鉄所などで製鉄の際に発生する高炉ガス(一般にCガス)と呼ばれているガスを溶断用途に用いるが、特にコスト面では、ボンベ等に充填される液化燃料ガスでは容器代、運搬費用等が当然コストとして計上され、ユーザー側では燃料税も含めてのコストで購入しなければならない。また、溶断ガスとしての機能性の面においても溶断面の面粗度、溶断速度、溶断ノロの剥離性、被溶断材の熱影響によるヒズミ、溶断ヒューム等に関して考慮されておらないのが実情である。
そこで、本願の発明者は、コスト面で安価な、水の電気分解による、水素と酸素との混合ガスを、溶断に利用することを考えた。
特に、水の電解による水素と酸素の製造は、必要に応じて簡便に発生されることが可能であるため、貯蔵の必要がなく、貯蔵によって生じる天災や火災によっての危険性を回避することがになる。コスト面においては、ボンベで供給されている水素は、工業的には水電解によって製造されるのが主流で、その理由として、最も低コストであるということであり、又、同時に生成する酸素も有効に利用できる。この点においても最も利にかなっている手段である。
特に、水の電解による水素と酸素の製造は、必要に応じて簡便に発生されることが可能であるため、貯蔵の必要がなく、貯蔵によって生じる天災や火災によっての危険性を回避することがになる。コスト面においては、ボンベで供給されている水素は、工業的には水電解によって製造されるのが主流で、その理由として、最も低コストであるということであり、又、同時に生成する酸素も有効に利用できる。この点においても最も利にかなっている手段である。
しかし、特に可燃性ガスである水素と支燃性ガスである酸素とが、混合された状態で発生する水の電解を利用したガス発生装置において、生成された混合ガスは、爆発性(または燃焼性)をもっているので、その混合ガスを非爆発性(または不燃性)にしなければならない。
この点については、次の方法が考えられる。
先ず第1の方法としては、混合ガス中の可燃性ガス、又は、支燃性ガスのどちらかの成分比率(相対濃度)を減少、又は、増加させ、ガス組成を2成分系の爆発範囲外に保つことが考えられる。
この場合、安全性は向上しても、一方の成分について他の成分に対し相対的に余剰となる、無駄な部分を含むこととなり、溶断の燃焼ガスとして考えた場合、効率が悪い。
次に第2の方法として、混合ガスに不活性ガスを添加し、ガス組成をこの3成分系の爆発範囲外に保つことが考えられる。
この場合も、安全性は向上するが、溶断の燃焼ガスとして考えた場合、燃焼に関与しない不活性ガスを含むものとなり、効率面では望ましくはない。
先ず第1の方法としては、混合ガス中の可燃性ガス、又は、支燃性ガスのどちらかの成分比率(相対濃度)を減少、又は、増加させ、ガス組成を2成分系の爆発範囲外に保つことが考えられる。
この場合、安全性は向上しても、一方の成分について他の成分に対し相対的に余剰となる、無駄な部分を含むこととなり、溶断の燃焼ガスとして考えた場合、効率が悪い。
次に第2の方法として、混合ガスに不活性ガスを添加し、ガス組成をこの3成分系の爆発範囲外に保つことが考えられる。
この場合も、安全性は向上するが、溶断の燃焼ガスとして考えた場合、燃焼に関与しない不活性ガスを含むものとなり、効率面では望ましくはない。
また、溶断に用いる場合を考えると、酸素と水素の混合ガスは、それ自身、高速切断が可能であること、ノロ剥離性の良好さという、長所はあるものの、連続操業に不向きで、遅れ割れ対策が不十分であるという短所を無視することはできない。
このような現状を打破して、コスト面で安価な、水の電気分解による、水素と酸素との混合ガスを有効に、溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスとして利用すべく、本願の発明者は、更に研究を重ねた末、電解によって得た混合ガスに他の可燃ガスを添加し、ガス組成(成分の相対濃度即ち体積比率)を、この3成分系の爆発範囲外に保つことにて、安全に問題がなく、尚且つ効率が良く溶断機能の高い、燃焼ガスを製造方法の発明を完成するに至り、上記の課題を解決した。
本願請求項1の発明に係る溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスは、水或いは水蒸気の電解により水素と酸素とを生成し、これらに第2の可燃性ガスを加え、水素、酸素及び第2の可燃性ガスの成分比率について、燃焼、爆発の上限界を超えるものとし、非燃焼、爆発範囲外としたことを特徴とする。
上記手段を採る本願請求項1の発明に係る溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスは、水素と酸素とを分離することなく、安全に取り扱えると共に、安全性のために、溶断又はロウ付けに用いる燃焼ガスとしての使用効率を犠牲にしない。また、従来の燃焼ガスに比して、高速切断が可能であり、ノロ剥離性が良好であるという長所を持ちつつ、第2の可燃性ガスを加えることによって、連続操業を可能とし、遅れ割れが生じにくいという機能上の利点を獲得した。
本願請求項2の発明に係る溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスは、水或いは水蒸気の電解により水素と酸素を生成し、これらに第2の可燃性ガスを加え、水素、酸素及び第2の可燃性ガスの成分比率を、「水素酸素混合ガス−第2の可燃性ガス組成線」と「水素酸素混合ガス−第2の可燃性ガス爆発上限界線」との交点またはその付近としたことを特徴とする溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスである。
本願請求項7の発明に係る溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスは、水或いは水蒸気を電気分解することにて室内に溜まった、水素と酸素の混合ガスに対し、第2の可燃性ガスを前記室内で加えることにより、前記室内における水素、酸素及び第2の可燃性ガスの成分比率を、「水素酸素混合ガス−第2の可燃性ガス組成線」と「水素酸素混合ガス−第2の可燃性ガス爆発上限界線」との交点またはその付近とし非燃焼、爆発範囲外での取り扱いを可能とすることを特徴とする溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスの製造方法である。
本願請求項8の発明に係る溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスは、第1の可燃性ガスと、当該第1の可燃性ガスと反応して爆発することが可能な支燃性ガスとを成分とする室内に溜まった混合ガスに対して、第2の可燃性ガスを前記室内で混合することにて、前記室内における第1の可燃性ガスと支燃性ガスと第2の可燃性ガスとの少なくとも3成分間の成分比率を、「第1の可燃性ガス・水素酸素混合ガス−第2の可燃性ガス組成線」と「第1の可燃性ガス・酸素混合ガス−第2の可燃性ガス爆発上限界線」との交点またはその付近とすることを特徴とする溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスの製造方法である。
室はガス生成室であることが好ましい。
本願請求項8の発明に係る溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスは、第1の可燃性ガスと、当該第1の可燃性ガスと反応して爆発することが可能な支燃性ガスとを成分とする室内に溜まった混合ガスに対して、第2の可燃性ガスを前記室内で混合することにて、前記室内における第1の可燃性ガスと支燃性ガスと第2の可燃性ガスとの少なくとも3成分間の成分比率を、「第1の可燃性ガス・水素酸素混合ガス−第2の可燃性ガス組成線」と「第1の可燃性ガス・酸素混合ガス−第2の可燃性ガス爆発上限界線」との交点またはその付近とすることを特徴とする溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスの製造方法である。
室はガス生成室であることが好ましい。
本願発明の実施によって、燃焼効率が高く、溶断機能に優れ、安全に、安定した取り扱いが可能な溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスを提供し得た。
即ち、従来より発展性の見られなかった溶断用の燃焼ガスについて、その機能の向上を実現し、併せて、製造や取り扱いの、安全面、コスト面、環境面に優れた燃焼ガスを提供し得た。
即ち、従来より発展性の見られなかった溶断用の燃焼ガスについて、その機能の向上を実現し、併せて、製造や取り扱いの、安全面、コスト面、環境面に優れた燃焼ガスを提供し得た。
以下、図面に基づき本願発明の実施の形態について説明する。
図1に、本願発明の実施に適したガス生成装置100を示す。
このガス生成装置100は、電源10に接続されることにて水を電気分解することが可能な電解セル1と、電解セル1に接続されたガス生成室2と、生成室2内に、他から液化石油ガスを導入することが可能な導入管3と、製造した燃焼ガスkを生成室2から外部へ導出させる導出管4と、マスフローメーター(図示しない。)と、マスフローコントローラ5とを備える。
図1に、本願発明の実施に適したガス生成装置100を示す。
このガス生成装置100は、電源10に接続されることにて水を電気分解することが可能な電解セル1と、電解セル1に接続されたガス生成室2と、生成室2内に、他から液化石油ガスを導入することが可能な導入管3と、製造した燃焼ガスkを生成室2から外部へ導出させる導出管4と、マスフローメーター(図示しない。)と、マスフローコントローラ5とを備える。
電源10にて、水が蓄えられ或いは他より水が供給された上記の電解セル1へ、電解電圧を加えることにより、当該水を水素と酸素に分解し、ガス生成室2に水素と酸素の混合ガスk1を生成する。即ち、上記電解により、第1の可燃性ガスである水素ガスと、支燃性ガスである酸素ガスとの、混合ガスk1を得る。
尚、図1のdは、ガス生成室2内の電解液を示す。
この混合ガスk1は、水分子中の水素原子と酸素原子の個数に応じて、水素ガス(単体):酸素ガス(単体)の体積比率が2:1の割合で発生する。即ち、混合ガスk1を100%とすると、その中で、水素の単体ガスは約66.7%、酸素の単体ガスは約33.3%の、体積比率を締める。
尚、図1のdは、ガス生成室2内の電解液を示す。
この混合ガスk1は、水分子中の水素原子と酸素原子の個数に応じて、水素ガス(単体):酸素ガス(単体)の体積比率が2:1の割合で発生する。即ち、混合ガスk1を100%とすると、その中で、水素の単体ガスは約66.7%、酸素の単体ガスは約33.3%の、体積比率を締める。
上記混合ガスk1の生成中、生成室2内には、導出管4にて、液化石油ガスk2が第2の可燃性ガスとして導入される。液化石油ガスk2の導入量は、混合ガスk1の生成量を上記のマスフローメータが読み取り、当該読み取った混合ガスk1の生成量に従ってマスフローコントローラ5がその流量調整弁(好ましくは比例注入弁)の開閉を制御して、調整する。
即ち、第2の可燃性ガス即ち液化石油ガスk2の、混合ガスk1に対する混合比率(体積比率)を、上記のマスフローコントローラ5による導入量の調整によって、燃焼ガスkのガス組成を、この3成分系の爆発範囲外に保つ。
このようにして生成した、溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスkは、導出管4から取り出す、或いは直接溶断トーチ(図示しない。)に供給することができる。
即ち、第2の可燃性ガス即ち液化石油ガスk2の、混合ガスk1に対する混合比率(体積比率)を、上記のマスフローコントローラ5による導入量の調整によって、燃焼ガスkのガス組成を、この3成分系の爆発範囲外に保つ。
このようにして生成した、溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスkは、導出管4から取り出す、或いは直接溶断トーチ(図示しない。)に供給することができる。
上記の第2の可燃性ガスとしては、上述の通り、プロパンガス、エチレンガス或いは天然ガスに代表される液化石油ガスが適当である。但し、液化石油ガス以外の炭化水素系の燃焼ガスを、第2の燃焼ガスとして使用することも可能であり、これを制限するものではない。
次に、図2〜図4を用いて、混合ガス1k1と、第2の可燃性ガスとの混合比率の例について、本願発明者が鋭意研究の末、見いだした好適な例を示す。これらの各図に示すグラフ中、楕円で示す領域は、本願発明に係る方法で製造した燃焼ガスkにおいて溶断に適した機能を有する実用範囲を示し、正円で示す位置は、スパーク点火によっても、爆発燃焼しない成分比率を示す。
図2(A) に、上記水素ガスと酸素ガスの混合ガスk1に対して、第2の可燃性ガスとしてLPGを添加する例を示す。
図2(A) に示すグラフは、縦軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占める水素ガスの体積比率を示し、横軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占めるLPGの体積比率を示す。
このグラフにおいて、縦軸、横軸、水素ガス−LPG爆発上限界線n1に囲まれ、且つ、縦軸、横軸及び水素ガス−LPG下限界線(左方上がりの斜めの線分になるが、縦軸・横軸何れの比率も小さいものであるためこのグラフ上現れていない。)に囲まれた部分を除く領域h1が、爆発範囲である。従って、上限界線n1よりも右上の領域にあれば爆発の危険がないと考えられるが、一方、コストの面では、LPGの占める割合を極力小さくしたい。ここで、水素・酸素混合ガス−LPG組成線m1と上限界線n1との交点(LPG25%)及びその付近が、コストと安全性の面で最も適した組成である。
従って、この場合、組成線m1上交点から下方に広がる楕円の領域も、交点に次いで、上記のバランスのとれた組成範囲である。この楕円の領域については、組成線m1上交点からLPG35%を上限とする。
一方、正円で示す位置、即ち、組成線m1上交点からLPG20%を下限とする領域は、本来爆発領域に属するのであるが、スパーク点火によっても、爆発燃焼しなかった。従って、この領域は、最もコストを低く抑えて、安全性を確保できる領域である。
図2(A) に示すグラフは、縦軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占める水素ガスの体積比率を示し、横軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占めるLPGの体積比率を示す。
このグラフにおいて、縦軸、横軸、水素ガス−LPG爆発上限界線n1に囲まれ、且つ、縦軸、横軸及び水素ガス−LPG下限界線(左方上がりの斜めの線分になるが、縦軸・横軸何れの比率も小さいものであるためこのグラフ上現れていない。)に囲まれた部分を除く領域h1が、爆発範囲である。従って、上限界線n1よりも右上の領域にあれば爆発の危険がないと考えられるが、一方、コストの面では、LPGの占める割合を極力小さくしたい。ここで、水素・酸素混合ガス−LPG組成線m1と上限界線n1との交点(LPG25%)及びその付近が、コストと安全性の面で最も適した組成である。
従って、この場合、組成線m1上交点から下方に広がる楕円の領域も、交点に次いで、上記のバランスのとれた組成範囲である。この楕円の領域については、組成線m1上交点からLPG35%を上限とする。
一方、正円で示す位置、即ち、組成線m1上交点からLPG20%を下限とする領域は、本来爆発領域に属するのであるが、スパーク点火によっても、爆発燃焼しなかった。従って、この領域は、最もコストを低く抑えて、安全性を確保できる領域である。
図2(B) に、上記水素ガスと酸素ガスの混合ガスk1に対して、第2の可燃性ガスとしてエチレンガスを添加する例を示す。
図2(B) に示すグラフは、縦軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占める水素ガスの体積比率を示し、横軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占めるエチレンガスの体積比率を示す。
このグラフにおいて、縦軸、横軸、水素ガス−エチレンガス爆発上限界線n2に囲まれた領域h2が、爆発範囲である。従って、上限界線n2よりも右上の領域にあれば爆発の危険がないと考えられるが、一方、コストの面では、エチレンガスの占める割合を極力小さくしたい。ここで、水素・酸素混合ガス−エチレンガス組成線m2と上限界線n2との交点(エチレンガス54%)及びその付近が、コストと安全性の面で最も適した組成である。
従って、この場合、組成線m2上交点から下方に広がる楕円の領域も、交点に次いで、上記のバランスのとれた組成範囲である。この楕円の領域については、組成線m2上交点からエチレンガス65%を上限とする。
一方、正円で示す位置、即ち、組成線m2上交点からエチレンガス49%を下限とする領域は、本来爆発領域に属するのであるが、スパーク点火によっても、爆発燃焼しなかった。従って、この領域は、最もコストを低く抑えて、安全性を確保できる領域である。
図2(B) に示すグラフは、縦軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占める水素ガスの体積比率を示し、横軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占めるエチレンガスの体積比率を示す。
このグラフにおいて、縦軸、横軸、水素ガス−エチレンガス爆発上限界線n2に囲まれた領域h2が、爆発範囲である。従って、上限界線n2よりも右上の領域にあれば爆発の危険がないと考えられるが、一方、コストの面では、エチレンガスの占める割合を極力小さくしたい。ここで、水素・酸素混合ガス−エチレンガス組成線m2と上限界線n2との交点(エチレンガス54%)及びその付近が、コストと安全性の面で最も適した組成である。
従って、この場合、組成線m2上交点から下方に広がる楕円の領域も、交点に次いで、上記のバランスのとれた組成範囲である。この楕円の領域については、組成線m2上交点からエチレンガス65%を上限とする。
一方、正円で示す位置、即ち、組成線m2上交点からエチレンガス49%を下限とする領域は、本来爆発領域に属するのであるが、スパーク点火によっても、爆発燃焼しなかった。従って、この領域は、最もコストを低く抑えて、安全性を確保できる領域である。
図3に、上記水素ガスと酸素ガスの混合ガスk1に対して、第2の可燃性ガスとしてメタンガスを添加する例を示す。
図3に示すグラフは、縦軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占める水素ガスの体積比率を示し、横軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占めるメタンガスの体積比率を示す。
このグラフにおいて、縦軸、横軸、水素ガス−メタンガス爆発上限界線n3に囲まれ、且つ、縦軸、横軸及び水素ガス−メタンガス下限界線(左方上がりの斜めの線分になるが、縦軸・横軸何れの比率も小さいものであるのでこのグラフ上現れていない。)に囲まれた部分を除く領域h3が、爆発範囲である。従って、上限界線n2よりも右上の領域にあれば爆発の危険がないと考えられるが、一方、コストの面では、メタンガスの占める割合を極力小さくしたい。ここで、水素・酸素混合ガス−メタンガス組成線m3と上限界線n3との交点(メタンガス25%)及びその付近が、コストと安全性の面で最も適した組成である。
従って、この場合、組成線m3上交点から下方に広がる楕円の領域も、交点に次いで、上記のバランスのとれた組成範囲である。この楕円の領域については、組成線m3上交点からメタンガス35%を上限とする。
一方、正円で示す位置、即ち、組成線m3上交点からメタンガス20%を下限とする領域は、本来爆発領域に属するのであるが、スパーク点火によっても、爆発燃焼しなかった。従って、この領域は、最もコストを低く抑えて、安全性を確保できる領域である。
図3に示すグラフは、縦軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占める水素ガスの体積比率を示し、横軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占めるメタンガスの体積比率を示す。
このグラフにおいて、縦軸、横軸、水素ガス−メタンガス爆発上限界線n3に囲まれ、且つ、縦軸、横軸及び水素ガス−メタンガス下限界線(左方上がりの斜めの線分になるが、縦軸・横軸何れの比率も小さいものであるのでこのグラフ上現れていない。)に囲まれた部分を除く領域h3が、爆発範囲である。従って、上限界線n2よりも右上の領域にあれば爆発の危険がないと考えられるが、一方、コストの面では、メタンガスの占める割合を極力小さくしたい。ここで、水素・酸素混合ガス−メタンガス組成線m3と上限界線n3との交点(メタンガス25%)及びその付近が、コストと安全性の面で最も適した組成である。
従って、この場合、組成線m3上交点から下方に広がる楕円の領域も、交点に次いで、上記のバランスのとれた組成範囲である。この楕円の領域については、組成線m3上交点からメタンガス35%を上限とする。
一方、正円で示す位置、即ち、組成線m3上交点からメタンガス20%を下限とする領域は、本来爆発領域に属するのであるが、スパーク点火によっても、爆発燃焼しなかった。従って、この領域は、最もコストを低く抑えて、安全性を確保できる領域である。
図4(A) に、上記水素ガスと酸素ガスの混合ガスk1に対して、第2の可燃性ガスとして高炉ガスを添加する例を示す。
図4(A) に示すグラフは、縦軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占める水素ガスの体積比率を示し、横軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占める高炉ガスの体積比率を示す。
このグラフにおいて、縦軸、横軸、水素ガス−高炉ガス爆発上限界線n4に囲まれ、且つ、縦軸、横軸及び水素ガス−高炉ガス下限界線(左方上がりの斜めの線分になるが、縦軸・横軸何れの比率も小さいものであるのでこのグラフ上現れていない。)に囲まれた部分を除く領域h4が、爆発範囲である。従って、上限界線n4よりも右上の領域にあれば爆発の危険がないと考えられるが、一方、コストの面では、高炉ガスの占める割合を極力小さくしたい。ここで、水素・酸素混合ガス−高炉ガス組成線m4と上限界線n4との交点(高炉ガス25%)及びその付近が、コストと安全性の面で最も適した組成である。
従って、この場合、組成線m4上交点から下方に広がる楕円の領域も、交点に次いで、上記のバランスのとれた組成範囲である。この楕円の領域については、組成線m4上交点から高炉ガス40%を上限とする。
一方、正円で示す位置、即ち、組成線m4上交点から高炉ガス20%を下限とする領域は、本来爆発領域に属するのであるが、スパーク点火によっても、爆発燃焼しなかった。従って、この領域は、最もコストを低く抑えて、安全性を確保できる領域である。
図4(A) に示すグラフは、縦軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占める水素ガスの体積比率を示し、横軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占める高炉ガスの体積比率を示す。
このグラフにおいて、縦軸、横軸、水素ガス−高炉ガス爆発上限界線n4に囲まれ、且つ、縦軸、横軸及び水素ガス−高炉ガス下限界線(左方上がりの斜めの線分になるが、縦軸・横軸何れの比率も小さいものであるのでこのグラフ上現れていない。)に囲まれた部分を除く領域h4が、爆発範囲である。従って、上限界線n4よりも右上の領域にあれば爆発の危険がないと考えられるが、一方、コストの面では、高炉ガスの占める割合を極力小さくしたい。ここで、水素・酸素混合ガス−高炉ガス組成線m4と上限界線n4との交点(高炉ガス25%)及びその付近が、コストと安全性の面で最も適した組成である。
従って、この場合、組成線m4上交点から下方に広がる楕円の領域も、交点に次いで、上記のバランスのとれた組成範囲である。この楕円の領域については、組成線m4上交点から高炉ガス40%を上限とする。
一方、正円で示す位置、即ち、組成線m4上交点から高炉ガス20%を下限とする領域は、本来爆発領域に属するのであるが、スパーク点火によっても、爆発燃焼しなかった。従って、この領域は、最もコストを低く抑えて、安全性を確保できる領域である。
図4(B) に、上記水素ガスと酸素ガスの混合ガスk1に対して、第2の可燃性ガスとしてノルマルヘキサンを添加する例を示す。
図4(B) に示すグラフは、縦軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占める水素ガスの体積比率を示し、横軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占めるノルマルヘキサンの体積比率を示す。
このグラフにおいて、縦軸、横軸、水素ガス−ノルマルヘキサン爆発上限界線n5に囲まれ、且つ、縦軸、横軸及び水素ガス−ノルマルヘキサン下限界線(左方上がりの斜めの線分になるが、縦軸・横軸何れの比率も小さいものであるのでこのグラフ上現れていない。)に囲まれた部分を除く領域h5が、爆発範囲である。従って、上限界線n5よりも右上の領域にあれば爆発の危険がないと考えられるが、一方、コストの面では、ノルマルヘキサンの占める割合を極力小さくしたい。ここで、水素・酸素混合ガス−ノルマルヘキサン組成線m5と上限界線n5との交点(ノルマルヘキサン24%)及びその付近が、コストと安全性の面で最も適した組成である。
従って、この場合、組成線m5上交点から下方に広がる楕円の領域も、交点に次いで、上記のバランスのとれた組成範囲である。この楕円の領域については、組成線m5上交点からノルマルヘキサンガス38%を上限とする。
一方、正円で示す位置、即ち、組成線m5上交点からノルマルヘキサン19%を下限とする領域は、本来爆発領域に属するのであるが、スパーク点火によっても、爆発燃焼しなかった。従って、この領域は、最もコストを低く抑えて、安全性を確保できる領域である。
図4(B) に示すグラフは、縦軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占める水素ガスの体積比率を示し、横軸に、燃焼ガスk全体(100%)中に占めるノルマルヘキサンの体積比率を示す。
このグラフにおいて、縦軸、横軸、水素ガス−ノルマルヘキサン爆発上限界線n5に囲まれ、且つ、縦軸、横軸及び水素ガス−ノルマルヘキサン下限界線(左方上がりの斜めの線分になるが、縦軸・横軸何れの比率も小さいものであるのでこのグラフ上現れていない。)に囲まれた部分を除く領域h5が、爆発範囲である。従って、上限界線n5よりも右上の領域にあれば爆発の危険がないと考えられるが、一方、コストの面では、ノルマルヘキサンの占める割合を極力小さくしたい。ここで、水素・酸素混合ガス−ノルマルヘキサン組成線m5と上限界線n5との交点(ノルマルヘキサン24%)及びその付近が、コストと安全性の面で最も適した組成である。
従って、この場合、組成線m5上交点から下方に広がる楕円の領域も、交点に次いで、上記のバランスのとれた組成範囲である。この楕円の領域については、組成線m5上交点からノルマルヘキサンガス38%を上限とする。
一方、正円で示す位置、即ち、組成線m5上交点からノルマルヘキサン19%を下限とする領域は、本来爆発領域に属するのであるが、スパーク点火によっても、爆発燃焼しなかった。従って、この領域は、最もコストを低く抑えて、安全性を確保できる領域である。
従って、上記図2乃至図4に示す例において、各交点と正円及び楕円で示す領域が、溶断用の燃焼ガスとして利用に適したものである。
特筆すべき点は、何れも、組成線上において、爆発限界線との交点から爆発領域に入り込む領域であっても(正円の領域)、第2の燃焼ガスについて、交点での体積比率よりも5%低い体積比率即ち5ポイント低い体積比率まで、利用することができることである。即ち、第2ガスについて、上記交点の体積比率以下(又は未満)5ポイントまで利用することができる。
尚、上記各実施の形態においては、水素−酸素−第2の可燃性ガス)の3成分系を前提した(水素−酸素間の比率は一定なので、実質電解生成ガス−第2の可燃性ガスの2成分系と考えることができる)。
但し、3成分よりも多成分系の燃焼ガスとして実施することも可能である。
特筆すべき点は、何れも、組成線上において、爆発限界線との交点から爆発領域に入り込む領域であっても(正円の領域)、第2の燃焼ガスについて、交点での体積比率よりも5%低い体積比率即ち5ポイント低い体積比率まで、利用することができることである。即ち、第2ガスについて、上記交点の体積比率以下(又は未満)5ポイントまで利用することができる。
尚、上記各実施の形態においては、水素−酸素−第2の可燃性ガス)の3成分系を前提した(水素−酸素間の比率は一定なので、実質電解生成ガス−第2の可燃性ガスの2成分系と考えることができる)。
但し、3成分よりも多成分系の燃焼ガスとして実施することも可能である。
次に従来燃焼ガスとして使用されたLPG単独のガスと、本願発明に係る燃焼ガス(アクアガス)の溶断能力について、両者の比較結果を表1〜6に示す。
尚、これら比較には、ポータブル溶断装置(小松製作所)を用いた。
尚、これら比較には、ポータブル溶断装置(小松製作所)を用いた。
上記のデータ1)及び3)は、面粗度重視で、夫々異なるメーカーのSS材を溶断した際のデータである。
データ2)は、速度重視で、データ1)及び3)と異なるメーカーのSS材を溶断した際のデータである。
データ4)は、面粗度重視で、データ2)と同一のメーカーのSS材を溶断した際のデータである(但し板厚が異なる)。
データ5)は、データ1)と同一のメーカーのジンク材を溶断した際のデータである。
データ6)は、データ1)と同一のメーカーのSS材をピアッシング(穴開け)した際のデータである。
これらのデータを見れば分かる通り、LPGに比して、本願発明に係る燃焼ガス(アクアガス)では、SS材に対する溶断や穴開けについての速度が著しく短縮されている(データ1)〜3))。このような結果は、ジンク材を溶断する場合についても同様である(データ5))。また、SS材を穴あけする場合についても、同LPGに比して、本願発明に係る燃焼ガス(アクアガス)では、時間の短縮が確認できる(データ6))。
データ2)は、速度重視で、データ1)及び3)と異なるメーカーのSS材を溶断した際のデータである。
データ4)は、面粗度重視で、データ2)と同一のメーカーのSS材を溶断した際のデータである(但し板厚が異なる)。
データ5)は、データ1)と同一のメーカーのジンク材を溶断した際のデータである。
データ6)は、データ1)と同一のメーカーのSS材をピアッシング(穴開け)した際のデータである。
これらのデータを見れば分かる通り、LPGに比して、本願発明に係る燃焼ガス(アクアガス)では、SS材に対する溶断や穴開けについての速度が著しく短縮されている(データ1)〜3))。このような結果は、ジンク材を溶断する場合についても同様である(データ5))。また、SS材を穴あけする場合についても、同LPGに比して、本願発明に係る燃焼ガス(アクアガス)では、時間の短縮が確認できる(データ6))。
次に、アクアガスジェネレーター(アイエスプラン株式会社製、水素・酸素発生機)とAGM(アイエスプラン株式会社製、比例混合器)による可燃ガス混合非着火領域の確認実験の結果について説明する。
この実験は、図2〜図4において示した理論爆発限界の確認のもと、アクアガスジェネレーター(水素・酸素発生機)とAGM(比例混合器)とによる比例混合燃焼ガスシステムの装置内の安全性(非着火組成)を確認することを目的とする。
この可燃ガス混合非着火領域の確認実験に使用した装置・機器について説明すると、ガス発生混合システム(本願発明に係る燃焼ガスの、製造装置)としては、AGG−6500(アイエスプラン株式会社製アクアガスジェネレーター)及びAGM−130S(アイエスプラン株式会社製ガス混合器)を組み合わせて用いた。点火プラグ装置は、15000V、50mAのものを用いた。
また、図示はしないが、導出管4には、逆流を防止して生成したガスを安定供給させるためのバッファタンクを設けて実施するのが好ましく、この実験においては、容積16リットルのバッファタンクを設けた。
この実験に用いた計測器及び記録機器について説明すると、圧力計測のために、ストレンジゲージ(CKYOWA製センサー)、オシロスコープ(CLeCroy9304A20MHZesILLoscope)を用いた。撮影には、ソニー製ハンディ型ビデオカメラ(ソニーハンディカム DCR ・VX1000)を用いた。
この可燃ガス混合非着火領域の確認実験の結果は、次の通りである。
この実験は、図2〜図4において示した理論爆発限界の確認のもと、アクアガスジェネレーター(水素・酸素発生機)とAGM(比例混合器)とによる比例混合燃焼ガスシステムの装置内の安全性(非着火組成)を確認することを目的とする。
この可燃ガス混合非着火領域の確認実験に使用した装置・機器について説明すると、ガス発生混合システム(本願発明に係る燃焼ガスの、製造装置)としては、AGG−6500(アイエスプラン株式会社製アクアガスジェネレーター)及びAGM−130S(アイエスプラン株式会社製ガス混合器)を組み合わせて用いた。点火プラグ装置は、15000V、50mAのものを用いた。
また、図示はしないが、導出管4には、逆流を防止して生成したガスを安定供給させるためのバッファタンクを設けて実施するのが好ましく、この実験においては、容積16リットルのバッファタンクを設けた。
この実験に用いた計測器及び記録機器について説明すると、圧力計測のために、ストレンジゲージ(CKYOWA製センサー)、オシロスコープ(CLeCroy9304A20MHZesILLoscope)を用いた。撮影には、ソニー製ハンディ型ビデオカメラ(ソニーハンディカム DCR ・VX1000)を用いた。
この可燃ガス混合非着火領域の確認実験の結果は、次の通りである。
テイク1)
初圧:1.33kgf/平方cm、終圧:1.33kgf/平方cm、LPG濃度:21.9%において、3 回スパーク点火を行った。その結果、着火せず。
テイク2)
初圧:1.34kgf/平方cm、終圧:2.41kgf/平方cm、LPG濃度:18.8%において、1 回スパーク点火を行った。その結果、着火有り。
テイク3)
初圧:1.33kgf/平方cm、終圧:1.33kgf/平方cm、LPG濃度:20.9%において、3 回スパーク点火を行った。その結果、着火せず。
テイク4)
初圧:1.33kgf/平方cm、終圧:2.43kgf/平方cm、LPG濃度:17.6%において、1 回スパーク点火を行った。その結果、着火有り。
初圧:1.33kgf/平方cm、終圧:1.33kgf/平方cm、LPG濃度:21.9%において、3 回スパーク点火を行った。その結果、着火せず。
テイク2)
初圧:1.34kgf/平方cm、終圧:2.41kgf/平方cm、LPG濃度:18.8%において、1 回スパーク点火を行った。その結果、着火有り。
テイク3)
初圧:1.33kgf/平方cm、終圧:1.33kgf/平方cm、LPG濃度:20.9%において、3 回スパーク点火を行った。その結果、着火せず。
テイク4)
初圧:1.33kgf/平方cm、終圧:2.43kgf/平方cm、LPG濃度:17.6%において、1 回スパーク点火を行った。その結果、着火有り。
上記の通りテイク1)〜4)の4回の試験結果から、LPG濃度:20%前後まで、着火しないことが分かる。即ち、これは、図2(A) のグラフに示す実施の形態の効果を裏付けている。
本願発明に係る燃焼ガス中のCO2 (二酸化炭素)の分析結果について、図5及び表7を用いて説明する。図5は、分析に用いた装置を示す説明図である。表7は、分析結果を示している。
この分析の目的は、3種類(アクアガス、アセチレン、LPG)のガス(供試料)による熔断時の燃焼ガス中の二酸化炭素を測定し、比較することである。熔断材x1には鋼板(熔断巾420 mm×厚み30mm)を用いた。図5中、x2はCO2 メータを示し、x3はレコーダーを示している。また、x4はCO2 メータx2のガス採取口を示し、x5はガストーチを示している。
測定は、屋内で行った。測定方法については、赤外線非分散型とし、測定装置には、島津製作所製CGT−101A型を用いた。
燃焼ガスの採取位置及び採取口を数回、測定検討して、最終的に図5に示す位置にて、ガスを採取し測定した。
ガスの熱対流やエアーの吸込み具合等による測定値への影響が見られたので測定は一つのガス種について3回行なうこととした。
詳しくは、熔断スピードを250mm/分とし、ガス採取口径x6を47mmとし、鋼板(熔断材x1)とガス採取口x4の距離x7を15mmとし、トーチx5とガス採取口x4(中心)の距離x8を60mmとし、測定ガス流量を毎分1リットルとした。
この分析の目的は、3種類(アクアガス、アセチレン、LPG)のガス(供試料)による熔断時の燃焼ガス中の二酸化炭素を測定し、比較することである。熔断材x1には鋼板(熔断巾420 mm×厚み30mm)を用いた。図5中、x2はCO2 メータを示し、x3はレコーダーを示している。また、x4はCO2 メータx2のガス採取口を示し、x5はガストーチを示している。
測定は、屋内で行った。測定方法については、赤外線非分散型とし、測定装置には、島津製作所製CGT−101A型を用いた。
燃焼ガスの採取位置及び採取口を数回、測定検討して、最終的に図5に示す位置にて、ガスを採取し測定した。
ガスの熱対流やエアーの吸込み具合等による測定値への影響が見られたので測定は一つのガス種について3回行なうこととした。
詳しくは、熔断スピードを250mm/分とし、ガス採取口径x6を47mmとし、鋼板(熔断材x1)とガス採取口x4の距離x7を15mmとし、トーチx5とガス採取口x4(中心)の距離x8を60mmとし、測定ガス流量を毎分1リットルとした。
上記の通り、LPGが最も二酸化炭素の高い発生を示し、次いでアセチレンとなり、本願発明に係る燃焼ガス(アクアガス)では、最も二酸化炭素の発生が低かった。
既述の通り、酸素及び水素ガスの混合ガスは、高速切断が可能であり、ノロ剥離性が良好という長所がある反面、連続操業ができず、遅れ割れ対策としては不適という短所があると言われてきたが、本願発明の実施により、このような懸念を払拭して実機化の可能性が見えてきた。
今回、ISO1400への実機導入を目的に、試験的に本願発明に係るガス製造方法を実施する装置を導入し、約1月間の評価テストを実施した結果、品質・生産性向上の両面から、実機化の目処を得た。
ここで、図6を用いて、本願発明に係る燃焼ガスのノロ剥離性の評価について、説明する。
今回、ISO1400への実機導入を目的に、試験的に本願発明に係るガス製造方法を実施する装置を導入し、約1月間の評価テストを実施した結果、品質・生産性向上の両面から、実機化の目処を得た。
ここで、図6を用いて、本願発明に係る燃焼ガスのノロ剥離性の評価について、説明する。
先ず、図6は溶断した板厚別のノロ剥離性評価を示す。図6(A) 〜(D) に示す各円グラフにおいて、斑点で示す部分y1は、ノロを除去するのに治具が必要なものの割合を示し、無地の部分y2は、点状のノロで手で除去が可能なものの割合を示し、網かけの部分y3は、棒状のノロで手で除去が可能なものの割合を示し、斜線の部分y4は、ノロが全く付かなかったものの割合を示す。
図6(A) は、板厚が20mm以下の場合を示しており、y1は16%、y2は52%、y3は0%、y4は32%であった。
図6(B) は、板厚が20mmより大きい場合を示しており、y1は6%、y2は46%、y3は2%、y4は46%であった。
図6(C) は、板厚が21 mmより大きく30mmより小さい普通鋼の場合を示しており、y1は0%、y2は43%、y3は0%、y4は57%であった。
図6(D) は、板厚が21 mmより大きく30mmより小さい特殊鋼(SS+Crハイテンション鋼)の場合を示しており、y1は0%、y2は52%、y3は7%、y4は41%であった。尚、図6(A) (B) の溶断材はSS材(SS400)である。
図6(A) は、板厚が20mm以下の場合を示しており、y1は16%、y2は52%、y3は0%、y4は32%であった。
図6(B) は、板厚が20mmより大きい場合を示しており、y1は6%、y2は46%、y3は2%、y4は46%であった。
図6(C) は、板厚が21 mmより大きく30mmより小さい普通鋼の場合を示しており、y1は0%、y2は43%、y3は0%、y4は57%であった。
図6(D) は、板厚が21 mmより大きく30mmより小さい特殊鋼(SS+Crハイテンション鋼)の場合を示しており、y1は0%、y2は52%、y3は7%、y4は41%であった。尚、図6(A) (B) の溶断材はSS材(SS400)である。
上記の評価について、COGガス(高炉ガス)を用いて切断を行った場合、約50%強の割合で、治具が必要となるが、本願発明に係る燃焼ガス(アクアガス)では、20mm以下の場合が16%であり、20mmよりも大きい場合が6%であり、ノロレス比率も30%〜50%とノロ剥離性は良好である。
アクアガスでは、ノロレス(ノロなし)である比率が、普通鋼の場合57%であり、特殊鋼の場合、41%と、普通鋼のほうが、やや優位である。
アクアガスでは、ノロレス(ノロなし)である比率が、普通鋼の場合57%であり、特殊鋼の場合、41%と、普通鋼のほうが、やや優位である。
総合評価については、次の通りである。
1)切断速度:極めて良好(厚手材中心に約10〜20%の速度アップ可能)
2)ノロ発生:極めて良好(厚手材の約50%がノロレス化実現)
3)ノロ剥離性:極めて良好(冶具の必要な厚手材は10%以下)
4)浸入水素:良好(PCOGと同等レベル)
5)逆火:良好(心配なし)
6)切断環境:極めて良好(発煙は少なく良好)
7)連続操業:良好(自動供給装置導入により問題無し)
8)ランニングコスト:良好(LPG:5.0 円/m 、AGG:3.1 円/m )
1)切断速度:極めて良好(厚手材中心に約10〜20%の速度アップ可能)
2)ノロ発生:極めて良好(厚手材の約50%がノロレス化実現)
3)ノロ剥離性:極めて良好(冶具の必要な厚手材は10%以下)
4)浸入水素:良好(PCOGと同等レベル)
5)逆火:良好(心配なし)
6)切断環境:極めて良好(発煙は少なく良好)
7)連続操業:良好(自動供給装置導入により問題無し)
8)ランニングコスト:良好(LPG:5.0 円/m 、AGG:3.1 円/m )
本願発明に係る燃焼ガスとLPGの切断温度について調べた。
次に、本願発明に係る燃焼ガス(アクアガス)について切断時の測定温度を示す。尚、何れも2.5 kg/ 平方cmの高圧酸素を用いた。
1)板厚6mmのSS材に対して、送り速度550mm/分とした場合、129℃
2)板厚12mmのSS材に対して、送り速度400mm/分とした場合、158℃
3)板厚9mmのSS材に対して、送り速度450mm/分とした場合、108℃
次に、本願発明に係る燃焼ガス(アクアガス)について切断時の測定温度を示す。尚、何れも2.5 kg/ 平方cmの高圧酸素を用いた。
1)板厚6mmのSS材に対して、送り速度550mm/分とした場合、129℃
2)板厚12mmのSS材に対して、送り速度400mm/分とした場合、158℃
3)板厚9mmのSS材に対して、送り速度450mm/分とした場合、108℃
上記1)の条件で、アイトレーサー(田中製作所製切断機)を用い散水冷却にてLPGを使用した場合、測定温度は168.2℃であった(水分蒸発後に測定)。また同様に上記1)の条件で、アイトレーサーを用い冷却なし(水を使わずに切断)でLPGを使用した場合、測定温度は364.2℃であった。
このように、本願発明に係る燃焼ガスでは、測定温度が、LPGの場合に比して、極めて低い。特に、本願発明に係る燃焼ガス(アクアガス)を使用した場合、LPG+酸素で切断した場合に比べ切断温度が低いため、熱歪が少なく冷却水が不要となる。
このように、本願発明に係る燃焼ガスでは、測定温度が、LPGの場合に比して、極めて低い。特に、本願発明に係る燃焼ガス(アクアガス)を使用した場合、LPG+酸素で切断した場合に比べ切断温度が低いため、熱歪が少なく冷却水が不要となる。
本願発明に係るガスは、既述の通り優れた性質、安全性及び経済性を持つものである。また、溶断機能面についても、他の炭化水素系の燃焼ガスを、非燃焼範囲にて混合して要求する機能性を持った溶断用ガスとして調合することも可能であり、その手段としては、比例注入弁を利用した混合、マスフローメーターと、マスフローコントローラーを利用した混合などが考えられる。
k1 (酸素と水素の)混合ガス
Claims (3)
- 水或いは水蒸気を電気分解することにて生成中の、水素と酸素の混合ガスに対し、鋼材の溶断に利用されているプロパンガス、エチレンガス或いは天然ガスなどの液化石油ガスを加えることにより、水素、酸素及び液化石油ガスの成分比率について、燃焼、爆発の上限界を超えるものとし、非燃焼、爆発範囲外での取り扱いを可能とする溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスの製造方法。
- 水或いは水蒸気の電解により水素と酸素とを生成し、これら天然ガスなどの液化石油ガスを加え、水素、酸素及び液化石油ガスの成分比率について、燃焼、爆発の上限界を超えるものとし、非燃焼、爆発範囲外としたことを特徴とする溶断又はロウ付けに適した燃焼ガス。
- 第1の可燃性ガスと、当該第1の可燃性ガスと反応して爆発することが可能な支燃性ガスとを成分とする溶断又はロウ付けに適した混合ガスに対して、
上記支燃性ガスとの反応比率が第1の可燃性ガスと異なる、第2の可燃性ガスを混合することにて、
第1の可燃性ガスと支燃性ガスと第2の可燃性ガスとの少なくとも3成分間の成分比率について、燃焼、爆発の上限界を超えるものとし、第1の可燃性ガスと支燃性ガスとの間の成分比率を、上記の爆発可能な比率としても、非燃焼、爆発範囲外での取り扱いが可能であることを特徴とする溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスの製造方法。
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