JP2008049349A - ガス切断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス切断方法において、火口のメンテナンスが容易となるとともに、環境の清浄性、安全性を良好に保つことができるようにする。
【解決手段】予熱ガスにより予熱炎６を形成し、予熱炎６によりワーク１０を予熱し、予熱されたワーク１０に切断酸素気流５を噴射してワーク１０を切断するガス切断方法であって、予熱ガスを、燃料ガスであるジメチルエーテルと予熱用酸素とを混合して形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸素を用いた鉄系合金のガス切断方法に関する。

従来、鉄系合金からなる材料を被切断物とする切断方法として、被切断物を予熱炎により予熱し、高圧の酸素を流すことで、被切断物を燃焼させ、その燃焼熱を利用して被切断物を切断するガス切断が知られている。予熱炎を形成する予熱ガスとしては、燃料ガスであるアセチレンやプロパンなどと、酸素を一定の割合で混合したものが用いられている。
例えば、特許文献１には、プロパンあるいはアセチレンなどと酸素ガスとを混合し、発火させて予熱炎を形成するガス切断方法が記載されている。
また、特許文献２には、予熱炎を形成する場合に、アセチレン、エチレン、プロピレンのいずれか、あるいはこれらの混合ガス、液化石油ガスから採取される飽和炭化水素ガスである、プロパン、ブタン、製鉄所などで発生するコークス炉ガス（ＣＯＧ）、あるいはＣＯＧに高炉ガス、転炉ガスなどを混合したガスを用いてもよいことが記載されている。
特開平９−１９７６５号公報（第２頁） 特開平７−３２１４２号公報（第３頁）

しかしながら、上記のような従来のガス切断方法には、以下のような問題があった。
ガス切断に用いる予熱ガスは、作業性、安全性、経済性によって適宜使い分けられている。
例えば、予熱ガスとしてアセチレンを用いる場合にはアセチレン１に対し，酸素を１．１〜１．２の混合比として燃焼ガスとする。また、プロパンを用いる場合にはプロパン１に対し，酸素を４．０〜４．５の混合比として燃焼ガスとする。
アセチレンは、軽比重で作業性に優れるものの、爆発範囲が２．５〜１００vol％と広いため引火、爆発が起こらないように火気のない作業環境で、十分注意して切断作業を行う必要があり、また高価でもあるので、単純な切断用途に手軽に用いることができる切断方法ではないという問題がある。
また、アセチレンは、炭素同士の結合があるため燃焼時に煤を発生しやすく、大気や作業環境を汚染するとともに母材や火口に黒ずみが生じるという問題がある。そのため、火口を高頻度で清掃する必要があり、メンテナンスに手間がかかるという問題がある。
プロパンは、容易に入手でき爆発の危険性も少ないためよく用いられるが、アセチレンに比べて酸素の消費量が多くなるという問題がある。また、煤に関しては、アセチレンよりは少量だが、やはり炭素同士の結合を有するため発生しやすくなっている。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、火口のメンテナンスが容易となるとともに、環境の清浄性、安全性を良好に保つことができるガス切断方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、予熱ガスにより予熱炎を形成し、該予熱炎により被切断物を予熱し、該予熱された被切断物に切断用酸素を噴射して前記被切断物を切断するガス切断方法であって、前記予熱ガスを、燃料ガスであるジメチルエーテルと予熱用酸素とを混合して形成する方法とする。
この発明によれば、ジメチルエーテルと予熱用酸素とを混合した予熱ガスにより予熱炎を形成することで被切断物を予熱し、切断用酸素により被切断物を燃焼させて、被切断物を切断することができる。
ジメチルエーテルは、爆発範囲がアセチレンに比べて狭く、引火、爆発の危険性が少ないため、取り扱いが容易であり、炭素結合を含まないため、燃焼時に煤がほとんど発生せず、火口や周囲環境の煤による汚染を低減することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のガス切断方法において、前記予熱用酸素の前記ジメチルエーテルに対する混合比を、１．５以上、１．９以下とする方法とする。
この発明によれば、ジメチルエーテルに対する予熱用酸素の混合比が良好となり、効率的な切断を行うことができる。

本発明のガス切断方法によれば、予熱ガスに、燃焼時の煤の発生を抑制でき引火、爆発の危険性の少ないジメチルエーテルを用いるので、火口のメンテナンスが容易となるとともに、環境の清浄性、安全性を良好に保つことができるという効果を奏する。

以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
本発明の実施形態に係るガス切断方法について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るガス切断方法を行うためのガス切断装置の模式的な概略構成図である。

ガス切断装置１は、図１に示すように、火口２、切断酸素供給部７、予熱酸素供給部８、およびＤＭＥ供給部９を備える。火口２は、鉄系合金からなるワーク１０（被切断物）に対して、切断方向（図１の水平矢印方向）に相対移動可能な状態で対向して配置されている。
火口２は、その中心部に切断酸素供給部７から切断用酸素を供給するための切断酸素流路３が設けられ、火口２のワーク１０に対向する端部の中心から高圧の切断酸素気流５を噴射できるようになっている。
また、本実施形態では、予熱炎６を形成する予熱ガスを供給するために、切断酸素流路３の外側の同心円上に円環状に形成された予熱ガス流路４を備える。
予熱ガスは、予熱酸素供給部８から供給される予熱用酸素と、ＤＭＥ供給部９から供給されるジメチルエーテル（以下、ＤＭＥと略称する）との混合ガスである。ＤＭＥに対する予熱用酸素の比である酸素混合比は、ワーク１０の材質や切断条件の必要に応じて適宜調整することができるが、本実施形態では、特に良好な切断が行える酸素混合比の範囲である、１．５以上、１．９以下の範囲に調整されている。
切断酸素供給部７、予熱酸素供給部８により供給する切断用酸素、予熱用酸素は、同一の酸素を用いてもよいし、例えば、純度などがそれぞれ異なる酸素を用いてもよい。

次に、ガス切断装置１による本実施形態のガス切断方法について説明する。
予熱酸素供給部８、ＤＭＥ供給部９の流量を調整して、予熱ガス流路４に酸素混合比が１．５以上、１．９以下に調整された予熱ガスを流し、点火して予熱炎６を形成する。
そして、切断酸素供給部７から切断用酸素を切断酸素流路３に供給し、火口２の端部から、予熱炎６に囲まれた領域に切断酸素気流５を噴射する。
予熱炎６は、その内側を流れる切断酸素気流５の周囲を外気からシールドして、切断酸素気流５の流速が低下したり、空気の巻き込みにより圧力が低下したりしないようにするとともに、ワーク１０を、鉄系合金の発火温度である約９００℃まで加熱する。また、予熱炎６は、ワーク１０の表面の水分、錆、スケール等の燃焼を阻害する不純物を除去する機能も果たしている。

発火温度に達したワーク１０の表面の鉄成分は、切断用酸素により燃焼され、切断用酸素が連続供給されることで燃焼が持続する。一方、その際の燃焼熱によりワーク１０の溶融が起こり、高圧で噴射される切断用酸素の機械的エネルギーによって燃焼生成物と溶融金属分とが吹き飛ばされることで、切断が促進される。
この状態で、火口２を適宜速度でワーク１０に対して相対移動することにより、その移動軌跡に沿ってワーク１０を切断することができる。

以上の工程は、一般のアセチレンやプロパンなどを燃料ガスとして用いるガス切断と同様であるが、本実施形態では、予熱ガスに用いる燃料ガスとして、ＤＭＥを用いるため以下のような特徴を備える。
ＤＭＥは、化学式（ＣＨ_３）_２Ｏから分かるように、炭素同士の結合を含まないため、分解性が良好であり、燃焼時に炭素が煤となることがほとんどない。一方、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）は、いずれも炭素同士の結合を含むため、燃焼時に煤が発生しやすくなっている。
切断時に煤が発生すると、切断面などに付着して外観が見苦しくなるだけでなく、煤が付着した面では溶接ができなくなったり、溶接強度が低下したりする。そのため、切断後ワーク１０に付着した煤を除去する必要があり、手間がかかっていた。同様に、火口２も煤が付着していくので、定期的に煤を清掃する必要があった。また、煤が大気中に飛散すると環境を汚染してしまうという問題もあった。

ＤＭＥを用いることにより、ワーク１０の切断面や火口２に付着する煤の量を低減することができるので、切断面に付着する煤を清掃したり、メンテナンスのために火口２を清掃したりする手間を低減することができる。
煤の発生量は、切断条件によっても異なるが、例えば、火口２の清掃頻度で比べると、アセチレンに比べてより煤の発生が少ないプロパンの清掃頻度に対して、さらにその１／２倍〜１／３倍程度に抑えることができる。
また、ＤＭＥは、分子中に酸素原子を含んでいるので、炭素原子が多く酸素原子を含まないプロパンに比べて酸素混合比を低く抑えることができる。そのため、酸素消費量を低減することができる。

また、作業時や保管時の安全性に関しては、ＤＭＥは、常温で安定であり、空気中の爆発範囲が３．４〜２７vol％、発火点が３５０℃である。そのため、常温で不安定で、空気中の爆発範囲が２．５〜１００vol％、発火点が３０５℃のアセチレンの場合に比べて、いずれも安全側の特性を有し、取り扱いがきわめて容易である。
一方、空気中の爆発範囲が２．１〜９．５vol％であるプロパンと比べると、やや爆発範囲は広いものの、爆発範囲の下限値が大きいので、ガス漏れなど少量での爆発の危険性はより低くなる。そのため、実用的には、プロパンに比べても安全性や取り扱い性に優れている。

次に、本実施形態のガス切断方法の具体的な実施例について、予熱ガスとしてアセチレン、プロパンを用いた比較例とともに説明する。
図２は、垂直切断加工において、被切断物の板厚および予熱ガスの種類を変えて、最高切断速度を測定した実験結果を示す棒グラフである。横軸は被加工物の切断板厚（ｍｍ）、縦軸は最高切断速度（ｍｍ／ｍｉｎ）を示す。図３は、ピアッシング加工において、火口高さおよび予熱ガスの種類を変えて、最低ピアッシングタイムを測定した実験結果を示す棒グラフである。横軸は火口高さ（ｍｍ）、縦軸は最低ピアッシングタイム（ｓ）を示す。

図２に示すのは、垂直切断加工の実験結果である。
本実験例は、ワーク１０としては、ＳＳ４１を用い、ワーク１０の厚さを６ｍｍから４０ｍｍｍまで変えたサンプルに対して、予熱ガスの燃料ガスをＤＭＥ、アセチレン、プロパンに変えてガス切断による垂直切断加工を行い、最高切断速度を測定したものである。
各予熱ガスの酸素混合比は、それぞれのガスの加工効率が良好となる混合比を適宜設定して用いている。すなわち、ＤＭＥでは１．６〜１．７、アセチレンでは１．２〜１．４、プロパンでは３．３〜３．７としている。
図２から分かるように、いずれも切断板厚が大きくなると切断速度が低下する傾向があるが、同じ板厚では、ＤＭＥとプロパンとの最高切断速度はいずれも同等であった。また、ＤＭＥとアセチレンとの比較では、３２ｍｍ以下ではＤＭＥが同等またはより高速であり、４０ｍｍのみでアセチレンに対して劣る結果となった。

この実験例のうち、切断板厚が、９ｍｍ、２５ｍｍの場合について、次の表１に、切断条件と、切断面の品質判定結果とを示す。表中の「Ｃ_２Ｈ_２」、「ＬＰＧ」は、それぞれアセチレン、プロパンを示す（後出の表２でも同じ）。また表中の「混合比」は、上述の酸素混合比を意味する。
切断面の品質判定評価は、日本溶接協会規格のＷＥＳ ２８０１に基づく。
また、ガス流量（ＮＬ／ｈ）は、ノーマルガス流量、すなわち、１０１３．２５ｈＰａ（１気圧）０℃換算流量リットル／時を表す。

表１より、ＤＭＥ（実施例１〜６）は、実施例６で平面度が２級となっている他は１級であり、良好な品質が得られていることが分かる。これは、プロパン（比較例１〜６）と同等であった。また、アセチレン（比較例７〜１２）は、比較例８、１２のスラグが２級の他は１級であり、総合的に見て、ＤＭＥ、プロパンと略同等の品質であることが分かる。
また、酸素混合比を比較すると、ＤＭＥは、プロパンの半分以下であり、酸素消費量が格段に少ないことが分かる。

次に、開先切断加工の実験結果について、表２を参照して説明する。
本実験例では、ワーク１０としてＳＳ４１を用い、切断板厚が、９ｍｍ、２５ｍｍのＶ４５°開先切断を行い、切断面の品質判定評価をＷＥＳ ２８０１に基づいて行った。

表２によれば、ＤＭＥとプロパンとは、ノッチは級外も生じている（実施例７、８、比較例１３、１４）が、他はすべて１級で、同等の品質であった。また、アセチレンと比較すると、アセチレンでは、ノッチの級外の他に比較例１８のスラグも２級なので、ＤＭＥの方がより良好な結果となっている。

図３に示すのは、ピアッシング加工の実験結果である。
本実験例は、ワーク１０としてＳＳ４１を用い、ワーク１０の厚さを９ｍｍとして、予熱ガスの燃料ガスを、ＤＭＥ、アセチレン、プロパンに変えてガス切断によるピアッシング加工を行い、最低ピアッシングタイムを測定したものである。火口高さの条件としては、５ｍｍ、１０ｍｍの場合について実験した。
ここで、ピアッシングタイムは、ワーク１０を加熱開始してからワーク１０に孔があくまでの時間である。
各予熱ガスの酸素混合比は、それぞれのガスの加工効率が良好となる混合比を適宜設定して用いている。
図３から分かるように、ピアッシング加工では、アセチレンよりはやや劣るものの、ＤＭＥはプロパンとは同等である。したがって、実用上、十分な性能を有することが分かる。

ここで、ＤＭＥを用いた予熱ガスの酸素混合比について、ピアッシング加工の実験例に基づいて説明する。
図４は、ＤＭＥを用いたピアッシング加工において、酸素混合比を変えたときの最低ピアッシングタイムの実験結果を示すグラフである。図５は、プロパンを用いたピアッシング加工において、酸素混合比を変えたときの最低ピアッシングタイムの実験結果を示すグラフである。図４、５とも、横軸は酸素混合比、縦軸は最低ピアッシングタイム（ｓ）を示す。いずれもワーク１０としては、厚さ９ｍｍのＳＳ４１を用いている。

予熱ガスの燃料ガスとしてＤＭＥを用いた場合、図４の曲線１００に示すように、酸素混合比に対する最低ピアッシングタイムのグラフが、酸素混合比が約０．４から２．５の範囲で、上に開いた略Ｖ字状曲線となり、酸素混合比が約１．５で、最低ピアッシングタイムが約４２秒の最小値をとるような結果が得られた。
例えば、ピアッシングタイムの許容値を５０秒とした場合、曲線１００より、酸素混合比の好適な範囲は、１〜２．５であることが分かる。
また、酸素混合比をより最小値の近傍の範囲、例えば、１．５〜１．９とすれば、ピアッシングタイムが、４２秒〜４３秒となって迅速な加工を行うことができる。

一方、予熱ガスの燃料ガスとしてプロパンを用いた場合、図５の曲線１１０に示すように、酸素混合比に対する最低ピアッシングタイムのグラフが、酸素混合比が約１．７から５．５の範囲で上に開いた略Ｖ字状曲線となり、酸素混合比が約３で、最低ピアッシングタイムが約４７秒の最小値をとるような結果が得られた。
図４と比べて、酸素混合比に対する最低ピアッシングタイムの変化はかなり緩やかであるが、最低ピアッシングタイムの最小値がＤＭＥに比べて５秒長くなっている。また、例えば、ＤＭＥで、酸素混合比を１．５〜１．９の範囲とした場合に比べても４秒長くなっている。
すなわち、プロパンの最短加工時間でも、ＤＭＥの最短加工時間に比べて約１２％、ＤＭＥの酸素混合比に実用的な許容範囲を設けた場合でも約１０％、加工時間が増えることを意味する。
また、ピアッシングタイムの許容値を５０秒とした場合、酸素混合比の好適な範囲は、曲線１１０から分かるように、２．５〜３．５となり、ＤＭＥの場合よりも狭くなっている。
これに対して、図４の結果によると、ＤＭＥで、最低ピアッシングタイムを４７秒以下とするには、酸素混合比を１．２〜２．３にすればよい。したがって、ＤＭＥを用いた予熱ガスによれば、プロパンを用いた場合より加工時間を短縮するように酸素混合比を容易に設定することができ、効率的な加工を行うことができる。

以上に説明したように、本実施形態のガス切断方法によれば、予熱ガスの燃料ガスとしてＤＭＥを用いるため、燃焼時の煤の発生を抑制でき、火口のメンテナンスが容易となるとともに、環境の清浄性を良好に保つことができる。
また、ＤＭＥは、アセチレンに比べて、引火、爆発などの安全性が格段に高いので、切断時、保管時などの取り扱いが容易となる。
また、本方法による加工性能は、プロパンに比べて同等以上の性能を有しており、酸素消費量もプロパンに比べて格段に低減することができる。したがって、安全性や取り扱いの容易さのためにアセチレンに代わって広く用いられているプロパンを代替するのにきわめて好適なガス切断方法となっている。

なお、上記の説明では、火口２の予熱ガス流路４が、切断酸素流路３の同心円上に円環状に設けられた例で説明したが、火口の構造はこれに限定されるものではない。例えば、複数の予熱ガス流路４が切断酸素流路３の同心円上に適宜ピッチで設けられた構造でもよい。

本発明の実施形態に係るガス切断方法を行うためのガス切断装置の模式的な概略構成図である。 垂直切断加工において、被切断物の板厚および予熱ガスの種類を変えて、最高切断速度を測定した実験結果を示す棒グラフである。 ピアッシング加工において、火口高さおよび予熱ガスの種類を変えて、最低ピアッシングタイムを測定した実験結果を示す棒グラフである。 ＤＭＥを用いたピアッシング加工において、酸素混合比を変えたときの最低ピアッシングタイムの実験結果を示すグラフである。 プロパンを用いたピアッシング加工において、酸素混合比を変えたときの最低ピアッシングタイムの実験結果を示すグラフである。

符号の説明

１ ガス切断装置
２ 火口
３ 切断酸素流路
４ 予熱ガス流路
５ 切断酸素気流
６ 予熱炎
７ 切断酸素供給部
８ 予熱酸素供給部
９ ＤＭＥ供給部
１０ ワーク（被切断物）

Claims (2)

1. 予熱ガスにより予熱炎を形成し、該予熱炎により被切断物を予熱し、該予熱された被切断物に切断用酸素を噴射して前記被切断物を切断するガス切断方法であって、
   前記予熱ガスを、燃料ガスであるジメチルエーテルと予熱用酸素とを混合して形成することを特徴とするガス切断方法。
2. 前記予熱用酸素の前記ジメチルエーテルに対する混合比を、１．５以上、１．９以下とすることを特徴とする請求項１に記載のガス切断方法。

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