JP2014169431A

JP2014169431A - 溶断用燃料ガスおよびそれを充填してなる高圧ガス容器

Info

Publication number: JP2014169431A
Application number: JP2013100191A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Kawahara; 祥晃河原; Takayuki Koga; 孝之古賀
Original assignee: Koatsu Gas Kogyo Co Ltd
Current assignee: Koatsu Gas Kogyo Co Ltd
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2014-09-18

Abstract

【課題】溶断用ガスとしての特性を低下させることなく、高圧ガス容器への燃料ガスの充填量を増加させることの可能な溶断用燃料ガスおよびそれを充填してなる高圧ガス容器を提供すること。
【解決手段】本発明の溶断用燃料ガスは、メタンを主成分とする第１成分ガスと、エチレンおよびプロピレンからなる群から選択される少なくとも１種の第２成分ガスとを含み、第２成分ガスの濃度が１０〜４０体積％であり、残部が第１成分ガスである。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属の溶断に用いる溶断用燃料ガスおよびそれを充填してなる高圧ガス容器に関する。

鋼板等の金属の溶断には、プラズマ放電による溶断方法、電子ビームによる溶断方法、およびガストーチ構造の燃焼炎による溶断方法があるが、より低コストであるガストーチ構造の燃焼炎による溶断方法が広く用いられている。

燃焼炎による溶断方法に用いる燃料ガスには、火炎温度の高いアセチレンが従来から用いられている。しかし、近年、更なるコスト低減のため、アセチレンを主成分とし、プロピレン、プロパン、ブタン等を混合した混合ガスも使用されている（例えば、特許文献１）。また、高燃焼エネルギーの期待できる水素も燃料ガスとして用いられている。水素を用いる場合、燃焼炎の視認性を向上させるために、およびカロリーアップのため、プロパンガスが添加されている（特許文献２）。また、加工後の仕上がり状態の高品質化を図るために水素とエチレンの混合ガスを用いる方法も提案されている（特許文献３）。また、メタンを主成分とする天然ガスに対し、プロパンまたはブタン等のＬＰＧ系ガスを添加した混合ガスを用いて火炎の視認性を向上させる方法も提案されている（特許文献４）。

特開平７−３３１２６６号公報特開２００３−８０３６８号公報特許第４８４８０６０号公報特開昭６０−６０１９２号公報

溶断用ガスには、火力が強いことや逆火が少ないことが特性として要求されている。これらの特性を低下させることなく、高圧ガス容器への燃料ガスの充填量を増加させることができれば、使用量に対する運送コストを低減できるため、より低コストの燃料ガスを提供することができる。しかしながら、上記の従来の燃料ガスでは、充填量を増加させることは困難である。

そこで、本発明は、溶断用ガスとしての特性を低下させることなく、高圧ガス容器への燃料ガスの充填量を増加させることの可能な溶断用燃料ガスおよびそれを充填してなる高圧ガス容器を提供することを目的とした。

上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意研究した結果、メタンを主成分とする溶断用燃料ガスにおいて、特定のガス成分を添加すると、燃料ガスの圧縮率因子を小さくすることができ、それにより、その燃料ガスの高圧ガス容器内への充填量を増加させることが可能となることを見出して本発明を完成させたものである。

すなわち、本発明の溶断用燃料ガスは、メタンを主成分とする第１成分ガスと、エチレンおよびプロピレンからなる群から選択される少なくとも１種の第２成分ガスとを含み、第２成分ガスの濃度が１０〜４０体積％であり、残部が第１成分ガスであることを特徴とする。

また、本発明の高圧ガス容器は、メタンを主成分とする第１成分ガスと、エチレンおよびプロピレンからなる群から選択される少なくとも１種の第２成分ガスとを含み、第２成分ガスの濃度が１０〜４０体積％であり、残部が第１成分ガスである溶断用燃料ガスが充填されてなることを特徴とする。

本発明によれば、低コストで、高圧ガス容器への燃料ガスの充填量を増加させることの可能な溶断用燃料ガスを提供することができる。

本発明における溶断用燃料ガスの充填工程の一例を示す模式図である。本発明の溶断用燃料ガスの温度と圧力の関係の一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

本発明の溶断用燃料ガスは、メタンを主成分とする第１成分ガスと、溶断用燃料ガスの圧縮率因子を小さくできる第２成分ガスとを含むものである。第１成分ガスには、天然ガスと純メタンが含まれる。本発明においては、天然ガスとはメタン濃度が７５体積％以上９９．９０体積％未満のものをいう。また、純メタンとは、メタン濃度が９９．９0体積％以上のものをいう。第２成分ガスには、エチレンおよびプロピレンからなる群から選択される少なくとも１種のガスを用いる。第２成分ガスは、好ましくはエチレンである。第２成分ガスは、混合ガス全体の１０〜４０体積％であり、この範囲とすることにより、溶断用燃料ガスの溶断性能を低下させることなく、高圧ガス容器への充填量を増加させることができる。より好ましくは２０〜４０体積％である。なお、アセチレンや天然ガスにプロパンやブタンを混合する従来の方法では、プロパンやブタンの比重が空気に対して約１．５倍もあり、滞留しやすいため、換気の不十分な場所での使用が危険であるという問題がある。しかし、本発明では、エチレンを用いた場合、エチレンの比重が空気に対して約０．９８倍であるので、空気より軽く滞留することがないため、作業者の安全性確保が容易であるという効果を有する。また、プロパンやブタンと比べ、エチレンは火焔温度、燃焼速度も速いため、プロパンやブタンより集中されたシャープな炎となり鋼材への熱集中性を高くすることができる。これにより、溶断性能と作業効率を向上させることができるという効果も有する。

ここで、圧縮率因子とは、実在気体の理想気体からのずれを表す指標で、以下の式で表すことができる。理想気体では、圧縮率因子は１である。

圧縮率因子＝（実在気体の体積）/（理想気体の体積）

圧縮率因子は、例えば、「化学便覧基礎編改訂４版」の基礎編ＩＩの第１１０頁から第１１２頁に記載されている値を用いることができる。混合ガスの圧縮率因子は、各成分ガスの体積モル分率に基づいて算出することができる。

本発明の溶断用燃料ガスの圧縮率因子は、例えば３５℃、１４．７ＭＰａでは、０．６５〜０．７５、好ましくは０．６８〜０．７２である。ここで、用いた充填条件の３５℃、１４．７ＭＰａは、高圧ガス保安法の容器保安規則第二条第二十六号の耐圧試験圧力の規定に基づいて決定したものである。すなわち、第二十六号によれば、耐圧試験圧力はアセチレンガス以外の圧縮ガスの最高充填圧力の三分の五倍を要することから、一般圧縮ガス用Ｍｎ鋼シームレス高圧ガス容器の容器耐圧である２４．５ＭＰａの五分の三倍である１４．７ＭＰａを最高充填圧力に用いた。

一般的に、酸素、窒素、水素の３５℃、１４．７ＭＰａにおける圧縮率因子は、それぞれ、０．９４、１．０２、１．０９である。そして、例えば、４７ＬのＭｎ鋼シームレス容器に充填すると約７ｍ^３が充填される。これに対し、例えば以下の表１の組成を有する天然ガスＡの３５℃、１４．７ＭＰａにおける圧縮率因子は０．７８５である。また、３５℃、１４．７ＭＰａにおける第２成分ガスのエチレンおよびプロピレンの圧縮率因子は、それぞれ、０．４６１、０．４６０である。第２成分ガスにエチレンを用いた場合、３５℃、１４．７ＭＰａにおける本発明の溶断用燃料ガスの圧縮率因子および４７ＬのＭｎ鋼シームレス容器への充填量を以下の表２に示す。ここで、表２中、圧縮率因子は、天然ガスＡとエチレンの体積モル分率を用いて算出した。また、最高充填量は、後述の方法で測定した。

表２より明らかなように、本発明によれば、４７ＬのＭｎ鋼シームレス容器への通常の充填量７ｍ^３の約１．１９〜１．３６倍の量を充填することが可能となる。

また、プロピレンについて、体積モル分率から算出した、３５℃、１４．７ＭＰａにおける本発明の溶断用燃料ガスの圧縮率因子を以下の表３に示す。プロピレンを用いた場合でも、０．６５〜０．７５の圧縮率因子が得られることから、充填量を増加させることが可能となる。

次に、メタン濃度が７５．０体積％で以下の表４の組成を有する天然ガスBの３５℃、１４．７ＭＰａにおける圧縮率因子は０．７４４であり、第２成分ガスにエチレンを用いた場合、３５℃、１４．７ＭＰａにおける本発明の溶断用燃料ガスの圧縮率因子および４７ＬのＭｎ鋼シームレス容器への充填量を以下の表５に示す。

表５より明らかなように、本発明の溶断用燃料ガスの天然ガスに天然ガスＢを用いても、４７ＬのＭｎ鋼シームレス容器への通常の充填量７ｍ^３の約１．２０〜１．３５倍の量を充填することが可能となる。

また、プロピレンについて、体積モル分率から算出した、３５℃、１４．７ＭＰａにおける本発明の溶断用燃料ガスの圧縮率因子を以下の表６に示す。プロピレンを用いた場合でも、０．６３〜０．７２の圧縮率因子が得られることから、充填量を増加させることが可能となる。

また、メタン濃度が９９．９９体積％である純メタンの３５℃、１４．７ＭＰａにおける圧縮率因子は０．８３８であり、第２成分ガスにエチレンを用いた場合、３５℃、１４．７ＭＰａにおける本発明の溶断用燃料ガスの圧縮率因子および４７ＬのＭｎ鋼シームレス容器への充填量を以下の表７に示す。

表７より明らかなように、本発明の溶断用燃料ガスに純メタンを用いても、４７ＬのＭｎ鋼シームレス容器への通常の充填量７ｍ^３の約１．２６〜１．４１倍の量を充填することが可能となる。

また、プロピレンについて、体積モル分率から算出した、３５℃、１４．７ＭＰａにおける本発明の溶断用燃料ガスの圧縮率因子を以下の表８に示す。プロピレンを用いた場合でも、０．６９〜０．８０の圧縮率因子が得られることから、充填量を増加させることが可能となる。

本発明の溶断用燃料ガスを充填する高圧ガス容器には、高圧ガス保安法の容器保安規則で規定する最高充填圧力および耐圧試験圧力を満たすものであれば特に限定されない。また、材質には、Ｍｎ鋼や、Ｃｒ−Ｍｏ鋼等を用いることができる。

図１は、質量充填方式を用いた溶断用燃料ガスの充填工程の一例を示す模式図であり、第１成分ガスに天然ガス、第２成分ガスにエチレンを用いた例を示している。図１中、１、１３は供給切り替えバルブ、２、１２は逆止弁、３は圧力計、４は安全弁、５、７は供給弁、６、８はブロー弁、９は高圧ガス容器バルブ、１０はリファレンス高圧ガス容器、１１はロードセルである。リファレンス高圧ガス容器はロードセルの上に置かれ、リファレンス高圧ガス容器に充填されるガス質量はロードセルにより計測される。

天然ガスの供給管路のバルブ１とエチレンの供給管路のバルブ１３を閉じ、共通供給管路の供給弁７と、リファレンス高圧ガス容器１０の供給弁７を開き、天然ガスとエチレンの各供給管路、リファレンス高圧ガス容器１０および充填対象容器（不図示）をブロー弁６，８を通して真空排気する。

次いで、ブロー弁６，８を閉じ、バルブ１３を開いてエチレンを充填対象容器（不図示）に供給する。この際、リファレンス高圧ガス容器１０にもエチレンが供給される。リファレンス高圧ガス容器１０の質量を計測しながら、容器内のエチレンが所定の値に達するまでエチレンを供給する。リファレンス高圧ガス容器１０内のエチレンの質量が所定の値に達した時点で、バルブ１３を閉じて、エチレンの供給を止める。

次いで、バルブ１を開いて、天然ガスを供給管路、共通供給管路を介して充填対象容器およびリファレンス高圧ガス容器１０に供給する。この際、リファレンス高圧ガス容器１０への天然ガスの充填質量を計測しながら、容器内の天然ガスが所定の混合比に達するまでメタンを供給する。リファレンス高圧ガス容器１０内の天然ガスの質量が所定の値に達した時点で、バルブ１を閉じて、天然ガスの供給を止める。これにより、所定の混合比の混合ガスを充填した高圧ガス容器を得ることができる。

また、圧力充填方式を用いて充填することもできる。すなわち、天然ガスの供給管路のバルブ１とエチレンの供給管路のバルブ１３を閉じ、共通供給管路の供給弁５とブロー弁６を開き、天然ガスおよびエチレンの各供給管路および共通供給管路、充填対象容器（不図示）をブロー弁６を通して真空排気する。

次いで、ブロー弁６を閉じ、バルブ１３を開いてエチレンを充填対象容器（不図示）に供給し、圧力計３によりエチレンの圧力を計測しながら、ガス圧力が所定の混合比に相当する値となるまでエチレンを容器に充填する。

続いて、バルブ１３を閉じてエチレンの供給を停止し、バルブ１を開いて、天然ガスを充填対象容器に供給する。圧力計３により天然ガスの圧力を計測しながら、ガス圧力が所定の混合比に相当する値となるまで天然ガスを容器に充填する。ガス圧力が所定の値に達した時点で、バルブ１と供給弁５を閉じて天然ガスの供給を停止する。これにより、所定の混合比の混合ガスを充填した高圧ガス容器を得ることができる。

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。なお、特に断らない限り、第１成分ガスには上記の天然ガスＡを用いた。

実施例１.
質量充填方法を用いて４７ＬのＭｎ鋼シームレス容器に、天然ガスＡ（７０体積％）−エチレン（３０体積％）の溶断用燃料ガスを充填した。

３５℃、１４．７ＭＰａにおける最高充填量は９．０８ｍ^３であった。また、充填時における容器の外面上昇温度は、１５〜２５℃の範囲内であり、また充填時には急激な圧力の上昇は認められず、充填時の作業性は良好であった。

また、ガストーチを用いて鋼板を溶断したが、Iカット、開先、加熱等は良好であった。また、アセチレンガスより逆火が少ない結果が得られた。

実施例２.
溶断用燃料ガスの組成を天然ガスＡ（８０体積％）−エチレン（２０体積％）とした以外は、実施例１と同様の方法により、充填した。

３５℃、１４．７ＭＰａにおける最高充填量は８．６７ｍ^３であった。また、充填時における容器の外面上昇温度は、１５〜２５℃の範囲内であり、また充填時には急激な圧力の上昇は認められず、充填時の作業性は良好であった。

実施例３.
溶断用燃料ガスに天然ガスＡ（７０体積％）−エチレン（３０体積％）を用い、充填量として９．０８ｍ^３と７ｍ^３のものを用い、温度に対する容器圧力の変化を測定した。また、比較として、充填量を７ｍ^３としたメタン、水素および窒素を用いた。

結果を図２に示す。充填量を７ｍ^３とした場合、本発明の溶断用燃料ガスは、他のメタン、水素および窒素に比べ、容器圧力が非常に低く、さらにガスを充填できることを示している。充填量を９．０８ｍ^３にすると、容器圧力は高くなるが、それでも３５℃より低い温度ではメタン、水素および窒素に比べ低い値であった。なお、図２中、比較に用いた高純度メタンの純度は９９．９体積％である。

１供給切り替えバルブ
２逆止弁
３圧力計
４安全弁
５供給弁
６ブロー弁
７供給弁
８ブロー弁
９高圧ガス容器バルブ
１０リファレンス高圧ガス容器
１１ロードセル

Claims

メタンを主成分とする第１成分ガスと、エチレンおよびプロピレンからなる群から選択される少なくとも１種の第２成分ガスとを含み、第２成分ガスの濃度が１０〜４０体積％であり、残部が第１成分ガスである溶断用燃料ガス。
上記溶断用ガスの３５℃、１４．７ＭＰａにおける圧縮率因子が０．６５〜０．７５である請求項１記載の溶断用燃料ガス。
メタンを主成分とする第１成分ガスと、エチレンおよびプロピレンからなる群から選択される少なくとも１種の第２成分ガスとを含み第２成分ガスの濃度が１０〜４０体積％であり、残部が第１成分ガスである溶断用燃料ガスが充填されてなる高圧ガス容器。