JP2022167018A - 鋼材の溶削方法、および、鋼材の溶削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼材の表面を安定して溶削することができ、溶削深さを浅く、かつ、均一に溶削することが可能な鋼材の溶削方法を提供する。【解決手段】鋼材の表面に可燃性ガスと予熱用酸素を吹き付けて燃焼させ、前記鋼材の表面に湯溜まり部を形成する予熱工程と、前記鋼材の表面に溶削用酸素を吹き付けるとともに前記鋼材を搬送し、前記溶削用酸素と鉄との酸化反応熱によって、搬送される前記鋼材の表面を溶削する溶削工程と、を有し、前記溶削工程では、前記溶削用酸素が前記鋼材と酸化反応して形成される火点の溶削進行方向前方側に、可燃性ガスと酸素からなる前方シールドガスを噴出するとともに、前記火点の溶削進行方向後方側に可燃性ガスからなる後方シールドガスを噴出する構成とされており、前記溶削工程において、前記鋼材の表面に吹き付ける前記溶削用酸素の流速を超音速化する。【選択図】なし

Description

本発明は、鋼材の表面を溶削する鋼材の溶削方法、および、鋼材の溶削装置に関するものである。

例えば、連続鋳造によって製造される鋳片等の鋼材の表面には、介在物の巻き込みや表面疵等の表面欠陥が発生することがある。
このような鋼材の表面欠陥を除去する際には、例えば特許文献１－４に開示された溶削装置（スカーファー設備）が用いられる。これらの溶削装置（スカーファー設備）は、鋳片（鋼材）の表面を局所的に加熱して溶融し、表面欠陥を除去するものである。
上述の溶削装置（スカーファー設備）においては、鋼材の表面に対向するようにスカーファーユニットが配設されている。

このような構成の溶削装置（スカーファー設備）においては、まず、鋼材の表面に対して可燃性ガスと予熱用酸素を吹き付けて可燃性ガスを燃焼させ、この燃焼熱により、鋼材の表面を局所的に溶融して湯溜まり部を形成する（予熱ステップ）。
次に、鋼材の表面に溶削用酸素を供給するとともに鋼材を搬送し、上述の湯溜まり部を熱源として溶削用酸素と鉄とを酸化反応させ、この酸化反応熱によって、鋼材の表面を溶融し、表面欠陥を除去する（溶削ステップ）。なお、溶削用酸素が供給され、鋼材の鉄との酸化反応が生じる領域を火点と称す。

ここで、上述の溶削装置で鋼材を溶削する場合には、鋼材の溶削深さは、おおよそ酸素の供給律速となる。溶削深さを深くする場合には、供給酸素圧を高くする、あるいは、鋼材の送り速度を遅くして、単位時間当たりの酸素供給量を増加させることになる。
溶削の生産性を向上させるためには、鋼材の送り速度を上げることが一般的だが、送り速度を上げると溶削深さは徐々に浅くなり、局所的に未溶削部分が生じる。

このような課題に対して、例えば特許文献１，２には、酸素流路にオリフィスや整流板などを入れて幅方向で溶削酸素を均一化させる方法が開示されている。
また、特許文献３には、火口の吐出方向を溶削方向に対して角度をつける方法が開示されている。
さらに、特許文献４には、供給酸素圧を高圧と低圧とに交互に切り替える方法が開示されている。

実開平０３－０７０８５６号公報 特開平１０－２７２５６１号公報 特開平０７－２１４３０２号公報 特開２０１０－０２９９１１号公報

ところで、最近では、溶削の生産性向上、及び、溶削時の歩留まり向上のため、溶削深さを浅く、かつ、均一に溶削することが求められている。
しかしながら、溶削深さを２ｍｍ以下にするために鋼材の送り速度を速くすると、酸素供給が不安定となり、安定して溶削を行うことができず、幅方向において溶削深さに変動が生じ、溶削後の鋼材の表面に大きな凹凸が形成されることがあった。このため、溶削深さを浅くすることが困難であった。

本発明は、前述した状況に鑑みてなされたものであって、鋼材の表面を安定して溶削することができ、溶削深さを浅く、かつ、均一に溶削することが可能な鋼材の溶削装置、および、鋼材の溶削方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る鋼材の溶削方法は、可燃性ガスおよび予熱用酸素を噴出する予熱用ガス噴出部と、溶削用酸素を噴出する溶削用酸素噴出部と、を有する鋼材の溶削装置を用いて、前記鋼材の表面を溶削する鋼材の溶削方法であって、前記鋼材の表面に、前記予熱用ガス噴出部から可燃性ガスと予熱用酸素を吹き付けて燃焼させ、前記鋼材の表面に湯溜まり部を形成する予熱工程と、前記溶削用酸素噴出部から前記鋼材の表面に溶削用酸素を吹き付けるとともに前記鋼材を搬送し、前記溶削用酸素と鉄との酸化反応熱によって、搬送される前記鋼材の表面を溶削する溶削工程と、を有し、前記溶削工程では、前記溶削用酸素が前記鋼材と酸化反応して形成される火点の溶削進行方向前方側に、可燃性ガスと酸素からなる前方シールドガスを噴出するとともに、前記火点の溶削進行方向後方側に可燃性ガスからなる後方シールドガスを噴出する構成とされており、前記溶削工程において、前記鋼材の表面に吹き付ける前記溶削用酸素の流速を超音速化することを特徴としている。

この構成の鋼材の溶削方法によれば、前記溶削工程において、前記鋼材の表面に吹き付ける前記溶削用酸素の流速を超音速化しているので、溶削用酸素のモーメンタムを大きくすることができ、可燃性ガスからなる後方シールドガスを確実に燃焼させることによってシールド性が向上することになり、火点に大気が混入することが抑制される。これにより、火点に純度の高い酸素が供給され、鋼材の表面を安定して溶削することができ、溶削深さを浅く、かつ、均一に溶削することが可能となる。

ここで、本発明の鋼材の溶削方法においては、前記溶削用酸素噴出部は、スリットノズルとされており、溶削用酸素量Ｑ（Ｎｍ^３／ｈ／ｕｎｉｔ）が、前記スリットノズルのスロート部の間隔ｈ（ｍｍ）に対して、Ｑ≧３０９．５×ｈを満足することが好ましい。
この場合、前記溶削用酸素噴出部を構成するスリットノズルのスロート部の間隔ｈ（ｍｍ）に対して溶削酸素量Ｑ（Ｎｍ^３／ｈ／ｕｎｉｔ）を上述のように規定しているので、溶削用酸素の流速を十分に超音速化することが可能となる。

本発明に係る鋼材の溶削装置は、可燃性ガスおよび予熱用酸素を噴出する予熱用ガス噴出部と、溶削用酸素を噴出する溶削用酸素噴出部と、を有し、鋼材の表面に可燃性ガスと予熱用酸素を吹き付けて前記鋼材の表面に湯溜まり部を形成し、この湯溜まりに向けて溶削用酸素を吹き付けて前記溶削用酸素と鉄との酸化反応熱によって、前記鋼材の表面を溶削する鋼材の溶削装置であって、前記溶削用酸素噴出部においては、スリットノズルとされており、このスリットノズルの出口部分に、収縮部とスロート部と拡大部とが設けられていることを特徴としている。

この構成の鋼材の溶削方法によれば、前記溶削用酸素噴出部においては、スリットノズルとされており、このスリットノズルの出口部分には、収縮部とスロート部と拡大部とを設けた構造とされているので、収縮部で圧縮された溶削用酸素が拡大部で膨張する際に加速されることになり、前記溶削用酸素の流速を超音速化することが可能となる。よって、火点に純度の高い酸素が供給され、鋼材の表面を安定して溶削することができ、溶削深さを浅く、かつ、均一に溶削することが可能となる。

ここで、本発明の鋼材の溶削装置においては、前記収縮部は、１５°以上４５°以下の勾配で出側に向かいスリット幅が狭くなる形状とされていることが好ましい。
この場合、収縮部を通過する溶削用酸素を十分に圧縮することができ、拡大部において膨張する際に十分に加速することが可能となる。

また、本発明の鋼材の溶削装置においては、前記拡大部は、３°以上７°以下の勾配で出側に向かいスリット幅が広くなる形状とされていることが好ましい。
この場合、通過する溶削用酸素を十分に膨張させることで十分に加速することが可能となる。

上述のように、本発明によれば、鋼材の表面を安定して溶削することができ、溶削深さを浅く、かつ、均一に溶削することが可能な鋼材の溶削装置、および、鋼材の溶削方法を提供することができる。

本発明の実施形態である鋼材の溶削装置の概略説明図である。（ａ）が予熱ステップ、（ｂ）が溶削ステップの状況を示す。 図１の鋼材の溶削装置の溶削用酸素噴出部の説明図である。 ラバールノズルの形状の説明図である。 図３に示すラバールノズルにおいて超音速域となる条件を示すグラフである。 火点（搬送方向Ｘに直行する面）における酸素濃度分布を数値流体力学解析した結果を示す図である。（ａ）が従来例（ストレートノズル）、（ｂ）が本発明例（ラバールノズル）である。 溶削面の凹凸形状を示す図である。（ａ）が従来例（ストレートノズル）、（ｂ）が本発明例（ラバールノズル）である。

以下に、本発明の実施形態である鋼材の溶削方法、および、鋼材の溶削装置について、添付した図面を参照して説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

本発明の実施形態である鋼材の溶削装置１０は、図１に示すように、鋼材１の表面に対向するように配置されたスカーファーユニット２０と、鋼材１を搬送する搬送テーブル（図示なし）と、を有している。
このスカーファーユニット２０には、図１に示すように、予熱用酸素２７と可燃性ガス２８とを噴出する予熱用ガス噴出部２１と、溶削用酸素３７を噴出する溶削用酸素噴出部３０が設けられている。なお、溶削用酸素噴出部３０においては、溶削用酸素３７とともに可燃性ガスからなる後方シールドガス３８が噴出されるように構成されている。
鋼材１は、搬送テーブルの上に載置されており、図１の矢印Ｘ方向に搬送されるように構成されている。
なお、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、溶削用酸素噴出部３０から噴出される溶削用酸素３７の噴出流は、予熱用ガス噴出部２１から噴出される予熱用酸素２７及び可燃性ガス２８の噴出流よりも、鋼材１の搬送方向Ｘの前方側に衝突するように配置されている。

ここで、本実施形態である鋼材の溶削装置１０における溶削用酸素噴出部３０の形状について説明する。
溶削用酸素噴出部３０は、幅方向に延在するスリットノズルとされており、図２に示すように、出側に向かうにしたがいスリット幅が狭くなる収縮部３１と、スリット幅が一定とされたスロート部３２と、出側に向かうにしたがいスリット幅が広くなる拡大部３３と、を備えている。すなわち、本実施形態における溶削用酸素噴出部３０は、スリットノズルに対してラバール構造を適用したものとされている。

本実施形態では、収縮部３１は、出側に向かうにしたがい勾配角度θ１でスリット幅が狭くなる形状とされている。ここで、収縮部３１の勾配角度θ１は５°以上４５°以下の範囲内とすることが好ましい。
なお、収縮部３１の勾配角度θ１は１０°以上とすることがさらに好ましく、１５°以上とすることがより好ましい。一方、収縮部３１の勾配角度θ１は３０°以下とすることがさらに好ましく、２０°以下とすることがより好ましい。

また、拡大部３３は、出側に向かうにしたがい勾配角度θ２でスリット幅が広くなる形状とされている。ここで、拡大部３３の勾配角度θ２は１°以上７°以下の範囲内とすることが好ましい。
なお、拡大部３３の勾配角度θ２は２°以上とすることがさらに好ましく、２．５°以上とすることがより好ましい。一方、拡大部３３の勾配角度θ２は５°以下とすることがさらに好ましく、３°以下とすることがより好ましい。

ここで、溶削用酸素噴出部３０を構成するラバールノズルにおいては、図３に示すように、圧縮性の流体を噴出した際には、収縮部３１において流体が圧縮され、拡大部３３において流体が膨張することになる。このとき、通過した流体の流速が加速されることになる。
ノズル入口の圧力Ｐ_ｏとノズル出口の圧力Ｐ_ｂとの比Ｐ_ｏ／Ｐ_ｂと、ノズル出口の断面積Ａ_ｅとスロートの断面積Ａ^＊との比Ａ_ｅ／Ａ^＊との関係を図４に示す。
図４に示すように、ノズルの形状を適正化することにより、通過する流体を超音速化させることが可能となる。
例えば、Ｐ_ｏ／Ｐ_ｂが３．５以上４．５以下の範囲内とした場合には、通過する流体を超音速化させるために、ノズル出口の断面積Ａ_ｅとスロートの断面積Ａ^＊との比Ａ_ｅ／Ａ^＊を１．１５とすることが好ましい。

次に、本実施形態である鋼材の溶削装置１０を用いた鋼材１の溶削方法について説明する。
上述の構成の鋼材の溶削装置１０においては、まず、図１（ａ）に示すように、スカーファーユニット２０の予熱用ガス噴出部２１から予熱用酸素２７および可燃性ガス２８を鋼材１の表面に向けて噴出するとともに、この可燃性ガス２８を燃焼させる。そして、可燃性ガス２８の燃焼熱により、鋼材１の表面の一部を溶融して、湯溜まり部３を形成する（予熱工程）。
なお、鋼材１の表面に形成される湯溜まり部３の搬送方向Ｘに沿った長さは、例えば２０ｍｍ～３０ｍｍ程度の範囲とされる。

次に、スカーファーユニット２０の溶削用酸素噴出部３０から溶削用酸素３７を鋼材１の表面に向けて噴出するとともに、湯溜まり部３が形成された鋼材１を搬送方向Ｘに向けて搬送する。
このとき、予熱用ガス噴出部２１から予熱用酸素２７および可燃性ガス２８を噴出し、前方シールドガスとして利用する。また、可燃性ガスからなる後方シールドガス３８を噴出する。後方シールドガス３８は、溶削用酸素３７の一部によって燃焼する。これにより、火点近傍への大気の侵入が抑制される。

そして、溶削用酸素噴出部３０から噴出される溶削用酸素３７の噴出流が、搬送される鋼材１の湯溜まり部３を通過し、この湯溜まり部３を熱源として溶削用酸素３７と鉄とを酸化反応させ、この酸化反応熱によって、鋼材１の表面を溶融させ、鋼材１の表面を溶削する（溶削工程）。
すなわち、湯溜まり部３の搬送方向Ｘの後方側が、酸化反応熱によって溶削されることになる。なお、溶削用酸素３７が供給され、鋼材１の鉄との酸化反応が生じる領域が火点となる。

本実施形態の鋼材の溶削装置１０においては、溶削用酸素噴出部３０が、収縮部３１、スロート部３２、拡大部３３を備えたラバール構造とされていることから、噴出された溶削用酸素３７が超音速化することになる。
なお、本実施形態においては、溶削用酸素量Ｑ（Ｎｍ^３／ｈ／ｕｎｉｔ）が、スリットノズルとされた溶削用酸素噴出部３０のスロート部３２の間隔ｈ（ｍｍ）に対して、Ｑ≧３０９．５×ｈを満足するように設定されていることが好ましい。

ここで、図５に、従来の溶削用酸素噴出部（ストレートノズル）と本実施形態の溶削用酸素噴出部（ラバールノズル）の数値流体力学解析結果を示す。図５においては、スカーファーユニット２０の溶削用酸素噴出部３０から噴出される溶削用酸素３７が鋼材１の鉄との酸化反応が生じる領域（火点）における酸素濃度分布を示しており、鋼材１は図の上から下に向けて搬送される構成とされている。
従来の溶削用酸素噴出部（ストレートノズル）においては、図５（ａ）に示すように、酸素濃度が幅方向で波打つように変動している。
これに対して、本実施形態の溶削用酸素噴出部（ラバールノズル）においては、図５（ｂ）に示すように、酸素濃度が幅方向で均一になっている。後方シールドガス３８が十分に燃焼して大気から保護されているためと推測される。

図６に、溶削用酸素量Ｑ＝１７５０Ｎｍ^３／ｈ／ｕｎｉｔで溶削した場合の溶削面凹凸形状を示す。（ａ）に示す従来の溶削用酸素噴出部（ストレートノズル）においては、スリット間隔ｈ＝６ｍｍなので溶削用酸素流速は亜音速領域にあり、平均溶削深さが２．５１ｍｍ、凹凸の標準偏差は０．３４ｍｍであった。これに対し、（ｂ）に示す本実施形態の溶削用酸素噴出部（ラバールノズル）においては、スロート部３２の間隔ｈ＝５．５ｍｍとしたので溶削用酸素流速は超音速化され、平均溶削深さは２．４６ｍｍ殆ど変わらないが、凹凸の標準偏差は０．２１ｍｍと大幅に平滑化された。

以上のような構成とされた本実施形態である鋼材の溶削方法によれば、溶削工程において、鋼材１の表面に吹き付ける溶削用酸素３７の流速を超音速化しているので、溶削用酸素３７のモーメンタムを大きくすることができ、可燃性ガスからなる後方シールドガス３８を確実に燃焼させることによってシールド性が向上することになり、火点に大気が混入することを抑制できる。これにより、火点に純度の高い酸素が供給されることになり、鋼材１の表面を安定して溶削することができ、溶削深さを浅く、かつ、均一に溶削することが可能となる。

また、本実施形態において、溶削用酸素量Ｑ（Ｎｍ^３／ｈ／ｕｎｉｔ）が、溶削用酸素噴出部３０のスロート部３２の間隔ｈ（ｍｍ）に対して、Ｑ≧３０９．５×ｈを満足するように設定されている場合には、溶削用酸素３７の流速を十分に超音速化することが可能となり、鋼材１の表面を安定して溶削することができ、溶削深さを浅く、かつ、均一に溶削することが可能となる。

本実施形態である鋼材の溶削装置１０によれば、溶削用酸素噴出部３０がスリットノズルとされており、このスリットノズルが収縮部３１とスロート部３２と拡大部３３とを備えたラバール構造とされているので、収縮部３１で圧縮された溶削用酸素３７が拡大部３３で膨張する際に加速されることになり、溶削用酸素３７の流速を超音速化することが可能となる。よって、火点に純度の高い酸素が供給され、鋼材１の表面を安定して溶削することができ、溶削深さを浅く、かつ、均一に溶削することが可能となる。

本実施形態において、収縮部３１が１５°以上４５°以下の勾配角度θ１で出側に向かいスリット幅が狭くなる形状とされている場合には、収縮部３１を通過する溶削用酸素３７を十分に圧縮することができ、拡大部３３において膨張する際に溶削用酸素３７を十分に加速させることが可能となる。
また、本実施形態において、拡大部３３が３°以上７°以下の勾配角度θ２で出側に向かいスリット幅が広くなる形状とされている場合には、通過する溶削用酸素３７を十分に膨張させることで十分に加速することが可能となる。

以上、本発明の実施形態である本実施形態である鋼材の溶削装置１０、および、鋼材の溶削方法について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
本実施形態では、図１に示す構成の鋼材の溶削装置として説明したが、これに限定されることはなく、可燃性ガス及び予熱用酸素を噴出する予熱用ガス噴出部と、溶削用酸素を噴出する溶削用酸素噴出部と、を有し、溶削用酸素噴出部から噴出される溶削用酸素が超音速化されていれば、その他の構造に特に制限はない。

１ 鋼材
３ 湯溜まり部
１０ 鋼材の溶削装置
２０ スカーファーユニット
２１ 予熱用ガス噴出部
３０ 溶削用酸素噴出部
３１ 収縮部
３２ スロート部
３３ 拡大部

Claims (5)

1. 可燃性ガスおよび予熱用酸素を噴出する予熱用ガス噴出部と、溶削用酸素を噴出する溶削用酸素噴出部と、を有する鋼材の溶削装置を用いて、前記鋼材の表面を溶削する鋼材の溶削方法であって、
   前記鋼材の表面に、前記予熱用ガス噴出部から可燃性ガスと予熱用酸素を吹き付けて燃焼させ、前記鋼材の表面に湯溜まり部を形成する予熱工程と、
   前記溶削用酸素噴出部から前記鋼材の表面に溶削用酸素を吹き付けるとともに前記鋼材を搬送し、前記溶削用酸素と鉄との酸化反応熱によって、搬送される前記鋼材の表面を溶削する溶削工程と、
   を有し、
   前記溶削工程では、前記溶削用酸素が前記鋼材と酸化反応して形成される火点の溶削進行方向前方側に、可燃性ガスと酸素からなる前方シールドガスを噴出するとともに、前記火点の溶削進行方向後方側に可燃性ガスからなる後方シールドガスを噴出する構成とされており、
   前記溶削工程において、前記鋼材の表面に吹き付ける前記溶削用酸素の流速を超音速化することを特徴とする鋼材の溶削方法。
2. 前記溶削用酸素噴出部は、スリットノズルとされており、溶削用酸素量Ｑ（Ｎｍ^３／ｈ／ｕｎｉｔ）が、前記スリットノズルのスロート部の間隔ｈ（ｍｍ）に対して、Ｑ≧３０９．５×ｈを満足することを特徴とする請求項１に記載の鋼材の溶削方法。
3. 可燃性ガスおよび予熱用酸素を噴出する予熱用ガス噴出部と、溶削用酸素を噴出する溶削用酸素噴出部と、を有し、鋼材の表面に可燃性ガスと予熱用酸素を吹き付けて前記鋼材の表面に湯溜まり部を形成し、この湯溜まりに向けて溶削用酸素を吹き付けて前記溶削用酸素と鉄との酸化反応熱によって、前記鋼材の表面を溶削する鋼材の溶削装置であって、
   前記溶削用酸素噴出部においては、スリットノズルとされており、このスリットノズルの出口部分に、収縮部とスロート部と拡大部とが設けられていることを特徴とする鋼材の溶削装置。
4. 前記収縮部は、５°以上４５°以下の勾配で出側に向かいスリット幅が狭くなる形状とされていることを特徴とする請求項３に記載の鋼材の溶削装置。
5. 前記拡大部は、１°以上７°以下の勾配で出側に向かいスリット幅が広くなる形状とされていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の鋼材の溶削装置。

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