JP3897559B2 - 燃焼ガスの製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１記載の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より水素、酸素が生成するガス生成室内に溜まった、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、天然ガス、液化石油ガスなどの他の可燃性ガスを前記ガス生成室内で加えることにより、前記ガス生成室内における水素、酸素及び他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、爆発範囲外での取り扱いを可能とする。
また、本願請求項２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より水素、酸素が生成するガス生成室内に溜まった、水素と酸素の混合ガスに対し、第二の可燃性ガスを前記ガス生成室内で加えることにより、前記ガス生成室内における水素、酸素及び第二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、爆発範囲外での取り扱いを可能とする。
【００１０】
上記手段を採る本願請求項１又は２記載の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オンデマンド即ち必要に応じて逐次、安価な燃焼ガスを供給することが可能であると共に、電気分解によって生成される酸素と水素との混合ガスに、同じく燃焼ガスとして使用可能な液化石油ガスを加えることによって、水の電解による酸素と水素との生成比率を変更することなく、非燃焼、爆発範囲外での、安定した取り扱いを可能とした。即ち、特に水の電解生成ガスを、溶断ガスとして使用する手段として、可燃性ガスを加えることにて、爆発範囲外に保ち、なお且つ溶断機能の向上を実現した。このため、製造中における、安全性を著しく向上すると共に、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、液化石油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。
【００１１】
【００１２】
【００１３】
本願請求項３記載の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、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混合ガスが生成するガス生成室内に溜まっ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の可燃性ガスを前記ガス生成室内で混合することにて、前記ガス生成室内における第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。
【００１４】
このような手段を採ることにより、本願請求項３記載の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、第１の可燃性ガスと支燃性ガスとの間の成分比率を燃焼効率の良い上記の爆発可能な比率としても、第２の可燃性ガスを混合することにて、非燃焼、爆発範囲外での取り扱いを可能とした。このため、安全性を著しく向上すると共に、安全性のために、燃焼ガスの溶断又はロウ付けにおける使用の機能の低下を招かない。
また、本願請求項４に係る溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスの製造装置は、水或いは水蒸気を電気分解することにて生成した水素と酸素の混合ガスが溜まるガス生成室と、当該ガス生成室内に他の可燃性ガスを導入する管とを有し、混合ガスの生成量を読み取り、当該読み取った混合ガスの生成量に従って可燃性ガスの導入量を調整して爆発限界外に保つことを特徴とする燃焼ガスの製造装置である。
さらに、本願請求項５に係る溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスの製造装置は、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、天然ガス、液化石油ガスなどの他の可燃性ガスを加えることにより、水素、酸素及び他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装置であって、電源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と、電解セルに接続されたガス生成室と、当該ガス生成室内に、他から前記可燃性ガスを導入することが可能な導入管と、製造した燃焼ガスを前記ガス生成室から外部へ導出させる導出管を備えることを特徴とする燃焼ガスの製造装置である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２】
【００２９】
【表３】
【００３０】
【表４】
【００３１】
【表５】
【００３２】
【表６】
【００３３】
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））。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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420mm×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。
【００３８】
【表７】
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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 ）
【００４４】
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℃
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
【発明の効果】
本願請求項１又は２記載の発明の実施によって、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オンデマンド即ち必要に応じて逐次、安価な燃焼ガスを供給することを可能とし、なお且つ、燃焼効率を低下させず、高い溶断機能を付与し、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製造することを可能とした。これによって、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、環境面を改善し得た。即ち、本願請求項１又は２記載の発明は、水や水蒸気の電解装置で発生させた水素・酸素の混合ガスを改善して、安定で且つ鋼材の溶断用混合燃焼ガス又はロウ付け用の優れた機能を合わせ持つ混合ガスの製造方法を提供し得た。特に、この発明は、鋼材の溶断に使用する燃焼ガスを水を電気分解して得られる水素、酸素と燃焼ガスを爆発限界外になるように混合して、溶断機能と経済性に優れた特性を持つ混合ガスにする製造方法を提供し得たものである。
【００４８】
【００４９】
また、本願請求項３記載の発明の実施によって、第１の可燃性ガスと支燃性ガスとの間の成分比率を燃焼効率の良い上記の爆発可能な比率としても、第２の可燃性ガスを混合することにて、非燃焼、爆発範囲外での取り扱いを可能とした。このため、安全性を著しく向上すると共に、安全性のために、燃焼ガスの溶断又はロウ付けにおける使用の機能の低下を招かない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明の実施に好適なガス製造装置の一実施の形態を示す説明図である。
【図２】 (A) は本願発明に係るガスの一実施の形態を示す説明図であり、(B) は他の実施の形態を示す説明図である。
【図３】 本願発明に係るガスの更に他の実施の形態を示す説明図である。
【図４】 (A) は本願発明に係るガスの又の実施の形態を示す説明図であり、(B) は更に又他の実施の形態を示す説明図である。
【図５】 本願発明に係るガス及び比較例のガスについて、二酸化炭素発生量の測定に用いた分析装置である。
【図６】 本願発明に係るガスのノロ剥離性についての説明図である。
【符号の説明】
ｋ１ （酸素と水素の）混合ガス
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１記載の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より水素、酸素が生成するガス生成室内に溜まった、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、天然ガス、液化石油ガスなどの他の可燃性ガスを前記ガス生成室内で加えることにより、前記ガス生成室内における水素、酸素及び他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、爆発範囲外での取り扱いを可能とする。
また、本願請求項２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より水素、酸素が生成するガス生成室内に溜まった、水素と酸素の混合ガスに対し、第二の可燃性ガスを前記ガス生成室内で加えることにより、前記ガス生成室内における水素、酸素及び第二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、爆発範囲外での取り扱いを可能とする。
【００１０】
上記手段を採る本願請求項１又は２記載の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オンデマンド即ち必要に応じて逐次、安価な燃焼ガスを供給することが可能であると共に、電気分解によって生成される酸素と水素との混合ガスに、同じく燃焼ガスとして使用可能な液化石油ガスを加えることによって、水の電解による酸素と水素との生成比率を変更することなく、非燃焼、爆発範囲外での、安定した取り扱いを可能とした。即ち、特に水の電解生成ガスを、溶断ガスとして使用する手段として、可燃性ガスを加えることにて、爆発範囲外に保ち、なお且つ溶断機能の向上を実現した。このため、製造中における、安全性を著しく向上すると共に、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、液化石油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。
【００１１】
【００１２】
【００１３】
本願請求項３記載の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、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混合ガスが生成するガス生成室内に溜まっ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の可燃性ガスを前記ガス生成室内で混合することにて、前記ガス生成室内における第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。
【００１４】
このような手段を採ることにより、本願請求項３記載の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、第１の可燃性ガスと支燃性ガスとの間の成分比率を燃焼効率の良い上記の爆発可能な比率としても、第２の可燃性ガスを混合することにて、非燃焼、爆発範囲外での取り扱いを可能とした。このため、安全性を著しく向上すると共に、安全性のために、燃焼ガスの溶断又はロウ付けにおける使用の機能の低下を招かない。
また、本願請求項４に係る溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスの製造装置は、水或いは水蒸気を電気分解することにて生成した水素と酸素の混合ガスが溜まるガス生成室と、当該ガス生成室内に他の可燃性ガスを導入する管とを有し、混合ガスの生成量を読み取り、当該読み取った混合ガスの生成量に従って可燃性ガスの導入量を調整して爆発限界外に保つことを特徴とする燃焼ガスの製造装置である。
さらに、本願請求項５に係る溶断又はロウ付けに適した燃焼ガスの製造装置は、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、天然ガス、液化石油ガスなどの他の可燃性ガスを加えることにより、水素、酸素及び他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装置であって、電源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と、電解セルに接続されたガス生成室と、当該ガス生成室内に、他から前記可燃性ガスを導入することが可能な導入管と、製造した燃焼ガスを前記ガス生成室から外部へ導出させる導出管を備えることを特徴とする燃焼ガスの製造装置である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
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））。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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420mm×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。
【００３８】
【表７】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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 ）
【００４４】
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℃
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
【発明の効果】
本願請求項１又は２記載の発明の実施によって、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オンデマンド即ち必要に応じて逐次、安価な燃焼ガスを供給することを可能とし、なお且つ、燃焼効率を低下させず、高い溶断機能を付与し、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製造することを可能とした。これによって、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、環境面を改善し得た。即ち、本願請求項１又は２記載の発明は、水や水蒸気の電解装置で発生させた水素・酸素の混合ガスを改善して、安定で且つ鋼材の溶断用混合燃焼ガス又はロウ付け用の優れた機能を合わせ持つ混合ガスの製造方法を提供し得た。特に、この発明は、鋼材の溶断に使用する燃焼ガスを水を電気分解して得られる水素、酸素と燃焼ガスを爆発限界外になるように混合して、溶断機能と経済性に優れた特性を持つ混合ガスにする製造方法を提供し得たものである。
【００４８】
【００４９】
また、本願請求項３記載の発明の実施によって、第１の可燃性ガスと支燃性ガスとの間の成分比率を燃焼効率の良い上記の爆発可能な比率としても、第２の可燃性ガスを混合することにて、非燃焼、爆発範囲外での取り扱いを可能とした。このため、安全性を著しく向上すると共に、安全性のために、燃焼ガスの溶断又はロウ付けにおける使用の機能の低下を招かない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明の実施に好適なガス製造装置の一実施の形態を示す説明図である。
【図２】 (A) は本願発明に係るガスの一実施の形態を示す説明図であり、(B) は他の実施の形態を示す説明図である。
【図３】 本願発明に係るガスの更に他の実施の形態を示す説明図である。
【図４】 (A) は本願発明に係るガスの又の実施の形態を示す説明図であり、(B) は更に又他の実施の形態を示す説明図である。
【図５】 本願発明に係るガス及び比較例のガスについて、二酸化炭素発生量の測定に用いた分析装置である。
【図６】 本願発明に係るガスのノロ剥離性についての説明図である。
【符号の説明】
ｋ１ （酸素と水素の）混合ガス
Claims (5)
- 水或いは水蒸気を電気分解することにより水素、酸素が生成するガス生成室内に溜まった、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、天然ガス、液化石油ガスなどの他の可燃性ガスを前記ガス生成室内で加えることにより、前記ガス生成室内における水素、酸素及び他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。
- 水或いは水蒸気を電気分解することにより水素、酸素が生成するガス生成室内に溜まった、水素と酸素の混合ガスに対し、第二の可燃性ガスを前記ガス生成室内で加えることにより、前記ガス生成室内における水素、酸素及び第二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。
- 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ガスが生成するガス生成室内に溜まっ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の可燃性ガスを前記ガス生成室内で混合することにて、前記ガス生成室内における第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。
- 水或いは水蒸気を電気分解することにて生成した水素と酸素の混合ガスが溜まるガス生成室と、当該ガス生成室内に他の可燃性ガスを導入する管とを有し、混合ガスの生成量を読み取り、当該読み取った混合ガスの生成量に従って可燃性ガスの導入量を調整して爆発限界外に保つことを特徴とする燃焼ガスの製造装置。
- 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、天然ガス、液化石油ガスなどの他の可燃性ガスを加えることにより、水素、酸素及び他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装置であって、電源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と、電解セルに接続されたガス生成室と、当該ガス生成室内に、他から前記可燃性ガスを導入することが可能な導入管と、製造した燃焼ガスを前記ガス生成室から外部へ導出させる導出管を備えることを特徴とする燃焼ガスの製造装置。
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