JP4658851B2 - スポンジチタン用切断機及びこれに使用される切断刃 - Google Patents

Description

本発明は、クロール法で製造されたスポンジチタンを溶解原料であるスポンジチタン粒に加工するのに使用される両刃構造のスポンジチタン用切断機及びこれに使用される切断刃に関する。

金属チタンを工業的に製造する方法の一つとして、クロール法により製造されたスポンジチタンを素材とするものがある。クロール法により製造されたスポンジチタンを素材とする金属チタン製造方法の典型的な手順を以下に説明する。

まず、クロール法により反応容器内に製造された５トン、１０トンという大きなスポンジチタンの塊が反応容器から取り出され、不要部を切削除去した後、押切プレスによりスライスされる。このスライスの過程でスポンジチタンは２０ｃｍ角から３０ｃｍ角の塊に砕かれる。これは一般に大割りと呼ばれている。大割りにより得られたスポンジチタン塊は、複数の切断機で順番に小さく切断破砕され、最後にジョークラッシャーにより最終粒度である約１〜１０ｍｍに細粒化される。

複数の切断機による切断破砕は小割りとも呼ばれており、大割りにより得られた２０ｃｍ角から３０ｃｍ角のスポンジチタン塊が２０ｍｍ以下の粒径の小塊に段階的に切断破砕される。１段目の切断機では、搬入されるスポンジチタン塊の大きさは３０ｃｍ角以下が望ましいが、押切プレスによる大割りでは全てのスポンジチタン塊をこの大きさにすることは難しく、３０ｃｍ角を超えるスポンジチタン塊も多く進入してくる。その結果、特に１段目の切断機が受ける負荷が大きくなり、様々な問題が生じていた。

すなわち、スポンジチタン塊の小割りに使用される切断機としては、特許文献１に記載されるように、切断刃として下側の固定刃と上側の動刃とを組み合わせたものが多用されている。そのような切断機の具体的な構造及び機能を図４により説明する。

実公平６─７８５７号公報

この切断機は、フレーム７内に設けられた材料搬送シュートを兼ねるテーブル１と、テーブル１の材料搬送方向先端部に上向きに固定された固定刃２と、固定刃２の更に先端側において、フレーム７内の図示されない両側のガイドに下向きに且つ昇降可能に取付けられた動刃３とを備えている。

動刃３は、材料ストッパーを兼ねる昇降部材６に取付けられており、図示されない駆動機構により昇降動作を繰り返す。この動刃３の昇降動作の繰り返し中に、固定刃２と動刃３による切断部に多数のスポンジチタン塊４がテーブル１上を介して同時に且つ連続的に搬入されることにより、それらのスポンジチタン塊４がより小さなスポンジチタン塊に切断破砕される。

ここで、同時切断中の複数のスポンジチタン塊４が切断によって両側へ飛散するのを防止するために、テーブル１の材料搬送方向先端部上に、昇降部材６の両側部裏面に沿って両側一対のサイドブロック５，５が設けられており、これにより切断部への材料進入領域が狭められている。

このような切断機を複数台組み合わせてスポンジチタン塊を段階的に細粒化していく切断破砕ラインでは、前述したとおり、一番大きなスポンジチタン塊が進入する１段目の切断機で負荷が最も大きくなる。その結果として、１段目の切断機では、切断部の入側に設けられる両側のサイドブロック５，５の下部がしばしば変形する。両側のサイドブロック５，５の下部が変形する原因は、スポンジチタン塊４の切断中にそのスポンジチタン塊４に外側への大きな横方向外力が作用することが原因と推定され、この変形により切断機本体のスライドメタル損傷、及びこのスライドメタルを潤滑しているオイルにスポンジチタン塊が接触することによる汚染が生じる問題があった。

また、切断機の動刃３の寿命が短く、特に１段目の切断機では、その寿命は約３０００トンと非常に短い。

本発明の目的は、切断破砕ラインで大きな負荷を受ける１段目の切断機に用いられるにもかかわらず、サイドブロックの変形、及びこの変形による諸問題を回避でき、しかも動刃に従来よりも長い寿命を付与できるスポンジチタン切断機を提供することにある。

本発明の別の目的は、切断破砕ラインで大きな負荷を受ける１段目の切断機に用いられるにもかかわらず、サイドブロックの変形、及びこの変形による諸問題を回避でき、しかも従来よりも長い寿命を確保できるスポンジチタン切断機用切断刃を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明者はスポンジチタン切断機に使用される切断刃の刃先を傾斜させることを企画した。切断機に使用される切断刃の刃先を、例えば一側端部から他側端部に掛けて斜めに傾斜させることなどは、切断性を高めるために通常に行われている。また刃先の両側端部から中央部にかけてＶ状に窪ませる傾斜刃も一部では見受けられる。これらは、いずれも単一の切断対象物物を引き切る機能を切断刃に与えるためであり、傾斜角度も１５度以上というように大きい。ある程度大きい傾斜角度を与えないと、切断対象物を引き切る機能は得られない。

このような状況下で、本発明者はスポンジチタン切断機に使用される切断刃の刃先の傾斜に、従来の引き切りとは異なる別の機能を付与することを考えた。その機能とは、スポンジチタン切断機で課題となっているサイドブロックの変形防止であり、切断刃の耐用期間の延長である。

すなわち、スポンジチタンの切断では、切断対象物は延性に富んだ多孔質の硬質金属であり、しかも、その切断対象物は単一物ではなく、大きさ及び形状が不揃いの多数のスポンジチタン塊の集合である。このようなスポンジチタン塊の切断で問題となるサイドブロックの変形は、切断中のスポンジチタン塊群が両側に広がることに起因すると考えられるため、切断刃の刃先を、両側端部から中央部にかけて反刃先側へ離れるＶ状に傾斜させるならば、切断中の複数のスポンジチタン塊が中央部に集中することにより、サイドブロックの変形を防止できることが期待できる。

そして本発明者は、かかる観点から切断刃の刃先の傾斜が複数のスポンジチタン塊の同時切断に及ぼす影響に関して、様々な調査実験を実施した。その結果は次のように非常に意外なものであった。従来から切断性を高めるために採用されている１５度、或いはそれ以上というような大きな傾斜角度の場合は、逆に切断機や切断刃のダメージが増大する。反対に１〜２度という切断性に影響しないと考えられる微小な傾斜角度の場合に、サイドブロックの変形が効果的に防止され、切断刃の寿命も延びる。

本発明のスポンジチタン切断機は、かかる知見に基づいてなされたものであり、切断刃として固定刃と動刃を有し、これらによって大きさ及び形状が不揃いの複数のスポンジチタン塊を同時に切断するスポンジチタン切断機であって、且つスポンジチタン塊が複数の切断機を経て段階的に小径化される切断破砕ライン中の１段目に配置されるスポンジチタン切断機において、切断刃のうちの動刃の刃先の少なくとも一部が、両側から中央に向かって反刃先側へ漸次離れる凹状に傾斜し、当該傾斜が、刃先の両端間の距離をＷ、刃先中央部での刃先の両端を結ぶ直線から刃先までの距離をＤとして、１／１０００≦Ｄ／Ｗ≦５０／１０００を満足するものである。

また、本発明の切断刃は、切断刃として固定刃と動刃を有し、これらによって大きさ及び形状が不揃いの複数のスポンジチタン塊を同時に切断するスポンジチタン切断機であって、且つスポンジチタン塊が複数の切断機を経て段階的に小径化される切断破砕ライン中の１段目に配置されるスポンジチタン切断機の前記動刃として使用される切断刃であって、刃先の少なくとも一部が、両側から中央に向かって反刃先側へ漸次離反する凹状に傾斜し、当該傾斜が、刃先の両端間の距離をＷ、刃先中央部での刃先の両端を結ぶ直線から刃先までの距離をＤとして、１／１０００≦Ｄ／Ｗ≦５０／１０００を満足するものである。

本発明においては、切断対象物であるスポンジチタン塊の特殊性に関連して、刃先の傾斜角度が重要である。この傾斜角度は、刃先の両端間の距離をＷ、刃先中央部での刃先の両端を結ぶ直線から刃先までの距離をＤとして、１／１０００≦Ｄ／Ｗ≦５０／１０００という微小角度とされる。より好ましい傾斜角度は３／１０００≦Ｄ／Ｗ≦３０／１０００であり、最も好ましい傾斜角度は９／１０００≦Ｄ／Ｗ≦１８／１０００である。

刃先の傾斜角度がこの範囲内に設定されているとき、両側のサイドブロックの変形及び切断刃の早期損傷が防止される。その理由としては次のようなことが考えられる。刃先の傾斜のために、固定刃と動刃の間で切断される複数のスポンジチタン塊が、切断の瞬間に中央部側への力を受け、その力によって、大きさも形状も異なるスポンジチタン塊同士が互いに密着して拘束される。その結果、切断中の複数のスポンジチタン塊、特に大型のスポンジチタン塊が切断中にずれたり移動したりすることがなくなり、両側のサイドブロックが受ける負担が軽減されると共に、刃先へダメージが軽減される。

刃先の傾斜角度が過大になると、例えば従来から採用されている斜め切りのレベルに近づくと、刃先の凹形状が深くなり、固定刃と動刃が完全に重なり合う（刃先中央部の最も窪んだ部分が他方の刃先と重なり合う）のに必要なストローク（図２参照）が増大する。その結果、固定刃と動刃の大きく重なりあった部分にスポンジチタン塊が噛み込むリスクが高まり、切断機や切断刃のダメージが逆に増大するのである。スポンジチタン切断機では、切断刃のストロークは固定刃の刃先と動刃の刃先が僅かにオーバーラップすればよく、それ以上のオーバーラップはスポンジチタン塊の噛み込み、これによる切断機や切断刃の損傷の原因になるのである。

本発明において、刃先の傾斜を動刃に付与する理由は以下のとおりである。両方に付与した場合は、前述した切断刃のオーバーラップに必要なストロークが増大するので、片方の切断刃に付与するのが好ましく、動刃に付与するのが機能上、特に好ましい。なぜなら、切断物は下方に落下排出させたいので、必然的に動刃は上刃となり、固定刃は下刃となる。下刃である固定刃の側の刃先に傾斜を付与すると、スポンジチタン塊を切断部への誘導するテーブル（シュート）にも同様の傾斜を付与しないと固定刃との間に段差が生じ、噛み込みなどのトラブル発生原因となる。またテーブル（シュート）に傾斜を付与するとなるとコストがかかる上に、傾斜角度を変更する度にテーブル（シュート）の方の変更、改造も必要となる。これらのため、上刃である動刃の刃先に傾斜を付与するのが合理的であり推奨される。

切断刃の刃先に傾斜を付与された切断機は、複数の切断機によりスポンジチタン塊を段階的に小径化する切断破砕ライン中に設けられ、その切断破砕ラインを構成する切断機の一部又は全部に使用することも考えられるが、本発明では合理性の点から前段のシャーでの大割りにより得られたスポンジチタン塊のうち、最も大きなスポンジチタン塊が投入され、切断に伴う負担が最も大きい１段目の切断機に使用され、特にその１段目の切断機でも、切断されるスポンジチタン塊中の最大塊が重量５０ｋｇを超える大型塊が搬入される切断機に使用するのが好ましい。

本発明のスポンジチタン用切断機及び切断刃は、切断刃として固定刃と動刃を有し、これらによって大きさ及び形状が不揃いのスポンジチタン塊を同時切断するスポンジチタン切断機であって、且つスポンジチタン塊が複数の切断機を経て段階的に小径化される切断破砕ライン中の１段目に配置されるスポンジチタン切断機において、切断刃のうちの動刃の刃先の少なくとも一部を、両側から中央に向かって反刃先側へ漸次離反する凹状に所定の微小角度で傾斜させたことにより、切断されるスポンジチタン塊の集合体を中央部側へ密着させて拘束する。この切断材料の締め付け効果により、切断刃、特に動刃に付加される負担を軽減し、その使用寿命を延長することができる。また、切断材料が両側へ広がって両側のサイドブロックを変形させる事態を回避し、サイドブロックの変形に伴う切断機本体のスライドメタル損傷及びこのスライドメタルを潤滑しているオイルによるスポンジチタン塊の汚染を防止することができる。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示すスポンジチタン用切断機の背面図、図２は同スポンジチタン用切断機における動刃の正面図である。

本実施形態のスポンジチタン用切断機は、クロール法で製造されたスポンジチタンを押切プレスにより大割りして得られたスポンジチタン塊を複数の切断機により段階的に細粒化する切断破砕ライン中の切断機、特に１段目の切断機である。切断破砕ラインで細粒化されたスポンジチタン塊は、最後にジョークラッシャーにより、溶解用消耗電極の製造に必要な最終粒度である約１〜１０ｍｍに細粒化される。

この切断機の基本構成は、図４に示した切断機と同じである。簡単に説明すると、この切断機は、図１に示すように、フレーム７内に設けられた材料搬送シュートを兼ねるテーブル１と、テーブル１の材料搬送方向先端部に上向きに固定された固定刃２と、固定刃２の更に先端側においてフレーム７内の図示されない両側のガイドに下向きに且つ昇降可能に取付けられた動刃３とを備えている。

動刃３は、材料ストッパーを兼ねる昇降部材６に取付けられており、図示されない駆動機構による昇降駆動の繰り返し中に、テーブル１上を介して固定刃２と動刃３が重なり合う切断部に多数のスポンジチタン塊４が同時に且つ連続的に送り込まれることにより、それらのスポンジチタン塊４をより小さなスポンジチタン塊に切断破砕する。同時切断される複数のスポンジチタン塊４が切断によって両側へ飛散するのを防止するために、テーブル１の材料搬送方向先端部上に、昇降部材６の両側部裏面に沿って両側一対のサイドブロック５，５が設けられ、切断部への材料進入領域幅が狭められている。

図４に示した切断機と相違するのは、動刃３の刃先形状である。その動刃３の刃先は、図１及び図２に示すように、両側端から中央にかけて反刃先側へ漸次離反する凹状、特に直線的な山型（三角形状）に傾斜している。傾斜角度は、刃先の両側端間の距離をＷ、刃先中央部での刃先の両側端を結ぶ直線から刃先までの距離をＤとして、例えば９／１０００≦Ｄ／Ｗ≦１８／１０００に設定されている。これは、角度（°）で表すと約１〜２°である。

このような切断機を切断破砕ライン中の１段目の切断機に用いると、１段目の切断機には大きさ及び形状が不揃いで全体的に大型の大割り直後の多数のスポンジチタン塊４が搬入され、大きいものでは寸法で３０ｃｍ角を超え、重量では５０ｋｇを超えるものも混入して搬入されることがある。そのような場合も、本実施形態の切断機では、前述したとおり、動刃３の刃先が、両側端から中央にかけて刃先側へ漸次離反する山型（三角形状）に傾斜している。これにより、固定刃２と動刃３の間に挟まれて切断される不揃いのスポンジチタン塊４が、動刃３の刃先の山型（三角形状）の傾斜により中央部の方向に押圧され密着して拘束される。この締め付け効果のために、スポンジチタン塊４のずれや移動が抑制され、刃先へのダメージが軽減する。つまり、動刃３の刃先の山型（三角形状）の傾斜による締め付け効果により、不揃いのスポンジチタン塊４が集合一体化し、切断性が向上するのである。これは従来の刃先を大きく傾斜させる斜め切りの効果とは異なる。

この結果、動刃３の使用寿命が長くなる。また、両側のサイドブロック５，５が受ける負荷が軽減され、その変形が防止されることにより、切断機本体のスライドメタル損傷及びこのスライドメタルを潤滑しているオイルにスポンジチタン塊４が接触し、オイルによる汚染が生じる事態が防止される。

なお、動刃３のストロークは、最大のスポンジチタン塊４を受け入れることができる高さまでは少なくとも上昇し、刃先の最も窪んだところが固定刃２と重なるまでは降下するように設定される。動刃３の刃先の傾斜角度が大きくなると、図２に示すように、動刃３が下限に降下したときの固定刃２との両側端部でのオーバーラップ量Ｌが多くなり、全体的にもこのオーバーラップが大きくなる。このためオーバーラップの大きい部分で材料が噛み込む危険性が高まり、切断機や切断刃に与えるダメージが増加するため、過度の傾斜を避けることは前述したとおりである。

図３（ａ）（ｂ）はスポンジチタン用切断機における切断刃の他の刃先形状を示す正面図である。

図３（ａ）の切断刃では、動刃３の刃先が中央部を除く部分で両側端から中央部に向かうにつれて反刃先側へ直線状に傾斜している。このように、刃先の傾斜は、両側端間の全体に付与する必要はなく、両側端間の一部分に付与されていてもよく、その場合は、中央部を除く両側部に付与するのが、切断材料の締め付け効果を効果的に発揮させる上で好ましい。

両側の傾斜部８，８は、刃先の両側端間の距離Ｗを１００％として各側端から３０％以上の領域に形成するのが好ましく、その傾斜角度は、刃先の両端間全体を傾斜させる場合と同様に、刃先の両端間の距離Ｗに対する刃先中央部での刃先の両端を結ぶ直線から刃先までの距離Ｄの比率で表して、１／１０００≦Ｄ／Ｗ≦５０／１０００が好ましく、３／１０００≦Ｄ／Ｗ≦３０／１０００が更に好ましく、９／１０００≦Ｄ／Ｗ≦１８／１０００が特に好ましい。ただし、それぞれの傾斜部８における刃先の両端を結ぶ直線に対する傾斜角度（°）は５°を超えないようにするのが好ましく、３°以下、なかでも２°以下、１°以上が好ましい。

図３（ｂ）の切断刃では、動刃３の刃先が両側端間の全体で両側端から中央部に向かうにつれて反刃先側へ円弧状に傾斜している。このように、刃先の傾斜は必ずしも直線的である必要はなく曲線的でもよい。また、刃先の一部分に曲線的な傾斜を付与することも可能である。曲線的な傾斜を付与する場合も、刃先の傾斜角度は、刃先の両端間の距離Ｗに対する刃先中央部での刃先の両端を結ぶ直線から刃先までの距離Ｄの比率で表して、１／１０００≦Ｄ／Ｗ≦５０／１０００が好ましく、３／１０００≦Ｄ／Ｗ≦３０／１０００が更に好ましく、９／１０００≦Ｄ／Ｗ≦１８／１０００が特に好ましい。

図１及び図２に示したスポンジチタン用切断機を、４台の切断機からなる切断破砕ライン中の１段目の切断機として用いた。動刃の刃先は、両側端間の全体に傾斜を直線的に付与した山型（三角形状）であり、傾斜角度はＤ／Ｗ＝１９．２／５５０（２°）である。ちなみに刃先の両側端間の距離Ｗは１１００ｍｍである。

動刃の平均寿命は、刃先の傾斜がない動刃の場合に３０７５トンであったのが、５４８０トンに延長された。使用限界は動刃を駆動するモータ電流の平均値が一定値を超えることにより判定した。刃先が丸くなると切れ味が悪化するためにモータ負荷も大きくなり、例えば１バッチ平均で判断すれば、被切断材料の違いによる負荷の相違が平均化され、切れ味と電流値は対応するようになる。また、破砕効率は、刃先の傾斜がない動刃の場合に３０％であったのが３５％に向上した。ここにおける破砕効率は、破砕したスポンジチタンの塊が５０ｍｍ以下のスポンジチタン塊になる割合である。更に又、両側のサイドブロックの変形も生じなかった。

本発明の一実施形態を示すスポンジチタン用切断機の背面図及び側面図である。 （ａ）及び（ｂ）は同スポンジチタン用切断機における動刃の正面図である。 （ａ）及び（ｂ）はスポンジチタン用切断機における切断刃の他の刃先形状を示す正面図である。 （ａ）（ｂ）及び（ｃ）は従来のスポンジチタン用切断機の背面図、側面図及び平面図である。

符号の説明

１ テーブル
２ 固定刃
３ 動刃
４ スポンジチタン塊
５ サイドブロック
６ 昇降部材
７ フレーム
８ 傾斜部

Claims (3)

1. 切断刃として固定刃と動刃を有し、これらによって大きさ及び形状が不揃いの複数のスポンジチタン塊を同時に切断するスポンジチタン切断機であって、且つスポンジチタン塊が複数の切断機を経て段階的に小径化される切断破砕ライン中の１段目に配置されるスポンジチタン切断機において、切断刃のうちの動刃の刃先の少なくとも一部が、両側から中央に向かって反刃先側へ漸次離れる凹状に傾斜し、当該傾斜が、刃先の両端間の距離をＷ、刃先中央部での刃先の両端を結ぶ直線から刃先までの距離をＤとして、１／１０００≦Ｄ／Ｗ≦５０／１０００を満足するスポンジチタン切断機。
2. 切断されるスポンジチタン塊中の最大塊が重量５０ｋｇを超える大型塊である請求項１に記載のスポンジチタン切断機。
3. 切断刃として固定刃と動刃を有し、これらによって大きさ及び形状が不揃いの複数のスポンジチタン塊を同時に切断するスポンジチタン切断機であって、且つスポンジチタン塊が複数の切断機を経て段階的に小径化される切断破砕ライン中の１段目に配置されるスポンジチタン切断機の前記動刃として使用される切断刃であって、刃先の少なくとも一部が、両側から中央に向かって反刃先側へ漸次離反する凹状に傾斜し、当該傾斜が、刃先の両端間の距離をＷ、刃先中央部での刃先の両端を結ぶ直線から刃先までの距離をＤとして、１／１０００≦Ｄ／Ｗ≦５０／１０００を満足するスポンジチタン切断機用切断刃。