JP4807640B2

JP4807640B2 - 厚板材の溶断方法

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Publication number: JP4807640B2
Application number: JP2009141639A
Authority: JP
Inventors: 哲男原田
Original assignee: 哲男原田
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2029-05-22
Also published as: JP2010269370A

Description

本発明は普通鋼や特殊鋼などの厚板のガス溶断や連続鋳造で製造するスラブのガス溶断をするときに生じるスケールもしくはドロス（バリやノロなど）と称される付着物の付着防止に関するものであり、特に溶断ノズル構造と溶断ノズルの使用方法に関するものである。

ガス溶断法は、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）やプロパン（Ｃ３Ｈ６）などの燃料ガスを酸素と燃焼酸化反応させて、普通鋼や特殊鋼などの厚板や連続鋳造で製造するスラブのような厚板材の溶断などに活用されている。ガス溶断法は溶断速度が速く、能率的であり、設備も簡単でランニングコストも安価であるなどの利点がある。しかしながら、ガス溶断法の最大の欠点は、溶断溶鉄と酸化反応して生成されるスケールもしくはドロスが被溶断材の下面に付着・成長することである。このような付着物はスケールもしくはドロス（バリやノロなど）と呼ばれ、これら付着物の溶断後の除去作業は重労働となっている。以下不着物をスケールと呼ぶ。また、連続鋳造で製造したスラブは表面疵があるため、疵の部分を燃料ガスと酸素でスカーフィングして除去しているが、除去したあとにスケールがスラブ表面に再付着する問題があった。従来のガス溶断作業におけるスケール除去作業は、人海戦術に頼る場合が多く、溶断後に残熱のある鋼材の上に人間が乗って、ハンドグラインダーで溶断部の手入れをしているのが実態であり、熱い、汚い、キツイの３Ｋ作業となっている。鋼材溶断メーカーでは、材料取り・展開・溶断など工程は溶断機のＮＣ化等でコンピュータ化されており、非熟練者でも短期間の教育・訓練で対応可能であるものの、鋼種や厚みの条件に合わせて燃料ガスや酸素の圧力・流量・溶断スピード・溶断予熱温度を変化させて、スケールが付着しないような溶断作業を自動化するまでには至っていない。さらに、スケール除去作業の自動化も遅れており、鋼種や溶断形状の違いのためロボット化も困難な状況にある。そのため、従来から厚板材の溶断作業においては、スケールが付着しないような溶断方法が各種提案されている。例えば、特開平１−１３３６７５号広報において、高速ガス溶断方法としてガス溶断火口軸心部の溶断酸素噴流口を囲繞して配設した二重の同心環状配列の予熱炎噴流口から予熱用混合ガスを噴射する方法が提案されている。また、特開２００３−１１２２３９号広報において、垂直型連鋳機で形成されるスラブをガスカッタートーチからの火炎により溶断する際にスラブの溶融により生ずるバリの生成付着部へノズルから噴射するエアジェットを斜め上から衝突させてバリを除去する方法が提案されている。更に、特開２０００−１７６６３７号広報において、溶断ノズルの軸心部に溶断酸素流路を設け、溶断酸素流路の先端部にコアンダスパイラル流れを発生させる凹円錐面と凸円錐面からなる絞り部を固定形成した溶断ノズルが提案されている。

本発明者は液体フラックスを気化せしめて溶断ガス中に混合することにより、厚板材表面を清浄化し、溶断時に生じるスケールの流動性や融点などを制御して被溶断材に溶着しないようにする溶断方法を発明し、特願２００７−２８７８２０号広報（ガス溶断用気化フラックス）及び特願２００８−１０４８２５号広報（液体フラックス気化装置）及び特願２００８−１７８４２０号広報（液体フラックスの製造方法及びその装置）及び特願２００８−２７０４３５号広報（液体フラックスとその製造方法及び製造装置）において液体フラックスの製造方法、液体フラックス、液体フラックスの気化装置などを具現化した。そして特願２００７−３３５７９０号広報（金属体用の溶断ノズル）において一次側助燃ガスや二次側助燃ガスに旋回流を与えて高速・強力な火炎を生じさせて厚板材の溶断速度を高速化し、厚板材へのスケールの付着を防止できる溶断ノズル（金属体用の溶断ノズル）を具現化した。該溶断ノズルにて前記液体フラックスを気化せしめてプロパンやアセチレンなどの可燃性ガスに混合した溶断ガスで厚板材を溶断するとスケールの付着を大幅に低減できた。

特開平１−１３３６７５号広報特開２００３−１１２２３９号広報特開２０００−１７６６３７号広報特願２００７−３３５７９０号広報特願２００７−２８７８２０号広報特願２００８−１０４８２５号広報特願２００８−１７８４２０号広報特願２００８−２７０４３５号広報

特許文献１の方法においては、プロパンやアセチレンなどの燃料ガスや酸素圧力を上昇させて溶断するため（１）ガス漏れや爆発などの危険性が増す、（２）可燃性ガスと酸素の圧力を上昇させて高温のスケールを吹き飛ばすことは可能であるが、被溶断材が厚くなるに従い燃料ガスや酸素の圧力も上昇し、酸素圧は高くなるほど酸化鉄（ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ４）の粘性が増大するので溶断スケールの流動性が低下し溶断面に付着しやすくなる、（３）そのため、溶断幅の広い火口を使用して溶断スケールの流れる道筋を確保しつつ溶断することになるが燃料ガスや酸素の使用量が増加するとともに厚板材の原単位が低下する、（４）溶断面の表面粗さが低下する、（５）溶断スケールは厚板の下面にガス溶接された状態で強固に付着しているので除去作業に手間取る、（６）溶断ノズルが大型化するので被溶断材からの輻射熱がノズル本体に入熱しやすく、逆火や爆発のなどの問題がある。

特許文献２の方法においては、溶断スケールに含まれる粘性の高い酸化鉄（ＦｅＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ４）は被溶断材の下面だけでなく上面にも凸状に形成され、一般的に上面はスチールショットあるいはサンドショット方式で除去され、下面は機械的なハツリ機で除去されるが完全な除去は不可能であった。

特許文献３の方法においては、（１）凹円錐面と凸円錐面からなる絞り部の具体的構造が明記されていない、（２）溶断幅の縮小と溶断温度の上昇と溶断速度を上げる定量的効果が不明であるなどの問題がある。

特許文献４の方法においては、エジェクターから強制的に二次空気を吸い込んで溶断火炎を強制的に冷却することでピンチ効果による発熱と火炎を絞ることで火炎の長さを長くする役目を果たしたが、高温スラブを溶断する場合はスケール中のＦｅ３Ｏ４やＦｅ２Ｏ３が増大し、スケールの流動性が低下するとともに硬くなりスケールの付着強度が強くなりスケールの除去が困難となった。この解決のために、特許文献５の特願２００７−２８７８２０号広報（ガス溶断用気化フラックス）及び特許文献６の特願２００８−１０４８２５号広報（液体フラックス気化装置）及び特許文献７の特願２００８−１７８４２０号広報（液体フラックスの製造方法及びその装置）及び特許文献８の特願２００８−２７０４３５号広報（液体フラックスとその製造方法及び製造装置）において発明した液体フラックスを燃料ガスに混合した溶断ガスを使用しても大きな効果は得られなかった。即ち、（１）溶断ノズル先端を９００〜１１００℃の高温スラブに対して１００ｍｍ以下に近接すると逆火する、（２）エジェクターから二次空気を吸い込むことで、溶断スケール中のＦｅ２Ｏ３（ヘマタイト）やＦｅ３Ｏ４（マグネタイト）が増加するので溶断スケールが固くなることが判明した。即ち、高温スラブを溶断する際も溶断ノズル先端と高温スラブの高さは冷間材を溶断するときと同様に１０〜３５ｍｍ程度に近接することが必要であることが判明した。また、液体フラックスの気化装置と溶断ノズルの距離が長いと溶断ガス中の気化フラックスの成分が配管やノズルに析出する問題が生じていた。

以上の問題点を踏まえて本発明が解決しようとする課題は、（１）粘性が高く剥離性の低いＦｅ３Ｏ４スケールやＦｅ２Ｏ３スケールの発生を抑制するとともに、流動性がよく剥離性の高いＦｅＯスケールを保護して酸化防止をはかることによりガス溶断時のスケール除去作業を軽減する、（２）溶断スケールに物理的な外力を加えずにスケールを溶断面から自重落下させる、（３）凹凸の少ないきれいな溶断面を形成させる、（４）燃料ガスや酸素の圧力を極力低減して溶断幅を小さくし、被溶断材の歩留まりを向上させる、（５）溶断ノズル先端を９００〜１０００℃の高温スラブ溶断においても冷間材溶断と同様に１０〜１５ｍｍ程度に近接できるようにする、（６）厚みが１０００ｍｍ程度の厚板を溶断可能にする、（７）燃料ガスや酸素の消費量を低減するとともに安全な溶断作業を実現する、（８）配管や溶断ノズルの内面に気化フラックスの成分が析出しないようにすることである。

第１の解決手段は、溶断ノズルの外筒を水冷筒で被覆し、該水冷筒の先端部を前記溶断ノズルの先端部よりも延長している溶断ノズルである。溶断ノズルと被切断材の間のフード内の遮蔽性を高めて内圧を上昇させて二次空気の巻き込みを防止した溶断方法である。フード周辺から噴出するガスをできるだけ少なくして、ガスの流れを溶断ガスの方向に集中させることにより溶断炎の長さを長くすることができる。また、酸素圧力をｍａｘ０．６ＭＰａ、溶断ガス圧力をｍａｘ０．０６ＭＰａ程度まで低下させても、溶断炎の長さを確保できる。

第２の解決手段は、前記溶断ノズルの前記水冷筒の少なくとも内側側面の先端部を末広がり形状にしたノズル溶断である。溶断ノズルと被切断材の間の遮蔽性を高めて内圧を上昇させて二次空気の巻き込みを防止し、溶断ノズル先端を末広がりにすることでフード内のガス流れを整流化してガス噴出による溶断ガスの乱れを防止した溶断方法である。

第３の解決手段は、燃料ガスを気化装置に吹き込んで液体フラックスを気化させて気化フラックスとし、該気化フラックスと前記燃料ガスを混合せしめた溶断ガスと前記溶断ノズルを用いてガス溶断するガス溶断方法である。

一般に金属の溶断は金属を酸化燃焼させると同時に発生したスケールを高温高圧酸素にて吹き飛ばすことで溶断幅を狭くしたりスケールの付着を減少したりする溶断が可能となる。溶断幅を狭くしたり、スケール除去を容易にしたりすることは原単位や労務費の削減につながるが、そのための重要なポイントは、（１）金属の酸化燃焼する温度をその金属の溶融点より低くすること、（２）燃焼して生じる金属酸化物を金属の溶融点温度より低くし且つ流動性を持たせること、（３）溶断炎の長さを長くすることである。これを具現化するためには、（１）気化フラックスを燃料ガスと混合した溶断ガスを用いること、（２）溶断ノズルの先端にフードを設けて外気の侵入を防ぎ、溶断ガスが被切断材の周辺に噴出しないようにして、溶断ガスが効率的に切断面方向に流れるようにする、（３）切断面に気化フラックスの成分が効率よく到達せしめて溶断炎周辺のＦｅＯスケールがＦｅ３Ｏ４スケールやＦｅ２Ｏ３スケールに変化しないようにすることである。

軟鋼や炭素鋼などの一般鋼材の溶断は溶断ノズルから酸素とプロパン（Ｃ３Ｈ６）やアセチレン（Ｃ２Ｈ２）などの燃料ガスを燃焼・酸化反応させることで溶断するが、溶断スケールを分析して大まかに分類すると母材側にウスタイト（ＦｅＯ）、中間にマグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）、外側にヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）が発生している。常温の鋼材を溶断するような場合は、溶断ノズルと被溶断材の距離を１０〜１５ｍｍ程度に設定できるのでスケールはＦｅＯが厚く中間のＦｅ３Ｏ４が薄く発生するので除去しやすいスケールとなる。一方９００〜１１００℃の高温スラブを溶断する場合は、溶断ノズル先端を高温スラブに近接しすぎると輻射熱によって逆火する恐れがあるので、溶断ノズル先端を高温スラブから１００〜２００ｍｍ程度離して設定する必要がある。溶断ガスの燃焼状態は酸化過剰炎と燃料ガス過剰炎と中性炎及び炎の中心部の色によって判別可能であるが、燃焼状態は溶断ノズル先端と被溶断材との距離に大きく影響される。このため、高温スラブのガス溶断では酸素圧力を０．９〜１．４ＭＰａ、溶断ガス（燃料ガス）圧力を０．１〜０．２ＭＰａとし、酸素を高圧にして過剰燃焼させて火炎長を長くして溶断していた。このように酸素を高圧で噴射すると溶断面に激しく二次空気を巻き込む現象が生じてＦｅＯの酸化が加速されてＦｅ３Ｏ４やＦｅ２Ｏ３に変化してしまうので硬く粘りのあるスケールに変質してしまいスケール除去が困難となる。

従来のガス溶断法では溶断ガスと反応しない過剰酸素の一部が次々に溶断面に侵入してくるので溶断時に生成されるスケールをＦｅＯのままに留めるのは不可能であった。その理由は、１）溶断ガスに対して酸素過剰になると被溶断材の溶断面に酸素分子が吸着する。２）酸素分子は酸素原子に乖離するとき乖離熱を出すためにますます高温酸化が進行する。３）酸素原子が金属に侵入する。４）ＦｅＯ、Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３は金属に侵入した酸素が核になって成長し、連続的に侵入してくる酸素原子によって次々にＦｅＯからＦｅ３Ｏ４に、さらにＦｅ３Ｏ４からＦｅ２Ｏ３に成長していくからである。

従来の溶断ノズルを使用して気化フラックスを燃料ガスに混合した溶断ガスを使用してもＦｅ３Ｏ４やＦｅ２Ｏ３を低減することは困難であった。即ち、溶断後のスケール除去を容易にするためには、水冷筒で被覆した溶断ノズルを使用して適正な火炎長を保持しながら二次空気の吸い込みを抑える溶断によって酸化スケールをＦｅＯの状態に保持する必要がある。

このために本発明ではＦｅＯの表面に例えばホウ酸ガラス（Ｂ２Ｏ３＋Ｎａ＋Ｋ＋Ｐ２Ｏ５＋Ｓｉ）などをコーティングしてＦｅＯの酸化を防止する。ＦｅＯは柔らかく粘性が小さいので剥離性がよくスケールの付着しにくいガス溶断が可能となる。

水冷筒で被覆した溶断ノズルと気化フラックスを混合した溶断ガスを用いた溶断方法によるＦｅＯスケールの生成メカニズムを説明する。従来の気化フラックスをしない溶断ガスでの溶断においては、Ｆｅ２Ｏ３スケールやＦｅ３Ｏ４スケールが溶断下部に付着し、これを核として次々にスケールが成長し、このＦｅ２Ｏ３スケールやＦｅ３Ｏ４スケールを溶断時の溶鉄が被溶断材に強固に溶接する状態となるために、一旦付着したスケールを除去するのは大変な手間を要していた。そのため、本発明者は、特願２００７−２８７８２０号広報（ガス溶断用気化フラックス）及び特願２００８−１７８４２０号広報（液体フラックスの製造方法及びその装置）及び特許文献８の特願２００８−２７０４３５号広報（液体フラックスとその製造方法及び製造装置）で製造した気化フラックスを燃料ガスに混合した溶断ガスで溶断する方法を発明した。ガス溶断部分の金属溶融点を気化フラックスの成分を添加することで本来の金属溶融点より低くしたり、その際に生成されるスケールの溶融点温度を金属の溶融点温度より低くしたりすることが可能となり、溶断速度の向上とスケール付着防止につながり、凹凸やスケール付着のないきれいな溶断面を得ることができる。溶断ノズルの高温の溶断炎で気化フラックスの成分であるＫ、Ｎａ、Ｓｉ、Ｂなどが溶断ガス成分中の水素と置き換わることで水素と酸素が分離し、これが更に他の成分と化合して強力な酸化作用を生じる。例えば、Ｂ（ホウ素）は高温環境下で２Ｈ３ＢＯ３→２Ｂ（ＯＨ）３に変化する。更に２Ｂ（ＯＨ）３→Ｂ２Ｈ６（ジボラン）＋３Ｏ２となる。更にＢ２Ｈ６＋６Ｈ２Ｏ＋３Ｏ２→Ｂ２Ｈ６＋６Ｈ２＋６Ｏ２となる。ここで生じる水素や酸素が例えばＫやＮａと反応してＫ＋ＯＨ→ＫＯＨ（水酸化カリウム）、Ｎａ＋ＯＨ→ＮａＯＨ（苛性ソーダ）に変化するために強力な酸化作用を生じる。ホウ素は原子番号５であるからＬ殻に価電子３個を持っているが、５個の電子を加えて８個の電子にすると安定化する。そのため１２個の水素を取り込むことでジボランとして安定化する。溶断ノズルに設けた水冷筒は外気からの酸素供給を遮断するのでＢ２Ｈ６（ジボラン）の燃焼を抑える効果があり、Ｂ２Ｈ６が残存してＦｅＯスケールを保護する効果がある。ＮａやＫなどは発生するスケール内に侵入することで二次的にＦｅＯスケールを補強しホウ酸ガラス（Ｂ２Ｏ３＋Ｎａ＋Ｋ＋Ｐ２Ｏ５＋Ｓｉ）となってＦｅＯスケール表面やポーラス状スケール内に１０ｐｐｍ程度のホウ酸ガラス膜が張り付く。この時、ＫＯＨやＮａＯＨなどの強酸化基が高温のためにＫやＮａなどのイオンとなってＯＨは次々に生まれるスケール側に付着し、ＦｅＯスケールを保護するためＦｅ３Ｏ４やＦｅ２Ｏ３が生成しにくくなる。このことによりＦｅＯ主体のスケールとなるためスケールが柔らかく剥離しやすいので後工程での機械的なスケール除去作業が容易となる。

さらに、特許文献５の特願２００７−３３５７９０号広報（金属体用の溶断ノズル）で発明した溶断ノズルを本発明の水冷筒で被覆することにより、溶断ノズルを被切断材に近接することができるので切断幅の縮小化やスケールの剥離効果を高めることができる。溶断ノズル内に固定式螺旋スリット流路あるいは回転式の螺旋スリット流路を設けて酸素ガスや溶断ガスに旋回流を与えることにより溶断炎の長さを長くすることができ、溶断面に気化フラックスの成分が広範囲に反応して剥離性のいいＦｅＯスケールを生成させることができる。

ガス溶断で生成するスケールの脱落メカニズムは次のように分類される。ブリスタリングと呼ばれるメカニズムは密着力の弱いところに応力集中するため被膜が浮き上がる。一度浮き上がると被膜は熱応力により割れる。割れると付着力を失って脱落する。これを繰り返すと小さなスケールが浮き上がった隙間の多いスケールとなる。フレーキングと呼ばれるメカニズムは初期被膜に割れが発生しそれに続いてその付近の被膜が外側に張り出す。フレーキングを起した被膜は軽い衝撃で剥離しやすい。せん断割れと呼ばれるメカニズムはスケールの一部が外に押出されてせん断割れを起すためスケールが円錐状になったり、凹型になったりすることでスケールの割れがつながる現象であり剥離しやすくなる。破断と呼ばれるメカニズムは界面付近の急激な熱応力のため表面に伸びと縮みによる圧縮応力が発生するため発生した被膜も母材に沿って伸び縮みし小割れとなって被膜が破断するものである。

ガス溶断時に生成するスケールの剥離メカニズムは上記４つのタイプに分類されるが、共通しているのは酸素分子が酸素原子なりスケールとイオン結合することでスケールは酸化する。スケールは酸化すると体積が膨張するため圧縮応力が発生する。反対に体積が収縮すると引張り応力が発生する。気化フラックス中のＮａ、Ｋ、Ｓｉ、Ｂ、Ｐなどがこれらスケールの超微細なピンホールやクラック内に入ることでスケールを接着する。この接着剤の働きをするのが例えばホウ酸ガラスなどであり、ＦｅＯ膜の表面にｍａｘ１０ｐｐｍの厚みで付着しているため酸化進行が抑制されＦｅ３Ｏ４スケールやＦｅ２Ｏ３スケールが生成しにくくなり、ＦｅＯスケールの状態で留まるので溶断後のスケール除去が容易になる。

このＦｅＯスケールを保護する効果を促進するには、水冷筒で溶断ノズルを被覆することにより水冷筒で囲まれたノズル先端部と被溶断材間の空間即ちフード内の遮蔽性を高めることが重要である。フード内の圧力上昇効果により二次空気の巻き込みが抑えられ、溶断ガスは切断面に沿って効率よく流れてＦｅＯスケールを保護するので、ＦｅＯスケールが酸化されにくくなり、Ｆｅ３Ｏ４スケールやＦｅ２Ｏ３スケールに変化する割合が減少するのでＦｅＯ主体のスケールが生成するようする。気化フラックスの成分であるＮａ、Ｋ、Ｓｉ、Ｂが被溶断材の溶断面に残留する量は最大１０ｐｐｍ以下でありしかも圧延後は除去する部分であり製品欠陥としての問題は皆無である。

スケールの密着性を左右する要因の一つは酸化膜の熱膨張係数の差である。例えば、ＦｅＯは１００〜１０００℃の温度範囲で１２．２×Ｅ（−６）、Ｆｅ３Ｏ４は２５〜１０００℃の範囲で１６．６Ｅ（−６）、Ｆｅ２Ｏ３は２５〜１０００℃の範囲で１２．５Ｅ（−６）、Ｆｅは０〜１００℃で１１．７Ｅ（−６）である。スケールの熱膨張係数の差はＦｅＯを１００とするとＦｅ３Ｏ４は１３６、Ｆｅ２Ｏ３は１０２．５となる。スケールと被切断材である金属の間には熱膨張差により応力が発生するが、熱膨張が小さいとスケールは被切断材の弾性変形に沿って追随しているが、熱膨張が大きくなるとスケールは破損しやすくなる。スケールと被切断材間の密着強度は重量に比例するので、ＦｅＯ＜Ｆｅ３Ｏ４＞Ｆｅ２Ｏ３の順番で密着強度が異なってくる。Ｆｅ３Ｏ４スケールの密着強度が最も大きくなるのでＦｅＯスケールの上にＦｅ３Ｏ４が生成すると、ＦｅＯスケールはＦｅ３Ｏ４スケールに引っ張られて破損脱落する。Ｆｅ３Ｏ４が生成するとＦｅ３Ｏ４スケールは次々に脱落し、被切断材の表面に直接溶融鉄が付着し、この溶融鉄を基点に新たなスケールが生成するのでスケールの剥離性が悪くなりスケール除去作業が困難になる。ＦｅＯスケールは重量が最も軽くなり密着強度も小さくなるので、ＦｅＯスケールを多く生成させて被切断材の切断面を保護してやることが溶断後のスケール除去には最良の方法である。気化フラックス中に酸素活性元素（Ｎａ、Ｋ、Ｓｉ、Ｂ、Ｐ、Ｂａ、Ｚｎ、Ｃｅ）などが０．０１〜０．２ｍｏｌ％入ることでＦｅＯスケールの酸化速度が抑制されるのでＦｅＯスケールが多くなり、ＦｅＯスケールの密着強度が向上するとともに、活性元素のなかのホウ酸ガラスなどの酸化物が分散し接着剤の役目を果たすのでＦｅＯスケールが溶断面を保護し溶断鉄が直接溶断面に付着するのを防止する。ＦｅＯスケールは剥離しやすいので、ＦｅＯスケールに付着した溶断鉄やＦｅ３Ｏ４スケールあるいはＦｅ２Ｏ３スケールは容易に被切断材から剥離する。

第４の解決手段は、前記溶断ガスど前記溶断ノズルでガス溶断する方法において、前記気化装置から前記溶断ノズルまでの供給管の途中に適宜間隔で永久磁石を組み込んだ中継器を設置しているガス溶断方法である。

第１と第２の解決手段による共通の効果は、（１）水冷式なので水冷筒の先端部を９００〜１０００℃の高温スラブに対して低温鋼材と同様の１０〜１５ｍｍ程度の距離に近接できる、（２）溶断ノズルの先端を高温スラブに対しても低温鋼材と同等の距離に近接できるので酸素圧力は０．６ＭＰａ、溶断ガス圧力は０．０６〜０．２ＭＰａに低減できる、（３）溶断ノズルを高温スラブから保護できるので逆火しない、（４）溶断ノズルの先端と被溶断材の間を覆うことができるので外気の遮蔽効果があるとともに水例外筒内部の圧力が外気よりも高いので水冷筒の下部から燃料ガスが噴出して外気を吸い込まない、（５）水冷筒の周囲から噴出する燃料ガスの大部分を溶断面に沿って溶断炎の噴出方向に排出できるので溶断炎の長さを溶断方向に長くすることができる。

第２の解決手段による効果は、末広がり形状の水冷筒なのでフード内の溶断ガスを末広がりの形状に合わせて整流化するのでフード内のシール効果が高まり外気を吸い込みにくくなることである。

第３の解決手段による効果を説明する。特願２００７−２８７８２０号広報や特願２００８−１７８４２０号広報の発明に記載したように、燃料ガスに気化フラックスを混合して溶断することによりＦｅＯスケールの酸化を防止し、Ｆｅ３Ｏ４スケールやＦｅ２Ｏ３スケールが積層しにくくする溶断方法を実現した。本発明ではさらに、水冷外筒で溶断ノズル被覆することにより溶断炎を長くすることができ、効率的に溶断面に気化フラックスを反応させることで、剥離性のよいＦｅＯスケールを保護して粘性が高く剥離しにくいＦｅ３Ｏ４スケールやＦｅ２Ｏ３スケールの発生を抑制することでスケールの除去作業を軽減した。即ち、この効果は水冷筒で被覆した溶断ノズルと燃料ガスに気化フラックスを混合した溶断ガスを組み合わせた溶断方法によって生まれるものであり、（１）溶断中に発生するスケールは大まかに分類すると、溶断炎のすぐ外側にＦｅ２Ｏ３、被溶断材のすぐ外側にＦｅＯができその中間にはＦｅ３Ｏ４ができるが、気化フラックスと燃料ガスを混合した溶断ガスを使用することにより、スケールの大部分をＦｅＯにすることができるので、スケールの剥離性がよくなる、（２）水冷筒の周囲から噴出する燃料ガスの大部分を溶断面に沿って溶断炎の噴出方向に排出できるので溶断炎の長さを溶断方向に長くすることができ、気化フラックスと燃料ガス及び高温の溶断面との反応効率が高まり、気化フラックスが溶断面を保護し剥離性のよいスケール（ＦｅＯ）が生成するので、スケールを簡単に除去できることである。

第４の解決手段による効果は、燃料ガスと気化フラックスを混合した溶断ガスは、気化装置から溶断ノズルに送る途中で気化フラックスが再結晶して配管内に詰まる減少を防止することができることである。

第１と第２の解決手段を図１、図２、図３、図４、図５で説明する。図１は溶断ノズル１０の外筒１１に水冷筒２０を取り付けた場合の縦断面図である。図２は溶断ノズル１０の外筒１１に水冷筒２０を取り付けた場合の横断面図である。図３は水冷筒２０の先端部２１の内側面２２と外側面２３を末広がりにした場合の縦断面図である。図４は水冷筒２０の先端部２１の内側面２２を末広がりにした場合の縦断面図である。図５は溶断ノズル１０で被溶断材３０をガス溶断しているときの模式図である。第１の手段は溶断ノズル１０の外筒１１を水冷筒２０で被覆し、該水冷筒２０の先端部２１を前記溶断ノズル１０の先端部１２よりも延長していることを特徴とする溶断ノズル１０である。水冷筒２０の先端部２１の内側面２３と溶断ノズルの先端部の角度θは通常９０°前後であるが、被溶断材の厚みが薄い場合や温度が低い場合は６０〜９０°の範囲で適正なポイントを選択することができる。θを６０°より小さくするとフード内部１５のガス流が乱れて溶断炎の障害になり溶断面が荒れてしまう問題がある。水冷筒２０は溶断ノズル１０にロウ付けやＴＩＧ溶接あるいはボルト付けなどの方法で取り付けることができる。図１にボルト１６で取り付けた場合の例を示している。水冷筒２０に長孔１８を設けたリブ１７を付設し長孔１８に溶断ノズル１０の外筒１１に取り付けたボルト１６を通して締め付ける。水冷筒２０をボルト１６で取り付ければ水冷筒２０の先端部２１と溶断ノズル１０の先端部１２の寸法Ｈを調整できる。水冷筒２０の先端部２１と溶断ノズル１０の先端部１２の寸法Ｈが最初から決定している場合は、水冷筒２０と溶断ノズル１０の外筒１１はロウ付けにて接合すると冷却効果が大きい。溶断ノズル１０の先端部１２から水例外筒２０の先端部２１までの寸法Ｈは５〜２０ｍｍがよい。ガス溶断する場合の水冷筒２０の先端部２１と被溶断材３０の表面からの距離ｈは５〜１５ｍｍがよい。従って、被溶断材３０と溶断ノズル１０の先端部１２の距離Ｇは１０〜３５ｍｍとなる。水冷筒２０の先端部２１と高温の被溶断材３０の距離ｈを５ｍｍより小さくすると逆火が生じる可能性がある。また、被溶断材３０の表面が平滑でない場合には、被溶断材３０の凸部に水冷筒２０の先端部２１が接触して溶断ノズル１０を損傷する危険性がある。また、ｈを１５ｍｍより離しすぎると水冷筒２０の先端部２１周辺からの溶断ガスの噴出が多くなり溶断炎の長さを長くできなかったり、気化フラックスが被溶断材の溶断面に十分にとどかなかったりするのでＦｅＯスケール３１の保護が不十分となりスケールの剥離性が低下する。水冷筒２０の材質は銅、銅合金、鉄、ステンレス、チタンなどが適している。水冷筒２０には冷却水流路２４があり冷却水入り口２５と冷却水出口２６を通じて冷却水を通水する。冷却水の流速は６ｍ／秒以上が適しているので、水冷筒２０の断面積に応じて冷却水量を確保すればよい。冷却水は純水や軟水などが適している。図２は溶断ノズル１０と水冷筒２０の横断面を示している。溶断ノズル１０の外筒１１の内部には内管１３と外管１４が組み込まれている。内管１３はリブ１３ａと中央ガス流路１３ｂからなっている。外管１４はリブ１４ａからなっている。内管１３と外管１４の間にガス流路１３ｃが形成される。外管１４と外筒１１の間にガス流路１４ｂが形成される。溶断ノズル１０の内部の構造や燃料ガス及び酸素ガスの流路の選択は各種提案されており、溶断ノズル１０の内部構造及や溶断ガス及び酸素ガスの流し方の違いにより本発明が限定されるものではない。また、特願２００７−３３５７９０号広報（金属体用の溶断ノズル）の溶断ノズルに本発明の水冷筒２０を取り付けることにより、溶断ガスの旋回効果が付加されて更に燃焼炎の長さを長くすることができ剥離性のよいＦｅＯスケール３１を生成することができる。

第２の手段は図３及び図４のように水冷筒２０の先端部２１を末広がりの形状にした例である。先端部２１の角度θは９０〜１６０°が適している。１６０°より大きいと先端部２１の外径が大きくなり円周も広がるので燃料ガスの噴出が多くなりシール性が低下する。水冷筒２０の先端部２１を末広がりにするのは被溶断材３０の厚みが厚い場合や高温の場合であり、被溶断材３０の厚みや温度の組み合わせにより９０〜１６０°の範囲で最適なθを選択することができる。図３は水冷筒２０の外側面２２及び内側面２３を末広がりの形状にしているが、図４では内側面２２だけを末広がり形状にした例を示している。また図４では溶断ノズル１０の先端部１２を水冷筒２０の内側面２２に設けた受座２４で保護した例を示している。溶断ノズル１０を高温スラブなどの被切断材３０に近づけるほど溶断ノズル１０は高温に晒されるので金属の露出部分はできるだけ水冷筒２０で保護するのがよい。図５は水冷筒２０を付加した溶断ノズル１０で溶断しているときの溶断ガスの流れである。水冷筒２０を付加することにより溶断ガスが水平方向に噴出するのを抑制して、被切断材３０の厚み方向に溶断ガスの流れを導くことにより溶断炎の長さを長くする作用がある。

第３の解決手段は、図６に示すように燃料ガスを気化装置４０に吹き込んで液体フラックス５０を気化させて気化フラックスとし、該気化フラックスと前記燃料ガスを混合せしめた溶断ガスと前記溶断ノズル１０を用いて溶断するガス溶断方法である。気化装置４０は例えば特願２００８−１０４８２５号広報（液体フラックス気化装置）で提案しているような気化装置４０を使用できる。液体フラックス５０は特願２００７−２８７８２０号広報（ガス溶断用気化フラックス）及び特願２００８−１７８４２０号広報（液体フラックスの製造方法及びその装置）及び特願２００８−２７０４３５号広報（液体フラックスとその製造方法及び製造装置）などで提案している液体フラックス５０を使用できる。

溶断中に発生するスケールは大まかに分類すると、図１に示すように溶断炎のすぐ外側にＦｅ２Ｏ３スケール３３、被溶断材３０のすぐ外側にＦｅＯスケール３１ができその中間にはＦｅ３Ｏ４スケール３２が生成するが、気化フラックスと燃料ガスを混合した溶断ガスを使用することにより、Ｆｅ２Ｏ３スケール３３やＦｅ３Ｏ４スケール３２の生成を抑制して、スケールの大部分をＦｅＯスケール３１にすることができるのでスケールの剥離性がよくなるのである。

第４の解決手段は、図７に示すように前記溶断ガスと前記溶断ノズル１０でガス溶断する方法において、前記気化装置４０から前記溶断ノズル１０までの供給管６０の途中に適宜間隔で永久磁石７１を組み込んだ中継器７０を設置しているガス溶断方法である。中継器７０は少なくとも１０ｍ以内に１台設けるようにする。図８に示すように中継器７０には少なくとも３００００ガウス以上の磁力を有するように複数の磁石７１を配置する。磁石７１と溶断ガスの接触面積を広げるために、図８のように中継器７０の中に多くの折り返しを設けたり螺旋形にしたりして中継器７０の中の溶断ガス流路をできるだけ長くするのがよい。磁石７１はネオジ磁石などが適している。中継器７０の内部構造は磁石７１の強さや配列の仕方によって各種提案されるが、中継器７０の内部構造の違いによって本発明が限定されるものではない。溶断ノズル１０に対して気化装置４０をできるだけ近距離に設けるようにすることで中継器７０の個数を減らすことができる。図９は連続鋳造や厚板切断などにおいて使用される溶断台車８０に溶断ノズル１０を搭載して被切断材３０を溶断する例を示している。溶断台車８０に溶断ノズル１０を搭載する場合は溶断台車８０に気化装置４０や中継器７０を搭載することができるので中継器７０の設置個数も削減できる。溶断ノズル１０はノズル駆動装置８１にて上下方向に移動可能することで、溶断ノズル１０先端と被切断材３０の高さＧを最適に調整することができる。溶断台車８０はレール８２上を移動可能なように溶断台車８０の配管６０と地上側の配管６０は通常フレキシブルホース６１などで接続されている。溶断台車８０は連続鋳造機や厚板のガス溶断において一般的に使用されているものであり、気化装置４０や中継器７０の搭載の仕方や組み合わせによって本発明が限定されるものではない。

溶断ノズルに水冷筒を取り付けたときの縦断面図溶断ノズルに水冷筒を取り付けたときの横断面図溶断ノズルに水冷筒を取り付けたときの縦断面図溶断ノズルに水冷筒を取り付けたときの縦断面図ガス溶断時のガスの流れ第３の解決手段のフロー図第４の解決手段のフロー図中継器の縦断面図溶断台車に溶断ノズルを搭載した場合のフロー図。

１０：溶断ノズル、１１：外筒、１２：先端部、１３：内管、１３ａ：リブ、１３ｂ：中央ガス流路、１３ｃ：ガス流路、１４：外管、１４ａ：リブ、１４ｂ：ガス流路、１５：フード内部、１６：ボルト、１７：リブ、１８：長孔、２０：水冷筒、２１：先端部、２２：内側側面、２３：外側側面、２４：冷却水流路、２５：冷却水入口、２６：冷却水出口、３０：被切断材、３１：ＦｅＯスケール、３２：Ｆｅ３Ｏ４スケール、３３：Ｆｅ２Ｏ３スケール、４０：気化装置、５０：液体フラックス、６０：配管、６１：フレキシブルホース、７０：中継器、７１：磁石、８０：溶断台車、８１：ノズル駆動装置、８２：レール

Claims

溶断ノズルの外筒を水冷筒で被覆し、該水冷筒の先端部を前記溶断ノズルの先端部よりも延長していることを特徴とする溶断ノズル。
前記溶断ノズルの前記水冷筒の少なくとも内側側面の先端部を末広がり形状にしたことを特徴とする請求項１記載の溶断ノズル。
燃焼ガスを気化装置に吹き込んで液体フラックスを気化させて気化フラックスとし、該気化フラックスと前記燃焼ガスを混合せしめた溶断ガスと、請求項１又は請求項２記載の溶断ノズルを用いて溶断することを特徴とするガス溶断方法。
燃焼ガスを気化装置に吹き込んで液体フラックスを気化させて気化フラックスとし、該気化フラックスと前記燃焼ガスを混合せしめ永久磁石７１を組み込んだ中継器７０を経た溶断ガスと、請求項１又は請求項２記載の溶断ノズルを用いて溶断することを特徴とするガス溶断方法。