JP5782559B2 - 鋼工作物を切断するための高性能切断ノズル - Google Patents

Description

本発明は、鋼で作られた工作物、並びに、鉄合金で作られた工作物、特にスラブ、インゴット、ビレット等を切断するための高性能切断ノズルに関する。強化切断用ノズルは、切断トーチに固着するためのネジ山を有するノズル本体と、中心に配置された切断用酸素チャネルと、特定の内側のピッチ円周上に前記切断用酸素チャネルと同心に配置された複数の加熱用ガスチャネルと、更に中間側のピッチ円周上に前記切断用酸素チャネルと同心に配置された複数の加熱用酸素チャネルとを備え、媒体チャネルの流出開口が、前記ノズル本体によって囲まれた空間部に開口している。

酸素ガス切断トーチは、鋼で作られた工作物、並びに、鉄合金で作られた工作物を切断するために企図される。これらのデバイスは、例えばスラブ、インゴット、及びビレットを効率的に切断するために使用される。ここにおいて、酸素及び切断用ガスのストリームから燃焼される切断用ガストーチの火炎は、切断される金属の表面に向けられる。それにより、金属が、その発火温度まで加熱され、それにより、切断用酸素のストリームが、切断動作を行うために、加熱された金属を酸化する。これにおいて、工作物は燃焼し始め、ストリームが移動するにつれて、切断部となるように延びる接合部（切断接合部）を形成する。上述したプロセス中に熱が生成されるため、この火炎切断プロセスは、自生的であると言われる。すなわち、切断されるスポットの隣の鋼層は、燃焼する鋼から得られる温度により更に予熱される。

原理的には、予混合又は後混合ノズル及び／又はトーチの間で区分けする必要がある。予混合ノズルでは、加熱用酸素及び加熱用ガスは、燃焼のために流れ出る前にトーチヘッド内で混合される。後混合切断トーチでは、加熱用酸素及び加熱用ガスが、トーチから未混合ストリームにて放出する。乱流のために、ストリームは、燃焼の前に混合される。

切断用トーチデバイス用のいわゆる後混合切断ノズルは、米国特許６，２７７，３２３号及びカナダ特許２，１０９，７７２号から知られており、その構成においては、媒体加熱用酸素、加熱用ガス、及び切断用酸素は、火炎の流出エリアにおいてのみ混合される。ノズルは、ノズルを囲む保持ナットによって保持され、切断用トーチに接続される。ノズルは、切断用トーチの切断用酸素の流出のための軸方向穿孔部によって特徴付けられる。さらに、ノズルは、軸方向の切断用酸素穿孔部の周りで内側の同心円周上に配置された複数の加熱用ガス穿孔部を含む。さらに、ノズルは、軸方向の切断用酸素穿孔部の周りで外側の同心円周に配置された複数の加熱用酸素穿孔部を備える。出口端の流出開口に対して開口する穿孔部のそれぞれは、即ち、軸方向の切断用酸素穿孔部、加熱用ガス穿孔部、及び加熱用酸素穿孔部は、保持ナット内の円筒空隙内に移行し、そこで、切断用火炎が生成される。

したがって、このノズルは、外部で混合する、「後混合」ノズルと呼ばれる。すなわち、ノズルの内部ではなく、ノズルの外側で媒体が混合される。さらに、ノズルは、追加的な保持ナットのために幾つかの部品で構成されているため、ノズルの構成が高価でかつ複雑である。さらに、かなり大きな切断接合部が生成される。さらに、燃えカス、塵、及び埃粒子などの汚染物が、保持ナット内の円筒状隙間内の火炎の流出エリアに蓄積する可能性があり、そこで、汚染物がノズルに侵入し、切断用ノズルの使用寿命を短くさせる可能性がある。

本発明の目的は、上述したタイプの切断用ノズルを創出することであり、切断用ノズルの動作中に、鋼／燃えカス粒子の生成が低減され、切断用ノズルは、低いノイズレベルで、より小さくかつより平滑な切断部を生成し、ノズルの使用寿命を延ばすことを可能にする。

本発明によれば、ノズル本体によって囲まれた空間部が、切断用酸素、加熱用酸素、及び加熱用ガスのための媒体チャネルの流出開口からその流出端に向かって、角度が付されている形状、円錐形状、又はほぼ半円形状で構成され、こうして、流出する媒体が、傾斜又は湾曲した出口表面において転換されノズルの中心方向に向かい、ノズル本体の外側で切断用ノズルから離れたある距離において周囲空気とともに旋回するという効果を有する。

従来の切断ノズルと比較すると、切断用ノズルのノズル本体内での媒体チャネルの配置構成、ガス及び酸素の供給のための媒体チャネルの特別な幾何学的設計、並びに自生的火炎切断のために必要とされる加熱用及び火炎切断用温度により、切断用ノズルと工作物表面との間の距離がより長い距離で、切断される工作物は予熱され切断され得る。さらに、この切断用ノズルによる切断は、工作物表面上に、また、切断用ノズルにおいて、より少ない鋼／燃えカス粒子を生成する。切断接合部は、より小さくかつより平滑であり、発生するノイズはより低い。さらに、切断用ノズルの使用寿命を著しく延ばすことができる。

このノズル構成によれば、加熱用ガスと加熱用酸素を混合するプロセス及び関連する達成可能な最高燃焼温度並びに空気／酸素混合物からなる外側保護ジャケットを通って抜け出るストリームの保護は、切断用ノズルと工作物表面との間のより長い距離において実施される。

従属請求項においては、更なる実施形態の特徴及び利点をもたらす。

それによれば、媒体チャネルの流出表面は、ノズル本体の内部に位置し、必要に応じて、互いに組合されることができる。

流出表面からの媒体、すなわち切断用酸素、加熱用酸素、及び加熱用ガスの流出のための、角度が付された空間部、円錐状の空間部、又は半球状の空間部、又は円筒状の空間部は、放出される媒体を誘導する。

超音速流域においては、放出ガスは、傾斜した流出表面及び／又は湾曲した流出表面の領域の中間に向かって送られ、媒体が、切断用ノズルからかなり遠く離れて旋回する（渦巻く）という効果を有する。

本発明による切断用ノズルの更なる発展によれば、複数の酸素チャネルは、ノズル本体を通して延び、ノズル本体の流出端においてリング状の溝に開口し、これにより、付加的な放出酸素が、パイプ状の保護酸素壁及び／又は保護ジャケットを形成する。このジャケットは、火炎切断中に生成される埃粒子による汚染から流出表面を保護する。これらの粒子は、ノズルの流出表面のそばの、放出された酸素の保護ジャケットから吹き飛ばされる。こうして、保護ジャケットは、埃粒子が、酸素の冷却効果によってノズル出口端に固着することを防止する。さらに、リング状溝から付加的に放出する空気／酸素混合物は、切断用酸素、加熱用ガス、及び加熱用酸素の周りに保護酸素ジャケットを形成し、マージン領域における早期渦巻を防止し、生成されるノイズレベルを最小にする。

さらに、該リング状溝は、可変断面、好適には半円又は矩形断面によって特徴付けられるように構成される。

さらに、該酸素チャネルは、周囲空気を吸引するための少なくとも１つの更なる後方搭載式チャネルを装備することができ、それにより、該チャネルは、前記ノズル本体の外側から前記それぞれの酸素チャネルまで延びる。

さらに、ノズル本体によって囲まれた空間部は、媒体チャネルの流出開口からノズル本体の流出端に向かう円筒形状を有し、媒体チャネルは、ノズル本体によって囲まれた空間の流出表面に矩形の態様で開口している。

本発明の基本的な概念は、図面に示す例示的な実施形態に基づいて以下の説明により詳細に述べられる。

媒体チャネルの流出開口に関する、図２の視方向「Ｚ」に従う、本発明による切断用ノズルを示す図である。 図１のラインＡ−Ａに沿う切断用ノズルの縦断面図である。 図１のラインＢ−Ｂに沿う切断用ノズルの断面図である。 図５の視方向「Ｙ」の切断用ノズルを示す図である 図４のラインＣ−Ｃに沿う切断用ノズルの断面図である。 図４のラインＤ−Ｄに沿う切断用ノズルの断面図である。 第２の実施形態を示す図である。 第３の実施形態の詳細部「Ｘ」を示す図である。

工作物２００を切断するための図１〜図８による切断用ノズル１は、ワンピースとして設計されたノズル本体２を装備する。ノズル本体２は、その周囲に沿って六角形ボルト３を装備する。ノズル本体２の外周の他の部分においては、適切なツールを使用して、図３に概略的に示す切断トーチ１００にノズル本体２をネジ込むために雄ネジ４によって特徴付けられる。

図１は、切断処理に必要とされる媒体用の流出チャネルの配置を示す。ノズル本体２の中心には、図２からわかるように、入口側６からノズル本体の流出領域８における空間部７までの領域にわたって軸方向切断用酸素チャネル５が存在する。切断用ノズル１のこの実施形態においては、空間部７は、平なべ状円筒形態を有する。

空間部７の方向に向かう切断用ノズル１の端部領域において、軸方向穿孔部５が円錐状伸張部９を備え、この円錐状伸張部によって、切断用酸素チャネル５を通って流れる切断用酸素が、その速度、したがって、そのエネルギーに関して加速される。軸方向穿孔部５の端部方向において、切断用火炎が形成される。

切断用酸素チャネル５に平行に、ノズル本体２内に同心に配置される複数の加熱用ガスチャネル１０が、内側ピッチ円周１０．１において構成される。

さらに、中間のピッチ円周１１．１において、ノズル本体２は、切断用ノズル１の入口側端部６からノズル本体２の空間部７まで切断用酸素チャネル５に平行に延びる複数の加熱用酸素チャネル１１を備える。

さらに、ノズル本体２の流出側端部において、ノズル本体２は空間部７を囲繞するリング状の溝１２を備え、付加的な酸素チャネル１３が入口側６の中間のピッチ円周１１．１から溝１２に向かって傾斜して延びている。

図１のノズル本体２の縦断面Ａ−Ａは、図２に示すように、切断用酸素チャネル５、加熱用ガスチャネル１０、及び加熱用酸素チャネル１１の経路を示している。媒体チャネル５、１０、及び１１は、空間部７に開口している。

図３は、切断用酸素チャネル５、加熱用酸素チャネル１１、及びリング状の溝１２に向かう更なる酸素チャネル１３を含む図１のノズル本体２の縦断面Ｂ−Ｂを示す。さらに、周囲空気１５を吸引するための別のチャネル１４が構成されていて、別のチャネル１４は、割当てられた酸素チャネル１３内に開口し、かつ、ノズル本体２の外側からこのチャネルまで傾斜した態様で延びる。チャネル５及び１１の媒体が、空間部７の流出表面８において放出する。更なる酸素チャネル１３からの追加的酸素が、チャネル１４の吸引効果によって捕捉される周囲空気１５とともにリング状溝１２内に放出し、切断用火炎の周りにパイプ状保護酸素壁１６を形成して、火炎の効率を改善する。加熱用ガスと加熱用酸素を混合するプロセス、関連する達成可能な最高燃焼温度「Ｔ」、並びに空気／酸素混合物からなる放出ストリームの保護ジャケットを介しての保護は、切断用ノズル１と工作物２００の表面との間の所定の距離「Ａ」において実施される。

図４は、図５及び図６において断面Ｃ−Ｃ及びＤ−Ｄを示すために、図１と同様な図を示す。

図５は、切断用酸素チャネル５、加熱用ガスチャネル１０、及び加熱用酸素チャネル１１が空間部７に開口するノズル本体２の縦断面Ｃ−Ｃを示す。当該実施形態によれば、ノズル本体２によって囲まれている空間部７は円錐状に構成されていて、これにより、加熱用ガス及び加熱用酸素媒体が傾いた態様で空間部７を通過して混合し、切断用ノズル１から離れた距離「Ｂ」において媒体を旋回させる。

図６は、加熱用酸素チャネル１１、切断用酸素チャネル５、及びリング状の溝１２に向けて周囲空気１５を吸引するためのチャネル１４を有する更なる酸素チャネル１３を縦貫する図４によるノズル本体２の縦断面Ｄ−Ｄを示す。媒体チャネル５及び１１は、円錐形状の空間部７に開口している。チャネル１４及び１３の更なる酸素が、リング状溝１２内に放出する。

図７は、図６に対して修正された実施形態を示し、その構成においては、空間部７は、主として、テーパが付された形状及び／又は円錐の形状によって特徴付けられており、即ち、テーパが付された表面及び／又は円錐の表面は、角度付き表面によって特徴付けられる。

図８は、図７の詳細部Ｘを示し、それによれば、切断用酸素及び加熱用酸素用の媒体流出は、ほぼ半円状の空間部７に通じている。

上述した特徴は、もちろん、本発明の態様から逸脱することなく、それぞれの場合において特定された組合せだけでなく、他の組合せで又は単独で使用され得る。

１ 切断用ノズル
２ ノズル本体
３ 六角形ボルト
４ 雄ネジ
５ 切断用酸素チャネル
６ 入口側
７ 空間
８ 流出表面
９ 円錐伸張部
１０ 加熱用ガスチャネル
１０．１ 内側のピッチ円周
１１ 加熱用酸素チャネル
１１．１ 中央ピッチ円周
１２ 溝
１３ 酸素チャネル
１４ チャネル
１５ 周囲空気
１６ 保護酸素壁
１００ 切断トーチ
２００ 工作物
Ａ 距離
Ｂ 距離
Ｔ 燃焼温度

Claims (5)

1. 鋼で作られた工作物、鉄合金で作られた工作物（２００）、スラブ、インゴットやビレットを切断するための切断用ノズル（１）において、切断トーチ（１００）に固着するための取り付け部（４）を有するノズル本体（２）と、中心に配置された切断用酸素チャネル（５）と、所定の内側のピッチ円周（１０．１）上に前記切断用酸素チャネル（５）と同心に配置された複数の加熱用ガスチャネル（１０）と、所定のピッチ円周（１１．１）上に前記切断用酸素チャネル（５）と同心に配置された複数の加熱用酸素チャネル（１１）と、を備え、該チャネル（５、１０、１１）の流出開口が、前記ノズル本体（２）によって囲まれた空間部（７）に開口しており、前記ノズル本体（２）によって囲まれた前記空間部（７）は、角度が付された態様、円錐形状の態様又はほぼ半円形状の態様で形成されており、加熱用酸素及び加熱用ガスの前記チャネル（５、１０、１１）の前記流出開口から流出する媒体は、傾斜した又は湾曲した出口表面においてノズルの中心に向かうように転換され、かつ、前記ノズル本体（２）の外側で該切断用ノズル（１）から離れた距離（Ｂ）において周囲空気とともに旋回するようにされており、更なる酸素チャネル（１３）が、前記ノズル本体（２）を通って延在し、かつ前記ノズル本体（２）の流出端におけるリング状の溝（１２）に開口しており、該リング状の溝から放出される酸素が、パイプ状の保護酸素壁（１６）を形成することを特徴とする切断用ノズル。
2. 前記媒体チャネル（５、１０、１１）の前記流出表面は、前記ノズル本体（２）の内部に位置し、必要に応じて互いに組合されることができることを特徴とする、請求項１に記載の切断用ノズル。
3. 前記リング状の溝（１２）は、可変断面、半円又は矩形断面を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の切断用ノズル。
4. 前記更なる酸素チャネル（１３）は、周囲空気を吸引するための少なくとも１つの後方搭載式チャネル（１４）を備え、前記後方搭載式チャネル（１４）は、前記ノズル本体（２）の外側から前記更なる酸素チャネル（１３）まで延在することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の切断用ノズル。
5. 前記更なる酸素チャネル（１３）は複数設けられていて、夫々が前記リング状の溝（１２）に開口していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の切断用ノズル。

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