JP5994994B2 - 溶射装置及び溶射方法 - Google Patents

Description

本発明は耐火物の溶射補修に適用される溶射装置及び溶射方法に関する。

各種工業炉等においては、その使用に伴って、耐火物からなる内張り（耐火物ライニング）等に損耗が発生する。このような耐火物ライニングの損耗を回復させる手段の一つとして溶射補修が広く実施されている。

溶射は、耐火性の粉粒体をキャリアガス（粉体輸送用ガス）で搬送し、被補修面の熱を利用した燃焼で粉粒体を溶融させ被補修面に溶着させるもので、強固な施工体を得ることができる。この溶射補修法には、例えば、火炎溶射や金属燃焼溶射等の方式がある。火炎溶射は、プロパンガス等の可燃ガスと酸素ガス等の支燃ガスによる火炎を被補修面付近で発生させ、火炎中に可燃物質を含まない耐火性粉粒体（溶射材）を供給して溶融、付着させる。この方式では、可燃ガスと支燃ガスの一方あるいは両方がキャリアガスとして使用される。また、金属燃焼溶射は、シリコンやアルミニウム等の可燃性の粉体（金属粉末）と耐火性の粉粒体の混合物で構成された溶射材をキャリアガスにより搬送し、被補修面からの受熱により金属粉末を燃焼させて耐火性粉粒体を溶融、付着させる。この方式では、酸素等の支燃性のガスがキャリアガスとして使用される。

火炎溶射は燃焼範囲が広く、比較的広い面を施工できる。これに対し、金属燃焼溶射は燃焼範囲が狭く、局部的で細かい損傷を施工できることから、レンガの目地部や亀裂部などの補修に広く用いられている。金属燃焼溶射では、溶射材そのものが反応するため溶射材の反応性を高めることで耐火性の粉粒体の溶融が促進され、より緻密な施工体を得ることができる。

金属燃焼溶射では、エジェクター式又は加圧式による粉流体の輸送方法が広く採用されており、固気混合部に配置されたホッパーに貯蔵されている、可燃性粉体と耐火性粉粒体の混合物で構成された溶射材を、支燃性ガスからなるキャリアガスにより搬送する。例えば、コークス炉の補修に金属燃焼溶射を用いる場合、キャリアガスに酸素ガスを使用し、可燃性の紛体にシリコン粉末を使用することが多い。作業条件にもよるが、多くの場合、溶射装置から溶射ランス（溶射材噴出部）までの距離は数ｍから百ｍ弱に及び、その間はフレキシブルなゴムホース等の配管で連結して使用されている。

しかしながら、金属燃焼溶射では、可燃物質と支燃物質が同一配管で搬送されるため、燃焼が逆方向に進む逆火が生じたり、配管内部における流れが攪乱された際の摩擦で生じる火花やスパークによって発火が生じたりする。これらは大きな爆発音を伴うほか、配管が損傷した場合、損傷した配管によって作業者が怪我をしたり、損傷した配管から噴き出る火炎で作業者がやけどをしたりする可能性がある。そのため、逆火や発火が生じた際に安全を確保するための溶射装置の構造について種々の技術が提案されている（例えば、特許文献１〜４等）。

例えば、特許文献１は、溶射材ホッパーの溶射材払出口からエジェクターまでの間に常に開放している外気連通部を設けた溶射装置を開示している。当該外気連通部は、逆火が発生した際に逆火を噴出させることで、逆火をホッパーに到達させない機能を有している。特許文献２は、本体に接続するホースにフランジを設けるとともに、当該フランジと対向する位置にストッパを設けることで、逆火の衝撃でホースが本体から離脱した際の安全を確保する溶射装置を開示している。また、この技術では、本体からのフランジの離脱をセンサが検知した際に、材料供給を停止する構成を採用している。特許文献３は、酸素供給ラインに緊急停止機構を設け、緊急時に酸素を確実に遮断する溶射装置を開示している。また、特許文献４は、逆火が発生した際にフットバルブを踏むだけでキャリアガスの供給を遮断する溶射装置を開示している。

特許第４９１５９０５号公報 特開２０１１−１４９０７８号公報 特開２０１２−１１１９７３号公報 実用新案登録第３１７３３１２号公報

上述の特許文献が開示する技術は、逆火や発火の発生そのものを抑制するものではない。そのため、逆火や発火の抑制には溶射装置のメンテナンスや溶射材の品質管理に細心の注意を払う必要がある。また、逆火や発火の発生を避けるために、反応性の高い溶射材を使用することができないという問題もある。

一方、逆火は、溶射作業中に溶射ランス先端から火炎が発生する先端着火現象が生じた後に発生する場合が多く、先端着火を確実に消火することで逆火の発生を抑制することができる。先端着火が生じた場合、例えば、溶射ランス先端への溶射材の供給を停止することで先端着火を消火することが可能である。溶射材の供給停止方法としては、キャリアガスの供給を停止する方法、エジェクターから溶射ランスに至るゴムホースを折り曲げて供給路を閉塞する方法、溶射ランスに溶射材を供給するゴムホースを溶射ランスから離脱する方法等がある。

先端着火の消火のためには、溶射ランスの先端の火炎と配管内の溶射材とを分離する必要があるが、上述のキャリアガスの供給を停止する方法や供給路を閉塞する方法では、配管内に残留している溶射材は徐々に吐出されるため溶射材の完全な供給停止には時間を要することになる。また、これらの手法では、先端着火が消火した後に溶射作業を再開する際に、溶射ランスへの溶射材の供給が安定するまでに時間を要することにもなる。一方、ゴムホースを溶射ランスから離脱する方法でも、離脱したゴムホースを溶射ランスへ接続する際には溶射材の供給を停止する必要がある。そのため、キャリアガスの供給を停止する方法や供給路を閉塞する方法と同様、溶射作業を再開する際に、溶射ランスへの溶射材の供給が安定するまでに時間を要することになる。このように、先端着火の消火のために溶射材の供給を停止すると、溶射作業の再開に時間を要し、作業性が低下するという問題がある。

本発明は、上記従来の事情を鑑みて提案されたものであって、金属燃焼溶射において、先端着火を確実に消火でき、消火後の作業再開が容易な溶射装置及び溶射方法を提供することを目的とする。

本願発明者らは、金属燃焼溶射において、金属粉末（可燃性の粉末）の燃焼現象について検討したところ、溶射ランスにおけるキャリアガス中の支燃性ガスの濃度により、溶射材が燃焼して溶射施工が可能な状態と、溶射材が燃焼せず逆火や発火の発生を著しく低減できる状態とを切り替えることができることを見いだした。また、摩擦で生じる火花やスパークを原因とする発火について、溶射材と酸素の混合物のスピードが最大となるエジェクター部分で発生することを見いだした。

すなわち、本発明に係る溶射装置は、耐火性の粉粒体及び可燃性の紛体を含む溶射材をキャリアガスとともに搬送し、被施工体に吹き付ける溶射装置であって、溶射ランス、固気混合部、ベースガス導入管、搬送管及び調整ガス導入部を備える。溶射ランスは、溶射材及びキャリアガスを被施工体へ吹き付ける。固気混合部は、キャリアガスを構成するベースガスと溶射材とを混合して下流側へ送出する。ベースガス導入管は、固気混合部にベースガスを供給する。搬送管は、固気混合部の下流側に接続され、固気混合部において混合された、溶射材及びベースガスを溶射ランスへ搬送する。調整ガス導入部は、搬送管に設けられ、キャリアガスを構成するとともに、ベースガスと混合することで溶射ランスにおけるキャリアガスの支燃性ガス濃度を調整する調整ガスを導入する。

この溶射装置では、例えば、ベースガスの酸素濃度を溶射材が燃焼可能な酸素濃度とし、当該ベースガスをキャリアガスとして溶射作業を実施することができる。この場合、ベースガスと混合したときに、ベースガス及び調整ガスで構成されるキャリアガスの酸素濃度を低下させる調整ガスを導入することで燃焼を停止（消火）することができる。

また、ベースガスの酸素濃度を溶射材が燃焼不可能な酸素濃度とし、ベースガスと混合したときに、ベースガス及び調整ガスで構成されるキャリアガスの酸素濃度を溶射材が燃焼可能な酸素濃度に上昇させる調整ガスを導入した状態で溶射作業を実施することもできる。この場合、調整ガスの導入を停止する、あるいは、キャリアガスの酸素濃度を低下させる調整ガスをさらに導入することで燃焼を停止（消火）することができる。

この構成では、先端着火等が発生した場合に、調整ガスを導入（又は導入停止）することで安全かつ速やかに消火することができ、調整ガスの導入を停止（又は導入を再開）することで速やかに溶射作業を再開できる。また、ベースガスの酸素濃度を溶射材が燃焼不可能な酸素濃度として、固気混合部で溶射材とベースガスとを混合し、固気混合部の下流側で溶射材の燃焼に必要な酸素を補償する構成では、従来使用が困難であった反応性の高い溶射材を安全に使用することも可能になる。

また、本発明に係る他の溶射装置では、固気混合部は、キャリアガスと溶射材とを混合して下流側へ送出する。ベースガス導入管は、固気混合部に、キャリアガスを構成するベースガスを供給する。搬送管は、固気混合部の下流側に接続され、固気混合部において混合された、溶射材及びキャリアガスを溶射ランスへ搬送する。そして、調整ガス導入部は、ベースガス導入管に設けられ、キャリアガスを構成するとともに、ベースガスと混合することで溶射ランスにおけるキャリアガスの支燃性ガス濃度を調整する調整ガスを導入する。

上記溶射装置において、調整ガス導入部へ調整ガスを供給する調整ガス導入管は、開閉弁を備えることが好ましい。また、上記溶射装置において、ベースガスを酸素濃度６０体積％以上のガスとし、調整ガスを酸素濃度６０体積％未満のガスとすることができる。あるいは、ベースガスを酸素濃度６０体積％未満のガスとし、調整ガスを酸素濃度６０体積％以上のガスとすることもできる。また、調整ガスとしては、例えば、空気、窒素、アルゴン、二酸化炭素及び酸素からなる群から選択される少なくとも１種のガスを採用することができる。

一方、他の観点では、本発明は、耐火性の粉粒体及び可燃性の紛体を含む溶射材をキャリアガスとともに搬送し、被施工体に吹き付ける溶射装置に適用される溶射方法を提供することもできる。すなわち、本発明に係る溶射方法では、まず、溶射材及びキャリアガスを被施工体に吹き付ける溶射ランスにおけるキャリアガスの酸素濃度を６０体積％以上に維持した状態で溶射作業が実施される。そして、溶射ランスにおいて先端着火が発生した場合、溶射ランスにおけるキャリアガスの酸素濃度を６０体積％未満にすることで消火する。

上記溶射方法において、溶射ランスにおけるキャリアガスの酸素濃度を６０体積％未満にすることで消火する際に、溶射材を投入する固気混合位置よりも上流側又は下流側において調整ガスを導入することで、キャリアガスの酸素濃度を６０体積％未満にする構成を採用することができる。また、溶射ランスにおけるキャリアガスの酸素濃度を６０体積％以上に維持した状態で溶射作業を実施する際に、溶射材を投入する固気混合位置よりも上流側又は下流側において調整ガスを導入することでキャリアガスの酸素濃度を６０体積％以上にするとともに、溶射ランスにおけるキャリアガスの酸素濃度を６０体積％未満にすることで消火する際に、調整ガスの導入を停止することで前記キャリアガスの酸素濃度を６０体積％未満にする構成を採用することもできる。

本発明によれば、金属燃焼溶射において、先端着火が生じた際の消火及び溶射作業の再開が容易になり、溶射作業の作業性の低下を最小限に抑えながら、逆火や発火のリスクを低減することができる。また、高い反応性を有する溶射材の発火に対する安全性を大幅に高めることができる。

本発明の一実施形態における溶射装置を示す図 本発明の一実施形態における溶射装置が備える調整ガス導入部を示す図 本発明の一実施形態における他の溶射装置を示す図 本発明の一実施形態における実施例で使用した実験用溶射装置を示す図

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながらより詳細に説明する。以下の実施形態では、各種工業炉等の被施工体に、金属シリコン紛体及び耐火性の粉粒体の混合物で構成された溶射材を吹き付けて溶射体を得る事例により本発明を具体化している。

図１は、本発明の一実施形態における溶射装置を示す概略図である。図１に示すように本実施形態の溶射装置１００は、固気混合部としてエジェクター３を備えるエジェクター式輸送機構により構成されている。

エジェクター３は、エジェクターノズル４と、当該エジェクターノズル４に対向して配置された、下流方向に向かって拡開するデフューザー（混合管）５とを備える。エジェクターノズル４は、その先端からデフューザー５に向けて高速で気体を噴射する。当該噴射気体による吸引作用（エジェクタ効果）により、気体噴射方向と交差する方向（ここでは上方）に配置された吸引口６から溶射材を吸引する。エジェクターノズル４から噴射された気体と吸引された溶射材はデフューザー５において混合され、下流側へ送出される。

吸引口６には、ホッパー１が接続されており、当該ホッパー１内に金属シリコン粉末及び耐火性の粉粒体の混合物で構成された溶射材が収容される。溶射材の供給と停止はホッパー１の下端に設けられたシャッター２の開閉により切り替えることができる。

デフューザー５の下流側に配置されたエジェクター３の吐出口にはホース７ａが接続され、当該ホース７ａの他端に調整ガス導入部８が接続されている。また、調整ガス導入部８の下流側端部にはホース７ｂが接続され、当該ホース７ｂの他端に、先端にＴ字型のランスチップ９ａを備える溶射ランス９が接続されている。なお、図１では、説明のため、エジェクター３、ホース７ａ、調整ガス導入部８及びホース７ｂは、断面図として表示している。なお、ホース７ａ及びホース７ｂには、溶射装置に使用される公知の任意のホースを使用することができる。

エジェクターノズル４には、エジェクター３から溶射ランス９へ溶射材を搬送するキャリアガスを構成する、支燃性のベースガスをエジェクターノズル４へ供給する、ベースガス供給系が接続されている。ベースガス供給系は、ベースガスを収容するタンク１７及び当該タンク１７内のベースガスをエジェクターノズル４へ供給するベースガス導入管１１を備える。ベースガス導入管１１には、上流側から順に、圧力計１６、圧力調整器１５、流量調整器付流量計１４、圧力計１３及び開閉弁１２が設けられている。これにより、所定流量（所定圧力）のベースガスを、タンク１７からエジェクターノズル４に供給することができる。

ベースガスは、調整ガス導入部８から調整ガスを導入しない状態（すなわち、溶射ランス９におけるキャリアガスがベースガスのみの状態）で、溶射ランス９において、被施工体へ吹き付ける溶射材中の金属粉末が燃焼可能な支燃性ガス濃度を有する。本事例のように、溶射材を構成する金属粉末として金属シリコンを使用し、支燃性ガスとして酸素を使用する場合、溶射ランス９における酸素濃度は６０体積％以上である。この場合、ベースガスには、酸素ガスや酸素濃度を６０体積％以上に調整した酸素富化ガスを利用できる。酸素富化ガスを使用する場合、酸素以外の成分としては、有害なものを除けば、特に限定されない。例えば、空気、窒素ガス、アルゴンガス、二酸化炭素ガスから選択される１種類のガス、又は２種以上からなる混合ガス等を用いることができる。ここでは、ベースガスとして酸素（純酸素）ガスを使用している。

同様に、調整ガス導入部８には、ベースガスと混合されることによりベースガスと一体となってキャリアガスを構成する調整ガスを調整ガス導入部８へ供給する調整ガス供給系が接続されている。この例では、当該調整ガスは、溶射ランス９におけるキャリアガスの支燃性ガス濃度を調整する（低下させる）機能を有する。

本事例のように、溶射材を構成する金属粉末として金属シリコンを使用する場合、ベースガスと調整ガスからなるキャリアガスの溶射ランス９における酸素濃度は６０体積％未満まで低下させる。この場合、調整ガスには、酸素を含まないガス、酸素を含むガスのいずれを使用してもよい。調整ガスに含まれる成分としては、有害なものを除けば、特に限定されない。例えば、空気、窒素ガス、アルゴンガス、二酸化炭素ガス及び酸素から選択される１種類のガス、又は２種以上からなる混合ガス等を用いることができる。経済性の観点では、空気が好ましく、圧縮空気を利用することもできる。調整ガスとして空気を使用する場合、エアドライヤーで乾燥したドライエアを使用することで、調整ガスが通過する部分に含まれる金属部分の錆等の発生を防止することができる。

ここでは、調整ガス導入部８へ導入される調整ガスとして圧縮空気（ドライエア）を使用している。そのため、調整ガス供給系は、コンプレッサー２７及び当該コンプレッサー２７において生成された圧縮空気（調整ガス）を調整ガス導入部８へ供給する調整ガス導入管２１を備える。調整ガス導入管２１には、上流側から順に、圧力計２６、圧力調整器２５、乾燥機（エアドライヤー）２４、流量調整器付流量計２３及び開閉弁２２が設けられている。これにより、所定流量の調整ガスを、コンプレッサー２７から調整ガス導入部８に供給することができる。なお、開閉弁２２を設けることなく、例えば、コンプレッサー２７のオン／オフにより、調整ガスの導入及び導入停止を切り替えることも可能であるが、応答性の観点から開閉弁２２を設けることが好ましい。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、本実施形態における調整ガス導入部８の構造を示す概略図である。図２（ａ）に示すＡ−Ａ線に沿う断面が図２（ｂ）に対応し、図２（ｂ）に示すＢ−Ｂ線に沿う断面が図２（ａ）に対応する。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、調整ガス導入部８は、ＳＵＳ（ステンレス鋼板：Steel Use Stainless）により作製された、溶射材の搬送方向に沿う軸心を有する２つのリング状部材３１、３２及びこれらのリング状部材を同軸状に連結支持する連結材３３から構成される。図２（ｂ）に示すように内側リング状部材３２の外径は、外側リング状部材３１の内径より小さくなっており、内側リング状部材３２と外側リング状部材３１との間に、全周にわたってバッファー空間３６が設けられている。バッファー空間３６の溶射材の搬送方向に沿う両端は連結材３３により閉塞されている。

また、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、外側リング状部材３１は、その壁面を貫通する調整ガス導入口３４を有している。また、内側リング状部材３２は、その壁面を貫通する貫通孔３５を有している。特に限定されないが、この例では、調整ガス導入口３４及び貫通孔３５は溶射材搬送方向と直角に形成されており、内径は、それぞれ９ｍｍと２ｍｍになっている。なお、調整ガス導入口３４は外側リング状部材３１の壁面の、溶射材搬送方向の中央部１カ所に設けられており、貫通孔３５は内側リング状部材３２の壁面の周方向に等間隔で、溶射材搬送方向の中央部８カ所に設けられている。上述の調整ガス導入管２１は、調整ガス導入口３４に接続されており、調整ガス導入口３４に導入された調整ガスはバッファー空間３６及びいずれかの貫通孔３５を経由して溶射材が搬送される内側リング状部材３２の内部に導入される。

上述の構成を有する溶射装置１００では、調整ガス導入部８から調整ガスを導入しない状態（すなわち、溶射ランス９におけるキャリアガスがベースガスのみの状態）で溶射作業が実施される。そして、溶射作業中に溶射ランス９において先端着火が発生した場合には、調整ガス導入部８から調整ガスを導入して溶射ランス９におけるキャリアガスの酸素濃度を溶射材に含まれる金属シリコンが燃焼することのない酸素濃度（ここでは、６０体積％未満）まで低下させる。これにより、溶射ランス９の先端着火を消火することができる。

また、先端着火の消火後、溶射作業を再開する際には、調整ガス導入部８からの調整ガスの導入を停止する。ベースガスは、先端着火を消火する際にも流れ続けているため、溶射材の供給は継続されている。そのため、従来構成のように、溶射材の供給を停止する場合とは異なり、溶射材の供給は安定した状態が継続している。したがって、調整ガス導入部８からの調整ガスの導入を停止することで、溶射ランス９におけるキャリアガスの酸素濃度は、溶射材に含まれる金属シリコンが燃焼する酸素濃度（ここでは、６０体積％以上）まで速やかに上昇する。その結果、溶射ランス９から吐出された溶射材中の金属シリコンの燃焼が再開し、溶射作業を再開することができる。なお、調整ガスの導入、非導入の切替は、上述の調整ガス供給系が備える開閉弁２２の開状態と閉状態とを切り替えることで実現可能である。当該切替は、例えば、開閉弁２２を電磁弁で構成し、電気信号により実現する構成を採用することができる。また、開閉弁２２を作業者の近傍に設置できる場合は、手動により切替を行うことも可能である。

以上のような消火及び溶射作業再開の応答性の観点から、調整ガス導入部８の設置位置は溶射ランス９に近いことが好ましい。すなわち、ホース７ｂと溶射ランス９との接続部から４０ｍ以内に設けることが好ましく、より好ましくは２０ｍ以内である。調整ガス導入部８と溶射ランス９との間の距離が４０ｍより大きくなると、開閉弁２２を開状態にした後、溶射ランス９に調整ガスが到達するのに時間を要する状態になり、先端着火の消火に時間を要することになる。また、開閉弁２２を閉状態にして溶射作業を再開する場合も、ホース７ｂ内の調整ガスが排出されて溶射ランス９におけるキャリアガスの酸素濃度が十分に上昇するまでに時間を要することになる。この場合、キャリアガスの酸素濃度が十分に上昇するまでの間に搬送される溶射材が無駄になるため好ましくない。なお、本実施形態では、搬送管７を構成するホース７ａ及びホース７ｂの長さはそれぞれ０．３ｍと１５ｍである。また、ホース７ａ及びホース７ｂの内径はともに２５ｍｍであり、ホース７ｂに接続する溶射ランス９の内径は１８ｍｍ、長さは３ｍである。また、ランスチップ９ａの開口径は１６ｍｍである。

なお、以上の例では、エジェクター３の下流側に調整ガス導入部８を設置したが、上述の調整ガス導入部８と溶射ランス９との間の距離の条件を満足可能であれば、調整ガス導入部８はエジェクター３の上流側、すなわち、ベースガス導入管１１に設けられてもよい。また、調整ガス導入部８は、溶射材の搬送管の複数箇所に設置することも可能である。加えて、溶射装置１００では、調整ガス供給系が、コンプレッサー２７により圧縮空気を供給する構成としたが、ベースガス供給系と同様に、タンクに収容された調整ガスを供給する構成にすることもできる。

ところで、上述の例では、ベースガスが支燃性ガスであり、調整ガス導入部８から調整ガスを導入しない状態で溶射作業を実施し、調整ガス導入部８から調整ガスを導入することで先端着火を消火する構成とした。しかしながら、調整ガス導入部８から調整ガスを導入した状態で溶射作業を実施し、調整ガス導入部８から調整ガスの導入を停止することで先端着火を消火する構成とすることも可能である。この構成では、キャリアガスがベースガスと調整ガスとで構成されている状態で、溶射ランス９におけるキャリアガス中の支燃性ガスの濃度が溶射材に含まれる金属粉末が燃焼可能な濃度になり、キャリアガスがベースガスのみで構成されている状態では、溶射ランス９におけるキャリアガス中の支燃性ガスの濃度が溶射材に含まれる金属粉末が燃焼不可能な濃度になる。

図３は、本発明の一実施形態における他の溶射装置を示す概略図である。図３に示すようにこの溶射装置２００は、上述の溶射装置１００と、ベースガス供給系及び調整ガス供給系の構成のみが異なっている。すなわち、溶射装置２００のベースガス供給系は、溶射装置１００において、溶射材に含まれる金属粉末が燃焼可能な濃度の支燃性ガスを含むガスを収容するタンク１７に代えて、溶射材に含まれる金属粉末が燃焼不可能な濃度の支燃性ガスしか含まないガス、あるいは支燃性ガスを含まないガスを収容するタンク４７を備える。また、溶射装置２００の調整ガス供給系は、溶射装置１００のコンプレッサー２７に代えて、ベースガスと調整ガスとからなるキャリアガス中の支燃性ガス濃度を、溶射材に含まれる金属粉末が燃焼可能な濃度にすることが可能な濃度の支燃性ガスを含むタンク４６を備える。また、乾燥機２４が取り除かれ、流量調整器付流量計２３と開閉弁２２との間に圧力計４１が付加されている。他の構成は、溶射装置１００と同様である。

本事例のように、溶射材を構成する金属粉末として金属シリコンを使用し、支燃性ガスとして酸素を使用する場合、ベースガスとして、例えば、酸素濃度が６０体積％よりもやや低い５５体積％としたガスを利用できる。この場合、酸素以外の成分としては、有害なものを除けば、特に限定されない。例えば、窒素ガス、アルゴンガス、二酸化炭素ガスから選ばれる１種類のガス、又は２種以上からなる混合ガス等を用いることができる。ここでは、ベースガスとして酸素濃度５５体積％、窒素４５体積％の混合ガスを使用している。また、この場合、調整ガスには、ベースガスと調整ガスとの混合により構成されるキャリアガスの、溶射ランス９における酸素濃度が６０体積％以上にすることが可能な任意のガスを使用することができる。ここでは、調整ガス導入部８へ導入される調整ガスとして酸素（純酸素）ガスを使用している。

上述の構成を有する溶射装置２００では、調整ガス導入部８から調整ガスを導入した状態（すなわち、溶射ランス９におけるキャリアガスがベースガスと調整ガスとの混合ガスにより構成される状態）で溶射作業が実施される。そして、溶射作業中に溶射ランス９において先端着火が発生した場合には、調整ガス導入部８からの調整ガスの導入を停止して溶射ランス９におけるキャリアガスの酸素濃度を溶射材に含まれる金属シリコンが燃焼することのない酸素濃度（ここでは、６０体積％未満）まで低下させる。これにより、溶射ランス９の先端着火を消火することができる。

また、先端着火の消火後、溶射作業を再開する際には、調整ガス導入部８からの調整ガスの導入を再開する。ベースガスは、先端着火を消火する際にも流れ続けているため、溶射材の供給は継続されているため、溶射材の供給は安定した状態が継続している。したがって、調整ガス導入部８からの調整ガスの導入を再開することで、溶射ランス９におけるキャリアガスの酸素濃度は、溶射材に含まれる金属シリコンが燃焼する酸素濃度（ここでは、６０体積％以上）まで速やかに上昇する。その結果、溶射ランス９から吐出された溶射材中の金属シリコンの燃焼が再開し、溶射作業を再開することができる。

なお、ここでは、エジェクター３の下流側に調整ガス導入部８を設置したが、溶射装置２００においても、溶射装置１００と同様に、調整ガス導入部８はエジェクター３の上流側、すなわち、ベースガス導入管１１に設けられてもよい。しかしながら、溶射装置２００では、調整ガス導入部８よりも上流側では、配管内の酸素濃度が６０体積％未満であるため、仮に、逆火等が発生した場合でも、調整ガス導入部８よりも上流側へは燃焼が拡大しないという特徴がある。そのため、調整ガス導入部８はできるだけ下流側（溶射ランス９側）に設置することが好ましい。また、このように、調整ガス導入部８を溶射ランス９に近い位置に設置する構成は、特に、反応性の高い溶射材を使用するような、摩擦等による発火の可能性が高い施工条件等での施工に好適である。すなわち、キャリアガスに溶射材を混合するエジェクター３やエジェクター３から調整ガス導入部８までの搬送管７では、キャリアガスであるベースガスの酸素濃度が６０％未満であるため、摩擦等による発火の可能性を著しく低下させることが可能になり、安全な溶射施工が可能となる。また、溶射装置１００と同様に、溶射装置２００においても、調整ガス導入部８は、溶射材の搬送管の複数箇所に設置することもできる。

以上説明したように、本発明によれば、金属燃焼溶射において、先端着火が生じた際の消火及び溶射作業の再開が容易になり、溶射作業の作業性の低下を最小限に抑えながら、逆火や発火のリスクを低減することができる。また、高い反応性を有する溶射材の発火に対する安全性を大幅に高めることができる。

なお、上述した実施形態は本発明の技術的範囲を制限するものではなく、既に記載したもの以外でも、本発明の範囲内で種々の変形や応用が可能である。例えば、上記実施形態では、キャリアガスに溶射材を担持させる固気混合部としてエジェクターを使用したが、加圧式の固気混合装置を使用してもよい。また、溶射ランスにおける酸素濃度を調整する手法は、上記手法に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、適宜変更可能である。

また、調整ガス導入部の構造も、本発明の効果を奏する範囲において適宜変更可能である。例えば、溶射材の搬送管に対する調整ガス導入部の形状やサイズは何ら限定されるものではない。すなわち、溶射材搬送方向に垂直な断面において、調整ガスを搬送管内に導入する導入口の数は任意である。また、溶射材搬送方向に平行な断面において、調整ガスは溶射材搬送方向に対して直角に導入されてもよく、９０度以下の角度又は９０度以上の角度で斜めに導入されてもよい。導入口の形状も円形状である必要はなく、方形状、スリット状、らせん状等の任意の形状を採用可能である。さらに、溶射材搬送管の断面積や導入口の開口面積も、溶射材やベースガス、調整ガスの特性を勘案して任意に決めることができ、何ら限定されるものではない。加えて、搬送管は、柔軟性を有するホースの他、金属管のような剛性を有するパイプ等、任意の材質の配管を採用できる。また、配管の断面形状は円形であることが好ましいが他の断面形状を採用してもよい。

以下、実施例および比較例を提示して、本発明の溶射装置の効果を具体的に説明する。図４は、本実施例において使用した溶射装置を示す概略図である。図４に示すように、この溶射装置３００は、ベースガス導入管１１の開閉弁１２の下流側に第２調整ガス導入部１０を備え、また、調整ガス導入部８の下流側に第３調整ガス導入部２０を備える点で上述の溶射装置１００と異なっている。

第２調整ガス導入部１０はＴ字管で構成されており、当該第２調整ガス導入部１０を介して、上述の酸素タンク１７からの酸素（純酸素）ガスと上述のコンプレッサー２７からの圧縮空気（ドライエア）との一方及び双方を導入可能である。ベースガス導入管１１に設けられた第２調整ガス導入部１０の分岐端（コンプレッサー２７に接続する端部）には、他端が上述の乾燥機２４に接続された調整ガス導入管７１が接続されている。そして、当該調整ガス導入管７１には、上流側から順に、流量調整器付流量計７３及び開閉弁７２が設けられている。これにより、所定流量の調整ガスを、コンプレッサー２７から第２調整ガス導入部１０に供給することができる。

第３調整ガス導入部２０はＹ字管で構成されており、調整ガスとして、上述の酸素タンク１７からの酸素ガスと上述のコンプレッサー２７からの圧縮空気との一方及び双方を導入可能である。当該第３調整ガス導入部２０の分岐端（調整ガスが導入される端部）には、上述の圧力調整器１５と流量調整器付流量計１４との間に他端が接続された調整ガス導入管６１が接続されている。当該調整ガス導入管６１には、上流側から順に、流量調整器付流量計６４、圧力計６３及び開閉弁６２が設けられている。これにより、所定流量（所定圧力）の酸素ガスを、タンク１７から第３調整ガス導入部２０に供給することができる。また、開閉弁６２と第３調整ガス導入部２０との間には、他端が上述の乾燥機２４に接続された圧縮空気導入管８１が接続されている。当該圧縮空気導入管８１には、上流側から順に、流量調整器付流量計８３及び開閉弁８２が設けられている。これにより、所定流量の圧縮空気を、コンプレッサー２７から第３調整ガス導入部２０に供給することができる。なお、第３調整ガス導入部２０と調整ガス導入部１０とは、内径２５ｍｍ、長さ５ｍのホース７ｃで接続されており、第３調整ガス導入部２０と溶射ランス９とは、内径２５ｍｍ、長さ１０ｍのホース７ｄで接続されている。

また、調整ガス導入部８に調整ガスを供給する調整ガス導入管２１の開閉弁２２の下流側には、上述の圧力調整器１５と流量調整器付流量計１４との間に他端が接続された酸素ガス導入管５１が接続されている。当該酸素ガス導入管５１には、上流側から順に、流量調整器付流量計５４、圧力計５３及び開閉弁５２が設けられている。これにより、所定流量（所定圧力）の酸素ガスを、タンク１７から調整ガス導入部８に供給することができる。

特に限定されないが、ここでは、タンク１７の圧力は１ＭＰａであり、圧力調整器１５により０．５ＭＰａに圧力を低下させている。また、コンプレッサー２７では、圧力が０．８ＭＰａの圧縮空気を生成し、圧力調整器２５により０．５ＭＰａに圧力を低下させている。圧縮空気生成のためにコンプレッサー２７に導入する大気は、窒素、酸素、アルゴンおよび微量成分からなる。ここでは大気を窒素７６％、酸素２３％、アルゴン１％と仮定し、酸素ガスと圧縮空気の一方又は双方の酸素濃度（％）を（圧縮空気流量×０．２３＋酸素流量）／（圧縮空気流量＋酸素流量）×１００の計算式により算出している。

本実施例では、以上のような実験用溶射装置３００を使用して、ベースガス及び調整ガスを、表１〜表５に示す供給条件として溶射実験を行った。なお、溶射実験に使用した溶射材には一般的なシリカ質のものを使用した。溶射材の組成は、ＳｉＯ_２成分が８０質量％、金属シリコン粉末が１５質量％、燃焼助剤、結晶化促進剤等の添加物が５質量％である。当該溶射実験では、シャモット質キャスタブルで作成した２００ｍｍ×４００ｍｍ×４０ｍｍのパネルを灯油バーナー加熱炉のほぼ中央に設置して表面をバーナーで加熱し、放射温度計で測定した表面温度が７５０℃を超えた後放冷し、表面温度が６５０℃に達した時点で４ｋｇの溶射材を８５ｋｇ／ｈの吐出量でキャスタブルパネルに溶射している。

各条件の溶射では、適宜、作業開始時の着火状態、作業中の燃焼状態、燃焼停止（消火）状態、燃焼再開状態を目視で評価し、表中に記載している。なお、表中の「−」は、未評価であることを示している。また、表中では、便宜上、上流側から順に、第２調整ガス導入部１０を「導入部Ａ」と表記し、調整ガス導入部８を「導入部Ｂ」と表記し、第３調整ガス導入部１０を「導入部Ｃ」と表記している。

また、適宜、各条件による施工体について、付着率、施工体の見掛け気孔率、圧縮強度を評価し、表中に記載している。付着率は、溶射前後のパネルの重量増加量を測定して付着質量を算出し、溶射ランス９から吐出した溶射材の重量に対する当該付着質量の割合（百分率）を算出している。本試験条件によって５０％以上の付着率が得られれば、実際の施工を問題なく実施可能である。

施工体の見掛け気孔率、圧縮強度は、溶射実験により得られた施工体を加熱炉から取り出して表面に断熱ブランケットを配置して徐冷し、冷却後の施工体から湿式ダイアモンドカッターで４０ｍｍ×４０ｍｍ×４０ｍｍの寸法のサンプルを切り出して、１１０℃で一昼夜乾燥後に評価した（ＪＩＳ Ｒ２２０５準拠）。本詩形条件より、施工体の見掛け気孔率が４０％以下、圧縮強度が２ＭＰａ以上であれば、実際の施工において十分な耐用性を得ることが可能である。

以下、各溶射実験条件について順に説明する。表１では、導入部Ａ（第２調整ガス導入部１０）のみから酸素ガス（ベースガス）、圧縮空気（調整ガス）の一方又は双方を導入し、溶射作業を実施可能な、溶射ランス９におけるキャリアガスの酸素濃度を評価している。実施例１〜１０及び比較例１、２では、酸素ガス及び圧縮空気により構成されるキャリアガスの流量を３０Ｎｍ^３／ｈ又は３５Ｎｍ^３／ｈに固定し、酸素ガスと圧縮空気の割合を変化させている。

表１に示す実施例１〜１０から理解できるように、いずれのキャリアガス流量においても、溶射ランス９におけるキャリアガスの酸素濃度が６０体積％以上では溶射施工が可能であり、施工体品質も実使用で要求されるレベルを満足することができる。一方、表１に示す比較例１、２から理解できるように、キャリアガスの酸素濃度６０体積％を下回ると、点火せず、溶射施工が不可能になる。

また、表２では、ベースガスとして酸素ガスのみを供給し、溶射作業を実施している状況下において調整ガスを導入した場合の消火特性、及びその後に調整ガスの導入を停止した場合の作業再開性を評価している。実施例１１、１３では、導入部Ｂ（調整ガス導入部８）のみから調整ガスを導入している。実施例１２、１４では、導入部Ｃ（第３調整ガス導入部２０）のみから調整ガスを導入している。実施例１５、１６では、導入部Ａ（第２調整ガス導入部１０）のみから調整ガスを導入している。また、比較例３、４では、調整ガスを導入することなく、溶射材の供給を停止した場合の消火特性、及びその後に溶射材の供給を再開した場合の作業再開性を示している。溶射材の供給停止及び供給再開は、上述のシャッター２を遠隔操作で開閉することで行った。

なお、実施例１１〜１６では、調整ガス（圧縮空気）の導入時は、溶射ランス９におけるキャリアガスの酸素濃度は６０体積％未満であり、調整ガスの導入停止時は、溶射ランス９におけるキャリアガスの酸素濃度は６０体積％以上である。なお、調整ガスの導入及び導入停止は、電磁弁で構成した開閉弁７２、２２、８２の開閉により行い、当該開閉弁７２、２２、８２の開閉は溶射ランス９を保持している溶射実験者が遠隔で操作するようにしている。また、実施例１１〜１６では、燃焼停止後も溶射材及びキャリアガスが供給され続けるため、溶射ランス９から溶射材及びキャリアガスが吐出され続ける。この場合、多量の熱量を蓄積している実炉ではあまり問題にならないが、本実験では吐出された溶射材及びキャリアガスにより施工体が冷却され、当該冷却に起因して溶射作業の再開が困難になる可能性がある。そのため、燃焼停止中は溶射ランス９の方向を変えて被施工体に吐出物があたらないようにしている。

表２に示す実施例１１〜１６から理解できるように、いずれの調整ガス導入部から調整ガスを導入しても、瞬時に消火することができる。また、その調整ガス導入部からの調整ガスの導入を停止すれば瞬時に燃焼が再開し、溶射作業を再開することができる。一方、表２に示す比較例３、４から理解できるように、シャッター２を閉状態にして溶射材の供給を停止する場合は、溶射材の流れ込みの影響で燃焼の停止がやや緩慢であった。また、シャッター２を開状態にして溶射材の供給を再開する場合も、溶射材の供給が安定するまでに時間を要する影響で燃焼が安定するまでに時間を要した。

次いで、表３では、ベースガスとして酸素ガスのみを供給し、溶射作業を実施している状況下において強制的に先端着火を発生させ、当該先端着火の消火特性及びその後に調整ガスの導入を停止した場合の作業再開性を評価している。なお、ここでは強制的に先端着火を生じさせるために、実験炉内にシャモット質の並型れんがで囲いこんだ空間を作成し、れんがの表面温度を９００℃と高めにした上で酸素流量を２０Ｎｍ^３／ｈ以下に低下させて溶射作業を実施している。実施例１７では、導入部Ｃ（第３調整ガス導入部２０）のみから調整ガスを導入している。また、比較例５では、調整ガスを像入することなく、溶射材の供給を停止した場合の消火特性、及びその後に溶射材の供給を再開した場合の作業再開性を示している。溶射材の供給停止及び供給再開は、上述のシャッター２を遠隔操作で開閉することで行っている。

表３に示す実施例１７から理解できるように、調整ガスを導入することで先端着火を瞬時に消火することができる。また、調整ガスの導入を停止しても、瞬時に燃焼が再開し、溶射作業を再開することができる。一方、表３に示す比較例５から理解できるように、シャッター２を閉状態にして溶射材の供給を停止する場合は、溶射材の流れ込みの影響で燃焼の停止がやや緩慢であった。また、シャッター２を開状態にして溶射材の供給を再開する場合も、溶射材の供給が安定するまでに時間を要する影響で燃焼が安定するまでに時間を要した。また、本実験での試行錯誤の結果、先端着火を確認してから消火されるまでの時間が２秒程度までであれば、安全な消火やその他の対応が可能であった。例えば、酸素ガスと圧縮空気の合計ガス流量が４０Ｎｍ^３／ｈである場合、内径２５ｍｍの配管であれば１．８秒で４０ｍガスが移動することになる。そのため、調整ガスの導入位置は溶射ランス９から４０ｍ以内であれば先端着火発生に安全に対応できることになる。

続いて、搬送路における発火の抑制について例示する。本実施例では溶射装置３００のエジェクター３はＳＵＳで作製している。しかしながら、発明者らの知見によれば、デフューザー５をＳＳ（一般構造用圧延鋼材：Steel for Structure）で作製した場合、溶射材供給時にエジェクター３で発火を生じることがわかっている。そこで、ＳＳ製のデフューザー５を装着した上で導入部Ａ（第２調整ガス導入部１０）より酸素濃度６０体積％未満の酸素と圧縮空気の混合ガスを導入し、溶射作業時には、導入部Ｂ（調整ガス導入部８）又は導入部Ｃ（調整ガス導入部２０）から酸素ガスを導入して溶射ランス９におけるキャリアガスの酸素濃度を６０体積％以上にする方式について溶射試験を実施した。実施例１８〜２１では、導入部Ｂ（調整ガス導入部８）のみから調整ガスを導入している。実施例２２〜２５では、導入部Ｃ（第３調整ガス導入部２０）のみから調整ガスを導入している。また、比較例６、７では、導入部Ａ（第２調整ガス導入部１０）において調整ガスを導入することなく、酸素ガスのみをエジェクター３に供給している。

表４に示す実施例２２〜２５から理解できるように、エジェクター３に酸素濃度が低い（６０体積％未満）ベースガスを供給し、エジェクター３の下流側（調整ガス導入部８又は第３調整ガス導入部２０）から酸素を補償する調整ガスを導入することで、良好な施工が可能であり、施工体品質も問題のないものを得ることができる。一方、表４に示す比較例６、７から理解できるように、エジェクター３に酸素濃度が高い（６０体積％以上）のベースガスを供給する構成では瞬時に発火した。すなわち、このように、エジェクター３に酸素濃度が低いベースガスを供給し、エジェクター３の下流側から酸素を補償する調整ガスを導入する構成とすることで、反応性を高めた溶射材の使用等、発火が発生しやすい溶射条件においても、発火に対する安全性を高めることができる。

なお、当該構成では、溶射作業を実施している状況下において、エジェクター３の下流側で導入する調整ガスの導入を停止することで燃焼を停止することができ、その後に調整ガスの導入を再開することで溶射作業を再開することができる。また、溶射作業を実施している状況下において、溶射ランス９におけるキャリアガスの酸素濃度を低下させる調整ガスをさらに導入することでも燃焼を停止することができ、その後に当該調整ガスの導入を停止することで溶射作業を再開することもできる。

表５では、溶射ランス９におけるキャリアガスの酸素濃度を低下させる調整ガスを導入する場合の消火特性及び作業再開性を評価している。実施例２７では、導入部Ｂ（調整ガス導入部８）から酸素を補償するための酸素ガスを導入し、消火をする場合に導入部Ｃ（第３調整ガス導入部２０）から酸素濃度を低下させるための調整ガスを導入している。実施例２７では、導入部Ｃ（第３調整ガス導入部２０）から酸素を補償するための酸素ガスを導入し、消火をする場合に導入部Ｂ（調整ガス導入部８）から酸素濃度を低下させるための調整ガスを導入している。

表５に示す実施例２６、２７から理解できるように、いずれの調整ガス導入部から酸素濃度を低下させるための調整ガスを導入しても、瞬時に消火することが可能である。また、当該調整ガスの導入を停止すれば瞬時に燃焼が再開し、溶射作業を再開することが可能である。

以上のように、本発明によれば、金属燃焼溶射において、先端着火が生じた際の消火及び溶射作業の再開が容易になり、溶射作業の作業性の低下を最小限に抑えながら、逆火や発火のリスクを低減することができる。また、高い反応性を有する溶射材の発火に対する安全性を大幅に高めることが可能になる。

本発明は、金属燃焼溶射において、先端着火を確実に消火できるとともに、消火後に容易に溶射作業を再開でき、溶射装置及び溶射方法として有用である。

１００、２００、３００ 溶射装置
３ エジェクター（固気混合部）
４ エジェクターノズル
５ デフューザー
７ 搬送管
８ 調整ガス導入部
９ 溶射ランス
１０ 第２調整ガス導入部
１１ ベースガス導入管
２０ 第３調整ガス導入部
２１ 調整ガス導入管
２２、７２、８２ 開閉弁

Claims (7)

1. 耐火性の粉粒体及び可燃性の紛体を含む溶射材をキャリアガスとともに搬送し、被施工体に吹き付ける溶射装置であって、
   前記溶射材及び前記キャリアガスを前記被施工体へ吹き付ける溶射ランスと、
   前記キャリアガスと前記溶射材とを混合して下流側へ送出する固気混合部と、
   前記固気混合部に、前記キャリアガスを構成するベースガスを供給するベースガス導入管と、
   前記固気混合部の下流側に接続され、前記固気混合部において混合された、前記溶射材及び前記キャリアガスを、前記溶射ランスへ搬送する搬送管と、
   前記ベースガス導入管に設けられ、前記キャリアガスを構成するとともに、前記ベースガスと混合することで、前記溶射ランスにおける前記キャリアガスの支燃性ガス濃度を調整する調整ガスを導入する調整ガス導入部と、
   を備える溶射装置。
2. 前記ベースガスが酸素濃度６０体積％以上のガスであり、前記調整ガスが酸素濃度６０体積％未満のガスである、請求項１に記載の溶射装置。
3. 前記ベースガスが酸素濃度６０体積％未満のガスであり、前記調整ガスが酸素濃度６０体積％以上のガスである、請求項１に記載の溶射装置。
4. 上記調整ガスが、空気、窒素、アルゴン、二酸化炭素及び酸素からなる群から選択される少なくとも１種のガスである、請求項１又は請求項２に記載の溶射装置。
5. 上記調整ガスが、空気、窒素、アルゴン、及び二酸化炭素からなる群から選択される少なくとも１種のガスと酸素との混合ガス、又は純酸素である、請求項３に記載の溶射装置。
6. 耐火性の粉粒体及び可燃性の紛体を含む溶射材をキャリアガスとともに搬送し、被施工体に吹き付ける溶射装置に適用される溶射方法であって、
   前記溶射材及び前記キャリアガスを前記被施工体に吹き付ける溶射ランスにおける前記キャリアガスの酸素濃度を６０体積％以上に維持した状態で溶射作業を実施するステップと、
   前記溶射ランスにおいて先端着火が発生した場合、前記溶射材を投入する固気混合位置よりも上流側において、調整ガスを導入することで、前記溶射ランスにおける前記キャリアガスの酸素濃度を６０体積％未満にすることで消火するステップと、
   を有する溶射方法。
7. 耐火性の粉粒体及び可燃性の紛体を含む溶射材をキャリアガスとともに搬送し、被施工体に吹き付ける溶射装置に適用される溶射方法であって、
   前記溶射材及び前記キャリアガスを前記被施工体に吹き付ける溶射ランスにおける前記キャリアガスの酸素濃度を６０体積％以上に維持した状態で溶射作業を実施するステップと、
   前記溶射ランスにおいて先端着火が発生した場合、前記溶射ランスにおける前記キャリアガスの酸素濃度を６０体積％未満にすることで消火するステップと、
   を有し、
   前記溶射ランスにおける前記キャリアガスの酸素濃度を６０体積％以上に維持した状態で溶射作業を実施するステップにおいて、前記溶射材を投入する固気混合位置よりも上流側又は下流側において、調整ガスを導入することで、前記キャリアガスの酸素濃度を６０体積％以上にし、
   前記溶射ランスにおける前記キャリアガスの酸素濃度を６０体積％未満にすることで消火するステップにおいて、前記調整ガスの導入を停止することで、前記キャリアガスの酸素濃度を６０体積％未満にする、溶射方法。

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