JP6315868B1

JP6315868B1 - ガス切断火口

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Publication number: JP6315868B1
Application number: JP2017228387A
Authority: JP
Inventors: 佐野　義美; 義美佐野; 伸明福島; 智也狩野
Original assignee: Nissan Tanaka Corp
Current assignee: Nissan Tanaka Corp
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2037-11-28
Also published as: CN111373199A; TWI744567B; JP2019100561A; KR102231980B1; KR20200064155A; WO2019107245A1; TW201925683A

Abstract

【課題】製造コストを増加させることなく、ガス切断性能の低下が発生しにくいガス切断火口を提供する。【解決手段】ガス切断火口１００は、少なくとも一部が耐脱亜鉛性が高い黄銅により形成された内部芯棒１と、前記内部芯棒１の外面との間に通路を形成する外部火口２と、を備える。前記内部芯棒１は、ＩＳＯ６５０９に準拠する脱亜鉛腐食試験において、最大脱亜鉛深さ２００μｍ以下である黄銅により形成されていてもよく、ＩＳＯ６５０９に準拠する脱亜鉛腐食試験において、最大脱亜鉛深さ５０μｍ以下である黄銅により形成されていてもよい。【選択図】図１

Description

この発明は、ガス切断火口に関する。

鋼板のガス切断に用いられるガス切断火口は、ガス切断時にスパッタ（溶融鉄）が端面や内部のガス経路に付着すると、ガスの流れが不均一となり、ガス切断性能が低下する。

一般的に、ガス切断火口の内部芯棒のガス経路に付着したスパッタを除去することでガス切断性能を復旧させる手段がとられているが、加工箇所が多い内部芯棒は被削性の良い材料（例えば、黄銅）が使用されていることが多いため、付着したスパッタを除去する際に、内部芯棒の形状を損傷させてしまい、その結果としてガス切断性能が低下することがあった。

ガス切断火口のガス経路へのスパッタの付着や、付着したスパッタを除去する清掃作業に伴う内部芯棒の形状の損傷により生じるガス切断性能の低下が発生しにくいガス切断火口が考案されている（特許文献１〜３参照）。例えば特許文献１に記載のガス切断火口は、内部芯棒がステンレスやセラミックスで形成されており、ノズルの形状の損傷を防いでいる。また、内部芯棒にメッキによる表面処理を施すことで、内部芯棒の形状の損傷を防ぐガス切断火口も考案されている。

特開２０００−２４９３１５号公報特開２０１６−１４７２９１号公報特開平６−７４４２６号公報

しかしながら、内部芯棒をステンレスやセラミックスで形成する場合や、内部芯棒にメッキによる表面処理を施す場合、内部芯棒を一般的な材料である黄銅のみで形成する場合と比較して、製造コストが高くなるという問題があった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、製造コストを増加させることなく、ガス切断性能の低下が発生しにくいガス切断火口を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明に係るガス切断火口は、少なくとも一部が耐脱亜鉛性が高い黄銅により形成された内部芯棒と、前記内部芯棒の外面との間に通路を形成する外部火口と、を備え、前記内部芯棒は、少なくとも、Ｃｕ：５９．０〜６７．０重量％、Ｐｂ：１．０〜４．０重量％、Ｆｅ：０．８重量％以下、Ｓｎ：０．１〜２．３重量％を含有し、残部をＺｎとする黄銅により形成されている。

本発明に係るガス切断火口によれば、製造コストを増加させることなく、ガス切断性能の低下が発生しにくいガス切断火口を提供することができる。

本実施形態に係るガス切断火口の全体構成を示す図である。同ガス切断火口の底面図である。内部芯棒の耐久試験におけるピアシング回数の測定結果を示すグラフである。メンテナンスが必要であると判定されるまでのピアシング回数の測定結果を示すグラフである。ガス切断の切断面品質の評価に基づく耐久試験におけるピアシング回数の測定結果を示すグラフである。内部芯棒の耐メンテナンス性能評価における火口掃除針の往復回数を示すグラフである。

本発明の一実施形態について、図１から図２を参照して説明する。なお、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法等は適宜調整されている。

図１は、本実施形態に係るガス切断火口１００の全体構成を示す図である。図２は図１のガス切断火口１００の底面図である。
ガス切断火口１００は、プロパンガス・ＬＮＧなどの炭化水素系ガスや水素ガスなどのガスを用いて鋼板等を切断する際に用いる火口である。
ガス切断火口１００は、切断酸素の流通孔１ａを有する内部芯棒１と、外部火口２と、口金５と、を備える。

内部芯棒１は、図１に示すように、長尺の円筒形状であり、先端側の底面に近づくにしたがって窄まる形状を有している。また、内部芯棒１は、図１および図２に示すように、長手方向の中心軸に沿って延びる流通孔１ａを有しており、流通孔１ａは底面において外部空間に通じしている。
また、内部芯棒１の先端側である先端部外面１ｇｔには、図１および図２に示すように、山部１ｂと溝１ｃとからなる歯車(ギヤ)状のスリット部が形成されている。
内部芯棒１は、先端側の反対側である基端側において、口金５に螺着され、内部芯棒１は口金５に嵌合されて互いに一体とされている。

内部芯棒１は、耐脱亜鉛性が高い黄銅（以下、「耐脱亜鉛黄銅」という）で形成されている。内部芯棒１は、熱伝導性および耐熱性が高く、なおかつ、製造コスト等の経済性も高い黄銅で形成されている。また、内部芯棒１には山部１ｂと溝１ｃとからなる歯車(ギヤ)状のスリット部等の加工箇所が多いため、被削性の観点においても黄銅が内部芯棒１の材料として適している。

また、発明者らの分析の結果、通常は水道等の流水部において脱亜鉛現象を防ぐために用いられる耐脱亜鉛黄銅が、内部芯棒１の材料として適していることを見出した。ここで、脱亜鉛現象とは、黄銅に含まれる亜鉛が黄銅から離脱する現象である。耐脱亜鉛黄銅は、水道等の流水部に用いられ、例えば塩素消毒された水道水に長期間にわたって晒される場合にイオン化傾向の大きい亜鉛が電解腐食により溶出する脱亜鉛現象を好適に防止することができる。

従来のガス切断火口の内部芯棒においては、水道水等に晒される部分がなく、黄銅の脱亜鉛現象は無関係であると考えられていたところ、発明者らの分析の結果、従来のガス切断火口の内部芯棒において、ガス切断時の加熱により、黄銅の脱亜鉛現象が発生していることを見出した。
脱亜鉛現象が発生した内部芯棒は、表面に赤色のスポンジ状の銅が残存した状態となり、組織が多孔質になり脆くなる。そのため、脱亜鉛現象が発生した黄銅は、付着したスパッタ（溶融鉄）を除去する清掃作業の際に、内部芯棒の先端部分や内部芯棒の流通孔の形状が損傷しやすく、その結果としてガス切断性能が低下しやすい。例えば、流通孔のガス経路に３μｍ程度の凹凸形状の傷がつくだけで、ガス切断性能は大きく低下する。さらに、脱亜鉛現象が発生した黄銅は、粗さが増大するため、スパッタが付着しやすくなり、付着したスパッタを除去する清掃作業の回数を増加させる。

一方、本実施形態に係るガス切断火口１００の内部芯棒１は、耐脱亜鉛黄銅により形成されているため、上記のような黄銅の脱亜鉛現象の発生を好適に低減させることができる。その結果、スパッタを除去する清掃作業に伴う内部芯棒１の形状の損傷によるガス切断性能の低下の発生を好適に低減させることができる。

ここで、耐脱亜鉛黄銅とは、例えば、ＩＳＯ６５０９の評価基準を満たす黄銅である。内部芯棒１の形成に用いる耐脱亜鉛黄銅は、ＩＳＯ６５０９脱亜鉛試験において、最大脱亜鉛深さが２００μｍ以下のものであり、５０μｍ以下のものがより好ましい。内部芯棒１の形成に用いる耐脱亜鉛黄銅は、例えば、表１に示す成分で構成された黄銅である。

内部芯棒１は、耐脱亜鉛黄銅により形成し、熱処理を施すことで、脱亜鉛現象を起こしやすいβ層を消失させることで、耐脱亜鉛性を向上させることが好ましい。

外部火口２は、図１および図２に示すように、長尺の円筒形状であり、内部芯棒１の中心軸方向に見て同心円状に内部芯棒１に嵌合しており、外部火口２の内面２ｎと内部芯棒１の外面１ｇとの間に予熱酸素と燃焼ガスを混合した混合ガスの通路３を形成している。通路３は、図２に示すように、底面において外部空間に通じしている。また、外部火口２の底面側である先端部内面２ｎｓは、図２に示すように、内部芯棒１の山部１ｂの外周部に嵌合されている。

本実施形態において、外部火口２は内部芯棒１と別体であるため、外部火口は、内部芯棒１と同じ材料ではなく、例えば銅などで形成されていてもよい。
なお、外部火口２は内部芯棒１と一体に形成されていてもよく、その場合、外部火口２も耐脱亜鉛黄銅により形成される。

口金５には、図１に示すように、流通孔１ａに通じる切断酸素口５ａと、通路３に通じる予熱酸素口５ｂおよび燃焼ガス口５ｃが設けられている。

次にガス切断火口１００を用いたガス切断の動作について説明する。
予熱酸素とプロパンガス等の燃焼ガスが予熱酸素口５ｂと燃焼ガス口５ｃから通路３に送り込まれて混合され、その混合ガスが外部に噴出されて予熱炎を生じさせる。それと同時に、切断酸素が切断酸素口５ａから流通孔１ａを経由して噴出される。
通路３から噴出する予熱炎で鋼板の切断開始部を発火温度に加熱し、そこへ流通孔１ａから切断酸素を噴流状にして噴きつけ、鋼中の鉄を燃焼させ、その熱で母材を溶融させると同時に、燃焼生成物を切断酸素噴流の機械的エネルギーで吹き飛ばし、溝状に除去することによって切断を行う。吹き飛ばされた燃焼生成物（スパッタ）の一部が流通孔１ａ等に接触するが、内部芯棒１は表面が粗くなる脱亜鉛現象が発生しにくいため、スパッタが付着しにくい。

（一実施形態の効果）
本実施形態のガス切断火口１００によれば、表面が粗くなる脱亜鉛現象が発生しにくいためにスパッタが付着しにくい。また、表面が脆くなる脱亜鉛現象が発生しにくいため、付着したスパッタを除去する清掃作業に伴う内部芯棒１の形状の損傷が発生しにくい。これらの効果により、ガス切断火口１００のガス切断性能の低下の発生を好適に低減させることができる。

以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。また、上述の一実施形態および以下で示す変形例において示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。

（変形例１）
上記実施形態において、ガス切断火口１００の混合ガスを噴出させる部分の形状は、歯車(ギヤ)状のスリット部であったが、混合ガスを噴出させる部分の形状はこれに限定されない。混合ガスを噴出させる部分の形状は、流通孔１ａの周りに配置された６つの小さな孔（梅鉢形）等であってもよい。混合ガスを噴出させる部分の形状は、切断酸素が噴出する流通孔１ａの周りを囲うように形成されていれば、どのような形状であってもよい。

（変形例２）
上記実施形態において、内部芯棒１の全体が耐脱亜鉛黄銅により形成されていたが、内部芯棒の態様はこれに限定されない。内部芯棒１は、スパッタが付着しやすい箇所、例えば内部芯棒の歯車(ギヤ)状のスリット部や、内部芯棒の先端部分や、内部芯棒の流通孔が耐脱亜鉛黄銅により形成されていればよい。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実験１）
ガス切断火口の内部芯棒の耐久試験を行った。鋼板に対するピアシング（穴あけ）を連続で行い、目視にて予熱炎および切断酸素の流れが不均一（可視気流が短くなる等）となった際に、一定のスパッタが内部芯棒等のガス経路に付着したと判断し、スパッタを除去する清掃作業を実施した。清掃作業を実施しても予熱炎および切断酸素の流れが不均一である場合に、ガス切断火口が製品寿命に達したと判断して、それまでのピアシング回数の合計を計測した。

表２に、耐久試験に用いたガス切断火口の内部芯棒の種類を示す。比較例１は、耐脱亜鉛性が高くない黄銅で形成された従来の内部芯棒である。比較例２は、比較例１の内部芯棒の流通孔にクロムメッキを施した内部芯棒である。実施例１は、上記実施形態の内部芯棒１である。なお、実施例１の内部芯棒１は、ＩＳＯ６５０９に準拠する脱亜鉛腐食試験において、最大脱亜鉛深さ５０μｍ以下である黄銅により形成されている。

図３にピアシング回数の測定結果を示す。結果は複数のサンプルの計測結果の平均値である。従来品である比較例１は、製品寿命までのピアシング回数の平均が約５０回であった。一方、実施例１は、製品寿命までのピアシング回数の平均が約５００回であった。実施例１は、比較例１と比較して、大幅に製品寿命が長くなっている。実施例１は内部芯棒１が耐脱亜鉛黄銅により形成されており、スパッタが付着しにくく、また、付着したスパッタを除去する際も、内部芯棒１の形状が損傷しにくいため、製品寿命が長くなったと考察される。

図３に示すように、内部芯棒の流通孔にクロムメッキを施した比較例２は、製品寿命までのピアシング回数の平均が約４００回であり、比較例１と比較して、大幅に製品寿命が長くなっている。クロムメッキにより内部芯棒の表面の硬度が高くなり、付着したスパッタを除去する際、内部芯棒の形状が損傷しにくいため、製品寿命が長くなったと考察される。しかしながら、クロムメッキを施す比較例２の内部芯棒は、実施例１の内部芯棒１と比較して、製造コストが高くなってしまう。

（実験２）
次に、ガス切断火口のメンテナンス（付着したスパッタの除去）が必要となるまでのピアシング回数を測定した。鋼板に対するピアシング（穴あけ）を連続で行い、目視にて予熱炎および切断酸素の流れが不均一（可視気流が短くなる等）となった際に、メンテナンスが必要であると判定した。実験２で用いたガス切断火口の内部芯棒の種類は、実験１と同様であり、比較例１、比較例２および実施例１である。

メンテナンスの実施の必要性の判定は、３つのレベルに分けて行った。
「メンテナンスレベル１」は、外部火口および内部芯棒の歯車(ギヤ)状のスリット部のメンテナンスが必要であると判定するケースである。
「メンテナンスレベル２」は、メンテナンスレベル１のメンテナンスでは不十分であり、さらに内部芯棒の先端部分のメンテナンスも必要であると判定するケースである。
「メンテナンスレベル３」は、メンテナンスレベル２のメンテナンスでは不十分であり、さらに内部芯棒の流通孔のメンテナンスも必要であると判定するケースである。

図４にメンテナンスが必要であると判定されるまでのピアシング回数の測定結果を、メンテナンスレベルごとに示す。
図４に示すように、比較例１および比較例２と比較して、実施例１はメンテナンスが必要であると判定されるまでのピアシング回数が多い。特に、実施例１はメンテナンスレベル３のメンテナンスが必要であると判定されるまでのピアシング回数が多い。実施例１は、内部芯棒１の流通孔１ａへのスパッタの付着を好適に防ぐことができていると考察される。

（実験３）
実際のガス切断の切断面品質の評価に基づく、ガス切断火口の内部芯棒の耐久試験を行った。表３に示す切断条件においてガス切断を行った。実験３で用いたガス切断火口の内部芯棒の種類は、実験１と同様であり、比較例１、比較例２および実施例１である。

切断面品質の評価は、（ａ）ピアシング５回ごとに可視気流の長さを確認し、可視気流の長さが極端に短くなった場合に、もしくは、（ｂ）ピアシング２５回ごとに必ず、行った。
切断面品質が悪くなった場合、外部火口および内部芯棒の歯車(ギヤ)状のスリット部（メンテナンスレベル１）、内部芯棒の先端部分（メンテナンスレベル２）、内部芯棒の流通孔（メンテナンスレベル３）のメンテナンスを行い、再度切断面品質を評価した。メンテナンスを行っても切断面品質が改善されなくなった時点でガス切断火口の製品寿命と判断して、それまでのピアシング回数の合計を測定した。

図５にピアシング回数の測定結果を示す。実施例１は、切断面品質に基づく評価においても、比較例１と比較して、大幅に製品寿命が長くなっている。実施例１は内部芯棒１が耐脱亜鉛黄銅により形成されており、スパッタが付着しにくく、また、付着したスパッタを除去する際も、内部芯棒１の形状が損傷しにくいため、製品寿命が長くなったと考察される。

表４に、実験３において、除去できないスパッタが発生したピアシング回数を示す。いずれの場合も、除去できないスパッタが発生したピアシングの後にガス切断火口の製品寿命に達したと判断されている。除去できないスパッタの発生が、切断面品質に大きな影響を与えていると考察される。除去できないスパッタを付着させないことが、ガス切断火口の製品寿命を延ばす上で重要であると考察される。

（実験４）
次に、内部芯棒の耐メンテナンス性能を評価した。実験４では、ステンレス製の火口掃除針で内部芯棒の流通孔をメンテナンスし、火口掃除針を流通孔内部で１０往復させるごとに、可視気流の長さを測定した。測定開始時と比較して、可視気流長さが短くなるまでの火口掃除針の往復回数を測定した。メンテナンスにおいては、一か所のみが摩耗するように力を加えた。

図６に測定した火口掃除針の往復回数を示す。比較例２および実施例１が、比較例１と比較して、往復回数が多く、すなわちメンテナンスに対する耐久性が高い。特に、比較例２は表面がクロムメッキにより硬くなっているため、耐久性が高くなっていると考察される。
一方で、ガス切断火口としての製品寿命は、実験１から実験３の結果が示すように、比較例２より実施例１の方が長い。すなわち、比較例１の特徴である表面の硬度より、実施例１の特徴である耐脱亜鉛性の良さの方が、ガス切断火口としての製品寿命にとって重要であると考察される。

（実験５）
参考として、従来のガス切断火口において発生する脱亜鉛現象についての実験結果について説明する。
耐脱亜鉛性が高くない黄銅で形成された従来の内部芯棒の成分分析を、加熱前および加熱後（１０分後および２０分後）において行った。内部芯棒は、プロパンガスを用いて鋼板を切断する際と同じ構成および手順により加熱された。

分析結果を表５に示す。加熱によって亜鉛（Ｚｎ）の成分が減少し、銅（Ｃｕ）の成分が増加している。加熱により、内部芯棒に亜鉛の蒸発酸化による脱亜鉛現象が発生していると考えられる。内部芯棒の表面部分は、表５に示す成分分析の結果と比較して、より顕著に脱亜鉛現象が発生していると考えられる。

本発明は、プロパンガス・ＬＮＧなどの炭化水素系ガスや水素ガスなどのガスを用いるガス切断火口に適用することができる。

１００ガス切断火口
１内部芯棒
１ａ流通孔
１ｂ山部
１ｃ溝
１ｇ外面
１ｇｔ先端部外面
２外部火口
２ｎ内面
２ｎｓ先端部内面
３通路
５口金
５ａ切断酸素口
５ｂ予熱酸素口
５ｃ燃焼ガス口

Claims

少なくとも一部が耐脱亜鉛性が高い黄銅により形成された内部芯棒と、
前記内部芯棒の外面との間に通路を形成する外部火口と、を備え、
前記内部芯棒は、少なくとも、Ｃｕ：５９．０〜６７．０重量％、Ｐｂ：１．０〜４．０重量％、Ｆｅ：０．８重量％以下、Ｓｎ：０．１〜２．３重量％を含有し、残部をＺｎとする黄銅により形成されている、
ガス切断火口。
前記内部芯棒は、少なくとも切断酸素が通過する流通孔の表面が、耐脱亜鉛性が高い黄銅により形成されている、
請求項１に記載のガス切断火口。
前記内部芯棒は、少なくとも先端部分の表面が、耐脱亜鉛性が高い黄銅により形成されている、
請求項１に記載のガス切断火口。