WO2011132496A1

WO2011132496A1 - ガス切断方法及びガス切断装置、ならびに切断火口

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Publication number: WO2011132496A1
Application number: PCT/JP2011/057206
Authority: WO
Inventors: 佐藤　豊幸; 康之山本; 加藤　隆; 正幸長堀; 洋丘上木原; 隆志武田
Original assignee: Nissan Tanaka Corp; Nippon Sanso Holdings Corp
Current assignee: Nissan Tanaka Corp; Nippon Sanso Holdings Corp
Priority date: 2010-04-20
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2011-10-27
Anticipated expiration: 2012-10-20
Also published as: JP5859957B2; SG184920A1; US20130032250A1; CN102869471A; JPWO2011132496A1; PH12012502090A1; CN102869471B

Abstract

　本発明は、水素ガスと炭化水素系ガスとを混合して燃料ガスを得、前記燃料ガスと予熱用酸素ガスとを混合及び着火して形成される予熱炎を、切断火口の先端から噴射してワークを加熱し、切断用酸素ガスを前記加熱されたワークに噴射してワークを切断し、前記燃料ガスにおける炭化水素系ガスの含有量が０体積％超、４体積％以下であることを特徴とするガス切断方法、ガス切断装置、及び切断火口を提供する。

Description

ガス切断方法及びガス切断装置、ならびに切断火口

　本発明は、ガス切断方法及びガス切断装置、ならびに切断火口の改良に関する。
　本願は、２０１０年４月２０日に、日本に出願された特願２０１０－０９７２５８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　鋼板などのワークを切断する場合に、ワークの切断開始点を予熱炎によって酸化反応が可能な温度まで加熱し、加熱された部分に高純度の酸素ガスを噴射して燃焼、溶融させることによりワークを切断するガス切断方法が広く用いられている。

　このガス切断方法における予熱炎の形成のために予熱孔に燃料ガスとして炭化水素系ガス（ＬＰＧ、ＬＮＧ、都市ガス、アセチレン、プロパン、メタン、エチレン、プロピレン、ブタンなど、またはこれらの混合ガス）及びこの燃料ガスを効率的に燃焼させるための予熱酸素ガスが用いられることが一般的であった。

　近年、予熱炎の形成には、炭化水素系ガスに代えて水素ガスを主成分とする燃料ガスを用いられることが行われている。水素ガスを主成分とする燃料ガスを用いるガス切断方法としては、特許文献１や特許文献２が知られている。

　ここで、特許文献１には、酸素と水素との混合ガス（酸水素ガス）に、爆発下限界未満の濃度となるように炭化水素系ガスを混合するガス切断方法が記載されている。具体的には、酸水素ガスの爆発下限界未満とするためには、燃料ガス中の炭化水素系ガスの比率を３０％以上とする必要があることが開示されている。

　また、特許文献２には、酸素と水素との混合ガス（酸水素ガス）にＬＰガスを、酸水素ガス対ＬＰガスの流量比２５：１～３５：１の範囲にて加えた熱源を用いるガス切断方法が記載されている。

　具体的には、図９に示すガス切断装置１０１では、酸水素ガス発生器１０３で発生する酸水素ガスを供給経路Ｌ１０１に供給し、ＬＰガスボンベ１０４からＬＰガスを供給経路Ｌ１０３に供給し、供給経路Ｌ１０１と供給経路Ｌ１０３との合流点Ａにおいて上記範囲となるように混合した後に、切断吹管１０２へと供給する。そして、切断吹管１０２の先端に設けられた切断火口１０６から予熱炎を発生させるものである。

特開２００７－０００９０２号公報特許第３５６３６６０号公報

　しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載されたガス切断方法では、水素ガスに混合する炭化水素系ガス濃度が高くなるほど切断速度などの切断性能が低下することが確認されており、水素ガスの切断性能を十分引き出すためには、混合する炭化水素系ガスあるいはＬＰガスの比率を低くする必要があった。
　一方、炭化水素系ガスあるいはＬＰガスを全く混ぜない燃料ガスとして水素１００％とすると、火口先端の白心が見えなくなるため予熱炎の調整が出来なくなる問題があった。

　また、爆発性ガスである酸素と水素との混合ガスを用いることは、炭化水素系ガスの圧力低下や機器の関連で混合トラブルが発生した際などに酸水素ガスの供給経路全体（例えば、図９に示す供給経路Ｌ１０１の全体）の爆発の危険性があるという問題があった。

　本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、安全であり、切断性能に優れ、予熱炎の調整も容易にできるガス切断方法及びこれに用いるガス切断装置ならびに切断火口を提供することを目的とする。

　かかる課題を解決するため、本発明は、以下である。
　（１）水素ガスと炭化水素系ガスとを混合して燃料ガスを得、
　前記燃料ガスと予熱用酸素ガスとを混合及び着火して形成される予熱炎を、切断火口の先端から噴射してワークを加熱し、
　切断用酸素ガスを前記加熱されたワークに噴射してワークを切断し、
　前記燃料ガスにおける炭化水素系ガスの含有量が０体積％超、４体積％以下であることを特徴とするガス切断方法。

　（２）前記炭化水素系ガスがプロパンであり、
　前記燃料ガスにおけるプロパンの含有量が０．４体積％以上、４体積％以下であることを特徴とする（１）記載のガス切断方法。
　（３）前記炭化水素系ガスがメタンであり、
　前記燃料ガスにおけるメタンの含有量が３体積％以上、４体積％以下であることを特徴とする（１）～（２）のいずれか一項に記載のガス切断方法。
　（４）前記炭化水素系ガスがブタンであり、
　前記燃料ガスにおけるブタンの含有量が０．２体積％以上、４体積％以下であることを特徴とする（１）～（３）のいずれか一項に記載のガス切断方法。
　（５）前記燃料ガスと前記予熱用酸素ガスとの混合を、
　切断吹管の内部、切断火口の内部又は切断火口の先端で行なうことを特徴とする（１）～（４）のいずれか一項に記載のガス切断方法。

（６）前記予熱炎を前記切断火口の先端からワークに噴射する際に、
　前記切断火口の軸方向中心に向けて前記予熱炎を傾斜させることを特徴とする（１）～（５）のいずれか一項に記載のガス切断方法。

　（７）前記水素ガス及び前記予熱用酸素ガスの少なくともいずれか一方を、水素と酸素とを別々に取り出すとともに、
　水素中の酸素成分あるいは酸素中の水素成分を爆発下限界未満とすることができる水分解装置から供給することを特徴とする（１）～（６）のいずれか一項に記載のガス切断方法。
　なお、水素と酸素とを別々に取り出すことができることの定義は、前記水素ガス中の酸素ガス濃度及び酸素ガス中の水素ガス濃度が、それぞれ爆発下限界未満であることである。

　（８）水素ガスと炭化水素系ガスを混合して燃料ガスを得る混合器と、
　前記燃料ガスと予熱用酸素ガスとにより予熱炎を形成する予熱孔、及び切断用酸素ガスを噴射してワークを切断する切断酸素孔を有する切断火口と、
　前記切断火口が先端に設けられた切断吹管と、
　前記燃料ガスを前記切断吹管又は前記切断火口に供給する燃料ガス供給経路と、
　前記予熱用酸素ガスを前記切断吹管又は前記切断火口に供給する予熱用酸素ガス供給経路と、
　前記水素ガスを前記混合器に供給する水素ガス供給源と、
　前記炭化水素系ガスを前記供給経路に供給する炭化水素系ガス供給源と、
　前記予熱用酸素ガスを前記予熱用酸素ガス供給経路に供給する酸素ガス供給源と、が設けられ、
　前記燃料ガス中の炭化水素系ガス含有量が０体積％超、４体積％以下であり、
　前記燃料ガス供給経路と前記予熱酸素ガスの供給経路とが、前記切断吹管の内部、前記切断火口の内部又は前記切断火口の外部で合流することを特徴とするガス切断装置。

　（９）　ガス切断装置の切断火口であって、
　前記切断火口の軸方向中央を貫通する切断用酸素ガス流路と、
　燃料ガス流路と予熱用酸素ガス流路が合流して形成される流路であって、前記切断用酸素ガス流路の外側に設けられた予熱ガス流路と、
　前記切断用酸素ガス流路の先端に設けられた切断酸素孔と、
　前記予熱ガス流路の先端に設けられた予熱孔と、を備え、
　前記予熱ガス流路の先端側が、前記切断用酸素ガス流路の延長線に向けて傾斜されていることを特徴とする切断火口。
（１０）前記余熱ガス流路の先端側の延長線と前記切断用酸素ガス流路の延長線の交差点から切断火口先端までの距離が、１０～２０ｍｍであることを特徴とする（９）に記載の切断火口。
（１１）ガス切断装置の切断火口であって、
　前記切断火口の軸方向中央を貫通する切断用酸素ガス流路と、
　前記切断用酸素ガス流路の外側に設けられた燃料ガス流路と、
　前記切断用酸素ガス流路の外側に設けられた予熱用酸素ガス流路と、
　前記切断用酸素ガス流路の先端に設けられた切断酸素孔と、
　前記燃料ガス流路の先端に設けられた予熱孔と、
　前記予熱用酸素ガス流路の先端に設けられた予熱孔と、を備え、
　前記燃料ガス流路と前記予熱用酸素ガス流路が前記切断火口の内部で独立し、
　前記燃料ガス流路の先端側及び前記予熱用酸素ガス流路の先端側が、前記切断用酸素ガス流路の延長線に向けて傾斜されていることを特徴とする切断火口。

　本発明のガス切断方法及びガス切断装置によれば、燃料ガスの主成分である水素ガスと酸素ガスとを切断吹管又は切断火口まで混合しないため、燃料ガス供給経路での爆発の危険性を大幅に低減して安全性を高めることができる。

　また、燃料ガスの主成分である水素ガスに混合する炭化水素系ガスの比率を０体積％越（白心が見える最低比率）、４体積％以下（切断速度維持可能な最高比率）という低い比率で設定するため、水素ガス本来の優れた切断性能を確保しつつ、白心が視認可能となり、予熱炎の調整を容易にすることができる。

　更に、予熱ガス経路の先端側を火口の中心方向に傾斜させた切断火口を組み合わせることによって、より集中した予熱が可能となる。この効果によって主にピアシング（穴あけ）加工の際に度々発生する溶融金属の吹き上がりで火口の予熱ガス流路が塞がれるために発生する逆火を抑制でき、爆発の危険性を低減できると共にピアシング予熱時間の低減が可能となる。

本発明の一実施形態であるガス切断装置を示す系統図である。本発明の一実施形態であるガス切断装置に用いる切断火口を示す拡大断面図である。燃料ガスにおける酸素中水素の爆発範囲及び酸素中プロパンの爆発範囲を示す三角図である。本発明のガス切断装置に用いる切断火口の他の例を示す断面模式図である。本発明の検証試験１における燃料ガス中のプロパン濃度と最高切断速度との関係を示す図である。（ａ）本発明の検証試験２において、燃料ガスとして１００％水素ガスを用いた場合の、燃料ガスと切断火口の先端に発生する白心の状態との関係を示す図である。（ｂ）本発明の検証試験２において、燃料ガスとして水素ガスと１％プロパンガスとの混合ガスを用いた場合の、燃料ガスと切断火口の先端に発生する白心の状態との関係を示す図である。（ｃ）本発明の検証試験２において、燃料がストして水素ガスと３％メタンガスとの混合ガスを用いた場合の、燃料ガスと切断火口の先端に発生する白心の状態との関係を示す図である。（ａ）本発明の検証試験３において、傾斜を設けた場合の、切断火口内の流路と予熱ガスの状況との関係を示す図である。（ｂ）本発明の検証試験３において、傾斜を設けない場合の、切断火口内の流路と予熱ガスの状況との関係を示す図である。本発明の検証試験３におけるピアシング予熱時間の測定結果を示す図である。従来のガス切断装置の構成を示す系統図である。

　以下、本発明を適用した一実施形態であるガス切断方法について、これに用いるガス切断装置及び切断火口とともに図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

　図１は、本発明の一実施形態であるガス切断方法に用いるガス切断装置を示す系統図である。図１に示すように、本実施形態のガス切断装置１は、予熱孔７と切断酸素孔８とが設けられた切断火口６を有する切断吹管２と、水素ガスを供給する水素ガス供給源３と、炭化水素系ガスを供給する炭化水素系ガス供給源４と、予熱用酸素ガスを供給する酸素ガス供給源５と、水素ガスと炭化水素系ガスとからなる燃料ガスを切断火口６に供給する燃料ガス供給経路Ｌ１と、予熱用酸素ガスを切断火口６に供給する予熱用酸素ガス供給経路Ｌ２と、を備えて概略構成されている。

　切断吹管２は、特に限定されるものではなく、一般的な切断吹管を適用することができる。

　切断火口６は、切断吹管２の先端に設けられている。この切断火口６の先端には、燃料ガスと予熱用酸素ガスとにより予熱炎を形成するための予熱孔７と、切断用酸素ガスを噴射してワークを切断するための切断酸素孔８とが設けられている。また、切断火口６の基端には、燃料ガス流路９及び予熱用酸素ガス流路１０、並びに切断用酸素ガス流路１１が設けられている。そして、燃料ガス流路９と予熱用酸素ガス流路１０とが当該切断火口６の内部で合流している。

　燃料ガス供給経路Ｌ１は、一端が水素ガス供給源３と接続されており、他端が切断火口６の燃料ガス流路９と接続されている。また、燃料ガス供給経路Ｌ１には、混合装置１２が設けられており、この混合装置１２には炭化水素系ガス供給経路Ｌ３を介して炭化水素系ガス供給源４が接続されている。これにより、水素ガス供給源３から水素ガスが、炭化水素系ガス供給源４から炭化水素系ガスがそれぞれ混合装置１２に供給され、水素ガスに０体積％超４体積％以下の炭化水素系ガスが混合された混合ガスが生成される。そして、混合装置１２より下流の燃料ガス供給経路Ｌ１には、この混合ガスが燃料ガスとして供給される。

　ここで、本実施形態の燃料ガスは、以下に示す検証試験で説明するように、水素ガスに０体積％超４体積％以下の炭化水素系ガスを混合した混合ガスである。白心は、燃料ガス中の炭素成分が燃焼により白く輝くことで視認できるものであり、水素１００％の燃料ガスでは全く見えないものである。
　燃料ガスに混合する炭化水素系ガス濃度は、できる限り低く設定するが、白心の視認性の観点から、０．２～４体積％であることが好ましい。
　また、炭素成分の比較的多いプロパンなどを用いる場合は、０．４体積％以上であることが好ましく、１体積％以上であることがより好ましい。炭素成分の少ないメタンなどを用いる場合、３体積％以上であることがこのましく、ブタンなどを用いる場合は、０．２体積％以上であることが好ましい。
　炭化水素系ガスとしてプロパンを主成分とするLPGを用いる場合は、混合ガスにおけるプロパンの濃度が０．４体積％以上であることが好ましく、１体積％以上であることが寄り好ましい。
　メタンを主成分とするLNGを用いる場合は、混合ガスにおけるメタン濃度が３体積％以上であることが好ましく、ブタンを主成分とする都市ガスを用いる場合は、混合ガスにおけるブタン濃度が０．２体積％以上であることが好ましい。

　一方、水素ガス中の炭化水素系ガスが４体積％を超えると、切断可能速度の点において、水素ガス１００％を燃料ガスとして用いた場合の切断可能速度に対して急速に切断可能速度が低下してしまい、燃料ガスに水素ガスを用いるメリットが極めて小さくなってしまうため好ましくない。これに対して、水素ガス中の炭化水素系ガスの混合比率が４体積％以下であれば、切断可能速度に影響を受けないために好ましい。

　また、燃料ガス供給経路Ｌ１には、安全対策として、逆火防止器１３及び開閉弁（逆止弁を用いることが好ましい。以下同様）１５が設けられている。さらに、燃料ガス供給経路Ｌ１及び炭化水素系ガス供給経路Ｌ３には、それぞれ圧力計１４が設けられている。

　予熱用酸素ガス供給経路Ｌ２は、一端が酸素ガス供給源５と接続されており、他端が切断火口６の予熱用酸素ガス流路１０と接続されている。また、予熱用酸素ガス供給経路Ｌ２には、圧力計１４と開閉弁１５とが設けられている。

　切断用酸素ガス供給経路Ｌ４は、一端が酸素ガス供給源５と接続されており、他端が切断火口６の切断用酸素ガス流路１１と接続されている。また、切断用酸素ガス供給経路Ｌ４には、圧力計１４と開閉弁１５とが設けられている。

　なお、本実施形態のガス切断装置１では、予熱用酸素ガス供給経路Ｌ２と切断用酸素ガス供給経路Ｌ４とに、同一の酸素ガス供給源５を接続する構成を例示したが、これに限定されるものではない。すなわち、予熱用酸素ガス供給経路Ｌ２と切断用酸素ガス供給経路Ｌ４とに、それぞれ別の酸素供給源を接続する構成としても良い。

　水素ガス供給源３は、予熱用酸素ガスと合流するよりも前に酸素と混合することなく、燃料ガス供給経路Ｌ１ないし燃料ガス流路９に水素ガス単体を供給することが可能であれば、特に限定されるものではない。
　水素ガス供給源３として、一般に広く用いられている水素ガスが充填されたボンベを用いても良いし、水を電気分解して水素と酸素とを発生させる水分解装置から発生するガスを利用しても良い。ただし、水分解装置のガスを用いる場合は、水素と酸素とが混合して爆発する危険が無いように、それぞれが分離して取り出せるタイプの機器を選定する必要がある。

　炭化水素系ガス供給源４は、特に限定されるものではなく、炭化水素系ガスが充填されたボンベを用いることができる。
　本実施形態の炭化水素系ガスとしては、特に限定されるものではなく、ＬＰＧ、ＬＮＧ、都市ガス、エチレン、アセチレン、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の一般的な炭化水素系ガスまたはこれらの混合ガスを用いることができる。

　酸素ガス供給源５は、燃料ガスと合流するよりも前に水素と混合することなく、予熱用酸素ガス供給経路Ｌ２と切断用酸素ガス供給経路Ｌ４とに酸素ガス単体を供給することが可能であれば、特に限定されるものではない。
　酸素ガス供給源５として、一般に広く用いられている酸素ガスが充填されたボンベを用いても良いし、水を電気分解して水素と酸素とを発生させる水分解装置から発生するガスを利用しても良い。ただし、水分解装置のガスを用いる場合は、水素と酸素とが混合して爆発する危険が無いように、それぞれが分離して取り出せるタイプの機器を選定する必要がある。水分解装置から発生する水素と酸素について、分離して取り出すタイプであっても水素中への酸素の混入、または酸素中への水素の混入の可能性がある。混入量は、できる限り少量であることが望ましいが、それぞれ爆発下限界未満の濃度であれば問題ない。
　なお、酸素ガス供給源５は、予熱用酸素ガス供給経路Ｌ２と切断用酸素ガス供給経路Ｌ４とにそれぞれ別個に設けても良い。

　切断火口６は、燃料ガスと予熱用酸素ガスとにより予熱炎を形成し、切断用酸素ガスを噴射するものであり、切断吹管２の先端に設けられている。また、切断火口６は、軸方向中央を貫通する切断用酸素ガス流路１１と、燃料ガスと予熱用酸素ガスとの混合ガスの流路であって、切断用酸素ガス流路１１の外側に設けられた予熱ガス流路１６と、切断用酸素ガス流路１１の先端に設けられた切断酸素孔８と、予熱ガス流路１６の先端に設けられた予熱孔７と、を備えて概略構成されている。

　ここで、本実施形態の切断火口６は、図１に示すように、燃料ガス流路９と予熱用酸素ガス流路１０とが当該切断火口６の内部で合流して、予熱ガス流路１６を構成するチップミキシングタイプである。また、燃料ガス流路９には燃料ガス供給経路Ｌ１が、予熱用酸素ガス流路１０には予熱用酸素ガス供給経路Ｌ２がそれぞれ接続されている。したがって、本実施形態のガス切断装置１では、燃料ガス供給経路Ｌ１と、予熱用酸素ガス供給経路Ｌ２とが切断火口６内で合流する構成となっている。

　また、本実施形態の切断火口６は、図２に示すように、当該切断火口６内の予熱ガス流路１６に折曲部１６ａが設けられている。そして、この折曲部１６ａよりも基端側の予熱ガス流路１６の部分が軸方向中心に沿って設けられた切断用酸素ガス流路１１と並行となるように設けられており、上記折曲部１６ａよりも先端側の部分１６Ａが上記切断用酸素ガス流路１１に向けて傾斜するように設けられていることを特徴としている。これにより、予熱孔８から噴射される予熱ガスを、切断火口６の軸方向の中心部へ集中させることが可能な構成となっている。

　なお、本実施形態では、予熱ガス流路１６に折曲部１６を設ける構成を例示しているが、これに限定されるものではない。例えば、予熱ガス流路１６を、軸方向と並行に設けられた基端側の流路部分と、切断用酸素ガス流路１１に向けて傾斜するように設けられた先端側の流路部分とを緩やかな曲線状の流路で接続される構成としてもよい。

　ここで、予熱ガス流路１６の先端側部分１６Ａの傾斜角度（すなわち、予熱ガス流路１６の折曲部１６ａと予熱孔８とを結ぶ直線Ｍと、切断火口６の軸方向中心線Ｏ上に設けられた切断用酸素ガス流路１１とがなす角度）αは、予熱ガスの集中性を最も高めることができる角度とすることが好ましい。具体的には、傾斜角度αは、図２に示すように、上記直線Ｍと上記直線Ｏとが交差する点（焦点）Ｐが、切断材料（ワーク）表面Ｓとなるように設定することが望ましい。なお、切断材料（ワーク）表面Ｓからの切断火口先端までの距離Ｌは、通常１０～２０ｍｍの範囲となるように設定されている。

　次に、上述したガス切断装置１を用いた、本発明の一実施形態であるガス切断方法について説明する。

　具体的には、図１に示すように、本実施形態のガス切断を行う上での各種ガスの供給形態について説明する。
　先ず、水素ガス供給源３から燃料ガス供給経路Ｌ１に水素ガスを供給する。水素ガスは、圧力調整器１４によって調圧された後、混合装置１２に供給される。
　同様に、炭化水素系ガス供給源４から炭化水素系ガス供給経路Ｌ３に炭化水素系ガスを供給する。炭化水素系ガスは、圧力調整器１４によって調圧された後、混合装置１２に供給される。

　次に、混合装置１２により、水素ガスと炭化水素系ガスとを設定した混合比率（すなわち、水素ガス９６体積％以上、炭化水素系ガス４体積％以下）となるように混合した後、この混合装置１２から燃料ガスとして燃料ガス供給経路Ｌ１に供給する。そして、燃料ガスは、水素ガス用の逆火防止器１３、開閉弁１５を介して切断火口６の燃料ガス用流路９に供給される。

　酸素ガス供給源５から酸素ガスを予熱用酸素ガス供給経路Ｌ２と切断用酸素ガス供給経路Ｌ４とに供給する。予熱用酸素ガス供給経路Ｌ２に供給された酸素ガスは、予熱用酸素ガスとして圧力調整器１４、開閉弁１５を介して、切断火口６の予熱用酸素ガス流路１０に供給される。燃料ガスと予熱用酸素ガスとは、切断火口６の内部で混合され、予熱孔７より噴出して着火され、予熱炎を形成する。

　もう一方の切断用酸素ガス供給経路Ｌ４に供給された酸素ガスは、切断用酸素として、圧力調整器１４、開閉弁１５を介して切断火口６の切断酸素流路１１に供給され、切断酸素孔８から噴射され、予熱炎によって加熱された鉄鋼と反応して切断を行う。

　ところで、従来のガス切断方法において、燃料ガスとして１００％水素ガスを用いた場合には、燃料ガスとして１００％炭化水素系ガスを用いた場合よりも切断可能速度を向上させることができる。しかしながら、切断火口先端に発生する白心を全く視認することができないため、予熱炎の火炎の調整が困難であるという問題があった。

　また、従来のガス切断方法において、燃料ガスとして酸素ガスと水素ガスとの混合ガス（酸水素ガス）に爆発下限値となるように炭化水素系ガスを混合した場合には、安全性を確保することはできるが切断速度が低下してしまうという問題があった。
　ここで、図３に、酸素中水素の爆発範囲及び酸素中プロパンの爆発範囲を示す。図３中に示す領域（Ａ）が燃焼範囲であり、領域（Ｂ）が非燃焼範囲である。なお、三角図中に示す直線（Ｃ）は、電気分解で発生した酸素、水素にプロパンを混合したときの組成を示している。図３に示すように、酸素中の爆発下限界未満の水素濃度は４％以下で、水素中の爆発下限界未満の酸素濃度６％以下である。

　これに対して、本実施形態のガス切断方法では、燃料ガスとして水素ガスに０体積％超４体積％以下の炭化水素系ガスを混合した混合ガスを用いているため、燃料ガスとして水素ガスを用いた場合の切断可能速度と同等の速度と、炭化水素系ガスの燃焼によって切断火口先端に発生する白心の視認性とを両立することができる。

　さらに、図９に示すような従来のガス切断装置１０１によれば、酸素ガスと水素ガスとを混合した酸水素ガスと、爆発下限となる濃度の炭化水素系ガスとの混合ガスを燃料ガスとして供給経路Ｌ１０１に供給する構成となっている。このため、何らかの理由によって燃料ガスの供給に問題が生じて爆発が発生した際、酸水素ガスが供給されている供給ラインＬ１０１の上流側全てが破損するおそれがあった。

　これに対して、本実施形態のガス切断装置１によれば、燃料ガスの主成分である水素ガスを、水素ガス単体として供給する水素ガス供給源３を用いており、炭化水素系ガスと混合した燃料ガスと予熱用酸素ガスとを切断火口６の内部で合流する構成としている。このため、万が一燃料ガスと予熱用酸素ガスとの間で爆発が発生した際に、切断火口６よりも上流側（一次側）の経路が破損するおそれがない。これにより、図２に示すような爆発下限値以下の炭化水素系ガスを混合した燃料ガスを用いることが可能となる。

　以上説明したように、本実施形態のガス切断方法及びガス切断装置１によれば、燃料ガスの主成分である水素ガスと酸素ガスとを切断吹管２又は切断火口６まで混合しないため、燃料ガス供給経路Ｌ１での爆発の危険性を大幅に低減して安全性を高めることができる。

　更に、予熱ガス経路１６の先端側１６Ａを火口の中心方向に傾斜させた切断火口６を組み合わせることによって、より集中した予熱が可能となる。この効果によって主にピアシング（穴あけ）加工の際に度々発生する溶融金属の吹き上がりで火口の予熱ガス流路１６が塞がれるために発生する逆火を抑制でき、爆発の危険性を低減できると共にピアシング予熱時間の低減が可能となる。

　なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施形態のガス切断装置１では、燃料ガスと予熱用酸素ガスとが内部で合流する切断火口６を用いた構成を示しているが、これに限定されるものではない。

　例えば、図４に示すように、燃料ガス流路９と予熱用酸素ガス流路１０とが当該切断火口の内部で独立し、それぞれの予熱孔２７ａ，２７ｂより噴出した後で切断火口の外部（切断火口の先端）で混合されるポストミキシングタイプの切断火口２６を用いてもよい。
このような形態の切断火口２６によっても、上記実施形態と同様の効果が得られるとともに、逆火による爆発に対する安全性をさらに高めることが可能となる。

　また、図示はしないが、内部に混合室（ミキサーともいう）が設けられた切断吹管を用いるガス切断装置の構成とし、燃料ガスと予熱用酸素ガスとを切断吹管内の混合室で混合した後、切断火口に供給する構成としても良い。

　以下に、具体例を示す。
（検証試験１）
　燃料ガスを構成する炭化水素系ガスとしてプロパンを用いた場合を例として、水素燃料ガス中にプロパンを各種濃度で混合した場合の切断速度への影響を調査した。切断速度への影響を評価する方法としては、同一条件において切断速度を徐々に速くしていくとルーズカットと呼ばれる切断が中断してしまう現象が発生する。このルーズカットが発生しない最高速度を記録した。切断条件を表１に示す。また、図５には、燃料ガス中のプロパン濃度と最高切断速度との関係を示す。

　表１に示すように、燃料ガスに混合する予熱酸素の混合比は、一般に、反応する化学式の割合で混合する理論混合及び空気中の酸素も考慮した中性混合と呼ばれるものがあるが、本検証では予熱炎の安定する中性混合とした。

　図５に示すように、燃料ガス中のプロパン濃度が１００％における最高切断速度が７５０（ｍｍ／ｍｉｎ．）であるのに対して、水素ガスに１～４体積％のプロパンを混合した燃料ガスでは最高切断速度が９５０（ｍｍ／ｍｉｎ．）となり、約２７％の速度アップが可能であることが確認された。

　また、水素ガス中のプロパンの混合比率が４体積％以下であれば、切断速度は影響を受けないが、４体積％を超えると急速に切断可能速度が低下し、プロパン濃度が２０体積％程度になるとプロパン濃度が１００％の切断可能速度と大きな差がなくなり、燃料ガスとして水素ガスを使用するメリットが極めて小さくなることが確認された。

（検証試験２）
　各種燃料ガスにおける切断火口先端に発生する白心の視認性について評価した。図６（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に各種燃料ガスにおける切断火口の先端に発生する白心の写真を示す。なお、白心は、燃料ガス中の炭素成分が燃焼により白く輝くことで視認できるものである。このため、図６（ａ）に示すように、水素１００％の燃料ガスでは白心が全く見えないことが確認された。

　これに対して、図６（ｂ）に示すように、水素ガスに１体積％のプロパンを混合した燃料ガスでは、白心（図中に示す領域Ｈ）が十分視認可能であった。またプロパンの濃度を減らし０．４体積％まで視認可能であった。
　また、図６（ｃ）に示すように、炭素成分の最も少ないメタンを混合した場合でも３体積％の混合比率で白心（図中に示す領域Ｈ）が視認可能であることを確認した。
　さらにブタンを混合した場合でも０．２体積％の混合比率で白心が視認可能であることを確認した。

　上記検証結果から、いずれの炭化水素系ガスを選定した場合であっても、水素ガスに対して３体積％以下の混合比率とした燃料ガスとすることにより、切断火口の先端に発生する白心の視認が可能となることが確認された。

（検証試験３）
　切断火口内の予熱ガス流路を火口中心方向へ傾斜させた切断火口と、切断火口内の予熱ガス流路を切断酸素流路と平行に設けた切断火口とを用いた場合について、予熱ガスの火口中心方向への集中性及びピアシング予熱時間に及ぼす影響を評価した。
　図７（ａ）及び（ｂ）は、ガスの流れを可視化できるシュリーレン装置によって撮影した予熱ガスの流れている状況を示す写真である。なお、シュリーレン装置による撮影条件を表２に示す。

　予熱ガス流路に傾斜を設けた図７（ａ）では、傾斜を設けない図７（ｂ）と比べて、予熱ガスが火口先端から噴出した後に、火口中心方向に絞られていることが確認できた。

　また、上記集中性の異なる切断火口によるピアシング予熱時間を測定した測定条件を表３に、測定結果を図８にそれぞれ示す。

　図８に示すように、予熱ガス流路に傾斜を設けた切断火口の方が、傾斜を設けない切断火口に比べて、より小さな燃焼熱量で短時間に予熱が完了することが確認された。

　本発明のガス切断方法は、燃料ガスと予熱用酸素ガスとにより予熱炎を形成する予熱孔と、切断用酸素ガスを噴射してワークを切断する切断酸素孔とを備えた切断火口によりワークを切断する際に適用することが可能である。

　１・・・ガス切断装置
　２・・・切断吹管
　３・・・水素ガス供給源
　４・・・炭化水素系ガス供給源
　５・・・酸素ガス供給源
　６・・・切断火口
　７・・・予熱孔
　８・・・切断酸素孔
　９・・・燃料ガス流路
１０・・・予熱用酸素ガス流路
１１・・・切断用酸素ガス流路
１２・・・混合装置
１３・・・逆火防止器
１４・・・圧力計
１５・・・開閉弁（逆止弁）
１６・・・予熱ガス流路
１６ａ・・・折曲部
１６Ａ・・・先端側部分（先端側）
α・・・傾斜角度
Ｌ１・・・燃料ガス供給経路
Ｌ２・・・予熱用酸素ガス供給経路
Ｌ３・・・炭化水素系ガス供給経路
Ｌ４・・・切断用酸素ガス供給経路

Claims

　水素ガスと炭化水素系ガスとを混合して燃料ガスを得、
　前記燃料ガスと予熱用酸素ガスとを混合及び着火して形成される予熱炎を、切断火口の先端から噴射してワークを加熱し、
　切断用酸素ガスを前記加熱されたワークに噴射してワークを切断し、
　前記燃料ガスにおける炭化水素系ガスの含有量が０体積％超、４体積％以下であることを特徴とするガス切断方法。
　前記炭化水素系ガスがプロパンであり、
　前記燃料ガスにおけるプロパンの含有量が０．４体積％以上、４体積％以下であることを特徴とする請求項１記載のガス切断方法。
　前記炭化水素系ガスがメタンであり、
　前記燃料ガスにおけるメタンの含有量が３体積％以上、４体積％以下であることを特徴とする請求項１記載のガス切断方法。
　前記炭化水素系ガスがブタンであり、
　前記燃料ガスにおけるブタンの含有量が０．２体積％以上、４体積％以下であることを特徴とする請求項１記載のガス切断方法。
　前記燃料ガスと前記予熱用酸素ガスとの混合を、
　切断吹管の内部、切断火口の内部又は切断火口の先端で行なうことを特徴とする請求項１に記載のガス切断方法。
　前記予熱炎を前記切断火口の先端からワークに噴射する際に、
　前記切断火口の軸方向中心に向けて前記予熱炎を傾斜させることを特徴とする請求項１に記載のガス切断方法。
　前記水素ガス及び前記予熱用酸素ガスは、水分解装置から供給され、
　前記水分解装置から供給される水素ガス中の酸素成分及び前記水分解装置から供給される予熱用酸素ガス中の水素成分が爆発下限界未満であることを特徴とする請求項１に記載のガス切断方法。
　水素ガスと炭化水素系ガスを混合して燃料ガスを得る混合器と、
　前記燃料ガスと予熱用酸素ガスとにより予熱炎を形成する予熱孔、及び切断用酸素ガスを噴射してワークを切断する切断酸素孔を有する切断火口と、
　前記切断火口が先端に設けられた切断吹管と、
　前記燃料ガスを前記切断吹管又は前記切断火口に供給する燃料ガス供給経路と、
　前記予熱用酸素ガスを前記切断吹管又は前記切断火口に供給する予熱用酸素ガス供給経路と、
　前記水素ガスを前記混合器に供給する水素ガス供給源と、
　前記炭化水素系ガスを前記供給経路に供給する炭化水素系ガス供給源と、
　前記予熱用酸素ガスを前記予熱用酸素ガス供給経路に供給する酸素ガス供給源と、が設けられ、
　前記燃料ガス中の炭化水素系ガス含有量が０体積％超、４体積％以下であり、
　前記燃料ガス供給経路と前記予熱酸素ガスの供給経路とが、前記切断吹管の内部、前記切断火口の内部又は前記切断火口の外部で合流することを特徴とするガス切断装置。
　ガス切断装置の切断火口であって、
　前記切断火口の軸方向中央を貫通する切断用酸素ガス流路と、
　燃料ガス流路と予熱用酸素ガス流路が合流して形成される流路であって、前記切断用酸素ガス流路の外側に設けられた予熱ガス流路と、
　前記切断用酸素ガス流路の先端に設けられた切断酸素孔と、
　前記予熱ガス流路の先端に設けられた予熱孔と、を備え、
　前記予熱ガス流路の先端側が、前記切断用酸素ガス流路の延長線に向けて傾斜されていることを特徴とする切断火口。
　前記余熱ガス流路の先端側の延長線と前記切断用酸素ガス流路の延長線の交差点から切断火口先端までの距離が、１０～２０ｍｍであることを特徴とする請求項９に記載の切断火口。
　ガス切断装置の切断火口であって、
　前記切断火口の軸方向中央を貫通する切断用酸素ガス流路と、
　前記切断用酸素ガス流路の外側に設けられた燃料ガス流路と、
　前記切断用酸素ガス流路の外側に設けられた予熱用酸素ガス流路と、
　前記切断用酸素ガス流路の先端に設けられた切断酸素孔と、
　前記燃料ガス流路の先端に設けられた予熱孔と、
　前記予熱用酸素ガス流路の先端に設けられた予熱孔と、を備え、
　前記燃料ガス流路と前記予熱用酸素ガス流路が前記切断火口の内部で独立し、
　前記燃料ガス流路の先端側及び前記予熱用酸素ガス流路の先端側が、前記切断用酸素ガス流路の延長線に向けて傾斜されていることを特徴とする切断火口。