(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを利用して金属の表面を溶削する金属のガス溶削方法において、
前記金属の酸化溶削部位に対して、酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方を供給する
ことを特徴とする、金属のガス溶削方法。
【請求項２】
前記酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方は、前記酸化溶削部位に直接供給されるか、又は、前記酸化溶削部位に供給される酸素ガスに混合される
ことを特徴とする、請求項１に記載の金属のガス溶削方法。
【請求項３】
前記酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方は、前記酸化溶削部位に直接供給され、
前記酸化溶削部位に対する前記酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方の供給量を、前記金属の幅方向で変化させる
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の金属のガス溶削方法。
【請求項４】
前記金属は、電気的に接地される
ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の金属のガス溶削方法。
【請求項５】
前記酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方を供給する供給部材は、電気的に絶縁されている
ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の金属のガス溶削方法。
【請求項６】
ガスを利用して金属の表面を溶削する金属のガス溶削装置において、
電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方を発生させる発生装置を備え、
前記金属の酸化溶削部位に対して、前記発生装置で発生した前記電子及び酸素分子、又は、前記酸素負イオンの少なくとも何れか一方を供給する
ことを特徴とする、金属のガス溶削装置。
【請求項７】
前記発生装置は、前記酸化溶削部位に酸素ガスを供給する酸素ガス供給ライン上に設置される  ことを特徴とする、請求項６に記載の金属のガス溶削装置。
【請求項８】
前記電子及び酸素分子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方は、スカーフノズルから前記酸化溶削部位に向かって供給される前記酸素ガスに混合される
ことを特徴とする、請求項６又は７に記載の金属のガス溶削装置。
【請求項９】
前記電子及び酸素分子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方は、スカーフノズルの外部から前記酸化溶削部位に直接供給される
ことを特徴とする、請求項６又は７に記載の金属のガス溶削装置。
【請求項１０】
前記酸化溶削部位に対する前記酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方の供給量を、前記金属の幅方向で変化させる
ことを特徴とする、請求項９に記載の金属のガス溶削装置。
【請求項１１】
前記金属は、電気的に接地される
ことを特徴とする、請求項６〜１０の何れか１項に記載の金属のガス溶削装置。
【請求項１２】
酸素ガス供給ライン及びスカーフノズルは、電気的に絶縁されている
ことを特徴とする、請求項６〜１１の何れか１項に記載の金属のガス溶削装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属のガス溶削方法及び金属のガス溶削装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
連続鋳造機から出片された金属である鋳片には、その表層部位に、パウダーやノロと呼ばれる非金属介在物が付着している。連続鋳造工程の後に実施される圧延工程及び酸洗工程において、これら非金属介在物が製品表面に露出することで、製品欠陥につながることとなる。そのため、鋳片表層部の非金属介在物を除去するために、ハンドスカーフ又はマシンスカーフ等の設備を用いた、鋳片表層部の手入れが実施されている。
【０００３】
マシンスカーフを実施する際の鋳片表面温度は鋳造条件や出片後からの冷却時間等で異なっており、溶削量を所定量とするために、鋳片表面温度に応じた溶削速度で所定の溶削量を確保する処理が行われている。
【０００４】
しかしながら、鋳片のコーナー部位と鋳片の中央部位とでは、温度は一定となっておらず、鋳片代表温度による一定の溶削速度では、最も温度が低いコーナー部位での溶削量を確保できず、鋳片のエッジが立った状態となり、このような状態の鋳片が製品欠陥になり得るため、マシンスカーフ後にコーナー部位のみを再手入れする場合もある。またコーナー部位での溶削量を確保するために、より低い温度設定で溶削を実施せざるを得なくなり、過溶削による歩留まり低下を招くこととなる。
【０００５】
そこで、下記特許文献１では、鋼片のコーナー部に存在する凸部をマシンスカーフで溶削するために、長辺スカーフユニットと短辺スカーフユニットとの会合部近傍に位置する鋼片コーナー部に設けられた酸素流出孔の孔径を、中央部に設けられた酸素流出孔の孔径に対して１．５倍に拡大して、溶削量を拡大する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−９４６５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、上記特許文献１に記載の方法は、ある一定の幅を有する鋼片のみに対しては適用可能である。他方、種々の幅を有する鋼片の表面溶削を行う場合には、Ｌ面側溶削ユニットと短辺溶削ユニット、及び、Ｆ面側溶削ユニットと短辺溶削ユニットを組み合わせた溶削装置を使用することとなるが、このような溶削装置では、種々の幅毎に溶削ユニットを交換させることが必要であり、上記特許文献１に記載の方法を適用することは操業上の困難さを有する。
【０００８】
このように、種々の幅を有する金属の表面を溶削するに際して、溶削性の向上を図ることが可能な技術が希求されている。
【０００９】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、金属の表面を溶削する際の溶削性を更に向上させることが可能な、金属のガス溶削方法及び金属のガス溶削装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、ガスを利用して金属の表面を溶削する金属のガス溶削方法において、前記金属の酸化溶削部位に対して、酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方を供給する金属のガス溶削方法が提供される。
【００１１】
前記酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方は、前記酸化溶削部位に直接供給されるか、又は、前記酸化溶削部位に供給される酸素ガスに混合されることが好ましい。
【００１２】
前記酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方は、前記酸化溶削部位に直接供給され、前記酸化溶削部位に対する前記酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方の供給量を、前記金属の幅方向で変化させてもよい。
【００１３】
前記金属は、電気的に接地されることが好ましい。
【００１４】
前記酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方を供給する供給部材は、電気的に絶縁されていることが好ましい。
【００１５】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、ガスを利用して金属の表面を溶削する金属のガス溶削装置において、電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方を発生させる発生装置を備え、前記金属の酸化溶削部位に対して、前記発生装置で発生した前記電子及び酸素分子、又は、前記酸素負イオンの少なくとも何れか一方を供給する金属のガス溶削装置が提供される。
【００１６】
前記発生装置は、前記酸化溶削部位に酸素ガスを供給する酸素ガス供給ライン上に設置されることが好ましい。
【００１７】
前記電子及び酸素分子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方は、スカーフノズルから前記酸化溶削部位に向かって供給される前記酸素ガスに混合されてもよい。
【００１８】
前記電子及び酸素分子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方は、スカーフノズルの外部から前記酸化溶削部位に直接供給されてもよい。
【００１９】
前記酸化溶削部位に対する前記酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方の供給量を、前記金属の幅方向で変化させてもよい。
【００２０】
前記金属は、電気的に接地されることが好ましい。
【００２１】
酸素ガス供給ライン及びスカーフノズルは、電気的に絶縁されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように本発明によれば、金属の酸化溶削部位に対して、酸素分子及び電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方を供給することで、溶削に用いる酸素ガスそのものの反応性を向上させて、溶削性を更に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】鉄の高温酸化メカニズムについて説明するための説明図である。
【図２】本発明に係る酸化反応促進メカニズムについて説明するための説明図である。
【図３Ａ】本発明に係る酸化反応促進メカニズムについて説明するための説明図である。
【図３Ｂ】本発明に係る酸化反応促進メカニズムについて説明するためのグラフ図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る金属のガス溶削方法における反応機構の一例について示した流れ図である。
【図５】鋳片の溶削処理について説明するための説明図である。
【図６Ａ】同実施形態に係る金属のガス溶削装置について説明するための説明図である。
【図６Ｂ】同実施形態に係る金属のガス溶削装置について説明するための説明図である。
【図７Ａ】同実施形態に係る金属のガス溶削装置の一例について示した説明図である。
【図７Ｂ】同実施形態に係る金属のガス溶削装置の一例について示した説明図である。
【図７Ｃ】同実施形態に係る金属のガス溶削装置の一例について示した説明図である。
【図８Ａ】同実施形態に係る金属のガス溶削装置の一例について示した説明図である。
【図８Ｂ】同実施形態に係る金属のガス溶削装置の一例について示した説明図である。
【図９Ａ】同実施形態に係る金属のガス溶削処理について説明するための説明図である。
【図９Ｂ】同実施形態に係る金属のガス溶削処理について説明するための説明図である。
【図１０】実験例１の結果について示したグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２５】
（酸化反応促進メカニズムについて）
本発明の実施形態に係る金属のガス溶削方法及び金属のガス溶削装置について説明するに先立ち、本発明者が見出し、本発明の実施形態において着目する酸化反応促進メカニズムについて、図１〜図３Ｂを参照しながら具体的に説明する。
【００２６】
ガス溶削処理により被溶削材である金属を溶削する場合、金属は、いわゆる高温酸化により酸化されて母材部分から取り除かれていき、最終的に金属が溶削されることとなる。ここで、高温酸化とは、高温の状態にある鉄などの金属が酸素等の酸化性の気体と接触することで進行する酸化反応である。以下では、被溶削材である金属材料の一例として鉄（Ｆｅ）に着目し、ガス溶削の際に進行する鉄の高温酸化メカニズムについて簡単に説明する。図１は、鉄の高温酸化メカニズムについて説明するための説明図である。
【００２７】
鉄の高温酸化メカニズムは、図１に示したように、母材である鉄が存在する領域（金属領域）、外部環境として取り扱われる酸化性気体の存在する領域（気体領域）、及び、金属領域と気体領域との間に位置し、酸化反応によって生成される酸化皮膜が存在する領域という、３つの領域を考慮した３相モデルで説明することが可能である。
【００２８】
ガス溶削処理において、スカーフノズルに設けられた火口からの予熱炎により加熱された鉄（金属領域に存在する鉄）は、加熱による熱エネルギーによって、以下の反応式１のようにイオン化し、鉄イオン及び電子が生成される。
【００２９】
生成した鉄イオン及び電子は、図１に示したように、金属領域及び酸化皮膜領域を、酸化皮膜領域と気体領域との間に位置する界面に向かって拡散していくこととなる。
【００３０】
一方、気体領域に存在する酸素は、気体領域と酸化皮膜領域との間に位置する界面に接触し、この界面を通過して、酸化皮膜領域の中へと拡散していく。ここで、酸化皮膜中を拡散している電子と、酸素とが下記反応式２に示した反応を起こすことにより、酸化物イオンが生成されることとなる。
【００３１】
生成した酸化物イオンと、酸化皮膜領域中を拡散している鉄イオンとが、下記反応式３に示した反応を起こすことで、酸化鉄ＦｅＯ（ウスタイト）が生成され、酸化皮膜領域が拡大する（換言すれば、酸化皮膜が成長する）こととなる。
【００３２】
以上説明したような鉄の高温酸化メカニズムにおいて、外部の熱環境が高温である場合（より詳細には、鉄の燃焼温度に到達した場合）には、生成した酸化鉄が燃焼して、溶融することとなる。鉄の溶融物は、ガス溶削装置の火口から射出される酸素ガス（溶削ガス）によって吹き飛ばされて、鉄の表面が溶削されることとなる。
【００３３】
Ｆｅ  →  Ｆｅ２＋  ＋  ２ｅ−  ・・・（反応式１）
（１／２）Ｏ２  ＋  ２ｅ−  →  Ｏ２−  ・・・（反応式２）
Ｆｅ２＋  ＋  Ｏ２−  →  ＦｅＯ  ・・・（反応式３）
【００３４】
また、ガス溶削処理ではなく、鉄を高温酸化させて鉄の表面に酸化皮膜層を形成し、この酸化皮膜層に含まれる成分を分析した。その結果、酸化皮膜層の表面（外界である空気と接触している層）に近づくほど、生成される酸化鉄を構成する鉄の酸化数が高い状態にあり、酸化皮膜層の表面から母材側に向かって、Ｆｅ２Ｏ３（ヘマタイト、鉄の酸化数＋３）、Ｆｅ３Ｏ４（マグネタイト）、ＦｅＯ（ウスタイト、鉄の酸化数＋２）が分布していることが明らかになった。このような結果は、ガス溶削処理を含む鉄の高温酸化反応において、酸化皮膜層の表面ほど鉄イオンと結合した酸化物イオンの量が多いことを示しており、酸素や酸化物イオンの供給（すなわち、酸化皮膜層と環境（気体）との界面における酸素や酸化物イオン）が、酸化反応の律速になっていることを示唆している。
【００３５】
図２は、本発明に係る酸化反応促進メカニズムについて説明するための説明図である。本発明者は、以上説明したような知見をもとに鋭意検討を行った結果、図２に示したように、電子及び酸素、又は、Ｏ２−やＯ−のような酸素負イオンの少なくとも何れか一方を気体領域に更に供給することに想到した。気体領域に対し、電子や酸素負イオン等の高い反応性を有するものを供給することで、酸化皮膜領域−気体領域界面における酸素と電子との反応を更に生じさせたり、酸化物イオンＯ２−の量を増加させたりすることが可能となると考えられる。その結果、酸化反応の律速になっていると考えられる酸素や酸化物イオンの拡散度合いを増加させ、酸化皮膜領域−気体領域界面（換言すれば、酸化反応界面）における鉄の酸化反応を促進させることが可能となると考えられる。
【００３６】
本発明者は、上記のような知見について検証するために、図３Ａ及び図３Ｂに示したような実証実験を実施した。図３Ａは、本発明に係る酸化反応促進メカニズムについて説明するための説明図であり、図３Ｂは、本発明に係る酸化反応促進メカニズムについて説明するためのグラフ図である。
【００３７】
本発明者は、厚み１２ｍｍの極低炭素（Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ  Ｆｒｅｅ：ＩＦ）鋼を利用して、図３Ａに示したような実証実験を行った。すなわち、ＩＦ鋼の鋼板をガスバーナーで加熱するとともに、鋼板の裏側に設けた放射温度計を用いて、加熱位置の温度上昇の様子を測定した。また、電子銃と酸素供給ノズルとを組み合わせた電子発生装置を作製し、鋼板のガスバーナーと同じ側に設置した。電子発生装置は、真空に保たれた電子を発生させる電子発生源と、当該発生源から発生される電子線のみを大気中に取り出せる電子線透過膜とを備えた電子銃を用い、電子銃先端のスリット前段部位に酸素ガスを供給し、孔周囲を耐火材で覆われたスリットより、酸素負イオンが鋼板の加熱位置に向けて放出されることとなる。なお、かかる実験において、ガスバーナーの出力は一定とした。
【００３８】
図３Ｂは、得られた実験結果を示したグラフ図である。図３から明らかなように、ガスバーナー加熱のみの場合と比較して、加熱位置に対して酸素を供給した場合には、裏面温度がより早く上昇していることがわかる。また、加熱位置に対して酸素及び電子を供給した場合には、ガスバーナー加熱のみの場合や酸素のみを供給した場合と比べて、格段に速く温度が上昇していることがわかる。
【００３９】
このように、電子及び酸素、又は、Ｏ２−やＯ−のような酸素負イオンの少なくとも何れか一方を加熱位置に供給することで、加熱位置で生じている詳細な反応機構は明らかではないものの、加熱位置における金属の昇温速度が格段に上昇することが明らかとなった。
【００４０】
本発明者は、以上のようにして得られた知見に基づき更なる検討を行った結果、以下で説明するような、本発明に係る金属のガス溶削方法及びガス溶削装置について想到した。
【００４１】
（第１の実施形態）
＜金属のガス溶削方法について＞
以下では、図４及び図５を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る金属のガス溶削方法について、詳細に説明する。図４は、本実施形態に係る金属のガス溶削方法における反応機構の一例について示した流れ図である。図５は、鋳片の溶削処理について説明するための説明図である。
【００４２】
なお、以下では、被溶削材である金属材料の一例として、ガス溶削処理が実施される鋳片を例に挙げて説明を行うが、本発明に係るガス溶削方法及びガス溶削装置が適用可能な金属材料が鋼板（鋳片）に限定されるわけではなく、アルミニウム、銅、チタン等といった鉄以外の金属材料やこれらの合金についても、同様に適用することが可能であることは言うまでもない。
【００４３】
本実施形態に係る金属のガス溶削方法では、金属の酸化溶削部位に対して、（ｉ）Ｏ−，Ｏ２−，Ｏ２−等の酸素負イオン、又は、（ｉｉ）酸素分子Ｏ２及び電子ｅ−、の少なくとも何れか一方を供給する。
【００４４】
金属のガス溶削処理とは、金属を、ＬＰＧ等の可燃ガスや酸素を用いたガスバーナーで加熱して被溶削材である金属の表面を溶融酸化させるとともに、溶融した酸化物や金属を酸素ガスの高速噴射により金属表面から除去する処理である。
【００４５】
価数が−１である酸素の陰イオンであるＯ−や、スーパーオキシドとも呼ばれるＯ２−等の酸素負イオンは、その化学式からも明らかなように電子（ｅ−）を帯電しており、鉄イオンとイオン結合しやすい状態のイオン種である。また、酸素分子及び電子を共に供給することで、電子を帯電した酸素負イオンを形成させることができる。以下、本明細書では、Ｏ−，Ｏ２−等の酸素負イオンや、酸素分子及び電子を総称して、酸素負イオン類と称することとする。
【００４６】
本実施形態に係るガス溶削方法では、上記のような酸素負イオン類が、ガス溶削装置に設けられたスカーフノズルに供給される酸素ガスと混合した上で酸化溶削部位に供給されてもよいし、スカーフノズル以外から各種のノズル等を利用して酸化溶削部位に直接供給されてもよい。
【００４７】
本実施形態に係るガス溶削方法における溶削メカニズムについて、図４を参照しながら説明する。
予熱酸素供給ラインから供給される予熱用の酸素と、燃料ガス供給ラインから供給されるＬＰＧ等の可燃ガスと、が燃焼することで生成される予熱炎により、被溶削材である鉄が加熱される（ステップＳ１０１）。予熱炎によって被溶削材である鉄が加熱され、燃焼温度に到達した状態で（ステップＳ１０３）、溶削酸素供給ラインから供給される酸素が酸化溶削部位に供給されると（ステップＳ１０５）、燃焼温度に到達している鉄が燃焼する（ステップＳ１０７）。
【００４８】
ここで、本実施形態に係るガス溶削方法では、上記のような酸素負イオン類が、酸化溶削部位に更に供給されている。これにより、酸化溶削部位における被溶削材（鉄）と酸素との反応性が向上し、鉄の酸化反応が急激に進行することとなる。また、酸化溶削部位に対して反応性の高い酸素負イオン類が供給されることで、鉄とより多くの酸素とが反応し、通常はＦｅＯへと酸化されるＦｅが、Ｆｅ３Ｏ４やＦｅ２Ｏ３へと酸化されると考えられる。ここで、Ｆｅが、ＦｅＯ、Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３へと酸化される場合の反応熱は、下記の反応式４〜６に示した値であるため、酸化溶削部位に対して酸素負イオン類が供給されることで、ＦｅＯが生成する場合に比べてより多くの酸化発熱量が発生する。その結果、発生した熱エネルギーを利用して、更に効率良く被溶削材である鉄の表面を加熱することが可能となる。また、酸素ガスで覆われた酸化溶削部位に対して電子を供給することで、電子に帯電した酸素ガス（すなわち、酸素負イオン）を更に形成させることも可能となる。
【００４９】
Ｆｅ＋（１／２）Ｏ２→ＦｅＯ＋６４ｋｃａｌ  ・・・（反応式４）
３Ｆｅ＋２Ｏ２→Ｆｅ３Ｏ４＋２６６．９ｋｃａｌ  ・・・（反応式５）
２Ｆｅ＋（３／２）Ｏ２→Ｆｅ２Ｏ３＋１９０．７ｋｃａｌ  ・・・（反応式６）
【００５０】
その後、被溶削材である鉄の燃焼により生じた燃焼熱により、酸化反応により生成された酸化鉄や母材である鉄が溶融し（ステップＳ１０９）、スカーフノズルに設けられた火口から射出される溶削酸素により、溶融酸化鉄及び溶融母材が酸化溶削部位から除去される（ステップＳ１１１）。以後、上記ステップＳ１０３〜ステップＳ１１１の現象が繰り返し発生することで、被溶削材である鉄の溶削処理が進行することとなる。
【００５１】
以上のようなメカニズムでガス溶削処理が進行することにより、本実施形態に係る金属のガス溶削方法では、酸素ガスの単位量あたりの反応性を更に向上させて、溶削速度の更なる向上を図ることが可能となる。
【００５２】
図５は、鋳片の溶削処理について説明するための説明図である。図５最上段に示したように、酸素負イオン類を供給せずに溶削処理を行った場合には、図中破線で囲んだコーナー部の溶削量を確保可能な溶削速度で溶削処理を行うこととなるため、コーナー部に図に示したような凸部が生じることとなる。しかしながら、本実施形態に係るガス溶削処理では、被溶削材である鋳片の表面に、酸素負イオン類を含み反応性に富んだ酸素ガスが供給されるため、鋳片の溶削性を向上させることができる。その結果、溶削速度を増加させることが可能となって、図５中段に示したように、コーナー部への凸部の生成を抑制し、鋳片のより均一な溶削が可能となる。これにより、溶削工程における歩留まりの向上を図ることができる。
【００５３】
また、鋳片の幅方向で酸素負イオン類の供給量を変化させることで、鋳片の特定の部位を溶削することも可能となる。すなわち、凸部が生成される可能性のある鋳片のコーナー部に供給される酸素負イオン類の供給量を、鋳片の幅方向中央部近傍への供給量よりも多くすることで、例えば図５下段に示したように、凸部の生成を更に抑制することも可能となる。
【００５４】
このように、本実施形態に係る金属のガス溶削方法では、被溶削材である金属の幅方向で酸素負イオン類の供給量を変化させることによって、被溶削材の特定の部位を更に効率良く溶削することも可能となる。
【００５５】
＜金属のガス溶削装置について＞
続いて、図６Ａ〜図９Ｂを参照しながら、本実施形態に係る金属のガス溶削装置について詳細に説明する。図６Ａ及び図６Ｂは、金属のガス溶削装置であるマシンスカーフについて説明するための説明図であり、図７Ａ〜図８Ｂは、本実施形態に係る金属のガス溶削装置の一例について示した説明図である。図９Ａ及び図９Ｂは、本実施形態に係る金属のガス溶削処理について説明するための説明図である。
【００５６】
金属のガス溶削装置（以下、単にガス溶削装置ともいう。）は、例えば図６Ａに示したように、マシンスカーフ設備として利用することが可能である。当該マシンスカーフ設備では、図６Ａに示したように、鋳片が金属製のローラ上をある方向に向かって搬送されており、このラインの一部に、本実施形態に係るガス溶削装置が設けられる。ライン上を搬送される鋳片は、ガス溶削装置によってその表面が溶削されることとなる。
【００５７】
マシンスカーフ設備では、種々の幅を有する鋳片が搬送される。そのため、各種の幅を有する鋳片の溶削処理を可能なものとするために、ガス溶削装置は、図６Ｂ上段に示したように、鋳片の上面側を溶削するアッパー（ｕｐｐｅｒ）ユニットと、鋳片の下面側を溶削するローワー（ｌｏｗｅｒ）ユニットと、から構成される。
【００５８】
ガス溶削装置のアッパーユニット及びローワーユニットは、図６Ｂに示したように、鋳片の表面を溶削するための複数のスカーフブロックからなり、これらスカーフブロックには、各種ガスの供給ライン等（図示せず。）が設けられる。アッパーユニットには、鋳片の上面を溶削するための複数のヘッドブロックと、鋳片の一方の側面を溶削するためのヘッドブロックとが設けられており、ローワーユニットには、鋳片の下面を溶削するための複数のヘッドブロックと、鋳片のもう一方の側面を溶削するためのヘッドブロックとが設けられている。
【００５９】
アッパーユニット及びローワーユニットは、互いの相対的な位置を変更することが可能なようになっており、図６Ｂ下段に示したように、各ユニットが相対的な位置を変えることで様々な幅の鋳片に対して溶削処理を行うことが可能となる。
【００６０】
以上説明したようなアッパーユニット及びローワーユニットからなるガス溶削装置に対して本実施形態に係る金属のガス溶削方法を適用することで、酸素ガスの単位量あたりの反応性を更に向上させ、溶削性の更なる向上を図ることが可能となる。
【００６１】
［ガス溶削装置の構成例−その１］
以下では、図７Ａ〜図７Ｃを参照しながら、本実施形態に係るガス溶削装置の第１の構成例について説明する。
第１の構成例に係るガス溶削装置では、図７Ａに示したように、酸素を供給するラインと、ＬＰＧ等の可燃ガスを燃料ガスとして供給するラインと、が設けられており、各スカーフユニットに設けられたヘッドブロックを介して、溶削部位に対し、酸素ガス及び燃料ガスが供給される。
【００６２】
酸素ガスは、供給ライン上に設けられた減圧弁により酸素ガス圧が制御された上で、燃焼温度に到達した部位に酸素を供給する溶削酸素供給ラインと、予熱炎の生成に利用される予熱酸素ラインと、の２系統に分岐される。予熱酸素供給ラインには、酸素ガス圧を更に制御するための減圧弁が設けられており、溶削酸素供給ライン及び予熱酸素供給ラインのそれぞれには、酸素ガスの流量を調整するための弁と、圧力計とが設置されている。更に、溶削酸素供給ライン及び予熱酸素供給ラインのそれぞれには、上記の発生装置が配設されている。これにより、溶削酸素ライン及び予熱酸素供給ラインによりヘッドブロックへと供給される酸素ガスの中に、酸素負イオンや電子等が混合されることとなる。
【００６３】
また、ＬＰＧ等の可燃ガスをヘッドブロックに供給する燃料ガス供給ラインには、可燃ガスのガス圧を制御するための減圧弁と、可燃ガスの流量を調整するための弁と、圧力計とが設置されている。
【００６４】
図７Ａに示した例では、溶削酸素供給ライン及び予熱酸素供給ラインのそれぞれに電子又は酸素負イオンを発生させる発生装置が配設される場合について図示しているが、例えば図７Ｂに示したように、溶削酸素供給ラインには発生装置を配設せずに、予熱酸素供給ラインに発生装置を配設してもよい。また、図７Ｂに示した場合とは逆に、予熱酸素供給ラインには発生装置を配設せずに、溶削酸素供給ラインに発生装置を配設してもよい。
【００６５】
図７Ｃは、アッパーユニット及びローワーユニットに設けられた複数のヘッドブロックのうち、１つのヘッドブロックの部分を拡大して示した断面図である。図７Ｃに示した断面図は、ヘッドブロックを鋳片の搬送方向と平行に切断した場合の断面図の一例となっている。
【００６６】
ヘッドブロックは、図７Ｃに示したように、例えば、ヘッドブロックと、溶削処理において発生する熱からヘッドブロックを保護するために設置され、内部に例えば冷却機構が設けられたシューを備えている。
【００６７】
ヘッドブロックには、図７Ａ又は図７Ｂに示した各ガス供給ラインから供給される溶削酸素、燃料ガス、予熱酸素の流れる流路がそれぞれ形成されている。各ガスの流路の配置方法は、図７Ｃに示した例に限定されるものではないが、例えば、溶削酸素用の流路の両側に燃料ガス用の流路が設けられており、燃料ガス用の流路の搬送方向上流側には、予熱酸素用の流路が設けられている。また、各ガスの流路の形状については、図７Ｃに示した例に限定されるものではなく、任意の形状とすることができる。
【００６８】
溶削酸素用の流路には、溶削酸素供給ラインから、溶削酸素として用いられる酸素ガスが供給され、燃料ガス用の流路には、燃料ガス供給ラインから、燃料ガスとして用いられるＬＰＧ（例えば、プロパンガス等）が供給される。また、予熱酸素用の流路には、予熱酸素供給ラインから、予熱酸素として用いられる酸素ガスが供給される。
【００６９】
供給ラインから供給される燃料ガス及び予熱酸素ガスが燃焼することで予熱炎が発生し、発生した予熱炎は、被溶削材の一例である鋳片の表面を加熱する。燃焼温度に到達した鋳片表面に対して溶削酸素供給ラインから酸素ガスが供給されることで、酸化鉄及び母材である鉄が溶融するとともに、溶融した酸化鉄及び母材（Ｆｅ、ＦｅＯ、Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３等）がスラグとして除去される。ここで、図７Ａや図７Ｂに示したように、溶削酸素供給ライン又は予熱酸素供給ラインの少なくとも一方から供給される酸素ガスには酸素負イオン類が混合されているため、鉄と酸素ガスとの反応性を更に向上させて、溶削速度あるいは溶削量を上昇させることができる。
【００７０】
ここで、電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方を発生させる発生装置としては、真空に保たれた電子を発生させる電子発生源と、当該発生源から発生される電子線のみを大気中に取り出せる電子線透過膜とを備えた電子銃等を用い、これら電子銃等と酸素ガス供給装置を組み合わせた電子発生装置を利用することが可能である。また、これ以外の電子発生源として、例えば、コロナ放電式、電子放射式、放射性物質利用式、レナード式等の電子発生装置を利用してもよい。
【００７１】
図７Ａ〜図７Ｃに示したように、本構成例に係るガス溶削装置は、酸素負イオン類がヘッドブロックから溶削部位に向かって供給される酸素ガスに混合される場合の装置構成例となっている。
【００７２】
［ガス溶削装置の構成例−その２］
以下では、図８Ａ及び図８Ｂを参照しながら、本実施形態に係るガス溶削装置の第２の構成例について説明する。
第２の構成例に係るガス溶削装置では、図８Ａに示したように、複数のヘッドブロックに酸素を供給するラインと、複数のヘッドブロックにＬＰＧ等の可燃ガスを供給するラインと、ヘッドブロックとは別に設けられた供給ノズルに対して酸素負イオン類を含む酸素ガスを供給する酸素負イオン類供給ラインと、が設けられており、酸素負イオン類供給ラインを介して、溶削部位に酸素負イオン類を含む酸素ガスが供給される。
【００７３】
ヘッドブロックに供給される酸素ガスは、供給ライン上に設けられた減圧弁により酸素ガス圧が制御された上で、燃焼温度に到達した部位に酸素を供給する溶削酸素供給ラインと、予熱炎の生成に利用される予熱酸素ラインと、酸素負イオン類を供給する供給ノズルに酸素負イオン類を供給する酸素負イオン類供給ラインと、の３系統に分岐される。予熱酸素供給ライン及び酸素負イオン類供給ラインには、それぞれ酸素ガス圧を更に制御するための減圧弁が設けられており、溶削酸素供給ライン、予熱酸素供給ライン及び酸素負イオン類供給ラインのそれぞれには、酸素ガスの流量を調整するための弁と、圧力計とが設置されている。また、酸素負イオン類供給ラインには、上記の発生装置が配設されている。これにより、酸素負イオン類供給ノズルに供給される酸素ガスの中に、酸素負イオンや電子等が混合されることとなる。
【００７４】
また、ＬＰＧ等の可燃ガスを燃料ガスとしてヘッドブロックに供給する燃料ガス供給ラインには、可燃ガスのガス圧を制御するための減圧弁と、可燃ガスの流量を調整するための弁と、圧力計とが設置されている。
【００７５】
図８Ｂは、アッパーユニット及びローワーユニットに設けられたヘッドブロックのうち、１つのヘッドブロックの部分を拡大して示した断面図である。図８Ｂに示した断面図は、ヘッドブロックを鋳片の搬送方向と平行に切断した場合の断面図の一例となっている。
【００７６】
本構成例に係るスカーフユニットは、図８Ｂに示したように、例えば、ヘッドブロック及びシューから構成されるヘッドブロックに加えて、酸素負イオン類供給ラインからの酸素負イオン類を含む酸素ガスを酸化溶削部位に供給する供給ノズルと、を有している。
【００７７】
ここで、本構成例に係るヘッドブロックには、図７Ｃに示した第１の構成例に係るヘッドブロックと同様に、図８Ａに示した溶削酸素供給ラインから溶削酸素が供給される流路と、予熱酸素供給ラインから予熱酸素が供給される流路と、燃料ガス供給ラインから燃料ガスが供給される流路と、がそれぞれ設けられている。また、本構成例に係るシューは、図７Ｃに示した第１の構成例に係るシューと同様の構成を有し、同様の効果を奏するものである。
【００７８】
また、図８Ｂに示したように、本構成例に係るガス溶削装置では、供給ノズルは、スカーフユニットの搬送方向上流側に設けられている。また、供給ノズルは、例えば図６Ｂに示したような複数のヘッドブロック群の全てに対して設けられていても良く、一部のヘッドブロック（例えば、被溶削材のコーナー部に位置することの多いヘッドブロック）に対して設けられていても良い。また、図８Ｂに示した例では、スカーフユニットに対して１つの供給ノズルが設けられている場合について図示しているが、１つのヘッドブロックに対して複数の供給ノズルを配置してもよい。
【００７９】
供給ラインから供給される燃料ガス及び予熱酸素ガスが燃焼することで予熱炎が発生し、発生した予熱炎は、被溶削材の一例である鋳片の表面を加熱する。燃焼温度に到達した鋳片表面に対して溶削酸素供給ラインから酸素ガスが供給されることで、酸化鉄及び母材である鉄が溶融するとともに、溶融した酸化鉄及び母材（Ｆｅ、ＦｅＯ、Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３等）がスラグとして除去される。ここで、予熱炎及び溶削酸素の更に外部から、酸素負イオン類を含むガスが供給ノズルより供給されるため、鉄と酸素ガスとの反応性を更に向上させて、溶削速度あるいは溶削量を上昇させることができる。
【００８０】
ここで、電子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方を発生させる発生装置としては、第１の構成例と同様に、真空に保たれた電子を発生させる電子発生源と、当該発生源から発生される電子線のみを大気中に取り出せる電子線透過膜とを備えた電子銃等を用い、これら電子銃等と酸素ガス供給装置を組み合わせた電子発生装置を利用することが可能である。また、これ以外の電子発生源として、例えば、コロナ放電式、電子放射式、放射性物質利用式、レナード式等の電子発生装置を利用してもよい。
【００８１】
図８Ａ及び図８Ｂに示したように、本構成例に係るガス溶削装置は、酸素負イオン類が溶削部位に対して直接供給される場合の装置構成例となっている。なお、図８Ａ及び図８Ｂに示した例では、酸素ガスとともに電子又は酸素負イオンを溶削部位に直接供給する場合について図示しているが、スカーフノズルの近傍に電子発生装置のみを配置し、電子だけを溶削部位に供給するようにしてもよい。
【００８２】
なお、図８Ａ及び図８Ｂに示したような構成例のガス溶削装置は、従来から用いられているマシンスカーフ設備に供給ノズルを追加することで実現可能であり、より簡素な製造ラインの改造で実現することができる。
【００８３】
以上、図７Ａ〜図８Ｂを参照しながら、本実施形態に係るガス溶削装置の構成例について詳細に説明した。
【００８４】
なお、酸素負イオン類を供給する供給ラインは、スカーフノズルや供給ノズルも含めて電気的に絶縁されていることが好ましい。酸素負イオン類を供給する供給ライン等を電気的に絶縁することで、酸素ガスや可燃ガスへの逆火を防止することができる。
【００８５】
また、図９Ａ及び図９Ｂに示したように、本実施形態に係るガス溶削装置及びガス溶削方法において、被溶削材である金属材料は、電気的に絶縁とならないように、電気的に接地されていることが好ましい。被溶削材が電気的に接地されていない場合には、金属材料に向かって供給される負の電荷を帯びた酸素負イオン類によって金属材料が負に帯電し、供給される酸素負イオン類と被溶削材とが電気的に反発するようになってしまう。
【００８６】
ここで、被溶削材である金属材料を電気的に接地するために、図９Ａに示したように、金属材料そのものを電気的に接地してもよい。また、連続鋳造ライン等では、被溶削材である金属材料を搬送するために金属製のローラが用いられていることが多いため、図９Ｂに示したように金属製のローラを電気的に接地することで、金属材料を電気的に接地してもよい。
【００８７】
以上説明したように、本発明の実施形態に係る金属のガス溶削方法及びガス溶削装置では、酸素負イオン類を酸化溶削部位に供給して鉄と酸素との反応性を更に向上させることで、ガス溶削性能を更に向上させ、溶削速度を向上させることができる。これにより、各種金属材の溶削時間を短縮させることができる。
【００８８】
また、上記のように溶削時間の短縮を図ることが可能となるため、酸素、プロパンガス等の消費量を削減することができ、省エネルギーを図ることができる。
【００８９】
また、酸素ガスの反応性を高めることで溶削性が向上するため、被溶削材の幅方向の均一溶削が可能となり、歩留まりの向上を実現することができる。更に、被溶削材の幅方向端部の溶削が１回の溶削で可能となるため、コーナー部に生じた凸部を除去する等の増工程処置が不要となる。
【００９０】
このように、本発明の実施形態に係る金属のガス溶削方法及びガス溶削装置を用いることで、溶削作業の効率化を図ることができ、生産効率を向上させることができる。
【実施例】
【００９１】
以下では、実施例及び比較例を示しながら、本発明の実施形態に係る金属のガス溶削方法及びガス溶削装置について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、本発明の実施形態に係る金属のガス溶削方法及びガス溶削装置のあくまでも一例であって、本発明の実施形態に係る金属のガス溶削方法及びガス溶削装置が、下記に示す実施例に限定されるわけではない。
【００９２】
（実験例１）
以下では、鋳片幅１２００ｍｍ、鋳片厚２５０ｍｍのＩＦ鋼の鋳片に対して、以下の実施例又は比較例に示すガス溶削装置（マシンスカーフ設備）を用いて表面をガス溶削した。以下では、鋳片の代表表面温度が３００℃になるまで冷却した鋳片を用い、片面当たりの平均溶削量が１．０ｍｍとなるライン速度を探索した。この際に、溶削酸素圧は０．３ＭＰａ、予熱酸素圧は０．２５ＭＰａ、予熱ＬＰＧ圧（プロパン圧）は０．０９ＭＰａに設定した。
【００９３】
＜実施例１＞
上記のような条件のもとで、図７Ｂ及び図７Ｃに示したヘッドブロックを設置したスカーフユニットを有するガス溶削装置を用い、片面当たりの平均溶削量が１．０ｍｍとなるライン速度を探索した。
【００９４】
なお、発生装置としては、図３Ａに示した電子発生装置を利用した。
【００９５】
また、予熱酸素供給ラインに設置した電子発生装置から発生する酸素負イオン類の量は、ＪＩＳ  Ｂ９９２９（２００６）「空気中のイオン密度測定方法」に記載されている方法に則して簡易の平板式イオン測定機で測定し、ガス溶削装置のヘッドブロック位置で２５０万個／ｃｃ以上であることを別途確認した。
【００９６】
＜実施例２＞
上記のような条件のもとで、図８Ａ及び図８Ｂに示したヘッドブロックと幅方向全幅に供給ノズルを設置したスカーフユニットを有するガス溶削装置を用い、片面当たりの平均溶削量が１．０ｍｍとなるライン速度を探索した。また、電子発生装置についても、実施例１と同様のものを使用した。
【００９７】
＜比較例＞
実施例１において電子発生装置を使用しない以外は、実施例１と同様にして、片面当たりの最小の溶削量が１．０ｍｍとなるライン速度を探索した。
【００９８】
＜結果＞
得られた結果を図１０に示した。図１０は、実験例１の結果について示したグラフ図である。図１０に示したように、電子発生装置を用いなかった比較例では、ライン速度は、１２．３ｍ／分となったのに対し、実施例２ではライン速度は１４．８ｍ／分となり、実施例１ではライン速度は１６．０ｍ／分となった。この結果からも明らかなように、溶削部位に対して酸素負イオン類を供給することによって、ガス溶削装置のライン速度を約２０％〜３０％程度向上させることが可能となる。
【００９９】
以上説明したように、本発明の実施形態に係る金属のガス溶削方法及びガス溶削装置では、酸素負イオン類を溶削部位に供給して鉄と酸素との反応性を更に向上させることで、被溶削材である金属の表面を溶削する際の溶削性を更に向上させることができる。
【０１００】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図１】
0005915391.tif 000002
【図２】
0005915391.tif 000003
【図３Ａ】
0005915391.tif 000004
【図３Ｂ】
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【図４】
0005915391.tif 000006
【図５】
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【図６Ａ】
0005915391.tif 000008
【図６Ｂ】
0005915391.tif 000009
【図７Ａ】
0005915391.tif 000010
【図７Ｂ】
0005915391.tif 000011
【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
0005915391.tif 000013
【図８Ｂ】
0005915391.tif 000014
【図９Ａ】
0005915391.tif 000015
【図９Ｂ】
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【図１０】
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