(57)【要約】【課題】金属に対するガス切断技術において、ガス切断性能を更に向上させることが可能な、金属のガス切断方法及び金属のガス切断装置を提供すること。【解決手段】本発明に係る金属のガス切断方法では、ガスを利用して金属を切断する際に、金属の酸化切断部位に対して、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。これにより、鉄と酸素との反応性を向上させて、ガス切断性能を更に向上させることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを利用して金属を切断する金属のガス切断方法において、
前記金属の酸化切断部位に対して、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、金属のガス切断方法。
【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、前記酸化切断部位に直接供給されるか、又は、前記酸化切断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切断方法。
【請求項３】
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又は２に記載の金属のガス切断方法。
【請求項４】
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１〜３の何れか１項に記載の金属のガス切断方法。
【請求項５】
ガスを利用して金属を切断する金属のガス切断装置において、
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、
前記金属の酸化切断部位に対して、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、金属のガス切断装置。
【請求項６】
前記発生装置は、前記酸化切断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５に記載の金属のガス切断装置。
【請求項７】
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、火口から前記酸化切断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５又は６に記載の金属のガス切断装置。
【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、火口の外部から前記酸化切断部位に直接供給される
ことを特徴とする、請求項５又は６に記載の金属のガス切断装置。
【請求項９】
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５〜８の何れか１項に記載の金属のガス切断装置。
【請求項１０】
前記酸素ガス供給ライン及び火口は、電気的に絶縁されている
ことを特徴とする、請求項５〜９の何れか１項に記載の金属のガス切断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属のガス切断方法及び金属のガス切断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
連続鋳造工程において、製造された鋳片を所定の長さに切断することが行われており、特に、厚みが８０ｍｍ程度以上の鋳片に対しては、酸素ガスと、プロパンガス等の可燃ガスとを用いたガス切断技術が利用されている。
【０００３】
近年、生産効率の向上を図るために連鋳機の機長を長くした高速鋳造に対して、ある所定の時間内で鋳片の切断を完了させる必要がある。その一方で、広幅スラブ、特殊合金鋼入り鋳片の切断においては、所定時間内での切断が完了せず、鋳造速度の低下や、出片後の二次切断等の増工程が余儀なくされている。そのため、トーチ本数の二重化を踏まえた切断ストロークの延長といった、大がかりな設備対応や切断速度を向上させる手法が開発されているのが実情である。
【０００４】
例えば、下記の特許文献１では、火炎をより中性炎に近づけるために火口のガス孔配置構造及び火口取り付け構造を変更した、切断火口に特徴を持った提案がなされている。
【０００５】
また、下記の特許文献２では、ガス切断におけるゲージ圧で１．５ＭＰａ以上の酸素によって連続鋳造材を溶断可能な吹管と、この吹管に供給される酸素をゲージ圧で１．５ＭＰａ以上に昇圧可能なガス昇圧手段とを備えるとともに、ガス昇圧手段から吹管までの間がゲージ圧で１．５ＭＰａ以上の酸素を供給可能な高圧配管で接続されている連続鋳造材のガス切断法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１４４０２９号公報
【特許文献２】特開２００３−  ８０３５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２に記載の技術は、切断に用いるガスそのものの反応性を向上させるものではないため、ガス切断性能を充分に向上させることができないという問題があった。
【０００８】
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、金属に対するガス切断技術において、ガス切断性能を更に向上させることが可能な、金属のガス切断方法及び金属のガス切断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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を切断する金属のガス切断方法において、前記金属の酸化切断部位に対して、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切断方法が提供される。
【００１０】
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、前記酸化切断部位に直接供給されるか、又は、前記酸化切断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。
【００１１】
前記金属は、電気的に接地されていてもよい。
【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。
【００１３】
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を切断する金属のガス切断装置において、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、前記金属の酸化切断部位に対して、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切断装置が提供される。
【００１４】
前記発生装置は、前記酸化切断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。
【００１５】
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、火口から前記酸化切断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。
【００１６】
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、火口の外部から前記酸化切断部位に直接供給されてもよい。
【００１７】
前記金属は、電気的に接地されてもよい。
【００１８】
前記酸素ガス供給ライン及び火口は、電気的に絶縁されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように本発明によれば、金属の酸化切断部位に対して、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、切断に用いる酸素ガスそのものの反応性を向上させて、ガス切断性能を更に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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切断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５Ａ】同実施形態に係る金属のガス切断装置の一例について示した説明図である。
【図５Ｂ】同実施形態に係る金属のガス切断装置の一例について示した説明図である。
【図６Ａ】同実施形態に係る金属のガス切断装置の一例について示した説明図である。
【図６Ｂ】同実施形態に係る金属のガス切断装置の一例について示した説明図である。
【図７】同実施形態に係る金属のガス切断処理について説明するための説明図である。
【図８】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】
【００２１】
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。
【００２２】
（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切断方法及び金属のガス切断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。
【００２３】
ガス切断処理により被溶削材である金属を切断する場合、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、最終的に金属が切断されることとなる。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、ガス切断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。
【００２４】
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。
【００２５】
ガス切断において、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、ガス切断装置の火口から射出される酸素ガス（切断ガス）によって吹き飛ばされて、切断溝が生成することとなる。
【００３０】
Ｆｅ  →  Ｆｅ２＋  ＋  ２ｅ−  ・・・（反応式１）
（１／２）Ｏ２  ＋  ２ｅ−  →  Ｏ２−  ・・・（反応式２）
Ｆｅ２＋  ＋  Ｏ２−  →  ＦｅＯ  ・・・（反応式３）
【００３１】
また、ガス切断処理ではなく、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、ガス切断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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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切断方法及びガス切断装置について想到した。
【００３８】
（第１の実施形態）
＜金属のガス切断方法について＞
以下では、図４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切断方法について、詳細に説明する。図４は、本実施形態に係る金属のガス切断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。
【００３９】
なお、以下では、被溶削材である金属材料の一例として、ガス切断処理を適用可能な鋼板を例に挙げて説明を行うが、本発明に係るガス切断方法及びガス切断装置が適用可能な金属材料が鋼板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。
【００４０】
本実施形態に係る金属のガス切断方法では、金属の酸化切断部位に対して、（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。
【００４１】
金属のガス切断処理とは、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金属に切断溝を形成していき、この切断溝を金属の厚み方向に沿って形成していくことで、被削体である金属を切断する処理である。
【００４２】
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。
【００４３】
本実施形態に係るガス切断方法では、上記のような酸素負イオン類が、ガスバーナーの吹管及び火口から供給される酸素ガスと混合した上で酸化切断部位に供給されてもよいし、ガスバーナーの吹管及び火口以外から各種のノズル等を利用して酸化切断部位に直接供給されてもよい。
【００４４】
本実施形態に係るガス切断方法における切断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、予熱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）、切断酸素供給ラインから供給される酸素が酸化切断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）。
【００４５】
ここで、本実施形態に係るガス切断方法では、上記のような酸素負イオン類が、酸化切断部位に更に供給されている。これにより、酸化切断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、酸化切断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、酸化切断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切断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。
【００４６】
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）
【００４７】
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）、火口から射出される切断酸素により、溶融酸化鉄及び溶融母材が酸化切断部位から除去されて、切断溝が形成される（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切断処理が進行していき、最終的には被溶削材が切断されることとなる。
【００４８】
以上のようなメカニズムでガス切断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切断方法では、酸素ガスの単位量あたりの反応性を更に向上させて、切断速度の更なる向上を図ることが可能となる。
【００４９】
＜金属のガス切断装置について＞
続いて、図５Ａ〜図７を参照しながら、本実施形態に係る金属のガス切断装置について詳細に説明する。図５Ａ〜図６Ｂは、本実施形態に係る金属のガス切断装置の一例について示した説明図である。図７は、本実施形態に係る金属のガス切断処理について説明するための説明図である。
【００５０】
本実施形態に係る金属のガス切断装置は、ＬＰＧ等の可燃ガスと酸素ガスとを利用して金属を切断するものであって、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有しており、金属の酸化切断部位に対して、発生装置で発生した電子及び酸素分子、又は、酸素負イオンの少なくとも何れか一方を供給する。
【００５１】
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。
【００５２】
このような発生装置は、酸化切断部位に対して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。
【００５３】
［ガス切断装置の構成例−その１］
以下では、図５Ａ及び図５Ｂを参照しながら、本実施形態に係る金属のガス切断装置の第１の構成例について説明する。
第１の構成例に係るガス切断装置では、図５Ａに示したように、酸素を供給するラインと、ＬＰＧ等の可燃ガスを供給するラインと、が設けられており、吹管及び火口を介して、酸化切断部位に対して、酸素ガス及び予熱ガスが供給される。
【００５４】
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切断酸素供給ラインと、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、切断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、切断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、切断酸素供給ライン及び予熱酸素供給ラインにより火口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。
【００５５】
また、ＬＰＧ等の可燃ガスを火口に供給する予熱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。
【００５６】
図５Ｂは、吹管の先端に設置された火口の近傍を拡大して示した模式図である。
図５Ｂに示したように、予熱ガス供給ラインから供給された可燃ガスと、予熱酸素供給ラインから供給される酸素負イオン類を含む酸素ガスと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鉄を加熱する。燃焼温度に到達した部分である反応域に対して切断酸素供給ラインから酸素負イオン類を含む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。また、スラグの除去された部分には、図５Ｂに示したように、ドラグラインが形成される。ここで、切断酸素供給ライン及び予熱酸素供給ラインの双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、切断速度を上昇させることができる。
【００５７】
図５Ａ及び図５Ｂに示したように、本構成例に係るガス切断装置は、酸素負イオン類が火口から酸化切断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。なお、図５Ａに示した例では、切断酸素供給ライン及び予熱酸素供給ラインの双方に、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、発生装置は、切断酸素供給ライン又は予熱酸素供給ラインの何れか一方にのみ配設されていてもよい。
【００５８】
［ガス切断装置の構成例−その２］
続いて、図６Ａ及び図６Ｂを参照しながら、本実施形態に係る金属のガス切断装置の第２の構成例について説明する。
第２の構成例に係るガス切断装置では、図６Ａに示したように、火口に酸素を供給するラインと、火口にＬＰＧ等の可燃ガスを供給するラインと、吹管及び火口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、酸化切断部位に酸素負イオン類を含む酸素ガスが供給される。
【００５９】
火口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切断酸素供給ラインと、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、切断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。
【００６０】
また、ＬＰＧ等の可燃ガスを火口に供給する予熱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。
【００６１】
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には、酸素ガスのガス圧を制御するための減圧弁と、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。
【００６２】
図６Ｂは、吹管の先端に設置された火口の近傍を拡大して示した模式図である。
図６Ｂに示したように、本構成例に係るガス切断装置では、切断酸素供給ライン及び予熱酸素供給ラインからの酸素ガスと、予熱ガス供給ラインからの可燃ガスと、が供給される火口に加えて、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切断部位に供給する供給ノズルと、を有している。供給ノズルは、図６Ｂに示したように、火口の切断方向上流側に設けられていても良いし、切断方向下流側に設けられていても良い。また、火口の切断方向上流側及び下流側の双方に供給ノズルを配置してもよく、火口の周囲に複数の供給ノズルを配置してもよい。
【００６３】
予熱ガス供給ラインから供給された可燃ガスと、予熱酸素供給ラインから供給される酸素ガスと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鉄を加熱する。燃焼温度に到達した部分である反応域に対して切断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。また、スラグの除去された部分には、図５Ｂに示したように、ドラグラインが形成される。ここで、予熱炎及び切断酸素の更に外部から、酸素負イオン類を含むガスが供給されるため、鉄と酸素ガスとの反応性を更に向上させて、切断速度を上昇させることができる。
【００６４】
図６Ａ及び図６Ｂに示したように、本構成例に係るガス切断装置は、酸素負イオン類が酸化切断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６Ａ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酸化切断部位に直接供給する場合について図示しているが、火口の近傍に電子発生装置のみを配置し、電子だけを酸化切断部位に供給するようにしてもよい。
【００６５】
以上、図５Ａ〜図６Ｂを参照しながら、本実施形態に係るガス切断装置の構成例について詳細に説明した。
【００６６】
なお、図５Ａ〜図６Ｂに示したような本実施形態に係るガス切断装置において、予熱酸素及び予熱ガスの混合方式は、いわゆるプリミックス（火口混合）タイプではなく、アウトミックスタイプとすることが好ましい。アウトミックスタイプとすることにより、酸素ガスや可燃ガスへの逆火を防止することができる。
【００６７】
また、酸素負イオン類を供給する供給ラインは、火口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の爆発を防止することができる。
【００６８】
また、図７に示したように、本実施形態に係るガス切断装置及びガス切断方法において、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。
【００６９】
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切断方法及びガス切断装置では、酸素負イオン類を酸化切断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、ガス切断性能を更に向上させることができる。そのため、広幅スラブや、特殊合金鋼入り鋳片等の切断しにくく所定時間内での切断が完了しない切断工程において、切込み速度、切断速度、切離し速度が向上し、切断サイクルタイム内での鋳片の切断を行うことが可能となる。これにより、各種金属材の鋳造速度を向上させることができる。
【００７０】
また、上記のように切断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。
【００７１】
更に、切断サイクルタイム内で切断可能な金属材料においては、切断性が向上することにより、切断の口径がより小さな火口での切断が可能になり、切断歩留まりロスを低減することができる。
【００７２】
このように、本発明の実施形態に係る金属のガス切断方法及びガス切断装置を用いることで、切断作業の短縮を図ることができ、生産効率を向上させることができる。
【実施例】
【００７３】
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切断方法及びガス切断装置について、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切断方法及びガス切断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切断方法及びガス切断装置が、下記に示す実施例に限定されるわけではない。
【００７４】
（実験例１）
以下では、鋳片幅１２００ｍｍ、鋳片厚２５０ｍｍのＩＦ鋼を利用して、かかる鋼板をガス切断処理により切断した。この際、鋼片の幅方向の両方から２本の火口を利用して、鋼片の切断を行った。
【００７５】
＜実施例１＞
上記の鋼片を、図５Ａ及び図５Ｂに示したガス切断装置を利用して切断した。この際に、切断酸素圧は０．９９ＭＰａ、予熱酸素圧は０．１８ＭＰａ、予熱ＬＰＧ圧は０．０９ＭＰａに設定した。
【００７６】
ここで、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。
【００７７】
また、切断酸素供給ライン及び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、２５０万個／ｃｃ以上であることを別途確認した。
【００７８】
このようなガス切断装置を利用して、上記鋼板の切断に要する時間を測定した。
【００７９】
＜実施例２＞
上記の鋼片を、図６Ａ及び図６Ｂに示したガス切断装置を利用して切断した。この際に、切断酸素圧、予熱酸素圧及び予熱ＬＰＧ圧は、実施例１と同様の値に設定した。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。
【００８０】
＜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、上記の鋼片を切断した。
【００８１】
＜結果＞
得られた結果を図８に示した。図８は、実験例１の結果について示したグラフ図である。図８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、鋼片を切断するのに３分を要したのに対し、実施例２では切断時間が２．５分となり、実施例１では２．３分となった。この結果からも明らかなように、酸化切断部位に対して酸素負イオン類を供給することによって、鋼片の切断に要する時間を約１０％〜２０％程度短縮することが可能となる。
【００８２】
なお、供給ノズルを用いて酸素負イオン類を供給した実施例２が、実施例１よりも切断時間が長くなった理由としては、供給ノズルから噴射される酸素負イオン類のガス流により、切断酸素、予熱酸素及び予熱ガスのガス流がわずかに乱れたためと考えられる。
【００８３】
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切断方法及びガス切断装置では、酸素負イオン類を酸化切断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、ガス切断性能を更に向上させることができる。
【００８４】
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】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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