１．ガス切断とは熱切断（溶断）には、古くからあるガス切断，プラズマ切断，レ−ザ切断が有るが、ガス切断（ＯｘｙｇｅｎＣｕｔｔｉｎｇ）は、鋼材の切断では、現在でも最も多く使用されている切断法である。
ガス切断の最大の特徴は、エネルギ−の供給が外部からではなく、切断される材料の燃焼に依って供給される事である。この為外部からエネルギを供給しにくい厚い板の切断は最も得意とするところであり、３ｍ程度の板厚でも切断できる。しかし、切断材料の燃焼熱を利用する事から、逆に鉄材料しか切断できない欠点もある。
１．１

ガス切断の原理

切断酸素

予熱ガス

通常のガス切断は、図１．１に示す如く切断火口から噴出する高温の火炎により、鋼材を発火温度（約９０

切断火口０゜Ｃ）まで加熱する。その部分に高純度の酸素を吹

切断方 向

き付け、鋼材を燃焼させ、その熱で鋼材を溶融させると同時に、燃焼生成物と溶融金属を切断酸素の持つ機予熱炎

切断酸素気流械的エネルギ（噴出力）で吹き飛ばすものである。この状態で火口を連続的に動かす事で、溝状に鋼材が除予熱域
反応域去され、切断が行われる。
つまり、鉄を燃やしてその時発生する熱で前方の鉄を溶かし、それらを酸素気流で吹き飛ばす。この繰り返しを行っているのが、ガス切断である。

ドラグライン

スラグ

従って、ガス切断は、切断酸素気流の、鉄を燃焼させる，燃焼生成物と溶融物を吹き飛ばして除去するという２つの作

図１．１

ガス切断の状況用に依って行われている。
１．１．１

鉄の燃焼

上記した如く、ガス切断は鉄の燃焼を利用したものであるが、スラグの生成結果より推定して、燃焼（酸化反応）の形態が、次の３つが考えられる。
１Ｆｅ＋Ｏ2＝ＦｅＯ＋６４

Ｋｃａｌ

２
１２Ｆｅ＋１Ｏ2＝Ｆｅ2Ｏ3＋１９０．７

Ｋｃａｌ

２３Ｆｅ＋２Ｏ3＝Ｆｅ3Ｏ4＋２６６．９
この燃焼方程式は、１モルでの

Ｋｃａｌ

ＦｅＦｅＯＦｅ2Ｏ3Ｆｅ3Ｏ4反応熱であるため、これを鉄１ｇ及び表１．１鉄の酸化発熱量

３１ｃｍ 換算すると、表１．１の如くなり、酸化反応で発生する反応熱が一番少ない一酸化鉄（ＦｅＯ）の場合で発熱量
酸化鉄

１ｇ当たりの１ｃｍ 当たりの発熱量（Kcal） 発熱量（Kcal）も、１ｇ当たり１．１４Ｋｃａｌの発ＦｅＯ

１．１４９．００

熱量がある。

Ｆｅ2Ｏ3

１．６９

１３．３５

Ｆｅ3Ｏ4

１．５７

１２．４０

参考として、実際のガス切断で発生した

表１．２

切断スラグ酸化鉄の比率

スラグの酸化鉄がどの様な比率になっていスラグの組成 （％）

るかを表１．２に示す。
一方、鉄を溶かすために必要な熱量は、

Ｆｅ

ＦｅＯ

Ｆｅ2Ｏ3

鉄の比熱を０．１１ｃａｌ／ｇ，融解熱を１０−２０４５−５５２０−４５６５ｃａｌ／ｇ，溶融温度を１，５３０゜Ｃとすると、０゜Ｃ，１ｇの鉄では、
１×０．１１×１５３０＋６５＝２３３．３ｃａｌ＝０．２３３Ｋｃａｌとなる。
実際は、切断部から熱伝達，放射等で逃げる熱が多くあると考えられるが、燃焼により発生する熱量で、切断部を溶かすには十分な熱量である。
現実的にも切断材料の上面を綺麗にしておけば、切断開始後予熱炎を消しても、酸素のみで切断が続行される。但し切断面の品質は、非常に悪い。
１．１．２

ガス切断が出来る条件

ガス切断では、前述した如く鉄の燃焼が最も重要であるため、切断できる条件として燃焼性の程度が大きく影響する。更に溶融を伴う切断であるため、熱的，温度的問題が切断可否に重要となる。
従って、切断できる材料の条件としては、
Ａ． 切断材料の発火温度がその材料の溶融点より低い事。
燃焼する前に溶けてしまったら、酸素気流に吹き飛ばされてしまい、燃焼物がなくなってしまうため、燃焼によるエネルギの供給がなくなり切断できない。
Ｂ． 酸化物の溶融温度が切断材料の溶融温度より低い事。
酸化物の溶融温度が切断材の溶融温度より高くなると、酸化物が先に凝固する事により酸化物が流れにくくなり、これらの除去が安定化せず、ひいては燃焼部が安定しなくなる。
Ｃ． 酸化物の流動性が良く、切断材からの剥離が容易な事。
酸化物が燃焼部分に滞留すると、鉄の燃焼を妨げのため、切断が困難となる。又、剥離が悪い場合も、同様で有る。
Ｄ．切断材に含まれる不燃焼物等の不純物が少ない事。
燃焼を阻害する不純物、または流動性を阻害する不純物が多いと燃焼が安定しない事及び発熱量が足らなくなる等の問題が生じる。
これらの条件を満足する材料は、鉄，炭素鋼，低合金鋼及び２〜３の金属であるが、炭素鋼でも、炭素含有量が多くなると、切断が不可能になる。
各種成分が切断に及ぼす影響，切断の可否に付いては、７．２項の特殊材料の切断を参照されたい。
１．１．３

切断面粗さの形成

切断面の粗さが発生する理由は以下の通りである。切断部の各部形態は、図１．２に示す如く、切断反応部は固層部，溶融部，反応部からなっている。
溶融部の温度は、切断進行面先端のＡ部が最も高く、Ｂ部からＣ部へと段々低くなっていく。この様に温度分布に差が付く事により、溶融金属は、温度の高い方から低い方への流れが生じ、Ｃ部へ溶融金属が集まり、その層が厚くなる。
Ｃ部に集まった溶融金属は、切断が進行Ｃするにつれて、（酸素気流が切断方向に進む）

反応部

再凝固母材

母材に熱が逃げ、冷やされる事に依って切断面を形成する。この凝固過程に於いて、Ｃ部に送り込まれる溶融金属量がＡ部，Ｂ部の反応量の変化，溶融金属の表面張力等により、異なり凝固層の厚さが変化する。これが切断凝固酸化物

切断方向

切断酸素気流ＡＢ
溶融部
Ｃ面の粗さとなって現れる。
切断速度が、ある範囲内であるときは、燃焼も安定し、切断酸素による溶融金属の

図１．２

切断面の粗さ形成排除に無理が生じない為Ｃ部の厚さ変化も少ないが、切断速度が速くなると、溶融金属の発生量が多くなり、排除にも無理が生じ、切断面が粗くなるものと考えられている。
同様に、不純物が有ると、酸化物の流動性が悪くなったり、燃焼が不安定になったりする事で切断面の粗さが増大する。
１．１．４

ドラグラインの形成じている。すじそのものは、凝固層の厚さ変化に

Vc

Rb

通常、切断面にはドラグラインと呼ばれる筋が生Ｃ

Vb

よるものであるが、ドラグの遅れによるドラグラRa

インは切断速度と酸化反応速度の関係より生じる

Va

ＢＡものである。
いま図１．３に示す如く、切断溝前後にＡ，Ｂ，Ｃ３点を考え、それぞれの点の切断速度

図１．３切断速度と反応速度をＶａ，Ｖｂ，Ｖｃ反応速度をＲａ，Ｒｂ，Ｒｃとしてこれらの関係を検討する。
切断火口

切断が安定する条件として、溝の形が崩れる事無く、切断が進行されなければならない。
従って、Ａ部では切断速度Ｖａと鉄の酸化反応速度

切断酸素噴流Ｒａが等しい速度で移行している。
Ｂ部に於いては、切断溝の放線方向に反応速度が発Ra
Va

生するため、この点では切断速度が反応速度より速

ドラグライン
Ｂくなっている。Ｃ点では進行方向への反応速度は０Ｃとなっている。

ドラグ

これらのことから、切断の反応部は前面の部分で行われている事が解る。
一方、板厚方向に切断速度と反応速度を適用

図１．４

ドラグラインの発生
すると、図１．４に示す如く板の上部では、切断酸素が火口より供給されるため、酸素純度も気流のモ−メンタム（気流の勢い）も殆ど失われておらず、Ｖａ＝Ｒａが成立している。この為切断面は、切断方向に対して、垂直となる。
Ｂ点に到達すると、酸素純度，モ−メンタム共に低下するため、切断速度に対して反応速度が小さくなる事より、反応面に傾きが生じ、切断に遅れが発生する。これがドラグラインの発生である。
Ｃ点で、反応速度が切断方向に対して０となる場合は、ドラグラインは、切断方向に対して平行となり、それ以上板厚方向に反応が進行しなくなる。この時が切断の限界である。

１．２

予熱炎の効果ガス切断火口の予熱炎が切断材に対する熱的な効果は、一般的に考えられているほど大きくなく、むしろ切断酸素の気流を高温気体で保護し、空気の巻き込みによるモ−メンタムの減衰及び純度低下を防止する事で、切断酸素の機能を維持する所に主たる機能があるといえる。
ガス切断に於ける、予熱炎の効果は、大きく分けて次の３点で有る。
Ａ）切断酸素のシ−ルド効果
切断酸素の純度保持
切断酸素のモ−メンタム保持Ｂ）切断材材表面活性効果
切断材表面の水分，錆，スケ−ル等燃焼を阻害する不純物を取り除く。
Ｃ）切断材に対する加熱効果
切断開始部を発火温度まで加熱する。
切断中切断材を加熱し、燃焼反応を間接的に助ける。
切断中切断材から放射，伝導などによる熱損失を補い、反応開始部の温度を保持

ピトー管測定圧力

２Ｋｇ ／ｃ ｍする。

１ ０６ ーＤ ７＃ ２８６

点火 時の 酸 素気 流
４

非 点 火時 の酸 素気 流
２０
１０ ０

２ ００

火口先端よりの距離

図１．５ｍｍ

切断酸素気流の火口出口よりの圧力

３ ００表面機械仕上げの場合切断続行

予熱炎のシ−ルド効果は、切断酸素の中心軸上の総圧予熱炎を消すを測定すると図１．５の如く予熱炎がない場合は、周囲の空気の巻き込みにより総圧が急激に低下するが、予熱炎を切断酸素の周囲に設ける事により、予熱炎が切断酸素のみ存在している範囲では低下がなくなる。

３０ｍｍ

この事より、流速の低下がなく（モ−メンタムの保持）周囲の空気の巻き込みによる酸素純度低下もない事が解る。尚燃料ガスは、酸素気流との境界で燃焼するため、酸素気流中には入らない。
図１．６

予熱効果の実験方法

表面の活性効果は、切断材表面が黒皮材と機械仕上げしたものとを図１．６に示す如く、最初の３０ｍｍ程度まで予熱炎を付け、その後予熱炎を消火した後切断酸素のみで切断が可能か調べたところ、黒皮の物は、すぐアンカットとなるが表面を機械加工した物は、切断がそのまま続行される。当然の事であるが、予熱炎がなくなると酸素純度及び切断酸素のモ−メンタムも低下するため切断面の品質は悪くなる。
この事より、表面の活性効果がある事が解る。
１．３

ガス切断に及ぼす要因に付いて以上の事からガス切断に影響を及ぼす要因は下記の通りである。
Ａ．切断酸素の純度
Ｂ．切断酸素の流速（モ−メンタム）
Ｃ．切断酸素量（切断酸素穴径と流速）
Ｄ．切断材質（含有される成分を含む）
Ｅ．切断材の温度
Ｆ．切断板厚Ｇ．切断材の表面状態（黒皮，錆，塗装）
Ｆ．予熱炎の強度（火炎調整，ガス種類，ガス量）
Ｈ．火口形態（切断酸素と予熱炎の距離，予熱炎の混合方式）
Ｉ．火口と切断材料の距離
これらが単独または複合してガス切断の切断性，品質を左右するものである。