特開 2024-142251 溶削方法、及び溶削装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024142251

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】溶削方法、及び溶削装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 7/06 20060101AFI20241003BHJP

【ＦＩ】

B23K7/06 B

B23K7/06 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023054366

(22)【出願日】2023-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】仁井谷 洋

(72)【発明者】

【氏名】青木 利一

(72)【発明者】

【氏名】木原 勇輝

(57)【要約】

【課題】薄い溶削厚みを実現することが可能な溶削方法、及び溶削装置を提供する。
【解決手段】鋼材の表面に可燃性ガスと酸素を吹き付けて燃焼させる予熱工程と、鋼材の表面に溶削用酸素を吹き付けるとともに鋼材を搬送し、搬送される鋼材の表面を溶削する溶削工程と、を含み、溶削工程では、溶削用酸素が鋼材と酸化反応して形成される火点の溶削進行方向前方側に、可燃性ガスと酸素とを含むシールドガスを噴出する構成とされており、シールドガスにおいて、式（１）で求められる熱量比κが以下の関係式（２）を満たす溶削方法。
κ＝可燃性ガスの燃焼熱量／ＦｅＯの生成熱量 ・・・（１）
κ＞０．１１ ・・・（２）
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

鋼材の表面に可燃性ガスと酸素を吹き付けて燃焼させる予熱工程と、
前記鋼材の前記表面に溶削用酸素を吹き付けるとともに前記鋼材を搬送し、搬送される前記鋼材の前記表面を溶削する溶削工程と、
を含み、
前記溶削工程では、前記溶削用酸素が前記鋼材と酸化反応して形成される火点の溶削進行方向前方側に、前記可燃性ガスと前記酸素とを含むシールドガスが噴出され、
前記シールドガスにおいて、式（１）で求められる熱量比κが以下の関係式（２）を満たす
溶削方法。
κ＝可燃性ガスの燃焼熱量／ＦｅＯの生成熱量 ・・・（１）
κ＞０．１１ ・・・（２）

【請求項2】

前記シールドガスに含まれる前記酸素の流量は、前記可燃性ガスの完全燃焼に必要な酸素の流量より小さく、
前記可燃性ガスと前記酸素の流量比は、前記可燃性ガスが燃焼を継続する流量比である 請求項１に記載の溶削方法。

【請求項3】

前記溶削工程において、溶削によって対象領域の除去が行われる場合、
前記対象領域は、前記鋼材の表面から厚み方向において２ｍｍ以下の領域である
請求項１に記載の溶削方法。

【請求項4】

前記溶削工程において、溶削によって対象領域の除去が行われる場合、前記鋼材の搬送速度は１０ｍ／ｍｉｎ以下とされている
請求項１に記載の溶削方法。

【請求項5】

前記鋼材は、熱間圧延の対象となる鋼材である
請求項１に記載の溶削方法。

【請求項6】

溶削用酸素を噴出する溶削用酸素噴出部と、
前記溶削用酸素の噴流よりも溶削進行方向前方側において、可燃性ガスと酸素とを含むシールドガスを噴射するシールドガス噴射部と、
を備え、
前記シールドガスにおいて、式（３）で求められる熱量比κが以下の関係式（４）を満たす
溶削装置。
κ＝可燃性ガスの燃焼熱量／ＦｅＯの生成熱量 ・・・（３）
κ＞０．１１ ・・・（４）

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、溶削方法、及び溶削装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、鋼材の表面を溶削する鋼材の溶削方法に関して、前方シールドガスにおいては、可燃性ガスが完全燃焼するために必要な理論酸素量よりも酸素が多くなるように、酸素（Ｏ）と可燃性ガス（Ｇ）との流量比Ｏ／Ｇを設定することを特徴とする鋼材の溶削方法が記載されている。

【0003】

特許文献２には、溶削前の予熱工程において、プロパンガスに対する酸素ガスの流量比率が５．０±０．５の範囲を満足するように制御することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－０４１４２２号公報

【特許文献2】特開２００９－２３３６８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

鋼材の製造プロセスにおいて、鋼材の表面に対して溶削による手入れが行われる場合がある。例えば、鋼材の表面に生じた割れは、品質欠陥となるので除去する必要がある。特に、表面品質を重視する高級鋼材、自動車用鋼板等では、表面の割れを除去することが求められる。また、例えば、スラブ１Ａの表面に生じた酸化鉄、鋳造時に表層に噛み込んだ介在物及び鋳造パウダ、又は気泡痕等の表層欠陥が、表面の手入れによって除去される。表面手入れ方法として、鋼材の製造プロセスに溶削を適用するにあたっては、歩留まりの低下を避けるため、薄い溶削厚みを実現することが求められる。

【0006】

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、溶削に用いられる前方シールドガスにおいて、可燃性ガスを完全燃焼させるために必要な理論酸素量よりも酸素が多くなるように流量比を設定している。この場合、反応後の物質量の増大、及び過剰な温度上昇によるガス体積の膨張によって、前方シールドガスが溶削用酸素の流れに乱れを生じさせ、溶削に悪影響を及ぼす場合がある。また、特許文献２に記載の技術では、予熱工程におけるプロパンガスと酸素ガスの流量比については考慮されているものの、溶削工程におけるシールドガスにおける流量比については考慮されていない。

【0007】

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、薄い溶削厚みを実現することが可能な溶削方法、及び溶削装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、鋼材の表面に可燃性ガスと酸素を吹き付けて燃焼させる予熱工程と、上記鋼材の表面に溶削用酸素を吹き付けるとともに上記鋼材を搬送し、搬送される上記鋼材の表面を溶削する溶削工程と、を含み、上記溶削工程では、上記溶削用酸素が上記鋼材と酸化反応して形成される火点の溶削進行方向前方側に、上記可燃性ガスと上記酸素とを含むシールドガスが噴出され、上記シールドガスにおいて、式（１）で求められる熱量比κが以下の関係式（２）を満たす溶削方法が提供される。
κ＝可燃性ガスの燃焼熱量／ＦｅＯの生成熱量 ・・・（１）
κ＞０．１１ ・・・（２）

【0009】

上記シールドガスに含まれる上記酸素の流量は、上記可燃性ガスの完全燃焼に必要な酸素の流量より小さく、上記可燃性ガスと上記酸素の流量比は、上記可燃性ガスが燃焼を継続する流量比であってもよい。

【0010】

上記溶削工程において、溶削によって対象領域の除去が行われる場合、上記対象領域は、上記鋼材の表面から厚み方向において２ｍｍ以下の領域であってもよい。

【0011】

上記溶削工程において、溶削によって対象領域の除去が行われる場合、上記鋼材の搬送速度は１０ｍ／ｍｉｎ以下とされてもよい。

【0012】

上記鋼材は、熱間圧延の対象となる鋼材であってもよい。

【0013】

上記課題を解決するために、本発明のその他の観点によれば、溶削用酸素を噴出する溶削用酸素噴出部と、上記溶削用酸素の噴流よりも溶削進行方向前方側において、可燃性ガスと酸素とを含むシールドガスを噴射するシールドガス噴射部と、を備え、上記シールドガスにおいて、式（３）で求められる熱量比κが以下の関係式（４）を満たす溶削装置が提供される。
κ＝可燃性ガスの燃焼熱量／ＦｅＯの生成熱量 ・・・（３）
κ＞０．１１ ・・・（４）

【発明の効果】

【0014】

以上、説明したように本発明によれば、薄い溶削厚みを実現することが可能な溶削方法、及び溶削装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る熱間圧延設備の概略構成の一例を示す模式図である。

【図2】本発明の第１の実施形態に係る溶削装置の概略構成の一例を示す模式図である。

【図3】溶削速度と溶削厚みの関係の一例を示すグラフである。

【図4】本発明の第１の実施形態に係る溶削の様子の一例を示す模式図である。

【図5】本発明の第１の実施形態に係る熱量比κと最大溶削速度促進量ηとの関係の一例を示すグラフである。

【図6】本発明の第１の実施形態に係る熱量比κと最小溶削厚み変化量ξとの関係の一例を示すグラフである。

【図7】本発明の第１の実施形態に係る対象領域の一例を示す模式図である。

【図8】本発明の第１の実施形態に係る溶削方法の一例を示すフローチャートである。

【図9】変形例に係る溶削の様子の一例を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

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。

【0017】

＜第１の実施形態＞
まず、図１を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る熱間圧延設備１０の概略構成について説明する。図１は、熱間圧延設備１０の概略構成を示す図である。

【0018】

一例として図１に示すように、熱間圧延設備１０は、鋼材１を熱間圧延するための設備である。熱間圧延設備１０は、加熱炉２０、溶削装置３０、デスケーリング装置４０、粗圧延装置５０、及び仕上圧延装置６０を含む。加熱炉２０は、連続鋳造機１１から排出された鋼材１を所定の長さに切断することにより得られる鋼材１（例えば、スラブ１Ａ）を予め定められた温度まで加熱する。スラブ１Ａは、搬送ロール２２によって搬送されながら、加熱炉２０によって加熱される。ここで、鋼材１は、Ｃｕを含有する鋼材であり、例えば、Ｃｕを０．１５ｗｔ％以上含有し、特に、Ｃｕを０．２５ｗｔ％以上含有している鋼材である。なお、ここでは、鋼材１としてスラブ１Ａを例に挙げているが、これはあくまでも一例に過ぎず、鋼材１は、ビレットであってもよい。

【0019】

溶削装置３０は、加熱炉２０から排出されたスラブ１Ａに対して溶削を行うことにより、スラブ１Ａの表面部分を除去する。溶削装置３０の詳細については後述する。溶削装置３０は、加熱炉２０よりもスラブ１Ａの搬送方向において下流側に位置している。また、溶削装置３０は、デスケーリング装置４０よりも上流側に位置している。より具体的には、溶削装置３０は、加熱炉２０よりも下流側に位置し、かつ加熱炉２０において加熱されたスラブ１Ａを幅方向に圧延する縦ロール２４よりも上流側に位置している。なお、本明細書において、「除去」とは完全な除去を含み、本発明の属する技術分野において一般的に許容される範囲内での除去不足であって、本発明の趣旨に反しない程度での除去不足を含めた意味合いでの除去を指す。

【0020】

デスケーリング装置４０は、粗圧延装置５０による粗圧延の前にスラブ１Ａの表面に形成されたスケール（すなわち、酸化被膜）を除去する。デスケーリング装置４０は、ノズル４２から流体（例えば、冷却水）をスラブ１Ａに噴射することで、スケールを除去する。すなわち、デスケーリング装置４０は、例えば、冷却水タンク（図示省略）から供給され、かつポンプ（図示省略）を用いて所定の水圧とされた冷却水Ｗを、ノズル４２からスラブ１Ａに対して噴射する。デスケーリング装置４０によってスラブ１Ａの表面のスケールが除去されるとともに、冷却水による抜熱によってスラブ１Ａの表面の温度が１１００℃以下とされる。ここで、デスケーリング装置４０によるスケール除去後のスラブ１Ａの表面の温度（例えば、スラブ１Ａの幅方向における側面）は、放射温度計によって測定される。

【0021】

粗圧延装置５０は、スラブ１Ａに対して粗圧延を行い、所定の厚みまで薄くする。具体的には、粗圧延装置５０は、縦ロール２４によって幅方向に圧延されたスラブ１Ａを上下方向から圧延して粗バー１Ｂとする。図１に示す例では、粗圧延装置５０は、４台の圧延機５１～５４を備えている。粗圧延装置５０は、スラブ１Ａをロールで上下に挟んで圧延機５１～５４を用いて連続的に圧延する。粗圧延装置５０において、スラブ１Ａは、例えば、２５～５０ｍｍ程度の板厚まで薄くされることにより、粗バー１Ｂとして成形される

【0022】

仕上圧延装置６０は、粗バー１Ｂをさらに所定の厚みまで連続して熱間仕上圧延をする。具体的には、粗バー加熱装置６２によって再度加熱され、搬送されてきた粗バー１Ｂを数ｍｍ（例えば、１～２ｍｍ）程度の板厚まで仕上げ圧延する。これら仕上圧延装置６０は、６～７スタンドに亘って上下一直線に並べた仕上圧延ロール６４の間隙に粗バー１Ｂを通過させ、これを徐々に圧下していく。この仕上圧延装置６０により所定の板厚まで仕上げ圧延されることにより得られる鋼帯１Ｃは、冷却装置７０へと送られる。なお、ここでは、仕上圧延装置６０が、６～７スタンドを有する形態例を示しているが、これはあくまでも一例にすぎず、仕上圧延装置６０が、５スタンドを有してもよい。

【0023】

冷却装置７０は、仕上圧延後の鋼帯１Ｃを冷却水Ｗにより冷却する。冷却装置７０は、例えば、パイプラミナーノズル方式の冷却装置である。冷却装置７０により冷却された１Ｃは、巻取装置８０により、コイル状に巻き取られ熱延コイル１Ｄとして熱間圧延設備１０から次工程に搬送される。

【0024】

本実施形態に係る熱間圧延設備１０において、溶削装置３０によって、スラブ１Ａの表面が除去される。一例として図２に示すように、溶削装置３０は、鋼材１の表面に対向するように配置されたスカーファーユニット３１を有している。このスカーファーユニット３１は、予熱用ガス噴出部３４と、溶削用酸素噴出部３６とを備えている。予熱工程において、予熱用ガス噴出部３４は、予熱用酸素３２と可燃性ガス３３とを噴出する。また、溶削工程において、予熱用ガス噴出部３４は、前方シールドガス３５を噴射する。すなわち、溶削工程において、予熱用ガス噴出部３４は、シールドガス噴射部として機能する。溶削用酸素噴出部３６は、溶削用酸素３７を噴出する。

【0025】

なお、図２に示すように、溶削用酸素噴出部３６から噴出される溶削用酸素３７の噴出流は、予熱用ガス噴出部３４から噴出される予熱用酸素３２及び可燃性ガス３３の噴出流よりも、鋼材１の搬送方向Ｙの前方側に衝突するように配置されている。

【0026】

溶削装置３０においては、まず、図２の左側に示すように、予熱工程が行われる。予熱工程では、スカーファーユニット３１の予熱用ガス噴出部３４から予熱用酸素３２及び可燃性ガス３３を鋼材１の表面に向けて噴出するとともに、この可燃性ガス３３を燃焼させる。そして、燃焼する可燃性ガス３３の熱により、鋼材１の表面の一部を溶融して、湯溜まり部１Ｅを形成する。

【0027】

なお、鋼材１の表面に形成される湯溜まり部１Ｅの搬送方向Ｙに沿った長さは、例えば２０ｍｍ～３０ｍｍ程度の範囲とされる。

【0028】

次に、図２の右側に示すように、溶削工程が行われる。溶削工程では、スカーファーユニット３１の溶削用酸素噴出部３６から溶削用酸素３７が鋼材１の表面に向けて噴出されるとともに、湯溜まり部１Ｅが形成された鋼材１が搬送方向Ｙに向けて搬送される。このとき、予熱用ガス噴出部３４から前方シールドガス３５が噴射される。前方シールドガス３５は、可燃性ガス３５Ｂと酸素３５Ａとを含んでいる。前方シールドガス３５の流れは、溶削用酸素３７に対して、溶削進行方向（すなわち、搬送方向であるＹ方向の反対方向）において、前方側に位置している。前方シールドガス３５は、溶削用酸素３７の酸素濃度を保つための保護ガスとして噴射されている。また、溶削用酸素３７に対して、溶削進行方向において後方側に後方シールドガス３８が噴射される。後方シールドガス３８は、溶削用酸素３７の酸素濃度を保つための保護ガスとして噴射されている。後方シールドガス３８は、可燃性ガスであり、例えば、ＬＰＧである。換言すれば、前方シールドガス３５及び後方シールドガス３８によって、溶削用酸素３７における外部からの空気（例えば、主に窒素）の流入、又は外部への酸素の流出が抑制され、溶削用酸素３７の酸素濃度の変化が抑制されている。

【0029】

溶削工程において、溶削用酸素噴出部３６から噴出される溶削用酸素３７の噴出流が、搬送される鋼材１の湯溜まり部１Ｅの溶融鉄に衝突し、溶融鉄と溶削用酸素３７の酸化反応が生じる。この酸化反応熱によって、鋼材１の表面が次々に溶融し、鋼材１の表面が溶削される。すなわち、湯溜まり部１Ｅの搬送方向Ｙの後方側が、酸化反応熱によって溶削されることになる。このように、溶削装置３０によって、加熱炉２０において加熱された後のスラブ１Ａの表面が溶削される。

【0030】

ところで、鋼材１に対して薄い溶削厚みでの溶削を行う場合、溶削の際の鋼材１の搬送速度（以下単に、「溶削速度」とも称する）を速くするか、溶削用酸素３７の圧力を下げるといった方法が考えられる。一般に、溶削速度を速くすると、おおむね速度に反比例して溶削厚みは薄くなる。一例として図３に示すように、溶削速度１５ｍ／ｍｉｎ以上では２．０ｍｍ未満の溶削を実現することが可能となる（図中の高圧（例えば、０．７６ＭＰａ）参照）。しかし、さらに溶削速度を速くし、２０ｍ／ｍｉｎ以上にすると、溶削反応が途切れ、溶削箇所が連続的にならず、断続的に存在する溶削不良（いわゆる、トラ刈り現象）が発生してしまう。このように、溶削現象は、ある溶削速度を超えると突然溶削が出来なくなる溶削限界（図３の点線参照）が存在する。一方、溶削用酸素３７の圧力を低くする（図中の低圧（例えば、０．４９ＭＰａ）参照）と、低速で溶削厚みを低減できるが、溶削反応が途切れる溶削限界も低速に遷移してしまい、結果として溶削用酸素３７の圧力を高くした場合と比較して、実現可能な溶削厚みは厚くなり、２．０ｍｍ未満の溶削厚みが実現できなくなってしまう。そのため、溶削速度に機械的な制約（例えば、搬送速度の上限）がある場合、酸素圧力を下げる等の溶削条件を調整しても、溶削限界以下の溶削厚みを実現することは困難であった。

【0031】

そこで、溶削限界以下に溶削厚みを低減させるため、本発明者らは、先ず、溶削速度を速くした場合に溶削が途切れるメカニズムについて詳細に検討した。その結果、溶削が安定して進行するためには、一例として図４に示すように、溶削域ＷＲで確実に溶削反応（例えば、Ｆｅ＋１／２Ｏ_２＝ＦｅＯ）が進行するように、予熱域ＨＲで、鉄の点火温度まで昇温させる必要があることに想到した。

【0032】

ここで、上述したように、前方シールドガス３５は、溶削用酸素３７の酸素濃度を保つための保護ガスとして噴射されている。発明者らは、前方シールドガス３５の保護ガスとしての機能以外に、前方シールドガス３５の燃焼熱を利用することで、前方シールドガス３５を溶削反応の進行を補助するガスとしても機能させることを想到した。

【0033】

前方シールドガス３５の熱量を増やすには、一般に、完全燃焼付近に設定することが考えられる。完全燃焼のためには、例えば、可燃性ガス３５Ｂがプロパンの場合、プロパンガスに対して物質量で５倍の酸素を必要とする。さらに、燃焼反応（Ｃ_３Ｈ_８＋５Ｏ_２＝３ＣＯ_２＋４Ｈ_２Ｏ）の結果、発生するガスの物質量は１．４倍に増える。そして、燃焼に伴う温度上昇によって発生後のガスの体積は１０倍近く膨張するため、前方シールドガス３５の運動量が過剰に増大する。このような前方シールドガス３５の膨張は、溶削用酸素３７の流れを乱し、溶削の安定的な進行に影響を与える可能性がある。

【0034】

従って、前方シールドガス３５において、可燃性ガス３５Ｂの流量に対する酸素の流量の比をできる限り小さく保つことで、可燃性ガス３５Ｂを完全燃焼させる流量比にする場合より、前方シールドガス３５の燃焼熱量を大きくすることができる。

【0035】

前方シールドガス３５に含まれる酸素３５Ａの流量は、可燃性ガス３５Ｂの完全燃焼に必要な酸素量より小さくなるように設定されている。ここで、完全燃焼とは、可燃性ガスが燃焼反応によって完全に酸化することを指す。例えば、プロパンガスの場合、燃焼反応（Ｃ_３Ｈ_８＋５Ｏ_２＝３ＣＯ_２＋４Ｈ_２Ｏ）が進行することを指す。なお、完全とは、本実施形態の属する技術分野において許容される範囲での誤差であって、本開示の技術の趣旨に反しない程度の誤差を含めた意味合いでの完全を指す。

【0036】

また、前方シールドガス３５において、可燃性ガス３５Ｂと酸素３５Ａの流量比は、可燃性ガス３５Ｂが燃焼を継続することが可能な流量比に設定される。これは、酸素３５Ａが全くないと、可燃性ガス３５Ｂの燃焼反応が継続しないためである。すなわち、可燃性ガス３５Ｂと酸素３５Ａの流量比は、可燃性ガス３５Ｂが、反応物のまま滞留しない程度の流量比に設定される。ここで、燃焼反応を継続することが可能な流量比は、爆発限界で表現される。例えば、プロパンガスの場合、静止状態（すなわち、プロパンガスと酸素の流速が十分小さい場合）では、爆発限界となる流量比は、０．７５＜Ｏ／Ｇ＜４３である。しかし、前方シールドガス３５の流速が増加すると、流量比の下限が増加する。そのため、実際に安定して前方シールドガス３５を点火させるには、流量比は、２．０≦Ｏ／Ｇに設定され、静止状態と比較して多くの酸素が必要である。この場合において、Ｏ／Ｇの上限は、可燃性ガス３５Ｂを完全燃焼させない範囲かつ鋼材１を溶削するために必要な流量比の範囲内で適宜設定され得る。例えば、Ｏ／Ｇ＜５．０に設定される。

【0037】

また、前方シールドガス３５において酸素３５Ａが全くないと、前方シールドガス３５の全体の流量低下により保護機能が低下し、さらに前方シールドガス３５の燃焼が継続しないため燃焼熱量による溶削補助の機能が失われてしまう。

【0038】

前方シールドガス３５の燃焼熱による溶削反応への補助機能についてさらに検討するため、本発明者らは、前方シールドガス３５の燃焼熱量を、溶削反応におけるＦｅＯ生成熱量と比較することを想到した。この場合において、ＦｅＯ生成熱量は、溶鉄の燃焼熱の最大値として溶削されたＦｅがすべてＦｅＯに変化したと考えた場合のＦｅＯ生成熱量とした。すなわち、ＦｅＯの生成熱量は、下記式（１）によって表すことができる。

【0039】

ＦｅＯの生成熱量＝ｈＷＶ_ｓρ・６４（Ｍｃａｌ／ｋｍｏｌ）／５５．８（ｋｇ／ｋｍｏｌ） ・・・（１）
ここに、
ｈ：溶削厚［ｍ］
Ｗ：溶削幅［ｍ］
Ｖ_ｓ：溶削速度［ｍ／ｈ］
ρ：鋼の密度［ｋｇ／ｍ^３］
ＦｅＯ生成反応のモル当たり熱量：６４（Ｍｃａｌ／ｋｍｏｌ）
ＦｅＯの分子量：５５．８（ｋｇ／ｋｍｏｌ）

【0040】

また、可燃性ガス３５Ｂの発熱量は、例えば、可燃性ガス３５Ｂがプロパンを主成分とするＬＰＧ（Liquefied Petroleum Gas）なので下記式（２）で表すことが出来る。
ＬＰＧの発熱量＝Ｑ_ＬＰＧ・２０．７８Ｍｃａｌ／ｍ^３ ・・・（２）
ここに、
Ｑ_ＬＰＧ： ＬＰＧ流量［ｍ^３／ｈ］

【0041】

そして、ＦｅＯの生成熱量に対するＬＰＧの発熱量の比κ（カッパ）は、下記式（３）の通り表すことができる。
κ＝ＬＰＧ燃焼熱÷ＦｅＯ生成熱・・・（３）

【0042】

そして、前方シールドガス３５の燃焼熱によってどれだけ溶削が安定するかを示す指標として、下記式（４）により表される最大溶削速度促進量ηを用いる。最大溶削速度促進量ηは、最大溶削速度がどれだけ向上するかの度合いである。

【0043】

η＝Ｖ_ｍａｘ／Ｖ_{ｍａｘ，０} ・・・（４）
ここに、
Ｖ_ｍａｘ：前方シールドガス３５の可燃性ガス３５Ｂを増やした場合の最大溶削速度
Ｖ_{ｍａｘ，０}：溶削が安定する最低限の流量の前方シールドガス３５の場合の最大溶削速度

【0044】

なお、上述したように、前方シールドガス３５は、溶削用酸素３７の酸素濃度を保つために必要である。溶削用酸素３７の酸素濃度を保ち、溶削が安定する最低限の流量の場合の前方シールドガス３５において、ＬＰＧ燃焼熱量とＦｅＯ生成熱量の比κは、概ね０．０５である。この場合、最大溶削速度促進量ηは、１を示す。

【0045】

一例として図５に示すように、熱量比κと最大溶削速度促進量ηの関係において、熱量比κが増えるほど最大溶削速度促進量ηが増える傾向が示されている。熱量比κが０．３６では最大溶削速度促進量ηが２となり、可燃性ガス３５Ｂによる最大溶削速度の増加の度合いが２倍を示す。また、熱量比κと最大溶削速度促進量ηの関係において、熱量比κに対する溶削速度の増加は、概ね線形を示す。近似直線と、η＝１の直線との交点において、熱量比κ＝０．１１である。従って、κ＞０．１１でη＞１．０となり、最大溶削速度が増加することが分かる。

【0046】

また、熱量比κの上限は、κ≦０．４となるように設定され得る。熱量比κを大きくするためには、例えば、可燃性ガス３５Ｂの流量を増加させる。この結果、熱量比κが０．４より大きくなると、可燃性ガス３５Ｂを含む前方シールドガス３５の流れによって、溶削用酸素３７の流れが阻害される場合がある。これにより、溶削が安定して行われなくなる場合がある。そのため、熱量比κ≦０．４となるように設定され得る。

【0047】

最大溶削速度が増えるということは、溶削の安定性が向上することを意味する。すなわち、鋼材製造プロセスにおいて、途中で溶削不良（例えば、溶削箇所が途切れる現象）が発生しにくくなる。一方で、最大溶削速度が増える分、溶削速度（すなわち、溶削対象となる鋼材の搬送速度）を上げることで、溶削厚みが、より薄くなることを意味する。そこで、最低限の流量の前方シールドガス３５で溶削した時の最小溶削厚みに対して、前方シールドガス３５の可燃性ガス３５Ｂの燃焼熱を増すことで、どれだけ溶削厚みが薄くなるかを下記式（５）の通り、ξで表す。

【0048】

ξ＝ｈ_Ｖｍａｘ／ｈ_{Ｖｍａｘ，０} ・・・（５）
ここに、
ξ：最小溶削厚み変化量
ｈ_Ｖｍａｘ：Ｖ_ｍａｘの場合の溶削厚み
ｈ_{Ｖｍａｘ，０}：Ｖ_{ｍａｘ，０}の場合の溶削厚み

【0049】

一例として図６に示すように、熱量比κと最小溶削厚み変化量ξの関係において、最小溶削厚み変化量ξは、０．６６まで低下する。すなわち、前方シールドガス３５の可燃性ガス３５Ｂの燃焼熱を利用することで、例えば、最大で３４％の溶削厚みを低減できることを示している。

【0050】

このように、前方シールドガス３５において、可燃性ガス３５Ｂの燃焼熱を利用することで溶削反応が安定して進行することが実現される。さらに、溶削反応が安定して進行することで、最小溶削厚みを低減することができる。すなわち、前方シールドガス３５における可燃性ガス３５Ｂの燃焼熱を利用しない場合の溶削限界以下での溶削を実現することができる。

【0051】

ところで、近年、鋼材の製造プロセスにおける二酸化炭素排出量削減のため、鉄鉱石以外の鉄源が利用されるようになっている。例えば、鉄源として鉄屑の使用比率を上げることが検討されている。

【0052】

しかしながら、鉄源として鉄屑を利用する場合、鋼材の製造段階において鉄屑に含まれる銅（Ｃｕ）に起因した表面欠陥が生じる場合がある。例えば、熱間圧延プロセスにおいて、Ｃｕが鋼材の表面に濃化することによる赤熱脆化割れが生じ、鋼材の表面品質が低下する。このため、Ｃｕを含む鉄屑の鉄源中の使用比率を上げることは困難であり、環境に配慮した鋼材製造プロセスの実現の妨げとなっている。

【0053】

そこで、スラブ１Ａの表面におけるＣｕ濃化層の除去を熱間圧延における加熱炉２０による加熱の後に行う。すなわち、熱間圧延における熱履歴において、鋼材１は、加熱炉２０を出た後、粗圧延工程で１０００℃以下になって以降は、再び１０００℃以上に昇温されることがない。従って、加熱炉２０による加熱の後、Ｃｕ濃化層の除去を行えば、それ以降の工程においてスケールが発生することが抑制される。この結果、Ｃｕ濃化現象も抑制され、赤熱脆化割れも抑制されることとなる。

【0054】

Ｃｕ濃化層は表層２ｍｍ未満のみで生成し、多くとも２ｍｍ程度の溶削厚み、Ｃｕ含有量又は加熱条件によっては１．０ｍｍ以下の溶削厚みの溶削を行えば、赤熱脆化割れを抑制することができる。

【0055】

そこで、一例として図７に示すように、溶削装置３０は、Ｃｕ濃化層Ｒを含む領域である対象領域Ｔを除去する。ここで、対象領域Ｔは、鋼材１の厚み方向ｔにおいて、鋼材１の表面（すなわち、スケールＳの表面）から予め定められた距離の範囲である。予め定められた距離は、例えば、０ｍｍより大きく３ｍｍ以下であり、好ましくは、０ｍｍより大きく２ｍｍ以下であり、より好ましくは、０ｍｍより大きく１ｍｍ以下である。

【0056】

鋼材１が粗バー１Ｂである場合、鋼材１の厚みは、例えば、２５～５０ｍｍ程度とされている。そこで、対象領域Ｔとして鋼材１の表面からの距離で１ｍｍ以下の領域を除去することで、鋼材１の厚みが減少することを抑制し、歩留まりを向上できる。

【0057】

なお、図７に示す例では、鋼材１の厚み方向における一の表面が溶削される形態例を示しているが、本実施形態に係る溶削装置３０は、鋼材１の厚み方向における他の面も溶削される。この場合において、溶削装置３０は、鋼材１の一の表面及び他の表面の各々に対向する位置にスカーファーユニット３１を備える。

【0058】

Ｃｕ濃化層Ｒを含む対象領域Ｔが溶削されて除去されることで、結晶粒界ＧＢに存在する割れＣが除去される。この結果、鋼材１の表面における赤熱脆化割れが抑制される。

【0059】

また、上述したように、本実施形態では、前方シールドガス３５において、可燃性ガス３５Ｂの燃焼熱を利用することで溶削反応が安定して進行することが実現される。さらに、溶削反応が安定して進行することで、最小溶削厚みを低減することができる。すなわち、前方シールドガス３５における可燃性ガス３５Ｂの燃焼熱を利用しない場合の溶削限界以下での溶削を実現することができる。これにより、鋼材１の表面に存在するＣｕ濃化層Ｒを含む領域である対象領域Ｔを除去する場合に、２ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下の溶削を安定して行うことが実現される。

【0060】

また、熱間圧延設備においては、部分的に１０ｍ／ｍｉｎ以下の低速での搬送が行われる場合がある。この場合、前方シールドガス３５における可燃性ガス３５Ｂの燃焼熱を利用しない条件で溶削を行おうとすると、溶削限界があるため、溶削厚み２ｍｍ以下で安定して溶削を行うことは困難である（図３参照）。しかしながら、本実施形態では、前方シールドガス３５において、可燃性ガス３５Ｂの燃焼熱を利用することで溶削反応が安定して進行することが実現される。さらに、溶削反応が安定して進行することで、最小溶削厚みを低減することができ、溶削厚み２ｍｍ以下での安定した溶削が実現される。

【0061】

次に、図８を参照しながら、本実施形態に係る溶削方法について説明する。図８は、本実施形態に係る溶削方法を説明するためのフローチャートである。図８に示すように、先ず、ステップＳＴ１０において、鋼材１の表面に可燃性ガス３３と予熱用酸素３２を吹き付けて燃焼させることにより、鋼材１の表面を予熱する。ステップＳＴ１０の工程が実行された後、溶削方法は、ステップＳＴ１２に移行する。

【0062】

ステップＳＴ１２において、ステップＳＴ１０で予熱された鋼材１に対して、鋼材１の表面に対して溶削用酸素３７が吹き付けられるとともに鋼材１が搬送される。これにより、溶削用酸素３７と鋼材１との酸化反応熱によって、搬送される鋼材１の表面が溶削される。この場合、可燃性ガス３５Ｂと酸素３５Ａとを含む前方シールドガス３５が噴出されており、前方シールドガス３５において、上記式（３）で求められる熱量比κがκ＞０．１１となる様に設定されている。ステップＳＴ１２の工程が実行された後、本実施形態に係る溶削方法は、終了する。

【0063】

以上説明したように、本実施形態に係る溶削方法では、鋼材１の表面を予熱する工程と、溶削用酸素３７と鋼材１との酸化反応熱によって鋼材１の表面を溶削する工程とを含んでいる。溶削工程では、可燃性ガス３５Ｂと酸素３５Ａとを含む前方シールドガス３５が噴射される。前方シールドガス３５では、ＦｅＯの生成熱量に対する可燃性ガス３５Ｂの発熱量の比κが、κ＞０．１１となる様に設定されている。これにより、前方シールドガス３５において、可燃性ガス３５Ｂの燃焼熱を利用することで溶削反応が安定して進行することが実現される。さらに、溶削反応が安定して進行することで、最小溶削厚みを低減することができる。すなわち、前方シールドガス３５における可燃性ガス３５Ｂの燃焼熱を利用しない場合の溶削限界以下での溶削を実現することができる。

【0064】

また、本実施形態に係る溶削方法では、前方シールドガス３５に含まれる酸素３５Ａの流量は、可燃性ガス３５Ｂの完全燃焼に必要な酸素量より小さくなるように設定されている。また、前方シールドガス３５において、可燃性ガス３５Ｂと酸素３５Ａの流量比は、可燃性ガス３５Ｂが燃焼を継続することが可能な流量比に設定される。これにより、完全燃焼に伴う前方シールドガス３５の膨張に起因した溶削の安定的な進行への影響を抑制しつつ、前方シールドガス３５の燃焼反応を継続的に生じさせることができる。この結果、溶削反応が安定して進行し、最小溶削厚みを低減することが実現される。

【0065】

また、本実施形態に係る溶削方法では、鋼材１の表面から厚み方向ｔにおいて、２ｍｍ以下の対象領域Ｔが、溶削によって除去される。鋼材１の表層欠陥の多くは、一般に表面から２ｍｍ以下の対象領域Ｔに存在する。例えば、Ｃｕ濃化層Ｒは表層２ｍｍ未満のみで生成し、多くとも２ｍｍ程度の溶削厚みの溶削を行えば、赤熱脆化割れを抑制することができる。また、溶削により除去する対象領域Ｔを２ｍｍ以下とすることで、鋼材１の歩留まりを向上できる。

【0066】

また、本実施形態に係る溶削方法では、溶削によって対象領域Ｔの除去が行われる場合の鋼材１の搬送速度は、１０ｍ／ｍｉｎ以下とされている。低速での溶削では、溶削限界があるため、溶削厚み２ｍｍ以下で安定して溶削を行うことは困難である（図３参照）。本構成では、前方シールドガス３５において、可燃性ガス３５Ｂの燃焼熱を利用することで溶削反応が安定して進行することで、最小溶削厚みを低減でき、溶削厚み２ｍｍ以下での安定した溶削が実現される。

【0067】

また、本実施形態に係る溶削方法では、鋼材１は、熱間圧延の対象となる鋼材である。熱間圧延工程における鋼材１では、表層にＣｕ濃化層Ｒが発生し、圧延において赤熱脆化割れを発生させる。本構成では、前方シールドガス３５において、可燃性ガス３５Ｂの燃焼熱を利用することで溶削反応が安定して進行することで、最小溶削厚みを低減でき、Ｃｕ濃化層Ｒに対する安定した溶削が実現される。

【0068】

（変形例）
なお、上記実施形態では、前方シールドガス３５の噴射方向と、溶削用酸素３７の噴射方向とが一致している形態例を挙げて説明したが、これはあくまでも一例にすぎない。例えば、一例として図９に示すように、前方シールドガス３５の噴射方向を、溶削用酸素３７の噴射方向に対して交差するように角度をつけた向きに設定してもよい。

【0069】

この場合、前方シールドガス３５において可燃性ガス３５Ｂを完全燃焼付近に設定した場合の溶削の安定的な進行への影響は、上記実施形態の場合よりも大きくなる。すなわち、可燃性ガス３５Ｂの完全燃焼によって前方シールドガス３５が膨張し、運動量が過剰に増大することで、溶削用酸素３７の噴射に影響を及ぼす。このため、溶削反応が不安定になりやすくなる。

【0070】

本変形例では、上記実施形態と同様に、可燃性ガス３５Ｂと酸素３５Ａとを含む前方シールドガス３５が噴射され、ＦｅＯの生成熱量に対する可燃性ガス３５Ｂの発熱量の比κが、κ＞０．１１となる様に設定されている。これにより、前方シールドガス３５において、可燃性ガス３５Ｂの燃焼熱を利用することで溶削反応が安定して進行することが実現される。

【0071】

また、上記実施形態では、熱間圧延工程において、加熱炉２０による加熱工程及び粗圧延工程との間で、溶削装置３０による溶削が行われる形態例を挙げて説明したが、これはあくまでも一例にすぎない。例えば、溶削装置３０による溶削は、粗圧延工程中に行われてもよい。具体的には、溶削装置３０は、粗圧延装置５０を形成する各圧延機の間に設けられる。また、例えば、溶削装置３０による鋼材１に対する溶削が、粗圧延の後、仕上圧延の前に行われてもよいし、仕上圧延工程中に行われてもよい。

【0072】

また、上記実施形態では、熱間圧延工程において溶削装置３０による溶削が行われる形態例を挙げて説明したが、これはあくまでも一例にすぎない。本実施形態に係る溶削方法は、製鋼工程、又は熱間圧延工程の加熱炉前において適用されてもよい。さらに、本実施形態に係る溶削方法は、鋼材１の製造ラインに適用されるものでなくてもよく、また、溶削の対象となる鋼材１も鋼帯ではなく、鋼管、又はＨ型鋼であってもよい。

【実施例0073】

本発明に係る溶削方法について性能を評価するため、溶削実験を行い、前方シールドガス３５の燃焼熱によって溶削厚みが変化するかを確認した。

【0074】

比較例として、最低限の前方シールドガス３５の流量における熱量比κ＝０．０５に設定した。また、実施例として、前方シールドガス３５の熱量比κを増加させた条件とした。

【0075】

溶削厚みから上記式（１）を用いてＦｅＯの生成熱を算出した。また、可燃性ガス３５Ｂとしてプロパンガスを用い、上記式（２）を用いて可燃性ガス３５Ｂの燃焼熱を算出した。熱量比κは、上記式（３）を用いて算出した。

【0076】

最小溶削厚み変化量ξは、比較例の溶削厚み及び実施例の溶削厚みから上記式（５）を用いて算出した。従って、比較例における最小溶削厚み変化量ξは、１．０となる。

【0077】

溶削条件としてユニット距離Ｈを変化させた。また、溶削用酸素圧力は、すべて同一とした。試験鋼板の幅中央のみ溶削し、溶削厚みは、未溶削領域に対する溶削領域の凹みをレーザー距離計により計測した。溶削厚みは、長手方向（すなわち、溶削の進行方向）における１０点で計測した平均値である。試験結果を表１に示す。

【0078】

【表1】

【0079】

表１に示すように、熱量比κ＞０．１１となる実施例１～９のいずれの条件も最小溶削厚み変化量ξ＜１．０となり、比較例１～４に対して、最低溶削厚みが低減した。すなわち、前方シールドガス３５の燃焼熱を利用しない場合と比較して、薄い溶削厚みの溶削が可能であることが示された。

【0080】

次に、前方シールドガス３５の酸素３５Ａと可燃性ガス３５Ｂの流量比Ｏ／Ｇの条件を変化させた試験結果を表２に示す。

【0081】

【表2】

【0082】

可燃性ガス３５Ｂはプロパンを用いたため、Ｏ／Ｇ＝５．０が完全燃焼条件である。そのため、ほぼ同じκの値であっても、比較例５であるＯ／Ｇ＞５．０の完全燃焼より酸素過多の条件では、最小溶削厚み変化量ξを低減する効果があまり発揮できなかったことが分かる。すなわち、実施例１０及び１１では、Ｏ／Ｇ≦５．０の完全燃焼ではない条件の流量比で、最小溶削厚み変化量ξを低減できることが示された。

【0083】

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、本発明は係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、各種の変更例又は応用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。

【0084】

上記実施形態に加えて、更に以下の付記を開示する。

【0085】

（付記１）
鋼材の表面に可燃性ガスと酸素を吹き付けて燃焼させる予熱工程と、
上記鋼材の表面に溶削用酸素を吹き付けるとともに上記鋼材を搬送し、搬送される上記鋼材の表面を溶削する溶削工程と、
を含み、
上記溶削工程では、上記溶削用酸素が上記鋼材と酸化反応して形成される火点の溶削進行方向前方側に、上記可燃性ガスと上記酸素とを含むシールドガスを噴出する構成とされており、
上記シールドガスにおいて、式（Ａ）で求められる熱量比κが以下の関係式（Ｂ）を満たす
溶削方法。
κ＝可燃性ガスの燃焼熱量／ＦｅＯの生成熱量 ・・・（Ａ）
κ＞０．１１ ・・・（Ｂ）
（付記２）
上記シールドガスに含まれる上記酸素の流量は、上記可燃性ガスの完全燃焼に必要な酸素の流量より小さく、
上記可燃性ガスと上記酸素の流量比は、上記可燃性ガスが燃焼を継続する流量比である 付記１に記載の溶削方法。
（付記３）
上記溶削工程において、溶削によって対象領域の除去が行われる場合、
上記対象領域は、上記鋼材の表面から厚み方向において２ｍｍ以下の領域である
付記１又は付記２に記載の溶削方法。
（付記４）
上記溶削工程において、溶削によって対象領域の除去が行われる場合、上記鋼材の搬送速度は１０ｍ／ｍｉｎ以下とされている
付記１から付記３のうちの何れか一つに記載の溶削方法。
（付記５）
上記鋼材は、熱間圧延の対象となる鋼材である
付記１から付記４のうちの何れか一つに記載の溶削方法。
（付記６）
溶削用酸素を噴出する溶削用酸素噴出部と、
上記溶削用酸素の噴流よりも溶削進行方向前方側において、可燃性ガスと酸素とを含むシールドガスを噴射するシールドガス噴射部と、
を備え、
上記シールドガスにおいて、式（Ｃ）で求められる熱量比κが以下の関係式（Ｄ）を満たす
溶削装置。
κ＝可燃性ガスの燃焼熱量／ＦｅＯの生成熱量 ・・・（Ｃ）
κ＞０．１１ ・・・（Ｄ）

【符号の説明】

【0086】

１ 鋼材
１Ａ スラブ
１Ｂ 粗バー
１Ｃ 鋼帯
１Ｄ 熱延コイル
１Ｅ 湯溜まり部
１０ 熱間圧延設備
１１ 連続鋳造機
２０ 加熱炉
２２ 搬送ロール
２４ 縦ロール
３０ 溶削装置
３１ スカーファーユニット
３２ 予熱用酸素
３３ 可燃性ガス
３４ 予熱用ガス噴出部
３５ 前方シールドガス
３５Ａ 酸素
３５Ｂ 可燃性ガス
３６ 溶削用酸素噴出部
３７ 溶削用酸素
３８ 後方シールドガス
４０ デスケーリング装置
４２ ノズル
５０，５０Ａ，５０Ｂ 粗圧延装置
５１，５２，５３，５４ 圧延機
６０ 仕上圧延装置
６２ 粗バー加熱装置
６４ 仕上圧延ロール
７０ 冷却装置
８０ 巻取装置
Ｒ Ｃｕ濃化層
Ｓ スケール
Ｔ 対象領域
Ｗ 冷却水
Ｙ 矢印
ｔ 厚み方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】