特許 7360050 切断条件決定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-03

(45)【発行日】2023-10-12

(54)【発明の名称】切断条件決定方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 7/10 20060101AFI20231004BHJP

   B22D 11/126 20060101ALI20231004BHJP

   B23K 7/08 20060101ALI20231004BHJP

【ＦＩ】

B23K7/10 501D

B22D11/126 A

B23K7/08 A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020051752

(22)【出願日】2020-03-23

(65)【公開番号】P2021146396

(43)【公開日】2021-09-27

【審査請求日】2022-11-04

(73)【特許権者】

【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】110002044

【氏名又は名称】弁理士法人ブライタス

(72)【発明者】

【氏名】岸原 謙

(72)【発明者】

【氏名】西岡 亮

【審査官】松田 長親

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１０３２４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－８４３８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１９４７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２７４３４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２０７２２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ７／００－７／１０

Ｂ２２Ｄ １１／００－１１／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

混入した燃焼ガスおよびパウダを燃焼させて、Ｎｉ含有量が６０質量％以上の高合金の鋳片を切断するための切断条件を決定する切断条件決定方法であって、
前記燃焼ガスを噴出する火口ノズルから、前記燃焼ガスのマッハ数が１となる位置までの距離であるＬ１と、前記鋳片から前記火口ノズルまでの距離であるＬ２とが下記式（１）を満たすように、前記火口ノズルの設置位置を決定する切断条件決定方法。
０．３６≦Ｌ２／Ｌ１≦０．７２ …（１）

【請求項2】

下記式（２）を満たすよう、前記火口ノズルの設置位置を決定する請求項１に記載の切断条件決定方法。
０．５２＜Ｌ２／Ｌ１＜０．６４ …（２）

【請求項3】

前記火口ノズルが切断方向へ移動する速度をＵ、前記鋳片の厚さをＴで表すと、下記式（３）を満たすよう、前記速度を決定する請求項２に記載の切断条件決定方法。
Ｕ×Ｔ＜１４０－Ｎｉ含有量 …（３）

【請求項4】

下記式（４）を満たすよう、前記速度を決定する請求項３に記載の切断条件決定方法。
Ｕ×Ｔ≧８ …（４）

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は切断条件決定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

燃焼ガスで鋳片を加熱して、鋳片を溶断するガス切断の一つとして、一般的なガス切断に加えて、パウダを助燃材として用いる切断方法が知られている。この方法は、鉄粉末などの燃焼助剤であるパウダを鋳片の切断部に供給して燃焼ガスで加熱し、パウダとの反応発熱によって鋳片を溶融・除去して切断する方法である。この方法は、通常のガス切断では切断が困難な材料、例えばＮｉを含む高合金の切断に用いられている。

【0003】

特許文献１には、パウダ切断を行うパウダ切断装置が記載されている。特許文献１に記載のパウダ切断装置は、火口ノズルの先端面において、中央から径方向外側へ、パウダ噴出孔、加熱炎孔が順次設けられた構成である。これによって、パウダが加熱炎により囲まれた状態で加熱・溶融することができ、パウダの燃焼比率を高めて切断効率を向上させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０００－１４１０３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、Ｎｉは燃焼ガスと反応しにくく、また、切断時に高融点のＮｉＯが生成されることで、切断ノロの流動性が悪くなることから、鋳片のＮｉ含有量が多いと、その鋳片の切断が困難となる。特許文献１のようにパウダの燃焼比率を高めても、火口ノズルを鋳片に対して適切な位置に設置しないと、燃焼ガスとパウダとの反応熱の最も高い領域の位置が、鋳片の切断位置に対応する位置とならず、熱不足により、切断不良が発生するおそれがある。このため、火口ノズルを適切な位置に設置する等、適切な切断条件に基づいて鋳片を切断することが望まれるが、従来では、経験則に基づいて試行錯誤により火口ノズルの設置位置等の切断条件を決定していた。

【0006】

ところが、鋳片のＮｉ含有量が多いと、適切な切断条件を満たす領域が狭く、従来の方法では切断条件の決定に手間取るおそれがある。そのため、例えば、連続鋳造ラインで生産する鋼材のサイズを異なるサイズに切換えるにあたって、切断条件を変更する必要がある場合に、切断条件の決定までに長い時間を要するおそれがあり、操業効率が低下するおそれがあった。

【0007】

そこで、Ｎｉ含有量が多い鋳片を切断するための適正な条件を決定し易くする切断条件決定方法が求められる。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、
混入した燃焼ガスおよびパウダを燃焼させて、Ｎｉ含有量が６０質量％以上の高合金の鋳片を切断するための切断条件を決定する切断条件決定方法であって、
前記燃焼ガスを噴出する火口ノズルから、前記燃焼ガスのマッハ数が１となる位置までの距離であるＬ１と、前記鋳片から前記火口ノズルまでの距離であるＬ２とが下記式（１）を満たすように、前記火口ノズルの設置位置を決定することを特徴とする。
０．３６≦Ｌ２／Ｌ１≦０．７２ …（１）

【発明の効果】

【0009】

本発明は、火口ノズルの適正な設置位置を決定し易くできる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、鋳片を切断する状態を示す図である。

【図2】図２は、ジェットコア長さを説明するための図である。

【図3】図３は、材質Ａにおける、Ｌ２／Ｌ１とＵ×Ｔとの関係を示す図である。

【図4】図４は、材質Ｂにおける、Ｌ２／Ｌ１とＵ×Ｔとの関係を示す図である。

【図5】図５は、材質Ｃにおける、Ｌ２／Ｌ１とＵ×Ｔとの関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図１は、鋳片２０を切断する状態を示す図である。

【0012】

パウダ切断装置１は、上方から下方へ送り出される鋳片２０を、所定の位置でパウダ切断する装置である。鋳片２０は、６０質量％以上のＮｉ含有量を有する高合金である。鋳片２０は、長手方向に直交する断面の形状が矩形状である。パウダ切断装置１は、吹管先端に設けられる火口ノズル１０と、パウダ用ノズル１１とを備えている。

【0013】

火口ノズル１０は、酸素を主成分とする燃焼ガスを、鋳片２０の切断部２１へ噴出するノズルである。火口ノズル１０は、その軸方向が、鋳片２０の表面（鋳片２０の４つの表面のうちノズル軸方向に並ぶ互いに平行な２つの表面）に対して直交するよう、設置されている。後に詳述するが、火口ノズル１０は、鋳片２０のノズル軸方向に並ぶ２つの表面のうちノズルに近い方の表面から、所定の距離（以下、吹管鋳片間距離といい、Ｌ２で表す）だけ離れて設置される。また、火口ノズル１０は、切断方向に沿って、所定の速度（以下、切断送り速度という）で移動する。

【0014】

なお、火口ノズル１０は、その軸方向が、必ずしも鋳片２０の表面に対して直交するよう、設置されていなくてもよい。火口ノズル１０は、その軸方向が、鋳片２０の表面の法線に対して傾斜して、設置されていてもよい。この場合、吹管鋳片間距離Ｌ２は、軸方向に沿った、鋳片２０から火口ノズル１０までの距離となる。

【0015】

パウダ用ノズル１１は、微細な鉄粉またはアルミニウム含有鉄粉などのパウダを噴出する。パウダ用ノズル１１は、火口ノズル１０に対して傾斜して設けられ、鋳片２０の切断部２１へ向けて、パウダを噴出する。パウダ用ノズル１１は、その軸方向が、火口ノズル１０の軸方向に対して約１５度傾斜するように、設けられる。

【0016】

パウダ切断装置１は、火口ノズル１０から燃焼ガスを吹き込んで燃焼させるとともに、パウダ用ノズル１１からパウダを吹き込み、パウダとの反応発熱によって鋳片２０を切断する。上記のように、鋳片２０はＮｉ含有量が高い高合金であり、燃焼しにくい。このため、鋳片２０に対して、適正な位置に火口ノズル１０を設置しないと、燃焼ガスとパウダとの反応熱の最も高い点が、鋳片２０の切断部２１と一致しなくなり、鋳片２０の切断不良が発生する。

【0017】

本実施形態では、火口ノズル１０の適正な位置を決める条件を決定するための、新たな指標として、火口ノズル１０のジェットコア長さを規定している。図２は、ジェットコア長さを説明するための図である。図２では、火口ノズル１０を、断面で表している。

【0018】

火口ノズル１０から高速で燃焼ガスを噴出させると、火口ノズル１０の中心軸Ｐ上のガス流速が変化しないポテンシャルコア領域１３が形成される。ポテンシャルコア領域１３では、燃焼ガスは超音速で流動する。燃焼ガスは、火口ノズル１０から離れるに従い、ポテンシャルコア領域１３の外縁から、最大流速が減衰していき、ポテンシャルコア領域１３外では減速する。

【0019】

鋳片２０を切断する際、燃焼ガスの流速が衰退しないポテンシャルコア領域１３内で切断できるように決定することが好ましい。しかしながら、ポテンシャルコア領域１３を正確に把握することは難しく、火口ノズル１０を適正な位置に設置することが難しい。そこで、火口ノズル１０から噴射された燃焼ガスのマッハ数が１となる位置を基準とし、火口ノズル１０から、その基準位置までの距離を、ジェットコア長さとして定義する。ジェットコア長さをＬ１で表すと、Ｌ１は以下の式により算出される。
Ｌ１＝Ｍ_１（５．８８＋１．５４Ｍ_１ ^２）Ｄ_１
この式において、Ｄ_１は、火口ノズル１０のスロート部１０Ａの径［ｍ］であり、Ｍ_１はスロート部１０Ａでのマッハ数である。スロート部１０Ａは、火口ノズル１０の内径で最も狭い部分である。また、スロート部１０Ａでのマッハ数Ｍ_１は、例えば、雰囲気圧力Ｐａと酸素ガス背圧Ｐｐとから以下の式に基づき算出することができる。
マッハ数Ｍ_１＝｛５×（Ｐｐ／Ｐａ）^２/７－１｝^１/２
この式において、雰囲気圧力Ｐａは、火口ノズル１０出口の圧力であり、基本的に大気圧0.1013（ＭＰａ）になるが、減圧下ではその時の操業真空度である。酸素ガス背圧Ｐｐは、火口ノズル１０入側の酸素ガス背圧に基づいて算出される。なお、マッハ数は、この式以外に、例えば、雰囲気圧力と、火口ノズル１０入側の酸素圧力とに基づいて算出してもよく、音速に対するガス流速の相対速度値を求める算出方法で算出すればよい。

【0020】

火口ノズル１０の設置位置を決定する際、ジェットコア長さＬ１と吹管鋳片間距離Ｌ２との関係が、０．３６≦Ｌ２／Ｌ１≦０．７２を満たすように、火口ノズル１０の設置位置を決定する。Ｌ２／Ｌ１＜０．３６の場合、又は、Ｌ２／Ｌ１＞０．７２の場合は、熱量不足で鋳片２０を切断できない。

【0021】

Ｌ２／Ｌ１の下限値について、好ましくは、０．４２＜Ｌ２／Ｌ１である。より好ましくは、０．５２＜Ｌ２／Ｌ１である。また、Ｌ２／Ｌ１の上限値について、好ましくは、Ｌ２／Ｌ１＜０．６６であり、より好ましくは、Ｌ２／Ｌ１＜０．６２である。例えば、０．４２＜Ｌ２／Ｌ１＜０．６６の場合、鋳片２０のＮｉ含有量が９９質量％であっても切断が可能となる。また、０．５２＜Ｌ２／Ｌ１＜０．６４の場合、切断送り速度の決定自由度を高くすることができる。なお、Ｌ２／Ｌ１の上限値と下限値との組み合わせは、適宜変更可能である。

【0022】

ジェットコア長さＬ１は、上記の式により算出できるため、上記条件から、吹管鋳片間距離Ｌ２の決定範囲は明確となる。これにより、火口ノズル１０の適正な設置位置を決定しやすくなる。

【0023】

また、０．５２＜Ｌ２／Ｌ１＜０．６４を満たすように火口ノズル１０の設置位置を決定した場合、火口ノズル１０の切断送り速度の自由度は高くなるが、切断送り速度が速すぎると、鋳片２０の切断に失敗する。このため、火口ノズル１０の切断送り速度をＵ、鋳片２０の厚さをＴで表すと、Ｕ×Ｔ＜１４０－Ｎｉ含有量、を満たすように、切断送り速度Ｕを決定することが好ましい。さらに、Ｕ×Ｔが過少であると切断面が粗くなるため、Ｕ×Ｔ≧８を満たすように、切断送り速度Ｕを決定することが好ましい。

【0024】

以下に、鋳片２０の材質および切断条件を変更して、火口ノズル１０で鋳片２０を切断した場合における、鋳片２０の切断の可否を確認する試験の結果を示す。この試験では、鋳片２０の材質として、材質Ａ、材質Ｂ、材質Ｃ、材質Ｄを用いた。材質Ａは、Ｎｉ（９９質量％）を含有する高合金である。材質Ｂは、Ｃｒ（１６質量％）、Ｎｉ（７５質量％）を含有する高合金である。材質Ｃは、Ｃｒ（２１質量％）、Ｎｉ（６２質量％）、Ｍｏ（８．８質量％）を含有する高合金である。材質Ｄは、Ｃｒ（２４質量％）、Ｎｉ（４９質量％）、Ｍｏ（８．８質量％）を含有する合金である。

【0025】

この試験では、吹管鋳片間距離Ｌ２、鋳片厚みＴおよび切断送り速度Ｕを変更して、各材質Ａ～Ｄを切断した。なお、いずれの材質に対する試験においても、ジェットコア長さＬ１は、２５１．６ｍｍである。材質Ａ～材質Ｄに対する試験結果を、表１～表４に示す。

【0026】

【表1】

【0027】

【表2】

【0028】

【表3】

【0029】

【表4】

【0030】

表１～表４において、失敗理由の「ａ」は「切込不良」であって、熱が足らず、鋳片２０の表面が溶けていない状態である。「ｂ」は「切り残り発生」であって、火口ノズル１０側の鋳片２０の表面は溶けている（切込は入る）一方で、反対側表面まで溶かしきれていない状態である。「ｃ」は「スプラッシュ発生」であって、溶融した鋳片が飛散した状態である。

【0031】

表４から、ニッケル含有量が６０質量％未満の材質Ｃの場合、吹管鋳片間距離Ｌ２の数値にかかわらず、つまり、Ｌ２／Ｌ１の条件に関係なく、切断が可能であることが分かる。また、この場合、切断送り速度Ｕの自由度も高いことが分かる。

【0032】

これに対し、ニッケル含有量が６０質量％以上の材質Ａ、Ｂ、Ｃの場合、吹管鋳片間距離Ｌ２によっては、鋳片２０の切断に失敗していることが分かる。そして、０．３６≦Ｌ２／Ｌ１≦０．７２を満たしている場合、鋳片２０の切断に成功する回数が多くなっていることが分かる。つまり、ニッケル含有量が６０質量％以上の鋳片２０を切断する場合、０．３６≦Ｌ２／Ｌ１≦０．７２を満たすように、火口ノズル１０の設置位置を決定すれば、他の条件である切断送り速度Ｕを調整することで、鋳片２０が切断できるようになる。

【0033】

また、０．４２＜Ｌ２／Ｌ１＜０．６６であると、Ｎｉ含有量が高い材質Ａでも切断が可能となっていることが分かる。さらに、０．５２＜Ｌ２／Ｌ１＜０．６４の場合、切断送り速度Ｕをより高く決定できることが分かる。

【0034】

次に、材質Ａ、Ｂ、Ｃそれぞれについて、Ｌ２／Ｌ１とＵ×Ｔとの関係を調べた。図３は、材質Ａにおける、Ｌ２／Ｌ１とＵ×Ｔとの関係を示す図である。図４は、材質Ｂにおける、Ｌ２／Ｌ１とＵ×Ｔとの関係を示す図である。図５は、材質Ｃにおける、Ｌ２／Ｌ１とＵ×Ｔとの関係を示す図である。図３～図５は、表１、表２および表３における失敗理由「ａ：切込不良」の場合と、切断に成功した場合とをそれぞれプロットした図である。

【0035】

図３～図５において、切断失敗のプロットを最小二乗法により近似曲線を描くと、いずれにおいても、２次関数の相関がみられた。この２次関数において、約０．５８では、Ｕ×Ｔは最大となる。つまり、０．５２＜Ｌ２／Ｌ１＜０．６４を満たしている場合、切断送り速度Ｕをより高く決定することができる。切断送り速度Ｕをより高く決定することで、切断時間を短縮でき、また、溶断ノロを排除することができる。

【0036】

また、材質Ａおよび材質Ｄの場合、Ｕ×Ｔの上限は、「１４０－Ｎｉ含有量」未満となることが分かる。つまり、０．５２＜Ｌ２／Ｌ１＜０．６４を満たすように火口ノズル１０の設置位置を決定する場合、Ｕ×Ｔ＜１４０－Ｎｉ含有量を満たすように、火口ノズル１０の切断送り速度Ｕを決定すればよいことが分かる。

【0037】

さらに、表２から分かるように、Ｕ×Ｔ＜８の場合、鋳片の切断面が粗くなっている。このため、鋳片２０の切断面粗さを抑制するために、Ｕ×Ｔ≧８を満たすように、火口ノズル１０の切断送り速度Ｕを決定すればよいことが分かる。

【0038】

以上のように、６０質量％以上のＮｉ含有量の鋳片を切断する際に、切断条件の決定範囲を明確にすることで、火口ノズル１０の適正な設置位置を決定し易くできる。

【符号の説明】

【0039】

１ パウダ切断装置
１０ 火口ノズル
１０Ａ スロート部
１１ パウダ用ノズル
１３ ポテンシャルコア領域
２０ 鋳片
２１ 切断部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】