JP4736100B2

JP4736100B2 - 金属体用の溶断ノズル

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Publication number: JP4736100B2
Application number: JP2007335790A
Authority: JP
Inventors: 哲男原田
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Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2027-12-27
Also published as: JP2009156518A

Description

本発明は、従来通りの酸素等の助然ガス圧力で自己旋回流を与えて、ノズル火口より高速で旋回する燃焼酸化ガスを噴出し、ピンチ効果とコアンダ効果により従来の金属体溶断対比で２０％以上のコストダウンを可能とする金属体用の溶断ノズルに関するものである。

金属体の溶断は、溶断ノズルからの酸素と燃料ガスとの燃焼火炎により金属を酸化反応させて溶融して切断していくものであるが、一般に、対象とする金属の種類と溶断厚みに応じて溶断ノズルの選定と、燃料ガスと酸素等の助燃ガスの配分とこれ等の噴射圧力を適切に調節して燃焼火炎（加熱炎）の必要な炎力と溶断圧力を設定し標準炎を得なければ成らず長年の経験とノウハウを必要とする。
また溶断中のノロ付着防止のためにも、炎力と酸素圧力の調節で加熱炎を標準炎にすることが重要で、これが溶断作業能率や溶断面の仕上がりに大きく影響をあたえる。酸素圧力を高め過ぎた火炎では溶断面が不揃いとなり、また加熱された溶断部を冷却してしまい溶断時間を長大化させる。
火炎が大き過ぎると金属体の溶断口が段付き状に肩落されその酸化物が下面部に多量に付着する。反対に小さ過ぎると充分に温度が上昇せず溶断時間を多くし下面までの火炎の通り道の不完全によりギザギザの溶断面となる。

このため経験の浅い者は費用が嵩むが酸素を多くして標準火炎より酸化過剰火炎とし、アセチレンガス、プロパンガスなどの燃料ガスに対する過不足をなくして完全燃焼させて失敗の無いようにしているが、燃料ガス消費量の増大、塵灰や煙り量の増大を招き、作業者に熱負荷を掛け、空気環境汚染による障害を与える結果となる等その改善が急務である。
経験のある熟練者は、標準火炎を火炎の中心に淡赤紫色ができ、この部分が3000〜3500℃であることで判断している。酸化過剰火炎は炎全体が紫色を帯び、アセチレンガス過剰火炎は淡赤色が不明瞭になり見分けが利くため一般に標準火炎にすると溶断用の酸素口を開いた時、加熱火口の酸素圧力が下がりアセチレンガス過剰火炎となり加熱温度が低下する。
このように溶断ノズルでの溶断は、単純に見えるが特に金属体の厚みが大きくなると火炎の径を大きくするため溶断ノズルの出口径をφ15〜φ20と大径化するが、溶断ノロと溶滴酸化金属の発生量が更に多くなるのでこれ等の付着の防止を同時に考慮して行わなければならず、しかも溶断熱の輻射熱を受けることから大変な作業負荷を受けることには変らない。

而して、金属体用の溶断ノズルの構造は、一般にノズル軸芯部を直進流の燃料流路とし、その周囲に直進流の一次側助然ガス流路のみを一重に配置形成したもの、又は直進流の一次側助然ガス流路と二次側助然ガス流路を二重に形成配置したものがある。
例えば、ノズル軸芯部を直進流の燃料炭化水素ガス流路とし、その周囲に直進流の一次側助然酸素ガス流路と二次側助然酸素ガス流路を二重に配置形成した鋼材用の溶断ノズルは、ノズル先端から吐出した燃料酸素ガスと一次側助然酸素ガスは接触部で一瞬に混合して燃焼し、これが二次側助然酸素ガス流に沿って流れるコアンダ効果を生じ、直進層流となり、鋼材表面に円形の切断面積の点接触切断部を確保しこれを前進移動させて鋼材を溶断していく。
しかし、前記点接触切断部は、前進移動の際、進行中に既溶断部が一箇所でも接着すると、そこが核となり切断落下物を付着させてFe＋O2→Fe2O3の酸化鉄を生成するときテルミット反応熱で再溶融熱を出し強力に固着する。
このため溶断後に固着した付着物の除去は、多大な労力と時間と費用を要する煩雑な作業を伴うものであった。
このため、従来からの課題は、溶断ノズルからの火炎が形成する前記円形の切断面積の点接触切断部を適切な小面積部にして高温化と必要な溶断圧力の確保のため、溶断幅を狭く均一にしてその溶断速度と溶断精度を向上させることにあった。

最近の情報では、特許文献１に紹介のように、溶断ノズルの軸芯部に切断酸素流路を設け、その外側に一重の燃料ガス流路を設け、切断酸素流路の先端部に、コアンダスパイラル流れを発生させる凹円錐面と凸円錐面からなる絞り部を固定形成したものがある。これは溶断ノズルからの燃料ガス吐出流の中心に切断酸素吐出流が位置して外側の燃料ガスを燃焼させるタイプが紹介されているが、上記凹円錐面と凸円錐面からなる絞り部の具体的構造が明記されておらず、またその効果としている溶断幅の縮小と溶断温度の上昇と溶断速度を上げる定量的効果は不明である。また前記した円形の切断面積の点接触切断部の縮小にも限界があると思慮される。
特開２０００−１７６６３７号公報

本発明の課題は、省エネ的に高速強力火炎に絞り、金属体の溶断速度を高速化し合わせて溶断精度を格段に向上させると同時に金属体への溶断屑とノロの付着を防止し、且つ安全で環境に優しい溶断作業を可能にする溶断ノズルを提供するものである。

即ち、本発明は、溶断ノズルからの燃料ガスの完全燃焼とその火炎の長距離噴射と、金属体の表面に火炎が形成する前記円形の切断面積の点接触切断部を適切な小面積部にして3300〜3800℃の高温化と必要な溶断圧力を確保し、ノズル先端の火口径を不当に大きくすること無く、小厚物から極厚物まで溶断幅を均一僅少にしてその溶断速度と溶断精度を向上させると同時に溶断屑とノロの付着とバックファイヤー等を防止して安全な溶断作業と温暖化ガスの発生量を僅少にとどめる等、地球環境に優しく且つ作業環境を有利に改善する溶断ノズルを提供するものである。

本発明の特徴とする技術条件は、次の(1)〜(7)の通りである。
(1)、ノズル軸芯部を燃料流路とし、その周囲に助然ガス流路を形成した金属体用の溶断ノズルにおいて、前記助然ガス流路に、固定式の螺旋絞りスリット流路と、その下流に前記螺旋絞りスリット流路とは逆螺旋方向にした回転式の螺旋スリット流路とを介在させたことを特徴とする金属体用の溶断ノズル。
(2)、ノズル軸芯部を燃料流路とし、その周囲に一次側助然ガス流路と二次側助然ガス流路を形成した金属体用の溶断ノズルにおいて、前記二次側助然ガス流路に、固定式の螺旋絞りスリット流路と、その下流に前記螺旋絞りスリット流路とは逆螺旋方向にした回転式の螺旋スリット流路とを介在させたことを特徴とする金属体用の溶断ノズル。
(3)、ノズル軸芯部を燃料流路とし、その周囲に一次側助然ガス流路と二次側助然ガス流路を形成した金属体用の溶断ノズルにおいて、前記二次側助然ガス流路に、固定式の螺旋絞りスリット流路と、その下流に前記螺旋絞りスリット流路とは逆螺旋方向にした回転式の螺旋スリット流路とを介在させ、前記一次側助然ガス流路に、前記回転式の螺旋スリット流路と共に回転する直進流スリット流路又は螺旋スリット流路を介在させたことを特徴とする金属体用の溶断ノズル。
(4)、前記燃料流路の周囲に、ノズル軸方向に沿ってS極とN極を位置させて複数の永久磁石を配列し、永久磁石間の対向極を同極にしたことを特徴とする(1)から(3)のいずれか一つに記載の金属体用の溶断ノズル。
(5) 溶断ノズルの外管の先部の外周に、後部の流入口から周囲の外気を吸引し、先部の絞り口を溶断ノズ外管先端と狭い環状の間隙を置いて位置して、ここから溶断ノズル先端部からの火炎周囲に外気膜流を吐出形成する円錐筒状のエジェクターを螺合接続したことを特徴とする(1)から(4)のいずれか一つに記載の金属体用の溶断ノズル。
(6)、前記回転式の螺旋スリット流路を回転自在に設けたシングル螺旋旋回流形成リングにより形成したことを特徴とする(1)から(2)のいずれか一つに記載の金属体用の溶断ノズル。
(7)、前記回転式の螺旋スリット流路と前記直進流スリット流路又は螺旋スリット流路とを、回転自在に設けたダブル螺旋旋回流形成リングにより形成したことを特徴とする(3)から(5)のいずれか一つに記載の金属体用の溶断ノズル。

本発明の溶断ノズルは、上記構成により、溶断ノズルからの燃料ガスの完全燃焼とその火炎の長距離噴射と、金属体の表面に火炎が形成する前記円形の切断面積の点接触切断部を適切な小面積部にして3300〜3800℃の高温化と必要な溶断圧力を確保し、ノズル先端の火口径を不当に大きくすること無く、小厚物から極厚物まで溶断幅を均一僅少にしてその溶断速度と溶断精度を向上させると同時に溶断屑とノロの付着を防止し、且つ輻射熱によるバックファイヤーを防止し、溶断作業環境の改善を有利に可能とする優れた効果を呈するものである。更に本発明の溶断ノズルは、若干高額であるが、従来の金属溶断装置のそのまま活用しノズル本体のみ交換することで上記効果を甘受することができる。中でも燃料ガスや酸素ガスの節減で効果でノズル製作費は短年で回収することが出来る。

以下に本発明の金属体用の溶断ノズルの特徴ある構造の作用効果を詳述する。
本発明の溶断ノズルは、一次側助然ガス流路または二次側助然ガス流路に、回転自在の螺旋旋回流形成リングの螺旋スリット流路を望ませ、その上流側に逆方向の螺旋絞りスリットを形成した固定式の螺旋絞りリングの螺旋絞りスリット流路を望ませることにより、当該助然ガス流を螺旋絞りスリットリングで一旦絞って高圧化しその吐出圧流を螺旋旋回流形成リングの螺旋スリット流路に衝突流入させ、この強力な反動で螺旋旋回流形成リングを確実に且つ高速で回転させて、この回転によりここを螺旋スリット流路を通過する助然ガス流に高速螺旋旋回流を付与してノズル火口から高速噴出させるものである。
このズル火口から噴出した高速螺旋旋回の当該助然ガス流（一次側助然ガス流または二次側助然ガス流）は、ノズル火口の中心から噴出する燃料流束又は液体燃料流束或いは燃料とガス化フラックスとの混合流束の周囲を直接（一重）又はガス燃料又は液体燃料流束に内側の一次側助然ガス流を介して（二重）高速で流れコアンダ効果とピンチ効果を効果的に生み出し、火炎を20％程度に絞り込む現象となり、ジュール熱が自然に向上して火炎温度を高める。これが当該助然ガス流に旋回流を付与しない場合の溶断圧力維持距離より1.5〜2.0倍の火炎の高速化と長距離化と、燃焼溶断効率を格段に高める効果を呈することになる。
また、この高速旋回の当該助然ガス流は、上記の如くピンチ効果を生み絞り込まれるため金属体に対する前記点接触切断部を適切な小面積部に形成して、ノズル火口径の増加を上記火炎絞り込み効果により20％低減抑制することができると共に、溶断幅範囲を僅少均一に維持して溶断深さと速度を高め、しかも溶断した溶鉄やスラグ、ノロ等は、該旋回流火炎により分断し微細溶滴化し回転落下して排除されると共に該旋回流火炎の遠心力効果により金属体の溶断部とその近傍表面に付着させること無く、排除して溶滴の球体成長を阻止しその除去作業を皆無にするなどの優れた作用効果を呈するものである。
上記螺旋旋回流形成リングの螺旋スリット流路の螺旋角度と、螺旋絞りリングの逆方向螺旋角度は３〜４５度、好ましくは５〜３５度の範囲で、溶断する金属体の種類と粘性に応じて任意の組み合わせを選択することにより、螺旋旋回流形成リングを６００rpm程のの高速回転を可能にし、助然ガス流の溶断圧力維持距離と、螺旋旋回流による上記遠心力効果による溶融物除去効果を最適な状態に調節することができるものである。
これ等のことから、一般のSS材や６０ｍｍ以下の比較的薄い金属板は勿論、SCM−435や同440、ウエルテン材等の高精度溶断を可能にし、また１０００ｍｍ厚程度で粘性のある鋼種の溶断にも問題なく適用することができるものである。

而して、前記(7) の構成におけるダブル螺旋旋回流形成リングは、図３と図６に示す具体例のように、助然ガス流路を一次側303と二次側305の二重にした場合で、その一次側助然ガス流303と二次側助然ガス流305に螺旋（スパイラル状）の旋回流を付与するものであるが、この際、内側の一次側助然ガス流を直角又は少しの螺旋各を付与した螺旋スリット流路の回転でここからの吐出流の旋回数より外側の螺旋スリット流路305からの吐出流の旋回数を例えば８／１０に高めることにより前記コアンダ効果とピンチ効果をより効果的に生ましめて火炎は、一次側助然ガスの螺旋旋回流が二次側助然ガスの螺旋旋回流による圧縮トルネルジー火炎となり高速化し且つ２倍の直進度と長距離化して、溶断速度が厚板同じ切断比で比較すると通常25〜30％、経験を重ねると40％近く向上する。また燃焼溶断効率を格段に高めて燃料ガスの低減効果も確実に得ることができるものである。
そこで火炎の直進度が２倍になる点では、同量、同圧、同面積比であると二倍の厚みの金属体が溶断することが出来ることになるが、金属体の成分、粘性によって火炎の直進度は100％比例しない。例えば、炭素鋼では炭素量の低いもの程比例しない。一般の軟鋼は最大20%の直進度増量で、炭素、マンガン、珪素、クロム、ニッケル、モリブデン等が多い鋼材程、増量効果が大であった。
一般にSS材は通常の直進度で簡単に溶断できるが、上記成分を含む特殊鋼では粘性による溶断抵抗がSS材の２倍近くある。また燃料ガスに気化フラックスを混入して溶断部金属とフラックス成分と合金化させて粘性は増すが融点を下げて直進度を増量し溶断速度を急速に向上させることが出来る。

一方、例えば燃料ガスと一次側助燃ガスはノズル先端を出た瞬間に混合して着火し火炎となるが完全な混合燃焼に至らしめるために、前記(4)の構成のように、30,000〜40,000ガウスの永久磁石を配列することにより、燃料ガス及びこれに混合させたガス化フラックスなどを配列永久磁石のNN極、SS極の強力な反磁場内を強制的に通過させてそれらの分子ガスを活性化させて未燃焼ガスを皆無にするものである。
また前記(5)の構成のエジェクター500を溶断ノズル先端部の外周に覆い配置することにより、一次側と二次側助燃ガス圧力差によるエジェクター効果により溶断ノズル外周縁部に位置するエジェクター後部の流入口501から周囲の外気を吸引してエジェクター先部の絞り口502から層流の外気薄膜流を吐出して、この外気薄膜流で溶断ノズル先端部からの火炎周囲を囲って流れて外気の多量混入を防止して、温暖化ガスである一酸化窒素の発生を激減させると共に、金属体を直線切断する場合は、外気薄膜流が溶断した溶鉄やスラグ、ノロ等を後面（金属体の溶断面下端）に引っ張り付着させずに除去するので切断速度を効率よく高めると共に、作業者への輻射熱を遮蔽して、バックファイヤーを防止して火口損傷が無く安全でクリーンな作業環境に改善する。

更に、一般に金属体の溶断は、金属を酸化燃焼させると同時に発生酸化物を吹き飛ばすことにあるが、金属体をより狭い溶削幅で容易に溶断するには、次の条件が必要となる。
(1)、金属の酸化燃焼する温度をその金属の溶融点温度より低くすること。
(2)、燃焼して生ずる金属酸化物の溶融点温度をその金属の溶融点温度より低くし且つ流動性を持たせること。
本発明の溶断ノズルは、燃料流路に、気化したガス溶断用のフラックスと燃料ガスを混合して供給することにより、前記螺旋旋回助然ガス流との相乗効果により、バーナ火炎の能力を一段と向上させて、上記(1)(2)の条件を確実に確保し、金属を高速で酸化燃焼させ、同時に発生酸化物を付着無く吹き飛ばし、金属体を高精度の狭幅で仕上良く綺麗に高速溶削することを実現したものである。
ガス溶断用のフラックスの気化技術は、本発明者等が発明し特願2007-287820号で出願し詳細に紹介している。

本発明を実施するための最良の形態は、上記の特徴に記載の技術条件を備えたものであり、その具体的な実施形態を次の実施例において詳細に紹介する。

図１に示す金属体用の溶断ノズルN1は、ノズル軸芯部を内管100とその延長部を形成するベアリングホルダー管115に円周配列した直進多孔を燃料（燃料ガスと気化フレックス）流路101とし、その周囲を外管102で形成した助然ガス（酸素ガス）流路103とし、前記助然ガス流路103に、固定式の螺旋絞りスリット流路104と、その下流に前記螺旋絞りスリット流路104とは逆螺旋方向にした回転式の多条の螺旋スリット流路105とを望ませた溶断ノズルである。
前記回転式の螺旋スリット流路105は、ベアリングホルダー管115の外周にベアリング106を介してノズル軸芯を中心に回転自在に取り付けたシングル螺旋旋回流形成リング107の螺旋スリット108により形成してある。シングル螺旋旋回流形成リング107は、先部をベアリングホルダー管115の先端部の内周に燃料流路100A形成のビス109で螺合締め支持されている。
前記螺旋スリット108は、ノズル軸芯に沿って均等間隔で螺旋状に多条形成しその螺旋角度をノズル先端に向かう軸心方向より右に２０度傾けてある。
螺旋絞りスリット流路104は、内管100の外周に嵌合固定した筒状体112の前部の大径部113に設けた螺旋絞りスリット114により形成してある。螺旋絞りスリット114は大径部外周に沿って均等間隔で多条形成しその螺旋角度をノズル先端に向かう軸心方向より左に２０度傾けてある。
この溶断ノズルN1は、助然ガス流路101に、回転自在のシングル螺旋旋回流形成リング107の螺旋スリット流路105を望ませ、その上流側に逆方向の螺旋絞りスリット114で形成した固定式の螺旋絞りスリット114の螺旋絞りスリット流路104を望ませることにより、助然ガス流を螺旋絞りスリット流路104で一旦絞って高圧化しその吐出圧流をシングル螺旋旋回流形成リング107の螺旋スリット108に衝突流入させ、この強力な反動で螺旋旋回流形成リング107をノズル先端に向かう軸心方向より右に高速回転させてここを通過する助然ガス流に高速螺旋旋回流を付与してノズル火口から螺旋旋回噴出させ火炎の前記ピンチ効果を確実に得るものである。この螺旋絞りスリット流路104を設置しない場合はシングル螺旋旋回流形成リング107を螺旋スリット108への助然ガス流導入のみで回転させることが甚だ困難であり殆ど期待されない。

図２に示す金属体用の溶断ノズルN2は、ノズル軸芯部を内管200で形成した燃料流路201とし、その周囲に中間管202とその延長部を形成するベアリングホルダー管211の直進多孔に形成した一次側助然ガス流路203と、中間管202とベアリングホルダー管211の外周面と外管204の内周面で形成した二次側助然ガス流路205と、前記二次側助然ガス流路205に、固定式の螺旋絞りスリット流路206と、その下流に前記螺旋絞りスリット流路206とは逆螺旋方向にした回転式の螺旋スリット流路207とを介在させた溶断ノズルである。
前記回転式の螺旋スリット流路207は、前記中間管202の外周にベアリング208を介してノズル軸芯を中心に回転自在に取り付けたシングル螺旋旋回流形成リング209の螺旋スリット210により形成してある。
前記螺旋スリット210は、リング外周に沿って均等間隔で螺旋状に多条形成しその螺旋角度をノズル先端に向かう軸心方向より左に２０度傾けてある。
螺旋絞りスリット流路201は、中間管202の外周に嵌合固定した筒状体213の前部大径部214に設けた螺旋絞りスリット215により形成してある。螺旋絞りスリット215は、ノズル軸芯に沿って均等間隔で螺旋状に多条形成しその螺旋角度をノズル先端に向かう軸心方向より右に２０度傾けてある。
螺旋絞りスリット流路215は二次側助然ガスをここで一旦絞って高圧化しその吐出圧流をシングル螺旋旋回流形成リング209の螺旋スリット210に衝突流入させ、この強力な反動でシングル螺旋旋回流形成リング209をノズル先端に向かう軸心方向より右に高速回転させてここを通過する助然ガス流に高速螺旋旋回流を付与してノズル火口から螺旋旋回噴出させ火炎の前記ピンチ効果を確実に得るものである。

図３及び図４−１〜図４−７、図６に示す金属体用の溶断ノズルN3は、ノズル軸芯部をベアリングホルダー管320と内管300を螺合繋ぎして形成した燃料流路301とし、その周囲に中間管302で形成した一次側助然ガス流路303と外管304で形成した二次側助然ガス流路305を形成し、前記二次側助然ガス流路305に、固定式の螺旋絞りスリット流路306と、その下流に前記螺旋絞りスリット流路306とは逆螺旋方向にした回転式の螺旋スリット流路307とを介在させ、前記一次側助然ガス流路303の先部は、前記螺旋スリット流路307と共に回転し螺旋スリット流路307と同様に形成した螺旋スリット流路308で構成した溶断ノズルである。
前記回転式の螺旋スリット流路307と螺旋スリット流路308は、ダブル螺旋旋回流形成リング311の外周部311aに設けた螺旋スリット312と内周部311bに設けた螺旋スリット313により形成してある。ダブル螺旋旋回流形成リング311は、前記内管300の外周と外管304との間に位置し、中央部を中間管302の延長部として係合接続機能しベアリングホルダー管320の後部外周にベアリング309を介してノズル軸芯を中心に回転自在に取り付けてある。
螺旋スリット312は、図４−６に示すようにリング外周に沿って均等間隔で螺旋状に多条形成しその螺旋角度をノズル先端に向かう軸心方向より左に２０度傾けてある。螺旋スリット313は、図４−１に示すように螺旋スリット312と同一方向で且つ若干弱い１５度の螺旋角度にして均等間隔で多条形成してある。螺旋スリット312と螺旋スリット313は図５に示すように底面と上方開放面の幅を同一幅にしてある。
螺旋絞りスリット流路306は、中間管302の先部外周に設けた大径部318設けた螺旋絞りスリット319により形成してある。螺旋絞りスリット319は、図４−６に示すよう大径部318の外周に沿って均等間隔で螺旋状に多条形成しその螺旋角度を螺旋スリット312とは逆方向につまりノズル先端に向かう軸心方向より左に２０度傾けてある。
この螺旋絞りスリット319は、通過する二次側助然ガス流を加圧して、ダブル螺旋旋回流形成リング311の外周部311aの螺旋スリット312に衝突させてダブル螺旋旋回流形成リング311を図５に示す矢印Ｒようにノズル先端に向かう軸心方向より右に高速回転させる。このダブル螺旋旋回流形成リング311の回転により内周部311ｂの螺旋スリット313からの一次側助然ガスと、外周部311aの螺旋スリット312からの二次側助然ガス流に螺旋旋回流（スパイラル状）を付与し図６に示す螺旋旋回流S1と螺旋旋回流S2を吐出する。
金属体1000の溶断状況を示す図６において、ダブル螺旋旋回流形成リング311の内周部311ｂの螺旋スリット313から吐出する螺旋旋回流S1の螺旋旋回数より外周部311aの螺旋スリット312から吐出する螺旋旋回流S2の旋回数を前記螺旋角度に差を付けて、１．２〜１．８倍に高くすることにより前記コアンダ効果とピンチ効果をより効果的に生ましめて火炎Hは、一次側助然ガスの螺旋旋回流S1が二次側助然ガスの螺旋旋回流S2による圧縮トルネルジー火炎となり高速化し且つ２倍の直進度と長距離化して、溶断速度が厚板同じ切断比で比較すると通常25〜40％近く向上する。また燃焼溶断効率を格段に高めて燃料ガスの低減効果も確実に得ることができるものである。そして溶断した溶鉄やスラグ、ノロ等は、該旋回流火炎により分断し微細溶滴化し回転落下して排除されると共に該旋回流火炎の遠心力効果により金属体の溶断部とその近傍表面に付着させること無く、排除して溶滴の球体成長を阻止しその除去作業を皆無にする。
更にエジェクターからの外気薄膜流Arで溶断ノズル先端部からの火炎H周囲を囲って流れて外気の多量混入を防止して、温暖化ガスである一酸化窒素の発生を激減させると共に、金属体を直線切断する際は、外気薄膜流Arが溶断した溶鉄やスラグ、ノロD等を後面（金属体の溶断面下端）に引っ張り付着させずに除去するので切断速度を効率よく高めると共に、作業者への輻射熱を遮蔽して、バックファイヤーを防止して火口損傷が無く安全でクリーンな作業環境に改善する。

図１〜図３に示す金属体用の溶断ノズルにおいて、何れの螺旋スリット108、210、312、313と螺旋絞りスリット114、215、319は、図５の横断面図に示すように、スリット中心線Ｃはノズル軸心に向かう所謂軸方向線J上に置き、底面は平面とし、底面と上方開放面の幅を同一幅にしてある。

図１〜図３に示す金属体用の溶断ノズルにおいて、前記燃料流路を形成する内管100、200、300の外周に、ノズル軸方向に沿ってS極とN極を位置させスペーサ401を介して複数の永久磁石400を配列し、永久磁石間の対向極を図の如くＮＮとＳＳの同極にして反強磁場を形成して燃焼ガスや気化フラックスを活性化しその反応効率を高める。

また溶断ノズルの先部の外周に、後部の流入口501から周囲の外気を吸引し、先部の絞り口502を溶断ノズ先端外周縁と狭い環状の間隙を置いて位置して、ここから溶断ノズル先端部からの火炎周囲に層流の外気薄膜流を吐出形成する円錐筒状のエジェクター500を螺合接続してある。
このエジェクター500設置による効果については前述の効果にも述べた通り地球温暖化防止の効果がありそれを次に詳述する。
我々人類は、化石燃料の使用、森林の伐採破壊及び耕地土壌の汚染や誤った管理で、大気中の温暖化ガスとして最も注目されている二酸化炭素の濃度は、ここ100年間で５％も上昇させている。溶断ノズルからの燃料ガスも化石燃料であり、これを可能な限り効率よく燃焼し温暖化ガス量を低減しなければならない。
化石燃料ガスの燃焼は、一般に完全燃焼しなかったら未燃焼の燃料ガスと、燃焼して発生した二酸化炭素ガスと、ノズル先端からの５kg/cm2もの高速燃焼火炎により急激に多量に巻き込まれる空気との燃焼により一酸化窒素を多量に発生する。燃料ガスをメタンガスとすると未燃焼メタンは二酸化炭素ガスの21倍の温室効果ガスとなり、一酸化窒素ガスは二酸化炭素ガスの310倍の温室効果ガスとなる。
各例の溶断ノズルは、火炎のピンチ効果にて100％完全燃焼させ、未燃焼の燃料ガスを皆無にするが、更に上記エジェクター500は、溶断ノズル先端部からの火炎周囲に層流の外気薄膜流を形成して外気の多量巻き込みを完全に防止して一酸化窒素の発生量を従来の三分の一に激減することができ、二酸化炭素ガスの310倍の温暖化ガスである一酸化窒素ガスの激減効果は、全国規模、地球規模から極めて重要な事実として注目される。

次に溶断ノズルの組み立て例について、図３に示す溶断ノズルN3をモデルに図４−１から図４−７と共に説明する。
図４−１から図４−７には、各組み立てステップ毎に、各パーツの縦断面を主体に記載すると共に、主要部なスリット構成パーツ即ち螺旋スリット312、螺旋スリット313、螺旋絞りスリット319は縦断面図と並列して側面図を併記してある。
図４−１に示す第１ステップは、ベアリングホルダー管320の後部外周にベアリング309を嵌入固定し、これにダブル螺旋旋回流形成リング311の内周部を螺合接合して図４−２に示すユニット１とする。
図４−２に示す第２ステップは、ユニット１のダブル螺旋旋回流形成リング311の内周部311bに外周部311aを装着固定し、図４−３に示すユニット２とする。
図４−３に示す第３ステップは、ユニット２のベアリングホルダー管320の後部に内管300を螺合接合して図４−４に示すユニット３とする。
図４−４に示す第４ステップは、ユニット３の内管300外周に永久磁石400と保持用のスペーサー401を装着して図４−５に示すユニット４とする。
図４−５に示す第５ステップは、ユニット４におけるダブル螺旋旋回流形成リング311の外周部311aの後端外周に中間管302の先部内周を摺動自在に嵌入し、ノズルホルダー700の第2螺合部702を中間管302の後部に螺合接合し、ノズルホルダー700の第１螺合部701を内管300の後部に螺合接合して図４−６に示すユニット５とする。
図４−６に示す第６ステップは、ユニット５を外管304（ノズルケース）内に挿入して、ノズルホルダー700の第３螺合部に外管304（ノズルケース）の後部を螺合接合し、図４−７に示すユニット６とする。
図４−７において、第７ステップは、ユニット６の外管304先端部外周には、図示していないが、前記エジェクター500の後部を螺合接合する。この後ノズルホルダー700の後部に各ガス供給用のパイプのアダプターを接続して、金属体のガス溶断の使用に供する。

本発明の溶断ノズルは、発明の効果で詳述した通り、溶断ノズルからの燃料ガスの完全燃焼とその火炎の長距離噴射と、金属体の表面に火炎が形成する前記円形の切断面積の点接触切断部を適切な小面積部にして3300〜3800℃の高温化と必要な溶断圧力を確保し、ノズル先端の火口径を不当に大きくすること無く、小厚物から極厚物まで溶断幅を均一僅少にしてその溶断速度と溶断精度を向上させると同時に溶断屑とノロの付着を防止し、且つ輻射熱によるバックファイヤーを防止して、溶断作業環境の改善を有利に可能とする優れた効果を呈するものである。更に本発明の溶断ノズルは、若干高額であるが、従来の金属溶断装置のそのまま活用しノズル本体のみ交換することで上記効果を甘受することができる。中でも燃料ガスや酸素ガスの節減の効果でノズル製作費は短年で回収することが出来るなど金属体加工産業における貢献は多大なものがある。

本発明の溶断ノズルの実施例として、ノズル軸芯を燃料ガス流路としその周囲に助燃ガス流路を配置した二重構造の具体例の縦断面説明図である。本発明の溶断ノズルの実施例として、ノズル軸芯を燃料ガス流路としその周囲に助燃ガス流路を二重に配置した三重構造の具体例の縦断面説明図である。本発明の溶断ノズルの実施例として、ノズル軸芯を燃料ガス流路としその周囲に助燃ガス流路を二重に配置した三重構造の他の具体例の縦断面説明図である。図３に記載の溶断ノズルの組み立て例の第１ステップを紹介した説明図である。図３に記載の溶断ノズルの組み立て例の第２ステップを紹介した説明図である。図３に記載の溶断ノズルの組み立て例の第３ステップを紹介した説明図である。図３に記載の溶断ノズルの組み立て例の第４ステップを紹介した説明図である。図３に記載の溶断ノズルの組み立て例の第５ステップを紹介した説明図である。図３に記載の溶断ノズルの組み立て例の第６ステップを紹介した説明図である。図３に記載の溶断ノズルの組み立て例の第７ステップを紹介した説明図である。図４−７の溶断ノズルのユニット６の矢視Ａ−Ａからの横断面図である。図３の溶断ノズルによる金属体の溶断状況を示す説明図である。

符号の説明

N1 溶断ノズル
100 内管
115 ベアリングホルダー管
101 燃料流路
102 外管
103 助然ガス流路
104 固定式の螺旋絞りスリット流路
105 回転式の多条の螺旋スリット流路
106 ベアリング
107 シングル螺旋旋回流形成リング
108 螺旋スリット
N2 溶断ノズル
200 内管
201 燃料流路
202 中間管
211 ベアリングホルダー管
203 一次側助然ガス流路
205 二次側助然ガス流路
206 固定式の螺旋絞りスリット流路
207 回転式の螺旋スリット流路
208 ベアリング
209 シングル螺旋旋回流形成リング
210 螺旋スリット
N3 溶断ノズル
320 ベアリングホルダー管
300 内管
301 燃料流路
302 中間管
303 一次側助然ガス流路
304 外管
305 二次側助然ガス流路
306 固定式の螺旋絞りスリット流路
307 回転式の螺旋スリット流路
308 螺旋スリット流路
309 ベアリング
311 ダブル螺旋旋回流形成リング
311a 外周部
312 螺旋スリット
311b 内周部
313 螺旋スリット
318 大径部
319 螺旋絞りスリット

Claims

ノズル軸芯部を燃料流路とし、その周囲に助然ガス流路を形成した金属体用の溶断ノズルにおいて、前記助然ガス流路に、固定式の螺旋絞りスリット流路と、その下流に前記螺旋絞りスリット流路とは逆螺旋方向にした回転式の螺旋スリット流路とを介在させたことを特徴とする金属体用の溶断ノズル。
ノズル軸芯部を燃料流路とし、その周囲に一次側助然ガス流路と二次側助然ガス流路を形成した金属体用の溶断ノズルにおいて、前記二次側助然ガス流路に、固定式の螺旋絞りスリット流路と、その下流に前記螺旋絞りスリット流路とは逆螺旋方向にした回転式の螺旋スリット流路とを介在させたことを特徴とする金属体用の溶断ノズル。
ノズル軸芯部を燃料流路とし、その周囲に一次側助然ガス流路と二次側助然ガス流路を形成した金属体用の溶断ノズルにおいて、前記二次側助然ガス流路に、固定式の螺旋絞りスリット流路と、その下流に前記螺旋絞りスリット流路とは逆螺旋方向にした回転式の螺旋スリット流路とを介在させ、前記一次側助然ガス流路に、前記回転式の螺旋スリット流路と共に回転する直進流スリット流路又は螺旋スリット流路を介在させたことを特徴とする金属体用の溶断ノズル。
前記助燃ガス流路又は前記一次助燃ガス流路の内周に、軸線をノズル軸線に一致させ且つ軸線方向の両端にＳ極とＮ極を備えた筒状の永久磁石を複数配列し、この永久磁石間の対向極を同極にしたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の金属体用の溶断ノズル。
溶断ノズル先端部の外周に、後部の流入口から周囲の外気を吸引し、先部の絞り口を溶断ノズ外管先端と狭い環状の間隙を置いて位置して、ここから溶断ノズル先端部からの火炎周囲に外気膜流を吐出形成する円錐筒状のエジェクターを螺合接続したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の金属体用の溶断ノズル。
前記回転式の螺旋スリット流路を回転自在に設けたシングル螺旋旋回流形成リングにより形成したことを特徴とする請求項１から請求項２のいずれか一つに記載の金属体用の溶断ノズル。
前記回転式の螺旋スリット流路と前記直進流スリット流路又は螺旋スリット流路とを、回転自在に設けたダブル螺旋旋回流形成リングにより形成したことを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか一つに記載の金属体用の溶断ノズル。