JP2000505549A - 溶湯容器中の溶湯温度を測定する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 溶湯容器中の溶湯の温度を測定する方法であり、この容器の壁は少なくとも部分的に赤外光に対して透過性を有する材料でできており、前記材料が容器の内側において、安定で高い輻射率（ｅ＞０．５；ｄｅ／ｄＴ＜０．００１）を有する材料でコーティングされており、容器壁内側の温度が壁に隣接する溶湯温度の測定値として用いられ、かつ前記容器壁内側の温度が、溶湯容器の外部から作用される光高温測定法を用いて測定される。

Description

【発明の詳細な説明】 溶湯容器中の溶湯温度を測定する方法および装置 本発明は溶湯容器中の溶湯の温度を光高温測定法を用いて測定する方法に関す る。 鋳造業においては、特定の合金溶湯が、どのような構造をとって凝固するかを 判定できることが望ましい。このような判定を実施する一つの方法は溶湯の熱分 析を行うことである。少量の、なおかつ代表的な合金溶湯のサンプルが採取され 、凝固するにまかせられる。この過程中に、時間の関数として温度が測定される 。次いで、得られた冷却曲線と、その時間導関数を参照曲線と比較することによ って、構造が判定される。このような熱分析の方法は例えばＷＯ８６／０１７５ ５（ＳＣ１０１）、ＷＯ９１／１３１７６（ＳＣ１０８）、およびＷＯ９２／０ ６８０９（ＳＣ１０４）に開示されている。 上述した方法において、金属溶湯のサンプルはサンプル容器を金属溶湯本体の 中に沈めることによって採取され、その後、サンプルは凝固するにまかせられる 。熱分析は温度に感応する手段、通常は熱電対を用いて行われる。ＷＯ８６／０ １７５５は、凝固分析の正確さを改善するために２個の熱電対を用いることを教 示している。そのうちの１個は容器の中心に置かれ、１個は壁の近傍に置かれる 。 サンプル容器の壁に隣接する場所で正確な温度測定を行うことは、殆ど困難で ある。熱電対の物理的な寸法から、溶融鉄が熱電対の先端と容器壁の間を流動で きることを保証するためには、熱電対を少なくとも壁から１．５ｍｍ離して設置 することが要求される。熱電対を覆う断熱材（接合部を保護するための）が存在 することによって、結果的には「壁」の温度は壁自体から２ｍｍ以上離れた場所 で測定されているのが実状である。 このことがＷＯ８６／０１７５５の限界となっている。なぜならば溶湯は壁ぎ わから凝固を始めるのであるから、溶湯の放冷の最も正確な測定は壁自身を直接 、測定することによって得られるからである。在来の熱電対を壁面から離して設 置することの結果として、金属溶湯本体の挙動が、熱電対によって指示される温 度 に影響して、測定の正確さを割り引いてしまうのである。さらにまた、熱電対自 身が放熱装置および壁面を形成して、純粋なサンプルに関する凝固挙動に影響を 与える可能性がある。 また、サンプル容器の壁を少なくとも部分的に、溶湯の凝固挙動に影響を与え るある種の化学物質でコーティングすることが望ましい場合がある。この場合も また、コーティングの溶湯に対する影響を熱的に調査するためには、壁から１〜 ２ｍｍの場所ではなく、壁に隣接する場所で温度を測定できることが要求される 。もし測定が壁から離れ過ぎた場所で行われるならば、コーティングが拡散ない しは希釈されてしまい、したがって熱分析は必要な正確さを保つことができない であろう。 また、金属溶湯は不透明なものであるから、熱電対が各サンプル容器中で再現 性良く配置されていることを保証する事は不可能である。熱電対を用いる在来の 熱分析のもう一つの欠点は、浸漬型の熱電対が測定中に壊れるので一度しか使え ない、ということである。参照値と信頼性をもって比較され得る正確な測定を行 うには、使い捨て用の熱電対の品質が非常に均一であることが要求される。この ような均一な熱電対を測定によって壊してしまうことは、結果として高い費用を もたらす。さらにまた、使い捨て用の熱電対を用いないようにすることは、サン プル容器の再使用を簡単にする。 このように、熱分析法を実施するための改良された方法に対する要求が存在す る。ＥＰ−Ａ２−０１６０３５９は、冶金用の炉の浴温度を羽口を通して測定す るための装置に関するものである。羽口本体に光ファイバーケーブルを挿入する のに、ペリスコープが用いられる。ケーブルは、空気を羽口を通して浴中へと流 してやることによって、溶融金属から保護されている。 ＥＰ−Ａ２−０２４５０１０は、液体または半液体のスラグ層で覆われた溶融 金属の温度の一点測定のための、浸漬可能のプローブを記載している。 ＥＰ−Ａ１−０６５５６１３は、光ファイバー、光ファイバーを被覆する金属 製の保護チューブ、保護チューブを被覆する断熱コーティングを包含する温度測 定装置を開示している。 これらの文献はすべて、鋳造に先だって溶融金属の温度を適当な水準に保つた めの、大きなバッチの溶融金属本体の温度測定に焦点を当てたものである。これ らはいずれも次の事項についてはなにものも開示していない。 ａ）測定点の正確な位置、 ｂ）溶湯本体の量の効果が測定に影響を及ぼす、壁から２ｍｍ離れた場所では なく、壁際で測定する能力、 ｃ）ある種の化学物質を壁面上に置くことによって生じる壁ぎわの反応を正確 に測定する能力、または ｄ）溶融鉄の固相−液相転換の全域に亙って安定で信頼できる温度測定値を与 える能力。 これらの文献は一般に透明な容器を通しての高温測定法について、あるいは小 さなサンプル容器中での測定について、なにものも開示していない。 発明の概要 溶融金属の熱分析に関する前述の諸欠点は、在来の熱電対の代わりに光高温測 定法を用いることによって、少なくとも部分的に克服され得ることが分かった。 本発明による方法は、以下の各事項を包含する。 ａ）サンプル容器の壁が少なくとも部分的に赤外光に対して透過性を有する材 料でできている。 ｂ）前記透明な容器壁材料が、容器の内側において、安定で高い輻射率（ｅ＞ ０．５；ｄｅ／ｄＴ＜０．００１）を有する材料でコーティングされている。 ｃ）容器壁の内側の温度が、壁に隣接する溶湯温度の測定値として用いられる 。 ｄ）前記容器壁の内側の温度が容器の外側から作用させる光高温測定法を用い て測定される。 本発明はまた、上記の方法を実施するための装置、および金属溶湯の熱分析を 実施するために光高温測定法を用いる方法にも関する。 発明の詳細な説明 本発明は、高温測定法を用いて金属溶湯の温度および凝固挙動を測定する方法 に関する。高温計は、以前から金属溶湯の温度を測定するのに用いられて来た。 本出願は熱分析の正確さに改善をもたらし、それによってより多くの情報が得ら れるようにするものである。 本発明による方法は、サンプル容器を用いることに基づいており、前記サンプ ル容器は例えば石英（熱ショックや割れを防止するために十分に純度が高い）の ような材料でできており、赤外光に対して透過性を有している。前記容器壁の内 側は安定で高い輻射率を有する材料でコーティングされている。このようなコー ティングの例はセラミック材料、特にアルミナ、マグネシア、ムライト、ジルコ ン、窒化チタン、窒化硼素またはこれらの混合物のうちの少なくとも１種からな るセラミック材料を包含する。 以下、本発明は、次に説明する添付の図面を参照しつつ記述される。 第１図は、本発明による方法に用いられ得るサンプル容器の縦方向の断面図に 関するものである。 第２図は、光伝送装置を高温計に接続するのに適した接続装置の縦方向の断面 図を示している。 第３図は、本発明による方法を実施するための、完全に組み立てられた装置を 開示している。 第４図は、本発明にしたがってサンプル容器の壁際の領域で得られた、３本一 組の冷却曲線を示しており、そのうちの２本の曲線は高温計による測定によって 得られたものであり、残りの曲線は標準的な浸漬型の熱電対を用いて得られたも のである。 第５図は、本発明によるサンプル容器の中心で得られた２本一組の冷却曲線を 開示しており、そのうちの１本の曲線は高温計による測定によって得られたもの であり、もう一つの曲線は標準的な浸漬型の熱電対を用いて得られたものである 。 第１図は、本発明に用いることができるサンプル容器の一例を示している。容 器壁（１）の材料は赤外光に対して透過性を有しており、好ましくは石英または 溶融シリカである。壁（１）の内側はセラミック材料（３）でコーティングされ ている。このセラミック材料は安定で高い輻射率を有しており、例えばアルミナ 、マグネシア、ムライト、ジルコン、またはそれらの混合物である。 測定された温度は実際にはコーティング層（３）の温度であり、溶湯の温度で はない。しかしコーティング層の温度は事実上壁に隣接する溶湯温度の測定値で ある。このようなサンプル容器を用いることによって、サンプル容器壁の直近の 溶湯温度の測定に関連して熱電対を配置することの間題点は取り除かれる。 サンプル容器の中心の温度を測定するには、壁際での測定に用いられるものと 類似の技術を用いることができる。第１図のサンプル容器は、中心に置かれた石 英製のガイド棒（２）を備えており、このものはサンプル容器の壁（１）と同様 にコーティングされている。この棒は、好ましくはサンプル容器の他の部分と同 じ赤外光透過性の材料でできており、その中心に空腔を設けて、光ファイバー光 伝送装置を挿入することができる。 第２図は、第１図のサンプル容器の中心に置かれた光伝送装置（２）を接続す るのに用いられる接続装置を示している。この装置は、クラッチスリーブ（４） からなり、該クラッチスリーブ（４）の中心の開口部を接続用ファイバー（５） が部分的に貫通している。接続用ファイバー（５）は高熱計の検出装置に取り付 けられる。クラッチスリーブは空気導入路（６）を有し、これを通して連続的に 清浄な空気を供給して空気バリヤーを形成し、このようにして接続用ファイバー （５）にほこりが浸入するのを防いでいる。 第３図は、本発明を実施するための、完全に組み立てられた装置の一例を開示 している。第２図の接続装置に対応する装置が壁用高温計（９）の前面に取り付 けられている。この装置は「エアパージ」と呼ばれており、空気バリヤーを形成 することによって高温計（９）のレンズ（１０）をほこりに対して保護している 。清浄空気は空気接続部（１２）を通して連続的に供給される。高温計は光ファ イバー（８）によってサンプル容器（１）に接続されている。 金属が高温計（９）に向き合う壁（１）を遮蔽したり黒化したりするのを防ぐ ために、サンプル容器およびサポート（１３）は高温計（９）とは反対の方向に 何度かの角度に傾けられている。その結果、たまたま間違って壁上を流れる金属 溶湯は反対側に流れ、高温計（９）を邪魔することはない。同じ理由で、サンプ ル容器の上方に一種の保護板（１４）が設けられている。別法として、この保護 版は煙突として設計されても良い。 第４図は、前述のサンプル容器の壁際の領域で得られた３本一組の冷却曲線を 開示している。曲線に付けられた符号の説明は次の通りである。 ＴＣＢ 壁の近傍に置かれた標準的な浸漬型の熱電対 ＯＦＴＢ 透明なサンプル容器の壁際で得られた光ファイバー高温計の温度 第４図においてまず第一に注意すべき事項は、３本の曲線の絶対的な温度レベ ルの差である。ＴＣＢの曲線で示されるレベルは正しいのに対して、高温計の曲 線（高温計Ｃｈ．２およびＣｈ．４）は低すぎる。これは単に較正の効果であっ て、適当な温度較正係数を２本の高温計の曲線に与えて、３本の曲線をすべて同 じ温度レベルに持ってくることは容易である。この較正の作業は当業者に周知で ある。 第二に注意すべき、冶金学的による重要な事項は、２本の高温計の曲線が明瞭 な温度の極小点（約４５秒のところで）を示し、その後に再輝現象と、温度の極 大点があることである。在来の浸漬型熱電対はこのような挙動を示さない。なぜ ならば石英のサンプルカップは壁際の領域から非常に早く熱を失うので、浸漬型 の熱電対は応答性が十分ではなく、したがって凝固の潜熱を検出できないのであ る。結局、３本の曲線の比較は高温計による温度測定が浸漬型熱電対より感度が 良いことを示しており、またこの新しい着想が在来の熱電対に比較して反応時間 と解像度を改善し、ＷＯ８６／０１７５５および、ここに示さないがＷＯ９２／ ０６８０９の中で言及されている臨界凝固データを提供することを示している。 また、第４図に示した高温計の曲線はいかなるデータ処理も受けておらず、し たがって「スムージング」されていないことに注意すべきである。 第４図と同様に、第５図の冷却曲線の組は、在来の浸漬型熱電対（ＴＣＡ）と 、光フアイバー高温計（ＯＦＴＡ）を比較している。ただし、こちらの比較はサ ンプル容器の中心部について行われたものである。ここでもまた、２本の曲線は 一定の較正係数によって離隔されているが、それを与えて高温計のデータを調整 することは容易である。第４図に示される曲線とは異なり、こちらの場合は高温 計のデータは処理されており、したがって「スムージング」されているので、直 ちに極大点、極小点、冷却速度勾配などの正確な判定を含む分析に付することが できる。どちらの曲線も極小点（約１４０秒のところで）と、再輝現象およびそ の後の極大点を示しているのは注目される。これは、サンプルの中心部の熱損失 速度が壁際のそれよりも遅く、したがって浸漬型熱電対も十分な応答能力がある ので、凝固潜熱が検出されたのである。現有の熱分析技術は、例えばオーステナ イ ト沈降や、共融反応の正確な開始点などの、より小さな熱的異常を検出する能力 には欠けている。ここに説明した方法は、全く新しい熱的情報を提供し、熱分析 の価値を高めることは疑いない。 これらの図表に示したように、赤外光高温測定法による温度検知は改善された 感度、応答時間および正確さを提供する強力な技術である。またこの方法が、高 価な浸漬型熱電対と、プローブ組立に要する時間との消費を節約することは言う までもない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）溶湯容器中の溶湯の温度を測定する方法であって、 容器壁は、少なくとも部分的に、赤外光に対して透過性を有する材料でできて おり、 前記材料は、容器の内面において安定で高い輻射率（ｅ＞０．５；ｄｅ／ｄＴ ＜０．００１）を有する材料でコーティングされており、 容器壁の内側の温度は、壁に隣接する溶湯の温度の測定値として利用され、 前記容器壁の内側の温度は、溶湯容器の外部から作用される光高温測定法を用 いて測定されることを特徴とする溶湯容器中の溶湯の温度を測定する方法。 （２）溶湯温度は、溶湯の内部、特に中心部に位置する少なくともひとつの熱電 対を用いて測定されることを特徴とする請求項１記載の溶湯容器中の溶湯の温度 を測定する方法。 （３）溶湯温度は、少なくとも１個のガイド棒を用いて測定され、前記ガイド棒 の一方の端部が溶湯中の測定点、特に溶湯の中心部に位置し、他方の端部が容器 の外部に位置し、該ガイド棒は赤外光を測定点から高温計へ伝送する伝送装置と して機能することを特徴とする請求項１記載の溶湯容器中の溶湯の温度を測定す る方法。 （４）ガイド棒は、少なくとも部分的に、安定で高い輻射率（ｅ＞０．５；ｄｅ ／ｄＴ＜０．００１）を有する材料のコーティングが施されていることを特徴と する請求項３記載の溶湯容器中の溶湯の温度を測定する方法。 （５）コーティングはセラミック材料からなり、該セラミック材料は特にアルミ ナ、マグネシア、ムライト、ジルコン、窒化チタン、窒化硼素またはそれらの混 合物のうちの少なくとも１種からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれ かに記載の溶湯容器中の溶湯の温度を測定する方法。 （６）容器は、金属溶湯、特にＣＶ黒鉛鋳鉄溶湯の熱分析のためのプローブであ ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の溶湯容器中の溶湯の温度 を測定する方法。 （７）容器は少なくとも１個のガイド棒を備えており、該ガイド棒の一方の端部 が溶湯中の測定点、特に溶湯の中心部に位置し、他方の端部が容器の外部に位置 し、容器と少なくとも１個のガイド棒とが1ユニットを形成しており、容器の内 側とガイド棒の容器内にある部分とは、請求項４または５で画定されるコーティ ングが施されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の溶湯容 器中の溶湯の温度を測定する方法。 （８）金属溶湯、特にＣＶ鋳鉄溶湯の熱分析に光高温測定法を使用することを特 徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の溶湯容器中の溶湯の温度を測定する 方法。 （９）容器と１個以上の温度センサーとからなる、金属溶湯、特にＣV黒鉛鋳鉄 溶湯の熱分析のための装置であって、容器は少なくとも部分的に赤外光に対して 透過性を有する材料からなり、前記容器の内側は、少なくとも透明な材料ででき ている部分において、安定で高い輻射率（ｅ＞０．５；ｄｅ／ｄＴ＜０．００１ ）を有する材料でコーティングされ、少なくとも１個の温度センサーは光高温計 であることを特徴とする金属溶湯の熱分析のための装置。 （１０）容器が１個のガイド棒を備えており、該ガイド棒の一方の端部が溶湯サ ンプル容器中の測定点、特に溶湯サンプル容器の中心部に位置し、他方の端部が 容器の外部に位置し、容器と棒とが１ユニットを形成しており、容器の内側と棒 の容器内にある部分とは、請求項４または５で画定されるコーティングが施され ていることを特徴とする請求項９記載の装置。