JP2003294534A - 溶融金属の測温装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱影響に対してファイバー及び撮像装置を保
護するための冷却方式及びその制御が容易で、安定した
測温が可能な溶融金属の測温装置を提供すること。 【解決手段】 ノズル部、パージ・冷却ガス導入部、窓
ガラス付ファイバー取付部、及びファイバー保護チュー
ブの４つの連結可能な部分からなることを特徴とする溶
融金属の測温装置。 【効果】 ２重管羽口に対し熱放射光の導入部である羽
口先端からファイバー先端受光部までの距離を短くでき
より多くの熱放射光を受光できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶融金属を収容す
る容器の壁に該壁を貫通したノズルを設け、該ノズルの
先端に面する溶融金属の熱放射光をファイバーを介して
導き出し、導き出した熱放射光から溶融金属の温度を測
定する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】転炉・ＡＯＤ等の溶融金属を精錬する炉
において、精度良く連続して溶鋼温度が測定され、これ
が操業情報として得られれば、精錬の能率向上・溶鋼品
質の改善及び操業上の溶鋼歩留向上・諸原単位の削減等
極めて有用である。そのため、精錬炉の溶湯温度を測定
する方法は従来より種々試行され改善を重ねられてき
た。当初は精錬炉を傾動して、保護管付消耗型熱電対の
計測プローブによりオペレータが手動にて溶融温度を測
定していたが、炉傾動による操業上の安全性・測定時間
延長による生産性阻害性の課題があった。そこで、より
作業性・生産性の向上が図れるサブランスが開発導入さ
れた。これは、水冷ランスの先端に保護管付消耗型熱電
対の計測プローブを自動装着して遠隔自動による温度測
定作業を可能とした。

【０００３】しかし、これらの計測プローブ方式では、
精度の良い測温は可能であるが間欠的な測温のため、精
錬中の溶鋼温度を連続的に測定し、精錬制御をきめ細か
く実施することは出来なかった。また、温度測定用の計
測プローブは消耗品のため、コストも割高であった。

【０００４】これらに対して溶鋼を連続して測温しよう
とする試みは従来から行われてきた。溶融金属容器の壁
を貫通したノズルに不活性ガスを圧入してノズル内への
溶融金属の侵入を防ぎながら、ノズル先端に面する溶融
金属の熱放射光を光ファイバーを介して放射温度計等に
案内する装置（例えば特開昭６２−５２４２３号公報、
特開平８−１５０４０号公報）が知られている。しかし
これらの装置では、溶融金属を連続的に測定できる利点
があるが、その反面ノズル先端から受光端（光ファイバ
ー先端）までの光軸のずれにより、熱放射光がノズル内
面やノズルから光ファイバーまでの接続部の内面に照射
した場合は、反射光を測定することになるため正確な温
度を測定できない。なお、特開平８−１５０４０号公報
では光軸のずれが生じないように、光ファイバーを溶融
金属に向けて送りだし、光ファイバーの先端を溶融金属
に接触させているが、光ファイバーの消耗によりコスト
が嵩むといった問題がある。

【０００５】さらに別の装置として、本件出願人は溶融
金属が発する熱放射光をイメージファイバーを介して撮
像装置（例えばＣＣＤカメラ）に取り込み、撮像画面上
の最高輝度値から溶融金属の温度を測定する装置（例え
ば、特開平１１−１４２２４６号公報）を出願してい
る。本装置も溶融金属温度を連続的に測定できる利点が
あるが、前記同様に、ノズル先端からイメージファーバ
ー先端までの光軸のずれにより、熱放射光がノズル内面
に照射した場合は、正確な温度を測定できない。

【０００６】また、前記光ファイバーやイメージファイ
バーを用いる装置では、一旦光軸の一致を確保しても、
転炉やＡＯＤ炉等の交換時にはファイバーの着脱を必要
とするため、この時光軸がずれる場合がある。また、フ
ァイバーは高温の炉体と連なっているため、特に高価な
イメージファイバーは過熱により熱損傷し易く、また着
脱時に折損する場合がある。さらには、ノズルとファイ
バーとをし切る耐圧窓ガラスの清掃や、ノズル先端の溶
損量の測定は、高温下の操業中において行うため、迅速
容易に行えることが要求される。これらに対して本出願
人は、特開２００１−８３０１３号公報を出願してい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】特開２００１−８３０
１３号公報では、溶融金属から熱放射光を導入する羽口
部、パージガス導入部、耐圧窓ガラス保持部、ファイバ
ー芯出部、ファイバー保護チューブで構成する各部を着
脱可能に連結し、ファイバー芯出部を相互に嵌入密接可
能な凸状及び凹状部で構成して芯出の簡易化を図った。
しかし、本芯出部の構造では、凸状及び凹状部で構成す
る各部が嵌入密接となるため光軸のずれを容易に調整す
ることは難しいことが判明した。また、羽口部との結合
がフランジ構造のため着脱に時間を要し、高温雰囲気下
での迅速な作業が容易でなかった。さらに、本方式で
は、羽口が単管の場合に対し２重管の場合は羽口ガス導
入部が２箇所となるため、ファイバー先端と熱放射光入
口である羽口先端までの距離が大きくなるため余計に光
軸調整が難しくなる。

【０００８】本件出願人らの詳細な調査により、本方式
の溶湯連続測温を実施中、時間の経過と共に羽口が貫通
する耐火レンガは、高温に起因する熱膨張により微妙に
その位置を移動する。そのため羽口そのものが曲がり、
熱放射光の視野が狭くなる現象を見出した。これに対応
するためファイバー先端の受光部を羽口の曲がり方向に
対応させて光軸が一致する様に微妙に移動させることが
不可欠となる。こうしたファイバー先端の受光部の微調
整は従来の技術では到底不可能であり、新たな対応策の
策定に迫られた。

【０００９】溶融金属を収容する容器の壁は、溶湯から
の熱伝導により高温となっている。よって羽口及びファ
イバー接続装置も熱伝導及び輻射熱双方の影響により高
温状態となる。また、炉傾動を行い当該装置が炉上部の
フード内面に曝されると、フード内面に付着した赤熱地
金からの熱輻射を受ける。これらの熱影響に対してファ
イバー及び撮像装置を保護するための冷却方式及びその
制御が課題となった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、これらの課題
を解決する方法を見出したもので、その要旨は以下の通
りである。 （１）溶融金属を収容する容器の壁に貫通したノズルを
設け、該ノズルの先端に面する溶融金属の熱放射光をフ
ァイバーを介して導き出し、導き出した熱放射光から溶
融金属の温度を測定する装置において、該容器内に貫通
したノズルが２重管構造で、内管をパージガスを通しつ
つ溶融金属の熱放射光をファイバーに導き出し、且つ外
管をノズル溶損防止のための保護冷却ガスを通してお
り、ノズルとファイバー取付け部の構成が、ノズル部、
パージ・冷却ガス導入部、窓ガラス付ファイバー取付け
部、及びファイバー保護チューブの４つの連結可能な部
分から成り、パージ・冷却ガス導入部に１箇所以上の接
合部分を設けて、溶融金属の熱放射光がファイバーに連
通するための光軸の芯出しを可能とする構造を有するこ
とを特徴とする溶融金属の測温装置。 （２）前記（１）において、イメージファイバーケーブ
ルを介して撮像するＣＣＤカメラ等の撮像装置を溶融金
属を収容する精錬炉の外壁近傍に配置し、これを収納す
るボックス内にパージ・冷却ガスを通すと同時に、当該
ＣＣＤカメラ収納ボックスの少なくともその表面積の５
０％以上水冷構造とすることを特徴とする溶融金属の測
温装置。 （３）前記（２）において、ＣＣＤカメラ等の撮像装置
の本体或いは雰囲気温度を熱電対等により測温し、その
温度を６０℃以下に維持するためのパージ・冷却ガス或
いは冷却水の流量、圧力を制御することを特徴とする溶
融金属の測温装置。 （４）前記（１）において、熱放射光をＣＣＤカメラ等
の撮像装置に導き出すイメージファイバーケーブルを内
挿保護した内管フレキシブルホースと内管フレキシブル
ホースを内挿保護するファイバー保護チューブとの３重
構造として、内管フレキシブルホース及びファイバー保
護チューブに冷却・パージガスを通してこれを外部に放
出する際に、ファイバー先端のレンズ部分に相当する部
位を当該ガスにより外部から冷却可能な構造とすること
を特徴とする溶融金属の測温装置。 （５）前記（１）において、ノズルとファイバー取付け
部の構成中、パージ・冷却ガス導入部、或いは／及び窓
ガラス付ファイバー取付け部を水冷構造とすることを特
徴とする溶融金属の測温装置。 （６）前記（４）または（５）において、ファイバー先
端のレンズ部分に相当する部位或いはその雰囲気温度を
熱電対により測温し、その温度が機器に悪影響を及ぼさ
ない１２０℃以下に維持するためにパージ・冷却ガス或
いは／及び冷却水の流量或いは／及び圧力を制御するこ
とを特徴とする溶融金属の測温装置。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図面により説明
する。実施例の設備全体概念図を図１に、羽口接続装置
部の部分拡大図を図２に、更に光軸調整部の詳細図を図
３に各々示す。図１において、溶融金属１の容器である
精錬炉２の側壁下部に設置された連続測温用羽口９は、
ファイバー保護チューブ４に接続装置部３によって結合
されている。溶融金属１に接する羽口先端から入射した
熱放射光は、接続装置内のイメージファイバー先端部の
受光部からファイバー保護チューブ４を経由して撮像装
置であるＣＣＤカメラ収納ボックス５内のＣＣＤカメラ
２７で画像として信号化され、カメラケーブル７及び２
１を経由して画像処理装置に送られる。一方、カメラ及
びファイバーのパージ・冷却用ガスは、ガス配管２２か
らガス混合容器８でカメラケーブル７に導入され、ＣＣ
Ｄカメラ収納ボックス５内を冷却すると同時に、ファイ
バー保護チューブ４を経由して接続装置部３を冷却す
る。

【００１２】ガス混合容器８は固定デッキ上に設置され
るが、ＣＣＤカメラ収納ボックス５は、可動する精錬炉
の側壁デッキ上に取付けられる。このＣＣＤカメラ収納
ボックス５は、更に鋼製のＣＣＤカメラボックス保護箱
６に内蔵されて粉塵及び落下飛散する地金・スラグ等か
ら保護されている。その表面は断熱ボードで覆われ、雰
囲気温度、及び炉壁・フード・付着地金・スラグ等の熱
伝導及び輻射熱から断熱されている。ＣＣＤカメラ収納
ボックス５は上面を取外し式の蓋とし、側面及び下面の
計５面は冷却水にて水冷されている。ＣＣＤカメラはそ
の機器の特性より６０℃以上になると性能が保証されな
いため、これ以下の温度に維持する必要がある。また、
ＣＣＤカメラ収納ボックスは、雰囲気温度が高く、炉体
からの熱伝導が大きいため、ボックスの表面積の５０％
以上を水冷する必要がある。本実施例では、カメラ温度
をより低減するため、前述したように側面及び下面の計
５面を水冷した。本装置において、イメージファイバー
に代えて光ファイバーを用いても良く、また、ＣＣＤカ
メラに代えて放射温度計を使用しても良い。

【００１３】図２及び図３において、測温羽口９の溶融
金属に接する先端部位から入射された熱放射光がイメー
ジファイバー４に極力多く通光可能となるよう、また種
々の原因で熱放射光の光軸のぶれに対して、迅速容易に
調整可能となるように接続治具が設置されている。

【００１４】連続測温用羽口９は精錬炉保護耐火物１
０、精錬炉鉄皮１１、及び羽口フランジ部２３を貫通し
てまず羽口外管ガス供給配管１２と接続される。この外
管用配管１２は接続カプラー２４で容易に着脱可能であ
る。更に、連続測温用羽口は調整用フランジ１３でイメ
ージファイバー接続装置と繋がれる。調整用フランジ１
３はボルトにより締結されているが、ボルト締結前の時
点では、羽口の軸直角方向に遊びを持たせてあり、イメ
ージファイバー接続装置の位置調整を可能ならしめる構
造としている。通常、イメージファイバー接続装置を迅
速容易に着脱するため、連続測温用羽口とイメージファ
イバー接続装置の間に接続カプラー１９を使用する。即
実操業において、連続測温用羽口の残存長さの寸法測定
は、比較的頻度が高いため、この接続カプラーを外して
測定することにより、着脱の時間が大幅に短縮可能とな
る。

【００１５】接続カプラー１９のイメージファイバー側
には、イメージファイバー先端治具２０と連結された接
続用ブロック２６と繋がっている。またこの接続用ブロ
ック２６は、羽口内管ガス供給配管１４と迅速着脱可能
な接続カプラー２５によって繋がり、炉体交換時等には
この接続カプラー２５により迅速容易に着脱することが
できる。当該接続ブロック２６は直方体形状となってお
り、熱放射光の光軸と軸直角方向に位置調整可能な蝶ネ
ジ構造の光軸調整装置１６に支持固定されている。ま
た、この光軸調整装置１６は光軸調整装置支持部１７を
介して精錬炉鉄皮１１に固定されている。接続カプラー
１９よりファイバー側の接続装置類は、高温雰囲気で着
脱されるため、作業負荷を考慮して極力それらの重量を
軽くして製作されている。

【００１６】連続測温用羽口９の光軸とイメージファイ
バー先端治具２０の光軸を調整一致させる光軸調整作業
について、具体的に手順を追って説明する。羽口残存長
さの寸法測定等の作業が完了後、図２に示される全ての
配管・治具類を再接続する。調整フランジ１３の接続ボ
ルトを僅かに緩めておき、この光軸調整装置１６によっ
て接続用ブロック２６を光軸に対して軸直角方向に微調
整することにより光軸を一致させ、最後に緩めておいた
調整フランジ１３の接続ボルトを締め込む。この調整フ
ランジ１３は固定側の連続測温用羽口と可動するイメー
ジファイバー側との位置調整可能なボールジョイントの
様な接続治具でも代替できる。また、光軸調整装置１６
は手作業で光軸調整する蝶ネジ構造の他に、遠隔操作が
可能な電動ネジ方式も可能である。光軸調整作業を炉体
近傍で行うためには、熱放射光を撮像した携帯移動式の
テレビモニターを接続して、画面上のイメージ画像を観
察しつつ実施することにより作業の迅速化が可能とな
る。

【００１７】イメージファイバーはその耐熱特性から１
２０℃以下が限界であり、これ以下にしないと性能が発
揮されない。よって下記の冷却方式を導入した。図４に
示すように、イメージファイバーケーブル３０はテフロ
ン（登録商標）等の軟質な内管フレキシブルチューブ２
９に内挿され、更に内管フレキシブルチューブ２９はス
テンレス製フレキシブルチューブに代表されるファイバ
ー保護チューブ４に内挿されている。このファイバー保
護チューブ４及び内管フレキシブルチューブ２９は内部
にパージ・冷却ガスを通すことによりイメージファイバ
ーケーブルが冷却される。冷却効果を上げるため、ファ
イバー保護チューブ４の外側にカオウール等の耐熱テー
プを巻くことがより好ましい。

【００１８】イメージファイバーの冷却用ガスは、イメ
ージファイバー保護チューブ４内を通り、イメージファ
イバー装着部１５から外気に放出される。具体的なガス
放出構造の例として図３に示すように、イメージファイ
バー装着部１５から冷却・パージガス放出管２８を通
り、イメージファイバー先端治具２０の外側に直接吹き
付けられている。これによりイメージファイバー先端受
光部は外部からもガスにより強制冷却される。

【００１９】一方更に冷却能力を高めるため、冷却水を
配管し、イメージファイバー先端受光部を水冷すること
も可能である。直接冷却構造として、イメージファイバ
ー先端治具２０を水冷ジャケット構造とする方法があ
る。しかし、ファイバーの取外し・取付時の簡便さか
ら、図５に示される様にイメージファイバー先端治具２
０の外側に水冷銅管３１を巻きつけ、これを冷却水用の
フレキシブルホース３２に繋ぎ込む方法が採用された。
これら冷却ガス或いは冷却水等の冷却媒体は、ファイバ
ー先端治具２０を熱電対で温度測定しつつ、目標温度に
達する様に流量を制御することが好ましい。

【００２０】

【発明の効果】本発明の装置により以下の効果が得られ
た。第１に、２重管羽口に対し溶融金属の熱放射光の導
入部である羽口先端からファイバー先端の受光部までの
距離を短くでき、より多くの熱放射光を受光できるよう
になった。第２に、羽口先端からイメージファイバー先
端の受光部の光軸を容易に調整可能となったため、レン
ガの熱膨張に起因する羽口の曲がりによる受光視野の減
少の回避、炉体交換・羽口残存測定によるイメージファ
イバー接続治具の着脱及び光軸調整の迅速容易化が可能
となり、安定して連続測温が可能となった。第３に、イ
メージファイバー先端の受光部及び撮像装置を効率的に
冷却できることができ、イメージファイバー温度上昇抑
制による画像の鮮明化・イメージファイバー寿命の延
長、撮像装置の故障の低減・寿命延長を図ることができ
た。第４に、撮像装置を炉体に設置することにより、イ
メージファイバー長さを短くすることができ、高価なイ
メージファイバーの節約によるコスト削減、及び温度負
荷や外部力に敏感なイメージファイバーの故障頻度減少
により、安定した連続測温の実施が可能となった。これ
らの効果により、溶鋼温度を常時正確に把握でき、適正
な操業及び設備管理を行うことで、大幅な製造コストを
削減すると同時に高品質な鋼を安定して溶製可能となっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す概要図である。

【図２】図１の羽口接続装置部の部分拡大図である。

【図３】図２の光軸調整部の詳細図である。

【図４】ファイバー保護チューブの構造を示す図であ
る。

【図５】イメージファイバー先端治具の水冷構造の例を
示す図である。

【符号の説明】

１ 溶融金属 ２ 精錬炉 ３ 接続装置 ４ ファイバー保
護チューブ ５ ＣＣＤカメラ収納ボックス ６ ＣＣＤカメラ
ボックス保護箱 ７ カメラケーブル ８ パージ冷却ガ
ス混合容器 ９ 連続測温用羽口 １０ 精錬炉保護耐
火物 １１ 精錬炉鉄皮 １２ 羽口外管ガ
ス供給配管 １３ 調整フランジ １４ 羽口内管ガ
ス供給配管 １５ イメージファイバー装着部 １６ 光軸調整装
置 １７ 光軸調整装置支持部 １８ イメージファイバー保護チューブ接続部 １９ 接続カプラー ２０ イメージフ
ァイバー先端治具 ２１ カメラケーブル ２２ パージ・冷
却用ガス配管 ２３ 羽口フランジ部 ２４ 羽口外管ガス供給配管接続カプラー ２５ 羽口内管ガス供給配管接続カプラー ２６ 接続用ブロック ２７ ＣＣＤカメ
ラ ２８ 冷却・パージガス放散管 ２９ 内管フレキ
シブルチューブ ３０ イメージファイバーケーブル ３１ 水冷銅管 ３２ フレキシブルホース Ａ ノズル部 Ｂ パージ・冷却
ガス導入部 Ｃ 窓ガラス付ファイバー取付部 Ｄ ファイバー保
護チューブ部

フロントページの続き (72)発明者 田中 智昭 山口県光市大字島田3434番地 新日本製鐵 株式会社光製鐵所内 (72)発明者 角 眞 福岡県北九州市戸畑区大字中原46−59 日 鐵プラント設計株式会社内 Ｆターム(参考） 2G066 AC01 AC11 BA14 BA38 BA42 BA43 BA57 BB15 BB20 CA02

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶融金属を収容する容器の壁に貫通した
   ノズルを設け、該ノズルの先端に面する溶融金属の熱放
   射光をファイバーを介して導き出し、導き出した熱放射
   光から溶融金属の温度を測定する装置において、該容器
   内に貫通したノズルが２重管構造で、内管をパージガス
   を通しつつ溶融金属の熱放射光をファイバーに導き出
   し、且つ外管をノズル溶損防止のための保護冷却ガスを
   通しており、ノズルとファイバー取付け部の構成が、ノ
   ズル部、パージ・冷却ガス導入部、窓ガラス付ファイバ
   ー取付け部、及びファイバー保護チューブの４つの連結
   可能な部分から成り、パージ・冷却ガス導入部に１箇所
   以上の接合部分を設けて、溶融金属の熱放射光がファイ
   バーに連通するための光軸の芯出しを可能とする構造を
   有することを特徴とする溶融金属の測温装置。
2. 【請求項２】 イメージファイバーケーブルを介して撮
   像するＣＣＤカメラ等の撮像装置を溶融金属を収容する
   精錬炉の外壁近傍に配置し、これを収納するボックス内
   にパージ・冷却ガスを通すと同時に、当該ＣＣＤカメラ
   収納ボックスの少なくともその表面積の５０％以上水冷
   構造とすることを特徴とする請求項１記載の溶融金属の
   測温装置。
3. 【請求項３】 ＣＣＤカメラ等の撮像装置の本体或いは
   雰囲気温度を熱電対等により測温し、その温度を６０℃
   以下に維持するためのパージ・冷却ガス或いは冷却水の
   流量、圧力を制御することを特徴とする請求項２記載の
   溶融金属の測温装置。
4. 【請求項４】 熱放射光をＣＣＤカメラ等の撮像装置に
   導き出すイメージファイバーケーブルを内挿保護した内
   管フレキシブルホースと内管フレキシブルホースを内挿
   保護するファイバー保護チューブとの３重構造として、
   内管フレキシブルホース及びファイバー保護チューブに
   冷却・パージガスを通してこれを外部に放出する際に、
   ファイバー先端のレンズ部分に相当する部位を当該ガス
   により外部から冷却可能な構造とすることを特徴とする
   請求項１記載の溶融金属の測温装置。
5. 【請求項５】 ノズルとファイバー取付け部の構成中、
   パージ・冷却ガス導入部、或いは／及び窓ガラス付ファ
   イバー取付け部を水冷構造とすることを特徴とする請求
   項１記載の溶融金属の測温装置。
6. 【請求項６】 ファイバー先端のレンズ部分に相当する
   部位或いはその雰囲気温度を熱電対により測温し、その
   温度が機器に悪影響を及ぼさない１２０℃以下に維持す
   るためにパージ・冷却ガス或いは／及び冷却水の流量或
   いは／及び圧力を制御することを特徴とする請求項４ま
   たは請求項５記載の溶融金属の測温装置。