JP2004085432A

JP2004085432A - 溶融金属用フローティング熱電対プローブ

Info

Publication number: JP2004085432A
Application number: JP2002248493A
Authority: JP
Inventors: Tamio Okada; 岡田　民雄; Haito George; ジョージ　ハイト; Hideo Yoshikawa; 吉川　英雄
Original assignee: Nippon Crucible Co Ltd
Current assignee: Nippon Crucible Co Ltd
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】耐食性及び破壊靭性が高く、溶湯面から所定の深さ位置の溶湯温度を測定することが可能な溶融金属用フローティング熱電対プローブを提供すること。
【解決手段】相互に接続された結線部１０を有する熱電対素線３と、熱良導性材料で形成され、周囲部の熱を伝達し得るように結線部１０を収容する感熱部８と、感熱部８が下部に結合され、内部に熱電対素線３を通し、浸漬される溶融金属よりも融点の高い金属で形成されたフローター６とを備え、感熱部８及びフローター６の少なくとも溶融金属に接触する外周面が耐火繊維層１１を介してセラミックスコーティング層１２によって被覆され、溶融金属に浸漬された場合に、フローター６の浮力により浮遊する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム、亜鉛などの低融点溶融金属の温度測定用プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイカストの製造においては、溶融した金属（合金を含む。以下、溶湯という）を一時的に蓄えておく溶湯金属溶解炉の溶湯汲み出し室（ルツボ）から、ラドルを用いて溶湯を汲み出し、成形機の型内に流し込んで鋳造する。ラドルによって汲み出される溶湯は、溶湯表面からほぼ一定の深さ、例えば溶湯面下８０ｍｍ付近に亘る範囲から汲み出される。溶湯汲み出し室は、溶湯を鋳造に適した温度に保持するために、加熱手段を備えている。加熱手段には、熱源の種類によってガス燃焼加熱、電気加熱などがあり、加熱方式によって輻射利用方式、浸漬型直接加熱方式などがある。また、溶湯の表面付近と底面付近との温度差をできる限り小さくするために、溶湯汲み出し室内を仕切り板によって２室に区分し、仕切り板に連通孔を設けて高温溶湯を２室間で流通させたり、浸漬型直接加熱方式によって溶湯底面を昇温することによって、溶湯全体の温度の均一化を図っている。
【０００３】
溶湯温度の測定には熱電対を使用し、下端閉塞の円筒形状の保護管内に熱電対結線部を設置し、溶湯面下に浸漬することによって、熱電対結線部の近傍の溶湯温度を測定することができる。測定結果は溶湯温度の管理に使用される。保護管には、鋳鉄製品、又は窒化珪素等のセラミックス焼結品が使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
溶湯汲み出し室は溶湯をラドルで汲み出すことができるように上面が開口しており、しかも溶湯が絶えず汲み出されることから、溶湯面付近では温度低下が起こり易く、溶湯の表面付近の温度と底面付近の温度とに差が生じることは避けられない。また、保護管が溶湯汲み出し室に対して固定位置に設置され、従って温度測定素子である熱電対も溶湯汲み出し室に対して固定位置に設置されていることから、溶湯面の高さが変化すれば、温度測定位置の溶湯面からの深さが異なることとなる。即ち、溶湯の汲み出し開始のときは、溶湯面から比較的深い位置の溶湯温度を測定するが、汲み出しを繰り返すことによって溶湯面が低下するに従って、比較的溶湯面に近い位置の溶湯温度を測定することとなり、ラドルによる汲み出しが行われる溶湯面下のほぼ一定の深さにおける温度を測定することができないという問題があった。このため、従来の温度管理方法では、汲み出される溶湯の温度と鋳造温度とが整合していないという問題が生じていた。
【０００５】
さらに、鋳鉄製の保護管は、重量物であるために取り扱いが困難であり、侵食防止のために表面にセラミックスコーティング材が繰り返し塗布されて使用されるものの、保護管の寿命は比較的短い問題があった。また、セラミックス製保護管は機械的衝撃に弱く、取り扱いに注意が必要であり、例えば稼動部であるラドルとの接触などによって容易に破損してしまう問題があった。
【０００６】
本発明は、耐食性及び破壊靭性が高く、溶湯面から所定の深さ位置の溶湯温度を測定することが可能な溶融金属用フローティング熱電対プローブを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、以下の手段によって達成される。
【０００８】
即ち本発明の一態様によれば、相互に接続された結線部を有する熱電対素線と、熱良導性材料で形成され、周囲部の熱を伝達し得るように前記結線部を収容する感熱部と、該感熱部が下部に結合され、内部に前記熱電対素線を通し、浸漬される溶融金属よりも融点の高い金属で形成されたフローターとを備え、前記感熱部及び前記フローターの少なくとも前記溶融金属に接触する外周面が、耐火繊維層を介してセラミックスコーティング層によって被覆され、前記溶融金属に浸漬された場合に、前記フローターの浮力により浮遊することを特徴とする溶融金属用フローティング熱電対プローブを提供することができる。
【０００９】
前記感熱部は、窒化珪素からなるものとすることができる。
【００１０】
前記耐火繊層は、ガラス繊維からなる層とすることができる。
【００１１】
前記セラミックスコーティング層は、アルミナを４５〜５５重量％含有する耐火粉末と珪酸ソーダとを含む混合物を、前記感熱部及び前記フローターの少なくとも前記溶融金属に接触する外周面に付着させ、乾燥加熱することによって形成された層とすることができる。
【００１２】
前記フローターは、鋳鉄、軟鉄又は鋼鉄によって形成されているものとすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る溶融金属用フローティング熱電対プローブ１の断面図であり、図２は、本発明に係る溶融金属用フローティング熱電対プローブ１を溶湯金属溶解炉３４の溶湯汲み出し室３０に設置した状態を示す図である。図２において、ルツボ３３、溶湯金属溶解炉３４は垂直断面を表示している。
【００１４】
図１に示すように、溶融金属用フローティング熱電対プローブ１は、碍管２を装備したアルメル−クロメル線等の２本の熱電対素線３と、鉄製、例えば炭素含有量が０．０２重量％以下の軟鉄製のパイプ４及び拡径部５から構成されるフローター６とを備えている。フローター６は、図１に示したパイプ４及び拡径部５の断面形状を、パイプ４の中心軸の周りに３６０度回転させて得られる３次元形状をしており、空洞である空間部７を備えており、これによって、溶融金属用フローティング熱電対プローブ１は、溶湯汲み出し室３０の溶湯に浸漬された場合に、浮力を生じて溶湯３１の溶湯面に浮遊することができる。拡径部５は、断面円形のパイプ４を通す中央孔を中心に径方向に延びる上壁５１及び下壁５２、並びにこれら上壁５１及び下壁５２に接続する円筒形の側壁５３を備えている。溶融金属用フローティング熱電対プローブ１に浮遊機能を持たせるために、溶融金属用フローティング熱電対プローブ１の重さと溶湯３１に浸漬された場合に生じる浮力とが等しくなり得るように、拡径部５の空間部７は所定以上の容積を有し、フローター６を構成するパイプ４及び拡径部５の鉄皮は、軽量化のために肉厚を薄くすることが望ましい。
【００１５】
フローター６の先端部に取り付けられている感熱部８には感熱部８上面から下方に延びる長穴９が設けられており、２本の熱電対素線３の先端が相互に接続された熱電対素線結線部１０が、感熱部８に接触又は近接して長穴９の内部に収容されている。感熱部８は、高熱伝導性、高破壊靱性の材質、例えば窒化珪素等のセラミックス製であることが望ましい。感熱部８が溶湯３１から受熱して溶湯温度と等しい温度になり、感熱部８の温度が熱電対素線結線部１０によって測定される。
【００１６】
フローター６及び感熱部８の外周囲の少なくとも溶湯３１に接触する面は、耐火繊維層１１で被覆されており、耐火繊維層１１は、接着剤（図示せず）によってフローター６の表面に貼られている。接着剤には、例えば、珪酸ソーダ、フェノール樹脂を使用することができる。溶融金属用フローティング熱電対プローブ１は、耐火繊維層１１によって被覆されているので、ラドル３２との接触によって衝撃を受けた場合においても容易に破損することがない。耐火繊維層としては、ガラス繊維を網状に編んだものが望ましい。
【００１７】
耐火繊維層１１の表面は、セラミックスコーティング層１２によって被覆されている。セラミックスコーティング層１２は、溶融アルミニウムに対する耐食性、耐熱衝撃性及び機械的強度に優れていることが望ましく、例えば、粉状耐火物に結合材を混合したものを耐火繊維層１１の表面に塗布し、乾燥加熱して焼固させることによってセラミックスコーティング層１２を形成することができる。例えば、アルミナ４５〜５５重量％含有の耐火粉末と結合剤の珪酸ソーダとを混合したもの（例えば、日本坩堝株式会社製のスーパー３０００（商品名））を用いて、セラミックスコーティング層１２を形成することができる。
【００１８】
フローター６は上記した構造を有することから、ラドル３２との接触等による機械的衝撃や、溶湯の跳ね返り等の熱衝撃に対して抵抗性があり耐久性に優れており、取り扱いが容易である。
【００１９】
図２に示すように、溶融金属用フローティング熱電対プローブ１は、支持装置１３によってルツボ３３内に支持されている。支持装置１３は、溶湯金属溶解炉３４の外壁に取付けられた第１固定具１４と、第１固定具１４に固定された第１支持棒１５と、第１支持棒１５に結合された第２固定具１６と、第２固定具１６に固定された第２支持棒１７と、第２支持棒１７に結合されたガイド部材１８とから構成されている。ここで、第１支持棒１５及び第２支持棒１７は、各々の軸方向に移動可能に、各々第１固定具１４及び第２固定具１６に装着され、溶融金属用フローティング熱電対プローブ１をルツボ３３内の所定位置に支持するように位置調節された後、ネジ等の固定手段を用いて固定されている。
【００２０】
溶融金属用フローティング熱電対プローブ１のパイプ４は、例えば、パイプ形状のガイド部材１８の内径よりも小さい外径を有し、ガイド部材１８の軸方向に、即ち上下に移動可能にガイド部材１８内に収容されている。溶融金属用フローティング熱電対プローブ１の拡径部５は、上記したように溶融金属用フローティング熱電対プローブ１が溶湯３１に浮遊するように形状設計されており、溶融金属用フローティング熱電対プローブ１は、溶湯面の高さが変化しても先端部が溶湯面から一定の深さを維持したまま、ガイド部材１８の軸に沿って上下方向に移動することができる。即ち、浸漬した溶融金属用フローティング熱電対プローブ１の先端部分は、溶湯汲み出し室３０の溶湯面の高さによらず、常に溶湯面下の一定の深さに位置することとなる。
【００２１】
従って、予め、溶融金属用フローティング熱電対プローブ１が溶湯に浮遊する場合の先端部の深さ位置が、溶湯３１を汲み出す深さ、例えば溶湯面下８０ｍｍに等しくなるように、拡径部５の形状を設計しておけば、汲み出される溶湯３１の温度を正確に測定することができる。これによって、熱電対の位置を固定した従来の測定方法よりも、ばらつきの少ない温度範囲での鋳造が可能となり、安定した鋳造品の製造が可能となる。
【００２２】
拡径部５の形状は、図１に示した形状に限らず、溶融金属用フローティング熱電対プローブ１が溶湯３１に浮遊可能なだけの容積の空洞を有する形状であればよい。例えば、フローターは、図３の（Ａ）〜（Ｃ）に示すような断面形状のものであってもよい。
【００２３】
以上において、溶融金属用フローティング熱電対プローブ１の先端部分である感熱部８が溶湯面下の所定深さに位置するように、拡径部５の形状を設計する場合を説明したが、目的の深さよりも浅くなるように拡径部５の形状を設計し、所定重量の付加部品（図示せず）をパイプ４などに取り付けることによって、感熱部８の位置を目的の深さに調節するようにすることも可能である。また、溶融金属の比重に応じて、重さの異なる付加部品を取り付けることによって、溶融金属用フローティング熱電対プローブ１の先端部分の溶湯面下の深さ位置を調節することも可能である。
【００２４】
また、パイプ４及び拡径部５の材質は軟鉄に限らず、炭素含有量が約０．０２〜２重量％の鋼鉄、炭素含有量が約２〜５重量％の鋳鉄でもよく、また、溶融金属の温度よりも融点が高い鉄以外の金属（合金を含む）であってもよい。
【００２５】
また、溶融金属用フローティング熱電対プローブ１を、溶湯量調節用レベルセンサーとして使用することもできる。図１に示した溶融金属用フローティング熱電対プローブ１は、パイプ４の上部にレベルバー１９を備えており、ガイド部材１８に結合されて水平に配置された第２支持棒１７に固定されたスイッチ支持台２２にはリミットスイッチ２０、２１が設置されている。リミットスイッチ２０、２１は、ルツボ３３に投入する金属を溶解するための溶解バーナーの制御装置（図示せず）に接続されている。
【００２６】
溶湯量が増加するに応じて、溶融金属用フローティング熱電対プローブ１及びレベルバー１９が上方に移動し、図１において破線で示したようにレベルバー１９がリミットスイッチ２０に接触すれば、リミットスイッチ２０から所定の信号変化が溶解バーナーの制御装置に伝達され、制御装置が溶解バーナーの燃焼を停止させ、溶湯の供給を停止させる。これによって、溶湯面の上昇を停止させることができる。また、溶解バーナーの燃焼停止から湯面上昇の停止までの時間的な遅れを考慮して、レベルバー１９がリミットスイッチ２１に接触した場合には、リミットスイッチ２１から所定の信号変化が溶解バーナーの制御装置に伝達され、制御装置が警報を発生する。
【００２７】
【実施例】
一例として、厚さ１．５ｍｍの軟鉄製のパイプ及び拡径部を溶接によって接続してフローターを製作した。感熱部は、熱伝導率が２０Ｗ／（ｍ・℃）（＝１７ｋｃａｌ／（ｍ・ｈｒ・℃））、破壊靭性（Ｋ１Ｃ）が５．７ＭＰａ・ｍ^１／２のチッ化珪素セラミックスを使用して、外径２２ｍｍ、高さ４０ｍｍに製作した。織物状に編んだガラス繊維をフローターの周囲に貼り、さらにその外周をアルミナ４９重量％、シリカ４１重量％の粉末耐火材に珪酸ソーダ液を混合したもので被覆して焼固した。さらに、ラドルの汲み出し位置が溶湯面から溶湯面下８０ｍｍまでの範囲であるからことから、これに合わせて、溶湯汲み出し室の溶湯に溶融金属用フローティング熱電対プローブ１を浮遊させた場合の浸漬部分、即ち溶湯面から熱電対素線結線部までの距離が約８０ｍｍになるように拡径部の形状を設計した。
【００２８】
この溶融金属用フローティング熱電対プローブを使用して温度測定を行い、測定温度に応じて加熱制御を行うことによって、汲み出し溶湯の温度のバラツキ及び鋳造温度のバラツキを、従来の温度測定に基づく加熱制御の場合よりも小さくすることができた。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、溶湯面の高さに関係なく、溶湯面下の一定の深さにおける溶湯温度を測定することができ、溶湯汲み出し室から汲み出される溶湯温度のバラツキを小さくすることが可能となり、溶湯の温度管理の正確性、信頼性が向上する。
【００３０】
また、従来の熱電対保護管よりも、溶湯の温度測定に使用する熱電対プローブの破壊靭性を高くすることができることから、熱電対プローブを取り扱う上での利便性が従来よりも向上する。
【００３１】
さらに、溶融金属用フローティング熱電対プローブを、溶湯面のレベルセンサーとしても使用することが可能であることから、別に設けていた従来のレベルセンサーが不要となり、測定装置のメンテナンスが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る溶融金属用フローティング熱電対プローブの縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る溶融金属用フローティング熱電対プローブを溶湯汲み出し室に設置した状態を示した図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明に係る溶融金属用フローティング熱電対プローブのフローターの形状例を示した縦断面図である。
【符号の説明】
１　　　溶融金属用フローティング熱電対プローブ
２　　　碍管
３　　　熱電対素線
４　　　パイプ
５　　　拡径部
６　　　フローター
７　　　空間部
８　　　感熱部
９　　　長穴
１０　　熱電対素線結線部
１１　　耐火繊維層
１２　　セラミックスコーティング層
１３　　支持装置
１４　　第１固定具
１５　　第１支持棒
１６　　第２固定具
１７　　第２支持棒
１８　　ガイド部材
１９　　レベルバー
２０、２１　　リミットスイッチ
２２　　スイッチ支持台
３０　　溶湯汲み出し室
３１　　溶湯
３２　　ラドル
３３　　ルツボ
３４　　溶湯金属溶解炉

Claims

相互に接続された結線部を有する熱電対素線と、
熱良導性材料で形成され、周囲部の熱を伝達し得るように前記結線部を収容する感熱部と、
該感熱部が下部に結合され、内部に前記熱電対素線を通し、浸漬される溶融金属よりも融点の高い金属で形成されたフローターとを備え、
前記感熱部及び前記フローターの少なくとも前記溶融金属に接触する外周面が、耐火繊維層を介してセラミックスコーティング層によって被覆され、
前記溶融金属に浸漬された場合に、前記フローターの浮力により浮遊することを特徴とする溶融金属用フローティング熱電対プローブ。
前記感熱部は、窒化珪素からなることを特徴とする請求項１に記載の溶融金属用フローティング熱電対プローブ。
前記耐火繊層は、ガラス繊維からなる層であることを特徴とする請求項１に記載の溶融金属用フローティング熱電対プローブ。
前記セラミックスコーティング層は、アルミナを４５〜５５重量％含有する耐火粉末と珪酸ソーダとを含む混合物を、前記感熱部及び前記フローターの少なくとも前記溶融金属に接触する外周面に付着させ、乾燥加熱することによって形成された層であることを特徴とする請求項１に記載の溶融金属用フローティング熱電対プローブ。
前記フローターは、鋳鉄、軟鉄又は鋼鉄によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の溶融金属用フローティング熱電対プローブ。