JP2006242601A

JP2006242601A - 測温用プローブ装置

Info

Publication number: JP2006242601A
Application number: JP2005055056A
Authority: JP
Inventors: Sadakazu Takayama; 定和高山
Original assignee: TYK Corp
Current assignee: TYK Corp
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2025-02-28
Also published as: JP4583975B2

Abstract

【課題】保護管の先端部における耐溶損性を維持しつつ、基端部における強度を向上させることができる測温用プローブ装置を提供する。
【解決手段】測温用プローブ装置１０は、耐熱材料で形成された第１保護管１７及び該第１保護管１７の先端部に装備された温度検出部２０を有する測温用のプローブと、第１保護管１７の先端部２２を露出させた状態で第１保護管１７の外周面を被覆する保護スリーブ１９とより構成されている。第１保護管１７は金属又は金属とセラミックスの複合体で形成されると共に、少なくとも基端部２１と先端部２２との組成が異なり、基端部２１における金属の含有量が先端部２２における金属の含有量より多くなるように設定されている。例えば、第１保護管の先端部２２の組成はモリブデン７０質量％及びジルコニア３０質量％、基端部２１の組成はモリブデン７５質量％及びジルコニア２５質量％に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば鉄等の溶湯の温度を測定するために用いられる測温用プローブ装置に関するものである。

一般にこの種の測温用プローブ装置は、耐熱材料で形成された保護管及びその先端部に設けられた温度検出部をもつ測温用のプローブと、保護管の外周を包囲する保護スリーブとで構成されている。この測温用プローブ装置のプローブを溶湯内に漬けることにより、温度検出部で溶湯の温度が検出されるようになっている。上記保護管は、伝熱性及び耐熱性の双方を確保するために、耐熱材料として例えばモリブデンとジルコニアとよりなるサーメット材料が用いられている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００１−２９６１８５号公報（第２頁及び第３頁）

ところで、測温用プローブ装置の保護管は、その先端部が鉄等の金属の溶湯、スラグ等に浸漬されることから、耐溶損性が求められている。前記従来の保護管を構成するモリブデンとジルコニアとのサーメット材料は、そのような耐溶損性に対応できるものである。しかしながら、係る保護管は全体がモリブデンとジルコニアとの同一組成のサーメット材料で細長い円柱状に形成されているが、特にその基端部では強度が十分ではない。すなわち、使用時において例えば測温用プローブ装置に金属の溶湯によるスラグや地金が大量に付着して機械的に負荷がかかる場合、溶湯の流動によって測温用プローブ装置が繰り返して力を受ける場合等において特に曲げ応力が集中する基端部で保護管が損傷を受ける場合がある。

本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、保護管の先端部における耐溶損性を維持しつつ、基端部における強度を向上させることができる測温用プローブ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明の測温用プローブ装置は、耐熱材料で形成された保護管及び該保護管の先端部に装備された温度検出部を有する測温用のプローブと、前記保護管の先端部を露出させた状態で保護管の外周面を被覆する耐熱材料で形成された保護スリーブとより構成され、前記保護管は金属又は金属とセラミックスの複合体で形成されると共に、少なくとも基端部と先端部との組成が異なるように構成され、基端部における金属の含有量が先端部における金属の含有量より多くなるように設定されていることを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明の測温用プローブ装置は、請求項１に係る発明において、前記基端部における金属の含有量が先端部における金属の含有量より５質量％以上多くなるように設定されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明の測温用プローブ装置は、請求項１又は請求項２に係る発明において、前記金属はモリブデンであり、セラミックスは酸化ジルコニウムであることを特徴とするものである。

本発明によれば、次のような効果を発揮することができる。
請求項１に記載の発明の測温用プローブ装置は、その保護管が金属又は金属とセラミックスの複合体で形成されると共に、少なくとも基端部と先端部との組成が異なるように構成され、基端部における金属の含有量が先端部における金属の含有量より多くなるように設定されている。このため、保護管の曲げ応力を受けやすい基端部では金属の含有量が多く、強度及び靭性を向上させることができる。一方、保護管の先端部では基端部より金属の含有量が少なくなるように設定されているため、耐溶損性を維持することができる。

請求項２に記載の発明の測温用プローブ装置では、基端部における金属の含有量が先端部における金属の含有量より５質量％以上多くなるように設定されていることから、請求項１に係る発明の効果を向上させることができる。

請求項３に記載の発明の測温用プローブ装置では、金属はモリブデンであり、セラミックスは酸化ジルコニウムであって、共に高融点の物質で、かつ相溶性が良く強固に一体化される。このため、請求項１又は請求項２に係る発明の効果を向上させることができる上に、耐熱性を向上させることができる。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本実施形態の測温用プローブ装置１０を模式的に示す断面図である。同図に示すように、測温用プローブ装置１０の支持金具１１を構成する円板状の支持板１２の中心には、支持板１２に直交して延びる支持軸１３が一体的に設けられている。該支持軸１３の上端部には端子ボックス１４が接続されている。支持軸１３の下端には雌ねじ穴１５が設けられると共に、有蓋円筒状の筒部１６が設けられている。

前記雌ねじ穴１５にはプローブを構成する第１保護管１７の上端部に設けられた雄ねじ１８が螺合されている。保護スリーブ１９は円筒状をなし、第１保護管１７をその先端が露出された状態で嵌挿して前記支持金具１１の筒部１６に嵌合され、第１保護管１７の外周面を被覆する状態になっている。上記第１保護管１７は細長円柱状をなし、その先端にはプローブを構成する温度検出部２０が装備されている。

ここで、温度検出部２０について説明する。図２に示すように、前記第１保護管１７の内側には有底円筒状をなすアルミナ製の第２保護管３１がその底部を第１保護管１７の内底面に接触させるようにして配設されている。第２保護管３１の内側には円柱状をなすアルミナ製の絶縁管３２が配設され、その内部の挿通孔３２ａ、３２ｂには熱電対の第１素線３３と第２素線３４とが軸線方向に貫通するように配線されている。絶縁管３２の先端部では第１素線３３及び第２素線３４が露出され、その露出部分で第１素線３３と第２素線３４とが接合され、接点３５となっている。この接点３５が測温接点となり、図示しない他方の基準接点との間の温度差に基づいて発生する起電力によって温度検出を行うようになっている。

第１保護管１７は基端部２１（図１中の上部）と先端部２２（図１中の下部）とに区分けされ、基端部２１と先端部２２とでは組成が異なるように構成されている。すなわち、第１保護管１７は耐熱材料である金属又は金属とセラミックスの複合体（サーメット）で構成され、その基端部２１における金属の含有量が先端部２２における金属の含有量より多くなるように設定されている。このように第１保護管１７の基端部２１で先端部２２より金属の含有量を多くすることにより、基端部２１での強度及び靭性を高めることができる。

第１保護管１７の基端部２１における金属の含有量は、先端部２２における金属の含有量より５質量％以上多くなるように設定することが好ましい。この含有量の差が５質量％未満の場合には、基端部２１での強度及び靭性の向上が不十分となる。第１保護管１７の全長のうち先端部２２の長さの割合は２５％程度であるが、特に限定されるものではない。

前記金属としては、モリブデン、インコネル、ステンレス鋼等が用いられる。また、セラミックスとしては、酸化ジルコニウム（ジルコニア）、アルミナ、酸化マグネシウム（マグネシア）、スピネル（酸化アルミニウムマグネシウム）、窒化珪素等が用いられる。これらのうち、金属としては融点の高いモリブデンが好ましく、セラミックスとしては融点の高い酸化ジルコニウムが好ましい。モリブデンの融点は２６２０℃であり、酸化ジルコニウムの融点は２７１５℃である。そして、モリブデンとジルコニアとは相溶性が良く、強固に一体化されたサーメットが得られる。

以上のように構成された第１保護管１７は、例えば第１保護管１７を成形する金型の細長円柱状をなす成形凹部内に、先端部２２と基端部２１とで組成の異なる各原料の粉末混合物を充填し、加圧後に粉末を焼結させて一体化する方法で製造される。この場合、第１保護管１７の先端部２２と基端部２１との境界部分が明確には仕切られないが、そのような状態であっても差し支えはない。

具体的には、第１保護管１７の先端部２２の組成はモリブデン６５〜８０質量％及びジルコニア３５〜２０質量％で、基端部２１の組成はモリブデン７０〜１００質量％及びジルコニア３０〜０質量％であることが好ましい。更に、基端部２１の組成はモリブデン８０〜１００質量％及びジルコニア２０〜０質量％であることがより好ましい。従って、第１保護管１７の基端部２１が金属のみで構成され、先端部２２が金属とセラミックスの複合体で構成される場合がある。先端部２２の組成でモリブデンが６５質量％未満又はジルコニアが３５質量％を越える場合には、第１保護管１７の強度及び靭性が低下する傾向を示すとともに、ヒートショックにも弱くなる。一方、モリブデンが８０質量％を越える場合又はジルコニアが２０質量％未満の場合には、溶湯に対する耐溶損性が低下する傾向を示す。基端部２１の組成でモリブデンが７０質量％未満又はジルコニアが３０質量％を越える場合には、第１保護管１７の強度及び靭性が低下する傾向となる。

前記保護スリーブ１９は耐熱材料で形成され、根元部２３、中間部２４及び筒先部２５の３つの部分で組成が異なるように構成されている。すなわち、根元部２３は比較的大きな負荷がかかりやすいため強度の高いアルミナキャスタブルで構成されている。中間部２４は十分な耐酸化性と強度を有し、温度サイクルで損傷を受けることなく、かつ筒先部２５となじみが良く、隙間を生じないようにするためセラミックスとカーボンとの複合体で構成されている。筒先部２５は耐溶湯性と耐スラグ性を発揮させるためにセラミックスとカーボンとの複合体で構成されている。アルミナキャスタブルは、アルミナの粉末に結合剤として水硬性耐火物を添加したものである。筒先部２５を構成するセラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、スピネル（酸化アルミニウムマグネシウム）等が用いられる。そして、測温用プローブ装置１０の保護スリーブ１９、第１保護管１７等が例えば鉄の溶湯２６内に漬けられて温度検出部２０でその温度が測定されるようになっている。

尚、第１保護管１７の先端部２２と保護スリーブ１９との間は、耐熱性を有する無機質のシール材でシールされており、第１保護管１７と保護スリーブ１９との間から溶湯２６が内部へ浸透されないようになっている。

さて、上記の測温用プローブ装置１０を用いて鉄の溶湯２６の温度を測定する場合には、図１に示すように、測温用プローブと保護スリーブ１９とを溶湯２６中に漬ける。その状態で第１保護管１７の先端部２２に装備された温度検出部２０により溶湯２６の温度が検出される。測温用プローブ装置１０は、溶湯２６の温度を測定する際に第１保護管１７が損傷を受けることを防ぐために所要の強度が要求される。本実施形態の測温用プローブ装置１０は、第１保護管１７がモリブデン等の金属とジルコニア等のセラミックスとの複合体であるサーメットで形成されると共に、基端部２１と先端部２２との組成が異なるように構成され、基端部２１における金属の含有量が先端部２２における金属の含有量より多くなるように設定されている。このため、第１保護管１７の基端部２１では金属の含有量が先端部２２より多く、金属の性質に基づいて強度及び靭性が高められる。一方、先端部２２では基端部２１に比べてセラミックスの含有量が多くなるように設定され、セラミックスの性質に基づいて鉄の溶湯２６に対する耐溶損性が保たれる。

以上詳述した本実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
・本実施形態の測温用プローブ装置１０は、その第１保護管１７が金属又は金属とセラミックスの複合体で形成されると共に、基端部２１と先端部２２との組成が異なるように構成され、基端部２１における金属の含有量が先端部２２における金属の含有量より多くなるように設定されている。このため、曲げ応力を受けやすい基端部２１では金属の含有量が多く、その強度及び靭性を向上させることができる。従って、使用時において測温用プローブ装置１０に鉄の溶湯２６によるスラグや地金が大量に付着して機械的に負荷がかかる場合や、溶湯２６の流動によって測温用プローブ装置１０が繰り返して力を受ける場合等において、第１保護管１７が損傷を受けることを抑制することができる。しかも、第１保護管１７の先端部では、鉄の溶湯２６に対する耐溶損性を維持することができる。

・第１保護管１７の基端部２１における金属の含有量が先端部２２における金属の含有量より５質量％以上多くなるように設定することにより、上記の効果を向上させることができる。更に、複合体を構成する金属を高融点のモリブデンとし、セラミックスを高融点の酸化ジルコニウムとすることにより、共に高融点の物質で、かつ相溶性が良いため強固に一体化される。従って、上記の効果を向上させることができる上に、耐熱性を向上させることができる。

以下に、実施例及び比較例を挙げて前記実施形態を更に具体的に説明する。
（実施例１）
図１に示す測温用プローブ装置１０において、第１保護管１７の先端部２２の組成をモリブデン７０質量％及びジルコニア３０質量％、基端部２１の組成をモリブデン７５質量％及びジルコニア２５質量％とした。この測温用プローブ装置１０の第１保護管１７について、曲げ強さをＪＩＳＲ１６０１に規定されている３点曲げ試験に基づいて測定したところ、常温では５２５ＭＰａ、１５７３Ｋ（１３００℃）では１３８ＭＰａであった。また、測温用プローブ装置１０を鉄の溶湯２６に浸け、溶湯２６を１０回供給して１回引き上げる操作を繰り返し、供給する溶湯２６の回数で耐久性を測定した。その結果、溶湯２６の供給回数が２１２回であった。

（実施例２）
実施例１において、第１保護管１７の基端部２１の組成をモリブデン８０質量％及びジルコニア２０質量％とした以外は実施例１と同様の構成とした。この測温用プローブ装置１０について、曲げ強さを実施例１と同様にして測定したところ、常温では６０６ＭＰａ、１５７３Ｋ（１３００℃）では１８１ＭＰａであった。

（比較例１）
測温用プローブ装置として、保護管全体が均一な組成、すなわちモリブデン７０質量％及びジルコニア３０質量％のものを用いた。この測温用プローブ装置について、実施例１と同様に曲げ強さを測定したところ、常温では３９６ＭＰａ、１５７３Ｋ（１３００℃）では１３２ＭＰａであり、実施例１及び２に比べて低い結果であった。また、実施例１と同様に耐久性を測定した結果、供給する溶湯２６の回数が１５１回であり、実施例１に比べて耐久性の低い結果であった。

尚、前記実施形態を次のように変更して実施することも可能である。
・前記第１保護管１７の先端部２２の組成をモリブデン７５質量％及びジルコニア２５質量％とし、基端部２１の組成をモリブデン８０質量％及びジルコニア２０質量％とすることもできる。この場合、測温用プローブ装置１０の強度を一層向上させることができる。

・第１保護管１７の先端部２２を保護スリーブ１９から露出して溶湯２６に直接接触する部分のみとすることもできる。
・第１保護管１７の基端部２１と先端部２２との間の中間部の組成が、基端部２１と先端部２２とは異なるように構成することもできる。更には、第１保護管１７を４以上の部位に分け、それらの組成が異なるように構成することもできる。

・第１保護管１７の組成の変化を連続的に、例えばモリブデンとジルコニアの組成を連続的に変化させることも可能である。
次に、前記実施形態から把握できる技術的思想について以下に記載する。

・前記保護管の基端部の組成は、モリブデン７０〜１００質量％及びジルコニア３０〜０質量％であることを特徴とする請求項３に記載の測温用プローブ装置。このように構成した場合、保護管の基端部における強度及び靭性を向上させることができる。

・前記保護管の先端部の組成は、モリブデン６５〜８０質量％及びジルコニア３５〜２０質量％であることを特徴とする請求項３に記載の測温用プローブ装置。このように構成した場合、保護管の先端部の耐溶損性を維持しつつ、強度が高く、折れにくくすることができる。

実施形態における測温用プローブ装置を示す概略の断面図。測温用プローブ装置の温度検出部を示す断面図。

符号の説明

１０…測温用プローブ装置、１７…第１保護管、１９…保護スリーブ、２０…温度検出部、２１…基端部、２２…先端部、３１…第２保護管。

Claims

耐熱材料で形成された保護管及び該保護管の先端部に装備された温度検出部を有する測温用のプローブと、前記保護管の先端部を露出させた状態で保護管の外周面を被覆する耐熱材料で形成された保護スリーブとより構成され、前記保護管は金属又は金属とセラミックスの複合体で形成されると共に、少なくとも基端部と先端部との組成が異なるように構成され、基端部における金属の含有量が先端部における金属の含有量より多くなるように設定されていることを特徴とする測温用プローブ装置。
前記基端部における金属の含有量が先端部における金属の含有量より５質量％以上多くなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の測温用プローブ装置。
前記金属はモリブデンであり、セラミックスは酸化ジルコニウムであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の測温用プローブ装置。