JP2008267986A - 測温装置、溶融装置、溶融装置の製造方法、及び溶融装置監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】溶融金属を低コストで、応答性よく正確に、しかも連続的に測温することができる測温装置を提供する。
【解決手段】セラミックスを基材とし先端部が閉塞された中空部１４を有する筒形状の保護管１１と、この保護管１１の中空部１４に配置された温度測定用センサ２０とを備え、溶融金属を収容する溶融容器を構成する耐火煉瓦３の内側に積層される耐火部材４に埋め込み可能な測温装置１０であって、保護管１０の後端に保護管１１を耐火煉瓦３に固定できるように構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、溶融金属や高温ガスの温度を連続的に測定するのに好適な測温装置と溶融装置、及びその溶融装置の製造方法、並びにその溶融装置を監視する溶融装置監視システムに関するものである。

従来から、溶鋼、溶銑、或いは鋳鉄、銅合金、アルミニウム等の溶融金属を取扱うに際しては、溶融金属や溶融金属を収容する溶融容器の状況を知るために、溶融容器には測温プローブ装置が取り付けられている。従来の測温プローブ装置では、通常、耐熱性合金属製のシースの内部にセンサとしてアルメルクロメル線やコンスタンタンなどの一対または二対式の合金素線を挿入して熱電対を構成している。シース内部はマグネシアなどのセラミックスを高圧充填したものが多く、熱電対の保護管にはアルミナ、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックスやステンレスなどの金属が用いられている。

なお、先行文献として、特許文献１には、溶融容器内にある溶融物の温度がより長期間に亘ってできるだけ正確に測定することができる溶融金属用の容器として、容器壁の開口に配置された温度測定装置を有し、温度測定装置が保護シースを有し、保護シースが容器内へと突出し、かつ容器内に配置されたその端部で閉じられ、温度測定部材が保護シースの開口に配置される当該容器において、保護シースは、耐熱金属酸化物と黒鉛とを含み、閉じた端部は容器壁から少なくとも５０ｍｍ離隔するようにした容器が開示されている。
また特許文献２には、アルミナ保護管等のセンサ保護管の劣化を抑制するのに有利であり、耐久性の向上、長寿命化に有利な測温プローブ装置として、センサ保護管のうち少なくとも基端部側を包囲するように保護層がセンサ保護管に積層されている測温プローブ装置が開示されている。

また特許文献３には、耐熱性と耐久性に優れ、繰返し使用できる金属溶融測温用熱電対保護管として、熱電対などに使用される保護管の内周壁と外周壁を構成する部分が異なる組成を有し、保護管の外周壁は測温体との反応性が乏しい材料から、保護管の内周壁は耐熱性に優れ熱伝導率が大きい材料からそれぞれ構成されている金属溶融測温用熱電対保護管が開示されている。
特開２００６−５３１２８公報 特開２００３−３４４１７０公報 特開２０００−５５７４０公報

ところで、金属を溶融する溶融容器では、溶融容器内の上方側と下方側では溶融金属の温度が異なる。そこで、溶融容器内の溶融金属の温度を正確に測温するために、溶融容器の内部底面に測温装置を埋め込むようにした埋め込み設置型の測温装置なども提案されている。
しかしながら、埋め込み設置型の測温装置では容器内を流動する溶融金属によって測温センサ保護管の挿入部に応力がかかり、測温センサを保護する保護管に不具合が生じて測温センサが破損するという問題点があった。
このため、従来の測温装置ではアルミナなどからなる保護管内部に使い捨て型の熱電対としてＰｔ−Ｒｈ等の素線を配置したものが広く用いられているが、１回の測温ごとに熱電対を交換する必要があり、手間とコストが嵩むという問題点があった。

このように従来の溶融容器は、容器内の溶融金属や高温ガスを低コストで、応答性良く、正確に、しかも連続的に測定することができないという問題点があった。
また、従来は、溶融容器の温度を正確に且つ連続的に測定できないことから、溶融容器の状態を自動的に監視する溶融装置監視システム等を実現することができなかった。
本発明は上記のような問題点に鑑みなされたものであり、溶融金属や高温ガスを低コストで、応答性よく正確に、しかも連続的に測温することができる測温装置と溶融装置、及びその溶融装置の製造方法を提供することを目的とする。また本発明は溶融装置を監視する溶融装置監視システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の測温装置は、金属を溶融する際に使用する溶融容器を構成する耐火煉瓦の内側に積層される耐火部材に埋め込み可能な測温装置であって、セラミックスを基材とし先端部が閉塞された中空部を有する筒形状の保護管と、該保護管の中空部に配置された温度測定用センサと、前記保護管を前記耐火煉瓦に固定する固定部と、を備えたことを特徴とする。
また本発明の測温装置は、前記保護管の後端部分を耐火部材により形成したことを特徴とする。
また本発明の測温装置は、前記固定部は、前記耐火煉瓦に形成された凹部に挿入される挿入部と、前記挿入部の挿入を規制する鍔部とにより構成したことを特徴とする。
また本発明の測温装置は、前記固定部は、前記耐火煉瓦に形成された凹部に挿入する挿入部が所定長以上となるように構成したことを特徴とする。

また本発明の溶融装置は、本発明の測温装置と、耐火煉瓦、該耐火煉瓦の内側に積層された耐火部材、前記耐火煉瓦に前記測温装置の保護管を設置するための凹部、及び前記凹部の底面に形成され且つ前記保護管の中空部に前記温度測定用センサを挿入するための貫通穴を有する溶融容器と、を備え、前記測温装置の保護管は、少なくともその先端部分が前記溶融容器内に露出させた状態で前記溶融容器の耐火部材に埋め込まれていることを特徴とする。
また本発明の溶融装置は、前記溶融容器の耐火部材に配設され前記溶融容器内の溶融金属の漏れを検出する漏れセンサを備えることを特徴とする。
また本発明の溶融装置の製造方法は、前記耐火煉瓦に形成されている凹部に前記測温装置の保護管を設置する工程と、前記耐火煉瓦の内面側に耐火部材を積層する工程と、耐火煉瓦の外側から前記凹部内の貫通穴を介して前記保護管の中空部の先端に前記温度測定用センサを挿入する工程と、からなることを特徴とする。

また本発明の溶融装置監視システムは、本発明の溶融装置と、前記溶融装置を監視する監視装置と、を備え、前記監視装置は、前記溶融装置の溶融容器に埋め込まれた測温装置の温度測定用センサの検出結果、又は前記漏れセンサの検出結果に基づいて、前記溶融装置の状態を監視することを特徴とする。
また本発明の溶融装置監視システムは、前記監視装置は、前記溶融装置の異常を検知したときに警報音を出力する警報手段を備えていることを特徴とする。
また本発明の溶融装置監視システムは、前記監視装置は、前記溶融装置の異常を検知したときに前記溶融装置を撮影する撮影手段を備えていること特徴とする。

本発明の測温装置においては、保護管を溶融容器の耐火煉瓦に固定する固定部を設けたことで、溶融容器内に埋め込み固定することが可能になり連続測温が可能となる。
また温度測定用センサは溶融容器の稼動終了後、保護管から取り出すことで繰り返し使用することが可能になるため、使い捨て型の温度測定用センサを使用する場合に比べて大幅なコストダウンが可能になる。
また本発明の溶融装置においては、本発明の測温装置の保護管を設置するための凹部、及び凹部の底面に保護管の中空部に前記温度測定用センサを挿入するための貫通穴を有する溶融容器を備え、測温装置の保護管の先端部分が溶融容器内に露出するように測温装置の保護管を溶融容器の耐火部材に埋め込み固定することが可能になり、測温装置による連続測温が可能となる。
また本発明の溶融装置の製造方法によれば、上記した本発明の溶融装置を容易に作製することが可能になる。
また本発明の溶融装置を監視する溶融装置監視システムによれば、監視装置により溶融装置の異常を容易に把握することが可能になる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の実施形態に係る溶融装置の構成を示した図である。
この図１に示す溶融装置１は溶融容器２を備えている。溶融容器２は、耐火煉瓦３と、この耐火煉瓦３の内面側に例えばドライスタンプ材等の耐火部材４が積層されて構成されており、図示しない電磁波等を利用した加熱装置によって例えば容器内の金属を１７００℃以下の温度、例えば１２００℃〜１３００℃程度まで加熱して溶融金属５が得られるように構成されている。溶融金属としては、例えば溶鋼、溶銑、或いは鋳鉄、銅合金、アルミニウム等の溶融金属が挙げられる。
また本実施形態の溶融容器２では、炉床となる底面の耐火煉瓦３上の耐火部材４に測温装置１０の保護管が埋め込まれている。

図２は、図１に示した溶融装置１に埋め込まれている測温装置の部分を拡大して示した図である。
図２に示すように測温装置１０の保護管１１は、先端部が閉塞された筒形状であり、先端部分がセラミックス部材１２により構成され、後端部分が耐火部材１３により形成されている。この場合、保護管１１は少なくとも溶融容器２内の溶融金属５と接触する部分はセラミックス部材１２により形成する必要がある。セラミックス部材１２の材質としては、例えば、窒化珪素や窒化珪素複合セラミックス等が挙げられる。窒化珪素複合セラミックスは、例えば、窒化珪素５０ｍａｓｓ％〜８０ｍａｓｓ％、炭化珪素１０ｍａｓｓ％〜４０ｍａｓｓ％、酸化イットリウム０ｍａｓｓ％〜１０ｍａｓｓ％、酸化アルミニウム０ｍａｓｓ％〜１０ｍａｓｓ％からなる。
また、耐火部材１３としては、例えば、溶融容器２の耐火部材４であるドライスタンプ材と同材質のハイアルミナ質耐火材が挙げられる。
また筒形状の保護管１１内部には、温度測定用センサ２０を保護管１１の後端側から先端部分に挿入するための中空部１４が形成されている。なお、温度測定用センサ２０としては、例えば、電気化学センサ、電磁気センサ、光学センサまたは電圧、電流及び電気抵抗を検出するためのセンサなどがある。

また図２に示す測温装置１０では、固定部として耐火部材１３の部分に鍔部１５が形成されており、この鍔部１５より後端部分（挿入部）１６を耐火煉瓦３に形成されている凹部３ａに挿入するようにしている。凹部３ａの底面には、保護管１１の中空部１４に対して溶融容器２の外側から温度測定用センサ２０を挿入するための貫通穴３ｂが形成されている。
このように本実施形態の測温装置１０では、保護管１１を耐火煉瓦３に固定する固定部として耐火部材１３の部分に鍔部１５を設け、この鍔部１５より後端部分１６を耐火煉瓦３の凹部３ａに挿入することにより、鍔部１５と耐火煉瓦３の凹部３ａに挿入した後端部分１６とにより保護管１１の位置を規制して保護管１１を固定するようにしている。このように構成すれば、保護管１１を溶融容器２に固定した後、温度測定用センサ２０を保護管１１内の中空部１４に挿入することが可能になる。この場合、鍔部１５の径は保護管１１の径よりも例えば１０ｍｍ以上大きくすることが好ましい。

また保護管１１の周囲は、溶融容器２の耐火部材４により覆われており、保護管１１の先端部分だけが溶融容器２内に露出している。つまり、保護管１１は、その先端部分が溶融容器２内に露出した状態で溶融容器２の耐火部材４に埋め込まれている。
さらに、耐火部材４には、溶融容器２内の溶融金属の漏れを検出するための漏れセンサ２１が配設されている。この漏れセンサ２１は、上記温度測定用センサ２０と同様、耐火煉瓦３に設けられている貫通穴３ｂから溶融容器２の外部へ引き出すようにしている。

図３は測温装置１０の他の構成例を示した図である。なお、図２と同一部位には同一符号を付して説明は省略する。
図３に示す測温装置１０の保護管１１においては、耐火煉瓦３に形成されている凹部３ａの深さを図２の場合より深くして、凹部３ａに挿入する保護管１１の後端部分（挿入部）１６を、所定長以上、例えば保護管１１をこの後端部分（挿入部）１６により固定できる程度まで長くするようにしている。このように構成すれば、図２に示した保護管１１のような鍔部１５を設けることなく保護管１１を耐火煉瓦３に固定することが可能になる。
このように本実施形態の測温装置１０においては、保護管１１に形成した鍔部１５や後端部分１６を固定部として保護管１１を溶融容器２の耐火煉瓦３に固定することで、溶融容器２内を流動する溶融金属５によって保護管１１に応力が加わったとしても、保護管１１の位置がずれたり、傾いたりすることがないので溶融金属５を連続的に測温することが可能となる。

温度測定用センサ２０は、保護管１１を取り付けた後に内部に挿入するようにしているので、例えば保護管１１を取り付ける際に温度測定用センサ２０を破損するといったことがない。
また温度測定用センサ２０は、溶融容器２の稼動終了後、保護管１１から取り出すことで、繰り返し使用することが可能になるため、例えば使い捨て型の温度測定用センサを使用する場合に比べて大幅なコストダウンが可能になる。
さらに本実施形態では保護管１１を高温耐食性、高温耐酸化性に優れるセラミックス部材１２と耐火部材１３とにより形成しているので、保護管１１の耐久性を高めることができる。

さらに保護管１１の一部に溶融容器２の耐火部材４と同じ材質の耐火部材１３を使用したことで、溶融容器２と保護管１１との間の熱膨張率差がなくなり、溶融容器２内の溶融金属が漏れる溶融漏れの原因となるクラックの発生を防止できるという利点がある。
さらにまた、保護管１１の一部に溶融容器２の耐火部材４と同じ材質の耐火部材１３を使用したことで、溶融容器２の稼動中に溶融容器２の耐火部材４と保護管１１の耐火部材１３とが焼結して一体化し、且つ、保護管１１は鍔部１５を有しているので、保護管１１の位置がより強固に固定され、この点からも保護管１１の位置がずれたり、傾いたりすることがない。
さらにまた、溶融容器２に耐火部材４を用いることから、溶融容器２に合わせて複雑な形状の保護管１１も容易に作製することが可能になる。

さらにまた、本実施の形態では、測温装置１０の保護管１１の近辺に溶融金属５の漏れを検知する漏れセンサ２１を配置するようにしているので、保護管１１に破損が生じた際に溶融金属５が漏れるのを速やかに検知することが可能になる。
なお、本実施形態では測温装置１０の保護管１１を溶融容器２の底面に配置するようにしているが、保護管１１は底面に限らず溶融容器２の壁面といった任意の位置に自由に設置することが可能である。また本実施形態では溶融容器２に測温装置１０を１つ設ける場合を例に挙げて説明したが、複数の測温装置を配置することも勿論可能である。

次に、上記したような本実施形態の溶融装置の製造方法について説明する。
図４は本実施形態の溶融装置の製造工程を示した図である。
この場合は、先ず、溶融容器２の耐火煉瓦３上に形成されている凹部３ａに測温装置１０の保護管１１を設置する（Ｓ１）。次に、耐火煉瓦３の内面側に耐火部材４を積層するように施工して（Ｓ２）、保護管１１を耐火部材４に埋め込んだ後、耐火煉瓦３の外側から凹部３ａ内の貫通穴３ｂを介して保護管１１の中空部１４に温度測定用センサ２０を挿入すれば、図１に示したような本実施形態の溶融装置１を作製することができる。なお、このとき、先にも述べたように保護管１１の近辺に漏れセンサ２１を配置すると、保護管１１の破損等により発生する溶融金属５の漏れを素早く検出することが可能になる。

次に、本実施形態の溶融装置１を利用した溶融装置監視システムについて説明する。
図５は、本実施形態の溶融装置監視システム全体の構成を示した図である。なお、溶融装置１の構成は先において説明しているので、ここでは説明を省略する。
この図５に示す本実施形態の溶融装置監視システムは、溶融装置１、監視用パソコン３１、通信手段３２、データベース（ＤＢ）３３、監視カメラ３４、及び警報装置３５を備えて構成される。
監視用パソコン３１は、溶融装置１を監視しており、溶融装置１の溶融容器２に埋め込まれた測温装置１０の温度測定用センサ２０の検出結果、又は漏れセンサ２１の検出結果に基づいて溶融装置１の状態を監視する。

通信手段３２は、例えばＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク：Local Area Network）であり、監視用パソコン３１は溶融装置１の異常を検知したときに通信手段３２を介して監視カメラ（撮影手段）３４や警報装置（警報手段）３５の制御を行う。なお、通信手段３２はＬＡＮに限らず、監視用パソコン３１と、監視カメラ３４や警報装置３５との間を通信可能に接続できる手段で有れば適用可能である。
データベース３３には、溶融装置１に関する各種情報が記録される。なお、データベース３３はＬＡＮを介して接続される図示しないサーバ側に設けるようにしても良い。

図６は監視用パソコン３１のハードウェアの構成例を示した図である。
この図６においてＣＰＵ（Central Processing Unit）４１は、監視用パソコン３１全体の制御を司る。ＲＯＭ（Read Only Memory）４２は、プログラムデータ等が記憶されており、必要に応じてバス４０を介してＣＰＵ４１が読み出しを行うことで、ここに格納されたプログラムに従った処理を実行する。ＲＡＭ（Random Access Memory）４３には、ＣＰＵ４１が各種処理を実行するのに必要なデータやプログラム等が適宜保持される。ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）４４は、記憶媒体としてハードディスク（ＨＤ）４５を備えており、ＣＰＵ４１がＨＤ４５に対してデータやプログラム等の記録又は読み出しを行う。この場合、ＣＰＵ４１はＨＤＤ４４のＨＤ４５に記憶されているアプリケーションプログラムを読み出し、ＲＡＭ４３に展開することで、そのアプリケーションプログラムに従った各種処理を実行する。
また内部バス４０には、ディスプレイ４６が接続されると共に、入力手段であるキーボード４７やマウス４８が接続されている。また内部バス４０にはＬＡＮＩ／Ｆ４９が接続されており、ＬＡＮＩ／Ｆ４９を介して通信手段３２に接続される。

図７は、上記したような監視用パソコン３１にランチャとして登録されている溶融装置監視用のアプリケーションプログラムの機能ブロック図である。
この図７に示す操作認証手段５１では、使用者の属性（所属、役職、アクセス権限等）と、対象ファイルの属性を比較し、操作可能な場合のみ、その使用者に電子ファイルの使用権限を与える制御を行う。
機器制御手段５２では、入力される容器材の種類、溶融金属の種類、外気温、湿度等のデータに基づいて溶融装置１の漏れセンサ２１及び温度測定用センサ２０により検出される検出値の補正等の制御を行ったり、場合によっては入力された条件によって強制的に制御を行ったりする。

ファイル管理手段５４では、ファイル管理として、例えば使用者が操作した測温ファイルにその操作者の属性を記録する制御を行う。属性には、使用者ＩＤ、作成日、更新日のほか、セキュリティレベル等がある。記録されたファイルはデータベース（ＤＢ）３３に記録される。また誰がいつどのファイルを操作したかといったログ情報を記録する制御を行う。
状況管理手段５３では、溶融装置１が予め設定された温度の閾値をオーバーしたり、温度上昇の加速度が異常であると判断した場合に、ＬＡＮ３２を介して図示しないサーバ側に情報を転送したり、危険度の自動判定などを行い、その結果に基づいて警報装置３５により警報を鳴らしたり、異常発生ポイントを施設内の監視カメラ３４でスキップバックして画像データを記録したりする制御を行う。
このようにすれば、監視用パソコン３１により溶融装置１の異常を容易に把握することが可能になる。

なお、本実施形態では溶融装置において金属を溶融する場合を例に挙げて説明したが、本発明は溶融金属を取り扱う装置に限らず、高温ガス等を取り扱う装置に対しても適用可能である。

本発明の実施形態に係る溶融装置の構成を示した図である。 図１に示した溶融装置１に埋め込まれている測温装置の部分を拡大して示した図である。 測温装置１０の他の構成例を示した図である 本実施形態の溶融装置の製造工程を示した図である。 本実施形態の溶融装置監視システム全体の構成を示した図である 監視用パソコン３１のハードウェアの構成例を示した図である。 監視用パソコン３１にランチャとして登録されているアプリケーションソフトウェアの機能ブロック図である。

符号の説明

１…溶融装置、２…溶融容器、３…耐火煉瓦、３ａ…凹部、３ｂ…貫通穴、４、１３…耐火部材、５…溶融金属、１０…測温装置、１１…保護管、１２…セラミックス部材、１４…中空部、１５…鍔部、１６…後端部分、２０…温度測定用センサ、２１…漏れセンサ、３１…監視用パソコン、３２…通信手段、３３…データベース、３４…監視カメラ、３５…警報装置、４０…内部バス、４１…ＣＰＵ、４２…ＲＯＭ、４３…ＲＡＭ、４４…ＨＤＤ、４５…ＨＤ、４６…ディスプレイ、４７…キーボード、４８…マウス、４９…ＬＡＮＩ／Ｆ、５１…操作認証手段、５２…機器制御手段、５３…状況管理手段、５４…ファイル管理手段

Claims (10)

1. 金属を溶融する際に使用する溶融容器を構成する耐火煉瓦の内側に積層される耐火部材に埋め込み可能な測温装置であって、
   セラミックスを基材とし先端部が閉塞された中空部を有する筒形状の保護管と、該保護管の中空部に配置された温度測定用センサと、前記保護管を前記耐火煉瓦に固定する固定部と、を備えたことを特徴とする測温装置。
2. 前記保護管の後端部分を耐火部材により形成したことを特徴とする請求項１に記載の測温装置。
3. 前記固定部は、前記耐火煉瓦に形成された凹部に挿入される挿入部と、前記挿入部の挿入を規制する鍔部とにより構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の測温装置。
4. 前記固定部は、前記耐火煉瓦に形成された凹部に挿入する挿入部が所定長以上となるように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の測温装置。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の測温装置と、
   耐火煉瓦、該耐火煉瓦の内側に積層された耐火部材、前記耐火煉瓦に前記測温装置の保護管を設置するための凹部、及び前記凹部の底面に形成され且つ前記保護管の中空部に前記温度測定用センサを挿入するための貫通穴を有する溶融容器と、を備え、
   前記測温装置の保護管は、少なくともその先端部分が前記溶融容器内に露出させた状態で前記溶融容器の耐火部材に埋め込まれていることを特徴とする溶融装置。
6. 前記溶融容器の耐火部材に配設され前記溶融容器内の溶融金属の漏れを検出する漏れセンサを備えることを特徴とする請求項５に記載の溶融装置。
7. 請求項５に記載の溶融装置の製造方法であって、
   前記耐火煉瓦に形成されている凹部に前記測温装置の保護管を設置する工程と、
   前記耐火煉瓦の内面側に耐火部材を積層する工程と、
   耐火煉瓦の外側から前記凹部内の貫通穴を介して前記保護管の中空部の先端に前記温度測定用センサを挿入する工程と、からなることを特徴とする溶融装置の製造方法。
8. 溶融装置を監視する溶融装置監視システムであって、
   請求項５又は６に記載の溶融装置と、前記溶融装置を監視する監視装置と、を備え、
   前記監視装置は、前記溶融装置の溶融容器に埋め込まれた測温装置の温度測定用センサの検出結果、又は前記漏れセンサの検出結果に基づいて、前記溶融装置の状態を監視することを特徴とする溶融装置監視システム。
9. 前記監視装置は、前記溶融装置の異常を検知したときに警報音を出力する警報手段を備えていることを特徴とする請求項８に記載の溶融装置監視システム。
10. 前記監視装置は、前記溶融装置の異常を検知したときに前記溶融装置を撮影する撮影手段を備えていることを特徴とする請求項８に記載の溶融装置監視システム。

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