JP2010071666A - Airtight melting facility - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ファイバを用いて連続的に溶湯の温度を計測することを可能にする気密溶解設備に関するものである。 The present invention relates to an airtight melting facility that enables continuous measurement of the temperature of a molten metal using an optical fiber.
金属を溶解する溶解炉内の溶湯の温度を計測する温度計や、このような温度計を備えた溶解設備が従来より種々知られている。このうち、大気圧下で金属の溶解を行う開放型溶解設備においては、長尺な光ファイバの先端部を溶湯内に順次送り込み、光ファイバの先端部から入射した放射光を他端部の温度検出部で検出することで溶湯の温度を連続的に検出するように構成したものが考えられている(例えば、特許文献1参照)。 Various thermometers for measuring the temperature of the molten metal in the melting furnace for melting metals and melting equipment equipped with such thermometers are conventionally known. Among these, in an open-type melting facility that melts metal at atmospheric pressure, the end of a long optical fiber is sequentially fed into the melt, and the radiated light incident from the end of the optical fiber is sent to the temperature at the other end. A configuration in which the temperature of the molten metal is continuously detected by detection by a detection unit is considered (see, for example, Patent Document 1).
一方、溶解炉を真空状態とする真空溶解設備においては、溶解炉を収容する真空槽の上部にバルブで接続された補助室が設けられており、この補助室には真空槽内の溶湯まで測温素子を案内する挿入棒と、測温素子の交換のための真空排気装置が設けられている。このような真空槽に適用されている測温素子は、一般に消耗式ランス熱電対と称するものであり、熱電対の先端部を内部に収容した石英ガラス部を保護管により保持した構成を有している。そして、この石英ガラス部を溶湯に浸漬させて溶湯の温度を測定するたびに真空槽と補助室との間のバルブを閉じ、真空排気装置を開放して測温素子を取り出し、新しい測温素子と交換することで、次の測温を行うようになっている。
ところが、上述した光ファイバを用いた溶湯の連続測温が可能な温度計測装置が適用される溶解炉は開放型であるため、光ファイバの溶湯への供給や交換は容易であるが、より高品質の溶融金属が得られる真空型又は気密型の溶解設備においては、厳密な温度管理が要求されることなどから、上述したような光ファイバによる温度計測装置をそのまま適用することはできない。一方、上述したような測温素子を利用する真空溶解設備では、石英ガラス部は溶湯に浸漬するとすぐに損傷してしまうため1度の測温しかできないものであり、また応答速度も遅く、溶湯の温度の最大値を示すのにも数秒を要するものである。さらに、測温素子の交換は、補助室まで挿入棒を上昇させたうえで真空排気装置を開放して行うという、時間と手間を要する作業であり、その間に溶湯の温度が低下してしまうため、溶湯の温度管理が難しく、再加熱が必要となるなどの時間的、品質的なロスも大きい。また一般に、金属を真空下で溶融する場合、金属の蒸発が生じるため、外部から真空槽内が見えづらくなり、明るく光る溶湯でさえもその表面が見えにくくなる場合がある。そのために、真空槽内に不活性ガスを導入して金属の蒸発を抑えるという方法も考えられるが、それでは蒸発を完全に抑えることは難しく、また真空槽内に照明器具を装備しても見えづらさを完全に解消することがでいない。そのため、上述した従来の方法では、測温素子を溶湯内に浸漬しすぎたり、挿入棒の先端部までも溶湯に浸漬してしまう虞がある。 However, since the melting furnace to which the temperature measuring device capable of continuously measuring the molten metal using the optical fiber described above is applied is an open type, it is easy to supply or replace the molten optical fiber. In a vacuum-type or air-tight type melting facility that can obtain a molten metal of quality, strict temperature control is required. Therefore, the above-described temperature measuring device using an optical fiber cannot be applied as it is. On the other hand, in the vacuum melting equipment using the temperature measuring element as described above, the quartz glass portion is damaged immediately when immersed in the molten metal, and therefore only one temperature measurement can be performed, and the response speed is slow. It takes several seconds to show the maximum temperature. Furthermore, the replacement of the temperature measuring element is an operation that requires time and labor to raise the insertion rod to the auxiliary chamber and then open the vacuum exhaust device, during which the temperature of the molten metal decreases. The temperature and quality of the molten metal is difficult to control, and reheating is necessary. In general, when a metal is melted under vacuum, the metal evaporates, so that it is difficult to see the inside of the vacuum chamber from the outside, and even the brightly shining molten metal may be difficult to see. For this reason, a method of suppressing the evaporation of metal by introducing an inert gas into the vacuum chamber is conceivable, but it is difficult to completely suppress the evaporation, and it is difficult to see even if a lighting fixture is installed in the vacuum chamber. It is not possible to completely eliminate this problem. Therefore, in the conventional method described above, there is a possibility that the temperature measuring element is excessively immersed in the molten metal, or even the tip of the insertion rod is immersed in the molten metal.
このような問題に鑑みて本発明は、光ファイバを用いて連続的に溶湯の温度を正確に計測することが可能な気密溶解設備を提供することを主たる目的とするものである。 In view of such a problem, the main object of the present invention is to provide an air-tight melting facility capable of accurately measuring the temperature of a molten metal continuously using an optical fiber.
すなわち本発明に係る気密溶解設備は、内部に溶解炉を収容し気密雰囲気下に保持する気密槽と、一端を溶解炉内の溶湯に浸漬される光ファイバを金属管で被覆してなる金属管被覆光ファイバと、気密槽外において金属管被覆光ファイバの他端に接続された温度検出部と、金属管被覆光ファイバを挿通させて気密槽の外部から内部へと導くガイド部と、このガイド部を通じて金属管被覆光ファイバを溶湯内に連続供給する光ファイバ供給部と、ガイド部における金属管被覆光ファイバの挿入部位を密閉する気密シール部とを備えていることを特徴としている。 In other words, the hermetic melting equipment according to the present invention includes a metal tube in which a melting furnace is housed and held in an airtight atmosphere, and an optical fiber immersed at one end in the molten metal in the melting furnace is covered with a metal tube. A coated optical fiber, a temperature detection unit connected to the other end of the metal tube-coated optical fiber outside the hermetic tank, a guide unit that guides the metal tube-coated optical fiber from the outside to the inside, and the guide An optical fiber supply unit that continuously supplies the metal tube-coated optical fiber into the molten metal through the unit and an airtight seal unit that seals the insertion portion of the metal tube-coated optical fiber in the guide unit are provided.
このような構成の気密溶解設備では、光ファイバを利用した金属管被覆光ファイバを気密槽内の溶解炉の溶湯に連続的に挿入・浸漬して迅速且つ正確に測温することが可能であり、しかも気密槽の密閉状態を気密シール部によって維持することができる。すなわち、本発明によれば、従来のように測定するたびに気密槽のバルブを操作して補助室を開閉し測温素子を交換する必要がなくなるため、溶湯の温度管理が容易となり、測温に要する時間や手間も大幅に低減することが可能となる。また、溶湯の蒸気によって気密槽内部が視認できなくても、ガイド部を溶湯に浸漬しない程度の位置に留めておいて金属管被覆光ファイバのみを溶湯に浸漬するようにしておけばよいので、従来のように測温素子の浸漬のしすぎや挿入棒の浸漬といった問題が生じる虞もなくすことができる。なお、本発明において「気密雰囲気」とは、気密槽が内部を密封した状態に維持した状態をいい、その状態で気密槽の内部は、大気圧よりも圧力が低い真空状態とするか、若しくはアルゴン等の不活性ガスを充満させた状態とすることが好ましい。 With the hermetic melting equipment having such a structure, it is possible to measure the temperature quickly and accurately by continuously inserting and immersing the metal tube coated optical fiber using the optical fiber into the molten metal of the melting furnace in the hermetic tank. Moreover, the sealed state of the hermetic tank can be maintained by the hermetic seal portion. That is, according to the present invention, it is no longer necessary to open and close the auxiliary chamber and replace the temperature measuring element by operating the valve of the hermetic tank every time measurement is performed. It is possible to significantly reduce the time and labor required for the process. In addition, even if the inside of the airtight tank is not visible due to the molten metal vapor, it is sufficient to keep the guide part in a position where it is not immersed in the molten metal so that only the metal tube-coated optical fiber is immersed in the molten metal. It is possible to eliminate the possibility of problems such as excessive immersion of the temperature measuring element and immersion of the insertion rod as in the prior art. In the present invention, the “airtight atmosphere” refers to a state where the airtight tank is maintained in a sealed state, and the inside of the airtight tank is in a vacuum state in which the pressure is lower than the atmospheric pressure in that state, or It is preferable to be in a state filled with an inert gas such as argon.
このような本発明においては、ガイド部を、金属管被覆光ファイバの一端を溶解炉内の溶湯に浸漬した使用位置と溶湯から引き上げた退避位置との間で移動させるガイド部移動手段を備えたものとすることで、ガイド部の先端から延出する金属管被覆光ファイバの長さを一定に保ちながら、溶湯の測温を行う際にのみ金属管被覆光ファイバの先端部を溶湯に挿入し、測温を行わない場合はガイド部ごと金属管被覆光ファイバを溶解炉から退避させておくことで、溶解炉への金属の出し入れ操作などの邪魔にならないようにすることができる。 In the present invention, the guide portion is provided with a guide portion moving means for moving the guide portion between a use position where one end of the metal tube-coated optical fiber is immersed in the molten metal in the melting furnace and a retracted position pulled up from the molten metal. By doing so, the tip of the metal tube-coated optical fiber is inserted into the melt only when measuring the temperature of the melt while keeping the length of the metal tube-coated optical fiber extending from the tip of the guide portion constant. When the temperature measurement is not performed, the metal tube-coated optical fiber with the guide portion is retracted from the melting furnace, so that it does not interfere with the operation of putting the metal into and out of the melting furnace.
特に、ガイド部に設けられるガイド部移動手段には、使用位置と退避位置との間でのガイド部の移動速度を変更可能な速度調節機構を設けることができる。このように構成すれば、溶湯と金属管被覆光ファイバとの距離が遠い場合はガイド部を高速で移動させ、溶湯と金属管被覆光ファイバとの距離が近くなればガイド部を低速で移動させるなどすることで、時間的なロスを低減しつつ、ガイド部が溶湯に浸漬するという事態を有効に回避することができる。 In particular, the guide part moving means provided in the guide part can be provided with a speed adjusting mechanism capable of changing the moving speed of the guide part between the use position and the retracted position. If comprised in this way, a guide part will be moved at high speed when the distance between a molten metal and a metal tube coating optical fiber is long, and if the distance between a molten metal and a metal tube coated optical fiber will become near, a guide part will be moved at low speed. By doing so, it is possible to effectively avoid a situation in which the guide portion is immersed in the molten metal while reducing time loss.
またガイド部が動作する場合、特にガイド部を気密槽に対して動作させる場合には、ガイド部と気密槽との間でも気密状態を維持する必要がある。そのためには、ガイド部と気密槽との取着部位を密閉する第2気密シール部をさらに設けることが適切である。 Further, when the guide portion operates, particularly when the guide portion is operated with respect to the airtight tank, it is necessary to maintain an airtight state between the guide portion and the airtight tank. For this purpose, it is appropriate to further provide a second hermetic seal portion for sealing the attachment site between the guide portion and the hermetic tank.
また、ガイド部として簡易な構成で占有するスペースが小さく、操作も容易なものとしては、金属管被覆光ファイバを内部に挿入させ且つ気密槽に挿入されるようにした管状部材を挙げることができる。 In addition, as a guide portion, a simple structure that occupies a small space and is easy to operate can include a tubular member in which a metal tube-coated optical fiber is inserted into an airtight tank. .
本発明によれば、溶解炉内の溶湯に金属管被覆光ファイバの先端部を連続的に浸漬することができる構成を気密溶解設備に適用し、金属管被覆光ファイバをガイド部により気密槽に導入するに際して、金属管被覆光ファイバとガイド部との間の摺動部分をシール部によって気密状態に保持するように構成しているため、光ファイバの計測ごとの交換作業を行うことによる手間や時間、溶湯の温度管理の困難性を解消することができるうえに、溶湯温度の連続的で正確な計測を行うことができ、操作の安定性や信頼性、製品の品質向上を図ることができる。 According to the present invention, the configuration in which the tip of the metal tube-coated optical fiber can be continuously immersed in the molten metal in the melting furnace is applied to the hermetic melting equipment, and the metal tube-coated optical fiber is applied to the hermetic tank by the guide unit. At the time of introduction, the sliding portion between the metal tube-coated optical fiber and the guide portion is configured to be kept in an airtight state by the seal portion. In addition to eliminating the difficulty of time and temperature control of the molten metal, it is possible to measure the molten metal temperature continuously and accurately, improving operational stability and reliability, and improving product quality. .
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態である気密溶解設備1の一部を省略して示す概観図である。この気密溶解設備1は、気密槽2と、気密槽2内に配置された溶解炉3と、溶解炉3内の溶湯3aの温度を計測するために用いられる金属管被覆光ファイバ4と、金属管被覆光ファイバ4を送り出す光ファイバ供給部5と、金属管被覆光ファイバ4を通じて溶湯3aの温度を検出する温度検出部5と、金属管被覆光ファイバ4を溶解炉3内へ導くガイド部7と、ガイド部7を気密槽2に対して移動させるガイド部移動手段8とを主要構成として備えている。
FIG. 1 is an overview diagram showing a part of the
気密槽2は、内部を真空に保持することができる気密性容器であり、溶湯3aの高温に耐えられるように設計されたものである。図1では、この気密槽2の上端部側のみを示しており、下端部側及びその他の部位を省略している。気密槽2の上端部には、後述するガイド部4を収容して気密槽2内へ導く導管21が斜め上方に向けて突出させて設けられている。この導管21は、例えばステンレス管等から構成されるものであり図2及び図3に示すように、気密槽2の上端部に設けられた台座22に設けられた支柱23,24等によりその傾斜姿勢を支持されている。
The
気密槽2内に設置される溶解炉3は、本実施形態では溶解ルツボ31をその胴部に巻回した誘導コイル32により加熱する誘導炉を適用している。
In the present embodiment, the
金属管被覆光ファイバ4は、図4及び図5に一部を断面図として示すように、光ファイバ41を柔軟な金属管42で保護した形態を有するものである。金属管42は、溶湯3aに光ファイバと共に溶解しても溶湯3aには影響を与えない材質であれば適宜のものを採用することができるが、例えば溶湯が鉄であれば金属管42を鉄製、溶湯がチタンであれば金属管42をチタン製とすることができる。
The metal tube-coated optical fiber 4 has a configuration in which the
光ファイバ供給部5は、金属管被覆光ファイバ4を巻回して保持するドラム51と、ドラム51から引き出した金属管被覆光ファイバ4を連続的に繰り出す送出部52とから構成される。ドラム51には、例えば50m〜100m程度の金属管被覆光ファイバ4を巻回しておくことができるものを採用している。また送出部52は、例えば金属管被覆光ファイバ4を挟んで回転するピンチローラ52aと、このピンチローラ52aを回転駆動するモータ52bとから構成することができる。
The optical fiber supply unit 5 includes a
温度検出部6には、ドラム51に巻回された側の金属管被覆光ファイバ4の一端を接続した放射温度計を適用しており、検出素子としては例えばInGaAsを利用することができる。放射温度計は、溶湯3aに浸漬した金属管被覆光ファイバ4のうち光ファイバ41の先端から入射して光ファイバ41を伝達してきた放射光を検出するものであり、連続的な温度検出が可能となっている。
A radiation thermometer connected to one end of the metal tube-covered optical fiber 4 on the side wound around the
ガイド部7は、本実施形態では、気密槽2内の高温に耐え得る金属パイプからなる挿入棒71を主体とするものである。この挿入棒71の内径は金属管被覆光ファイバ4の外径よりも若干大きく、挿入棒71の内部71を金属管被覆光ファイバ4が自在に摺動し得るように挿通されており、挿入棒71の先端部71aから金属管被覆光ファイバ4の先端部4aを突出させている。そして、挿入棒71の上端部における金属管被覆光ファイバ4との摺動部位には、挿入棒71の内壁と金属管被覆光ファイバ4の外壁との間を封止する気密シール部72を設けている。本実施形態ではこの気密シール部72として、ウィルソンシールを適用している。すなわち、気密シール部72は、図4に拡大して模式的に示すように、挿入棒71の上端部に設けられたウィルソンシールの本体部72aの内部に上下複数枚ずつのエラストマーシート72bを設けるとともに、上下のエラストマーシート72bの間に真空グリスを充填したものであり、それらの中心部に金属管被覆光ファイバ4を挿通することで、ガイド部7と金属管被覆光ファイバ4との気密性を保持している。
In this embodiment, the
ガイド部移動手段8は、金属管被覆光ファイバ4を挿通させた挿入棒71を、金属管被覆光ファイバ4の先端部4aを溶解炉3内の溶湯3aに浸漬した使用位置(図2)と、金属管被覆光ファイバ4の先端部4aを溶解炉3から引き上げた退避位置(図3)との間で、気密槽2(より詳細には導管21)に対してスライド移動させるものである。具体的にガイド部移動手段8は、図2及び図3に詳細に示すように、モータ81と、導管21の長手方向所定範囲に亘って架け回され一部を挿入棒71の上端部71bに取り付けてモータ81により回転駆動されるローラーチェーン82とから構成される。なお、挿入棒71と導管21との間にはケーブルベア83も設けられており、これにより、モータ81や補償導線等の配線類が乱雑になったり絡まったりすることを防止しており、また挿入棒71の動作時のブレの抑制も期待できる。
The guide part moving means 8 has a use position (FIG. 2) in which the
このように、ガイド部移動手段8により挿入棒71が気密槽2に対して動作するため、挿入棒71の気密槽2への取着部位である導管21の適宜部位には、第2気密シール部25を設けることによって、この部分での気密性を保持するようにしている。この第2気密シール部25では、図5に示すように、導管21の中途高さ位置を区切りその上部を空間的に隔てる一対の蓋体25a,25b及びそれらの間に挟み込んだOリング25cと、上側の蓋体25aに立設されて挿入棒71に外嵌された筒体25dと、この筒体25dの上端部に嵌合させて挿入棒71に外嵌されたキャップ25eと、筒体25dの内壁と挿入棒71の外壁との間に密着して取り付けられる上下2つのOリング25f,25gとから構成されている。
Thus, since the
ガイド部移動手段8におけるモータ81は、回転速度を適宜に変更することができるものであり、本発明の速度調節機構の一部として機能する。例えば挿入棒71及び金属管被覆光ファイバ4を退避位置から使用位置まで移動させる場合には、図2及び図3に示すように、金属管被覆光ファイバ4の先端部4aが溶解炉31内の溶湯3aから最も離れた位置である退避位置から所定範囲(図中、領域A)にあるときは挿入棒71を高速で動作させ、この領域Aから金属管被覆光ファイバ4の先端部4aが溶湯3aに少し接近する所定範囲(図中、領域B)にあるときは挿入棒71を減速して低速で動作させ、この領域Bから金属管被覆光ファイバ4の先端部4aが溶湯3aにさらに接近した所定範囲(図中、領域C)にあるときは挿入棒71をより減速して極低速で動作させ、挿入棒71の先端部が溶湯31に浸漬した時点で挿入棒71を停止させるように、モータ81の回転速度が調節されるようにしている。領域Aと領域Bとの境界は予め設定しておき、リミットスイッチ等の位置検出手段(図示省略)によってモータ81の回転の高速から低速への切り替えを行う。また、金属管被覆光ファイバ4の先端が溶湯3aの表面に接触するか若しくはその近傍に達した際に温度検出部6が所定温度を検出した際にモータ81の回転の低速から極低速への切り替えを行い、金属管被覆光ファイバ4の先端が溶湯3aに浸漬したことを温度検出部6で検出すると、モータ81の回転を停止する。そして、モータ81が停止すると、光ファイバ供給部5のモータ51bを動作させ、ドラム51aから金属管被覆光ファイバ4を送り出すことで、挿入棒71の先端部71aから金属管被覆光ファイバ4を繰り出して、連続的に溶湯3aの測温を行うようにしている。このように、挿入棒71の退避位置から使用位置への移動にあたって速度制御を行うことで、測温操作の確実性や安全性が向上し、さらに挿入棒71が誤って溶湯3aに浸漬したり、金属管被覆光ファイバ4を無駄に消耗したりすることを有効に防止することができる。ここで、1回の測温で消耗する金属管被覆光ファイバ4の長さは約10mm程度であるので、光ファイバ供給部5から金属管被覆光ファイバ4を順次送り出すことで、連続して5000回以上の測温が可能である。なお、挿入棒71及び金属管被覆光ファイバ4を使用位置から退避位置へ移動させる場合には、モータ81を高速で回転させて迅速に金属管被覆光ファイバ4を溶湯3aから引き上げて、金属管被覆光ファイバ4の消耗を防ぐようにすればよい。
The
このように、本実施形態の気密溶解設備1によれば、真空雰囲気とした気密槽2内における溶湯3aの温度を連続的に測定できるのみならず、溶湯3aに浸漬する金属管被覆光ファイバ4を無駄なく使用することができ、測温操作の安定性や容易性を向上することができる。また、金属管被覆光ファイバ4のガイド部7への挿入部位と、ガイド部7の気密槽2に対する動作部位を気密状態に維持するようにしていることから、溶湯3aの温度を低下させることなく真空下での溶湯3aの連続測温が可能であるため、溶湯3aの温度管理が容易となり、溶湯3aの品質向上をも図ることができる。
Thus, according to the
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば気密槽内は、真空状態だけでなく、内部の気圧を大気圧よりも若干低い状態としたり、アルゴンガス等の不活性ガスを充満させた状態としてもよい。さらに、ガイド部や、気密シール部及び第2気密シール部等の、気密溶解設備における各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above. For example, the inside of the airtight tank may be not only in a vacuum state, but also in a state where the internal atmospheric pressure is slightly lower than the atmospheric pressure or filled with an inert gas such as argon gas. Further, the specific configuration of each part in the airtight melting equipment such as the guide part, the airtight seal part, and the second airtight seal part is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. Is possible.
1…気密溶解設備
2…気密槽
3…溶解炉
3a…溶湯
4…金属管被覆光ファイバ
5…光ファイバ供給部
6…温度検出部
7…ガイド部
8…ガイド部移動手段
25…第2気密シール部
41…光ファイバ
42…金属管
71…挿入棒(管状部材)
72…気密シール部
81…モータ(速度調節機構)
DESCRIPTION OF
72 ...
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