JP2014235093A - 温度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄皮と耐火物からなる炉において、高精度かつ応答良く炉内の温度を測定する。
【解決手段】外力で変形可能な金属製シースの先端内部に感温部３３が封入された棒状の測温体２ａと、測温体２ａの先端を装入して圧接させる凹部３２と耐火物１４の測温箇所１４ａに密着させる面３１とを有する金属製のパッド部２ｂと、測温体２ａ及びパッド部２ｂを炉体外から測温箇所１４ａへ押圧する圧接部５と、測温体２ａ及び圧接部５を炉体外皮（鉄皮１１）に固定する炉壁取り付け部６と、を備え、パッド部２ｂは、面３１を除く周囲が断熱体２ｃで囲まれ、測温体２ａの、凹部３２に装入された部位を除く先端部分の周囲は柔軟性を有する断熱体２ｄに囲まれて軸方向と直交する方向に変形可能であり、断熱体２ｃ、２ｄで囲まれた測温体２ａの先端部分の外周を、耐熱鋼または耐熱合金製の繊維で形成されたメッシュ状耐熱材２ｄで被覆する。
【選択図】図２

Description

本発明は、炉体外皮の内側に煉瓦等からなる耐火物を有する炉において、耐火物の温度を測定する際に用いられる温度測定装置に関するものである。

従来、鉄鋼業等の製造業で用いられる各種炉においては、設備管理および炉の操業指針の決定を目的として、炉内の測温箇所に熱電対等の測温体を設置して温度測定を行ない、測定結果により温度下限管理、炉温の把握、炉の蓄熱量推定、操業アクション等の決定を行なっている。温度測定は、例えば、耐火物を穿孔し、測温する煉瓦等の耐火物に測温体の先端が接触するように、外部から熱電対等の測温体を挿入することにより行なわれている。

鉄鋼業の高炉へ熱風を供給するための熱風炉においては、外側を鉄皮で構成し、その内側に、例えば外側から順に内張り煉瓦、断熱煉瓦、耐火煉瓦、断熱煉瓦など、各種の煉瓦を積層し、蓄熱室を構成している。そして、燃焼室で燃料ガスを燃焼させて発生した高温ガスの熱を、蓄熱室の蓄熱煉瓦に熱伝達させて、熱を蓄える。蓄熱された炉には、送風機から冷風が送風され、蓄熱室の蓄熱煉瓦から熱を奪い熱風を高炉へ送る。熱風炉内は、高温の燃焼ガスと低温の冷風とが交互に通過するため、炉内の煉瓦と接する鉄皮は、その都度熱影響を受けて膨張と収縮を繰り返す。鉄皮は、高温時に、煉瓦よりも炉の半径方向外側へ移動し、煉瓦との間に隙間が生じる。

このように、炉が耐火物とそれを覆う外皮としての鉄皮で構成されている場合、耐火物の温度を測定する際に問題となるのは、炉内温度が低温時から高温時に変化した場合、鉄皮と耐火物との熱膨張率が異なるため、鉄皮に固定されている測温体が外側に引っ張られ、測温体が測温対象の耐火物から離れてしまい、測温箇所の温度測定ができなくなることである。

そこで、例えば特許文献１には、支持管内にバネを介して前後進可能に温度計本体を設けることにより、温度計の測温部を常に測温箇所に接触させて温度を正確に測定する温度計が開示されている。

また、炉内の煉瓦は、ブロック状の煉瓦間をモルタルで充填して複数層に積み上げられているため、経年変化によりモルタルに亀裂が生じ、煉瓦同士の密着状態が壊れ、隙間が生じた状態になる。一旦煉瓦間に隙間が生じると隙間は塞がらず、その状態は維持される。隙間に入った空気は、外気で冷却された鉄皮により冷却され、炉内部の高温空気とは異なった温度になる。熱風炉が上記の状態で高炉への送風期に入った場合、約０．４Ｍｐａの圧力を有する冷風の一部は、煉瓦の隙間を通り鉄皮と内張り煉瓦の間、および煉瓦間の隙間を通過し耐火煉瓦まで達する。また、蓄熱期に移行する際に熱風炉内は常圧になるので、これらの隙間に残留していた送風期の高圧冷風が低圧側に移行するため、やはり冷風が隙間を流れる。以上述べた冷風のことを、以下、裏風と称する。

このような裏風によって冷却雰囲気にさらされ、測温体先端近傍が低温状態になるおそれがある箇所では、測温箇所と測温体の先端との接触が保たれても、測温体の側面が冷やされて測温箇所の温度測定ができなくなることがある。

そこで、例えば特許文献２には、測温箇所に達する炉内煉瓦に開孔を設け、該開孔に測温体を挿入して測温箇所の周囲を囲み、かつ、測温体先端が測温箇所に接触する筒状断熱体を設けた方法が開示されている。また、例えば特許文献３には、測温体の先端に熱伝導性の良いパッドを備え、かつ、パッドの周囲に断熱体を設け、測温箇所の温度を正確かつ応答良く測定しようとする方法が開示されている。

以上の特許文献に記載された温度測定装置は、鉄皮と耐火物との熱膨張率等が異なるための測温体挿入方向の相対的移動、およびその移動による裏風の影響対策としては有効な技術である。ところが、鉄皮と耐火物の熱膨張率等が異なることにより、さらに、熱風炉の高さ方向の鉄皮と耐火物との相対的移動量が異なり、測温体先端が磨耗により断線して測定そのものができなくなったり、断熱体が破損して裏風の影響を直接受け、正確な温度測定ができなくなることがあった。

これに対して、特許文献４には、測温体の先端部が、軸方向と直交する方向に変形可能とした温度測定装置が開示されている。

特開２００５−４２９４０号公報 特開２００４−３０１６１５号公報 特開２００５−１２１５６１号公報 特許第４８４８３１１号公報

しかしながら、特許文献４の温度測定装置では、鉄皮と耐火物との相対的移動量が大きく異なる場合、測温体先端部が変形方向の耐火物の角等に接触して、測温体の周囲の断熱材が摩耗あるいは破損し、断熱効果が低下して正確な温度を測定できなくなることがあった。

本発明は、熱風炉のような鉄皮等の炉体外皮と耐火物からなる大規模な炉において、耐火物の温度を高精度かつ応答良く測定できる温度測定装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、炉体外皮と炉体内の耐火物を有する炉において、前記炉体外皮の外部から炉体内へ向けて棒状の測温体を挿入し、前記炉体内の耐火物の温度を測定する温度測定装置であって、外力で変形可能な金属製シースの先端内部に感温部が封入された棒状の測温体と、前記感温部が封入された前記測温体の先端を装入して圧接させる凹部と、前記炉体内の耐火物の測温箇所に密着させる面とを有し、前記測温箇所の熱を前記測温体の先端に伝導する金属製のパッド部と、前記測温体及び前記パッド部を炉体外から前記測温箇所へ押圧して、前記パッド部を前記測温箇所に圧接させる圧接部と、前記測温体及び前記圧接部を前記炉体外皮に固定する炉壁取り付け部と、を備え、前記パッド部は、前記測温箇所に密着させる面を除く周囲が断熱体で囲まれ、前記測温体の、前記パッド部の凹部に装入された部位を除く先端部分の周囲は、セラミッククロス、セラミックテープ、セラミックの粉体もしくは顆粒、または、セラミックススリーブのいずれかからなる柔軟性を有する断熱体に囲まれ、前記断熱体で囲まれた前記測温体の先端部分が、軸方向と直交する方向に変形可能であり、前記各断熱体で囲まれた前記測温体の先端部分の外周を、耐熱鋼または耐熱合金製の繊維で形成されたメッシュ状耐熱材で被覆することを特徴とする温度測定装置を提供する。

前記耐熱鋼または耐熱合金は、５５０℃〜１０００℃の範囲において形状を保持できる材質であることが好ましい。

本発明によれば、測温体先端部に、十分な強度および可撓性を有するメッシュ状耐熱材を設けたことにより、断熱体を保護して各断熱体の摩耗や損傷を防ぎ、断熱性能を維持することができる。また、測温体の挿入方向に対して直交する方向に測温対象物が移動しても、測温体の先端が測温箇所に追随して正常に接触する。したがって、裏風の影響を受けること無く、正確な温度の測定が可能となり、炉の操業管理を厳密に行なうことができる。

本発明の温度測定装置を熱風炉に設置した例を示す概略断面図である。 図１の温度測定装置の先端部の拡大図であり、（ａ）は被温度測定物が鉄皮に対して炉上下方向に動いていない状態、（ｂ）は被温度測定物が鉄皮に対して上方に動いた状態を示す。 図２のパッド部の例を示す断面図であり、（ａ）は温度測定装置内での使用時の側面方向から見た図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線から見た図である。

以下、鉄皮と、耐火物としての複数の煉瓦の層からなる熱風炉を例に、図を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、測温箇所を含む炉体の一部、および、本発明にかかる温度測定装置の一例を示す概略図であり、温度測定装置２の中心軸を含む断面で切断した断面図である。熱風炉１は、炉体外皮である鉄皮１１の内側に、内張り煉瓦１２と断熱煉瓦１３とが煉瓦目地部２１を介して積層され、さらにその内側に、測温対象の耐火物である耐火煉瓦１４及び蓄熱煉瓦１５が積層されている。尚、図１においては、鉄皮１１の膨張により鉄皮１１と内張り煉瓦１２との間に隙間２３（キャスタブル耐火物の亀裂）が生じ、さらに、断熱煉瓦１３と耐火煉瓦１４との間には隙間２４が生じている。以下、耐火煉瓦１４の測温箇所１４ａを測温する場合について説明する。

熱風炉１には、耐火煉瓦１４の測温箇所１４ａに向けて、鉄皮１１、内張り煉瓦１２、断熱煉瓦１３を貫通する測温孔２２が穿孔され、温度測定装置２の測温体先端部２０を鉄皮１１の外側から測温孔２２に挿入して測温箇所１４ａに接触させる。温度測定装置２と測温孔２２との隙間には、モルタル等の詰め物を圧入することにより、隙間を埋めて裏風の侵入を防ぐ。

温度測定装置２は、中心に棒状の測温体２ａを有し、測温体先端部２０を除いた測温体２ａの周囲は、保護管３で囲まれている。保護管３は、測温孔２２内に圧入されたモルタル等の詰め物から測温体２ａを保護するために設けられる。また、保護管３は、先端位置が挿入方向に調節可能となるようなルーズフランジ４を有している。さらにルーズフランジ４の基端側に、圧接部５が設けられている。圧接部５は、例えばルーズブッシングとスプリングで構成され、測温体２ａを炉体外から測温箇所１４ａへ押圧して、後述するパッド部２ｂを測温箇所１４ａに圧接させる。すなわち、圧接部５は、測温体先端部２０を確実に耐火煉瓦１４の測温箇所１４ａに接触させ、さらに測温箇所１４ａに対する押圧量を調節するための、測温体２ａの炉体内への装入長さの調節機構である。圧接部５は、炉壁取り付け部６を介して、鉄皮１１の外面に溶接等で固定されている。保護管３は、例えばＳＵＳ３１０Ｓ等で形成することが好ましい。ルーズフランジ４や圧接部５等、熱風炉１の外側に配置される部分は、例えばＳＵＳ３０４等で構成してもよい。

温度測定装置２はケーブル７を介して温度入力装置８に接続され、測温体２ａで測定されたデータがデータ処理される。

図２は、温度測定装置２の測温体先端部２０を拡大して示したものであり、鉄皮１１と耐火煉瓦１４との熱膨張の差等により、測温箇所１４ａが鉄皮１１に対して相対的に熱風炉１の上下方向に動いたときの、耐火煉瓦１４と測温体先端部２０との接触状態を模式的に示したものである。図２（ａ）は、耐火煉瓦１４が鉄皮１１に対して上下方向に動いていないときに、測温体先端部２０が耐火煉瓦１４に接触している状態を示し、図２（ｂ）は、測温箇所１４ａが熱風炉１の上方向に動いたときの測温体先端部２０の変形状態を示したものである。

測温体先端部２０は、熱電対等の測温体２ａと、その先端側に、熱伝導性が良く耐熱性に優れた材質、例えばＳＵＳ３１０Ｓなどで形成されたパッド部２ｂを備えている。測温体２ａとパッド部２ｂとは固定されておらず、相対位置関係に自由度をもたせている。パッド部２ｂの形状は、図３（ａ）に示すように、測温箇所１４ａ側の面３１が、測温箇所１４ａに密着する例えば平面であり、測温体２ａ側は凹部３２を有する形状である。この凹部３２内に測温体２ａの先端を装入、圧接させて用いるが、凹部３２の内径は測温体２ａの外径よりも若干大きめであり、測温体２ａの先端が凹部３２内で移動できるようになっている。測温体２ａは棒状であり、例えば金属製シースの先端内部に感温部３３として熱電対を封入したシース熱電対やサーミスタを封入したものを用いることができる。金属製シースは肉薄であって、測温体２ａの先端部は、測温体２ａの軸方向に直交する方向、すなわち測温箇所１４ａの上下左右の各方向に、比較的小さな外力で変形可能である。測温体２ａの先端部の、測温箇所１４ａの上下左右方向への移動に対する追従性を良くするためには、図３（ｂ）に示すように、パッド部２ｂの測温箇所１４ａ側の断面形状の外形を円形とすることが好ましい。また、図２に示すように、パッド部２ｂの面３１を除く外周は、ブロック状断熱体２ｃによって囲まれている。さらに、測温体２ａの、パッド部２ｂで囲まれた部位を除く先端部の外周は、高温においても断熱性に優れかつ柔軟性を有する断熱体２ｄによって囲まれている。この柔軟性を有する断熱体２ｄは、市販のセラミッククロスやセラミックテープを用いることができる。さらに断熱性を増すため、ブロック状断熱体２ｃおよび断熱体２ｄの外周が、チューブ状断熱体２ｅで覆われている。このチューブ状断熱体は、柔軟性のあるセラミックスリーブで構成することができる。これらの断熱体２ｃ，２ｄ，２ｅは、例えばチューブ状断熱体２ｅの上からワイヤ等を巻き付けて固定することができる。

さらにまた、本発明では、測温体先端部２０の外周全体に、繊維状の金属で形成されたメッシュ状耐熱材２ｆが設けられる。メッシュ状耐熱材２ｆの材質としては、５５０℃〜１０００℃の範囲で形状を保持できる耐熱鋼（ＪＩＳ Ｇ ７６０１参照）やニッケル合金等が用いられる。また、耐熱性能とともに、細い繊維状の素材から可撓性を有するメッシュを形成できる材料として、例えばインコネル（登録商標）が好適であり、インコネル６０１のφ０．１２，８０ｍｅｓｈまたはφ０．１９，５０ｍｅｓｈによるメッシュ状耐熱材２ｆを用いることができる。測温体先端部２０でメッシュ状耐熱材２ｆを設ける範囲は、測温箇所１４ａの移動に十分に追随するために、測温体先端部２０の先端からの長さが少なくとも５０ｍｍ、好ましくは先端から１６０ｍｍまでの範囲とする。

以上の構成による測温体先端部２０は、図２（ｂ）に示すように、鉄皮１１と耐火煉瓦１４との熱膨張の差等により測温箇所１４ａが上方に動いた際に、測温箇所１４ａに追随することができる。すなわち、測温体２ａの先端部は小さな外力で変形可能であり、断熱体２ｄ、チューブ状断熱体２ｅ、メッシュ状耐熱材２ｆが、いずれも柔軟性あるいは可撓性を有しているので、鉄皮１１に固定された基端側に対して変形し、パッド部２ｂの測温箇所側の面３１が耐火煉瓦１４の測温箇所１４ａから離れることはなく、安定して面接触を継続できる。

また、このような構成の温度測定装置２においては、測温体先端部２０の測温体２ａおよび金属パッド部２ｂがブロック断熱体２ｃ、断熱体２ｄ、チューブ状断熱体２ｅ、さらにメッシュ状耐熱材２ｆで覆われているため、測温体先端部２０が変形した際に、摩耗や破損により断熱性能が低下するのを防ぐ。殊に、図２（ｂ）に示すように、測温体先端部２０の先端が上方の断熱煉瓦１３の角に当たっても、メッシュ状耐熱材２ｆが内部を保護し、各断熱体２ｃ，２ｄ，２ｅの摩耗や破損を防止する。そのため、裏風が鉄皮１１と内張り煉瓦１２との隙間２３および断熱煉瓦１３と耐火煉瓦１４との隙間２４を通り、または断熱煉瓦１３の目地部２１の亀裂部を通過するようなことがあっても、裏風の影響が測温体２ａおよび測温体先端部２０の金属パッド部２ｂにまで伝わることは無く、正確な温度を測定することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、耐火煉瓦１４の温度を測る場合について述べたが、本発明の温度測定装置は、耐火煉瓦１４の内側の蓄熱煉瓦１５（図１参照）の温度を測定することもできる。

本発明は、鉄鋼業における製銑工程の熱風炉をはじめ、外壁が鉄皮でその内側が煉瓦等で構成され、鉄皮の熱膨張に起因する鉄皮と煉瓦との隙間に気体が流通する、例えば高炉炉床部やコークス炉などに適用できる。

１ 熱風炉
２ 温度測定装置
２ａ 測温体
２ｂ パッド部
２ｃ ブロック状断熱体
２ｄ 断熱体
２ｅ チューブ状断熱体
２ｆ メッシュ状耐熱材
３ 保護管
１１ 鉄皮
１２ 内張り煉瓦
１３ 断熱煉瓦
１４ 耐火煉瓦
１５ 蓄熱煉瓦
２０ 測温体先端部
２１ 煉瓦目地部
２２ 測温孔
２３，２４ 隙間
３１ 面
３２ 凹部
３３ 感温部

Claims (2)

1. 炉体外皮と炉体内の耐火物を有する炉において、前記炉体外皮の外部から炉体内へ向けて棒状の測温体を挿入し、前記炉体内の耐火物の温度を測定する温度測定装置であって、
   外力で変形可能な金属製シースの先端内部に感温部が封入された棒状の測温体と、
   前記感温部が封入された前記測温体の先端を装入して圧接させる凹部と、前記炉体内の耐火物の測温箇所に密着させる面とを有し、前記測温箇所の熱を前記測温体の先端に伝導する金属製のパッド部と、
   前記測温体及び前記パッド部を炉体外から前記測温箇所へ押圧して、前記パッド部を前記測温箇所に圧接させる圧接部と、
   前記測温体及び前記圧接部を前記炉体外皮に固定する炉壁取り付け部と、を備え、
   前記パッド部は、前記測温箇所に密着させる面を除く周囲が断熱体で囲まれ、
   前記測温体の、前記パッド部の凹部に装入された部位を除く先端部分の周囲は、セラミッククロス、セラミックテープ、セラミックの粉体もしくは顆粒、または、セラミックススリーブのいずれかからなる柔軟性を有する断熱体に囲まれ、前記断熱体で囲まれた前記測温体の先端部分が、軸方向と直交する方向に変形可能であり、
   前記各断熱体で囲まれた前記測温体の先端部分の外周を、耐熱鋼または耐熱合金製の繊維で形成されたメッシュ状耐熱材で被覆することを特徴とする温度測定装置。
2. 前記耐熱鋼または耐熱合金は、５５０℃〜１０００℃の範囲において形状を保持できる材質であることを特徴とする、請求項１に記載の温度測定装置。

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