JP2876881B2 - 溶融金属の温度測定装置及びレベル測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば溶鋼等の高温
の液体金属の温度を計測する温度測定装置及び温度測定
装置を使用したレベル計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば連続鋳造プロセスにおいては、品
質の向上や生産の歩留まり向上のために、鋳造時の溶鋼
の温度や溶鋼のレベルを正確に知る必要がある。従来は
タンディッシュやモ−ルド内の溶鋼の温度計測する方法
として、カ−ボンスリ−ブの内部に溶鋼が流入する凝固
室を設け、この凝固室に熱電対を取り付けた消耗型の浸
漬熱電対や、セラミックの保護管で覆った熱電対を使用
した接触式温度計が利用されている。また、溶鋼のレベ
ルを測定する方法として渦電流形の距離検出器が使用さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記消耗型の浸漬熱電
対は熱電対が直接溶鋼に触れるため１回の測定で劣化し
てしまう。このため先端の測温プロ−ブが着脱自在にな
っており、この測温プロ−ブを１回の測定毎に交換して
いる。このように高価な測温プロ−ブを１回の測定毎に
使い捨てにしているため、測定回数を増やすことは困難
であった。

【０００４】また、熱電対をセラミックの保護管で覆っ
た場合には、熱電対が直接溶鋼に触れないため、測定を
連続的に行なうことができる。しかしながら、この場合
にもヒ−トショックやスラグによる溶損等によりセラミ
ックの保護管の耐久性に限度があり、高価な保護管が40
時間から50時間程度しか持たず、長時間繰り返して使用
することはできなかった。

【０００５】また、溶鋼のレベル測定に使用する渦電流
形の距離検出器は、定常状態のときには正確にレベル測
定を行なうことができレベル制御に役立っているが、測
定範囲が200mm以下と狭いため、鋳造開始時のオ−トス
タ−トのためのレベル測定はできなかった。このためオ
−トスタ−トの自動化が困難であった。

【０００６】この発明はかかる短所を解決するためにな
されたものであり、高温溶融金属の温度を安価で精度良
く計測することができる温度測定装置と、この温度測定
装置を利用して任意のレベルを計測することができるレ
ベル測定装置を得ることを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に係る溶融金属
の温度測定装置は、先端部を測温エレメントとした光フ
ァイバと、光ファイバを被覆する金属管と、光ファイバ
の他端部に接続された放射温度計とを備え、光ファイバ
の先端部を金属管とともに溶融金属内に挿入し、溶融金
属の温度を放射温度計により測定することを特徴とす
る。

【０００８】上記金属管の先端部を曲げて溶融金属内に
挿入し、光ファイバを溶融金属内に挿入する前に光ファ
イバの先端部に溶融金属からの放射光が入射することを
防ぐことが望ましい。

【０００９】また、複数の金属管被覆光ファイバを光ス
イッチを介して放射温度計に接続しても良い。

【００１０】さらに、金属管を被覆した光ファイバを送
り出して溶融金属内に挿入し、温度測定後の光ファイバ
と金属管を溶融金属から引き上げる光ファイバ搬送手段
を有すると良い。

【００１１】また、この発明に係る溶融金属のレベル測
定装置は、石英系ガラスからなる光ファイバをステンレ
ス管で被覆し、先端部を測温エレメントとした金属管被
覆光ファイバと、金属管被覆光ファイバに接続された放
射温度計と、金属管被覆光ファイバを溶融金属の表面に
送り出すとともに巻戻す光ファイバ搬送手段と、放射温
度計で測定している温度とあらかじめ定めたしきい値と
を比較し、放射温度計で測定している温度がしきい値を
越えたときの光ファイバ搬送手段の送り量から溶融金属
のレベルを判定するレベル判定手段とを備えたことを特
徴とする。

【００１２】

【作用】この発明においては、金属管被覆光ファイバの
先端部を測温エレメントとして溶融金属内に挿入する。
この溶融金属内に光ファイバの先端部を挿入する場合、
通常の光ファイバでは先端部を溶融金属に近づけただけ
で被覆が燃え出し、溶融金属に挿入するときに光ファイ
バ自体が折れ易く、溶融金属中に挿入することはできな
いが、光ファイバを金属管で被覆しているから、光ファ
イバ自体に損傷を与えずに挿入することができる。

【００１３】また、光ファイバを被覆している金属管
は、通常1400〜1430℃程度の融点を有するステンレス管
で構成されており、金属管被覆光ファイバの先端部を溶
融金属に挿入しても数秒間は金属管が溶けずに光ファイ
バを保護する。また、芯線である光ファイバを1600℃以
上の軟化点を有する石英系ガラスで形成することによ
り、耐熱性を確保する。

【００１４】この金属管被覆光ファイバの先端部を溶融
金属内に挿入すると、金属管と光ファイバの先端部は溶
融金属と同じ温度になり、光ファイバの先端部は黒体の
条件を満たしている。このため光ファイバの先端形状の
影響を受けることなく、温度のみに依存した放射光を発
する。この放射光を光ファイバを通して放射温度計に導
き、放射温度計で溶融金属の温度を検出する。

【００１５】また、光ファイバを溶融金属に挿入するた
めに送り出しているときに、光ファイバの先端が溶融金
属の方向に向いていると、溶融金属に挿入される前から
溶融金属の放射光が入射してしまい、光ファイバの先端
が溶融金属に挿入されていない、すなわち放射率が１で
ない状態で温度を計測してしまうことになる。そこで金
属管の先端部を曲げることにより、光ファイバの先端が
溶融金属内に挿入されたときに始めて溶融金属の放射光
が光ファイバに入射するようにする。

【００１６】さらに、光ファイバ搬送手段により金属管
被覆光ファイバを溶融金属の表面に送り出すことによ
り、金属管被覆光ファイバを溶融金属に挿入し、その後
巻き上げて溶融金属から引き上げることができる。

【００１７】また、レベル判別手段を設けて、金属管被
覆光ファイバの送り量と放射温度計で測定した温度変化
により溶融金属のレベルを判定する。

【００１８】

【実施例】図１はこの発明に一実施例を示す構成図であ
る。図に示すように、例えば溶鋼の温度を計測する温度
測定装置は、供給ドラム２に巻回された金属管被覆光フ
ァイバ１と放射温度計３と記録計４とを有する。金属管
被覆光ファイバ１は、図２に示すように、石英系ガラス
からなる光ファイバ１１がステンレス管からなる金属管
１２で被覆されている。なお、光ファイバ１１の被覆層
１３と金属管１２との間には必要に応じてジェリ１４が
充填されている。この金属管被覆光ファイバ１は光の伝
送路であるとともに測温エレメントとして使用するもの
であり、先端部が溶鋼中に挿入される。放射温度計３は
金属管被覆光ファイバ１を通して導かれる金属管被覆光
ファイバ１先端部の放射光から溶鋼の温度を検出して指
示するものであり、放射光の輝度出力から直接温度を求
める赤外放射温度計や、２波長の輝度に比較から温度を
求める二色温度計からなり、光ファイバコネクタ５を介
して金属管被覆光ファイバ１に接続されている。

【００１９】この温度測定装置で溶鋼の温度を計測する
ときは、金属管被覆光ファイバ１の先端部を溶鋼中に挿
入する。被覆層だけがある通常の光ファイバを溶鋼中に
挿入使用とすると、先端部を溶鋼に近づけただけで被覆
層が燃え出し、光ファイバ自体が溶鋼に挿入するときに
折れてしまうが、金属管被覆光ファイバ１は光ファイバ
１１を金属管１２で被覆しているから、光ファイバ１１
や被覆層１３に損傷を与えずに溶鋼中に挿入することが
できる。また、光ファイバ１１を被覆しているステンレ
ス管からなる金属管１２は融点が1400〜1430℃程度であ
るから、高温の溶鋼中に挿入しても直ちに溶けず、数秒
間は光ファイバ１１を保護している。また、芯線である
光ファイバも1600℃以上の軟化点を有する石英系ガラス
で形成されているから、溶融せずにその形状を保持する
ことができる。

【００２０】この金属管被覆光ファイバ１の先端部を溶
鋼に挿入すると、金属管１４と光ファイバ１１の先端部
は溶鋼と同じ温度になり、光ファイバ１１の先端部は黒
体の条件を満たす。そして光ファイバ１１の先端部は温
度のみに依存した放射光を発する。この放射光は金属管
被覆光ファイバ１を通って放射温度計３に送られる。放
射温度計３は送られた放射光の波長から温度を算出して
溶鋼の温度を検出し表示するとともに温度出力を記録計
４に送り記録する。このように熱容量の少ない金属管被
覆光ファイバ１の先端部を溶鋼に挿入するから、先端部
の温度を直ちに溶鋼の温度に追従させることができ、溶
鋼の温度を迅速かつ正確に計測することができる。な
お、放射温度計３に送られた直流的な放射光をホトチョ
ッパで断続して交流信号に変換したのち増幅し、増幅し
た交流信号をホトチョッパと同期させて検波することに
より、安定して増幅することができる。

【００２１】金属管被覆光ファイバ１の先端部を溶鋼の
温度を検出したのち長時間溶鋼に挿入しておくと、光フ
ァイバ１１の被覆層１３が高温によりガス化し先端部か
ら吹き出し酸素があれば燃える。そこで溶鋼の温度を計
測した後、直ちに金属管被覆光ファイバ１の先端部を溶
鋼中から引き上げる。そして、次ぎに溶鋼の温度を計測
するときは測温エレメントとして使用した先端部を切断
し、新しい先端部を溶鋼中に挿入して温度を計測する。
このようにして１本の金属管被覆光ファイバ１を繰返し
使用して溶鋼の温度を計測することができる。

【００２２】次ぎに上記のように構成された温度計測で
実際に溶鋼の温度を計測する場合の動作を具体例により
説明する。

【００２３】〔連続鋳造機のモ−ルドでの溶鋼温度計測
例〕

【００２４】図３は上記温度計測装置を連続鋳造機のモ
−ルド内の溶鋼の温度計測に使用した場合の構成図であ
る。図に示すように、連続鋳造機においてはタンディッ
シュ３１から浸漬ノズル３２を通して溶鋼３３がモ−ル
ド３４に注がれている。モ−ルド３４内の溶鋼３３の上
には通常パウダ３５が散布されている。このモ−ルド３
４内の溶鋼温度を測定するため、供給ドラム２に巻回さ
れた金属管被覆光ファイバ１をファイバ搬送手段３６で
一定速度で連続的又は間欠的に送り出しながら、金属管
被覆光ファイバ１の先端部をパウダ３５の上部から溶鋼
３３中に挿入する。このように金属管被覆光ファイバ１
の先端部を送り出しながら放射温度計３で温度を計測
し、その温度を記録計４に記録すると図４の送り出しの
時間と温度変化の特性図に示すように、金属管被覆光フ
ァイバ１の先端部が溶鋼３３中に挿入した時ｔ₁に直ち
に温度が上昇し、溶鋼３３の温度Ｔで飽和する。この飽
和温度を検出することにより溶鋼３３の温度Ｔを計測す
ることができる。

【００２５】また、金属管被覆光ファイバ１の先端部を
送り出しているときに、ファイバ搬送手段３６の送り速
度を制御すると、図５の温度変化特性図に示すように、
溶融パウダ３５の温度Ｔ₁を溶鋼３３の温度Ｔと明確に
区別して計測することができる。また、溶融パウダ３５
の温度Ｔ₁と溶鋼３３の深さ方向の温度分布も計測する
こともできる。ただし、長時間挿入していると金属管１
２が溶融し金属管被覆光ファイバ１の先端部が溶損する
ので、測定が一旦終了したら、ファイバ搬送手段３６を
反転させて金属管被覆光ファイバ１を高速で引上げ、供
給ドラム２に巻戻して次の測定まで待機する。この操作
を繰り返すことによりモ−ルド３４内の溶鋼３３の温度
を精度良く測定することができる。

【００２６】この溶鋼３３の温度を計測するときに、金
属管被覆光ファイバ１の溶鋼３３中への浸漬長さを短く
し、浸漬時間を短くすれば、金属管被覆光ファイバ１の
消耗量を低減することができる。この浸漬時間は温度計
測時間により定まる。温度計測に必要な時間は、放射光
の伝送は無視でき、放射温度計３の応答時間で決まが、
放射温度計３の受光素子として半導体素子を使用する
と、ｍｓｅｃのオ−ダで応答することができ、金属管被
覆光ファイバ１の消耗量を１回の計測で１cm程度に抑え
ることができ、低価格で溶鋼３３の温度を繰返し計測す
ることができる。

【００２７】この繰返し計測した温度が設定温度より低
くなったときには、プラズマト−チ３７による加熱を強
化し、タンディッシュ３１の温度を上昇させることによ
りプロセスの安定化を図ることができる。

【００２８】また、モ−ルド３４内の測定位置を変えな
がら溶鋼３３の温度を測定したり、図６に示すように、
複数の金属管被覆光ファイバ１を光スイッチ３８を介し
て放射温度計３に接続した多点式の温度計測装置を使用
することにより、モ−ルド３４内の温度分布を測定する
こともできる。そしてモ−ルド３４内の温度分布からノ
ズル３２からの溶鋼流の流量分布も測定することがで
き、連続鋳造機の操業の安定化に寄与することができ
る。

【００２９】なお、上記例ではモ−ルド３４内の溶鋼３
３の温度を計測した場合について説明したが、モ−ルド
３４内の溶鋼３３の温度とともに溶鋼３３のレベルを計
測することもできる。

【００３０】〔連続鋳造機のモ−ルドでの溶鋼温度とレ
ベル計測例〕

【００３１】図７は連続鋳造機のモ−ルド３４内の溶鋼
３３の温度計測とレベル計測をする場合の構成図であ
る。図に示すように、モ−ルド３４内の溶鋼３３の定常
時におけるレベルは渦電流形の距離検出器からなるレベ
ル検出器４１で計測するようにしている。このモ−ルド
３４内の初期レベル検知位置Ｌ₁に金属管被覆光ファイ
バ１の先端部をセットしておく。また、放射温度計３の
温度出力端子はレベル判別手段４２に接続されている。
レベル判別手段４２はモ−ルド３４内の溶鋼３３が初期
レベル検知位置Ｌ₁に達したことを判別するものであ
り、初期レベル検知位置Ｌ₁に応じたしきい値ＴＨがあ
らかじめ設定されている。

【００３２】この状態でノズルストッパ４３を閉から開
にすると、タンディッシュ３１内の溶鋼３３がノズル３
２を通りダミ−バ４４上に注がれ、モ−ルド３４内の溶
鋼３３のレベルが次第に上昇する。この溶鋼３３が初期
レベル検知位置Ｌ₁の金属管被覆光ファイバ１の先端部
に近づくと、金属管被覆光ファイバ１に入射する溶鋼３
３の放射光が増加し、放射温度計３の温度出力は図８に
示すように徐々に上昇する。この温度出力がレベル判別
手段４２に送られる。レベル判別手段４２は送られた溶
鋼３３の温度としきい値ＴＨとを比較している。そして
溶鋼３３が金属管被覆光ファイバ１の先端に触れると、
放射温度計３の温度出力は溶鋼３３の温度を示すので急
激に上昇する。レベル判別手段４４は放射温度計３から
送られる温度がしきい値ＴＨを越えたときに、溶鋼３３
のレベルが初期レベル検知位置Ｌ₁に達したと判断し初
期レベル検知信号をノズルストッパ位置制御手段４５に
送る。ノズルストッパ位置制御手段４５は初期レベル検
知信号を受けると、ノズルストッパ４３の位置を調節し
て溶鋼流量を第２段階の値に制御する。また、初期レベ
ル検知信号によりダミ−バ４４の引き抜きと、金属管被
覆光ファイバ１の引上げを自動的に行なう。そしてモ−
ルド３４内の溶鋼３３のレベルが渦電流形のレベル検出
器４１の測定範囲内に達すると、溶鋼レベル制御をレベ
ル検出器４１の出力で行なう。また、金属管被覆光ファ
イバ１の送り出しと引上げを繰り返すことにより、モ−
ルド３４内の溶鋼３３の温度を計測する。

【００３３】このモ−ルド３４内の溶鋼３３の初期レベ
ル検知位置Ｌ₁を検出するときに、金属管被覆光ファイ
バ１の先端部のセット位置は任意に可変することができ
るから、初期レベル検知位置Ｌ₁を広範囲に設定するこ
とができる。したがって従来自動化が困難であったオ−
トスタ−トを実現することができる。

【００３４】また、金属管被覆光ファイバ１の径は１mm
から２mm程度と小さいため、ビレットなどの小断面の連
続鋳造にも容易に使用することができ、工業的効果が著
しく大きい。

【００３５】なお、上記例では１本の金属管被覆光ファ
イバ１を使用した場合について説明したが、図６に示す
ように複数の金属管被覆光ファイバ１の先端部をそれぞ
れ異なるレベルににセットしておくと初期時の溶鋼３３
のレベル変化を検出することもできる。

【００３６】また、上記実施例では連続鋳造機のモ−ル
ド３４内の溶鋼３３の温度とレベルを計測する場合につ
いて説明したが、タンディッシュ３１内の溶鋼３３の温
度とレベルを計測することもできる。

【００３７】〔タンディッシュの溶鋼温度とレベル計測
例〕

【００３８】図９はタンディッシュ３１内の溶鋼３３の
温度とレベルを計測する場合の構成図である。図に示す
ように、タンディッシュ３１の上蓋にあけられた計測用
孔５１から金属管被覆光ファイバ１をファイバ搬送手段
３６により一定速度で連続的又は間欠的に挿入する。こ
の金属管被覆光ファイバ１の先端部が溶鋼３３の表面に
達すると、図４に示すように、放射温度計３の温度出力
は急激に変化し、溶鋼３３の温度で飽和する。この急激
な温度変化をレベル判別手段４２で検出したら、レベル
判別手段４２は送り制御手段５２から送られる金属管被
覆光ファイバ１の送り量からタンディッシュ３１内の溶
鋼３３のレベルを算出する。レベル判別手段４２は算出
したレベル検出信号をレベル制御手段５３に送るととも
に、送り制御手段５２に送ってファイバ搬送手段３６の
送り動作を停止させ、金属管被覆光ファイバ１の挿入を
停止する。この溶鋼３３の温度とレベルを検出した後
は、一旦金属管被覆光ファイバ１をファイバ搬送手段３
６で巻戻し、次の測定まで待機する。

【００３９】このようにしてタンディッシュ３１内の溶
鋼３３の温度とレベルを同時に検出することができ、タ
ンディッシュ操業の自動化，安定化に大いに寄与するこ
とができる。

【００４０】なお、上記各実施例は金属管被覆光ファイ
バ１の先端部を直線状のままで測温エレメントとして使
用した場合について説明したが、図１０に示すように、
金属管被覆光ファイバ１の先端部をほぼＵ字形状に曲げ
たり、９０度以上に曲げて測温エレメント１ａとする
と、金属管被覆光ファイバ１を溶鋼３３の方に送ってい
るときに、先端部に溶鋼３３の放射光が直接入射するこ
とを防ぐことができる。溶融金属に挿入される前から溶
鋼３３の放射光が入射してしまい、光ファイバの先端が
溶鋼３３に挿入されていない、すなわち放射率が１でな
い状態で温度を計測してしまうことになる。したがって
金属管被覆光ファイバ１の先端部を曲げて光ファイバ１
１の先端部が溶鋼３３に挿入されたときに始めて溶鋼３
３の放射光が光ファイバに入射するようにすると、放射
温度計３の温度出力をより急激に立ち上げることがで
き、より高精度に溶鋼３３の温度やレベルを検出するこ
とができる。

【００４１】また、上記実施例は連続鋳造における溶鋼
３３の温度やレベルを計測した場合に突いて説明した
が、その他の装置における溶融金属の温度とレベルも同
様にして計測することができ、広い範囲に適用すること
ができる。

【００４２】

【発明の効果】この発明は以上説明したように、金属管
被覆光ファイバの先端部を測温エレメントとして溶融金
属内に挿入するようにしたから、芯線である光ファイバ
自体に損傷を与えずに溶融金属内に挿入することができ
る。

【００４３】また、光ファイバを被覆している金属管で
光ファイバを保護するとともに、光ファイバを石英系ガ
ラスで形成することにより、耐熱性を確保することがで
き、溶融金属の温度を安定して計測することができる。

【００４４】この金属管被覆光ファイバの先端部を溶融
金属内に挿入すると、金属管と光ファイバの先端部は溶
融金属と同じ温度になり、温度のみに依存した放射光を
発すから、速やかに、かつ精度良く溶融金属の温度を計
測することができる。

【００４５】また、レベル判別手段を設けて、金属管被
覆光ファイバの送り量と放射温度計で測定した温度変化
により溶融金属のレベルも判定することができ、プロセ
ス操業の自動化，安定化に大いに寄与することができ
る。

【００４６】さらに、金属管被覆光ファイバの先端部を
ほぼＵ字状に曲げることにより、金属管被覆光ファイバ
を溶融金属に挿入するときに、光ファイバの先端部に溶
融金属の放射光が直接入射することを防ぐことができ、
より高精度に溶融金属の温度やレベルを検出することが
できる。

【００４７】また、金属管被覆光ファイバにより放射光
を伝送するから、ノイズの影響を受けずに安定した計測
を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す構成図である。

【図２】金属管被覆光ファイバを示す断面図である。

【図３】連続鋳造機のモ−ルド内の溶鋼の温度計測に使
用した場合の構成図である。

【図４】送り出しの時間と温度変化の特性図である。

【図５】送り出しの時間と温度変化の特性図である。

【図６】他の実施例を示す構成図である。

【図７】連続鋳造機のモ−ルド内の溶鋼の温度計測とレ
ベル計測をする場合の構成図である。

【図８】溶鋼のレベルに対する温度変化の特性図であ
る。

【図９】タンディッシュ内の溶鋼の温度とレベルを計測
する場合の構成図である。

【図１０】他の実施例の金属管被覆光ファイバを示す正
面図である。

【符号の説明】

１ 金属管被覆光ファイバ ３ 放射温度計 １１ 光ファイバ １２ 金属管 ３６ ファイバ搬送手段 ４２ レベル判別手段 ５２ 送り制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 修一 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (72)発明者 近藤 裕計 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−19727（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−132135（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01J 5/08 B22D 11/16 104 G01J 5/02

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端部を測温エレメントとした光ファイ
   バと、光ファイバを被覆する金属管と、光ファイバの他
   端部に接続された放射温度計とを備え、光ファイバの先
   端部を金属管とともに溶融金属内に挿入し、溶融金属の
   温度を放射温度計により測定することを特徴とする溶融
   金属の温度測定装置。
2. 【請求項２】 上記金属管の先端部を曲げて溶融金属内
   に挿入し、光ファイバを溶融金属内に挿入する前に光フ
   ァイバの先端部に溶融金属からの放射光が入射すること
   を防ぐ請求項１記載の溶融金属の温度測定装置。
3. 【請求項３】 上記光ファイバを金属管ととも送り出し
   て溶融金属内に挿入する光ファイバ搬送手段を有する請
   求項１又は２記載の溶融金属の温度測定装置。
4. 【請求項４】 先端部を測温エレメントとした光ファイ
   バと、光ファイバを被覆する金属管と、光ファイバの他
   端部に接続された放射温度計と、光ファイバと金属管を
   送り出して溶融金属内に挿入する光ファイバ搬送手段
   と、放射温度計で測定している温度とあらかじめ定めた
   しきい値とを比較し、放射温度計で測定している温度が
   しきい値を越えたときの光ファイバ搬送手段の送り量か
   ら溶融金属のレベルを判定するレベル判定手段とを備え
   たことを特徴とする溶融金属のレベル測定装置。