JP3116728B2 - 光ファイバーによる高温液体の測温装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバーを用いて
高温液体の温度、例えば炉内の溶湯温度等を計測する装
置に関し、特に連続的な温度測定が可能な測温装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】炉内の溶湯温度を計測する方法として
は、従来、例えば鋼の精錬炉である溶銑を脱炭処理する
転炉等においてはサブランス方式又は人力による熱電対
計測法が実施されている。サブランス方式においては、
炉（容器）の原材料投入口等から、ランス状可動体のラ
ンス先端に取付けられた測温体によって温度計測が実施
される。

【０００３】従って、サブランス方式においては、次の
ような不都合があった。まず、炉（容器）の大きさに比
例して測温装置が巨大化する。また、測温体が１回限り
使用の使い捨てのために、測温毎に測温体の取替をする
必要があり、その取替装置が付属的に必要となる。ま
た、測温毎に消耗式熱電対の取替を要するために、操業
処理時の溶融温度の測定は間欠的にならざるを得ず、ま
た、測温体を使い捨てる経済的な理由により頻繁に測温
することができない。従って、処理終点の実績温度と目
標温度とが必ずしも一致せず、エネルギーロスの発生、
生産コストの上昇並びに生産性の阻害等が生じることも
あった。

【０００４】次に、炉内の温度を連続的に測定する方法
の公知文献としては、例えば特開昭６１−９１５２９号
公報に示されたものがある。この文献において提案され
ている測温法は、光ファイバーを用いて炉内の測温をす
るものであるが、ノズル先端部に光ファイバー先端が固
定されているため、ノズル先端から吹込んでいるガス層
を通して測温することになり、測定精度上大きな問題が
ある。また、光ファイバー先端は高温に長時間さらされ
ていることになり経時変化による問題もある。

【０００５】また、特開昭６３−２０３７１６号公報に
おいては、溶鋼温度を連続的に測定し吹錬中及び終点の
温度が目標値になるように、また、昇温速度の変化率か
ら終点での成分量を推定する溶鋼の精練制御方法におい
て、「転炉等の反応容器の底部、側壁、あるいは上部か
ら光ファイバーを溶鋼中に浸漬し、光ファイバーと接続
する放射温度計により溶鋼温度を連続的に測定する方法
を用いることができる」と記載されているが、その具体
的な記述はなく、技術的内容は不明である。

【０００６】本願出願人は、先に出願した特願平４−７
８７３６号（特開平５−７８７３６号公報）において、
金属管被覆光ファイバーの先端部を測温エレメントとし
て高温液体中に挿入し、この光ファイバーの先端部では
黒体放射条件が成立するという計測原理を用い、光ファ
イバーの他端に放射温度計を接続し温度計測を行なう装
置、並びに金属管被覆光ファイバーを送り出すと共に巻
戻す光ファイバー搬送手段を設けて、高温液体の温度計
測を行なう時間のみ、金属管被覆光ファイバーの先端部
を短時間高温液体中に挿入し、計測完了後直ちにその先
端部を引上げ、この測温エレメントとして使用した先端
部は切断し、次の計測時には新しい先端部を用いて計測
する温度計測装置を提案した。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特願平
４−７８７３６号（特開平５−７８７３６号公報）によ
る温度測定装置は、間欠的な測温装置であり、一定時間
又は測温毎に測温エレメントとして使用した光ファイバ
ー先端部の切断を必要としていた。従って、この装置で
は長期間の連続的な測定ができないという問題点があっ
た。

【０００８】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであり、光ファイバーを用いて高温液
体の温度、例えば炉内の溶湯温度等の長時間ほぼ連続し
た測温を可能にし、コスト的にも安価で、且つ、応答性
が早く、測定精度も良い光ファイバーによる高温液体の
測温装置を得ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光ファイバ
ーによる高温液体の測温装置は、高温液体を保持する容
器に設けられ、一方の端部が高温液体に接する測温ノズ
ルと、予めドラムに巻込まれた金属管被覆光ファイバー
の一端を測温ノズルの他方の端部から挿通させて容器内
の高温液体中に断続的に送り出し、高温液体中に送り出
さない停止時期に、光金属管被覆光ファイバーを供給方
向の前後に振動させる光ファイバー供給手段と、測温ノ
ズルに対してノズル詰り防止ガスを送給するガス供給手
段と、金属管被覆光ファイバーの他端に接続され、高温
液体の温度を計測する放射温度計とを有する。

【００１０】

【作用】本発明においては、光ファイバー供給手段は、
予めドラムに巻込まれた金属管被覆光ファイバーの一端
を測温ノズルを挿通させて容器内の高温液体中に断続的
に送り出し、金属管被覆光ファイバーの他端に接続され
た放射温度計は容器内の高温液体の温度を計測する。こ
の測温ノズルの内壁と金属管被覆光ファイバーの外周部
との間に形成される空隙にはノズル詰り防止ガスが供給
され、測温ノズルの先端側が閉塞されるのを防止する。
また、本発明においては、金属管被覆光ファイバーを断
続的に供給するので、連続的に供給するのに比べて大幅
に光ファイバーの消費量を節約でき、コストが低減でき
る。例えば一般の転炉（溶銑を脱炭吹錬し溶鋼を得る精
錬炉）操業において、１バッチの吹錬は１５分程度であ
るが、１０ｍｍ／ｓｅｃで連続的に光ファイバーを供給
した場合の消費量は９ｍとなる。ここで、光ファイバー
を１０秒間連続供給し、その後１０秒間停止する断続
（間欠）供給においては、光ファイバーの消費量は半分
になるし、１０秒供給、２０秒停止のような断続供給で
は１／３、更に５秒供給、２０秒停止のような断続供給
では１／５となり、１バッチでの光ファイバーの消費量
を２ｍ以下にまで低減できる。

【００１１】ところで、長時間の測温を継続すると測温
ノズルが高温になるが、その場合に、光ファイバーを供
給しない停止時期においては、光ファイバーの被覆管
（金属）と測温ノズルを構成する金属管との接触によ
り、金属どうしが融着してしまい、光ファイバーの供給
が不能になることがある。しかし、本発明においては、
この停止時期に光ファイバー供給装置によって光ファイ
バーを供給方向の前後に振動させるので、金属どうしの
融着を防ぐことができ、長時間安定して測温することが
できる。

【００１２】

【実施例】図１は本発明に係る光ファイバーによる高温
液体の測温装置の構成を示すブロック図である。同図に
おいて、１０は光ファイバー供給装置であり、金属管被
覆光ファイバー１１、モータ１２、ローラ１３、送りコ
ントローラ１４、送り速度検出器１５、光ファイバード
ラム１６及び放射温度計１７から構成される。２０は炉
内に金属管被覆光ファイバー１１を挿入するための測温
ノズルであり、測温羽口ともいう。２１は測温ノズル２
０と結合される光ファイバーガイドであり、金属管被覆
光ファイバー１１を挿通させると共に、ノズル詰り防止
ガスが供給される。３０はノズル詰り防止ガス供給装置
であり、圧力／流量調整器３１、供給ガスコントローラ
３３、供給ガス生成部３４及びガス圧力検出器３５から
構成される。また、３６は測温ノズル２０の周囲に設け
られた多数のガス吹き込み孔を有するガス吹き込みノズ
ル、３７はその圧力／流量調整器である。４０は例えば
転炉、電気炉等の炉である。なお、図示の例においては
炉４０の側壁に測温ノズル２０を設けた例を示している
が、測温ノズル２０は炉４０の底部に設けてもよい。

【００１３】本実施例において、高温液体の温度、例え
ば炉内の溶湯温度を測定する場合には、金属管被覆光フ
ァイバー１１の先端部をノズル詰り防止ガス（例えばア
ルゴン）と共に、炉４０内の溶融金属又はスラグに直接
挿入する。このとき、金属管被覆光ファイバー１１の先
端部が高温により溶損するので、この溶損した分だけ新
しい光ファイバーを絶えず送り出して供給を続けること
により連続的な温度測定を可能にしている。

【００１４】ここで、光ファイバーに金属管を被覆した
構造とするのは、光ファイバー供給装置１０により光フ
ァイバーを炉内に送り込む際に、ノズル詰り防止ガスの
圧力が光ファイバーに印加されるので、この加圧に対す
る強度確保と、内部の光ファイバーを保護するためであ
る。この光ファイバーを被覆する金属管には例えばステ
ンレス管を使用する。このステンレスの融点は１４００
〜１４３０℃程度であるから、高温液体中に挿入しても
直ちに溶けず、数秒間は光ファイバーを保護している。
また、本実施例では、光ファイバーも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、短
時間は溶融せずにその形状を保持することができる。本
実施例の金属管被覆光ファイバー１１は、外径が１．２
ｍｍのものが使用されている。

【００１５】測温ノズル２０は金属の単管により構成さ
れている。この測温ノズル２０は、その一端が炉４０の
側壁を貫通して高温液体に接し、その他端は光ファイバ
ーガイド２１と気密に結合され、この光ファイバーガイ
ド２１側から金属管被覆光ファイバー１１が挿通され、
高温液体に挿入される。また、測温ノズル２０の測温孔
４１の内壁と金属管被覆光ファイバー１１の外周部との
間には空隙が形成され、この空隙には光ファイバーガイ
ド２１を介してノズル詰り防止ガスが吹込まれる。金属
製（例えばＳＵＳ３１０）の単管ノズルは、内径が２．
０ｍｍ、外径が４．０ｍｍ程度のものを使用した。

【００１６】光ファイバーガイド２１は、光ファイバー
供給装置１０から送り出される金属管被覆光ファイバー
１１を、ノズル詰り防止ガス供給装置３０から供給され
るノズル詰り防止ガスと共に、測温ノズル２０の測温孔
４１を通して炉４０内の溶湯に送り出す機能を有する。
光ファイバーガイド２１の一端は測温ノズル２０の高温
液体に接しない方の一端と気密に接続され、その他端
は、金属管被覆光ファイバー１１は通過できるが、ノズ
ル詰り防止ガスは光ファイバー供給装置１０側に漏洩し
ないように、例えば二重シール等が設けられた高度の気
密構造になっている。また、光ファイバーガイド２１に
はノズル詰り防止ガス供給装置３０からの配管が結合さ
れ、前述のガスが供給されている。このように光ファイ
バーガイド２１は、測温ノズル２０とは別の部材で構成
されてはいるが、光ファイバーをノズル詰り防止ガスと
共に炉４０内に送り出す機能は全く同一であり、広義で
は測温ノズル２０の一部を構成する部材であるとみなす
ことができる。以上のように、光ファイバーガイド２１
と気密に接続された測温ノズル２０からは、金属管被覆
光ファイバー１１の送り出しと共に、ノズル詰り防止ガ
スが炉４０内の溶湯に吹出される。

【００１７】光ファイバー供給装置１０は、光ファイバ
ーガイド２１及び測温ノズル２０を介して、金属管被覆
光ファイバー１１を断続的に炉４０内に送り出す機能を
有する。このため、送りコントローラ１４は、モータ１
２を駆動し、光ファイバードラム１６内に予め巻込され
ている金属管被覆光ファイバー１１を送り出すが、この
場合に、送り速度検出器１５により光ファイバーの送り
速度を検出し、この検出値により送り速度が所定の値に
なるように制御を行なっている。

【００１８】また、光ファイバー供給装置１０は、供給
停止時の金属管被覆光ファイバー１１に振動を与える機
能も有している。本実施例では、光ファイバーの断続的
な供給速度は、１０ｍｍ／ｓｅｃで５秒間送り出し、そ
の後２０秒停止する動作を繰返すようにしている。ま
た、光ファイバーの供給停止時には±５ｍｍの振幅で、
毎分１８０回の振動を光ファイバーに与えている。この
光ファイバーの送り出しは、ノズル詰り防止ガスと共に
炉４０内に挿入される金属管被覆光ファイバー１１の先
端部が、時間の経過と共に、溶損してゆくので、この溶
損した分だけ（即ち消耗した分だけ）新しい光ファイバ
ーを絶えず供給するために行なわれる。そして、この新
しい光ファイバーを絶えず供給することによって、ほぼ
連続的な温度計測が可能となる。

【００１９】送り速度検出器１５は、例えば単位時間内
におけるセンサ用ローラの回転角度から送り速度を求め
ることができ、この検出信号は送りコントローラ１４及
びノズル詰り防止ガス供給装置３０内の供給ガスコント
ローラ３３へ供給される。そして、この送り速度検出器
１５の検出値が正常の範囲内であるか否かにより、光フ
ァイバー送り出しの難易状態を判別することができる。
例えば測温ノズル２０の測温孔４１の先端が詰ってくる
と送り速度は低下してくる。送りコントローラ１４は、
送り速度が正常の範囲より低下するとモータ１２の駆動
を停止させ、装置の故障を防止している。

【００２０】本発明においては、黒体放射条件が成立す
れば、その放射スペクトル分布から絶対温度が算出でき
るという計測原理を利用している。このため、炉４０内
に挿入された金属管被覆光ファイバー１１の先端より溶
湯が放射するスペクトル光を入力し、このスペクトル光
が光ファイバー内を伝播して放射温度計１７へ入力す
る。放射温度計１７には、例えば２波長の輝度出力の比
較から温度を求める２色温度計や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等があり、入力する光
スペクトル信号からそれぞれの測定方式に従って温度を
算出し、この算出された温度信号は電気信号として出力
され、例えば図示されない計録計等へ供給される。

【００２１】ノズル詰り防止ガス供給装置３０が光ファ
イバーガイド２１に供給するガスとしては、不活性ガス
（本実施例ではアルゴン）を使用する。ノズル詰り防止
ガス供給装置３０内の供給ガスコントローラ３３は、ガ
ス圧力検出器３５の検出信号及び光ファイバー供給装置
１０内の送り速度検出器１５の検出信号を入力し、この
２つの検出信号の値に応じて、圧力／流量調整器３１に
供給する。圧力／流量調整器３１には、圧力調整器、流
量調整器、制御バルブ等が含まれており、入力されるア
ルゴンを制御信号に従った圧力及び流量として供給ガス
生成部３４へ供給する。供給ガス生成部３４では、アル
ゴンが所定の圧力で生成され、ここから光ファイバーガ
イド２１へ供給される。

【００２２】ガス圧力検出器３５は、供給ガス生成部３
４が光ファイバーガイド２１へ供給するガス圧力を検出
し、この検出値を供給ガスコントローラ３３へ供給す
る。これは、測温ノズル２０の先端が詰ってくると、供
給するガスの吹出し量が減少し、ガス圧力の検出値が上
昇するので、この検出値が正常の範囲内であるか否かに
より測温ノズル２０の先端の詰り状態を判別できるから
である。供給ガスコントローラ３３は、この供給ガス圧
力検出値と光ファイバー送り速度検出値とにより測温ノ
ズル２０の先端の詰り状態を判断して、ガス流量の自動
調整を行なう。

【００２３】図１の実施例においては、供給ガスコント
ローラ３３は、光ファイバー送り速度検出値及び供給ガ
ス圧力検出値が正常範囲の場合には、測温ノズル２０及
び炉４０内に挿入された金属管被覆光ファイバー１１を
保護するために、ノズル詰り防止ガスとして、冷却効果
のある不活性ガス（図１ではアルゴン）を選択してい
る。

【００２４】図２は１０Ｔｏｎ転炉での下記の測定条件
における光ファイバーを用いた温度測定結果の一例を示
す図である。測温ノズル２０の設置位置は図１に示す炉
腹部、溶湯湯面から４００ｍｍ下の位置である。 （１）測温ノズル 型式：単管ノズル ノズルの内径／外径：２．０ｍｍ／４．０ｍｍ 材質：ＳＵＳ３１０ （２）光ファイバー 構造：ステンレス管被覆 外径：１．２ｍｍ （３）ガス吹込み、 種類：アルゴン 吹込量：１．０Ｎｍ³ ／Ｈｒ （４）光ファイバー送り速度：１０ｍｍ／ｓｅｃ（２０秒停止、５秒供給） （５）光ファイバー振動 ：振幅±５ｍｍ、毎分１８０回 （６）溶湯 ［Ｃ］：４．２％〜０．０２％ 温度：１２５０〜１６５０℃

【００２５】図２において、上下に変動している波形が
光ファイバーによる測定温度であり、精度確認のための
サブランス測定を間欠的に行ない、この際の熱電対によ
る測定温度を黒丸で示してある。図において測温波形が
低い時期はファイバー供給を停止している時期である。
光ファイバーによる測定ピーク値と熱電対による測定値
との差は、平均で４℃であった。ここで、測定温度１６
００℃に対する誤差４℃は、０．２５％の測定精度であ
り、かなりよい精度であった。

【００２６】図３は熱電対指示値（Ｔｓ）と光ファイバ
ー温度計指示値（Ｔｆ）との対比を示す図であり、横軸
にＴｓを、縦軸にＴｆを示し、光ファイバーによる測定
値を□印で示している。図３の□印は、ほぼＴｓ＝Ｔｆ
の直線上に分布しており、良好の測定結果であることを
示している。

【００２７】図４は本実施例を実施した時期、即ちファ
イバー供給しない時期に振幅±５ｍｍで毎分１８０回振
動させた場合と、振動しない場合のファイバーの送りが
不可能となった頻度を比較して示した図である。図より
本発明により安定した測温が可能であることが分かる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、光ファイ
バー供給手段により予めドラムに巻込まれた金属管被覆
光ファイバーの一端を測温ノズルを挿通させて容器内の
高温液体中に断続的に送り出すようにしたので、光ファ
イバーの消費量も少なくて済み、また、金属管被覆光フ
ァイバーの他端に接続された放射温度計が容器内の高温
液体の温度を計測する際に、測温ノズルの内壁と金属管
被覆光ファイバーの外周部との間に形成される空隙にノ
ズル詰り防止ガスを供給するようにしたので、測温ノズ
ルの先端側が閉塞されるのが防止され、更に、金属管被
覆光ファイバーの送給停止時期にその光ファイバーに供
給方向の前後に振動を与えるようにしたので、光ファイ
バーの被服金属管と測温ノズルを構成する金属管との融
着を防止することができる。このようなことから、長期
間の連続的な測定が可能となり、応答性が早く、且つ、
測定精度も良い高温液体の測温が可能になっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る光ファイバーによる高
温液体の測温装置の構成を示すブロック図である。

【図２】図１の実施例における温度測定結果の一例を示
す図である。

【図３】図１の実施例における熱電対指令値と光ファイ
バー温度計指示値との対比を示す図である。

【図４】図１の実施例によるノズル詰まり防止効果を示
す図である。

【符号の説明】

１０ 光ファイバー供給装置 １１ 金属管被覆光ファイバー １２ モータ １３ ロータ １４ 送りコントローラ １５ 送り速度検出器 １６ 光ファイバードラム １７ 放射温度計 ２０ 測温ノズル ２１ 光ファイバーガイド ３０ ノズル詰り防止ガス供給装置 ３１ 圧力／流量調整器 ３３ 供給ガスコントローラ ３５ ガス圧力検出器 ４０ 炉

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小松 喜美 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 山田 善郎 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63−214627（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−91529（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−248960（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−5464（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−237603（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−147328（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−20030（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01J 5/00 - 5/62 G01K 1/00 - 19/00 F27B 1/00 - 3/28 C21B 7/00 - 9/16

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温液体を保持する容器に設けられ、一
   方の端部が前記高温液体に接する測温ノズルと、 予めドラムに巻込まれた金属管被覆光ファイバーの一端
   を前記測温ノズルの他方の端部から挿通させて前記容器
   内の高温液体中に断続的に送り出し、高温液体中に送り
   出さない停止時期に、前記光金属管被覆光ファイバーを
   供給方向の前後に振動させる光ファイバー供給手段と、 前記測温ノズルに対してノズル詰り防止ガスを送給する
   ガス供給手段と、 前記金属管被覆光ファイバーの他端に接続され、前記高
   温液体の温度を計測する放射温度計とを有することを特
   徴とする光ファイバーによる高温液体の測温装置。