JP3441663B2 - 誘導炉の過昇温防止方法・装置及び測温センサ - Google Patents

誘導炉の過昇温防止方法・装置及び測温センサ

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JP3441663B2
JP3441663B2 JP01047499A JP1047499A JP3441663B2 JP 3441663 B2 JP3441663 B2 JP 3441663B2 JP 01047499 A JP01047499 A JP 01047499A JP 1047499 A JP1047499 A JP 1047499A JP 3441663 B2 JP3441663 B2 JP 3441663B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、金属を溶解する
誘導炉、特に鋼材を溶解する高周波誘導炉に関し、詳し
くは溶湯の過昇温を防止する手段に関する。
【0002】
【従来の技術】誘導炉、特に高周波誘導炉は短時間での
鋼材の溶解が可能であるが、昇温スピードが極めて早
く、ちょっとしたミスが過昇温を招き、エネルギーの無
駄な使用ばかりでなく、耐火物を急激に溶損させて湯漏
れ事故を招く危険をはらんでいる。そのため、適時の溶
湯の測温による適切な自動電力制御が望まれるが、現状
は電力量パルスカウントにより電力量を管理して過昇温
を防止する方法が主流で、あくまでも目安として使用さ
れる程度のものに過ぎない。また、従来は例えば1500℃
以上にもなる極めて高温の溶湯の連続測温に十分耐えう
る測温センサは見当たらず、誘導炉における温度測定は
イマージョン温度計を中心とするスポット測温に頼って
いる状況にある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記した
状況に鑑み、誘導炉の過昇温を確実に防止できるように
することを課題とするものであるが、この課題を達成す
るためには、以下の技術を開発することが不可欠であ
る。 (1) 誘導炉の過酷な使用環境に耐えうる測温センサの開
発 測温センサは、例えば銑鉄鋳物に使用される高周波誘導
炉においては、約1時間ごとの溶解、出湯の繰り返しに
よる過酷なヒートショックに耐えうる必要があり、また
溶解〜出湯に至る1500℃を超える連続耐用性を満足する
必要がある。更に、測温センサを炉底に組み込む場合に
は、溶解過程における高温酸化雰囲気にも耐えうる必要
がある。 (2) 誘導炉の高速昇温に対応できる測温応答性の確保 測温センサを上記したような過酷な使用環境に耐えうる
ようにするためには、測温センサの溶湯との接触部に保
護被覆層(保護管)を備えることが求められる。ところ
が、この保護管は溶湯から感温素子への熱伝達を阻害す
る原因となり、測温の応答性を悪化させることとなる。
この応答遅れは温度安定域では問題ないが、例えば10℃
/毎分の昇温過程では 2.5分の応答遅れは問題である。
従って、測温センサに応答遅れが生じても実際の溶湯温
度(真温)を予測することによりそれを補い、応答遅れ
を見掛け上、例えば10〜30秒に抑える手段を用意する必
要がある。
【0004】そこで、発明者らは、基礎実験、試作装置
の設計と製作、試作装置による実証試験、更には試験結
果に基づく改良と評価試験を段階的に推進し、このほど
実用に供しうる技術を確立するに至ったので、ここに、
この出願を行うものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】溶湯温度を連続的に計測
する場合、測温センサを溶湯に上部から浸漬する方法
(この方法に用いる測温センサを上部浸漬形連続測温セ
ンサというものとする。)と、測温センサを炉底に埋め
込む方法(同じく炉底埋込形連続測温センサというもの
とする。)とがある。いずれの測温センサについても上
記保護管に必要とされる特性としては、耐熱衝撃性、熱
伝導率、機械的強度、温度応答性が大きいこと、気孔率
が小さいことなどがあげられ、また特に上部浸漬形連続
測温センサについては浸漬−引上げの熱サイクルの繰り
返しに優れていること、スラグに対する耐溶損性が優れ
ていることが必要とされる。一方、炉底埋込形連続測温
センサについては、耐火物を焼結(シンター)する際や
溶解過程での長時間の酸化雰囲気加熱に耐えられること
が必要とされる。
【0006】上記観点から保護管に適用可能な材質を選
別すると、Mo−ZrO2 、ZrB 2 、AG(アルミナ
グラファイト)、BNが挙げられた。そこで、これらの
保護管材質としての特性比較を基礎実験により探った結
果、Mo−ZrO2 (モリブデンジルコニア)材が必要
な特性の全ての面で十分に対応可能と判断され、保護管
にはMo−ZrO2 材を適用することとした。Moの成
分比は70〜80Wt%とするのがよい。因みに、ZrB2
はヒートショックに弱く、熱衝撃を必要とする誘導炉に
は向かないことが分かった。また、AG材は全ての面で
実用性に乏しく、更にBN材は耐溶損性に劣り、本開発
目標の 100時間連続使用は不可能と考えられた。
【0007】一方、Mo−ZrO2 のスラグとの反応性
を基礎実験により調査した結果、スラグライン部(溶湯
浸漬時に保護管が溶湯表面のスラグに接触する部分)に
保護スリーブを配しておくことが好ましく、その材質と
してはアルミナ−シリカ系材質、アルミナ系材質、チタ
ニア(TiO2 )が適していることが判明した。
【0008】また、炉底埋込形連続測温センサにおいて
特に必要とされる耐酸化性については、アルミナ(Al
2 3 )で被覆して酸素を遮断する方法、Cr,Alな
どの活性金属を被覆して保護性の耐火物に変化させる方
法、Mo−ZrO2 内にアルミなどの合金を添加し、高
温酸化性雰囲気で表面のみに酸化膜を形成させる方法な
どを試みたが、結果として上記保護スリーブと同様、ア
ルミナ−シリカ系材質、アルミナ系材質、あるいはTi
2 材を保護管表面にコーティングする方法が実使用可
能であると判明した。コーティングは酸化防止材をスラ
リーにしてはけ塗り後、焼結する方法が最も実用的であ
るが、高温プラズマ溶射も可能である。
【0009】この発明において、測温センサは上部浸漬
形連続測温センサ及び炉底埋込形連続測温センサのいず
れでも使用可能であるがそれぞれ利害得失があり、誘導
炉の操業条件に応じて使い分けることが好ましい。すな
わち、上部浸漬形連続測温センサは炉の上方から溶湯中
に浸漬することから、浸漬−引上げ作業が簡便であり、
また溶湯温度が監視を必要とする温度、例えば1200℃を
超えてから測温センサを浸漬して測温を開始することが
可能である。反面、溶解過程において溶解材が宙吊り状
になる、いわゆる棚吊現象が生じた場合に、炉底近傍で
の過昇温を検知できないという問題がある。一方、炉底
埋込形連続測温センサは取付が面倒であり、また長時間
酸化性雰囲気に曝されるなどの不利がある。
【0010】次に、保護管を有する測温センサの応答性
については、以下に示す解析実験を行った。図9は解析
実験の一例を示すもので、これはイマージョン温度計で
測定した溶湯の温度を真温として、この真温が1500℃の
溶湯に保護管を有する上部浸漬形連続測温センサを投入
し、時間(秒) を横軸にして時間経過ごとの測温センサ
の測温値(℃)を縦軸に記録したものである。測温値は
徐々に増大し、45〜50秒のタイムラグ(以下、時定数と
称するものとする。)で真温(1500℃)を示すに至るこ
とが分かる。この実験カーブを基に、溶湯温度1300℃〜
1700℃の各温度については、コンピュータシミュレーシ
ョンによりカーブを求め、同時に表示した。
【0011】図10は図9の各カーブについて、各時刻
tの温度変化率c、すなわち、
【数1】c=(測温値T−初期温度T0 )/(溶湯温度
r −初期温度T0 ) を縦軸に記録したものである。ここで、初期温度T0
測温センサの溶湯投入直前(t=0)の出力値であり、
溶湯温度Tr は溶湯の真温である。図10において、温
度変化率cのカーブは図9の各モデルについてみごとに
一致する。つまり、同一の測温センサについては、初期
温度T0 や溶湯温度Tr によらず、グラフは1本の曲線
で表すことが可能であることが判明した。従って、ある
測温センサについて時間tの経過ごとの温度変化率cを
予め求めておけば、測温値Tから温度変化率cをパラメ
ータとして、数1により溶湯温度Tr を求めることがで
きる。そこで、この発明では、このアルゴリズムにより
測温値Tから溶湯温度Tr を予測することとした。
【0012】図10の特性曲線は、
【数2】c=k(1−e-nt ) として近似することができる。ここで、k,nは測温セ
ンサにより定まる定数で、ある測温センサについては、
例えばk=1.0 ,n=0.17とすると実測カーブと良好に
一致する。
【0013】
【発明の実施の形態】図1及び図2は上部浸漬形連続測
温センサ1の実施の形態を示すもので、図1は先端部分
(感温部分)1aのみを縦断面図にした側面図、図2は
先端部分の拡大図である。図1において、感温素子2
(図2)には熱電対(R熱電対)が用いられ、この熱電
対2はアルミナの絶縁管3に収められ、その外側に先端
部分を除いてアルミナの保護管4が被せられている。ま
た、絶縁管3の先端部分には白金キャップ5(図2)が
嵌め込まれている。これら全体はMo−ZrO2 の保護
管6に挿入され、その先端側には感温部分1aを除くス
ラグライン部分に、アルミナ−シリカ系材質、アルミナ
系材質あるいはTiO2 材からなる保護スリーブ7が被
せられている。
【0014】図1において、保護管6の基端側はステン
レス管8で覆われ、保護スリーブ7とのつなぎ目は成形
断熱材9で覆われるとともに、その外側にステンレスの
固定金具10が取り付けられている。参考までに図示測
温センサ1の概略寸法( いずれも単位はmm)を例示する
と、熱電対2の外径は0.8 、絶縁管3の内外径は0.8×
3、アルミナ保護管4の内外径は4×6、Mo−ZrO
2 保護管6の内外径は10×24、保護スリーブ7の外径は
40、保護スリーブ7から露出する感温部分1aの長さH
は70、固定金具10の端面から感温部分1aの先端まで
の長さhは555である。図1の測温センサ1は耐用性を
重視して保護管6の肉厚を厚くしたものであるが、応答
性を重視して時定数を小さくしたい場合には、図3に要
部のみを示したように、保護管6の先端の外径を例えば
16mmとして肉厚を薄くすることができる。
【0015】図4は炉底埋込形連続測温センサ11の実
施の形態を示す縦断面図、図5はその先端部分の拡大図
である。炉底埋込形連続測温センサ11の構造は上部浸
漬形連続測温センサ1と本質的に同じであり、対応する
部分には図1と同じ符号を付してある。図4及び図5に
おいて、図1と相違する点として、後述する埋め込みの
便のために、Mo−ZrO2 保護管6の外側に成形耐火
材からなる円錐状のセンサブロック12が形成され、セ
ンサブロック12から露出するMo−ZrO2保護管6
の先端部分には、アルミナ−シリカ系材質、アルミナ系
材質あるいはTiO2 材からなる耐酸化性のコーティン
グ13がはけ塗り・焼結により施されている。また、ア
ルミナ保護管4とMo−ZrO2 保護管6との間の空間
には、アルミナパウダー14が充填されている。このア
ルミナパウダー14は、後述するように測温センサ11
が炉底に埋め込まれた状態で機械的衝撃や溶損により破
損した場合に、溶湯の炉外への流出を防止する役割をす
るものである。図示のものは保護管6の外径は例えば30
mm、センサブロック12から露出する部分の長さHは25
mmとなっている。
【0016】図6は、誘導炉(るつぼ形誘導炉)15に
上部浸漬形連続測温センサ1を浸漬するためのセンサス
ライド機構16の実施の形態を示す側面図である。セン
サスライド機構16は伸縮可能な旋回アーム17と、そ
の先端から垂下された昇降可能なフレーム18とからな
り、フレーム18に保持させた測温センサ1を100mmの
深さまで溶湯中に浸漬させうるようになっている。
【0017】一方、図7は、るつぼ形誘導炉15に炉底
埋込形連続測温センサ11を取り付けた状態を示す縦断
面図である。図7において、誘導炉15の炉底耐火物1
9及び耐火レンガ20を貫通するように、円錐状の中空
孔を持つスリーブレンガ21が固着され、その中空孔部
に測温センサ11のセンサブロック12が着脱可能に嵌
め込まれ、押え板22を介してコッタ23で固定されて
いる。炉内に突出する測温センサ11の先端部分は、外
力からの物理的保護のために耐火物19に作られたくぼ
み19aの中に納められている。
【0018】図8は、上部浸漬形連続測温センサ1を用
いた鋳鉄鋳物用高周波誘導炉の過昇温防止装置の実施の
形態を示すシステムブロック図である。図5において、
測温センサ1は待機状態では溶湯面から例えば数十cm離
れた上方にあるが(図6参照)、測温時には下降して先
端部が溶湯中に例えば100mm 浸漬される。図8におい
て、測温センサ1は下降の際、途中に設けられた下限ス
イッチLSを押し、その信号はAND回路に入力され
る。一方、測温センサ1の信号はアナログ入力回路AI
1を介して比較判定器に入力され、温度変化幅設定値と
比較される。
【0019】ここで、温度変化幅とは測温センサ1の測
温値の毎秒の上昇幅を意味し、その設定値は、測温セン
サ1が溶湯と接触したことをその測温値の急激な上昇か
ら検知するための目安として予め設定されるものであ
る。比較判定器は測温センサ1の測温値の毎秒の変化率
と温度変化幅設定値とを比較し、測温値の変化率が温度
変化幅設定値を上回れば信号を出力し、この信号はAN
D回路に入力される。AND回路は下限スイッチLSと
比較判定器CPとから同時に信号が入力されると、測温
センサ1が浸漬されたものとして信号を出力し、スイッ
チSW1をオンする。
【0020】スイッチSW1がオンすると、測温センサ
1の信号は真温予測演算手段に入力され、その測温値は
真温に補正される。ここで、真温予測演算手段には、測
温センサ1のすでに述べたパラメータc(数1参照)の
データテーブルが記憶されており、真温予測演算手段は
測温センサ1の浸漬開始時点からの経過時間、例えば1
秒ごとに測温センサ1の測温値Tとパラメータcとに基
づいて数1から真温予測値Trを演算し、逐次出力す
る。測温センサ1の応答遅れ(時定数)は数十秒程度で
あり、その時間の経過とともに測温センサ1の測温値は
真温とほぼ一致するので、一定時間、例えば1分間が経
過したら真温予測演算手段をバイパスして測温センサ1
の信号をそのまま次段に出力する。
【0021】真温予測演算手段から出力された真温予測
値Trは温度表示変換回路を介して表示器に表示され
る。同時に、この信号は減算器SUB1に入力され、、
目標温度設定値との差の有無が判定される。そして差が
あれば、差分に相当する信号が自動温度調節器ATC1
に入力されてP・I制御され、出力制限回路HL・LL
1を介して電力信号として出力される。その場合、この
電力信号が出力制限回路HL・LL1のリミット幅に達
していれば、自動保温指令回路から電力を保温電力にま
で低下させる保温指令が出力され、出力制限回路HL・
LL2からアナログ出力回路AOを介して保温電力信号
が出力される。この保温電力信号は誘導炉15の整流器
REC及びインバータINVの制御装置REGを制御
し、誘導炉15のコイルへの供給電力を溶湯の保温に必
要な電力に降下させる。
【0022】一方、出力制限回路HL・LL1からの信
号は減算器SUB2に入力されており、溶解・昇温制御
「入」押ボタンPBのオンによりスイッチSW2がオン
していることを前提に、減算器SUB2により電力設定
値との差の有無が判定される。この電力設定値は誘導炉
の定格容量の範囲内において、目標昇温速度やデマンド
運転の有無などの操業条件に応じて予め設定される電力
値である。そこで、出力制限回路HL・LL1の出力が
リミット幅以下であり、その出力値と電力設定値とに差
があれば、減算器SUB2からその差分に相当する信号
が出力され、減算器SUB3に入力される。
【0023】減算器SUB3では減算器SUB2からの
信号と、電力検出器からアナログ入力回路AI2を介し
て入力された現在の電力との差の有無が判定され、差が
あればその差分に相当する信号が自動温度調節器ATC
2に入力されてP・I制御され、出力制限回路HL・L
L2から電力信号がアナログ出力回路AOを介して誘導
炉の制御装置REGに加えられ、供給電力の増大による
昇温が行われる。なお、測温センサ1に異常が生じると
スイッチSW3がオンし、予め設定された保温電力値が
出力制限回路HL・LL2に入力されて、誘導炉に対す
る電力供給は保温電力まで低減される。
【0024】上述の通り、測温センサ1を溶湯に連続的
に浸漬し、その測温値から予測した溶湯温度が目標温度
以下であり、かつ現在電力が電力設定値以下であれば溶
湯の昇温を図る一方、溶湯温度が目標値に達し、あるい
は現在電力が電力設定値に達し、更には測温センサ1に
異常が生じた場合には供給電力を速やかに保温電力まで
降下させる。これにより、溶湯の不測の過昇温が確実に
防止される。図8では上部浸漬形連続測温センサ1を用
いた例を示したが、炉底埋込形連続測温センサ11を用
いた場合も下限スイッチLSが不要となる点を除いて、
制御方法は本質的に同じである。その場合、炉底埋込形
連続測温センサ11は炉内温度を常温から連続的に計測
することになるが、真温予測による測温値の補正は溶解
材が溶融し、測温センサ11が溶湯に接触するに至った
時点で行われることになる。
【0025】
【発明の効果】以上の通り、この発明によれば、1500℃
を超える鋳鉄溶湯の温度を連続的に計測しうる測温セン
サを開発したことにより、誘導炉の自動温度調節運転を
可能にして溶湯温度の過昇温を確実に防止できるととも
に、測温センサの応答遅れを補正する真温予測手法を確
立したことにより、測温センサを高温の溶湯中に投入し
た場合においても実用上問題のない応答性と精度で溶湯
温度をほぼ即時に知ることができる。具体的には、実稼
働中の6t及び1.5tの高周波誘導炉を用い、鋳鉄の溶解操
業による実証試験を実施した結果、以下の性能を確認す
ることができた。 (1) 上部浸漬形連続測温センサは、鋳鉄溶湯の連続測温
において、連続 100時間以上の溶損に耐え、繰り返し 2
00回以上の熱衝撃に耐えうる。 (2) 更に炉底埋込形連続測温センサは、酸化性雰囲気下
の冷材溶解30回を実証し、この破断調査から十分 100回
の使用に耐えうる。 (3) 過昇温防止システムの真温予測演算により、高周波
誘導炉の高速昇温スピードにあった応答性の確保がで
き、10秒以下で真温表示ができる。 (4) 誘導炉の自動温度調節運転により、3%以上の省エ
ネが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態を示す上部浸漬形連続測
温センサの一部断面側面図である。
【図2】図1の要部拡大図である。
【図3】上部浸漬形連続測温センサの異なる実施の形態
を示す要部縦断面図である。
【図4】この発明の実施の形態を示す炉底埋込形連続測
温センサの一部断面側面図である。
【図5】図4の要部拡大図である。
【図6】図1の上部浸漬形連続測温センサを誘導炉の溶
湯に浸漬させるセンサスライド機構の実施の形態を示す
側面図である。
【図7】図4の炉底埋込形連続測温センサを埋め込んだ
誘導炉の実施の形態を示す縦断面図である。
【図8】この発明の実施の形態を示す誘導炉過昇温防止
システムのブロック図である。
【図9】保護管を有する測温センサを鋳鉄溶湯に浸漬し
た場合における測温値の時間変化の実験結果を示す線図
である。
【図10】図9の線図に基づいて求めた温度変化率cの時
間変化を示す線図である。
【符号の説明】
1 上部浸漬形連続測温センサ 2 感温素子(熱電対) 3 絶縁管 4 保護管 6 保護管 7 保護スリーブ 11 炉底埋込形連続測温センサ 13 アルミナ系コーティング 14 アルミナパウダー 15 誘導炉
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高山 定和 東京都千代田区丸の内一丁目8番2号 東京窯業株式会社内 (72)発明者 古城 靖彦 神奈川県川崎市川崎区田辺新田1番1号 富士電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平9−250879(JP,A) 特開 平7−174637(JP,A) 特開 平8−21768(JP,A) 実開 平2−146335(JP,U) 実公 平6−38320(JP,Y2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F27D 11/06 H05B 6/06 393 H05B 6/18

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】誘導炉の溶湯との接触部の外側を保護管で
    被覆した測温センサにより測定した前記溶湯の測温値か
    ら、そのときの前記溶湯の実際の温度(真温)を予測す
    るアルゴリズムを予め定めておき、炉内溶湯の温度を前
    記測温センサにより連続的に測定し、その測温値から前
    記アルゴリズムに基づいて前記炉内溶湯の真温を予測す
    るとともに、この予測真温値が目標温度に達したら誘導
    炉に対する投入電力を所定レベルまで降下させることを
    特徴とする誘導炉の過昇温防止方法。
  2. 【請求項2】前記測温センサを溶湯が接触してからの各
    時間ごとのパラメータc=(T−To )/(Tr −T
    o )〔ただし、T:測温センサの測温値,To :測温
    センサが溶湯に接触する直前の測温値(初期温度),T
    r :溶湯の真温〕を実験により求めておき、このパラ
    メータcから演算により真温値Trを予測することを特
    徴とする請求項1記載の誘導炉の過昇温防止方法。
  3. 【請求項3】前記投入電力の所定レベルは溶湯の保温レ
    ベルであることを特徴とする請求項1記載の誘導炉の過
    昇温防止方法。
  4. 【請求項4】c=k(1−e-nt )(ただし、k,n:
    定数,t:時間)の近似式で前記パラメータcを表すこ
    とを特徴とする請求項2記載の誘導炉の過昇温防止方
    法。
  5. 【請求項5】誘導炉の溶湯との接触部の外側を保護管で
    被覆した測温センサと、この測温センサにより測定した
    前記溶湯の測温値から、予め定められたアルゴリズムに
    基づいて、そのときの前記溶湯の実際の温度(真温)を
    予測する演算処理を行い、真温予測値を出力する真温予
    測演算処理手段と、前記真温予測値が目標温度に達した
    ら誘導炉に対する投入電力を所定レベルまで降下させる
    制御手段とからなることを特徴とする誘導炉の過昇温防
    止装置。
  6. 【請求項6】測温センサ誘導炉の溶湯の上部に浸漬す
    る場合において、この測温センサの前記溶湯と接触する
    部分の外側をMo−ZrO2材からなる保護管で被覆す
    るとともに、この保護管の感温部分を除くスラグライン
    部分の表面にアルミナ−シリカ系材質、アルミナ系材質
    又はTiO2材からなる保護スリーブを配したことを特
    徴とする誘導炉の測温センサ。
  7. 【請求項7】測温センサ誘導炉の炉底に埋め込む場合
    において、この測温センサの前記誘導炉の溶湯と接触す
    る部分の外側をMo−ZrO2材からなる保護管で被覆
    するとともに、この保護管の炉内に突出する先端部分に
    アルミナ−シリカ系材質、アルミナ系材質又はTiO2
    材からなる酸化防止保護膜をコーティングしたことを特
    徴とする誘導炉の測温センサ。
  8. 【請求項8】前記保護管の内側にアルミナパウダーを充
    填したことを特徴とする請求項7記載の誘導炉の測温セ
    ンサ。
JP01047499A 1999-01-19 1999-01-19 誘導炉の過昇温防止方法・装置及び測温センサ Expired - Fee Related JP3441663B2 (ja)

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