JP4577703B2 - 溶解炉用熱電対及びそれを用いた温度測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶解炉用熱電対及びそれを用いた温度測定方法に係り、特に、バーナ式溶解炉、電気炉内の金属溶湯の温度測定を行なう熱電対及びそれを用いた温度測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属溶湯を溶解精練（以下、溶製と示す）するための手段として、電気炉やバーナ炉が用いられている。バーナ炉の一つとして、円筒状の炉体内に金属塊（金属溶湯原料）を投入した後、炉体内に挿入したガスバーナを燃焼させると共に、炉体を周方向に回転させて金属溶湯を溶製するバーナ式回転炉が挙げられる。
【０００３】
溶製された金属溶湯を出湯する際、金属溶湯が完全に溶解しているかどうかを判断すべく、金属溶湯の温度測定を行っており、金属溶湯の温度が所定の温度以上に達していたら溶解完了とみなしている。この温度測定には、一般に、熱電対が用いられている。
【０００４】
従来のバーナ式回転炉における金属溶湯の温度測定は、ガスバーナの燃焼を一時停止した後、熱電対の先端部を金属溶湯に浸漬することで行っている。この時、金属溶湯の測定温度が所定温度に達していたら金属溶湯の出湯を行い、金属溶湯の測定温度が所定温度未満であったら再びガスバーナを燃焼させて溶解を続行している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バーナ式回転炉における従来の金属溶湯の温度測定は、温度測定の際に、ガスバーナの燃焼を一時停止しなければならないため、一時停止中に、炉体および金属溶湯の温度低下を招いてしまう。すなわち、金属溶湯の温度測定に伴って熱損失が生じることから、その分だけ、ガスバーナの燃料が無駄になってしまうという問題があった。
【０００６】
また、金属溶湯の温度が所定温度に達したかどうかは、熱電対を、実際に金属溶湯に浸漬してみないと分からないため、場合によっては、出湯前に何度も温度測定を行う羽目になる。ここで、一般的には、使い捨てタイプの熱電対を使用しているため、金属溶湯の溶製を１回行うのに、温度測定を何度も行うと、その分、熱電対の使用本数が多くなることから、溶製コストの上昇を招いてしまう。
【０００７】
さらに、寿命に伴って熱電対の交換を行う際、熱電対全体を取り替えると、損傷がない部分も交換することになるため、非効率である。
【０００８】
また、ガスバーナの燃焼を一時停止して温度測定を行うとはいえ、熱電対は高温に晒されるため、熱電対の本体ケーシングには、高価で、かつ、成形性が困難な複合セラミックス（例えば、窒化ケイ素系複合セラミックス）を用いていた。
【０００９】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、熱電対の先端部のみを交換することが可能で、かつ、その交換に伴う着脱が容易な溶解炉用熱電対を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、金属溶湯の溶解完了時期を略正確に検知可能な溶解炉用熱電対を用いた温度測定方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る溶解炉用熱電対は、耐熱性材料で形成され、一端が閉じたシースの閉端内部に熱電対素線の測温点を臨ませて配置すると共に、シースの開端にシースを閉じる熱電対コネクタを設けてなる熱電対交換部と、熱電対保持部で構成され、その熱電対交換部のシース閉端部を溶解炉内の金属溶湯に浸漬して温度測定を行なう溶解炉用熱電対において、上記熱電対保持部として、外管と該外管内を熱電対の長手軸方向に摺動する内管との二重構造の金属保護管を有し、上記熱電対交換部のシース開端側に凹部を設け、上記内管の熱電対交換部側端部に、上記内管に嵌合する固定部と、上記熱電対交換部を固定するフック部と、該フック部を熱電対の径方向外側に開くように付勢するバネ部材とで構成される固定手段を備え、上記外管の熱電対交換部側端部には、上記フック部を熱電対の径方向内側に閉じるように拘束する拘束部を有した外管嵌合部材が嵌合されて設けられており、上記内管を上記外管内で摺動させて、上記フック部を上記拘束部で拘束し、又は、上記バネ部材で開いて、上記固定手段のフック部の先端と上記シースの凹部とを噛み合わせたり、外したりすることで、上記熱電対交換部と上記熱電対保持部とを着脱自在に接続し、上記金属保護管の他端に冷却空気供給手段を接続し、温度測定の際、冷却空気を金属保護管の内管を通して熱電対交換部側に供給すると共に、内管と外管の間を通して排出するようにしたものである。
【００１２】
以上の構成によれば、熱電対を、金属溶湯に浸漬される熱電対交換部と熱電対保持部で構成すると共に、それらを着脱自在に接続することで、温度測定の経過に伴って熱電対交換部が劣化した際、熱電対交換部のみを交換することが可能となる。
【００１３】
また、上記シースを、Ｍｏ−ＺｒＯ2 系サーメットの単体、窒化ケイ素系セラミックスの単体、又は窒化ケイ素系セラミックスからなる内部シースとＭｏ−ＺｒＯ2 系サーメットからなる外部シースの複合体で形成してもよい。
【００１４】
また、上記シースと上記熱電対素線との間の空隙を、窒化ケイ素系セラミックスで充填してもよい。
【００１５】
また、上記シース表面の溶湯非浸漬部分に、酸化物系セラミックスの耐酸化被覆層を設けてもよい。
【００１６】
また、少なくとも上記熱電対交換部と上記金属保護管の接続部近傍を、アルミナ系セラミックスからなる円筒状の断熱体で覆ってもよい。
【００１８】
一方、本発明に係る溶解炉用熱電対を用いた温度測定方法は、耐熱性材料で形成され、一端が閉じたシースの閉端内部に熱電対素線の測温点を臨ませて配置すると共に、シースの開端にシースを閉じる熱電対コネクタを設けてなる熱電対交換部と熱電対保持部で構成され、上記熱電対保持部として、外管と該外管内を熱電対の長手軸方向に摺動する内管との二重構造の金属保護管を有し、上記熱電対交換部のシース開端側に凹部を設け、上記内管の熱電対交換部側端部に、上記内管に嵌合する固定部と、上記熱電対交換部を固定するフック部と、該フック部を熱電対の径方向外側に開くように付勢するバネ部材とで構成される固定手段を備え、上記外管の熱電対交換部側端部には、上記フック部を熱電対の径方向内側に閉じるように拘束する拘束部を有した外管嵌合部材が嵌合されて設けられており、上記内管を上記外管内で摺動させて、上記フック部を上記拘束部で拘束し、又は、上記バネ部材で開いて、上記固定手段のフック部の先端と上記シースの凹部とを噛み合わせたり、外したりすることで、上記熱電対交換部と上記熱電対保持部とを着脱自在に接続してなる溶解炉用熱電対を用いて、その熱電対交換部のシース閉端部を溶解炉内の金属溶湯に浸漬して温度測定を行なう温度測定方法において、上記溶解炉用熱電対のシース先端部を、バーナ式回転炉の排煙・火炎出口近傍に配置すると共に、金属溶湯原料の溶解中、排煙・火炎出口近傍の火炎の温度を測定し、その測定温度から上記金属溶湯の溶解完了時期を検知し、その後、金属溶湯の温度測定を行うものである。
【００１９】
また、他の実施の形態に係る溶解炉用熱電対を用いた温度測定方法は、耐熱性材料で形成され、一端が閉じたシースの閉端内部に熱電対素線の測温点を臨ませて配置すると共に、シースの開端にシースを閉じる熱電対コネクタを設けてなる熱電対交換部と熱電対保持部で構成され、上記熱電対保持部として、外管と該外管内を熱電対の長手軸方向に摺動する内管との二重構造の金属保護管を有し、上記熱電対交換部のシース開端側に凹部を設け、上記内管の熱電対交換部側端部に、上記内管に嵌合する固定部と、上記熱電対交換部を固定するフック部と、該フック部を熱電対の径方向外側に開くように付勢するバネ部材とで構成される固定手段を備え、上記外管の熱電対交換部側端部には、上記フック部を熱電対の径方向内側に閉じるように拘束する拘束部を有した外管嵌合部材が嵌合されて設けられており、上記内管を上記外管内で摺動させて、上記フック部を上記拘束部で拘束し、又は、上記バネ部材で開いて、上記固定手段のフック部の先端と上記シースの凹部とを噛み合わせたり、外したりすることで、上記熱電対交換部と上記熱電対保持部とを着脱自在に接続してなる溶解炉用熱電対を用いて、その熱電対交換部のシース閉端部を溶解炉内の金属溶湯に浸漬して温度測定を行なう温度測定方法において、上記溶解炉用熱電対のシース先端部を、電気炉の溶湯上方に配置すると共に、金属溶湯原料の溶解中、溶湯上方の雰囲気温度を測定し、その測定温度から上記金属溶湯の溶解完了時期を検知し、その後、金属溶湯の温度測定を行うものである。
【００２０】
以上の方法によれば、金属溶湯原料の溶解中、熱電対で、火炎温度又は溶湯上方の雰囲気温度を測定することで、金属溶湯の溶解完了時期を略正確に検知することができ、金属溶湯の温度測定回数を最小限に抑えることができる。
【００２１】
また、一定時間内の温度上昇の勾配又は温度上昇曲線の接線の傾きの微分値から、温度上昇が飽和に達する時の温度を予測し、その予測温度を測定温度として、温度上昇が飽和に達する前に表示するのが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００２３】
本発明に係る溶解炉用熱電対の断面概略図を図１に、図１の要部Ａの拡大図を図２に、図２のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、およびＣ−Ｃ線断面図をそれぞれ図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に、図１の要部Ｂの拡大図を図５に、熱電対と動力部の係合状態を示す平面図を図６に示す。
【００２４】
図１，２に示すように、本発明に係る溶解炉用熱電対１は、熱電対素線（図示せず）を収容し、一定回数の温度測定毎に交換を行う熱電対交換部２と、その熱電対交換部２と接続されると共に熱電対交換部２を保持し、一定のスパン毎（例えば、定期点検時）に交換を行う熱電対保持部３で構成される。
【００２５】
熱電対交換部２は、一端が閉端であり、かつ、セラミックスからなる内部シース４とサーメットからなる外部シース５の二重構造のシース６の閉端内部に、熱電対素線の測温点を臨ませて配置し、シース６の開端には、シース６を閉じる熱電対コネクタ７を設けてなるものである。シース６と熱電対素線との間の空隙Ｓは、窒化ケイ素系セラミックス（図示せず）で密封充填されている。シース６の開端側（図１，２中では右側）における周面の、後述するフック部１８の先端１８ａと向かい合う位置には、凹部６ａが形成されている。シース６表面の溶湯に浸漬されない部分（溶湯非浸漬部分）には、酸化物系セラミックスからなる耐酸化被覆層３２が形成されている。
【００２６】
熱電対交換部２におけるシース６の開端側には、熱電対保持部３が着脱自在に接続されている。熱電対保持部３は、内管１１と外管１２の二重構造の金属保護管１３と、金属保護管１３の外管１２に嵌合される保持部３１と、少なくとも熱電対交換部２と金属保護管１３の接続部近傍を覆うアルミナ系セラミックスの断熱体１４とで構成される。ここで、図４（ｃ）に示すように、内管１１の先端部の両側（図４（ｃ）中では左右側）には、切欠き部１１ａ，１１ｂが形成されている。また、内管１１の長さは外管１２よりも十分に長いため、内管１１の後端部は外管１２より突出している。さらに、図５に示すように、外管１２の後端と内管１１との間隙は、リング部材５４により塞がれているが、このリング部材５４のリング穴内周面５４ａと内管１１の外周面とは、内管１１の長手軸方向（図５中では左右方向）に摺動自在である。
【００２７】
内管１１の熱電対交換部側（図１，２中では左側）の端部（以下、先端部と示す）には、熱電対交換部２を機械的に固定する固定手段１５と、熱電対コネクタ７と接続する第１コネクタ１６が設けられている。また、第１コネクタ１６には、補償導線２０と接続された第２コネクタ１９が接続されており、この補償導線２０は、内管１１の内部および内管１１の後端近傍に設けた導線挿通管２３を介して、熱電対１の外部の測定機器（図示せず）と接続されている。さらに、第２コネクタ１９は、図４（ｂ）に示すように、コネクタ支持ケース１９ａとコネクタ本体１９ｂとで構成されており、ケース１９ａは、内管１１の先端部側から前述した切欠き部１１ａ，１１ｂに嵌め込んで設けられ、このケース１９ａに本体１９ｂが載置して設けられる。また、金属保護管１３の内管１１の後端には冷却空気供給手段２１が接続されている。
【００２８】
固定手段１５は、内管１１に嵌合する固定部１７と、固定部１７とバネ部材３０を介して係合され、熱電対交換部２を固定するフック部１８で構成される。このフック部１８の先端１８ａが、シース６の凹部６ａに噛み合わされる。
【００２９】
保持部３１は、シース保持部材３３と、リング部材３５と、外管嵌合部材３７で構成されている。円筒状のシース保持部材３３は、一端側（図２中では左側）にシース６の耐酸化被覆層３２の外径よりやや大径の小径部３４ａが、他端側（図２中では右側）に大径部３４ｂが形成されており、小径部３４ａと大径部３４ｂの段差部３４ｃに、小径部３４ａと同径の穴３５ａを有するリング部材３５が着座されている。リング部材３５の周縁に形成された段差部３６には、円筒状の外管嵌合部材３７が嵌合されている。外管嵌合部材３７の内周部は、リング部材３５に嵌合する一端側（図２中では左側）が大径に、他端側（図２中では右側）が小径に形成されている。この小径部が前述したフック部１８を拘束する拘束部３８となり、大径部と小径部はテーパ部３９で接続されている。また、外管嵌合部材３７の他端側外周部は、段差部４０を介して縮径されており、この縮径部４１に前述した外管１２が嵌合される。
【００３０】
また、断熱体１４は、アルミナ系セラミックスからなる多孔質体１４ａと、多孔質体１４ａの表面に被覆形成され、セメント状のアルミナ系セラミックスからなるコーティング被膜１４ｂとで構成される。コーティング被膜１４ｂは、多孔質体１４ａの飛散防止のために形成するものであって、多孔質体１４ａの種類によってはコーティング被膜１４ｂを被覆形成しなくてもよい。
【００３１】
さらに、内管１１の、外管１２からの突出部近傍には、図５に示すように、円筒状の被把持部材５１が嵌め込まれており、この被把持部材５１に、図６に示す動力部６１の把持部材６２が接続される。被把持部材５１は、前方側（図５中では左側）に外管１２と嵌合する大径部５１ａを、後方側（図５中では右側）に内管１１と略同径の小径部５１ｂを有しており、小径部５１ｂには拡径部５１ｃが形成されている。この拡径部５１ｃと内管１１の外周面の間隙にスプリング５２が挿入して配置されており、スプリング５２の挿入側端（図５中では左端）は小径部５１ｂと拡径部５１ｃの段差部５１ｄに着座されている。また、内管１１の外周面におけるスプリング５２の他端（図５中では右端）近傍には、スプリング５２を圧縮する押えリング５３が設けられている。
【００３２】
動力部６１は、図６に示すように、熱電対１を収容する収容部６４と、熱電対１の被把持部材５１を把持する把持部材６２と、把持部材６２と係合し、かつ、熱電対１の長手方向に沿って設けられたレール部材６３と、把持部材６２をレール部材６３に沿ってスライドさせる駆動手段（例えば、空気圧（エア）シリンダ、油圧シリンダなど（図示せず））で構成される。収容部６４の熱電対先端部側（図６中では左側）には開口６５が形成されている。
【００３３】
内部シース（例えば、外径φ４ｍｍ、内径φ２ｍｍ）４を構成するセラミックスとしては、例えば、窒化ケイ素などが挙げられる。また、外部シース（例えば、外径φ１３ｍｍ、内径φ７ｍｍ）５を構成するサーメットとしては、例えば、Ｍｏ−ＺｒＯ2 系サーメットなどが挙げられる。
【００３４】
熱電対素線の合金線としては、Ｗ−Ｒｅ系合金線又はＰｔ−Ｒｈ系合金線などが挙げられ、例えば、Ｗ−５Ｒｅ合金線とＷ−２６Ｒｅ合金線を用いた熱電対素線が挙げられる。
【００３５】
耐酸化被覆層３２を構成する酸化物系セラミックスとしては、特に限定するものではなく、例えば、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＳｉＯ2 等が挙げられる。
【００３６】
次に、本発明の作用を説明する。
【００３７】
本発明に係る熱電対における熱電対交換部と熱電対保持部を接続する際の断面拡大図を図３に示す。なお、図１，２と同様の部材には同じ符号を付している。
【００３８】
図３に示すように、熱電対交換部２と熱電対保持部３を接続する際は、先ず、フック部１８全体が外管嵌合部材３７の拘束部３８よりも前方側（図３中では左側）に位置するまで、内管１１を先端部側に押し込む。この時、バネ部材３０の付勢により、フック部１８が外側（図３中では上下側）に開く。また、内管１１を先端部側に押し込むことで、図５に示した押さえリング５３でスプリング５２が圧縮される。すなわち、内管１１に対しては、先端部側への押し込み力と、スプリング５２による後端部側への反発力が作用している。なお、内管１１の先端部側への押し込みは、内管１１の後端部に接続した油圧シリンダなどの押込み手段、或いは内管１１を手で持ち、作業員の手作業（人力）により行う。
【００３９】
次に、熱電対交換部２におけるシース６の開端側を、保持部３１のシース保持部材３３の小径部３４ａに挿入し、熱電対交換部２の熱電対コネクタ７を、内管１１の第１コネクタ１６と接続させる。この時、シース６の凹部６ａが、内管１１の固定手段１５におけるフック部１８の先端１８ａと向かい合うように、凹部６ａの形成位置を予め調整しておく。
【００４０】
次に、内管１１に対する押込み力を開放すると、スプリング５２による後端部側への反発力で、内管１１が後端部側へ引っ張られる。この時、内管１１の後端部側への移動に伴い、保持部３１における外管嵌合部材３７の拘束部３８でフック部１８が拘束されることによってフック部１８が徐々に内側に閉じ、図４（ａ）に示すように、フック部１８の先端１８ａが凹部６ａに噛み合う。その後、スプリング５２が完全に伸長することで、内管１１は所定の位置に戻り、第１コネクタ１６と第２コネクタ１９が接続される。また、熱電対交換部２が外管１２の内部まで引き込まれると共に、シース６の耐酸化被覆層３２の一部が保持部３１におけるシース保持部材３３の小径部３４ａ内に収まって保持される。
【００４１】
また、熱電対交換部２と熱電対保持部３の接続を外す際は、上述した手順と逆の手順により行う。その結果、熱電対交換部２と熱電対保持部３を着脱自在に接続することが可能となり、熱電対交換部２が寿命により使用不可能となった場合、熱電対交換部２のみを容易に取り替えることができる。
【００４２】
次に、熱電対保持部３に熱電対交換部２を接続してなる熱電対１を用いて温度測定を行う。
【００４３】
温度測定開始前の熱電対１は、図６（ａ）に示すように、収容部６４内に収容されている。よって、動力部６１の駆動手段を駆動させて、把持部材６２をレール部材６３に沿ってスライド移動（図６中では左側にスライド移動）させ、図６（ｂ）に示すように、熱電対１の大部分（図６（ｂ）中では先端から断熱体１４の後端部）を収容部６４の開口６５から露出させる。
【００４４】
その後、温度測定を行うが、この時、冷却空気供給手段２１を介して、冷却空気２２を内管１１の内部を通して先端部側（図２，５中では左側）に供給する。内管１１内に供給された冷却空気２２の一部は、図４（ｂ）に示すように、内管１１の先端部側の切欠き部１１ａ，１１ｂを抜けて内管１１と外管１２の間に抜ける。また、冷却空気２２の残部は、図４（ｃ）に示すように、固定部１７と第１コネクタ１６との間の隙間を抜けて、内管１１と外管１２の間に抜ける。
【００４５】
その後、内管１１と外管１２の間に抜けた冷却空気２２は、内管１１と外管１２の間を通って後端部側に案内され、外管１２の円周部（図５中では断熱体１４と被把持部材５１の間における外管１２の円周部）に貫通形成した排出穴（図５中では２個のみ図示）５５ａ，５５ｂから排出される。
【００４６】
以上、冷却空気２２を、内管１１の内部を通して先端部側に供給すると共に、内管１１と外管１２の間を通して後端部側に排出することで、温度測定中、補償導線２０、熱電対コネクタ７、第１コネクタ１６、第２コネクタ１９、および外管１２を冷却することができるため、安定して、かつ、正確に温度測定を行うことができる。
【００４７】
また、この冷却効果と共に、熱電対交換部２と金属保護管１３の接続部近傍を断熱体１４で覆うことで、熱電対保持部３の先端部側が、直接、高温雰囲気（例えば、火炎や高温ガス）に晒されるのを防ぐことができる。その結果、本発明に係る熱電対１を用いてバーナ式回転炉の金属溶湯の温度測定を行う際、ガスバーナを燃焼させたままであっても、金属溶湯の温度測定を行うことができる。
【００４８】
さらに、断熱体１４による断熱効果により、外管１２（従来の熱電対の本体ケーシングに相当）の形成材として、従来のように、高価で、成形性が困難な複合セラミックスではなく、通常の耐熱鋼又は耐熱合金（例えば、ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）等）を使用することが可能となり、従来より、安価に、かつ、成形性よく外管１２を形成することができる。また、冷却空気２２による冷却効果により、補償導線２０、コネクタ７，１６，１９および外管１２の寿命延長を図ることができる。
【００４９】
次に、本発明に係る熱電対の温度測定方法を添付図面に基いて説明する。
【００５０】
本発明に係る熱電対をバーナ式回転炉に取り付けた時の側面図を図７に、本発明に係る熱電対を用いて鋳鉄塊を溶解する際の、溶解開始からの経過時間と火炎温度との関係を図８に示す。なお、図１〜６と同様の部材には同じ符号を付している。
【００５１】
図７に示すように、バーナ式回転炉７１は、円筒状の炉体７２の排煙・火炎出口７３側（図７中では右側）にダクト７５を接続したものであり、炉体７２は回転自在となっている。また、ダクト７５における炉体接続口７５ａの近傍には、熱電対１を挿通させるための挿通部材７６が設けられている。さらに、熱電対１をその内部に収容する動力部６１が、固定部材７７により、炉体７２の回転軸８１の軸方向に対して傾いた状態で、ダクト７５に固定されており、動力部６１における収容部６４の開口６５に、挿通部材７６が嵌合されている。
【００５２】
先ず、炉体７２の内部に溶製を行う金属塊（例えば、鋳鉄塊（図示せず））を投入した後、ガスバーナ（図示せず）の先端を炉体７２の内部に挿入すると共に、ガスバーナを燃焼（燃焼温度は、例えば約１７００℃）させ、炉体７２を周方向に回転させながら金属塊の溶解を行う。ここで、ガスバーナの燃焼に先立って、動力部６１の駆動手段を駆動させて、熱電対１を収容部６４の開口６５から露出させると共に、熱電対１の熱電対交換部の先端を排煙・火炎出口７３の略中心に予め位置させておき、排煙・火炎出口７３から排出される排煙・火炎８０の温度を熱電対１で測定する。
【００５３】
この時、図８に示すように、溶解初期（図８中では０〜約３０分）においては、金属塊を加熱するためにガスバーナの火炎の熱量が奪われるため、排煙・火炎出口７３における火炎温度は比較的低い温度を示す。その後、溶解が進行するにつれて火炎温度は徐々に上昇していき、溶解後期（図８中では温度測定開始から約７５〜８０分後）には、飽和量以上に添加されたＣの燃焼により、火炎温度が最高温度Ｔ1 に達する。
【００５４】
その後、しばらくの間（約５〜１５分間）溶解を続けると、火炎温度が急激に低下するのが検知される（図８中では温度測定開始から約８０分以降）。この火炎温度の急激な低下時期は、溶解完了時期と略一致することから、この低下時期の検知をもって、出湯前の金属溶湯７４の温度測定を開始する。この火炎温度の急激な低下の理由を調べた結果、溶解完了に伴って金属溶湯中の余剰なＣの燃焼が無くなることから起こること、及び火炎温度の急激な低下時期と溶解完了時期とは略一致していることが判明した。すなわち、金属塊溶解中の排煙・火炎８０の温度を測定し、火炎温度が急激に低下する時期を検知することで、金属溶湯の溶解完了時期を略正確に知ることができる。
【００５５】
金属溶湯７４の温度測定は、動力部６１の駆動手段を再び駆動させて、熱電対１を収容部６４の開口６５から露出させると共に、熱電対１の熱電対交換部の先端部（耐酸化被覆層３２よりも先の部分（例えば、先端からの長さが６００ｍｍの部分））を炉体７２の内部の金属溶湯７４に浸漬することによって開始する。
【００５６】
この時、金属溶湯７４の温度の確定・表示は、温度測定中における一定時間内の温度上昇の勾配（又は温度上昇曲線の接線の傾きの微分値）から、温度上昇が飽和に達する時の温度を予測し、その予測温度を測定温度として確定し、温度上昇が飽和に達する前に測定機器の表示手段（図示せず）に表示するようにしている。
【００５７】
この表示された温度が、予め決めておいた所定温度に達していたら、ガスバーナによる溶解を停止し、金属溶湯７４を出湯する。また、この表示された温度が、予め決めておいた所定温度未満であったら、表示温度が所定温度に達するまでガスバーナによる溶解を続行する。
【００５８】
金属溶湯７４の具体的な温度測定経過を、図９に示すように、浸漬開始から約１００秒の間においては温度が徐々に上昇していく。その後、浸漬開始から約１００〜１２０秒で温度上昇は略飽和（図９中では約１５００℃弱）に達すると共に、浸漬開始から約１２０秒で温度上昇は完全に飽和し、この飽和温度Ｔ2 （図９中では約１５００℃）を測定温度として確定する。この飽和温度Ｔ2 が、前述の“予め決めておいた所定温度”に達していたら（図９中では浸漬開始から約１２０〜１５０秒後）、熱電対１を金属溶湯７４から引き上げる。この引上げによって熱電対１の温度は徐々に下がり始め、引上げ後約３０秒（図９中では浸漬開始から約１８０秒後）で表示温度は約１０００℃となる。ここで、熱電対１を引上げた後、熱電対１の表示温度が予め決めておいた所定温度（例えば、１０００℃）に下がった時点で１回の温度測定の終了とし、この温度測定の終了をもって測定回数がカウントされる。
【００５９】
本発明に係る熱電対を用いた温度測定方法においては、熱電対１をバーナ式回転炉７１に取り付けた場合について説明を行ったが、温度測定可能な炉はバーナ式回転炉７１に限定されるものではなく、電気炉であってもよい。この場合、熱電対１における熱電対交換部２の先端部を電気炉の金属溶湯上方に位置させる以外は、バーナ式回転炉７１の場合と同様に、金属溶湯上方の雰囲気温度が急激に低下する時期から金属溶湯の溶解完了時期を検知し、その後、金属溶湯７４の温度測定を行い、金属溶湯７４の温度の確定・表示を行う。
【００６０】
本発明に係る熱電対１の温度測定方法においては、熱電対保持部３の金属保護管１３を冷却空気２２で冷却しながら金属溶湯７４の温度測定を行っているため、温度測定を繰り返し行っても正確な温度測定ができ、金属溶湯７４中に浸漬される熱電対交換部２のシース６が破損するまで数百回（実験では３００回）以上の測定が可能であった。
【００６１】
これに対して、本発明に係る熱電対１を用いるものの冷却空気２２による冷却を行わなかった場合の温度測定結果は、最初の測定から数回の間は正確な温度測定を行うことができたが、温度測定回数を重ねるごとに測定誤差が拡大し、ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）製の外管１２が曲がってしまうという不具合が生じた。これは、温度測定を繰り返し行うことで、外管１２内部の温度が上昇し、補償導線２０およびコネクタ７，１６，１９が補償温度以上に晒されて異常値を示すために生じると共に、外管１２が高温になることで高温強度が低下し、外管１２の自重に耐えられなくなったために生じるものである。
【００６２】
また、この冷却空気２２による冷却効果と共に、熱電対交換部２と金属保護管１３の接続部近傍を断熱体１４で覆うことで、熱電対保持部３の先端部側が高温になるのを防ぐことができ、ガスバーナを燃焼させたまま、金属溶湯の温度測定を行うことができる。その結果、ガスバーナの燃料コストの低減を図ることができる。
【００６３】
さらに、金属塊溶解中のガスバーナの火炎温度を測定し、火炎温度の急激な低下時期の検知をもって、金属溶湯の溶解完了時期とすることで、出湯前の金属溶湯７４の温度を何度も測定する必要がなくなる（又は出湯前の金属溶湯７４の温度測定回数が１回で済む）ため、熱電対１の寿命延長を図ることができる。
【００６４】
以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００６５】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
（１） 本発明に係る溶解炉用熱電対によれば、熱電対の先端部が交換可能であり、また、その交換に伴う先端部の着脱が容易である。
（２） 本発明に係る溶解炉用熱電対の温度測定方法によれば、金属溶湯原料を溶解中の溶解炉における火炎温度又は金属溶湯近傍の雰囲気温度を測定し、その温度をモニタリングすることで、金属溶湯の溶解完了時期を略正確に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る溶解炉用熱電対の断面概略図である。
【図２】図１の要部Ａの拡大図である。
【図３】本発明に係る熱電対における熱電対交換部と熱電対保持部を接続する際の断面拡大図である。
【図４】図２のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、およびＣ−Ｃ線の各断面図である。
【図５】図１の要部Ｂの拡大図である。
【図６】熱電対と動力部の係合状態を示す平面図を図６である。
【図７】本発明に係る熱電対をバーナ式回転炉に取り付けた時の側面図である。
【図８】本発明に係る熱電対を用いてバーナ式回転炉の火炎温度を測温する際の、鋳鉄塊の溶解開始からの経過時間と熱電対モニター温度との関係を示す図である。
【図９】本発明に係る熱電対を用いて金属溶湯を測温する際の、熱電対を金属溶湯に浸漬してから測温が完了して熱電対を引き上げるまでの経過時間と熱電対測定温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 熱電対（溶解炉用熱電対）
２ 熱電対交換部
３ 熱電対保持部
４ 内部シース
５ 外部シース
６ シース
７ 熱電対コネクタ
１１ 内管
１２ 外管
１３ 金属保護管
１４ 断熱体
１５ 固定手段
１６ 第１コネクタ
２１ 冷却空気供給手段
２２ 冷却空気
３２ 耐酸化被覆層
７１ バーナ式回転炉（溶解炉）
７３ 排煙・火炎出口
７４ 金属溶湯
８０ 排煙・火炎（火炎）
Ｓ 空隙
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶解炉用熱電対及びそれを用いた温度測定方法に係り、特に、バーナ式溶解炉、電気炉内の金属溶湯の温度測定を行なう熱電対及びそれを用いた温度測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属溶湯を溶解精練（以下、溶製と示す）するための手段として、電気炉やバーナ炉が用いられている。バーナ炉の一つとして、円筒状の炉体内に金属塊（金属溶湯原料）を投入した後、炉体内に挿入したガスバーナを燃焼させると共に、炉体を周方向に回転させて金属溶湯を溶製するバーナ式回転炉が挙げられる。
【０００３】
溶製された金属溶湯を出湯する際、金属溶湯が完全に溶解しているかどうかを判断すべく、金属溶湯の温度測定を行っており、金属溶湯の温度が所定の温度以上に達していたら溶解完了とみなしている。この温度測定には、一般に、熱電対が用いられている。
【０００４】
従来のバーナ式回転炉における金属溶湯の温度測定は、ガスバーナの燃焼を一時停止した後、熱電対の先端部を金属溶湯に浸漬することで行っている。この時、金属溶湯の測定温度が所定温度に達していたら金属溶湯の出湯を行い、金属溶湯の測定温度が所定温度未満であったら再びガスバーナを燃焼させて溶解を続行している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バーナ式回転炉における従来の金属溶湯の温度測定は、温度測定の際に、ガスバーナの燃焼を一時停止しなければならないため、一時停止中に、炉体および金属溶湯の温度低下を招いてしまう。すなわち、金属溶湯の温度測定に伴って熱損失が生じることから、その分だけ、ガスバーナの燃料が無駄になってしまうという問題があった。
【０００６】
また、金属溶湯の温度が所定温度に達したかどうかは、熱電対を、実際に金属溶湯に浸漬してみないと分からないため、場合によっては、出湯前に何度も温度測定を行う羽目になる。ここで、一般的には、使い捨てタイプの熱電対を使用しているため、金属溶湯の溶製を１回行うのに、温度測定を何度も行うと、その分、熱電対の使用本数が多くなることから、溶製コストの上昇を招いてしまう。
【０００７】
さらに、寿命に伴って熱電対の交換を行う際、熱電対全体を取り替えると、損傷がない部分も交換することになるため、非効率である。
【０００８】
また、ガスバーナの燃焼を一時停止して温度測定を行うとはいえ、熱電対は高温に晒されるため、熱電対の本体ケーシングには、高価で、かつ、成形性が困難な複合セラミックス（例えば、窒化ケイ素系複合セラミックス）を用いていた。
【０００９】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、熱電対の先端部のみを交換することが可能で、かつ、その交換に伴う着脱が容易な溶解炉用熱電対を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、金属溶湯の溶解完了時期を略正確に検知可能な溶解炉用熱電対を用いた温度測定方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る溶解炉用熱電対は、耐熱性材料で形成され、一端が閉じたシースの閉端内部に熱電対素線の測温点を臨ませて配置すると共に、シースの開端にシースを閉じる熱電対コネクタを設けてなる熱電対交換部と、熱電対保持部で構成され、その熱電対交換部のシース閉端部を溶解炉内の金属溶湯に浸漬して温度測定を行なう溶解炉用熱電対において、上記熱電対保持部として、外管と該外管内を熱電対の長手軸方向に摺動する内管との二重構造の金属保護管を有し、上記熱電対交換部のシース開端側に凹部を設け、上記内管の熱電対交換部側端部に、上記内管に嵌合する固定部と、上記熱電対交換部を固定するフック部と、該フック部を熱電対の径方向外側に開くように付勢するバネ部材とで構成される固定手段を備え、上記外管の熱電対交換部側端部には、上記フック部を熱電対の径方向内側に閉じるように拘束する拘束部を有した外管嵌合部材が嵌合されて設けられており、上記内管を上記外管内で摺動させて、上記フック部を上記拘束部で拘束し、又は、上記バネ部材で開いて、上記固定手段のフック部の先端と上記シースの凹部とを噛み合わせたり、外したりすることで、上記熱電対交換部と上記熱電対保持部とを着脱自在に接続し、上記金属保護管の他端に冷却空気供給手段を接続し、温度測定の際、冷却空気を金属保護管の内管を通して熱電対交換部側に供給すると共に、内管と外管の間を通して排出するようにしたものである。
【００１２】
以上の構成によれば、熱電対を、金属溶湯に浸漬される熱電対交換部と熱電対保持部で構成すると共に、それらを着脱自在に接続することで、温度測定の経過に伴って熱電対交換部が劣化した際、熱電対交換部のみを交換することが可能となる。
【００１３】
また、上記シースを、Ｍｏ−ＺｒＯ2 系サーメットの単体、窒化ケイ素系セラミックスの単体、又は窒化ケイ素系セラミックスからなる内部シースとＭｏ−ＺｒＯ2 系サーメットからなる外部シースの複合体で形成してもよい。
【００１４】
また、上記シースと上記熱電対素線との間の空隙を、窒化ケイ素系セラミックスで充填してもよい。
【００１５】
また、上記シース表面の溶湯非浸漬部分に、酸化物系セラミックスの耐酸化被覆層を設けてもよい。
【００１６】
また、少なくとも上記熱電対交換部と上記金属保護管の接続部近傍を、アルミナ系セラミックスからなる円筒状の断熱体で覆ってもよい。
【００１８】
一方、本発明に係る溶解炉用熱電対を用いた温度測定方法は、耐熱性材料で形成され、一端が閉じたシースの閉端内部に熱電対素線の測温点を臨ませて配置すると共に、シースの開端にシースを閉じる熱電対コネクタを設けてなる熱電対交換部と熱電対保持部で構成され、上記熱電対保持部として、外管と該外管内を熱電対の長手軸方向に摺動する内管との二重構造の金属保護管を有し、上記熱電対交換部のシース開端側に凹部を設け、上記内管の熱電対交換部側端部に、上記内管に嵌合する固定部と、上記熱電対交換部を固定するフック部と、該フック部を熱電対の径方向外側に開くように付勢するバネ部材とで構成される固定手段を備え、上記外管の熱電対交換部側端部には、上記フック部を熱電対の径方向内側に閉じるように拘束する拘束部を有した外管嵌合部材が嵌合されて設けられており、上記内管を上記外管内で摺動させて、上記フック部を上記拘束部で拘束し、又は、上記バネ部材で開いて、上記固定手段のフック部の先端と上記シースの凹部とを噛み合わせたり、外したりすることで、上記熱電対交換部と上記熱電対保持部とを着脱自在に接続してなる溶解炉用熱電対を用いて、その熱電対交換部のシース閉端部を溶解炉内の金属溶湯に浸漬して温度測定を行なう温度測定方法において、上記溶解炉用熱電対のシース先端部を、バーナ式回転炉の排煙・火炎出口近傍に配置すると共に、金属溶湯原料の溶解中、排煙・火炎出口近傍の火炎の温度を測定し、その測定温度から上記金属溶湯の溶解完了時期を検知し、その後、金属溶湯の温度測定を行うものである。
【００１９】
また、他の実施の形態に係る溶解炉用熱電対を用いた温度測定方法は、耐熱性材料で形成され、一端が閉じたシースの閉端内部に熱電対素線の測温点を臨ませて配置すると共に、シースの開端にシースを閉じる熱電対コネクタを設けてなる熱電対交換部と熱電対保持部で構成され、上記熱電対保持部として、外管と該外管内を熱電対の長手軸方向に摺動する内管との二重構造の金属保護管を有し、上記熱電対交換部のシース開端側に凹部を設け、上記内管の熱電対交換部側端部に、上記内管に嵌合する固定部と、上記熱電対交換部を固定するフック部と、該フック部を熱電対の径方向外側に開くように付勢するバネ部材とで構成される固定手段を備え、上記外管の熱電対交換部側端部には、上記フック部を熱電対の径方向内側に閉じるように拘束する拘束部を有した外管嵌合部材が嵌合されて設けられており、上記内管を上記外管内で摺動させて、上記フック部を上記拘束部で拘束し、又は、上記バネ部材で開いて、上記固定手段のフック部の先端と上記シースの凹部とを噛み合わせたり、外したりすることで、上記熱電対交換部と上記熱電対保持部とを着脱自在に接続してなる溶解炉用熱電対を用いて、その熱電対交換部のシース閉端部を溶解炉内の金属溶湯に浸漬して温度測定を行なう温度測定方法において、上記溶解炉用熱電対のシース先端部を、電気炉の溶湯上方に配置すると共に、金属溶湯原料の溶解中、溶湯上方の雰囲気温度を測定し、その測定温度から上記金属溶湯の溶解完了時期を検知し、その後、金属溶湯の温度測定を行うものである。
【００２０】
以上の方法によれば、金属溶湯原料の溶解中、熱電対で、火炎温度又は溶湯上方の雰囲気温度を測定することで、金属溶湯の溶解完了時期を略正確に検知することができ、金属溶湯の温度測定回数を最小限に抑えることができる。
【００２１】
また、一定時間内の温度上昇の勾配又は温度上昇曲線の接線の傾きの微分値から、温度上昇が飽和に達する時の温度を予測し、その予測温度を測定温度として、温度上昇が飽和に達する前に表示するのが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００２３】
本発明に係る溶解炉用熱電対の断面概略図を図１に、図１の要部Ａの拡大図を図２に、図２のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、およびＣ−Ｃ線断面図をそれぞれ図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に、図１の要部Ｂの拡大図を図５に、熱電対と動力部の係合状態を示す平面図を図６に示す。
【００２４】
図１，２に示すように、本発明に係る溶解炉用熱電対１は、熱電対素線（図示せず）を収容し、一定回数の温度測定毎に交換を行う熱電対交換部２と、その熱電対交換部２と接続されると共に熱電対交換部２を保持し、一定のスパン毎（例えば、定期点検時）に交換を行う熱電対保持部３で構成される。
【００２５】
熱電対交換部２は、一端が閉端であり、かつ、セラミックスからなる内部シース４とサーメットからなる外部シース５の二重構造のシース６の閉端内部に、熱電対素線の測温点を臨ませて配置し、シース６の開端には、シース６を閉じる熱電対コネクタ７を設けてなるものである。シース６と熱電対素線との間の空隙Ｓは、窒化ケイ素系セラミックス（図示せず）で密封充填されている。シース６の開端側（図１，２中では右側）における周面の、後述するフック部１８の先端１８ａと向かい合う位置には、凹部６ａが形成されている。シース６表面の溶湯に浸漬されない部分（溶湯非浸漬部分）には、酸化物系セラミックスからなる耐酸化被覆層３２が形成されている。
【００２６】
熱電対交換部２におけるシース６の開端側には、熱電対保持部３が着脱自在に接続されている。熱電対保持部３は、内管１１と外管１２の二重構造の金属保護管１３と、金属保護管１３の外管１２に嵌合される保持部３１と、少なくとも熱電対交換部２と金属保護管１３の接続部近傍を覆うアルミナ系セラミックスの断熱体１４とで構成される。ここで、図４（ｃ）に示すように、内管１１の先端部の両側（図４（ｃ）中では左右側）には、切欠き部１１ａ，１１ｂが形成されている。また、内管１１の長さは外管１２よりも十分に長いため、内管１１の後端部は外管１２より突出している。さらに、図５に示すように、外管１２の後端と内管１１との間隙は、リング部材５４により塞がれているが、このリング部材５４のリング穴内周面５４ａと内管１１の外周面とは、内管１１の長手軸方向（図５中では左右方向）に摺動自在である。
【００２７】
内管１１の熱電対交換部側（図１，２中では左側）の端部（以下、先端部と示す）には、熱電対交換部２を機械的に固定する固定手段１５と、熱電対コネクタ７と接続する第１コネクタ１６が設けられている。また、第１コネクタ１６には、補償導線２０と接続された第２コネクタ１９が接続されており、この補償導線２０は、内管１１の内部および内管１１の後端近傍に設けた導線挿通管２３を介して、熱電対１の外部の測定機器（図示せず）と接続されている。さらに、第２コネクタ１９は、図４（ｂ）に示すように、コネクタ支持ケース１９ａとコネクタ本体１９ｂとで構成されており、ケース１９ａは、内管１１の先端部側から前述した切欠き部１１ａ，１１ｂに嵌め込んで設けられ、このケース１９ａに本体１９ｂが載置して設けられる。また、金属保護管１３の内管１１の後端には冷却空気供給手段２１が接続されている。
【００２８】
固定手段１５は、内管１１に嵌合する固定部１７と、固定部１７とバネ部材３０を介して係合され、熱電対交換部２を固定するフック部１８で構成される。このフック部１８の先端１８ａが、シース６の凹部６ａに噛み合わされる。
【００２９】
保持部３１は、シース保持部材３３と、リング部材３５と、外管嵌合部材３７で構成されている。円筒状のシース保持部材３３は、一端側（図２中では左側）にシース６の耐酸化被覆層３２の外径よりやや大径の小径部３４ａが、他端側（図２中では右側）に大径部３４ｂが形成されており、小径部３４ａと大径部３４ｂの段差部３４ｃに、小径部３４ａと同径の穴３５ａを有するリング部材３５が着座されている。リング部材３５の周縁に形成された段差部３６には、円筒状の外管嵌合部材３７が嵌合されている。外管嵌合部材３７の内周部は、リング部材３５に嵌合する一端側（図２中では左側）が大径に、他端側（図２中では右側）が小径に形成されている。この小径部が前述したフック部１８を拘束する拘束部３８となり、大径部と小径部はテーパ部３９で接続されている。また、外管嵌合部材３７の他端側外周部は、段差部４０を介して縮径されており、この縮径部４１に前述した外管１２が嵌合される。
【００３０】
また、断熱体１４は、アルミナ系セラミックスからなる多孔質体１４ａと、多孔質体１４ａの表面に被覆形成され、セメント状のアルミナ系セラミックスからなるコーティング被膜１４ｂとで構成される。コーティング被膜１４ｂは、多孔質体１４ａの飛散防止のために形成するものであって、多孔質体１４ａの種類によってはコーティング被膜１４ｂを被覆形成しなくてもよい。
【００３１】
さらに、内管１１の、外管１２からの突出部近傍には、図５に示すように、円筒状の被把持部材５１が嵌め込まれており、この被把持部材５１に、図６に示す動力部６１の把持部材６２が接続される。被把持部材５１は、前方側（図５中では左側）に外管１２と嵌合する大径部５１ａを、後方側（図５中では右側）に内管１１と略同径の小径部５１ｂを有しており、小径部５１ｂには拡径部５１ｃが形成されている。この拡径部５１ｃと内管１１の外周面の間隙にスプリング５２が挿入して配置されており、スプリング５２の挿入側端（図５中では左端）は小径部５１ｂと拡径部５１ｃの段差部５１ｄに着座されている。また、内管１１の外周面におけるスプリング５２の他端（図５中では右端）近傍には、スプリング５２を圧縮する押えリング５３が設けられている。
【００３２】
動力部６１は、図６に示すように、熱電対１を収容する収容部６４と、熱電対１の被把持部材５１を把持する把持部材６２と、把持部材６２と係合し、かつ、熱電対１の長手方向に沿って設けられたレール部材６３と、把持部材６２をレール部材６３に沿ってスライドさせる駆動手段（例えば、空気圧（エア）シリンダ、油圧シリンダなど（図示せず））で構成される。収容部６４の熱電対先端部側（図６中では左側）には開口６５が形成されている。
【００３３】
内部シース（例えば、外径φ４ｍｍ、内径φ２ｍｍ）４を構成するセラミックスとしては、例えば、窒化ケイ素などが挙げられる。また、外部シース（例えば、外径φ１３ｍｍ、内径φ７ｍｍ）５を構成するサーメットとしては、例えば、Ｍｏ−ＺｒＯ2 系サーメットなどが挙げられる。
【００３４】
熱電対素線の合金線としては、Ｗ−Ｒｅ系合金線又はＰｔ−Ｒｈ系合金線などが挙げられ、例えば、Ｗ−５Ｒｅ合金線とＷ−２６Ｒｅ合金線を用いた熱電対素線が挙げられる。
【００３５】
耐酸化被覆層３２を構成する酸化物系セラミックスとしては、特に限定するものではなく、例えば、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＳｉＯ2 等が挙げられる。
【００３６】
次に、本発明の作用を説明する。
【００３７】
本発明に係る熱電対における熱電対交換部と熱電対保持部を接続する際の断面拡大図を図３に示す。なお、図１，２と同様の部材には同じ符号を付している。
【００３８】
図３に示すように、熱電対交換部２と熱電対保持部３を接続する際は、先ず、フック部１８全体が外管嵌合部材３７の拘束部３８よりも前方側（図３中では左側）に位置するまで、内管１１を先端部側に押し込む。この時、バネ部材３０の付勢により、フック部１８が外側（図３中では上下側）に開く。また、内管１１を先端部側に押し込むことで、図５に示した押さえリング５３でスプリング５２が圧縮される。すなわち、内管１１に対しては、先端部側への押し込み力と、スプリング５２による後端部側への反発力が作用している。なお、内管１１の先端部側への押し込みは、内管１１の後端部に接続した油圧シリンダなどの押込み手段、或いは内管１１を手で持ち、作業員の手作業（人力）により行う。
【００３９】
次に、熱電対交換部２におけるシース６の開端側を、保持部３１のシース保持部材３３の小径部３４ａに挿入し、熱電対交換部２の熱電対コネクタ７を、内管１１の第１コネクタ１６と接続させる。この時、シース６の凹部６ａが、内管１１の固定手段１５におけるフック部１８の先端１８ａと向かい合うように、凹部６ａの形成位置を予め調整しておく。
【００４０】
次に、内管１１に対する押込み力を開放すると、スプリング５２による後端部側への反発力で、内管１１が後端部側へ引っ張られる。この時、内管１１の後端部側への移動に伴い、保持部３１における外管嵌合部材３７の拘束部３８でフック部１８が拘束されることによってフック部１８が徐々に内側に閉じ、図４（ａ）に示すように、フック部１８の先端１８ａが凹部６ａに噛み合う。その後、スプリング５２が完全に伸長することで、内管１１は所定の位置に戻り、第１コネクタ１６と第２コネクタ１９が接続される。また、熱電対交換部２が外管１２の内部まで引き込まれると共に、シース６の耐酸化被覆層３２の一部が保持部３１におけるシース保持部材３３の小径部３４ａ内に収まって保持される。
【００４１】
また、熱電対交換部２と熱電対保持部３の接続を外す際は、上述した手順と逆の手順により行う。その結果、熱電対交換部２と熱電対保持部３を着脱自在に接続することが可能となり、熱電対交換部２が寿命により使用不可能となった場合、熱電対交換部２のみを容易に取り替えることができる。
【００４２】
次に、熱電対保持部３に熱電対交換部２を接続してなる熱電対１を用いて温度測定を行う。
【００４３】
温度測定開始前の熱電対１は、図６（ａ）に示すように、収容部６４内に収容されている。よって、動力部６１の駆動手段を駆動させて、把持部材６２をレール部材６３に沿ってスライド移動（図６中では左側にスライド移動）させ、図６（ｂ）に示すように、熱電対１の大部分（図６（ｂ）中では先端から断熱体１４の後端部）を収容部６４の開口６５から露出させる。
【００４４】
その後、温度測定を行うが、この時、冷却空気供給手段２１を介して、冷却空気２２を内管１１の内部を通して先端部側（図２，５中では左側）に供給する。内管１１内に供給された冷却空気２２の一部は、図４（ｂ）に示すように、内管１１の先端部側の切欠き部１１ａ，１１ｂを抜けて内管１１と外管１２の間に抜ける。また、冷却空気２２の残部は、図４（ｃ）に示すように、固定部１７と第１コネクタ１６との間の隙間を抜けて、内管１１と外管１２の間に抜ける。
【００４５】
その後、内管１１と外管１２の間に抜けた冷却空気２２は、内管１１と外管１２の間を通って後端部側に案内され、外管１２の円周部（図５中では断熱体１４と被把持部材５１の間における外管１２の円周部）に貫通形成した排出穴（図５中では２個のみ図示）５５ａ，５５ｂから排出される。
【００４６】
以上、冷却空気２２を、内管１１の内部を通して先端部側に供給すると共に、内管１１と外管１２の間を通して後端部側に排出することで、温度測定中、補償導線２０、熱電対コネクタ７、第１コネクタ１６、第２コネクタ１９、および外管１２を冷却することができるため、安定して、かつ、正確に温度測定を行うことができる。
【００４７】
また、この冷却効果と共に、熱電対交換部２と金属保護管１３の接続部近傍を断熱体１４で覆うことで、熱電対保持部３の先端部側が、直接、高温雰囲気（例えば、火炎や高温ガス）に晒されるのを防ぐことができる。その結果、本発明に係る熱電対１を用いてバーナ式回転炉の金属溶湯の温度測定を行う際、ガスバーナを燃焼させたままであっても、金属溶湯の温度測定を行うことができる。
【００４８】
さらに、断熱体１４による断熱効果により、外管１２（従来の熱電対の本体ケーシングに相当）の形成材として、従来のように、高価で、成形性が困難な複合セラミックスではなく、通常の耐熱鋼又は耐熱合金（例えば、ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）等）を使用することが可能となり、従来より、安価に、かつ、成形性よく外管１２を形成することができる。また、冷却空気２２による冷却効果により、補償導線２０、コネクタ７，１６，１９および外管１２の寿命延長を図ることができる。
【００４９】
次に、本発明に係る熱電対の温度測定方法を添付図面に基いて説明する。
【００５０】
本発明に係る熱電対をバーナ式回転炉に取り付けた時の側面図を図７に、本発明に係る熱電対を用いて鋳鉄塊を溶解する際の、溶解開始からの経過時間と火炎温度との関係を図８に示す。なお、図１〜６と同様の部材には同じ符号を付している。
【００５１】
図７に示すように、バーナ式回転炉７１は、円筒状の炉体７２の排煙・火炎出口７３側（図７中では右側）にダクト７５を接続したものであり、炉体７２は回転自在となっている。また、ダクト７５における炉体接続口７５ａの近傍には、熱電対１を挿通させるための挿通部材７６が設けられている。さらに、熱電対１をその内部に収容する動力部６１が、固定部材７７により、炉体７２の回転軸８１の軸方向に対して傾いた状態で、ダクト７５に固定されており、動力部６１における収容部６４の開口６５に、挿通部材７６が嵌合されている。
【００５２】
先ず、炉体７２の内部に溶製を行う金属塊（例えば、鋳鉄塊（図示せず））を投入した後、ガスバーナ（図示せず）の先端を炉体７２の内部に挿入すると共に、ガスバーナを燃焼（燃焼温度は、例えば約１７００℃）させ、炉体７２を周方向に回転させながら金属塊の溶解を行う。ここで、ガスバーナの燃焼に先立って、動力部６１の駆動手段を駆動させて、熱電対１を収容部６４の開口６５から露出させると共に、熱電対１の熱電対交換部の先端を排煙・火炎出口７３の略中心に予め位置させておき、排煙・火炎出口７３から排出される排煙・火炎８０の温度を熱電対１で測定する。
【００５３】
この時、図８に示すように、溶解初期（図８中では０〜約３０分）においては、金属塊を加熱するためにガスバーナの火炎の熱量が奪われるため、排煙・火炎出口７３における火炎温度は比較的低い温度を示す。その後、溶解が進行するにつれて火炎温度は徐々に上昇していき、溶解後期（図８中では温度測定開始から約７５〜８０分後）には、飽和量以上に添加されたＣの燃焼により、火炎温度が最高温度Ｔ1 に達する。
【００５４】
その後、しばらくの間（約５〜１５分間）溶解を続けると、火炎温度が急激に低下するのが検知される（図８中では温度測定開始から約８０分以降）。この火炎温度の急激な低下時期は、溶解完了時期と略一致することから、この低下時期の検知をもって、出湯前の金属溶湯７４の温度測定を開始する。この火炎温度の急激な低下の理由を調べた結果、溶解完了に伴って金属溶湯中の余剰なＣの燃焼が無くなることから起こること、及び火炎温度の急激な低下時期と溶解完了時期とは略一致していることが判明した。すなわち、金属塊溶解中の排煙・火炎８０の温度を測定し、火炎温度が急激に低下する時期を検知することで、金属溶湯の溶解完了時期を略正確に知ることができる。
【００５５】
金属溶湯７４の温度測定は、動力部６１の駆動手段を再び駆動させて、熱電対１を収容部６４の開口６５から露出させると共に、熱電対１の熱電対交換部の先端部（耐酸化被覆層３２よりも先の部分（例えば、先端からの長さが６００ｍｍの部分））を炉体７２の内部の金属溶湯７４に浸漬することによって開始する。
【００５６】
この時、金属溶湯７４の温度の確定・表示は、温度測定中における一定時間内の温度上昇の勾配（又は温度上昇曲線の接線の傾きの微分値）から、温度上昇が飽和に達する時の温度を予測し、その予測温度を測定温度として確定し、温度上昇が飽和に達する前に測定機器の表示手段（図示せず）に表示するようにしている。
【００５７】
この表示された温度が、予め決めておいた所定温度に達していたら、ガスバーナによる溶解を停止し、金属溶湯７４を出湯する。また、この表示された温度が、予め決めておいた所定温度未満であったら、表示温度が所定温度に達するまでガスバーナによる溶解を続行する。
【００５８】
金属溶湯７４の具体的な温度測定経過を、図９に示すように、浸漬開始から約１００秒の間においては温度が徐々に上昇していく。その後、浸漬開始から約１００〜１２０秒で温度上昇は略飽和（図９中では約１５００℃弱）に達すると共に、浸漬開始から約１２０秒で温度上昇は完全に飽和し、この飽和温度Ｔ2 （図９中では約１５００℃）を測定温度として確定する。この飽和温度Ｔ2 が、前述の“予め決めておいた所定温度”に達していたら（図９中では浸漬開始から約１２０〜１５０秒後）、熱電対１を金属溶湯７４から引き上げる。この引上げによって熱電対１の温度は徐々に下がり始め、引上げ後約３０秒（図９中では浸漬開始から約１８０秒後）で表示温度は約１０００℃となる。ここで、熱電対１を引上げた後、熱電対１の表示温度が予め決めておいた所定温度（例えば、１０００℃）に下がった時点で１回の温度測定の終了とし、この温度測定の終了をもって測定回数がカウントされる。
【００５９】
本発明に係る熱電対を用いた温度測定方法においては、熱電対１をバーナ式回転炉７１に取り付けた場合について説明を行ったが、温度測定可能な炉はバーナ式回転炉７１に限定されるものではなく、電気炉であってもよい。この場合、熱電対１における熱電対交換部２の先端部を電気炉の金属溶湯上方に位置させる以外は、バーナ式回転炉７１の場合と同様に、金属溶湯上方の雰囲気温度が急激に低下する時期から金属溶湯の溶解完了時期を検知し、その後、金属溶湯７４の温度測定を行い、金属溶湯７４の温度の確定・表示を行う。
【００６０】
本発明に係る熱電対１の温度測定方法においては、熱電対保持部３の金属保護管１３を冷却空気２２で冷却しながら金属溶湯７４の温度測定を行っているため、温度測定を繰り返し行っても正確な温度測定ができ、金属溶湯７４中に浸漬される熱電対交換部２のシース６が破損するまで数百回（実験では３００回）以上の測定が可能であった。
【００６１】
これに対して、本発明に係る熱電対１を用いるものの冷却空気２２による冷却を行わなかった場合の温度測定結果は、最初の測定から数回の間は正確な温度測定を行うことができたが、温度測定回数を重ねるごとに測定誤差が拡大し、ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）製の外管１２が曲がってしまうという不具合が生じた。これは、温度測定を繰り返し行うことで、外管１２内部の温度が上昇し、補償導線２０およびコネクタ７，１６，１９が補償温度以上に晒されて異常値を示すために生じると共に、外管１２が高温になることで高温強度が低下し、外管１２の自重に耐えられなくなったために生じるものである。
【００６２】
また、この冷却空気２２による冷却効果と共に、熱電対交換部２と金属保護管１３の接続部近傍を断熱体１４で覆うことで、熱電対保持部３の先端部側が高温になるのを防ぐことができ、ガスバーナを燃焼させたまま、金属溶湯の温度測定を行うことができる。その結果、ガスバーナの燃料コストの低減を図ることができる。
【００６３】
さらに、金属塊溶解中のガスバーナの火炎温度を測定し、火炎温度の急激な低下時期の検知をもって、金属溶湯の溶解完了時期とすることで、出湯前の金属溶湯７４の温度を何度も測定する必要がなくなる（又は出湯前の金属溶湯７４の温度測定回数が１回で済む）ため、熱電対１の寿命延長を図ることができる。
【００６４】
以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００６５】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
（１） 本発明に係る溶解炉用熱電対によれば、熱電対の先端部が交換可能であり、また、その交換に伴う先端部の着脱が容易である。
（２） 本発明に係る溶解炉用熱電対の温度測定方法によれば、金属溶湯原料を溶解中の溶解炉における火炎温度又は金属溶湯近傍の雰囲気温度を測定し、その温度をモニタリングすることで、金属溶湯の溶解完了時期を略正確に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る溶解炉用熱電対の断面概略図である。
【図２】図１の要部Ａの拡大図である。
【図３】本発明に係る熱電対における熱電対交換部と熱電対保持部を接続する際の断面拡大図である。
【図４】図２のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、およびＣ−Ｃ線の各断面図である。
【図５】図１の要部Ｂの拡大図である。
【図６】熱電対と動力部の係合状態を示す平面図を図６である。
【図７】本発明に係る熱電対をバーナ式回転炉に取り付けた時の側面図である。
【図８】本発明に係る熱電対を用いてバーナ式回転炉の火炎温度を測温する際の、鋳鉄塊の溶解開始からの経過時間と熱電対モニター温度との関係を示す図である。
【図９】本発明に係る熱電対を用いて金属溶湯を測温する際の、熱電対を金属溶湯に浸漬してから測温が完了して熱電対を引き上げるまでの経過時間と熱電対測定温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 熱電対（溶解炉用熱電対）
２ 熱電対交換部
３ 熱電対保持部
４ 内部シース
５ 外部シース
６ シース
７ 熱電対コネクタ
１１ 内管
１２ 外管
１３ 金属保護管
１４ 断熱体
１５ 固定手段
１６ 第１コネクタ
２１ 冷却空気供給手段
２２ 冷却空気
３２ 耐酸化被覆層
７１ バーナ式回転炉（溶解炉）
７３ 排煙・火炎出口
７４ 金属溶湯
８０ 排煙・火炎（火炎）
Ｓ 空隙
Claims (8)
- 耐熱性材料で形成され、一端が閉じたシースの閉端内部に熱電対素線の測温点を臨ませて配置すると共に、シースの開端にシースを閉じる熱電対コネクタを設けてなる熱電対交換部と、熱電対保持部で構成され、その熱電対交換部のシース閉端部を溶解炉内の金属溶湯に浸漬して温度測定を行なう溶解炉用熱電対において、上記熱電対保持部として、外管と該外管内を熱電対の長手軸方向に摺動する内管との二重構造の金属保護管を有し、上記熱電対交換部のシース開端側に凹部を設け、上記内管の熱電対交換部側端部に、上記内管に嵌合する固定部と、上記熱電対交換部を固定するフック部と、該フック部を熱電対の径方向外側に開くように付勢するバネ部材とで構成される固定手段を備え、上記外管の熱電対交換部側端部には、上記フック部を熱電対の径方向内側に閉じるように拘束する拘束部を有した外管嵌合部材が嵌合されて設けられており、上記内管を上記外管内で摺動させて、上記フック部を上記拘束部で拘束し、又は、上記バネ部材で開いて、上記固定手段のフック部の先端と上記シースの凹部とを噛み合わせたり、外したりすることで、上記熱電対交換部と上記熱電対保持部とを着脱自在に接続し、上記金属保護管の他端に冷却空気供給手段を接続し、温度測定の際、冷却空気を金属保護管の内管を通して熱電対交換部側に供給すると共に、内管と外管の間を通して排出するようにしたことを特徴とする溶解炉用熱電対。
- 上記シースを、Ｍｏ−ＺｒＯ2系サーメットの単体、窒化ケイ素系セラミックスの単体、又は窒化ケイ素系セラミックスからなる内部シースとＭｏ−ＺｒＯ2系サーメットからなる外部シースの複合体で形成した請求項１記載の溶解炉用熱電対。
- 上記シースと上記熱電対素線との間の空隙を、窒化ケイ素系セラミックスで充填した請求項１又は２に記載の溶解炉用熱電対。
- 上記シース表面の溶湯非浸漬部分に、酸化物系セラミックスの耐酸化被覆層を設けた請求項１から３いずれかに記載の溶解炉用熱電対。
- 少なくとも上記熱電対交換部と上記金属保護管の接続部近傍を、アルミナ系セラミックスからなる円筒状の断熱体で覆った請求項１から４いずれかに記載の溶解炉用熱電対。
- 耐熱性材料で形成され、一端が閉じたシースの閉端内部に熱電対素線の測温点を臨ませて配置すると共に、シースの開端にシースを閉じる熱電対コネクタを設けてなる熱電対交換部と熱電対保持部で構成され、上記熱電対保持部として、外管と該外管内を熱電対の長手軸方向に摺動する内管との二重構造の金属保護管を有し、上記熱電対交換部のシース開端側に凹部を設け、上記内管の熱電対交換部側端部に、上記内管に嵌合する固定部と、上記熱電対交換部を固定するフック部と、該フック部を熱電対の径方向外側に開くように付勢するバネ部材とで構成される固定手段を備え、上記外管の熱電対交換部側端部には、上記フック部を熱電対の径方向内側に閉じるように拘束する拘束部を有した外管嵌合部材が嵌合されて設けられており、上記内管を上記外管内で摺動させて、上記フック部を上記拘束部で拘束し、又は、上記バネ部材で開いて、上記固定手段のフック部の先端と上記シースの凹部とを噛み合わせたり、外したりすることで、上記熱電対交換部と上記熱電対保持部とを着脱自在に接続してなる溶解炉用熱電対を用いて、その熱電対交換部のシース閉端部を溶解炉内の金属溶湯に浸漬して温度測定を行なう温度測定方法において、上記溶解炉用熱電対のシース先端部を、バーナ式回転炉の排煙・火炎出口近傍に配置すると共に、金属溶湯原料の溶解中、排煙・火炎出口近傍の火炎の温度を測定し、その測定温度から上記金属溶湯の溶解完了時期を検知し、その後、金属溶湯の温度測定を行うことを特徴とする溶解炉用熱電対を用いた温度測定方法。
- 耐熱性材料で形成され、一端が閉じたシースの閉端内部に熱電対素線の測温点を臨ませて配置すると共に、シースの開端にシースを閉じる熱電対コネクタを設けてなる熱電対交換部と熱電対保持部で構成され、上記熱電対保持部として、外管と該外管内を熱電対の長手軸方向に摺動する内管との二重構造の金属保護管を有し、上記熱電対交換部のシース開端側に凹部を設け、上記内管の熱電対交換部側端部に、上記内管に嵌合する固定部と、上記熱電対交換部を固定するフック部と、該フック部を熱電対の径方向外側に開くように付勢するバネ部材とで構成される固定手段を備え、上記外管の熱電対交換部側端部には、上記フック部を熱電対の径方向内側に閉じるように拘束する拘束部を有した外管嵌合部材が嵌合されて設けられており、上記内管を上記外管内で摺動させて、上記フック部を上記拘束部で拘束し、又は、上記バネ部材で開いて、上記固定手段のフック部の先端と上記シースの凹部とを噛み合わせたり、外したりすることで、上記熱電対交換部と上記熱電対保持部とを着脱自在に接続してなる溶解炉用熱電対を用いて、その熱電対交換部のシース閉端部を溶解炉内の金属溶湯に浸漬して温度測定を行なう温度測定方法において、上記溶解炉用熱電対のシース先端部を、電気炉の溶湯上方に配置すると共に、金属溶湯原料の溶解中、溶湯上方の雰囲気温度を測定し、その測定温度から上記金属溶湯の溶解完了時期を検知し、その後、金属溶湯の温度測定を行うことを特徴とする溶解炉用熱電対を用いた温度測定方法。
- 一定時間内の温度上昇の勾配又は温度上昇曲線の接線の傾きの微分値から、温度上昇が飽和に達する時の温度を予測し、その予測温度を測定温度として、温度上昇が飽和に達する前に表示する請求項６又は７記載の溶解炉用熱電対を用いた温度測定方法。
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