JP4790575B2

JP4790575B2 - 溶湯用温度プローブ

Info

Publication number: JP4790575B2
Application number: JP2006324281A
Authority: JP
Inventors: 一郎谷内江; 裕三岡本
Original assignee: Toho Kinzoku Co Ltd
Current assignee: Toho Kinzoku Co Ltd
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: JP2008139110A

Description

本発明は、溶融金属に浸漬してその温度を測定する溶湯用温度プローブに関する。ここで、溶融金属とは、例えば鋳物の溶融鉄を指す。

従来、溶融鉄の温度を連続測定する場合、熱電対（例えば、白金−白金ロジウム）と、この熱電対を内蔵し溶湯中に浸漬される保護管とを備えた溶湯用温度プローブが使用されている。ここで、保護管には、耐熱性および熱伝導性に優れるとともに、溶融鉄およびスラグに対する耐食性に優れたモリブデンとジルコニアのサーメット材が用いられている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００５−１７２４８９号公報特開平１１−２４８５４１号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載された保護管では、耐熱衝撃性、溶融鉄およびスラグに対する耐食性を図るとともに、サーメット材を構成しているモリブデンの酸化を抑制するために、ジルコニアとモリブデンの含有量に制約が生じ、保護管の比重は溶融鉄の比重より大きくなっている。このため、例えば、連続鋳造時にタンディッシュ内の溶融鉄（溶湯）の温度を連続測温している際に保護管が破損すると、保護管の破片は溶湯中に沈んで湯道を構成しているノズルや弁内に吸い込まれ、ノズルや弁が詰まるという操業異常の一因になるという問題が生じる。更に、破片のサイズが小さいとノズルや弁を通過し、鋳片中に混入する可能性があり、製品異常の要因になるという問題もある。

本発明は係る事情に鑑みてなされたもので、操業異常、製品異常を引き起こさずに溶融金属の温度を測定することが可能で耐熱性および耐食性に優れる溶湯用温度プローブを提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る溶湯用温度プローブは、溶融鉄の温度を測定する熱電対と、該熱電対を内蔵する保護管と、該保護管の先部を突出させてその周囲を覆う耐熱性プロテクターと、前記保護管および前記耐熱性プロテクターの隙間に充填される充填材とを有する溶湯用温度プローブにおいて、
前記保護管の先側はモリブデンとアルミナの第１のサーメット材、該保護管の基側はモリブデンとジルコニアの第２のサーメット材でそれぞれ形成され、しかも、前記第１のサーメット材のアルミナ含有量は１０質量％以上４０質量％以下で、かつ該第１のサーメット材は前記溶融鉄より比重が小さく、前記第２のサーメット材のジルコニア含有量は１０質量％以上４０質量％以下である。

前記目的に沿う第２の発明に係る溶湯用温度プローブは、溶融鉄の温度を測定する熱電対と、該熱電対を内蔵する保護管と、該保護管の先部を突出させてその周囲を覆う耐熱性プロテクターと、前記保護管および前記耐熱性プロテクターの隙間に充填される充填材とを有する溶湯用温度プローブにおいて、
前記保護管の先側はモリブデンとアルミナの第１のサーメット材、該保護管の基側はモリブデンとジルコニアの第２のサーメット材でそれぞれ形成され、前記第１のサーメット材と前記第２のサーメット材の境界部は、前記第１のサーメット材と前記第２のサーメット材の組成が傾斜配合され、しかも、前記第１のサーメット材のアルミナ含有量は１０質量％以上４０質量％以下で、かつ該第１のサーメット材は前記溶融鉄より比重が小さく、前記第２のサーメット材のジルコニア含有量は１０質量％以上４０質量％以下である。

本発明に係る溶湯用温度プローブにおいては、溶融鉄中に浸漬されて使用中に破損し易い保護管の先側をモリブデンとアルミナのサーメット材としているので、保護管の先側が破損しても破片が溶融鉄中に沈まず、湯道となるノズルや弁内に吸い込まれるのを防止して、保護管の破片でノズルや弁が閉塞するという操業異常、製品中への保護管の微細破片の混入による製品異常の発生を防止することができる。そして、保護管の基側がモリブデンとジルコニアのサーメット材であるので、高温状態で保護管が空気中に曝されてもサーメット材中のモリブデンの酸化が抑制されて保護管の耐用が長くでき、溶湯用温度プローブの寿命を延長できる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１(Ａ)は本発明の第１の実施の形態に係る溶湯用温度プローブの使用時の状態を示す説明図、（Ｂ）は同溶湯用温度プローブの先側の断面図、図２は本発明の第２の実施の形態に係る溶湯用温度プローブで使用される保護管の説明図である。

図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る溶湯用温度プローブ１０は、絶縁管（例えば、アルミナ質）で絶縁状態に保持された図示しない熱電対を内蔵する内部保護管１１と、内部保護管１１を内蔵し溶融金属の一例である鋳物の溶融鉄１２中に浸漬されるモリブデンおよびアルミナのサーメット材で形成された保護管１３と、保護管１３の先部を突出させてその周囲を覆う耐熱性プロテクター１４と、保護管１３および耐熱性プロテクター１４の隙間に充填される充填材１５とを有している。以下詳細に説明する。

内部保護管１１は、絶縁管で絶縁状態に保持された熱電対を内蔵してその取り扱いを容易にするもので、溶融鉄１２中に浸漬されても変形しない耐熱性を有する、例えば、アルミナ質の端封管である。そして、白金−白金ロジウム等の還元雰囲気中で劣化し易い熱電対を使用する場合では、還元性ガスと熱電対との接触を防止するため、内部保護管１１を緻密質とする。

保護管１３は、アルミナ含有量が１０質量％以上で４０質量％以下のサーメット材で形成されている。これにより、保護管１３の比重を溶融鉄１２の比重より小さくできる。一方、保護管１３を溶融鉄１２中に浸漬した際、保護管１３の側部で溶融鉄１２の湯面より上部の領域でも湯面側の部分においては、空気中でモリブデンの酸化が生じるのに十分な温度となる。ここで、アルミナ含有量が１０質量％未満では、アルミナ粒のネットワークでモリブデン粒を十分に取り囲むことができず、アルミナ粒のネットワークによるモリブデンの酸化抑制作用が小さい。一方、アルミナ含有量が４０質量％を超えると、アルミナ粒のネットワークが十分に発達して、モリブデンの酸化抑制作用は大きくなるが、サーメット材としての耐熱衝撃性が低下する。このため、サーメット材のアルミナ含有量を１０質量％以上４０質量％以下とした。

保護管１３は、以下のようにして製造した。先ず、アルミナ粉末１０〜４０質量％、モリブデン粉末９０〜６０質量％の混合粉末を、例えば、内面が保護管の相似形状を有するゴムモールドに充填し冷間静水圧加圧成形した。そして、得られた成形体を、水素雰囲気中、アルゴン等の不活性雰囲気中、または真空中で焼成することで、保護管１３を得た。

耐熱性プロテクター１４は、例えば、アルミナとカーボンを含有する耐火物、またはカーボンとジルコニアを含有する耐火物で形成されたスリーブ形状を有している。また、耐熱性プロテクター１４と保護管１３の隙間に充填される充填材１５としては、カーボン系またはセメント系（例えば、アルミナセメント）のものが使用できる。耐熱性プロテクター１４と保護管１３の隙間に充填材１５を充填することで、耐熱性プロテクター１４と保護管１３が一体化されて、溶融鉄１２中に保護管１３を浸漬した際に耐熱性プロテクター１４が脱落するのが防止できる。

続いて、本発明の第１の実施の形態に係る溶湯用温度プローブ１０の作用について説明する。
保護管１３は、アルミナ含有量が１０質量％以上で４０質量％以下のサーメット材で形成されているので、保護管１３の比重を溶融鉄１２の比重（７〜７．９）より小さくでき、溶融鉄１２中に保護管１３を浸漬した際に保護管１３が破損しても、破片が溶融鉄１２中に沈まないようにできる。これにより、保護管１３が破損してもその破片が溶融鉄１２中に沈んで湯道となるノズルや弁内に吸い込まれるのが防止できる。その結果、使用中に保護管１３が破損しても、保護管１３の破片でノズルや弁が閉塞するという操業異常、製品中への保護管１３の微細破片の混入による製品異常の発生を防止することができる。

また、保護管１３の外周側に耐熱性プロテクター１４が存在することにより、保護管１３が溶融鉄１２に浸漬された際に、保護管１３が急加熱されるのが防止でき、保護管１３に加わる熱衝撃を緩和できる。また、溶融鉄の湯面に浮遊しているスラグとの接触も防止され、スラグによる保護管１３の侵食が防止できる。更に、充填材１５が充填されていることから、耐熱性プロテクター１４と保護管１３との隙間に空気が進入するのが抑制され、保護管１３を構成しているモリブデンの酸化が抑制できる。ここで、充填材１５にカーボン系を使用すると、耐熱性プロテクター１４と保護管１３との隙間に進入した空気中の酸素がカーボンと反応して消費され、保護管１３を構成しているモリブデンの酸化が更に抑制できる。

本発明の第２の実施の形態に係る溶湯用温度プローブ１６は、本発明の第１の実施の形態に係る溶湯用温度プローブ１０と比較して、図２に示すように、保護管１７の先側がモリブデンとアルミナの第１のサーメット材１８で、基側がモリブデンとジルコニアの第２のサーメット材１９でそれぞれ形成されていることが特徴で、その他の構成部材は溶湯用温度プローブ１０と実質的に同一とすることができる。このため、保護管１７についてのみ詳細に説明する。

保護管１７は、アルミナを１０質量％以上４０質量％以下含有する第１のサーメット材１８と、ジルコニアを１０質量％以上４０質量％以下含有する第２のサーメット材１９と、第１のサーメット材１８および第２のサーメット材１９を接続する接続部２０を有している。ここで、接続部２０は、第１のサーメット材１８と接する下側境界面上では第１のサーメット材１８の組成と、第２のサーメット材１９と接する上側境界面上では第２のサーメット材１９の組成とそれぞれ実質的に一致し、アルミナの含有量は下側境界面から上側境界面に向かうにつれて徐々に減少し上側境界面上で０となり、ジルコニアの含有量は上側境界面から下側境界面に向かうにつれて徐々に減少し下側境界面上で０となる傾斜組成を有している。このような構成とすることにより、熱膨張率が異なる第１、第２のサーメット材１８、１９を接続して形成した保護管１７を加熱しても、熱膨張差に起因した破壊を防止できる。なお、接続部２０の長さＣは、保護管１７の外径Ｄに対して、例えば、２〜５倍の範囲である。

以上の構成とすることにより、第１のサーメット材１８の比重を溶融鉄１２の比重より小さくできる。また、アルミナ含有量を１０質量％以上にすることで、アルミナ粒のネットワークでモリブデン粒を十分に取り囲むことができ、保護管１７の先側を溶融鉄１２中に浸漬して空気中でモリブデンの酸化が生じる温度となっても、アルミナ粒のネットワークでモリブデンの酸化を抑制できる。そして、アルミナ含有量を４０質量％以下にすることで、アルミナ粒のネットワークが過度に形成されるのが防止でき、モリブデンの酸化を抑制しながら第１のサーメット材１８の耐熱衝撃性を維持できる。
同様に、第２のサーメット材１９のジルコニア含有量を１０質量％以上にすることで、ジルコニア粒のネットワークを発達させてモリブデンの酸化を抑制でき、ジルコニア含有量を４０質量％以下にすることで、ジルコニア粒のネットワークが過度に形成されるのが防止でき、モリブデンの酸化を抑制しながら第２のサーメット材１９の耐熱衝撃性を維持できる。

また、溶融鉄１２の温度を測定する場合の測定位置（溶融鉄１２の湯面からの深さ）は、予め決められているので、溶湯用温度プローブ１６が十分に予熱されないで溶融鉄１２中に浸漬される場合は、熱衝撃による破損を防止する観点から、接続部２０は溶融鉄１２の湯面より上方に配置されるのが好ましい。従って、このような使用条件では、第１のサーメット材１８の長さ（保護管１７の先側の長さ）Ｌは、溶湯用温度プローブ１６の浸漬長さよりも長く形成する。
一方、溶湯用温度プローブ１６が十分に予熱されて溶融鉄１２中に浸漬される場合、または溶融鉄１２の湯面上に存在するスラグの反応性が特に強い場合は、熱衝撃による破損のリスクが小さいため、保護管１７のスラグに対する耐食性を強化するため、接続部２０は溶融鉄１２の湯面より下方に配置されるのが好ましい。従って、このような使用条件では、第１のサーメット材１８の長さＬは、溶湯用温度プローブ１６の浸漬長さよりも短く形成する。

保護管１７は、以下のようにして製造した。先ず、アルミナ粉末１０〜４０質量％、モリブデン粉末９０〜６０質量％の第１の混合粉末を調製する。また、ジルコニア粉末１０〜４０質量％、モリブデン粉末９０〜６０質量％の第２の混合粉末を調製する。更に、第１、第２の混合粉末の混合割合を変えてアルミナの含有量が徐々に減少する（ジルコニアの含有量が徐々に増加する）複数の接続部用配合物を調製する。そして、内面が保護管の相似形状を有するゴムモールドの先側に第１の混合粉末を所定量充填し、次いで、充填された第１の混合粉末の上にアルミナの含有量が徐々に減少するように複数の接続部用配合物をそれぞれ所定量ずつ順次充填し、更にその上に第２の混合粉末を所定量充填し冷間静水圧加圧成形した。そして、得られた成形体を、水素雰囲気中、アルゴン等の不活性雰囲気中、または真空中で焼成することで、保護管１７を得た。

続いて、本発明の第２の実施の形態に係る溶湯用温度プローブ１６の作用について説明する。
保護管１７の先側はモリブデンとアルミナの第１のサーメット材１８で、基側はモリブデンとジルコニアの第２のサーメット材１９でそれぞれ形成されているので、第１、第２のサーメット材１８、１９の接続部２０が溶融鉄１２の湯面の上方に位置するように溶湯用温度プローブ１６を浸漬して溶融鉄１２の温度を測定する場合、使用中に保護管１７の第１のサーメット材１８の部分が破損しても、第１のサーメット材１８の比重は溶融鉄１２の比重より小さいため、破片が溶融鉄１２中に沈まないようにできる。これにより、保護管１７が破損してもその破片が溶融鉄１２中に沈んで湯道となるノズルや弁内に吸い込まれるのが防止できる。その結果、使用中に保護管１７が破損しても、保護管１７の破片でノズルや弁が閉塞するという操業異常、製品中への保護管１７の微細破片の混入による製品異常の発生を防止することができる。

また、第１、第２のサーメット材１８、１９の接続部２０が溶融鉄１２の湯面より下方に位置するように溶湯用温度プローブ１６を浸漬して（第１のサーメット材１８が溶融鉄１２中に完全に浸漬されるようにして）溶融鉄１２の温度を測定する場合、溶融鉄１２の湯面より上方には第２のサーメット材１９が配置されるので、スラグに対する耐食性およびモリブデンの耐酸化性が向上して保護管１７の耐用が長くなる。その結果、溶湯用温度プローブ１６の寿命が延長できる。

アルミナ粉末２５質量％、モリブデン粉末７５質量％の混合粉末をゴムモールドに充填し、１〜３ｔｏｎ／ｃｍ²の冷間静水圧加圧で成形して円柱状の成形体を作製した。そして、得られた成形体を１７００〜２０００℃の所定の温度で焼成して外径が２５ｍｍの円柱状の焼成体を製造した。得られた焼成体の比重を測定すると、６．４〜６．５であり、溶融鉄の比重より小さいことが確認できた。そして、電気炉中で鋼を加熱し、形成された溶融鉄中に外径２５ｍｍ、長さ５０〜１０ｍｍに調整した試験片を投入すると、試験片は溶融鉄の湯面に浮き上がった。
また、比較例として、ジルコニアを２７質量％含有するジルコニアとモリブデンのサーメット材からなる外径が２５ｍｍの円柱状の焼成体を製造した。得られた焼結体の比重は８．２〜８．４であり、溶融鉄中に外径２５ｍｍ、長さ５０〜１０ｍｍに調整した試験片を投入すると、試験片は溶融鉄中に沈んだ。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
例えば、第１、第２の実施の形態では、保護管形状に成形した成形体を焼成して保護管を製造したが、内面側が保護管と相似形状を有する耐熱性カプセルを用いた熱間静水圧成形を行うことにより保護管を製造することもできる。

また、保護管を、モリブデン、アルミナ、およびジルコニアのサーメット材で形成することもできる。ここで、アルミナ含有量は２質量％以上５質量％以下、ジルコニア含有量は２０質量％以上２５質量％以下であることが好ましい。このような構成とすることにより、ジルコニアのネットワークが発達してスラグに対する高い耐食性およびモリブデンの高い耐酸化性を確保することができるとともに、ジルコニアのネットワークがアルミナにより分断されて、ジルコニアのネットワークに可撓性を付与することができる。その結果、ジルコニアのネットワークに付与された可撓性により、耐熱衝撃性を向上させることが可能になる。

(Ａ)は本発明の第１の実施の形態に係る溶湯用温度プローブの使用時の状態を示す説明図、（Ｂ）は同溶湯用温度プローブの先側の断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る溶湯用温度プローブで使用される保護管の説明図である。

１０：溶湯用温度プローブ、１１：内部保護管、１２：溶融鉄、１３：保護管、１４：耐熱性プロテクター、１５：充填材、１６：溶湯用温度プローブ、１７：保護管、１８：第１のサーメット材、１９：第２のサーメット材、２０：接続部

Claims

溶融鉄の温度を測定する熱電対と、該熱電対を内蔵する保護管と、該保護管の先部を突出させてその周囲を覆う耐熱性プロテクターと、前記保護管および前記耐熱性プロテクターの隙間に充填される充填材とを有する溶湯用温度プローブにおいて、
前記保護管の先側はモリブデンとアルミナの第１のサーメット材、該保護管の基側はモリブデンとジルコニアの第２のサーメット材でそれぞれ形成され、しかも、前記第１のサーメット材のアルミナ含有量は１０質量％以上４０質量％以下で、かつ該第１のサーメット材は前記溶融鉄より比重が小さく、前記第２のサーメット材のジルコニア含有量は１０質量％以上４０質量％以下であることを特徴とする溶湯用温度プローブ。
溶融鉄の温度を測定する熱電対と、該熱電対を内蔵する保護管と、該保護管の先部を突出させてその周囲を覆う耐熱性プロテクターと、前記保護管および前記耐熱性プロテクターの隙間に充填される充填材とを有する溶湯用温度プローブにおいて、
前記保護管の先側はモリブデンとアルミナの第１のサーメット材、該保護管の基側はモリブデンとジルコニアの第２のサーメット材でそれぞれ形成され、前記第１のサーメット材と前記第２のサーメット材の境界部は、前記第１のサーメット材と前記第２のサーメット材の組成が傾斜配合され、しかも、前記第１のサーメット材のアルミナ含有量は１０質量％以上４０質量％以下で、かつ該第１のサーメット材は前記溶融鉄より比重が小さく、前記第２のサーメット材のジルコニア含有量は１０質量％以上４０質量％以下であることを特徴とする溶湯用温度プローブ。