JP4848311B2 - 温度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は炉体外皮を有する炉内の煉瓦等耐火物の温度を測定する温度測定装置に関し、特に、その温度測定値が、耐火物のすき間を流れる冷風の影響により低下するのを防ぎ、高精度かつ応答良く耐火物温度を測定するために用いて好適な技術である。

従来から、鉄鋼業等の製造業で用いられる各種炉においては、設備管理および炉操業指針の決定を目的として、当該炉内の被温度測定箇所に熱電対等の測温体を設置して温度測定を行ない、測定結果により温度下限管理、炉温の把握、炉の蓄熱量推定、および操業アクション等の決定を行なっている。例えば、被温度測定箇所の耐火物を開孔し、該煉瓦に測温体先端部が接触するように外部から熱電対等の測温体を設置して、温度測定を行なっている。

しかし、炉が耐火物とそれを覆う外皮としての鉄皮で構成されているときに、被温度測定箇所の耐火物の温度を測定する際に問題となるのは、炉内温度が低温時から高温時に変化した場合、鉄皮と耐火物の熱膨張率が異なるため鉄皮に固定されている測温体が外側に引かれ、測温体が当該耐火物から離れてしまい所定の被温度測定箇所の温度測定ができなくなることである。

この問題を解決するために耐火物と鉄皮の熱膨張率差により測温体先端と耐火物との間に空隙が生じても、スプリングによって測温体先端が耐火物に押圧されるようにして、被温度測定箇所の耐火物に確実に測温体先端を接触させて、耐火物の温度を精度良く測定しようとする方法が開示されている（例：特許文献１参照）。

また、何らかの原因により冷却雰囲気にさらされ、測温体先端近傍が低温状態になるおそれがある箇所では、煉瓦と測温体の接触が保たれても測温体側面が冷やされ該被温度測定箇所の温度測定ができなくなる。

このような問題を解決するために被温度測定箇所に達する炉内煉瓦に開孔を設け、該開孔に測温体を挿入し、前記被温度測定箇所の周囲を囲み、かつ、測温体先端が被温度測定箇所に接触する筒状断熱体を設けた方法（例：特許文献２参照）、および測温体先端に良熱伝導性パッドを備え、かつ、該パッドの周囲に断熱体を設け、被温度測定箇所の温度を正確かつ応答良く測定しようとする方法（例：特許文献３参照）がある。
実開平７−４１４３５号公報 特開２００４−３０１６１５号公報 特開２００５−１２１５６１号公報

しかしながら、上記の従来技術は、鉄皮と耐火物の熱膨張率等が異なるための測温体挿入方向の相対的移動、およびその移動による裏風（耐火物間を流れる空気流）の影響対策としては有効な技術であるが、鉄皮と耐火物の熱膨張率等が異なるための測温体挿入方向に対して垂直方向の移動は全く考慮されていない。したがって、測温体先端の磨耗による破損のため測定そのものができない問題や、断熱体の破損が発生し、測定された温度が目的とする真の耐火物の温度を示していないという問題があった。

ところで、鉄鋼業の高炉へ熱風を供給するための熱風炉においては、外側を鉄皮で構成し、内側は蓄熱煉瓦や耐火・断熱煉瓦など各種の煉瓦を積層し蓄熱室を構成している。そして、燃焼室で燃料ガスを燃焼して発生した高温ガスの熱を該蓄熱室の蓄熱煉瓦に熱伝達させ、熱を蓄える。蓄熱が終了した炉は、送風機からの冷風により、蓄熱室の蓄熱煉瓦から熱を奪い熱風を高炉へ送る。熱風炉内は、高温の燃焼ガスと低温の冷風が交互に通過するため、炉内煉瓦と接する鉄皮はその都度熱影響を受け膨張と収縮を繰り返す。鉄皮は高温時に煉瓦よりも炉半径方向外側へ移動し煉瓦との間に隙間が生じる。

また、炉内煉瓦はブロック煉瓦間をモルタルで充填し複数層に積上げられているため、経年変化により上述のモルタルに亀裂が生じ、煉瓦同士の密着状態が壊れ隙間が生じた状態になる。一度煉瓦間に隙間が生じると隙間は塞がらず、その状態は維持される。隙間に入った空気は外気で冷却された鉄皮により冷却され、内部にある高温空気とは異なった温度になる。熱風炉が上記状態で送風期に入った場合、約０．４Ｍｐａの圧力を有する冷風の一部は、煉瓦の隙間を通り鉄皮と内張り煉瓦の間、および断熱煉瓦間の隙間を通過し耐火煉瓦まで達する、また、蓄熱期に移行する際に熱風炉内は常圧になるので、上記隙間に残留していた送風期の高圧冷風が低圧側に移行するため、やはり冷風が隙間を流れる。（以上述べた冷風のことを以下裏風と言う）このような現象は蓄熱―送風が周期毎に繰り返されるたびに発生するため、耐火煉瓦の被温度測定箇所にも測温体の保護管と該保護管を挿入している挿入孔の間を前述の裏風が入り込み正確な温度測定を妨げていた。

また、煉瓦開孔はキリ等の機材を用いて行なうため開孔部の先端はキリ等の先端形状と同じであるため、熱電対等の測温体の先端形状がキリ等の先端形状と同一でなく、測温帯先端部の接触面積が小さい場合は被温度測定箇所と測温体が接触していない状態が生じ、裏風への放熱が大きくなり煉瓦温度の正確な測定を妨げていた。

さらに、詳細な調査の結果、従来はほとんど移動しないと考えられていた熱膨張率等が異なることによる熱風炉の高さ方向の鉄皮と耐火物の相対的移動量が、３０ｍｍから４０ｍｍ以上もあることが判明した。このため、測温体先端が磨耗により断線し温度測定そのものができなくなることや、断熱体が破損し上記の裏風の影響を直接受けるようになり正確な温度測定ができなくなることが発生していた。

以上の問題点に鑑みて本発明は、熱風炉のような鉄皮等の炉体外皮と耐火物からなる大規模な炉においても、裏風の流れ込みを防ぎ従来よりも高精度かつ応答良く炉内の温度を測定することを目的とする。

本発明の要旨とするところは下記のごとくである。
（１）炉体外皮と炉体内の耐火物からなる炉において、該炉体外皮の外部から炉体内へ棒形状の測温体を挿入して炉体内の耐火物の温度を測定する温度測定装置にあって、棒形状であってその先端内部に感温部が封入され外力で変形可能な金属製シースからなる測温体と、前記感温部が封入された前記測温体の先端を装入して圧接させる凹んだ形状部と、前記炉体内の耐火物の被温度測定箇所に密着させる面とを有し、該被温度測定箇所の熱を前記測温体の先端に伝導する金属製のパッド部と、前記測温体及び前記パッド部を炉体外から前記被温度測定箇所へ押圧して、前記パッド部を前記被温度測定箇所に圧接させる圧接部と、前記測温体及び前記圧接部を炉体外皮に固定する炉壁取り付け部とを具備し、前記パッド部は、前記被温度測定箇所に密着させる面を除く周囲は断熱体で囲まれ、前記測温体の、前記パッド部の凹んだ形状部に装入された部位を除く先端の部分の周囲は、セラミッククロス、セラミックテープ、セラミックの粉体もしくは顆粒、または、セラミックススリーブのいずれかからなる柔軟性を有する断熱体に囲まれており、前記断熱体で囲まれた前記測温体の先端の部分が、軸方向と直交する方向に変形可能であることを特徴とする温度測定装置。

本発明装置によれば、測温体挿入方向に対して垂直方向の移動にも、測温体先端が被温度測定箇所と正常に接触し、断熱体もその機能を維持することを可能としたので、被温度測定物および測温体が裏風の影響を受けること無く、正確な温度の測定が可能となる。その結果、炉操業管理を厳密に行なうことができる。例えば鉄鋼業の熱風炉操業において、従来被温度測定物である煉瓦の温度が真の温度よりも低い温度を示していたため、まだ所定温度の熱風を供給できるのにもかかわらず、早期に熱風炉の切替を行なわざるを得ず、蓄熱のために必要以上の燃料を使用する結果となっていた。本発明によってそのようなことはなくなり、燃料コストを大幅に削減することが可能となった。

本発明者らは、鉄鋼プロセスの熱風炉操業の送風時等に際して起こる裏風が、被温度測定箇所の温度測定値に影響を及ぼさないような方策につき、さまざまな検討を重ねた。その結果、鉄皮の外から炉体内へ向かって、鉄皮面に略垂直に測温体を装入して、耐火物の所定の部位を被温度測定箇所として、耐火物へ流れこむ裏風の影響を排除し正確に温度を測定するには、被温度測定箇所近傍へ流れ込む裏風を遮断し、被温度測定箇所との伝熱面積を大きくすること、並びに、被温度測定箇所の測温体の装入方向及び装入方向に対して垂直方向への温度測定装置先端部の動きに追従し接触することが、最善の方策であるとの見解に達した。

以下、鉄皮と複数の煉瓦の層からなる熱風炉を例に、図を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、被温度測定箇所を含む炉体の一部、及び本発明の温度測定装置を実施するための形態の一例の概略図であって、温度測定装置の中心軸を含む断面で切断した断面図である。熱風炉では、外皮である炉体鉄皮１の内側に、内張り煉瓦２、断熱煉瓦３が煉瓦目地部１３を介して積層され、さらにその内側に測温対象としての耐火物である耐火煉瓦４及び蓄熱煉瓦５が積層されている。

６は測温体先端部６０を有する温度測定装置である。温度測定装置６は炉体鉄皮１、内張り煉瓦２、断熱煉瓦３それぞれに設けた挿入口を貫通して、耐火煉瓦４と被温度測定箇所で接触している。また、保護管７は保護管７の先端位置を挿入方向に調節可能な機構（ルーズフランジ）９を有し、測温体先端部６０の周囲を除いて測温体６ａを囲み、モルタル等の詰め物１６から測温体６ａを保護するためのものである。８は温度測定装置６および保護管７に加わる衝撃を保護するためのガイド管である。測温体６ａを炉体外から被測温箇所へ押圧して、パッド部６ｂを前記被測温箇所に圧接させる圧接部１７は、ルーズブッシング１０とスプリング１１で構成する。すなわち、ルーズブッシング１０は温度測定装置先端部６０を確実に被温度測定箇所（耐火煉瓦４）に接触させ、また押圧量を調節するための測温体６ａの炉体内の装入長さの調節機構である。また、スプリング１１は、測温体先端部６０を被温度測定箇所（耐火煉瓦４）に押圧するために、温度測定装置６の炉体外のルーズブッシング１０の内部に設置されている。ガイド管８、ルーズフランジ９、ルーズブッシング１１、及び保護管７等の構造体は、例えばＳＵＳ等の鋼材で構成してもよい。さらに、圧接部１７は炉壁取り付け部１４を介して炉の炉体鉄皮１の外面に溶接等で固定されている。なお、１２は炉体鉄皮１の膨張により生じた内張り煉瓦２との間に生じた隙間（キャスタブル耐火物の亀裂）および断熱煉瓦３と耐火煉瓦４との隙間である。また、保護管７、ガイド８などの隙間にはモルタル等の詰め物を圧入して隙間を埋められて、裏風の侵入が防止されている。

図２は、測温体先端部６０を拡大して示した図であって、耐火煉瓦４と炉体鉄皮１との熱膨張の差等により、被温度測定箇所が炉体鉄皮１に対して相対的に炉上下方向に動いたときの状態を、耐火煉瓦４と測温体先端部６０との接触状態を模式的に示したものである。図２（ａ）は耐火煉瓦４が、炉体鉄皮１に対して炉上下方向に動いていない状況での測温体先端部６０を耐火煉瓦４に接触させた状態を示し、図２（ｂ）は被温度測定箇所が炉上方向に動いている状況での測温体先端部６０の変形状態を示したものである。

測温体先端部６０は熱電対等の測温体６ａとその先端側にある銅などの熱伝導性の良い金属製のパッド部６ｂで構成されている。測温体６ａとパッド部６ｂとは固定されておらず、これら２つの相対位置関係に自由度をもたせている。すなわち、パッド部６ｂの形状は被温度測定箇所側の面が被温度測定箇所面に密着する例えば平面であり、測温体６ａ側が凹んだ形状であり、当該凹んだ形状部内に測温体６ａの先端を装入・圧接させて使用する。凹んだ形状部の内径は測温体６ａの外径より若干大きめに製作して、円筒内で測温体６ａが動くようにする。測温体６ａは、長手形状（棒形状）であって、測温体先端部６０の内部、例えば金属製シースの先端内部に感温部１５として、熱電対を封入したシース熱電対やサーミスタを封入したものを用いることができる。当該金属製シースは肉薄であって、測温体６ａの軸方向に直交する方向、すなわち、被温度測定箇所の上下、左右の方向に、測温体６ａの先端部は比較的小さな外力で変形可能である。パッド部６ｂの被温度測定箇所側の外形断面形状は円形とすることが、被温度測定箇所の上下左右方向への移動に対する追従性をよくするためには好ましい。このようなパッド部６ｂの形状により、炉が上下方向に動いても、パッド部６ｂの被温度測定物側が被温度測定箇所から離れることはなく、安定して面接触を継続できる。また、パッド部６ｂの先端側を除く周囲は、ブロック形状の断熱体６ｃによって囲まれている。測温体６ａのパッド部６ｂで囲まれた部位を除く先端部の周囲は、高温においても断熱性に優れかつ柔軟性を有する断熱体６ｄによって囲まれている。当該柔軟性を有する断熱体６ｄは、市販のセラミッククロスやセラミックテープを用いることができる。又、断熱体６ｅは、さらに断熱性を増すためのもので、柔軟性のあるセラミックスリーブ（チューブ状断熱体）で構成することができる。

このような構成になる炉内煉瓦温度測定装置６においては、裏風が炉体鉄皮１と内張り煉瓦２との隙間１２および断熱煉瓦３と耐火煉瓦４との隙間１２を通り、または断熱煉瓦３の目地部１３の亀裂部を通過するようなことがあっても、温度測定装置先端部６０の測温体６ａおよび金属パッド６部ｂは断熱体６ｃ、６ｄ、６ｅで覆われており、裏風の影響が測温体６ａおよび測温体先端部６０の金属パッド部６ｂにまで伝わる恐れは無く、正確な温度を測定することが可能となる。なお、測温体先端部６０の強度をより大きくする必要があるときには、チューブ状断熱体６ｅの代わりに、ＳＵＳ等の熱伝導率の比較的小さく肉薄の板で構成してもよい。

なお、前記図２（ｂ）に示したように測温体先端部６０を被温度測定物の耐火煉瓦４に窪みを開けずに接触させるように設置するのは、被温度測定物との間に隙間が生じにくいため、測温にあたっては好ましい実施態様である。すなわち、窪みを開けた場合、窪みの形状に測温体先端形状を正確に合致させるのが難しく被温度測定物との間に隙間が生じ、裏風の影響を受けやすくなるため好ましくない。

測温体６ａとしては測温応答性の良いＫシース熱電対を使用し、断線を防止するために外径８ｍｍφのものを使用した。ただし、温度領域が１０００℃を超えるような場合にはＲ熱電対を使用する必要がある。パッド部６ｂは熱伝導率の高い銅製が好ましいことが多いが、本実施例の耐火煉瓦４の温度領域が９００℃前後となるため、高温領域での強度を優先しＳＵＳ３１０Ｓを使用した。パッド部６ｂの被温度測定物側の円盤形状部の直径は２４ｍｍφ、厚みは５ｍｍ、測温体６ａ側の円筒状の外径は１５ｍｍφ、高さは８ｍｍである。パッド部６ｂの側面の断熱のため、ブロック状断熱体６ｃで周囲を囲んだ。本実施例ではブロック状断熱体６ｃとして、機械加工性に優れた市販のセラミックブロックを使用した。当該セラミックブロックの外径は３０ｍｍφである。測温体６ａの周囲は高温においても断熱性に優れかつ柔軟性のある断熱体６ｄで囲んだ。本実施例では断熱体６ｄとして、市販のキルティング状のセラミッククロスを使用した。断熱体６ｃと断熱体６ｄの周囲を組み込み加工性が良く柔軟性のある断熱体６ｅでさらに囲んだ。断熱体６ｅとしては市販のセラミックスリーブを使用した。断熱体６ｄの代わりにセラミックの粉体や顆粒状のものを充填することも考えられるが、断熱性能と加工性を考慮し本実施例では採用しなかった。

保護管７は測温体６ａが断熱体６ｃ、６ｄ、及び断熱体６ｅで覆われていない位置まで挿入しルーズフランジ９で固定した。温度測定装置６は、バネの有効稼動距離を３０ｍｍとし、１５ｍｍ押勝手にしてルーズブッシング１０で固定した。保護管７、ルーズフランジ９、ルーズブッシング１０、その他のケーシングはＳＵＳ材で構成した。

本願発明者は、本実施例の温度測定装置と従来装置との比較のため、熱風炉内の耐火煉瓦について同一箇所の温度測定を行なった。比較例として用いた従来タイプの温度測定装置は、特開２００５−１２１５６１に開示された、測温体先端部が変形可能ではない、固定タイプ温度測定装置であった。設置当初は２つの方式に大きな差異は生じないが、従来タイプの温度測定装置は徐々に裏風の影響を受け温度が低下してくる。本発明では裏風による低温の影響を受けることが無く、正確に耐火煉瓦の温度を測定することが判明した。具体的数値としては、本発明時の測定結果下限値は、従来装置による測温結果下限値と比較して約７０度の高温の値を示していた。これにより、従来装置では被温度測定物が裏風のため冷却され低温になっており、正確な温度測定ができなかったが、本実施例の測温装置を使用することで正確な温度測定を行なう事ができ燃料コスト低減につながった。

本発明の温度測定装置は、鉄鋼業における製銑工程の熱風炉をはじめ、外壁が鉄皮でその内側が煉瓦で構成され、鉄皮の熱膨張に起因する鉄皮と煉瓦との隙間に気体が流通する、例えば高炉炉床部やコークス炉などに使用してもその効果が期待できる。

本発明の温度測定装置の実施の形態を熱風炉に設置した概略図である。 （ａ）は被温度測定物が鉄皮に対して炉上下方向に動かない状況での温度測定装置先端部を被温度測定物に接触させた状態の概略図である。（ｂ）は被温度測定物が鉄皮に対して炉上方向に動いた状況での温度測定装置の測温体先端部の変形状態の概略図である。

符号の説明

１ 炉体鉄皮
２ 内張り煉瓦
３ 断熱煉瓦
４ 耐火煉瓦
５ 蓄熱煉瓦
６ 温度測定装置
６ａ 測温体
６ｂ パッド部
６ｃ ブロック状断熱体
６ｄ 柔軟性のある断熱体
６ｅ 柔軟性のある断熱体（チューブ状断熱体）
７ 保護管
８ ガイド管
９ ルーズフランジ
１０ ルーズブッシング
１１ スプリング
１２ 煉瓦間の空隙
１３ 煉瓦目地部
１４ 炉壁取り付け部
１５ 感温部
１６ モルタル等の詰め物
１７ 圧接部
６０ 測温体先端部

Claims (1)

1. 炉体外皮と炉体内の耐火物からなる炉において、該炉体外皮の外部から炉体内へ棒形状の測温体を挿入して炉体内の耐火物の温度を測定する温度測定装置にあって、
   棒形状であってその先端内部に感温部が封入され外力で変形可能な金属製シースからなる測温体と、
   前記感温部が封入された前記測温体の先端を装入して圧接させる凹んだ形状部と、前記炉体内の耐火物の被温度測定箇所に密着させる面とを有し、該被温度測定箇所の熱を前記測温体の先端に伝導する金属製のパッド部と、
   前記測温体及び前記パッド部を炉体外から前記被温度測定箇所へ押圧して、前記パッド部を前記被温度測定箇所に圧接させる圧接部と、
   前記測温体及び前記圧接部を炉体外皮に固定する炉壁取り付け部とを具備し、
   前記パッド部は、前記被温度測定箇所に密着させる面を除く周囲は断熱体で囲まれ、
   前記測温体の、前記パッド部の凹んだ形状部に装入された部位を除く先端の部分の周囲は、セラミッククロス、セラミックテープ、セラミックの粉体もしくは顆粒、または、セラミックススリーブのいずれかからなる柔軟性を有する断熱体に囲まれており、
   前記断熱体で囲まれた前記測温体の先端の部分が、軸方向と直交する方向に変形可能であることを特徴とする温度測定装置。

Images