JP5085181B2 - 耐火物の厚み検出方法および耐火物の劣化判断方法 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば鉄鋼窯炉設備や溶融炉等の高温炉の炉壁に取り付けて、当該炉壁を構成する耐火物の厚みを検出する方法、および耐火物の劣化判断方法に関するものである。

例えば鉄鋼業で使用される窯炉設備等の高温炉では、一般にその炉壁は複数層の耐火物により構成されているが、操業に伴い耐火物は徐々に損耗して劣化する。したがって、これら耐火物の残存厚み（残厚）を検出して管理することは、たとえば高炉において溶銑による鉄皮の溶損、溶銑の流出等の防止にとって重要であり、また他の炉についてもその設備診断のために極めて重要である。

この点に関し、従来は、たとえばレーザー光を用いて、高温炉の耐火物の厚みを測定することが提案されている（非特許文献１）。
また、非特許文献２に示したように、レーザー光を利用した三角測量を測定原理とするレーザー距離計を混銑車内に挿入し、３次元的に操作して全域の距離を測定し、そのデータをマイクロコンピューターにより処理することによりプロフィールを出力する装置が提案されている。このレーザー距離計の測定原理は、測定対象に対してレーザーを照射し、その照射スポットを一次元イメージセンサ上に結像する。測定距離の変化によりレーザースポットを受光する一次元イメージセンサ上の位置が変化する。この位置と距離の対応をあらかじめとることにより距離を測定するものである。（非特許文献２）。

日本鉄鋼協会第１４５回西山記念技術講座 「鉄鋼業における耐火物技術の展望」 Ｐ．２２８（１９９１） 柳本ら：「混銑車耐火物プロフィール測定装置」 耐火物, ４１（１９８９）Ｐ．１９７

しかしながら、非特許文献１、２の技術では、例えば炉内に溶鋼が存在する場合には、耐火物の厚みを測定することができず、操業中の炉については連続して耐火物の厚みを測定することができなかった。更に、炉の開口部が小さい脱ガス設備や開口部のない加熱炉のような密閉設備については、炉内測定箇所へレーザー照射できないために測定困難であった。

そこで本発明は、熱電素子のもつ発電機能とその特性に着目し、熱間で使用される炉または容器の耐火物で構成された壁に設置し、該炉または容器を熱間で使用して発電させ、そのときの電力量の値に基き、耐火物の劣化状況をリアルタイムで連続的に耐火物厚みを検出することができる方法を提供するものである。

発明者らは熱電発電素子の起電力は、温度差によってその出力が変化することに着目し、また一方耐火物の厚みは、それが薄くなってくると、表面側の温度が上昇することに着目して、以下のような発明を提案する。

すなわち本発明は、ステーブを備えた高炉のステーブよりも内側を構成する耐火物の厚みを検出する方法であって、熱電変換素子の両面に絶縁基板を配置した熱電発電モジュールを、前記ステーブとその内側の耐火物との間に取り付け、前記取り付けにあたっては、前記熱電発電モジュールにおける一の絶縁基板を前記ステーブの内側の耐火物の外側表面に密着させ、他の絶縁基板を前記ステーブの内側面に密着させる。そして取り付けた前記熱電変換素子によって発生する起電力を測定し、予め求めておいた前記耐火物の厚みと起電力との関係から、前記測定結果に基づいて前記耐火物の厚みを検出することを特徴としている。

前記したように、この種の耐火物の厚みは、損耗等により薄くなってくると、その分表面側の温度が上昇する。本発明によれば、後述の実施の形態で詳述するように、耐火物の厚みが薄くなるにしたがって、２つの絶縁基板での温度差は、次第に大きくなる。絶縁基板間の温度差が大きくなると起電力は大きくなるので、予め前記耐火物の厚みと起電力との関係を調べておくことにより、前記起電力を測定することで、耐火物の厚みを常時検出することができる。また熱電変換素子が直接炉内のガスと接触することはないので、熱電変換素子が炉内内容物やガスにより腐食するおそれはない。なお熱電発電モジュールの取り付けにあたっては、たとえば適宜の接着剤を用いて取り付けるだけでよい。

本発明における熱電変換素子は、Ｎa _２ Ｏ−ＣｏＯ系セラミックス熱電材料としてもよい。

また熱電発電モジュールを、複数個所に設置して、耐火物の厚みを複数個所で検出するようにしてもよい。このように複数で耐火物の厚みを検出することで、二次元的、あるいは三次元的に炉や容器の耐火物の厚みを検出することができる。

前記したようにして耐火物の厚みを検出する場合、当該厚みの検出とともに、熱電変換素子によって発生する起電力を用いて水の電気分解を行い、水素と酸素を発生させるようにしてもよい。

また本発明の別な観点によれば、前記した耐火物の厚み検出方法によって検出した耐火物の厚みが所定値以下となったときに、当該耐火物が劣化したと判断することを特徴とする、耐火物の劣化判断方法が提供される。

本発明によれば、極めて簡単に耐火物の厚みを検出することができ、しかも炉や容器内に溶銑や溶鋼があっても、常時連続して耐火物の厚みを検出することができる。また熱電変換素子を取り付けたことにより、炉内、容器内から炉外、容器外への熱流束を大きくすることになり、炉内や容器内の耐火物の温度分布を低下させ、耐火物の損耗速度低減に寄与できる。さらに可動部がなく、騒音や振動が生じないばかりでなく、長期間にわたってメンテナンスの必要もない。

以下、本発明の好ましい実施の形態について説明すると、図１は、転炉１の断面を模式的に示しており、この転炉１の炉壁は、炉内側から順に、耐火物としてのウエアライニング層２、パーマネントライニング層３、鉄皮４によって構成されている。かかる構成を有する転炉１のウエアライニング層２の厚みを測定する場合、熱電発電モジュール１１を鉄皮４の表面に、接着剤等で貼り付ける。熱電発電モジュール１１を鉄皮４の表面に貼り付けた状態では、図２に示したように、高温側となる絶縁基板１２は、鉄皮４の表面に密着しており、一方低温側となる絶縁基板１３は、大気中に露出している。

熱電発電モジュール１１は、図２にその構造を示したように、高温側の絶縁基板１２、低温側の絶縁基板１３間に、薄い多数の金属板１４、１５を介して、多数の熱電変換素子１６を配置した構成を有している。熱電変換素子１６に使用する熱電変換素子としては、高温域で使用可能なＦｅ−Ｓｉ系、中温域で使用可能なＰｂ−Ｔｅ系、低温域で使用可能なＢｉ−Ｔｅ系などが挙げられるが、毒性がなく、また稀少元素系でもなく、しかも耐高温性にすぐれ、安全かつ安価なセラミックス系である５００℃耐用の、Ｎａ_２Ｏ−ＣｏＯ系等のセラミックス熱電材料が好ましい。

熱電変換素子１６の両面に発生した電位差による起電力は、金属板１５に接続されたリード線２１、２２から取り出され、電圧計２３によって測定される

このような熱電発電モジュール１１を転炉１の外側表面の鉄皮４に貼り付けた場合、炉内の熱は、ウエアライニング層２、パーマネントライニング層３、鉄皮４へと順次伝導していくが、鉄皮４の表面に密着している絶縁基板１２と、大気に露出している絶縁基板１３との間には温度差が生ずる。この温度差によって、熱電変換素子１６の両面に電位差が発生し、リード線２１、２２に電流が流れ、そのときの電圧、すなわち起電力が電圧計２３によって測定される。

そして転炉１の操業回数を重ねるにつれて、溶鋼と直接接触しているウエアライニング層２が損耗していき、ウエアライニング層２が薄くなると、それにつれて鉄皮４の表面温度も上昇していき、絶縁基板１２、１３間の温度差が大きくなる。その結果、起電力も大きくなる。図３に、Ｎａ_２Ｏ−ＣｏＯ系等のセラミックス熱電材料の温度差と起電力の一例を示したが、同図のグラフから、温度差によって起電力が変化することが確認できる。

したがって、たとえばあらかじめウエアライニング層２の厚みと温度差との関係を調べ、当該関係と、図３に示したような熱電変換素子の温度差と起電力の関係とを照合することで、起電力の変化と厚みの変化との関係を求めることができる。その結果、電圧計２３によってモニタリングしている起電力に基づいて、前記した起電力の変化と厚みの変化との関係から、ウエアライニング層２の厚みを連続的に検出することができる。

また予め、ウエアライニング層２の厚みによって劣化度合いを定めておけば、起電力に基づいて検出したウエアライニング層２の厚みから、当該ウエアライニング層２の劣化状況を直ちに判断することができる。

一方、理論的には熱電変換素子１６を取り付けたことにより、当該取り付け部分の炉内から炉外への熱流束は大きくなる。熱電変換素子の発電効率は１０％程度で電力として取り出されるエネルギーの比率は低いが、前記炉外への熱流束の増大によって炉内耐火物の温度分布を低下させることとなり、ウエアライニング層２の損耗速度低減にも寄与できる。

ところで前記したように、熱電変換素子１６からは、温度差による起電力が発生する。したがって発生した電力を他に活用することが有益である。発明者らは熱電変換素子によって発生する起電力は低い点に鑑み、電気分解に好適に活用できることを提案する。これを具体的に実現する場合、例えば図２の破線で示したように、リード線２１、２２に対して、引き出し線２４、２５を電圧計２３に対して並列に接続し、引き出し線２４、２５に電極２６、２７を接続する。そしてこれら電極２６、２７を貯留タンク２８内の電解質の水２９内に配置すればよい。これによって、電圧計２３による測定に影響を与えず、電極２６、２７から酸素と水素を発生させることができる。発生した酸素、水素は、例えば適宜の回収経路（図示せず）によって、各々独立して回収することで、酸素と水素を得る事ができる。

このように、本発明によれば、低い値の起電力であっても、これを有効に活用することができる。しかも電解質の水を対象とするため、例えば、海水を利用でき、環境的にもクリーンである。また水素、酸素を独立して得ることができるから、工業的に利用価値が高い。

前記した例では、転炉１のウエアライニング層２の厚みを検出するものであり、熱電発電モジュール１１の低温側の絶縁基板１３は、大気中に露出させていたが、たとえば高炉では、部位によって耐火物の外側に冷却ジャケットが設けられている。かかる場合には、熱電発電モジュール１１は、冷却ジャケットと耐火物との間に配置するのが好ましい。これを図４に基づいて説明すると、図４は、高炉の炉壁の断面を模式的に示しており、この例では炉側から順に、耐火物としてのカーボンブロック３１、スタンプ材３２、冷却ジャケットとしてのステーブ３３、背面キャスタブル３４、鉄皮３５が順に配置されている。

そして熱電発電モジュール１１は、スタンプ材３２とステーブ３３との間に配置され、高温側の絶縁基板１２は、スタンプ材３２の表面に密着し、低温側の絶縁基板１３は、ステーブ３３の内側面に密着している。したがって、低温側の絶縁基板１３はステーブ３３によって常に強制的に冷却され、大気中に露出しているときよりも、さらに温度の上昇はないものである。

このように熱電発電モジュール１１は、スタンプ材３２とステーブ３３との間に配置し、低温側の絶縁基板１３は、ステーブ３３の内側面に密着させることで、炉側からの熱が外側へと伝導していき、カーボンブロック３１を経てスタンプ材３２の温度が上昇したときの、高温側の絶縁基板１２と低温側の絶縁基板１３との温度差は、絶縁基板１３が大気中に露出しているときよりも、さらに大きくなる。したがってその分発生する起電力は大きいものになる。それゆえ、起電力に基づいたカーボンブロック３１の厚み、すなわち耐火物の厚みの検出を、より感度のよい状態で実施できる。

図５に、本実施例で用いた電気炉４１を示した。この電気炉４１は、図６にも示したように、最外層に鉄皮４２が配置され、炉内側に位置する内壁４３には熱伝導率が１．４Ｗ／ｍ・Ｋの３０ｍｍ厚みの耐火物４３が設けられた構成を有している。そして炉内には電気ヒータ４４が配設されている。この電気ヒータ４４を作動させることで、電気炉４１内を１５００℃に加熱することができるようになっている。

このようないわば基本形の電気炉４１において、実施の形態で用いた熱電発電モジュール１１を鉄皮４２の表面に取り付けてそのときの起電力を測定し、さらに耐火物４３の内側表面に、図６に示したように、同一材料、同一厚みを有する耐火物４５、４６、４７を順次配置して、各々そのときに発生する起電力を測定するようにした。そして耐火物４３のみの場合には１層時、耐火物４５を内側に重ねたときは２層時、さらに耐火物４６を内側に重ねたときは３層時、そしてさらに耐火物４７を内側に重ねたときは４層時として、各々の場合に測定した熱電発電モジュール１１の起電力を表１に示す。

この表から、熱電発電モジュール１１の起電力は、電気炉４１の内壁に配置した耐火物の積層数にほぼ一致していることが確認でき、これによって熱電発電モジュール１１の起電力を測定することによって、電気炉４１内の耐火物の厚みを検出することが確認できた。

次に図１に示した転炉１の外壁の鉄皮４に、熱電発電モジュール１１を有機樹脂で固定し、転炉１の稼動後の起電力を連続的に測定した。このときの転炉１のウエアライニング層２は厚みが９００ｍｍで、材質はマグネシアが８５質量％、カーボンが１５質量％で、熱伝導率が２．３Ｗ／ｍ・Ｋのものを使用した。またパーマネントライニング層３は、厚みが１１４ｍｍで、材質はマグネシアが９８質量％、熱伝導率が１８Ｗ／ｍ・Ｋのものを使用した。

そして炉内温度が溶鋼の溶製中には１６３０℃、待機中では８２０℃前後で、転炉１に対して繰り返し昇降温を繰り返し、そのときの熱電発電モジュール１１の起電力を測定した。それによれば、起電力は微弱に変化したものの、稼動開始から徐々に起電力が増加する傾向を示し、炉内耐火物であるウエアライニング層２の損耗に伴い起電力が増加し、ウエアライニング層２の劣化、損耗レベルが連続的に検出することが可能であった。

図７は、転炉１の鉄皮４に熱電発電モジュール１１を設置した炉内側の耐火物であるウエアライニング層２の残存厚みと、溶製中に熱電発電モジュール１１によって測定された起電力の関係を示した結果を示している。なおウエアライニング層２の残存厚みは、待機中に炉内側からレーザーにて測定したウエアライニング層２とパーマネントライニング層３の合計厚みから、パーマネントライニング層３を除して算出した。

これによれば、残存しているウエアライニング層２の厚みが、転炉１の操業とともに減少し、それに伴って起電力が上昇していることがわかる。したがって、起電力を測定することで、ウエアライニング層２の厚みを連続して検出することが確認できる。

この実施例では、前記した実施例１で用いた電気炉４１に対して、複数の熱電発電モジュールを取り付け、一部の耐火物の厚みを変えて、異なる厚みの耐火物と起電力の関係を調べるようにした。

すなわち、図８、図９に示したように、先の熱電発電モジュール１１と同一構成の熱電発電モジュール５１、５２、５３、５４、５５を、電気炉４１の一側面の鉄皮４２の、中心部および角隅部近傍に取り付けた。このとき電気炉４１の耐火物構成は、内壁に熱伝導率が１．４Ｗ／ｍ・Ｋの３０ｍｍ厚みの耐火物４３を１層ライニングした後に、熱電発電モジュール５２、５５が取り付けられている部位を除いた他の部位に、同一厚み、組成を有する耐火物４５によって２層ライニングを施した。したがって、図９に示したように、熱電発電モジュール５２、５５が取り付けられている箇所を含む、電気炉４１の前記一側面における略１／３強の領域（図９中の斜線で示した領域）は、耐火物４３による１層ライニングであり、他の熱電発電モジュール５１、５３、５４が取り付けられている部位は、
耐火物４３、４５による２層ライニングとなっている。

そして電気炉内を約１５００℃になるように電気ヒーター４４で加熱し、各熱電発電モジュール５１、５２、５３、５４、５５の起電力を同時に測定した。測定結果を表２に示す。

表２より、１層ライニング部位の熱電発電モジュール５２、５５による起電力は、２層ライニング部位の熱電発電モジュール５１、５３、５４による起電力よりも高く、１層ライニング部位と２層ライニング部位との間には明確な起電力の差が観察された。従って炉の外壁に熱電発電モジュールを複数個取り付けた場合においても、各熱電モジュールの起電力を測定することで、電気炉４１内壁のライニング層数が少ない部分（＝耐火物の厚み）を検知することができた。

本発明は、内部が高温で、操業とともに内側の耐火物が損耗していく、高炉、転炉、電気炉、加熱炉、焼鈍炉などの炉や、混銑車、溶銑鍋、取鍋、タンディッシュなどの容器における、当該耐火物の残存厚みの検出や、当該耐火物の劣化判断に有用である。

検出対象の耐火物を有する転炉の断面を模式的に示した説明図である。 図１に示した転炉の鉄皮に熱電発電モジュールを取り付けた様子を示す説明図である。 Ｎａ_２Ｏ−ＣｏＯ系等のセラミックッス熱電材料の、温度差と起電力との関係を示すグラフである。 ステーブを有する高炉に対して熱電発電モジュールを取り付けた様子を示す説明図である。 実施例１で用いた電気炉の斜視図である。 図５に示した電気炉の平面断面を模式的に示した説明図である。 図５に示した転炉における耐火物残存厚みと熱電素子の起電力の関係を示すグラフである。 実施例２で用いた電気炉の斜視図である。 図８に示した電気炉の側面図である。 図８に示した電気炉の平面断面を模式的に示した説明図である。

符号の説明

１ 転炉
２ ウエアライニング層
３ パーマネント層
４ 鉄皮
１１ 熱電発電モジュール
１２、１３ 絶縁基板
１４、１５ 金属板
１６ 熱電変換素子
２１、２２ リード線
２３ 電圧計
２４、２５ 引き出し線
２６、２７ 電極
２８ 貯留タンク
２９ 水
３１ カーボンブロック３１
３２ スタンプ材
３３ ステーブ
３４ 背面キャスタブル
３５ 鉄皮
４１ 電気炉
４２ 鉄皮
４３、４５、４６、４７ 耐火物
４４ 電気ヒータ
５１、５２、５３、５４、５５ 熱電発電モジュール

Claims (5)

1. ステーブを備えた高炉のステーブよりも内側を構成する耐火物の厚みを検出する方法であって、
   熱電変換素子の両面に絶縁基板を配置した熱電発電モジュールを、前記ステーブとその内側の耐火物との間に取り付け、
   前記取り付けにあたっては、前記熱電発電モジュールにおける一の絶縁基板を前記ステーブの内側の耐火物の外側表面に密着させ、他の絶縁基板を前記ステーブの内側面に密着させるようにし、
   取り付けた前記熱電変換素子によって発生する起電力を測定し、
   予め求めておいた前記耐火物の厚みと起電力との関係から、前記測定結果に基づいて前記耐火物の厚みを検出することを特徴とする、耐火物の厚み検出方法。
2. 前記熱電変換素子は、Ｎa _２ Ｏ−ＣｏＯ系セラミックス熱電材料であることを特徴とする、請求項１に記載の耐火物の厚み検出方法。
3. 前記熱電発電モジュールを、複数個所に設置して、前記耐火物の厚みを複数個所で検出することを特徴とする、請求項１又は２に記載の耐火物の厚み検出方法。
4. 耐火物の厚みを検出するとともに、前記熱電変換素子によって発生する起電力を用いて、水の電気分解を行い、水素と酸素を発生させることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の耐火物の厚み検出方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の耐火物の厚み検出方法によって検出した耐火物の厚みが所定値以下となったときに、前記耐火物が劣化したと判断することを特徴とする、耐火物の劣化判断方法。

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