JP5438276B2 - 溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法とその装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶融炉に施工された炉底耐火物の浸食量を正確に測定することができ、延いては炉底耐火物の交換時期等の運転計画の修正、立案に有効に活用できる溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法とその装置に関する。

焼却残渣、都市ごみ、或いは産業廃棄物等を溶融処理する溶融炉は、廃棄物の無害化、減容化及び資源化の観点からその必要性が高まりつつある。溶融炉には、重油等を燃料として被処理物を溶融するバーナ式溶融炉や、電気を熱源として被処理物を溶融する電気抵抗式溶融炉及びプラズマ式溶融炉等が知られている。

一例として、プラズマ式溶融炉につき図３１を参照して説明する。プラズマ式溶融炉１００は、炉頂部から垂下される主電極１０１と、炉底１０９に配設される炉底電極１０２とを有し、これらの両電極間に直流電圧１０３を印加することによりプラズマアークを発生する。そして、投入ホッパ１０５より炉本体１０４内に投下された被処理物をプラズマ熱により加熱して溶融する。被処理物は溶融して溶融スラグ１０６と、これより比重が大である溶融メタル１０７が炉本体１０４内に溜まり、出滓口１０８より排出される。炉本体１０４内は高温に維持されるため、その内部は耐火材１１０により形成され、この耐火材１１０を鋼板製のケーシング１１３により被覆した構造となっている。炉底の耐火構造は、溶融メタルに接触する内側は浸食に強いアーチ状レンガ１１１を配設し、このレンガ１１１とケーシング１１３の間に耐火レンガ１１２を配設した構成などがある。

溶融炉では、炉内から溶融メタルや溶融スラグが漏れ出す可能性があり、水蒸気爆発等の危険性があることから炉底は水冷却しない場合が多い。しかし、自然空冷の場合は冷却が弱く、耐火物がメタルやスラグによって浸食されてしまう。
そこで、炉底耐火物の浸食を的確に把握し、これに応じた運転計画を立てることが重要となる。従来、炉底耐火物の浸食量を把握する際には、図３０に示されるように、運転停止時に酸素ランス１２０によってメタル層１０７を溶断して炉底レンガ１１１表面を露出させ、耐火物厚さを測定していた。しかし、メタル層１０７は分厚く硬いため、除去するのに時間がかかるという問題があった。また、メタル除去にランスなどを用いると、炉底レンガ１１１が損傷することがあり、健全であった耐火レンガ１１１も交換しなければならないことがある。

一方、特許文献１（特許第３３８５８３１号公報）には、炉の物質収支式、運動量収支式及びエネルギー収支式に基づいて、炉底レンガの温度分布と金属溶融体の流動と温度分布とを算出し、時間の進展に伴う耐火レンガの温度分布を求め、この温度分布に基づいてレンガの損耗を判定するようにした炉底の浸食ラインの推定方法が開示されている。これは、溶融炉の運転中に炉底レンガの浸食を判定する装置であり、炉底レンガの損耗ラインを予測することが可能となっている。

特許第３３８５８３１号公報

しかしながら、特許文献１に記載される方法では、運転中の炉底耐火物の浸食状況を正確に把握できないという問題が残る。また、運転停止時に炉底メタルの下の耐火物厚さを計測しようとしても、従来のようにランスを使ってメタルを溶断する場合、上記したような問題がある。

従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、メタル層を除去することなく、簡単に且つ正確に炉底耐火物の浸食量を測定することができ、適性な運転計画を立てることができる溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法とその装置、前記検知方法を用いた炉底耐火物浸食監視方法を提供することを目的とする。

本発明の溶融炉の溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法は、炉内に投入された被処理物を溶融処理することにより、炉底にスラグ層と、その下方にメタル層とが堆積された溶融炉にて、炉底耐火物の浸食量を測定する溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、前記溶融炉上方で耐火物の浸食の影響を受けない位置を基準位置に設定し、前記溶融炉の運転前に、前記基準位置から炉底電極面までの初期距離ｈ０を測定しておき，前記溶融炉の運転停止時に、前記スラグ層を除去して前記メタル面を露出させ、前記基準位置からメタル面までの距離ｈ１を測定して前記メタル層の厚さであるメタル厚さｈを非破壊で計測することを特徴とする。

また、溶融炉の炉底耐火物浸食検知装置は、炉内に投入された被処理物を溶融処理することにより、炉底にスラグ層と、その下方にメタル層とが堆積された溶融炉の炉底耐火物浸食検知装置において、前記溶融炉上方で耐火物の浸食の影響を受けない位置を基準位置に設定し、前記溶融炉の運転前に、前記基準位置から炉底電極面までの初期距離ｈ０を測定しておき，前記溶融炉の運転停止時に、前記スラグ層を除去して前記メタル面を露出させ、前記基準位置からメタル面までの距離ｈ１を測定してメタル厚さｈを計測する非破壊検査装置を備え，該非破壊検査装置にて炉底耐火物の浸食を検知することを特徴とする。

上記構成によれば、休炉中にメタル層を除去することなく炉底耐火物の侵食量を把握することが可能となる。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、前記溶融炉の運転停止前に該溶融炉を傾動し，前記スラグ層と，前記メタル層のうちＦｅを多く含有する上層の少なくとも一部とを排出した後，該溶融炉を元の水平状態に戻して急冷した後にメタル厚さｈを非破壊で計測することが好ましい。

前記溶融炉の運転中には、メタル層は、Ｃｕを多く含有し比重の大きいＣｕリッチ層（比重７．６）と、Ｆｅを多く含有し比重の小さいＦｅリッチ層（比重７．０）に分かれて存在している。前記溶融炉をそのまま停止すると、まずメタル層上層部で融点の高いＦｅリッチ層が凝固しその後に融点の低い下層部のＣｕリッチ層が凝固するため、Ｃｕリッチ層が凝固する際の収縮によってせんだん応力が発生してＦｅリッチ層とＣｕリッチ層の境界で分離し、空間が発生する場合がある。これを防止するためには、前記溶融炉を休炉する直前に傾動して上部スラグ層を排出すると共に、Ｆｅリッチ層も出来る限り排出し、傾動後はすぐに元の水平に戻すことで残ったＦｅリッチ層とＣｕリッチ層を混合し、急冷することが有効であり、急冷することでＦｅリッチ層とＣｕリッチ層が再分離することを防止することが出来る。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、前記溶融炉を支持するフレームに歪ゲージを設置し、該歪ゲージにて検出された時系列的な重量変化を示す連続データに基づいて、メタル厚さｈを求め，前記炉底耐火物の浸食量の測定精度を確認することが好ましい。
このように、上記した炉底監視方法に加えて本発明を行い、侵食予測結果の妥当性を判断することにより、より精度の高い炉底監視が可能となる。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、炉内に投入された被処理物を溶融処理することにより、炉底にスラグ層と、その下方にメタル層とが堆積された溶融炉にて、炉底耐火物の浸食量を測定する溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、上記炉底耐火物浸食検知方法とともに、溶融炉を支持するフレームに歪ゲージを設置し，該歪ゲージにて検出された時系列的な重量変化を示す連続データに基づいて、メタル厚さｈを求めてもよい。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、前記メタル面に２ｋ〜０．７ＭＨｚの範囲の低周波超音波を発振探触子から発振し，該発振した超音波を前記メタル層底面側の耐火物境界面から反射させて得た反射波を受振センサで受振して得たメタル層の往復時間と，予め得たメタル層中の音速とに基づいてメタル厚さｈを求めてもよい。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知装置において、前記溶融炉の運転停止時に、前記スラグ層を除去して前記メタル面を露出させ、該露出させた該メタル面に、２ｋ〜０．７ＭＨｚの範囲の低周波超音波を発振する発振探触子と、該探触子より発振した超音波をメタル層底面側の耐火物境界面から反射させて得た反射波を受振する受振センサを併置し、前記発振探触子より発振した超音波を、前記メタル層底面側の耐火物境界面から反射させて得た反射波を受振センサで受振して得たメタル層の往復時間と、予め得たメタル層中の音速とに基づいてメタル厚さｈを求めてもよい。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、前記超音波は、横波超音波であることが好ましい。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知装置において、前記超音波は、横波超音波であることが好ましい。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知装置において、前記発振探触子と受振センサは、それぞれ同数の複数対配設され、探触子はそれぞれが接触面方向に押圧力が付勢されて独立で上下動作し、メタル層表面の凹凸面に追従してそれぞれが接触する探触子であることが好ましい。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、メタル厚さｈの測定が弾性波により行われてもよい。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知装置において、非破壊検査装置が弾性波による検査装置であってもよい。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、溶融炉の運転停止時に、前記スラグ層を除去して前記メタル面を露出させ、前記弾性波を受振する受振センサを一定間隔で直線上に複数配置し，該複数の受振センサにより検出した複数の波形データに基づいて表面探査計測法を用いて前記メタル厚さｈを求めるようにしてもよい。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知装置において、溶融炉の運転停止時に、前記スラグ層を除去して前記メタル面を露出させ、前記メタル層の水平方向を伝播する弾性波を発振させる打振装置と該打振装置より発振した弾性波を受振する受振センサを備え，前記弾性波を受振する前記受振センサを一定間隔で直線上に複数配置し，該複数の受振センサにより検出した複数の波形データに基づいて表面探査計測法を用いて前記メタル厚さｈを求めるようにしてもよい。

上記構成によれば、一定間隔で略直線上に設置した複数の受振センサにより得られた波形データに基づいて、表面探査計測法を用いてメタル層の音速、及びメタル厚さｈを求めることにより、精度の高い測定が可能となる。また、この方法によれば炉底状態が容易に把握できる結果が得られるため、炉底監視に非常に適した方法といえる。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、前記溶融炉の運転停止時に、前記スラグ層を除去してメタル面を露出させ、該メタル面から中性子を照射し、前記メタル層を透過して該中性子照射側に戻ってきた熱中性子量若しくは前記メタル層を透過して対向面に到達した熱中性子量を計測し、予め求めておいた前記メタル厚さｈと熱中性子量の相関関係から前記メタル厚さｈを求めてもよい。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知装置において、前記溶融炉の運転停止時に、前記スラグ層を除去してメタル面を露出させ、該メタル面から中性子を照射する放射線源と、前記メタル層内で変化した熱中性子の量を検知する計数管を装備し，前記メタル面から中性子を照射し、前記メタル層を透過して該中性子照射側に戻ってきた熱中性子量若しくは前記メタル層を透過して対向面に到達した熱中性子量を計測し、予め求めておいた前記メタル厚さｈと熱中性子量の相関関係から前記メタル厚さｈを求めてもよい。

上記構成によれば、中性子は原子量の小さい物質の方が透過しづらく、且つ原子量の大きいメタルは透過できる厚さが増すと熱中性子が増加する性質を利用して、メタル厚さｈと熱中性子の相関関係からメタル厚さｈを求めることにより、正確にメタル厚さｈを求めることが可能となり、さらには炉底の侵食状況を精度よく把握することが可能となる。

炉内に投入された被処理物を溶融処理することにより、炉底にスラグ層と、その下方にメタル層とが堆積された溶融炉にて、炉底耐火物の浸食量を測定する溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、前記溶融炉上方で耐火物の浸食の影響を受けない位置を基準位置に設定し、前記溶融炉の運転前に該基準位置からメタル層と炉底耐火物の境界面までの初期距離ｈ０を計測しておき、前記溶融炉の運転休止前に前記溶融炉の炉頂部から垂下される主電極を炉底耐火物近傍まで降下させ、運転を休止しスラグ層及びメタル層が固化した後、前記基準位置からスラグ層表面までの距離ｈ３を測定するとともに、前記主電極のスラグ層及びメタル層埋設部位の少なくとも一部を高さ方向に削孔して炉底耐火物境界面まで連通する測定孔を形成し、該測定孔によりスラグ層及びメタル層の積層厚さｈ４を測定し、前記距離ｈ３と前記積層厚さｈ４の計と、前記初期距離ｈ０とを比較することにより炉底耐火物の浸食量を求めてもよい。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、前記メタル厚さｈを求める前段で、該メタル層の水平方向を伝播する低周波超音波の速度から前記メタル層固有の低周波超音波の速度を計測し、該低周波超音波の速度を用いてメタル厚さｈを求めてもよい。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、前記メタル厚さｈを求める前段で、該メタル層の水平方向を伝播する弾性波の速度から前記メタル層固有の弾性波の速度を計測し、該弾性波の速度を用いてメタル厚さｈを求めてもよい。
上記構成によれば、厚さ測定の前段で、メタル層固有の横波低周波等の音波速度を求めておくことで、被処理物の成分、投入量に関わらず精度の高い測定を行うことが可能となる。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、前記超音波の反射位置が同一となるように複数の発振装置とこれに対応した受振センサとを距離を異ならせて設置するとともに、前記反射位置の直上に発振部と受振部を備えた発振装置を設置し、前記受振センサにて得られた複数の波形データと、前記受振部にて得られた反射波到達時間とに基づいて前記メタル厚さｈを求めてもよい。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、前記弾性波の反射位置が同一となるように複数の発振装置とこれに対応した受振センサとを距離を異ならせて設置するとともに、前記反射位置の直上に発振部と受振部を備えた発振装置を設置し、前記受振センサにて得られた複数の波形データと、前記受振部にて得られた反射波到達時間とに基づいて前記メタル厚さｈを求めてもよい。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、前記波形データから速度波形を取得し、該速度波形から直接波を抽出するとともに、前記反射波到達時間に基づいて反射波を抽出し、前記反射波の平均速度及び深さをパラメータとして回帰計算によるフィッティング処理することにより前記メタル厚さｈを求めてもよい。

上記溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、前記溶融炉の運転停止時に、前記スラグ層を除去してメタル面を露出させ、前記基準位置からメタル面までの距離ｈ１と前記炉底電極の長さｈｅを測定して得た中心メタル厚さと、発振探触子から発振した低周波超音波又は横波超音波又は弾性波を、炉底電極表面から反射させて得た反射波を受振センサで受振して得たメタル層の往復時間と、によりメタル層中の音速を求めてもよい。

以上記載のごとく本発明によれば、メタル層を除去することなく、簡単に且つ正確に炉底耐火物の浸食量を測定することができ、適性な運転計画を立てることができる溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例及び参考例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例及び参考例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１及び図２は本発明の参考例１に係る図、図３は本発明の実施例１の基本構成を示す図、図４及び図５は実施例１−１に係る図、図６〜図１４は実施例１−２に係る図、図１５〜図１９は実施例１−３に係る図、図２０〜図２２は本発明の実施例２に係る図、図２３は本発明の参考例２に係る図、図２４及び図２５は本発明の実施例３に係る図、図２６は本発明の実施例４に係る図、図２７及び図２８は本発明の実施例５に係る図、図２９は本発明の実施例６に係る図である。図３２乃至図３６は本発明の実施例７に係る図である。

本実施例及び参考例は、炉底耐火物の浸食状態を監視することにより炉の安定運転を行なうものであり、これには炉底耐火物の浸食量を直接的に測定する構成、或いはメタル層の厚さであるメタル厚さを測定することにより間接的に炉底監視を行なう構成などがあり、以下の実施例１乃至実施例５、及び実施例７及び参考例１、及び２にて具体的に説明する。実施例６は、実施例１乃至実施例５、及び実施例７及び参考例１、及び２で求められた炉底耐火物浸食量或いはメタル厚さに基づいて適正な炉の運転計画を立案、修正する方法である。
尚、本実施例及び参考例では、焼却残渣、都市ごみ、或いは産業廃棄物を溶融処理する溶融炉を対象とし、特に廃棄物を焼却処理後の灰を処理する灰溶融炉に適している。尚、以下の実施例ではプラズマ式溶融炉を例に挙げて説明しているが、限定的な記載がない限り、プラズマ式溶融炉の他にも電気抵抗式溶融炉、バーナ式溶融炉、旋回式溶融炉、反射式溶融炉等の溶融炉全般に適用可能である。
（参考例１）

まず、図１を参照して、本参考例に係る炉底監視装置が設置されるプラズマ式溶融炉１０につき説明する。
プラズマ式溶融炉１０は、炉本体１４の炉蓋から主電極１１が垂下され、これに対向して炉底から炉底電極１２が挿設されている。主電極１１は不図示の可動装置により昇降可能で、炉底電極１２は炉本体１４に固定される。プラズマ式溶融炉１０では、これらの電極間に直流電源により直流電流を通流して炉内にプラズマアーク２４を発生させる。投入ホッパ２１より投入された被処理物は、炉壁に設けられた被処理物投入口２０より炉内に投下され、プラズマアーク熱及び前記電極間を流れる電流のジュール熱により溶融処理されて炉底に溜まる。溶融処理された被処理物は、溶融スラグ２２と、溶融スラグ２２の下部に比重差により形成されている溶融メタル２３からなる。溶融後は、適宜出滓口２５より排出される。
炉本体１４の側壁及び蓋部の内側は不定形耐火材１５で形成され、炉底１７には、浸食に強いアーチ状の耐火レンガ１８が内側に配設され、その下に耐火レンガ１９が配設される。これらの耐火物の外表面は鋼板製のケーシング１６で被覆されている。尚、夫々の耐火物の構造は特に上記に限定されない。

本参考例では、スラグ温度を計測するための温度計測手段を一または複数備えている。温度計測手段の種類は限定されないが、放射温度計２８に代表される非接触型温度計や熱電対に代表される接触型温度計などの温度計を用いて直接スラグ温度を計測する手段、被処理物の投入量からスラグ温度を推定する手段、耐火物を冷却する冷却水の放熱量からスラグ温度を推定する手段、電極への供給電圧からスラグ温度を推定する手段、或いは炉本体の側壁放熱量からスラグ温度を推定する手段などの周知の方法が挙げられる。熱バランスから算出する場合は、以下の式（１）を用いる。
Ｑ_ｐ＝（Ｃ_ｐＴ_ｓ＋Ｈ_ｆ）×Ｍ＋Ｑ_ｒ ・・・（１）
ここで、Ｑ_ｐ：入熱（電力）、Ｃ_ｐ：被処理物の比熱、Ｈ_ｆ：被処理物の潜熱、Ｍ：処理量、Ｑ_ｒ：炉体放熱量である。

また、本参考例では、温度計側手段により取得したスラグ温度から耐火物浸食量を算出する浸食量算出装置３０を備える。
この浸食量算出装置３０は、予め求めておいたスラグ温度と炉底耐火物温度の相関関係と、予め求めておいた炉底耐火物の浸食速度式とが蓄積された記憶部３１と、各種演算を行う演算部３２と、温度計側手段により取得したスラグ温度を入力するスラグ温度入力部３３と、出力部３４と、を備える。

図２に示すフローを用いて、具体的な炉底耐火物浸食量の算出方法を説明する。
まず、予めスラグ温度−炉底耐火物温度の相関関係を求めておき、記憶部３１に格納しておく（Ｓ１）。また、予め炉底耐火物の浸食速度式を取得し、記憶部３１に格納しておく（Ｓ２）。この浸食速度式は、熱伝導解析により求める方法、実測値から求める方法などがある。浸食速度式の一例を以下の式（２）に示す。
ｄｘ／ｄｔ＝ｅｘｐ｛−Ａ／（Ｔ_ｂ＋２７３）＋Ｂ｝ ・・・（２）
ここで、ｄｘ／ｄｔ：耐火物浸食速度、Ｔ_ｂ：炉底耐火物表面温度、Ｔ_ｓ：スラグ温度、Ａ，Ｂ：浸食速度式の定数、ａ，ｂ：炉底温度推定式の定数である。

溶融炉１０の運転中に、温度計側手段によりスラグ温度を計測する（Ｓ３）。スラグ温度はスラグ温度入力部３３より耐火物厚さ算出装置３０に入力され、記憶部３１に格納されたスラグ温度−炉底耐火物温度の相関関係に基づき、演算部３２にて該スラグ温度から炉底耐火物温度を推定する（Ｓ４）。スラグ温度−炉底耐火物温度の相関関係は、例えば以下の式（３）により表される。この式（３）を用いて、前記計測されたスラグ温度から炉底耐火物温度を推定する。
Ｔ_ｂ＝ａ×Ｔ_ｓ＋ｂ ・・・（３）
ここで、Ｔ_ｂ：炉底耐火物表面温度、Ｔ_ｓ：スラグ温度、ａ，ｂ：炉底温度推定式の定数である。
そして、得られた炉底耐火物温度を用いて、記憶部３１に格納された浸食速度式（２）に基づき、一定時間内での浸食速度を算出する（Ｓ５）。
算出した浸食量を積算することにより、現時点における浸食量の総計が求められる（Ｓ６）。これを一定時間毎に繰り返し行うことにより、炉底耐火物の浸食量をリアルタイムで求めることが可能となる。

本参考例によれば、スラグ温度のみから炉底耐火物の浸食量を求めることができるため、簡単で且つ高い精度が得られる。また、溶融炉を停止せずに浸食量を求めることが可能である。従って、休炉することなくリアルタイムで浸食量を計測することができるため、その後の運転期間を見直すことができ、浸食量が少なければ運転期間を延長することもできる。
尚、本参考例において、炉底耐火物の温度推定にスラグ温度に加えてメタル厚さを考慮すると精度が向上する。オーバーフロー面は一定なので、スラグ深さを主電極挿入法により計測すると、メタル厚さを算出することができる。

次に、図３乃至図１９を参照して、本実施例１に係る装置につき説明する。本実施例１において、図３は実施例１の基本構成を示す装置の側断面図、図４及び図５は実施例１−１に係る図、図６〜図１４は実施例１−２に係る図、図１５〜図１９は実施例１−３に係る図である。本実施例１は弾性波を用いて炉底監視を行なう方法を示しており、実施例１−１ではメタル厚さを測定し、該測定したメタル厚さを用いて炉底耐火物の浸食量を求めている。また、実施例１−２及び実施例１−３は、実施例１−１の変形例である。
尚、以下の実施例１乃至７及び参考例２において、上記した参考例１と同様の構成については、その詳細な説明を省略する。

（実施例１−１）
図３に、本発明の実施例１に係る装置の全体構成を示す。これは後述する実施例１−１乃至１−３に共通する構成である。本実施例１は、運転停止時に適用され、固化したスラグ層２２を除去して露出させたメタル面を打診して弾性波を発振する打診装置３５と、メタル面で反射した弾性波が入射され、波形を取得する波形計測装置３６とを備える。尚、ここで弾性波とは、打診装置３５により媒質（メタル層）を打撃したときに発生する周波数の低い波をいう。
また、炉本体１４のスラグ面より上方で、耐火物の浸食の影響を受けない位置を基準位置Ａとして設定しておく。この基準位置Ａは、例えば主電極１１の挿入孔、補助電極３９の挿入孔３８などが適している。

本実施例１−１における炉底耐火物浸食検知方法は、まず溶融炉１０の運転停止時に、炉内のスラグ層２２の少なくとも一部を除去してメタル面を露出させる。メタル面の凹凸が大きければグラインダーなどで削り、平滑面を作っておく。尚、本実施例では、メタル面を露出させる他の方法として、休炉前に溶融炉１０を傾動し、スラグ層とメタル層上層の少なくとも一部を排出した後、該溶融炉１０を元の水平状態に戻して急冷するようにしてもよい。
ここでメタル層２３固有の弾性波速度や減衰特性等の物性を求めておく。弾性波速度を求める場合、図４（ａ）に示されるように、まずメタル面に所定距離だけ離間させて受振センサ３７ａ、３７ｂを設置する。受振センサ３７ａ側にこれと離間させて打診装置３５を設置して、メタル面を打診する。メタル層２３表面を横方向に伝播した弾性波は、受振センサ３７ａと受振センサ３７ｂにて時間差を持って受振される。この時間差に基づいて、メタル層２３の固有の弾性波速度が求められる。

メタル層２３は、灰の成分や投入量によってその物性が変化するため、上記したように予めメタル層２３の固有の特性を取得しておくことで、正確な耐火物厚さ測定が可能となる。
また、厚さ計測で一般的に用いられている超音波は、数ＭＨｚと高周波であるため、比較的薄いものは計測できるが、メタル層２３のように５００ｍｍを超えると減衰して計測できない。弾性波は数ｋＨｚで減衰が少ないため、弾性波を用いることでメタル層２３の厚さを計測することが可能となる。ただし、溶融炉１０内のメタル層２３は不純物や空隙があるので、これに応じて好適な周波数を設定する。打診装置３５に鉄球を用いた場合、鉄球の大きさによって周波数を変更することができる。

次に、図４（ｂ）に示すように打診装置３５にてメタル面を打診して、メタル層２３内に弾性波を発生させ、深さ方向に進行する弾性波が耐火物表面にて反射した波形を受振センサ３７によって受振し、波形計測装置３６に入力する。打診装置３５の打撃により発生した弾性波は、打診装置３５を中心とする半球上に拡がり、メタル面と対向する炉底耐火物表面で反射して受振センサ３７に達する。さらに、この弾性波は受振面で反射して底面に向かう。このようにメタル面と炉底耐火物表面の間で多重反射を繰り返し、弾性波がメタル層を往復する時間を周期とする振動が測定される。弾性波の波形は、初期は打診の周期が観測されるが、次第に特定の周期をもつ振動が卓越するようになる。この周期をフーリエ変換により周波数分析し、メタル層２３の厚さＨ_２を推定する。このとき、ＦＦＴ分析（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ；高速フーリエ変換）を用いることが好適である。
即ち、受振センサ３７により図５（ａ）のような振幅と時間の波形が得られ、これをフーリエ変換により周波数分析することにより（ｂ）のような振幅と周波数の波形が得られる。これを周波数分析し、以下の式（４）を用いることによりメタル厚さＨ_２が算出できる。
ｄ＝ｖ／２ｆ ・・・（４）
ここで、ｄ：メタル厚さ、ｖ：メタル層の弾性波速度、ｆ：固有周波数である。

一方、炉本体上方に設定された基準位置Ａからメタル層上面（メタル層とスラグ層の境界面）までの距離Ｈ_１を求めておく。この基準位置Ａからメタル層上面までの距離Ｈ_１と、メタル厚さＨ_２とを合計した値Ｈ_１＋Ｈ_２と、予め求めておいた基準位置Ａから炉底耐火物表面までの初期距離Ｈとを比較することにより、炉底耐火物の浸食量を算出することができる。即ち、距離Ｈ_１と、メタル厚さＨ_２とを合計した値Ｈ_１＋Ｈ_２が、初期距離よりも増加した分だけ、炉底耐火物が浸食したものと推定できる。
尚、初期距離Ｈは、溶融炉の設計図から取得してもよいし、溶融炉施工後に実測して取得してもよい。

また、このような溶融炉１０では出滓口側の浸食が激しいので、少なくとも出滓口側の炉底耐火物の浸食量監視を行うようにするとよい。
さらに、灰投入側は浸食が少ないので、出滓口側と灰投入側の少なくとも２点の浸食量を測定し、これらを比較することで出滓口側の炉底耐火物の浸食量を把握するようにしてもよい。
上記したように、運転停止時に炉底耐火物浸食量を把握し、プラズマ時間（灰投入時間、灰投入量）から浸食速度を計算し、次の運転期間を決定することが好ましい。

本実施例によれば、休炉中にメタル層２３を除去することなく炉底耐火物の浸食量を把握することが可能となる。また、不純物や空隙の影響を受けにくい弾性波を用いることで、正確に炉底耐火物の厚さ測定を行うことが可能となる。さらに、厚さ測定の前段で、メタル層固有の弾性波速度を求めておくことで、被処理物の成分、投入量に関わらず精度の高い測定を行うことが可能となる。

また本実施例において、溶融炉１０の休炉前に該溶融炉１０を傾動し、スラグ層２２とメタル層２３のうちＦｅを多く含有するメタル上層とを排出した後、該溶融炉を元の水平状態に戻して急冷することが好ましい。
溶融炉１０の運転中には、メタル層２３は、Ｃｕを多く含有し比重の大きいメタル下層のＣｕリッチ層（比重７．６）と、Ｆｅを多く含有し比重の小さいメタル上層のＦｅリッチ層（比重７．０）に分かれて存在している。溶融炉１０をそのまま停止すると、まずメタル層上層部で融点の高いＦｅリッチ層が凝固しその後に融点の低い下層部のＣｕリッチ層が凝固するため、Ｃｕリッチ層が凝固する際の収縮によってせんだん応力が発生してＦｅリッチ層とＣｕリッチ層の境界で分離し、空間が発生する場合がある。これを防止するためには、溶融炉１０を休炉する直前に傾動して上部スラグ層を排出すると共に、Ｆｅリッチ層も出来る限り排出し、傾動後はすぐに元の水平に戻すことで残ったＦｅリッチ層とＣｕリッチ層を混合し、急冷することが有効であり、急冷することでＦｅリッチ層とＣｕリッチ層が再分離することを防止することが可能となる。

（実施例１−２）
次に、上記した実施例１−１を応用した実施例１−２につき説明する。
図６を参照して、実施例１−２は、実施例１−１と同様に固化したスラグ層を除去して露出させたメタル層２３の上面を打診して弾性波を発振する打診装置３５と、メタル面で反射した弾性波を受振する受振センサ３７と、該受振センサ３７に接続され、受振した波形を取得する波形計測装置３６（図１参照）とを備える。

本実施例１−２では、弾性波の反射位置が同一となる打診位置と受振位置の組み合わせが複数設定される。従って、前記打診装置３５と前記受振センサ３７は、夫々複数設置されていてもよいし、一組の打診装置３５と受振センサ３７を用いて、これを反射位置が同一となるように位置をずらして複数点の計測を行なうようにしてもよい。図６には複数の打診装置３５と受振センサ３７を設置した構成を示しており、打診装置（１）３５で発生させた弾性波は受振センサ（１’）３７で受振し、打診装置（２）３５で発生させた弾性波は受振センサ（２’）で受振する。打診装置（２）−受振センサ（２’）の距離Ｌ２は、打診装置（１）−受振センサ（１’）の距離Ｌ１より長くとっているが、このように装置間の距離Ｌを異ならせた複数点において測定を行なう。また、受振センサ部と打診部とを備えた打診装置３５’を備えており、該打診装置３５’は前記反射位置の直上に配置される。

上記した装置により受振センサ３７で得られた複数の波形データは、波形計測装置３６に入力され、該波形データを基にして解析装置（図示略）により解析処理を行い、弾性波の平均速度（平均音速）を求める。
本実施例１−２で求めた平均音速を前記実施例１−１に適用することにより、より正確にメタル厚さを求めることができ、さらには炉底耐火物の浸食量を精度良く求めることを可能とする。

一般に音速は深さ方向に分布があり、メタル層２３を媒質とすると例えば上部２０００ｍ／ｓに対して下部４０００ｍ／ｓの差がある。従って音速分布が大きい媒質の場合、実施例１−１をそのまま適用してメタル厚さ或いは炉底耐火物浸食量を算出すると誤差が大きくなってしまうことがある。また、実施例１−１に示したように表面波の速度を用いることは容易な方法で効果的であるが、実際には表面波ではなく深さ方向の速度を用いる必要がある。
そこで実施例１−２では、基準位置から等距離にある場所を起振点−受振点とし、反射波の到達時間を計測することによって深さ及び平均音速を求めることができるため、メタル厚さ或いは炉底耐火物浸食量を高精度で推定することができる。

ここで、上記した装置により得られた波形データから平均音速を算出する方法につき説明する。
本実施例では、前記受振センサ３７を介して波形計測装置３６に入力される波形は加速度波形とする。図９に、該加速度波形の一例を示す。同図に示されるように、打診−受振点間距離Ｌが異なる波形が複数得られる。
次いで、多重反射の往復時間を求める。これは、図６に示した基準位置の打診装置３５’を用い、該打診装置３５’の打診時間から反射波を受振するまでの時間から得られる。
図７は、直接波、表面波、反射波、屈折波の夫々の波における距離（打点−受振点間距離）と時間の関係を示しており、図中Ｅが基準位置におけるデータで、この時の時間が多重反射の往復時間となる。

一方、図９に示した加速度波形は、一度積分して速度波形に変換する処理を行う。これは、図８に示される加速度波形は比較的複雑な形状であるため、これを視覚的に明瞭化するために一度積分して速度波形に変換する処理を行うようにしたものである。この変換処理により得られる速度波形は、図１０のようになる。

そして、前記得られた速度波形から、テンプレート波形を用いて相関係数を算出し、反射波の到着時間を求める。
前記テンプレート波形とは、図１０に示される複数の速度波形のうち、明瞭に直接波が判別できる波形を抽出し、これをテンプレート波形としたものである。同図では、サイン波状の波形形状がクリアに判別できるｃｈ１２の直接波をテンプレート波形とした。他の波形は反射波等が重なっており明瞭でなく、テンプレート波形としては不適である。

該テンプレート波形を用いてテンプレートマッチングにより相関係数を算出する。該相関係数は形状の類似度を表す周知の評価尺度であり、図１０から抽出された速度波形の一部分が、前記テンプレート波形に対して類似度が高ければ１に近づき、類似度が低ければ−１に近づく。これを全ての波形に対して行なうことで、図１２に示されるグラフが得られる。図１２は、相関係数で表される波形を、基準位置からの距離が短い順に上から並べたものである。同図からわかるように、何れのグラフにおいても直接波は相関係数１の付近を通っており、その次に現れるのが表面波である。しかしながら、反射波は、複数の他の波形が重ね合っているため同図からは明瞭に判別できない。そこで、図１１に示した、基準位置の打診装置３５’で得られた波形データのＦＦＴ解析結果を示すグラフを用いて、反射波の見当をつける。図１１にて反射波を表すパワースペクトルが３．７８ｋＨｚのところに存在するため、ここから２６５μｓｅｃに反射波が現れることが予想できる。従って、図１２において、最も基準位置に近い（ａ）のグラフでの相関係数−１を示す位置が反射波と推定できる。

前記相関係数のグラフから、図１３に示す各波の距離と時間の関係が得られる。反射波は距離０ｍｍにて２６５μｓｅｃを通り、フィッティング処理により実線で表される反射波が得られた。一方、直接波及び表面波は距離０ｍｍにて０μｓｅｃを通る直線で表され、同図から、進行速度が速い表面波は進行速度が遅い直接波よりも傾きが大きくなっていることがわかる。ここで反射波のフィッティング処理には、図１４に示されるように反射波の速度Ｖｐ２と厚さｄを２つのパラメータとして用い、最小二乗法等の周知の方法によりフィッティング処理を行った。これにより、メタル厚さｄは２８９ｍｍと求められた。尚、このときメタル厚さｄの実測値は３００ｍｍであったため、厚さ誤差は５％未満に押えられ、本実施例が精度の高い結果が得られることがわかった。

このように本実施例１−２によれば、基準位置から等距離にある場所を起振点−受振点とし、反射波の到達時間を計測することによって深さ及び平均音速を求めることができるため、メタル厚さ或いは炉底耐火物浸食量をより高精度で求めることができ、さらには炉底耐火物の浸食量を精度良く求めることが可能となる。

（実施例１−３）
次に、上記した実施例１−１を応用した実施例１−３につき説明する。
図１５を参照して、実施例１−３は、実施例１−１と同様に固化したスラグ層を除去して露出させたメタル層２３の上面を打診して弾性波を発振する打診点（打診装置）３５と、メタル面で反射した弾性波を受振する受振センサ３７と、該受振センサ３７に接続され、受振した波形を取得する波形計測装置３６とを備える。

本実施例１−３では、受振センサ３７が打診点３５に対して異なる距離になるように複数設置される。同図では一例として、受振センサ（１）〜（３１）まで３１個のセンサが、一定間隔Ｄｍｍで略一直線上に設置されている。
最初に、これらの受振センサ３７のうち、受振センサ（１）から受振センサ（１６）までを波形計測装置３６に接続する。そして、打診点３５にてメタル層２３表面を打撃して弾性波を発生させ、これを波形計測装置３６に接続された１６個の受振センサ３７にて受振する。これにより波形計測装置３６には、１６個の波形データが入力される。
次いで、打診点３５を受振センサ３７側に移動させるとともに、受振センサ（２）から受振センサ（１７）までを波形計測装置３６に接続し、上記と同様にして波形データを取得する。同様にして、波形を受振させる受振センサ３７を１個ずつずらし、これに合わせて打診点３５を移動させ、測定を繰り返し行なう。

このようにして実施例１−３では、上記した測定操作により得られた波形データを解析して、表面波探査計測法によりメタル層中の音速、及びメタル厚さを求めるようにしている。
この表面波探査計測法は周知の方法であり、レイリー波の位相速度の分散特性からＳ波速度及び深さ分布を求めるものである。この分散特性を図１６に示す。図１６（ａ）は異なる媒質におけるＳ波速度と周波数との関係を示すグラフで、（ｂ）はその概念図である。これらの図に示されるように、媒質が薄いとＳ波速度が遅く、厚いとＳ波速度が速くなる。また、軟らかい媒質だとＳ波速度が遅く、硬い媒質だとＳ波速度が速くなる。従って、Ｓ波速度は媒質であるメタル層の状態、性質に影響を及ぼされることとなる。

即ち、図１５に示した装置により波形データを取得すると、図１７に示されるような複数の波形を有するグラフが得られる。ここから位相速度を求める。位相速度の求め方は周知であるが、（１）フーリエ級数展開など、（２）クロスコリレーション（相互相関）、（３）ＣＭＰ（Ｃｏｍｍｏｎ Ｍｉｄ Ｐｏｉｎｔ：反射点を等しくする）、（４）インバージョン（逆解析）、等の周知の演算を用いることによりメタル厚さ及びメタル層中の音速を求める。
この過程で図１８に示される分散曲線が算出され、これを上記手法にて解析することにより図１９のような速度を示す分布図が得られる。ここからメタル層２３と炉底耐火物の境界面が明瞭に判別できる。同図では、約１０ｃｍの所に境界面が認められ、これは実測値の１０ｃｍと同一となるため誤差はほぼ０となる。

本実施例１−３によれば、一定間隔で略直線上に設置した複数の受振センサにより得られた波形データに基づいて、表面探査計測法を用いてメタル層中の音速、及びメタル厚さを求めることにより、精度の高い測定が可能となる。また、この方法によれば図１９に示したように炉底状態が容易に把握できるため、炉底監視に非常に適した方法といえる。

図２０乃至図２２を参照して、本実施例２につき説明する。図２０は本発明の実施例２に係る装置の全体構成を示す側面図、図２１は図２０のＢ拡大図で、主電極に穿孔された測定孔を示す図、図２２は実施例２における耐火物浸食量算出のフローである。
図２２のフローを参照しながら、本実施例につき説明する。
まず、炉本体上方に設定された基準位置Ａから炉底耐火物表面までの初期距離Ｈを求めておく（Ｓ１１）。尚、初期距離Ｈは、溶融炉の設計図から取得してもよいし、溶融炉施工後に実測して取得してもよい。

そして、図２０に示すように、溶融炉１０の立ち下げ前に主電極１１（若しくは補助電極３９）を炉底耐火物分近まで挿入しておく（Ｓ１２）。このとき、主電極１１が炉底耐火物に突き当たったら数ｍｍ引き上げておくことが好ましい。これは、主電極１１の先端と炉底電極１２との間にメタル層２３を設けることで、主電極１１から炉底電極１２にドリルで貫通することを防止するためである。

そして、溶融炉１０を休止してスラグ層２２、メタル層２３が固化した後、主電極１１にドリルで測定孔４０を穿孔する（Ｓ１３）。図２１（ａ）、（ｂ）に示すように、測定孔４０は主電極１１の長手方向に形成され、炉底耐火物の表面近傍まで連通する孔とする。尚、主電極１１断面の中心に存在する孔は、窒素流路１１ａである。ドリルがメタル層２３に当たると音が変わるなどの変化があるため、これを判断基準とするとよい。
基準位置Ａからスラグ層表面までの距離Ｈ_３を求める（Ｓ１４）。
また、測定孔４０を用いて、スラグ表面から炉底耐火物表面までの距離Ｈ_４を求める（Ｓ１５）。この距離Ｈ_３＋距離Ｈ_４と、予め求めておいた基準位置Ａから炉底耐火物表面までの初期距離Ｈとを比較することにより、炉底耐火物の浸食量を求めることができる（Ｓ１６）。

本実施例では、炉底耐火物表面まで降下させた電極を用い、該電極に穿孔した測定孔によりメタル厚さを測定し、これを用いて炉底耐火物の浸食量を求めるようにしている。電極は主としてカーボンで形成されるため、低硬度で切削性が良好であり、これにより簡単に測定孔を形成することが可能である。
（参考例２）

図２３を参照して、本参考例２につき説明する。図２３は本発明の参考例２に係る装置の全体構成を示す側面図である。本参考例２は、プラズマ式溶融炉やアーク式溶融炉などのように、電気抵抗式溶融炉のみに適用可能である。
参考例２は、炉底電極１２の長さを超音波若しくは弾性波により厚さ計測するものである。基準位置Ａを炉底電極１２の端部に設定し、溶融炉１０の運転前に、予め基準位置Ａから炉底電極１２の炉内側端部までの初期距離Ｈを計測しておく。
そして、一定時間運転後に、超音波若しくは弾性波の発振装置４５と、受振センサ（不図示）を炉底電極１２の炉外側端部に設置し、該受振センサにより受振した波形に基づいて波形計測装置４６により炉底電極長さＨ_５を算出する。炉底電極１２は、炉底耐火物とともに浸食するため、算出した炉底電極長さＨ_５と、予め求めた初期距離Ｈとを比較することにより炉底耐火物の浸食量が求められる。
本参考例２によれば、炉内に作業員が侵入することなく炉底耐火物厚さを測定することが可能である。また、溶融炉１０の運転中、休炉中の何れにも適用可能である。

図２４及び図２５を参照して、本実施例３につき説明する。
図２４は実施例３に係る装置の全体構成を示している。溶融炉１０はフレーム５１により支持されている。該溶融炉１０は、運転中メタルを排出する傾動時に、炉本体１４の出滓口２５側下方に設けられた傾動軸５２を支点として、油圧駆動されるリフター（図示略）により図中矢印方向に傾動されて出滓口２５より溶融メタルを排出するように構成されている。
歪ゲージ５３は応力によって抵抗値が変化することにより圧力等を検出する周知のセンサである。該歪ゲージ５３は応力がかかる位置、即ち溶融炉１０を支持するフレーム５１に取り付けられる。

本実施例３では、前記歪ゲージ５３により、溶融炉１０の運転中に連続的にデータを検出する。該検出されたデータは、図２５のように重量の時系列データとして得られる。運転に伴いスラグが出滓されてメタル層の比率が大きくなるため、運転時間が経過すると重量が増加する。そして、傾動して溶融メタルを排出することにより急激に重量が減少する。これにより、図に示されるように鋸波状のデータが得られることとなる。
炉底耐火物浸食前は、傾動の周期ごとに同じような波形を得ることができる。しかしながら、炉底耐火物が浸食すると重量が増大する曲線と傾動の周期の和の波形となる。従って、初期レベル（炉底耐火物浸食前）との差によって現状の浸食状況を把握することが可能となる。

前記歪ゲージ５３は複数設置することが好ましく、これにより精度が向上する。また、該歪ゲージ５３の設置場所は、熱の影響が少ない炉から離れた場所が好適である。
本実施例３に係る炉底耐火物の監視方法は、運転中に実施することが可能であるため、上記した参考例１若しくは参考例２の炉底監視方法の確認として用いられることが好ましい。即ち、運転中に歪ゲージ５３により連側データを測定し、参考例１若しくは実施例３における浸食予測結果と照らし合わせて妥当性を判断する。
尚、上記実施例３では、歪ゲージ５３により重量を測定したが、傾動時の油圧の圧力で検知する構成としてもよい。この場合も図２５と同様の波形データが得られる。
このように、参考例１若しくは参考例２の炉底監視方法に加えて、本実施例３を実施して浸食予測結果の妥当性を判断することにより、より精度の高い炉底監視が可能となる。

図２６を参照して、本実施例４につき説明する。
本実施例４は、中性子を用いてメタルを透過した中性子量からメタル層２３の厚さを求める構成となっている。中性子の場合、原子量が小さい物質の方が透過しづらい性質がある。従って、原子量の大きいメタル層２３は透過できるため、メタル厚さの計測に適している。
同図に示されるように、本実施例の装置構成は、固化したスラグ層を除去して露出させたメタル層２３の上面に、ＳＵＳ等の材料で形成した板状体６５を配置し、該板状体６５上に放射線源６６を設ける。そして該放射線源６６を設置した空間を鉄製筐体６２により遮蔽し、さらに該鉄製筐体６２を防爆容器６１で囲繞する。前記鉄製筐体６２の内部には、前記放射線源６６から放射される中性子量を検出するセンサ（計数管）６３が設置される。

上記した構成により、中性子量を検出し、照射中性子の量と、メタル層２３を透過して炉底耐火物１８、１９で反射して帰ってきた熱中性子の量を計測し、これらに基づきメタル厚さを推定する。
即ち、メタル層２３の厚さが増すと熱中性子が増加するので、メタル厚さｘと熱中性子の量Ｉの相関が得られる。尚、使用上の問題として、中性子は常に放射線を発しており放射能Ｉ_０が減衰するため、計測頻度が少ない場合にはメタル厚さと熱中性子線との相関のキャリブレーションをその都度行なうようにする。（αの校正）
そして、照射中性子の量Ｉ_０と帰ってきた熱中性子の量Ｉを計測して、以下の式（５）によりメタル厚さｘを推定する。
Ｉ＝Ｉ_０ｅｘｐ（−α・ｘ） ・・・（５）

尚、上記した構成では、メタル層２３に対して同じ側に設置したセンサ６３により、帰ってきた熱中性子の量を計測したが、別の構成としてメタル層２３を挟んで対向面（即ち裏面）にセンサ６７を設置し、中性子の量を計測しても同様にメタル厚さを計測可能である。この場合、式（５）とは係数が異なる値となる。
Ｉ＝Ｉ_０ｅｘｐ（−β・ｘ） ・・・（６）

このように本実施例４によれば、中性子は原子量の小さい物質の方が透過しづらく、且つ原子量の大きいメタルは透過できる厚さが増すと熱中性子が増加する性質を利用して、メタル厚さと熱中性子の相関関係からメタル厚さを求めることにより、正確にメタル厚さを求めることが可能となり、さらには炉底の浸食状況を精度よく把握することが可能となる。

図２７及び図２８を参照して、本実施例５につき説明する。本実施例７は、低周波で且つ広帯域の超音波を用いてメタル厚さを測定する方法である。尚、ここで超音波とは、発信器により発生される振動波をいう。
図２７に実施例５に係る装置の構成を示す。本実施例の装置構成は、固化したスラグ層を除去して露出させたメタル層２３の上面に、超音波を発生させる発信器（探触子）７１と、該超音波を受振するセンサ（探触子）７２を設置する。前記発信器７１と前記センサ７２は夫々計測器７３に接続される。また、各探触子とメタル面には水溶性のグリスを塗り、密着させる。本実施例では、２探触子法が好適に用いられるため、発信器７１とセンサ７２は異なる位置に設置される。

そして、前記発信器７１から低周波で且つ広帯域の超音波をメタル層内部に発信する。超音波はメタル層下面の炉底耐火物との境界面で跳ね返り、上面に設置したセンサ７２に到達する。この超音波はセンサ７２を介して計測器７３に取り込まれ、該計測器７３にて計算、解析を行い、メタル厚さを算出する。

本実施例の方法を用いて試験を行なった結果を図２８に示す。試験１から試験８では、厚さに相当する場所にピークが現れず、厚さを測定することができなかった。試験９では、波形が安定しないが確認できる場合があり、厚さの測定がかろうじて可能であった。試験１０及び試験１１では、ピークが比較的明瞭に現れ、厚さを測定可能であった。これらの結果から、１探触子法では厚さ測定が困難で、２探触子法が厚さ測定に適していることがわかる。また、超音波の周波数は、２ｋＨｚ〜０．７ＭＨｚが好適であることがわかる。従って、２探触子法により低周波で且つ広帯域の超音波を用いて測定を行なうことにより、精度良くメタル厚さを測定可能であることが明らかとなった。

上記した実施例１乃至実施例５及び参考例１，２を用いて炉底監視を行うようにした実施例６につき説明する。
図２９に示すように本実施例６では、溶融炉１０の運転を開始したら（Ｓ２１）、運転中に参考例１若しくは参考例２を用いて炉耐火物の浸食量をリアルタイムで測定し（Ｓ２２）、測定した浸食量に基づいて溶融炉の運転計画を修正し（Ｓ２３）、運転を続行する。メンテナンス等により溶融炉１０を立ち下げたら（Ｓ２４）、休炉中に実施例１乃至５の何れかを用いて炉底耐火物の浸食量を詳細に測定する。測定した浸食量に基づいて、新たな溶融炉の運転計画立案若しくは運転計画の大幅修正を行う（Ｓ２５）。
尚、運転中の測定方法と休炉中の測定方法は、上記した実施例から適宜選択することができる。ここでは、一例として参考例１と実施例１を用いて炉底耐火物監視を行う方法につき説明する。
このように、溶融炉１０の運転中にリアルタイムで耐火物浸食量を求めるとともに、休炉中に詳細に耐火物浸食量を求めることにより、最適な運転計画を立てることが可能となり、安全で円滑な運転が可能となる。

次に、実施例７を図３２〜図３６に基づいて説明する。
さて、前記したように本発明に適用されるプラズマ溶融炉のメタル層２３は、Ｃｕを多く含有し比重の大きいメタル下層のＣｕリッチ層（比重７．６）と、Ｆｅを多く含有し比重の小さいメタル上層のＦｅリッチ層（比重７．０）に分かれて存在し、そして実施例５の試験１０及び試験１１に示す超音波検査では主に縦波型探触子が用いられ、その周波数は広帯域の超音波（２ＫＨｚ〜０．７ＭＨｚ）を用いているが、図３２に示すように超音波波形が、波の進行方向に対して平行である縦波（Ｐ波）の超音波を使用した場合は、計測対象物に不純物や気泡、隙間等が多い場合横波などにモード変換してしまい、縦波が弱くなるために、Ｃｕリッチ層とＦｅリッチ層が明りょうに分かれている場合は計測精度が低下する。（図３２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）参照）
一方、超音波波形が、波の進行方向に対して垂直であるものを横波（Ｓ波）とすると、前記した欠点が解消されると共に、特に溶融炉１０のメタル層２３は、メタル上層のＦｅリッチ層とＣｕリッチ層に分かれて存在している場合は、前記層境界で分離し、前記メタル上層のＦｅリッチ層が溶融炉１０のメタル層２３であると測定してしまう恐れがあるが、このような場合でも横波超音波を用いた場合は、前記した欠点が解消されることが知見できた。

また、図３３（ａ）に示すように、縦波型探触子は、メタル層の表面押圧方向に波形を生成する必要があるために、その探触子はその探触子面全体（直径７０ｍｍ分）がメタル層表面に接する必要があり、その面積全体をグラインダなどで平面に仕上げる必要がある。又超音波をメタル層に効率よく入力するために、グリス状のカップリング剤が必要とされる。又縦波型探触子を用いた計装システムは探触子、本体、表示パソコンで構成されるために、大きくて重く取り扱いが悪いのみならず、計測値を読み取る場合その読み取る点を人の判断で波形の位置に合わせるために、人による誤差が生じやすい。
一方、横波形低周波を利用した探触子は図３３（ｂ）に示すように針状であるために、１４０ｍｍ×１０５ｍｍ領域で５ｍｍ以上の大きな凹凸のみを除去することで計測可能となり、又複数の探触子から発信、受信が行われるために、伝搬波の指向性がよく、例えば炉底電極の表面中央部に指向することも容易である。（図３３（ｂ）参照）
又構成はコンパクトな装置本体と探触子のみのシンプルなもので溶融炉内にも持ち込み可能であり、扱いやすい。
更に図３３の（ｄ）で示すように計測値の読みとりはある程度の読みとり範囲を指定すれば計測値のポイントは計測器が自動判定してくれるために、人による誤差がなくなる。

かかる知見に基づき、低周波横波超音波を用いて実施例７を検討した。
先ず本実施例に用いる探触子本体の構造を、図３４を用いて説明する。
探触子本体５０は、複数の発振探触子５０Ａと受振探触子５０Ｂを左右に振り分けてそれぞれ複数個で構成されている（本実施例の場合は発振探触子５０Ａと受振探触子５０Ｂの数は同数で１２個ずつ）。
発振探触子５０Ａと受振探触子５０Ｂの単体５３はそれぞれが独立で上下動作し、スプリング５５で押さえつけられる構造で、メタル層表面の凹凸面に対しそれぞれが接触する仕組みとなっている。発振探触子５０Ａはコネクタ５７から発振回路５８に電気信号が送られ、その信号により発振するための電力がケーブル５６を介して振動子５１に送られ、該振動子５１が振動し、メタル層に横波を発生させる構造となっている。受振探触子５０Ｂは逆に振動子５１がセンサとなり、受けた振動を電気信号として受振回路５９が受取り、コネクタ５７に送る。発振探触子５０Ａと受振探触子５０Ｂの夫々の探触子単体５３は、中芯側の振動子５１が発振回路５８からの電気信号により振動するが、その外側が円筒ガイド５４に接触しながら上下動作するため、円筒ガイド５４には振動が伝わらないように振動子５１の外側を防振ゴムで覆っている。

次に、図１に示されるプラズマ式溶融炉を用いて図３４に示す低周波超音波探傷器のメタル厚さ計測器精度確認を行った。
確認手順は、図３５に示すとおりである。
即ち、前記プラズマ式溶融炉の炉本体と炉蓋の間にあるスリーブ（前記溶融炉上方で耐火物の浸食の影響を受けない位置）を基準位置として設定し、該溶融炉新設時にスリーブから炉底電極面までの高さｈ_０を測定する。（ステップ１）
次に炉底電極長さｈｅを測定し、後記する低周波横波超音波計測装置を用いて炉底電極の往復時間ｔより炉底電極中の音速を求める。（ステップ２）
その後メタル層の厚みが７００ｍｍとなる程度に所定時間運転してスラグ層とメタル層を堆積させた後、炉を傾動させてすぐに炉停止（停止後残存スラグ厚さ：７０〜８０ｍｍ）させて炉内部冷却を行う。
スラグ層の中央部位をはつり、スリーブからメタル層表面までの高さｈ１と炉底電極長さｈｅ‘を測定する。（ステップ３）
これにより「ｈ_０＋ｈｅ」は一定であるから
「ｈ_０＋ｈｅ」＝「ｈ_１＋ｈｅ‘」＋ｈ（メタル厚さ）となり、
前記式よりｈ（メタル厚さ）が求まる（ステップ４）。
次に、低周波横波超音波計測装置で炉中心のメタル厚さを計測し、それと上記メタル厚さ実測値から炉中心でのメタル層中の音速を得る。（低周波超音波による音速２５３９ｍ／ｓ）
この音速を使って各点（（２）−１及び（２）−３）のメタル厚さを求めた（ステップ５）ところ、その精度は±０〜−２．１％以内と極めて精度のよいことが確認された。（図３６参照）
尚、図３５（ｂ）に示すように、溶融炉１０のメタル層２３は、メタル上層のＦｅリッチ層とＣｕリッチ層に分かれて存在しているために前記層境界でも反射波があり、２つの値（図３６内参照）が得られた。
尚、比較例として弾性波レーダシステムを用いてインパクタによる弾性波（縦波）を発生させて音速の確認と（直接波による音速は出滓口付近が最も大きく約２８４０ｍ／ｓであり、これを採用した。）各点（（２）−１及び（２）−３）のメタル厚さを求めたところ弾性波レーダシステムはメタル上層２００ｍｍ付近の層の影響によりメタル層底面のレンガ境界からの信号を確認することができなかった。
尚、使用計測器は下記の通りである。
（１）低周波横波超音波計測装置：低周波横波超音波（周波数：５５ＫＨｚ）
・送受信デバイス：１２個のスプリング付インパクト針（アンテナアレイ）寸法：〔本体〕２４５×１２０×４０ｍｍ、〔アンテナアレイ〕１４５×９０×７５ｍｍ
（２）弾性波レーダシステム（アプライド・リサーチ社、ｉＴＥＣＳ−５）
・弾性波による速度・厚さ測定
・送受信デバイス：〔送信〕インパクタによる弾性波発生〔受信〕加速度センサ・寸法：〔本体〕２９０ｍｍ×２００ｍｍ×７０ｍｍ

以上記載の如くメタル厚さ計測は、２ｋ〜０．７ＭＨｚの範囲の低周波横波超音波（好ましくは周波数５０〜６０Ｈｚ）では底面からの反射波を明確に捉えることができ、直接の実測値との精度のバラツキが少ないことから、十分に本発明の効果が得られた。又弾性波レーダシステムは今回の実験では、メタル上層２００ｍｍ付近の層の影響によりレンガ境界からの信号を確認することができなかったが、Ｆｅリッチ層とＣｕリッチ層を混合し、急冷することにより精度よい結果が得られたことは前記したとおりであり、メタル層が疑似単一層のものには有効である。

本発明は、溶断しにくいメタル層を除去することなく正確に溶融炉の炉底耐火物を監視することができるため、プラズマ式溶融炉、電気抵抗式溶融炉、バーナ式溶融炉、旋回式溶融炉、反射式溶融炉等の各種溶融炉に適用可能である。

本発明の参考例１に係る装置の全体構成を示す側面図である。 参考例１における耐火物浸食量算出のフローである。 本発明の実施例１に係る装置の基本構成を示す側面図である。 実施例１−１の装置における弾性波の伝播状況を模式的に表し、（ａ）はメタル層の弾性波速度の測定方法を説明する図、（ｂ）は、厚さ測定方法を説明する図である。 実施例１−１にて得られる波形で、（ａ）は変換前、（ｂ）は変換後を示す。 実施例１の変形例である実施例１−２の装置を示す側面図である。 図６の装置から得られる各波の距離と時間の関係を示すグラフである。 変位・速度・加速度の波形とその相互関係を説明する図である。 図６のセンサで受振した加速度波形の一例を示す図である。 図９の加速度を積分して得られた速度波形を示す図である。 基準位置で得られた波形データのＦＦＴ解析結果を示すグラフである。 相関係数を説明する図である。 実施例１−２で得られる各波の距離と時間の関係に表したグラフである。 フィッティング結果を示す表である。 実施例１の変形例である実施例１−３の装置を示す側面図である。 レイリー波の位相速度の分散特性を説明する図で、（ａ）は異なる媒質におけるＳ波速度と周波数との関係を示すグラフ、（ｂ）はその概念図である。 図１５のセンサで受振した加速度波形の一例を示す図である。 実施例１−３における分散曲線算出結果を示す図である。 実施例１−３における表面探査解析結果を示す図である。 本発明の実施例２に係る装置の全体構成を示す側面図である。 図２０のＢ拡大図で、主電極に穿孔された測定孔を示す図である。 実施例２における耐火物浸食量算出のフローである。 本発明の参考例２に係る装置の全体構成を示す側面図である。 本発明の実施例３に係る装置の全体構成を示す側面図である。 実施例３に得られた炉体重量の時系列変化を示すグラフである。 本発明の実施例４に係る装置の側面図である。 本発明の実施例５に係る装置の側面図である。 実施例６にて低周波超音波試験による試験条件と結果を示す表である。 本発明の実施例７における耐火物炉底耐火物浸食検知方法を示すフローである。 従来の耐火物厚さ測定方法を説明する図である。 一般的なプラズマ式溶融炉の断面図である。 （ａ）は超音波波形が、波の進行方向に対して平行である縦波（Ｐ波）と超音波波形が、波の進行方向に対して垂直である横波（Ｓ波）を示し、（ｂ）（ｃ）はその計測概要を示す。 （ａ）は縦波型探触子のメタル層の表面接触状況、（ｂ）は横波形低周波の探触子の概要（ｃ）は縦波と横波の反射状態、（ｄ）横波の計測値の読みとり波形を示す。 本発明の実施例７に使用される横波形低周波の探触子の詳細図である。 （ａ）は本発明の実施例７に係るフローチャート図、（ｂ）はその測定位置を示す概要図である。 本発明の実施例７に係る低周波横波超音波と弾性波の（縦波）の厚さ計測結果の比較図とその下段に低周波横波超音波の測定概要を示す。

１０ 溶融炉
１１ 主電極
１２ 炉底電極
１４ 炉本体
１６ 鉄皮
１７ 炉底
１８、１９ 炉底レンガ
２０ 被処理物投入口
２２ スラグ層
２３ メタル層
２５ 出滓口
２８ 放射温度計
３０ 浸食量算出装置
３５’ 打診−受振装置
３６、４６ 波形計測装置
３７、３７ａ、３７ｂ 受振センサ
３８ 挿入孔
３９ 補助電極
４０ 測定孔
４５ 発振装置
４６ 波形測定装置
５１ フレーム
５３ 歪ゲージ
６１ 防爆容器
６２ 鉄製筐体
６３、６７ センサ（計数管）
６６ 放射線源
７１ 超音波発信器（探触子）
７２ 受振センサ（探触子）
７３ 超音波計測器

Claims (23)

1. 炉内に投入された被処理物を溶融処理することにより、炉底にスラグ層と、その下方にメタル層とが堆積された溶融炉にて、炉底耐火物の浸食量を測定する溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、
   前記溶融炉上方で耐火物の浸食の影響を受けない位置を基準位置に設定し、
   前記溶融炉の運転前に、前記基準位置から炉底電極面までの初期距離ｈ０を測定しておき，前記溶融炉の運転停止時に、前記スラグ層を除去してメタル面を露出させ、前記基準位置からメタル面までの距離ｈ１を測定して前記メタル層の厚さであるメタル厚さｈを非破壊で計測することを特徴とする溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法。
2. 炉内に投入された被処理物を溶融処理することにより、炉底にスラグ層と、その下方にメタル層とが堆積された溶融炉の炉底耐火物浸食検知装置において、
   前記溶融炉上方で耐火物の浸食の影響を受けない位置を基準位置に設定し、
   前記溶融炉の運転前に、前記基準位置から炉底電極面までの初期距離ｈ０を測定しておき，前記溶融炉の運転停止時に、前記スラグ層を除去して前記メタル面を露出させ、前記基準位置からメタル面までの距離ｈ１を測定してメタル厚さｈを計測する非破壊検査装置を備え，該非破壊検査装置にて炉底耐火物の浸食を検知することを特徴とする溶融炉の炉底耐火物浸食検知装置。
3. 前記溶融炉の運転停止前に該溶融炉を傾動し，前記スラグ層と，前記メタル層のうちＦｅを多く含有する上層の少なくとも一部とを排出した後，該溶融炉を元の水平状態に戻して急冷した後にメタル厚さｈを非破壊で計測することを特徴とする請求項１記載の溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法。
4. 前記溶融炉を支持するフレームに歪ゲージを設置し、該歪ゲージにて検出された時系列的な重量変化を示す連続データに基づいて、メタル厚さｈを求め，請求項１若しくは３にて算出された前記炉底耐火物の浸食量の測定精度を確認することを特徴とする溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法。
5. 炉内に投入された被処理物を溶融処理することにより、炉底にスラグ層と、その下方にメタル層とが堆積された溶融炉にて、炉底耐火物の浸食量を測定する溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、
   請求項１記載の炉底耐火物浸食検知方法とともに、溶融炉を支持するフレームに歪ゲージを設置し，該歪ゲージにて検出された時系列的な重量変化を示す連続データに基づいて、メタル厚さｈを求めることを特徴とする溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法。
6. 前記メタル面に２ｋ〜０．７ＭＨｚの範囲の低周波超音波を発振探触子から発振し，該発振した超音波を前記メタル層底面側の耐火物境界面から反射させて得た反射波を受振センサで受振して得たメタル層の往復時間と，予め得たメタル層中の音速とに基づいてメタル厚さｈを求めることを特徴とする請求項１記載の溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法。
7. 前記溶融炉の運転停止時に、前記スラグ層を除去して前記メタル面を露出させ、該露出させた該メタル面に、２ｋ〜０．７ＭＨｚの範囲の低周波超音波を発振する発振探触子と、該探触子より発振した超音波をメタル層底面側の耐火物境界面から反射させて得た反射波を受振する受振センサを併置し、
   前記発振探触子より発振した超音波を、前記メタル層底面側の耐火物境界面から反射させて得た反射波を受振センサで受振して得たメタル層の往復時間と、予め得たメタル層中の音速とに基づいてメタル厚さｈを求めることを特徴とする請求項２記載の溶融炉の炉底耐火物浸食検知装置。
8. 前記超音波は、横波超音波であることを特徴とする請求項６記載の溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法。
9. 前記超音波は、横波超音波であることを特徴とする請求項７記載の溶融炉の炉底耐火物浸食検知装置。
10. 前記発振探触子と受振センサは、それぞれ同数の複数対配設され、探触子はそれぞれが接触面方向に押圧力が付勢されて独立で上下動作し、メタル層表面の凹凸面に追従してそれぞれが接触する探触子であることを特徴とする請求項９記載の溶融炉の炉底耐火物浸食検知装置。
11. メタル厚さｈの測定が弾性波により行われるものであることを特徴とする請求項１記載の溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法。
12. 請求項２記載の非破壊検査装置が弾性波による検査装置であることを特徴とする溶融炉の炉底耐火物浸食検知装置。
13. 溶融炉の運転停止時に、前記スラグ層を除去して前記メタル面を露出させ、前記弾性波を受振する受振センサを一定間隔で直線上に複数配置し，該複数の受振センサにより検出した複数の波形データに基づいて表面探査計測法を用いて前記メタル厚さｈを求めるようにしたことを特徴とする請求項１１記載の溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法。
14. 溶融炉の運転停止時に、前記スラグ層を除去して前記メタル面を露出させ、前記メタル層の水平方向を伝播する弾性波を発振させる打振装置と該打振装置より発振した弾性波を受振する受振センサを備え，前記弾性波を受振する前記受振センサを一定間隔で直線上に複数配置し，該複数の受振センサにより検出した複数の波形データに基づいて表面探査計測法を用いて前記メタル厚さｈを求めるようにしたことを特徴とする請求項１２記載の溶融炉の炉底耐火物浸食検知装置。
15. 前記溶融炉の運転停止時に、前記スラグ層を除去してメタル面を露出させ、該メタル面から中性子を照射し、前記メタル層を透過して該中性子照射側に戻ってきた熱中性子量若しくは前記メタル層を透過して対向面に到達した熱中性子量を計測し、予め求めておいた前記メタル厚さｈと熱中性子量の相関関係から前記メタル厚さｈを求めることを特徴とする請求項１記載の溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法。
16. 前記溶融炉の運転停止時に、前記スラグ層を除去してメタル面を露出させ、該メタル面から中性子を照射する放射線源と、前記メタル層内で変化した熱中性子の量を検知する計数管を装備し，前記メタル面から中性子を照射し、前記メタル層を透過して該中性子照射側に戻ってきた熱中性子量若しくは前記メタル層を透過して対向面に到達した熱中性子量を計測し、予め求めておいた前記メタル厚さｈと熱中性子量の相関関係から前記メタル厚さｈを求めることを特徴とする請求項２記載の溶融炉の炉底耐火物浸食検知装置。
17. 炉内に投入された被処理物を溶融処理することにより、炉底にスラグ層と、その下方にメタル層とが堆積された溶融炉にて、炉底耐火物の浸食量を測定する溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法において、
    前記溶融炉上方で耐火物の浸食の影響を受けない位置を基準位置に設定し、前記溶融炉の運転前に該基準位置からメタル層と炉底耐火物の境界面までの初期距離ｈ０を計測しておき、
    前記溶融炉の運転休止前に前記溶融炉の炉頂部から垂下される主電極を炉底耐火物近傍まで降下させ、
    運転を休止しスラグ層及びメタル層が固化した後、前記基準位置からスラグ層表面までの距離ｈ３を測定するとともに、前記主電極のスラグ層及びメタル層埋設部位の少なくとも一部を高さ方向に削孔して炉底耐火物境界面まで連通する測定孔を形成し、該測定孔によりスラグ層及びメタル層の積層厚さｈ４を測定し、前記距離ｈ３と前記積層厚さｈ４の計と、前記初期距離ｈ０とを比較することにより炉底耐火物の浸食量を求めることを特徴とする請求項１記載の溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法。
18. 前記メタル厚さｈを求める前段で、該メタル層の水平方向を伝播する低周波超音波の速度から前記メタル層固有の低周波超音波の速度を計測し、該低周波超音波の速度を用いてメタル厚さｈを求めるようにしたことを特徴とする請求項６又は請求項８記載の溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法。
19. 前記メタル厚さｈを求める前段で、該メタル層の水平方向を伝播する弾性波の速度から前記メタル層固有の弾性波の速度を計測し、該弾性波の速度を用いて前記メタル厚さｈを求めるようにしたことを特徴とする請求項１１又は請求項１３記載の溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法。
20. 前記超音波の反射位置が同一となるように複数の発振装置とこれに対応した受振センサとを距離を異ならせて設置するとともに、前記反射位置の直上に発振部と受振部を備えた発振装置を設置し、前記受振センサにて得られた複数の波形データと、前記受振部にて得られた反射波到達時間とに基づいて前記メタル厚さｈを求めるようにしたことを特徴とする請求項６又は請求項８記載の溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法。
21. 前記弾性波の反射位置が同一となるように複数の発振装置とこれに対応した受振センサとを距離を異ならせて設置するとともに、前記反射位置の直上に発振部と受振部を備えた発振装置を設置し、前記受振センサにて得られた複数の波形データと、前記受振部にて得られた反射波到達時間とに基づいて前記メタル厚さｈを求めるようにしたことを特徴とする請求項１１又は請求項１３記載の溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法。
22. 前記波形データから速度波形を取得し、該速度波形から直接波を抽出するとともに、前記反射波到達時間に基づいて反射波を抽出し、前記反射波の平均速度及び深さをパラメータとして回帰計算によるフィッティング処理することにより前記メタル厚さｈを求めるようにしたことを特徴とする請求項２０又は請求項２１記載の溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法。
23. 前記溶融炉の運転停止時に、前記スラグ層を除去してメタル面を露出させ、前記基準位置からメタル面までの距離ｈ１と前記炉底電極の長さｈｅを測定して得た中心メタル厚さと、発振探触子から発振した低周波超音波又は横波超音波又は弾性波を、炉底電極表面から反射させて得た反射波を受振センサで受振して得たメタル層の往復時間と、によりメタル層中の音速を求めることを特徴とする請求項６，８，１１のいずれか一項に記載の溶融炉の炉底耐火物浸食検知方法。