JP5470479B2 - 溶融金属中の温度を測定するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、片側が閉じたセラミック管内に配置された熱電対と、片側が閉じた管を取り囲む外部保護ボディであって、片側が閉じた管と保護ボディの内表面との間に環状空間を形成する当該外部保護ボディとを備えた溶融金属中の温度を測定するための装置に関する。

上記タイプの装置は、ＧＢ−Ａ−２１９３３７５号に開示されるように既知である。この文献は、金属管、具体的にはモリブデン製の金属管によって取り囲まれた熱電対について説明している。なお、そのモリブデン管は、酸化物塗膜によって取り囲まれている。上記タイプの追加的な装置としては、ＥＰ５５８８０８Ｂ１が知られている。この文献は、保護ボディと熱電対管との間の環状空間を塞ぐことが有利であることを説明している。

例えば、ドイツの実用新案ＧＭ７４１９６３３号に記載されるような、似たような装置が知られている。そこでは、耐熱性の金属酸化物及び黒鉛で作られた保護ボディに挿入された熱電対を取り囲み、片側が閉じた管を有しており、これにより、片側が閉じた管と保護ボディとの間に環状の隙間が形成される配置が記載されている。溶融金属においては一般的な高温下の操作のために、片側が閉じた管内に配置された熱電対は、白金などの高価な材料で製造されている。具体的には、溶融金属の連続制御に必要な連続的な温度測定においては、反応性ガス及び／又は腐食性ガスが、具体的には、熱電対を取り囲むシェルを貫通し、これによってシェル及び熱電対を破壊し得るため、上述した配置では、その内部において熱電対は十分に保護されない。このため、熱電対を何回も交換することが必要であろう。溶融金属内で高温に曝されることにより、例えば、一酸化ケイ素と一酸化炭素とが、装置の保護ボディの内部で生じ、熱電対を取り囲む酸化アルミニウム管を貫通する。そのプロセスにおいて、一酸化炭素が上記管の気孔率を増加させ、管をゆっくりと破壊していく。熱電対ワイヤと反応する一酸化ケイ素は、ワイヤを効果的に破壊し、温度測定を不正確なものとし、導通不能にする。

上記特徴を有する他の装置として、ＧＢ−Ｂ２１９３３７５が知られている。この装置内の熱電対は、片側が閉じ、セラミック塊を用いて保護ボディ内に埋め込まれた、セラミック・コートの（セラミックにより被覆された）不浸透性のモリブデン管によって取り囲まれている。上記モリブデン管は、非常に高価であり、製造が困難である。熱力学的張力によって破壊されるのを防ぐために、モリブデン管は、モリブデン含有量が内側から外側に向けて減少する複数のセラミック層によって取り囲まれている。上記層の１の目的は、モリブデン管に沿って生じる温度勾配を相殺するためである。しかしながら、上記セラミック層とモリブデン管は、一酸化炭素又は一酸化ケイ素等のような反応性ガスによって破壊される場合がある。

英国特許出願公開第２１９３３７５号明細書 欧州特許第５５８８０８号明細書 独国実用新案第７４１９６３３号明細書 英国特許第２１９３３７５号明細書

そこで、本発明の目的は、耐用年数の長い熱電対を備えた温度測定装置を作り出すことである。

上記目的は本発明に係る装置によって達成されるものであり、保護ボディが、７５〜９０重量％の酸化アルミニウムと、２〜１０重量％の酸化ケイ素と、７〜１５重量％のグラファイト（黒鉛）と、０．１〜１重量％のＦｅ₂Ｏ₃と、０．１〜１重量％の（Ｋ₂Ｏ＋Ｎａ₂Ｏ）と、０．１〜１重量％のＭｇＯと、これらに加えて不可避的不純物を含み得るこれらの混合物で作られたことを特徴とする。上記材料は、既知の材料で作られた同様の保護ボディに比べて、高い圧縮強度及び曲げ強度を有し、耐腐食性（化学的な腐食性又は浸食性）及び耐浸食性（物理的な浸食性又は腐食性）を向上させた保護ボディをもたらすものである。

環状空間は、金属酸化物粉及び脱酸素剤（酸素低減剤）としてのアルミニウムで本質的に塞がれる（充填される）ことが有利であり、これにより、脱酸素剤によって占められる環状空間の充填率は約１５重量％〜約７０重量％である。上記脱酸素剤は、例えば、一酸化ケイ素又は一酸化炭素等のような腐食性の及び／又は反応性のガスが、熱電対を取り囲み、片方が閉じた管に到達し、熱電対とともに上記管を破壊することを抑制するものである。そのプロセスにおいては、脱酸素剤（還元剤）が酸化される間に熱電対も包囲管をも攻撃しないケイ素及び炭素が生成される。

便宜上、脱酸素剤は、粉の状態で供給され、金属酸化物粉と混合される。これは、脱酸素剤を、環状空間全体にわたって均一に分配（分布）させることを可能にし、上記脱酸素剤の高い有効性を保証するものである。脱酸素剤はロッド（棒）の形態で、具体的には、片側が閉じた管と平行（並行）に設けることが好適に実現可能である。脱酸素剤を、金属酸化物中に埋設されたワイヤ、ペレット及び／又は粒の形態で供給することもまた好適に実現可能である。環状空間内に脱酸素剤を収容するための他の選択肢としては、上記脱酸素剤で金属酸化粉を管のように取り囲むことである。その管は、閉じた円筒状の壁面を備えるか、又は開口を備えることができる。粉を管形状に配置することもまた好適に考えられる。脱酸素剤の複数の形態を組み合わせることもまた好適に実現可能である。一般には、脱酸素剤の形は特定の形状には制限されない。

しかしながら、最適な有効性のためには、脱酸素剤は、すべての環状空間に渡って分布されるべきである。この種の接続は、片側が閉じた管を一様ではない熱力学的ストレス下に曝し得る熱の逃げ道を形成することに繋がりかねないため、脱酸素剤が、片側が閉じた管及び保護ボディに直接接続していないことを確認する必要があるだろう。適当な断熱（絶縁）は金属酸化物粉により提供される。便宜上、環状空間内に配置された金属酸化物粉は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化チタンの群から選ばれる酸化物又はこれら複数の酸化物の混合物で作られる。酸化アルミニウムの使用は、それが非常に廉価であるために特に好ましい。便宜上、環状空間の充填物に対するアルミニウムの容量は、体積比率（容積百分率）で約２５％〜６５％である。

更に、保護ボディの材料密度は、２．８〜３ｇ／ｃｍ³とするのが好ましい。それは、便宜上、開放気孔率がたった１０〜１５％とすることができる。また、保護ボディの材料の混合物の平均粒子径は１ｍｍ未満であることが好ましい。これにより、装置が溶鋼内で用いられる際に耐腐食性及び耐浸食性を向上させることができるものである。

図１は、脱酸素粉を有する装置の概略図を示す。

本発明の例示的な実施形態について、以下に図面を用いてより詳細に説明する。

図１に示す溶融金属中の温度を測定するための装置は、ここには示していないセラミック双子管内に既知の方法で配置された熱電対を備える。これは、片側が閉じた酸化アルミニウム管１によって取り囲まれている。熱電対の熱いはんだ付け領域は、酸化アルミニウム管１の閉じた端部の近傍に、その端部に出来るだけ近づくように適正に配置される。

片側が閉じた酸化アルミニウム管１は、例えば、酸化アルミニウム及び黒鉛などのような耐熱性の金属酸化物で構成された保護ボディ２内に挿入されている。片側が閉じた酸化アルミニウム管１を挿入するために、上記保護ボディ２は、保護ボディ２内の長手方向に配置され、閉じた浸漬端からその浸漬端から外方に向いた端部へと延在する空洞を備える。熱電対を有する酸化アルミニウム管１は、開口から保護ボディ２内に挿入されることにより作り出される。空洞の直径は、酸化アルミニウム管１の直径よりも約８−１５ｍｍ大きい。これが保護ボディと熱電対管との間に環状空間３を作り出している。

保護ボディは、保護ボディを補強するための、ＭｇＯ及びＦｅ₂Ｏ₃を含む７５〜９０重量％の酸化アルミニウム、４〜１０重量％の黒鉛、４〜１０重量％のフェノール樹脂（熱硬化性樹脂）及び酸化防止剤としての１〜７重量％のケイ素の混合物を用いて製造することができる。成分混合の間、この特別な混合とは別に、混合物は、室温から９０℃の間の温度で乾燥される。その後、（この例だけではないが）混合物が成形されプレスされて最終的に加熱され、これにより第１加熱ステップの後に水溶液（例えば融点降下成分としてＮａ₂Ｏ及びＫ₂Ｏを含むホウケイ酸塩）のグレーズ（ｇｌａｚｅ）の（例えば約０．２５ｍｍの）層が保護ボディの外表面上に噴霧される。そのグレーズは、焼成及び使用中（余熱）の間の脱炭を抑制する。その後、それは９００℃にまで焼成される。そのプロセスの間、ケイ素はＳｉＯ₂を形成するために反応し、不可避的不純物はＦｅ₂Ｏ₃、Ｋ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ及びＭｇＯを形成するために反応する。

完成した保護ボディは、例えば、約８２重量％のＡｌ₂Ｏ₃、約６重量％のＳｉＯ₂、約１１重量％のグラファイトの形態の炭素、約０．４重量％のＦｅ₂Ｏ₃、約０．３重量％のＫ₂Ｏ＋Ｎａ₂Ｏ及び約０．３重量％ＭｇＯを含む。

保護管（保護ボディ）は、室温で約４０〜５０Ｍｐａの圧縮強度を具備し、室温で約６〜９Ｍｐａの、１４５０℃で１０〜１５Ｍｐａの曲げ強度を有する。その材料の密度は、約２．８〜３ｇ／ｃｍ³であり、その開放気孔率は約１０〜１５％である。耐腐食性及び耐浸食性に関し、保護ボディは、既知の保護ボディに比べて耐用年数が長く、溶融金属中における使用の間も高い安定性を備えるものである。

環状空間３は、酸化アルミニウム粉及びアルミニウム粉の混合物で満たされ、これによりアルミニウム粉によって占められる充填物の割合は、体積比率（容積百分率）で約４０〜５０％である。低減剤（脱酸素剤）は、熱電対を含む酸化アルミニウム管１とほぼ平行に配置されたアルミニウムロッドの形態で好適に存在し得る。上記アルミニウムロッドは、酸化アルミニウム粉中に埋設される。そのアルミニウムロッドを、任意の他の方法によって配置することもまた好適に実現可能であるが、これらを酸化アルミニウム管１と平行に配置することが、還元効果の面から最も効果的である。ワイヤ又はペレット及び／又は粒の形態で低減剤（脱酸素剤）を酸化アルミニウム粉又はアルミニウム粉を取り巻くように配置されたアルミニウム管として配置することもまた好適に実現可能である。

脱酸素アルミニウムは、例えば、溶鋼などの溶融金属中において温められた装置上で溶融する。しかしながら、溶融アルミニウムは、酸化アルミニウム粉によって形成された空洞中をただちに貫通して、その結果下方に移動することが抑制されるので、溶融アルミニウムが保護ボディ２の閉じた先端へ流れ落ちることを抑制できる。

１…酸化アルミニウム管
２…保護ボディ
３…環状空間

Claims (8)

1. 片側が閉じたセラミック管内に配置された熱電対と、
   前記片側が閉じた管を取り囲む外部保護ボディであって、前記片側が閉じた管と前記外部保護ボディの内表面との間に環状空間を形成する前記外部保護ボディと
   を備えた溶融金属中の温度を測定するための装置であって、
   前記外部保護ボディが、７５〜９０重量％の酸化アルミニウム、２〜１０重量％の酸化ケイ素、７〜１５重量％の黒鉛、０．１〜１重量％のＦｅ₂Ｏ₃、０．１〜１重量％の（Ｋ₂Ｏ＋Ｎａ₂Ｏ）及び０．１〜１重量％のＭｇＯの混合物で作られていることを特徴とする装置。
2. 前記環状空間が、金属酸化物粉及び脱酸素剤としてのアルミニウムにより本質的に充填されており、前記脱酸素剤によって占められる前記環状空間の充填物の割合が、約１５重量％〜約７０重量％であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記脱酸素剤が粉の状態で供給され、前記金属酸化物粉と混合されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記金属酸化物粉が、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化チタンの群から選ばれる酸化物又はこれら複数の酸化物の混合物で作られることを特徴とする請求項２又は３に記載の装置。
5. 前記金属酸化物粉が、本質的に酸化アルミニウムで作られることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記外部保護ボディの密度が、２．８〜３ｇ／ｃｍ³であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記外部保護ボディの開放気孔率が、１０〜１５％である請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記外部保護ボディの材料の混合物の平均粒子径が１ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
   
   

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