JP5510835B2 - 超高温熱膨張試験装置 - Google Patents
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Description
本発明は、超高温（２４００℃以上）まで到達できる電気炉を利用して高温での耐火物などの熱膨張試験を行う装置に関し、特に、非接触法と接触法による２つの試験を同時に計測できる超高温熱膨張試験装置に関する。
高温での耐火物などの熱膨張を試験する方法は、日本工業規格において、「ＪＩＳ Ｒ２２０７−１ 耐火物の熱膨張の試験方法−第１部：非接触法」（非特許文献１）、「ＪＩＳ Ｒ２２０７−３ 耐火物の熱膨張の試験方法−第３部：棒状試験片を用いる接触法」（非特許文献２）として規格化されている。
上記規格の、第１部：非接触法には、非接触法に用いる熱膨張試験装置が記載されているものの、その熱膨張試験装置は、棒状試験片を用いる接触法に使用可能な構造となっていない。また、上記規格の、第２部：棒状試験片を用いる接触法には、接触法に用いる熱膨張試験装置が記載されているものの、その熱膨張試験装置は、非接触法に使用可能な構造となっていない。したがって、非接触法と棒状試験片を用いる接触法の両方の熱膨張の試験方法を実施するには、それぞれの熱膨張試験装置で別々に行う必要があった。
上記規格の、第１部：非接触法には、非接触法に用いる熱膨張試験装置が記載されているものの、その熱膨張試験装置は、棒状試験片を用いる接触法に使用可能な構造となっていない。また、上記規格の、第２部：棒状試験片を用いる接触法には、接触法に用いる熱膨張試験装置が記載されているものの、その熱膨張試験装置は、非接触法に使用可能な構造となっていない。したがって、非接触法と棒状試験片を用いる接触法の両方の熱膨張の試験方法を実施するには、それぞれの熱膨張試験装置で別々に行う必要があった。
ＪＩＳ Ｒ２２０７−１ 耐火物の熱膨張の試験方法−第１部：非接触法
ＪＩＳ Ｒ２２０７−３ 耐火物の熱膨張の試験方法−第３部：棒状試験片を用いる接触法
本発明は、「ＪＩＳ Ｒ２２０７−１ 耐火物の熱膨張の試験方法−第１部：非接触法」と「ＪＩＳ Ｒ２２０７−３ 耐火物の熱膨張の試験方法−第３部：棒状試験片を用いる接触法」による２つの試験方法を、１つ熱膨張試験装置で同時にできるようにして、一度の温度上昇で２つの試験方法の同時計測を行い、高温加熱に要するエネルギーの節約、装置の小型化、それぞれ２つの試験方法同士での測定結果の補間などを実現できる超高温熱膨張試験装置を提供することを目的とする。
本発明の超高温熱膨張試験装置は、電気炉の上下方向に棒状試験片の支持部材と接触法による計測系を配置し、電気炉の左右方向に非接触法による計測系を配置し、電気炉の前壁に前面発熱体を、後壁に後面発熱体を配置することにより、棒状試験片を用いた接触法による熱膨張試験と非接触法による熱膨張試験を一度の温度上昇で同時に計測できるようにしたことを特徴とする。
また、本発明は、上記超高温熱膨張試験装置において、前記前面発熱体は、前記前壁に設置された前面ドアの内面に取り付けられており、前面ドアを開放することにより前面発熱体も前面ドアと一緒に開放され、棒状試験片の交換を開放された前面ドア側からできるようにしたことを特徴とする。
また、本発明は、上記超高温熱膨張試験装置において、前記前面発熱体は、前記前壁に設置された前面ドアの内面に取り付けられており、前面ドアを開放することにより前面発熱体も前面ドアと一緒に開放され、棒状試験片の交換を開放された前面ドア側からできるようにしたことを特徴とする。
本発明の超高温熱膨張試験装置によれば、１台の試験装置で非接触法と接触法の２つの試験方法を同時に計測できるので、一度の温度上昇で２つの試験方法の同時計測が行え、高温加熱に要するエネルギーの節約が図れ、２つの試験方法同士での測定結果の補間なども一度の温度上昇の同時計測で行うことができる。
また、電気炉の上下面を利用して棒状試験片の支持・接触法による計測装置を配置し、電気炉の左右面を利用して非接触法による計測装置を配置し、電気炉の前後面を利用して発熱体を配置し、かつ、前面ドアの内壁に前面側の発熱体を取り付けたので、棒状試験片の取り付け取り外しに際し発熱体が作業の支障にならず、電気炉の上下・左右・前後の６面を有効に利用できる。
また、電気炉の上下面を利用して棒状試験片の支持・接触法による計測装置を配置し、電気炉の左右面を利用して非接触法による計測装置を配置し、電気炉の前後面を利用して発熱体を配置し、かつ、前面ドアの内壁に前面側の発熱体を取り付けたので、棒状試験片の取り付け取り外しに際し発熱体が作業の支障にならず、電気炉の上下・左右・前後の６面を有効に利用できる。
超高温熱膨張試験装置に用いる電気炉には、前後・左右・上下の６つの壁面があるので、前後、左右、上下の３方向を利用して、それぞれ、発熱体、非接触法計測系、棒状試験片の支持装置及び接触法計測系を配置する。
上下方向には、棒状試験片を特殊な形状をした試料筒の中に立てて設置し、試験片上面に支持棒を設置して電気炉上部まで貫通させ、棒状試験片の膨張を電気炉外上部に固定したマイクロゲージ及び変位計で接触法による計測を行う。
電気炉の発熱体（例えば、カーボン材料など）は前後方向を利用し、電気炉内後面に一方を、もう片方をサンプル交換時に開けるに前面ドア内面に設置させた。
非接触法計測系は左右方向を利用し、電気炉側面、断熱材及び試料筒に光学的な計測が可能な光路を確保して、電気炉の左右両側にレーザーマイクロゲージシステムを設置して、非接触法式で熱膨張が観測できる。
上記のように、発熱体、非接触法計測系、棒状試験片の支持装置及び接触法計測系を３方向に配置することにより、非接触法計測系と接触法計測系による同時計測が可能となり、発熱体が非接触法計測系の光路を遮ることがない。また、前面ドア内面に片方の発熱体を設置したので、サンプル交換持に前面ドアを開放すれば、前面側の発熱体がサンプル交換の支障になることはなく、サンプル交換作業が容易に行える。
上下方向には、棒状試験片を特殊な形状をした試料筒の中に立てて設置し、試験片上面に支持棒を設置して電気炉上部まで貫通させ、棒状試験片の膨張を電気炉外上部に固定したマイクロゲージ及び変位計で接触法による計測を行う。
電気炉の発熱体（例えば、カーボン材料など）は前後方向を利用し、電気炉内後面に一方を、もう片方をサンプル交換時に開けるに前面ドア内面に設置させた。
非接触法計測系は左右方向を利用し、電気炉側面、断熱材及び試料筒に光学的な計測が可能な光路を確保して、電気炉の左右両側にレーザーマイクロゲージシステムを設置して、非接触法式で熱膨張が観測できる。
上記のように、発熱体、非接触法計測系、棒状試験片の支持装置及び接触法計測系を３方向に配置することにより、非接触法計測系と接触法計測系による同時計測が可能となり、発熱体が非接触法計測系の光路を遮ることがない。また、前面ドア内面に片方の発熱体を設置したので、サンプル交換持に前面ドアを開放すれば、前面側の発熱体がサンプル交換の支障になることはなく、サンプル交換作業が容易に行える。
図１は、本発明の超高温熱膨張試験装置の一実施例を示した正面図であり、図２はその側面図であり、図３はその平面図（破線は開けた状態の前面ドアを示す。）である。図１〜図３において、同一部品は同一符号を付してある。
図１の正面図において、１は変位計、２は差動トランス、３は検出棒、４は温度計（熱電対）、５はレーザーマイクロゲージ（発光源）、６はレーザーマイクロゲージ（受光部）、７はサンプル（直径２０ｍｍ×高さ１００ｍｍ）、８は電気炉本体である。
発光源５から出たレーザーの一部がサンプル７で遮られ部分が、受光部６のサンプル長さＬとして非接触法で検出される。接触法は、差動トランスの出力を変位計で検出しているが、差動トランス以外のものを用いることもできる。非接触法の計測系を左右方向、接触法の計測系を上下方向に配置することにより、２つの計測系による同時計測が可能となる。
図１の正面図において、１は変位計、２は差動トランス、３は検出棒、４は温度計（熱電対）、５はレーザーマイクロゲージ（発光源）、６はレーザーマイクロゲージ（受光部）、７はサンプル（直径２０ｍｍ×高さ１００ｍｍ）、８は電気炉本体である。
発光源５から出たレーザーの一部がサンプル７で遮られ部分が、受光部６のサンプル長さＬとして非接触法で検出される。接触法は、差動トランスの出力を変位計で検出しているが、差動トランス以外のものを用いることもできる。非接触法の計測系を左右方向、接触法の計測系を上下方向に配置することにより、２つの計測系による同時計測が可能となる。
図２の側面図において、符号１、２、３、４、７、８は図１と同じものを指す。９は前面ドア、１０は前面ドア内面に取り付けられた前面ヒーター、１１は後壁に取り付けられた後面ヒーター、１２は温度計（放射温度計）である。
図３の平面図において、符号４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２は、図１及び図２と同じものを指す。前面ドア９及び前面ヒーター１０の破線で示した部分は、前面ドアを開放したときの状態を表している。
前面ドア９の内面に前面ヒーター１０が取り付けられているから、前面ドア９を開放すれば前面ヒーター１０も前面ドアと一緒に開放されるので、サンプル８の交換作業に支障がない。また、非接触法の計測系（５、６）を左右方向に、発熱体（１０、１１）を前後方向に配置したので、非接触法のレーザー光路を発熱体で遮ることがない。
なお、温度計（熱電対）４は１２００℃以下の温度計測に用い、温度計（放射温度計）１２は１２００℃以上の温度計測に用いるものである。温度計（４、１２）で炉内温度を検出して電気炉制御系で発熱体（１０、１１）を制御して炉内を所望の温度に調節する。また非接触法の計測系および接触法の計測系で得られた計測結果はコンピュータなどのメモリーなどに保存される。
図３の平面図において、符号４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２は、図１及び図２と同じものを指す。前面ドア９及び前面ヒーター１０の破線で示した部分は、前面ドアを開放したときの状態を表している。
前面ドア９の内面に前面ヒーター１０が取り付けられているから、前面ドア９を開放すれば前面ヒーター１０も前面ドアと一緒に開放されるので、サンプル８の交換作業に支障がない。また、非接触法の計測系（５、６）を左右方向に、発熱体（１０、１１）を前後方向に配置したので、非接触法のレーザー光路を発熱体で遮ることがない。
なお、温度計（熱電対）４は１２００℃以下の温度計測に用い、温度計（放射温度計）１２は１２００℃以上の温度計測に用いるものである。温度計（４、１２）で炉内温度を検出して電気炉制御系で発熱体（１０、１１）を制御して炉内を所望の温度に調節する。また非接触法の計測系および接触法の計測系で得られた計測結果はコンピュータなどのメモリーなどに保存される。
図４は、本発明の超高温熱膨張試験装置を用いて、接触法によって高密度等方性グラファイト材料の熱膨張を計測した計測結果を示す。
２４００℃まで連続的に電気炉内の温度上昇させたとき、１分間ごとの電気炉の温度Ｔとサンプル長さＬを計測した。
図面の横軸は、温度計の温度Ｔである。室温から発熱体（１０、１１）に電力を通じ、１２００℃以下の温度は、温度計（熱電対）４、１２００度以上は、温度計（放射温度計）１２を用いているために、１２００℃付近では、その温度情報の切り替えのため多少の不連続性が見られる。温度上昇は、ＪＩＳ Ｒ２２０７−３法に準拠して毎分１０℃に制御した。
常温Ｔ0におけるサンプルの長さをＬ0とし、任意の温度（Ｔ）におけるサンプル長さをＬとする。それぞれの温度における熱膨張率（図４における左縦軸、丸●プロット）及び熱膨張係数（図４における右縦軸、四角■プロット）は、以下の式で定義される。
膨張率（％）＝（（Ｌ−Ｌ0）／Ｌ0）×１００
熱膨張係数 ＝（（Ｌ−Ｌ0）／Ｌ0）×（１／（Ｔ−Ｔ0））
２４００℃まで連続的に電気炉内の温度上昇させたとき、１分間ごとの電気炉の温度Ｔとサンプル長さＬを計測した。
図面の横軸は、温度計の温度Ｔである。室温から発熱体（１０、１１）に電力を通じ、１２００℃以下の温度は、温度計（熱電対）４、１２００度以上は、温度計（放射温度計）１２を用いているために、１２００℃付近では、その温度情報の切り替えのため多少の不連続性が見られる。温度上昇は、ＪＩＳ Ｒ２２０７−３法に準拠して毎分１０℃に制御した。
常温Ｔ0におけるサンプルの長さをＬ0とし、任意の温度（Ｔ）におけるサンプル長さをＬとする。それぞれの温度における熱膨張率（図４における左縦軸、丸●プロット）及び熱膨張係数（図４における右縦軸、四角■プロット）は、以下の式で定義される。
膨張率（％）＝（（Ｌ−Ｌ0）／Ｌ0）×１００
熱膨張係数 ＝（（Ｌ−Ｌ0）／Ｌ0）×（１／（Ｔ−Ｔ0））
上記実施例では、上下方向に棒状試験片の保持と接触法による計測系を配置し、左右方向に非接触法による計測系を配置する構成としたが、左右方向に棒状試験片の保持と接触法による計測系を配置し、上下方向に非接触法による計測系を配置する構成とすることもできる。また、ドアを上面に設ければ、前後方向（左右方向）に棒状試験片の保持と接触法による計測系を配置し、左右方向（前後方向）に非接触法による計測系を配置し、下壁に下面発熱体、上面ドアの内面に上面発熱体を設置する構成とすることもできる。
上記図１〜３の例では、電気炉は略立方体としているが、これは電気炉の壁面を構成する耐熱部材の加工の容易性などを考慮したものであって、他の直方体や、曲面を有する形状であっても、上下方向・左右方向・前後方向を利用して、棒状試験片の保持と接触法による計測系、非接触法による計測系、発熱体を配置できる形状であれば差し支えない。
上記図１〜３の例では、電気炉は略立方体としているが、これは電気炉の壁面を構成する耐熱部材の加工の容易性などを考慮したものであって、他の直方体や、曲面を有する形状であっても、上下方向・左右方向・前後方向を利用して、棒状試験片の保持と接触法による計測系、非接触法による計測系、発熱体を配置できる形状であれば差し支えない。
１ 変位計
２ 差動トランス
３ 検出棒
４ 温度計（熱電対：１２００℃以下の温度計測用）
５ レーザーマイクロゲージの発光源
６ レーザーマイクロゲージの受光部
７ サンプル（直径２０ｍｍ×高さ１００ｍｍの棒状試験片）
８ 電気炉本体
９ 前面ドア
１０ 前面ヒーター
１１ 後面ヒーター
１２ 温度計（放射温度計：１２００℃以上の温度計測用）
２ 差動トランス
３ 検出棒
４ 温度計（熱電対：１２００℃以下の温度計測用）
５ レーザーマイクロゲージの発光源
６ レーザーマイクロゲージの受光部
７ サンプル（直径２０ｍｍ×高さ１００ｍｍの棒状試験片）
８ 電気炉本体
９ 前面ドア
１０ 前面ヒーター
１１ 後面ヒーター
１２ 温度計（放射温度計：１２００℃以上の温度計測用）
Claims (2)
- 電気炉の上下方向に棒状試験片の支持部材と接触法による計測系を配置し、電気炉の左右方向に非接触法による計測系を配置し、電気炉の前壁に前面発熱体を、後壁に後面発熱体を配置することにより、棒状試験片を用いた接触法による熱膨張試験と非接触法による熱膨張試験とを一度の温度上昇で同時に計測できるようにしたことを特徴とする超高温熱膨張試験装置。
- 前記前面発熱体は、前記前壁に設置された前面ドアの内面に取り付けられており、前面ドアを開放することにより前面発熱体も前面ドアと一緒に開放され、棒状試験片の交換を開放された前面ドア側からできるようにしたことを特徴とする請求項１記載の超高温熱膨張試験装置。
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