JP5571631B2 - 高炉の炉底耐火物の温度測定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉の炉底耐火物の温度を測定する装置及び方法（以下、「炉底耐火物の温度測定装置」及び「炉底耐火物の温度測定方法」と称することもある）に関する。

高温で使用される各種プラントの容器や配管においては、内部の断熱材の剥離、異常反応、冷却不良などによってホットスポットが生じることがあり、ホットスポットは、特に高圧容器においては大きな事故の原因となるため、十分な注意が必要である。このホットスポットの徴候を検出する唯一確実な方法は、発生可能領域全面において温度測定を行うことである。
特に、高炉においては、炉底耐火物の残存量が高炉の寿命を決定しており、残存量を推定するための炉底耐火物の温度測定は極めて重要な技術である。

特許文献１には、光ファイバーに入射したレーザーパルスによって光ファイバー内の散乱光を励起し、後方散乱光（ラマン散乱光）から光ファイバーの長さ方向に沿った一次元温度分布を測定することが開示されている。そして、特許文献２では光ファイバーを高炉の鉄皮表面に螺旋状に配置し、高炉の表面の温度を測定することも行われている。

特開平６−２０１４８９号公報 特開平６−３１９７号公報

更には、高炉の内部にある炉底耐火物の温度測定も、光ファイバーを用いて測定することが試みられているが、高炉は２０〜３０年という期間で改修が行われており、光ファイバーはそれよりも遥かに短い寿命（例えば、５〜６年）であるので、高炉内の耐火物に光ファイバーをセットしても、光ファイバーを長期的に補修等ができないという問題があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、必要な時に光ファイバーの補修、交換が可能な炉底耐火物の温度測定装置及び方法を提供することを目的とする。

第１の発明に係る高炉の炉底耐火物の温度測定装置は、光ファイバーの一端に光の投光及び受光を行う光制御部を設けて、該光制御部から前記光ファイバーに光パルスを入射し、この光パルスにより前記光ファイバー内で発生するラマン散乱の後方散乱光が戻ってくるまでの時間と戻ってきた光信号の強さから、測定位置までの距離と温度を測定する光ファイバー温度センサを用いて鉄皮で囲まれた高炉の炉底耐火物の温度を測定する装置であって、
前記炉底耐火物中に直線状の８００℃以上で使用可能な耐熱金属製の保護管を、該保護管の両端が前記炉底耐火物及び前記鉄皮から突出する状態で複数本配置すること、前記各保護管内には８００℃以上で使用可能な耐熱金属製のチューブに収納された前記光ファイバーが挿通していること、前記鉄皮から突出した前記各保護管は前記鉄皮から突出する案内管を通じて耐圧構造の中継箱内に導かれること、前記保護管に挿入された前記各光ファイバーが前記中継箱内で直列接続されていること、前記各光ファイバーは融着接合されていること、及び前記直列に接続された光ファイバーの端部には前記光制御部が接続されていることを特徴としている。

第１の発明に係る高炉の炉底耐火物の温度測定装置において、前記各保護管は前記炉底耐火物のうち、直線状に水平配置された定形レンガの一稜線角部にそれぞれ埋設されているのが好ましい。

第２の発明に係る高炉の炉底耐火物の温度測定装置は、光ファイバーの一端に光の投光及び受光を行う光制御部を設けて、該光制御部から前記光ファイバーに光パルスを入射し、この光パルスにより前記光ファイバー内で発生するラマン散乱の後方散乱光が戻ってくるまでの時間と戻ってきた光信号の強さから、測定位置までの距離と温度を測定する光ファイバー温度センサを用いて鉄皮で囲まれた高炉の炉底耐火物の温度を測定する装置であって、
前記炉底耐火物は前記高炉の下部に配置された環状の炉底耐火物であって、直線状の又は湾曲した８００℃以上で使用可能な耐熱金属製の保護管を、該保護管の両端が前記炉底耐火物及び前記鉄皮から突出する状態で複数本配置すること、前記各保護管内には８００℃以上で使用可能な耐熱金属製のチューブに収納された前記光ファイバーが挿通していること、前記鉄皮から突出した前記各保護管は前記鉄皮から突出する案内管を通じて耐圧構造の中継箱内に導かれること、前記保護管に挿入された前記各光ファイバーが前記中継箱内で直列接続されていること、前記各光ファイバーは融着接合されていること、及び前記直列に接続された光ファイバーの端部には前記光制御部が接続されていることを特徴とする。

第１、第２の発明に係る高炉の炉底耐火物の温度測定装置において、前記保護管は内径が４〜７ｍｍのステンレス又は８００℃以上で使用可能な耐熱合金からなっているのが好ましい。また、前記耐熱金属製のチューブは、内径が１．８〜３．５ｍｍのニッケルとクロムを含む鉄基耐熱合金又はその他の耐熱合金からなっているのが好ましい（以下の炉底耐火物の温度測定方法においても同じ）。この場合、小径のチューブ内に光ファイバーの素線が配置されている。

第３の発明に係る高炉の炉底耐火物の温度測定方法は、光ファイバーの一端に光の投光及び受光を行う光制御部を設けて、該光制御部から前記光ファイバーに光パルスを入射し、この光パルスにより前記光ファイバー内で発生するラマン散乱の後方散乱光が戻ってくるまでの時間と戻ってきた光信号の強さから、測定位置までの距離と温度を測定する光ファイバー温度センサを用いて鉄皮で囲まれた高炉の炉底耐火物の温度を測定する方法であって、
前記炉底耐火物中に直線状又は円弧状の８００℃以上で使用可能な耐熱金属製の保護管を、該保護管の両端が前記炉底耐火物及び前記鉄皮から突出する状態で複数本配置し、前記鉄皮から突出した前記各保護管は前記鉄皮から突出する案内管を通じて耐圧構造の中継箱内に導かれ、前記保護管に挿入され、８００℃以上で使用可能な耐熱性金属からなるチューブに収納された前記各光ファイバーが前記中継箱内で直列接続され、前記各光ファイバーは融着接合されて、前記直列に接続された光ファイバーの端部に前記光制御部が設けられ、前記炉底耐火物の各所の温度を測定し、しかも、前記チューブに入った前記光ファイバーは前記保護管から引き抜いて交換可能である。

なお、第３の発明に係る高炉の炉底耐火物の温度測定方法において、前記各保護管は前記炉底耐火物のうち、直線又は円弧状に水平配置された定形レンガの一稜線角部にそれぞれ埋設されている場合等がある。

本発明に係る高炉の炉底耐火物の温度測定装置及び方法においては、炉底耐火物に直線状又は円弧状の耐熱金属製の保護管を挿通し、その中にチューブに挿入された光ファイバーを挿通しているので、光ファイバーが何らかの理由により破断や透過率が減衰した場合には、炉底耐火物を破損しない状態で光ファイバーを交換できる。従って、高炉の寿命に比較して寿命の短い光ファイバーを適当時期に交換しながら、使用できる。

特に、直線状の保護管を直線状又は円弧状に水平配置された定形レンガの一稜線角部にそれぞれ埋設する場合は、炉底耐火物に貫通孔を設けることなく、保護管を埋設できる。
これによって、光ファイバーが挿通されたチューブを交換可能に保護管に装着できる。
また、光ファイバーの中継箱に位置する部分の温度は、中継箱が炉外にあることから、常温に近い温度になり、炉内部分にある光ファイバーの温度と明確に異なる。この位置を基準点と見做して光ファイバー長さ方向の位置合わせをすることで、測定位置の精度を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る炉底耐火物の温度測定装置を高炉の炉底に設置した場合の説明図である。 同炉底耐火物の温度測定装置に使用する保護管の断面図である。 同炉底耐火物の温度測定装置に使用する光ファイバーの接続状態を示す説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は炉底耐火物に保護管を設置する場合の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は環状の炉底耐火物の一部に保護管を配置する場合の説明図である。 環状の炉底耐火物の位置を示す説明図である。

続いて、添付した図面を参照しながら、本発明を具体化した実施の形態について説明する。
図１〜図４に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る炉底耐火物の温度測定装置１０は、高炉１１の底部に配置された炉底耐火物１２を挿通する複数本の８００℃以上で使用可能な耐熱金属の一例であるステンレス製（又はそれ以外の耐熱合金製）の保護管１３を有している。保護管１３の内径は、４〜７ｍｍ（この実施の形態では、例えば６ｍｍ）、外径は６〜９ｍｍ（例えば８ｍｍ）となっている。図２に示すように、各保護管１３内には、隙間を設けて挿通する８００℃以上で使用可能な耐熱金属の一例であるインコロイ（登録商標、ニッケル、クロム、鉄を主成分とする鉄基合金）又は耐熱合金製のチューブ１４を有している。このチューブ１４はこの実施の形態では、例えば内径が２．２ｍｍ（１．８〜３．５ｍｍ）、外径が３．２ｍｍ（３〜５ｍｍ）となっている。

図２に示すように、保護管１３内に挿入されているチューブ１４内には、光ファイバー素線（光ファイバー）１５が隙間を有して配置されている。光ファイバー素線１５はコア１６を不透光性のクラッド１７で包み、更にその上を耐熱被覆材１８で覆っている。本実施の形態では、チューブ１４内には、一本の光ファイバー素線１５が配置されているが、これは光ファイバー素線１５を交換の際の容易性を重視したためのもので、複数本配置することも可能である。なお、光ファイバー素線１５は周知のもので、マルチモード光ファイバーの一種であるＧＩ型である。また、光ファイバー素線１５が繋がっていることは、光ファイバー素線１５の中のコア１６が繋がっていることになる。

保護管１３は図１に示すように、炉底耐火物１２を挿通し、かつ高炉１１の周壁となる鉄皮２０を貫通している。鉄皮２０を貫通する部分には、短い第１の案内管２１が設けられ端部にはフランジ２２が設けられている。このフランジ２２と対となるフランジ２３を有する第２の案内管２４が設けられた中継箱２５が第１の案内管２１にフランジ２２、２３を介して連結されている。

第１、第２の案内管２１、２４及び中継箱２５は耐圧構造となって、高圧の高炉１１内の圧力に耐える構造となって、小径の保護管１３の両側部が、鉄皮２０の両側にある第１、第２の案内管２１、２４を貫通し、鉄皮２０の両側部にある中継箱２５まで挿通している。
保護管１３は炉底耐火物１２を貫通しているが、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、炉底耐火物１２は複数の定形レンガ（例えば、６面体レンガ）２６を積層して構成されているので、保護管１３を挿通させようとする例えば直線状に水平配置された定形レンガ２６の一稜線角部に断面角形又は扇状の切欠き２７を設け、並べて配置された定形レンガ２６の一角部に直線状の保護管１３を配置するのがよい。

並べて配置された保護管１３の端部は、それぞれ中継箱２５内にあって、各中継箱２５は金属製の連結管２８によって連結されている。連結管２８内には光ファイバーコード３０が配置されている。この光ファイバーコード３０は、複数の保護管１３内に挿入されている、チューブ１４内に配置された各光ファイバー素線１５を、チューブ１４の端部において外被置換部品２９によって、外被が耐熱性の樹脂である光ファイバーコード３０に換えられる。即ち、光ファイバーコード３０は、内部に光ファイバー素線１５を有している。これによって、チューブ１４内の光ファイバー素線１５が連結管２９内を挿通する光ファイバーコード３０内の光ファイバー素線１５に中継箱２５内で継ぎ目無しに連続（直列接続）する。各光ファイバーコード３０から飛び出た光ファイバー素線１５は、図３に示すように、中継箱２５内において工具を用いて融着接合され、その周囲は熱収縮チューブ３０ａでカバーされている。なお、符号３２は中継箱２５の蓋である。

なお、第２の案内管２４が中継箱２５に繋がる部分では、保護管１３が突出するが、保護管１３と高炉１１とは熱膨張差があるため、溶接は行わずに、第２の案内管２４と保護管１３との隙間にはパテ（微粉の不定形耐火材）３１が充填されており、熱膨張差が吸収されるようになっている。

直列に接続された光ファイバー素線１５の両端部は、光ファイバー素線１５を２芯備えたアプローチケーブル３３を介して光制御部を有する測定器３４に接続されている。この光制御部では、光ファイバー素線１５内にパルスレーザー光（光パルスの一例）を送り、周知の方法から反射したラマン散乱光の強さとその到達時間から、高炉１１の所定部位の温度を測定している。即ち、ラマン散乱光には、ストークス光とアンチストークス光があり、温度依存性の強いアンチストークス光と温度依存性の弱いストークス光の強度比を測定して、所定部位の温度を測定している。

測定器３４で測定したデータは通信ケーブル３６を用いてＦＡパソコン３７に伝達され、更に通信ケーブル３８を介してプロコン（又はＤＣＳ）３９に送付される。これによって、高炉１１内の炉底耐火物１２の温度を連続的に測定できる。光ファイバーと光制御部を有する測定器３４を有して光ファイバー温度センサが構成されている。

保護管１３内に配置された光ファイバー素線１５の寿命は約５年と高炉１１の寿命に比べて短いので、定期的に若しくは異常発生時に交換する必要があるが、保護管１３は残して保護管１３内のチューブ１４ごと光ファイバー素線１５を交換することになる。この場合、古いインコロイ（登録商標）からできているチューブ１４と、新しいチューブ１４とを連結し、古いチューブ１４を保護管１３から引き抜くことによって行う。なお、最初に保護管１３内に光ファイバー素線１５を通すには、炉底耐火物施工時に、保護管１３内にピアノ線を入れておき、施工後にピアノ線の端部に挿入しようとする光ファイバー素線１５が挿入されているチューブ１４の一端を連結し、一端を接合し、ピアノ線を保護管１３から引き抜くことによってチューブ１４ごと光ファイバー素線１５を保護管１３内に挿入する。

続いて、図５（Ａ）、（Ｂ）、図６を参照しながら、本発明の第２の実施の形態に係る炉底耐火物の温度測定装置４１（光ファイバーを除く部分については、炉底耐火物の温度測定装置１０と同じ）について説明する。
この実施の形態においては、図６に示すように、高炉１１の下部に設けられている環状の炉底耐火物４２の温度測定を行うものである。まず、図５（Ｂ）に示すように、環状の炉底耐火物４２の１２０度位置（３等分位置）に中継箱４３を設け、各中継箱４３に第３の案内管４７を配置して、高炉１１の鉄皮２０内、即ち、環状の炉底耐火物４２内に保護管１３を、その両端が中継箱４３内に露出するようにして配管を行う。この保護管１３内に光ファイバー素線１５が配置されたチューブ１４を配置する。この実施の形態において、高炉１１を平面視して３分割した位置に中継箱４３を設けたが、場合によっては、２分割又は４分割以上の位置に中継箱を設けてもよい。

そして、環状の炉底耐火物４２の内部に、又は炉底耐火物４２に沿って保護管１３を円弧状（湾曲）又は直線状に配置し、その両端部を中継箱４３内に突出させる。この実施の形態では上下に複数段の炉底耐火物４２の温度測定を行っているので、中継箱４３も上下に存在することになり、特定の中継箱４３は、図示しない連結管で連結されている。複数の保護管１３内に挿入されている、チューブ１４内に配置された各光ファイバー素線１５は、チューブ１４の端部において外被置換部品２９によって、外被が耐熱性の樹脂である光ファイバーコード３０に換えられる。各光ファイバーコード３０から飛び出た光ファイバー素線１５同士が中継箱４３内において工具を用いて融着接合され、その周囲は熱収縮チューブ３０ａでカバーされる。

直列に接続された光ファイバー素線１５の両端には、前記した測定器が接続され、光ファイバー素線１５にパルスレーザー光を送り、そのラマン散乱光と到達時間から炉底耐火物４２の温度を測定している。
なお、光ファイバー素線１５の装着は、第１の実施の形態に係る炉底耐火物の温度測定装置１０と同様である。

本発明は前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲でその構成を変更することもできる。例えば、第１の実施の形態に係る炉底耐火物の温度測定装置で使用した光ファイバーと、第２の実施の形態で使用した光ファイバーを直列に接続して炉底耐火物の全体の温度を測定することもできる。

１０：炉底耐火物の温度測定装置、１１：高炉、１２：炉底耐火物、１３：保護管、１４：チューブ、１５：光ファイバー素線、１６：コア、１７：クラッド、１８：耐熱被覆材、２０：鉄皮、２１：第１の案内管、２２、２３：フランジ、２４：第２の案内管、２５：中継箱、２６：定形レンガ、２７：切欠き、２８：連結管、２９：外被置換部品、３０：光ファイバーコード、３０ａ：熱収縮チューブ、３１：パテ、３２：蓋、３３：アプローチケーブル、３４：測定器、３６：通信ケーブル、３７：ＦＡパソコン、３８：通信ケーブル、３９：プロコン、４１：炉底耐火物の温度測定装置、４２：環状の炉底耐火物、４３：中継箱、４７：第３の案内管

Claims (6)

1. 光ファイバーの一端に光の投光及び受光を行う光制御部を設けて、該光制御部から前記光ファイバーに光パルスを入射し、この光パルスにより前記光ファイバー内で発生するラマン散乱の後方散乱光が戻ってくるまでの時間と戻ってきた光信号の強さから、測定位置までの距離と温度を測定する光ファイバー温度センサを用いて鉄皮で囲まれた高炉の炉底耐火物の温度を測定する装置であって、
   前記炉底耐火物中に直線状の８００℃以上で使用可能な耐熱金属製の保護管を、該保護管の両端が前記炉底耐火物及び前記鉄皮から突出する状態で複数本配置すること、前記各保護管内には８００℃以上で使用可能な耐熱金属製のチューブに収納された前記光ファイバーが挿通していること、前記鉄皮から突出した前記各保護管は前記鉄皮から突出する案内管を通じて耐圧構造の中継箱内に導かれること、前記保護管に挿入された前記各光ファイバーが前記中継箱内で直列接続されていること、前記各光ファイバーは融着接合されていること、及び前記直列に接続された光ファイバーの端部には前記光制御部が接続されていることを特徴とする高炉の炉底耐火物の温度測定装置。
2. 請求項１記載の高炉の炉底耐火物の温度測定装置において、前記各保護管は前記炉底耐火物のうち、直線状に水平配置された定形レンガの一稜線角部にそれぞれ埋設されていることを特徴とする高炉の炉底耐火物の温度測定装置。
3. 光ファイバーの一端に光の投光及び受光を行う光制御部を設けて、該光制御部から前記光ファイバーに光パルスを入射し、この光パルスにより前記光ファイバー内で発生するラマン散乱の後方散乱光が戻ってくるまでの時間と戻ってきた光信号の強さから、測定位置までの距離と温度を測定する光ファイバー温度センサを用いて鉄皮で囲まれた高炉の炉底耐火物の温度を測定する装置であって、
   前記炉底耐火物は前記高炉の下部に配置された環状の炉底耐火物であって、直線状の又は湾曲した８００℃以上で使用可能な耐熱金属製の保護管を、該保護管の両端が前記炉底耐火物及び前記鉄皮から突出する状態で複数本配置すること、前記各保護管内には８００℃以上で使用可能な耐熱金属製のチューブに収納された前記光ファイバーが挿通していること、前記鉄皮から突出した前記各保護管は前記鉄皮から突出する案内管を通じて耐圧構造の中継箱内に導かれること、前記保護管に挿入された前記各光ファイバーが前記中継箱内で直列接続されていること、前記各光ファイバーは融着接合されていること、及び前記直列に接続された光ファイバーの端部には前記光制御部が接続されていることを特徴とする高炉の炉底耐火物の温度測定装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載の高炉の炉底耐火物の温度測定装置において、前記保護管は内径が４〜７ｍｍのステンレス又は８００℃以上で使用可能な耐熱合金からなっていることを特徴とする高炉の炉底耐火物の温度測定装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１に記載の高炉の炉底耐火物の温度測定装置において、前記耐熱金属製のチューブは、内径が１．８〜３．５ｍｍのニッケルとクロムを含む鉄基耐熱合金又はその他の耐熱合金からなっていることを特徴とする高炉の炉底耐火物の温度測定装置。
6. 光ファイバーの一端に光の投光及び受光を行う光制御部を設けて、該光制御部から前記光ファイバーに光パルスを入射し、この光パルスにより前記光ファイバー内で発生するラマン散乱の後方散乱光が戻ってくるまでの時間と戻ってきた光信号の強さから、測定位置までの距離と温度を測定する光ファイバー温度センサを用いて鉄皮で囲まれた高炉の炉底耐火物の温度を測定する方法であって、
   前記炉底耐火物中に直線状又は円弧状の８００℃以上で使用可能な耐熱金属製の保護管を、該保護管の両端が前記炉底耐火物及び前記鉄皮から突出する状態で複数本配置し、前記鉄皮から突出した前記各保護管は前記鉄皮から突出する案内管を通じて耐圧構造の中継箱内に導かれ、前記保護管に挿入され、８００℃以上で使用可能な耐熱性金属からなるチューブに収納された前記各光ファイバーが前記中継箱内で直列接続され、前記各光ファイバーは融着接合されて、前記直列に接続された光ファイバーの端部に前記光制御部が設けられ、前記炉底耐火物の各所の温度を測定し、しかも、前記チューブに入った前記光ファイバーは前記保護管から引き抜いて交換可能であることを特徴とする高炉の炉底耐火物の温度測定方法。

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