JP5654800B2

JP5654800B2 - 測温プローブ

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Publication number: JP5654800B2
Application number: JP2010183561A
Authority: JP
Inventors: 克清古川
Original assignee: TYK Corp
Current assignee: TYK Corp
Priority date: 2010-08-19
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2030-08-19
Also published as: JP2012042323A

Description

本発明は炭素溶鋼、合金溶鋼、鋳鉄溶湯等の高温の測温対象物の温度を測定する測温プローブに関する。

従来、アルミニウム合金溶湯を測温する測温プローブとしては、図４に示すように、中空室をもつ窒化珪素で形成された有底状をなす窒化珪素保護管１Ｘと、窒化珪素保護管１Ｘの中空室１４Ｘに挿入され測温対象物Ｗの温度を測定する測温接点を４４Ｘもつ熱電対要素４Ｘとを備えるものが知られている（特許文献１，２）。

特開２００２−３７２４６２号公報特開平０９−３０４１９２号公報

しかしながら、上記した測温プローブによれば、アルミニウム合金溶湯を測温するときには亀裂が発生しないものの、炭素溶鋼、合金溶鋼、鋳鉄溶湯、鋳鋼溶湯等といったアルミニウム合金溶湯よりもかなり融点が高温の測温対象物を測温するとき、窒化珪素保護管１Ｘが急熱され、熱衝撃により窒化珪素保護管１Ｘにおいて亀裂が発生することがあった。殊に、窒化珪素保護管１Ｘのうち湯面Ｗ１付近において亀裂が発生することがあった。本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、炭素溶鋼、合金溶鋼、鋳鉄溶湯、鋳鋼溶湯等の高温の測温対象物を測温するときであっても、窒化珪素保護管における亀裂の発生を抑制し、長寿命化に有利な測温プローブを提供することを課題とする。

本発明に係る測温プローブは、鉄系金属材料の溶湯を測温する測温プローブであって、（ｉ）中空室をもつ筒部と筒部の先端に連接された底部とを有する窒化珪素質の材料で形成された有底状をなす窒化珪素保護管と、（ｉｉ）窒化珪素保護管の筒部の外壁面を被覆する外筒部と窒化珪素保護管の底部の外壁面を被覆する外底部とを有すると共に、全体の質量を１００％とすると質量比がセラミックス６０％〜９７％及びカーボン３％〜４０％の混合物を基材とする保護材料で形成され、体積比で１〜２０％の気孔率となる多数の微細な気孔を有する有底状をなすカーボン含有保護管と、（ｉｉｉ）窒化珪素保護管の中空室に挿入され測温対象物の温度を測定する測温接点をもつ熱電対要素とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、アルミニウム合金溶湯よりも高融点をもつ炭素溶鋼、合金溶鋼、鋳鉄溶湯、鋳鋼溶湯等の高温の測温対象物に測温プローブが浸漬されるときであっても、窒化珪素保護管に対する熱衝撃が緩和され、窒化珪素保護管の割れが抑制される。窒化珪素質は窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の他にサイアロンも含む意味である。サイアロンは、珪素、アルミニウム、酸素、窒素を含むセラミックス化合物である。

カーボン含有保護管を構成する保護材料を１００％とするとき、質量比で、セラミックスは６０〜９７％にでき、カーボンは４０〜３％にできる。カーボンは伝熱性が良好であるため、カーボン含有の保護管の熱衝撃性に対する耐久性を向上でき、更に、スラグ等に対する耐久性を向上できる。上記したように保護管を構成する保護材料は、セラミックスおよびカーボンの混合物を基材とすることが好ましい。好ましくは、保護管の外筒部の内壁面と窒化珪素保護管の筒部の外壁面との間には、測温対象物の温度において溶融しない粉末粒子を基材とする粉末粒子層が配置されている。粉末粒子層は空気を含むため、窒化珪素保護管に対する熱衝撃が更に緩和され、窒化珪素保護管の割れが抑制される。好ましくは、保護材料におけるセラミックスはアルミナ、ジルコニア、マグネシア、スピネル、ムライトのうちの少なくとも１種で形成されている。

以上説明したように本発明によれば、炭素溶鋼、合金溶鋼、鋳鉄溶湯、鋳鋼溶湯等の高温の測温対象物を測温するときであっても、窒化珪素保護管における急激な温度上昇が抑えられ、窒化珪素保護管における亀裂の発生が抑制され、長寿命化に有利な測温プローブが提供される。

実施形態１に係り、測温プローブの要部を示す図である。実施形態２に係り、測温プローブの要部を示す断面図である。実施形態３に係り、測温プローブの要部を示す断面図である。従来技術に係り、測温プローブの要部を示す断面図である。

（実施形態１）
図１は実施形態１の概念を示す。本実施形態に係る測温プローブは、アルミニウム合金溶湯よりも高融点をもつ測温対象物Ｗを測温する。測温プローブは、（ｉ）中空室１４をもつ筒部１０と筒部１０の先端に連接された底部１２とを有する窒化珪素で形成された有底状をなす窒化珪素保護管１と、（ｉｉ）窒化珪素保護管１の筒部１０の外壁面１０ｐを被覆する外筒部２０と窒化珪素保護管１の底部１２の外壁面１２ｐを被覆する外底部２２とを有すると共に、セラミックスおよびカーボンの混合物を基材とする保護材料で形成された有底状をなすカーボン含有保護管２（保護管）と、（ｉｉｉ）窒化珪素保護管１の中空室１４に挿入され測温対象物Ｗの温度を測定する測温接点４４をもつ熱電対要素４とを有する。底部１２および外底部２２はそれぞれ三次元ドーム形状をなし、熱衝撃に対する耐久性が改善されている。窒化珪素保護管１は窒化珪素またはサイアロンで形成されており、基本的には緻密体であり、気孔をほとんど有していない。窒化珪素またはサイアロンは焼結助剤を含む。カーボン含有保護管２を構成する保護材料は、セラミックスおよびカーボンの混合物で形成されている。セラミックスはアルミナとされている。従って、カーボン含有保護管２を構成する保護材料を１００％とするとき、質量比で、セラミックスは６０〜９７％、特に、６５〜８５％にでき、カーボンは３〜４０％、特に、１５〜３５％にできる。カーボンはセラミックスよりも伝熱性が良好である。更にスラグに対する耐久性も高め得る。このようにカーボン含有保護管２は、窒化珪素保護管１よりも高い熱衝撃性に対する耐久性をもつ。カーボンとしては、黒鉛、カーボンブラック等を例示でき、カーボン含有保護管２を構成する材料に含有されていた樹脂バインダを炭化させたものでも良い。カーボン含有保護管２は多数の微細な気孔（サイズ：１〜１００マイクロメートル）を有しており、気孔率は体積比で１〜２０％、２〜１０％にできる。窒化珪素保護管１は基本的には緻密体であるため、カーボン含有保護管２の気孔率は窒化珪素保護管１の気孔率よりも高い。このようなカーボン含有保護管２は、窒化珪素保護管１に対する熱衝撃が更に緩和され、窒化珪素保護管１の割れが抑制される。図１に示すように、窒化珪素保護管１の筒部１０の外壁面１０ｐとカーボン含有保護管２の外筒部２０の内壁面２０ｉとの間には、多数のセラミックス粉末粒子３０の集合体を基材とすると共に空気を含む粉末粒子層３が配置されている。セラミックス粉末粒子３０は、測温対象物Ｗの測定温度（例えば１１００〜１７５０℃、１２００〜１７００℃）において溶融しない材料とされており、具体的にはアルミナ粉末粒子の集合体で形成されている。

粉末粒子層３は空気を含むため、窒化珪素保護管１に対する熱衝撃が更に緩和され、窒化珪素保護管１の割れが抑制される。セラミックス粉末粒子３０の粒径は、窒化珪素保護管１のサイズ、粉末粒子層３の厚み等に応じて適宜選択できるが、５ミリメートル以下、特に０．１〜３ミリメートル、０．５〜２ミリメートル、０．８〜１．３ミリメートル程度とされている。なお、湯面Ｗ１付近の高さ位置（例えば、浸漬時において、湯面Ｗ１の高さ位置から窒化珪素保護管１の外径の１．５倍以内の値をプラスマイナス方向にとった範囲）において、粉末粒子層３の厚みｔ３は、窒化珪素保護管１の筒部１０の厚みｔ１、カーボン含有保護管２の外筒部２０の厚みｔ２よりも小さくされている。ｔ１／ｔ２は０．６〜２．５の範囲内、０．７〜２．０の範囲内が例示される。ｔ１＞ｔ２でもよい。この場合、測温プローブの径の増加が抑制される。なおｔ１≒ｔ２、ｔ１＝ｔ２でもよく、場合によってはｔ１＜ｔ２にできる。熱電対要素４は、挿入孔４１をもつアルミナ等の絶縁材料で形成された絶縁管４２と、挿入孔４１に挿入された熱電対本体４３と、熱電対要素４の先端に設けられ測定対象物Ｗの温度を測定する測温接点４４とを有する。熱電対本体４３は測温対象物Ｗの温度の温度に応じて選択できる。測温接点４４は、窒化珪素保護管１の底部１２ひいてはカーボン含有保護管２の外底部２２に対面している。熱電対要素４の外壁面４ｐと窒化珪素保護管１との間には、空気が収容されている断面リング形状の断熱層４６が形成されている。

さて測温対象物Ｗの温度を測定するときには、測温プローブのカーボン含有保護管２の外壁面２ｐは、炭素溶鋼、合金溶鋼、鋳鉄溶湯、鋳鋼溶湯等の高温の測定対象物Ｗに浸漬されて接触する。Ｗ１は測定対象物Ｗの湯面を示す。この場合、カーボン含有保護管２が測定対象物Ｗの温度またはそれ付近に加熱される。測定対象物Ｗの種類によっては相違するものの、カーボン含有保護管２は、例えば、１１００〜１７００℃、１２００〜１６００℃に加熱される。このように測温プローブが高温に晒されるため、測定回数が多数回繰り返されたりすると、窒化珪素保護管１に亀裂が入るおそれがある。しかし本実施形態によれば、窒化珪素保護管１は、窒化珪素やサイアロンよりも熱衝撃に対する耐久性が高いカーボン含有保護管２で覆われているため、炭素溶鋼、合金溶鋼、鋳鉄溶湯、鋳鋼溶湯等の高温の測温対象物を測温プローブで測温するときであっても、窒化珪素保護管１の急激な温度上昇が抑制される。よって、窒化珪素保護管１に対する熱衝撃は緩和される。このように窒化珪素保護管１における亀裂は抑えられる。殊に、窒化珪素保護管１における湯面Ｗ１付近における亀裂が抑制される。ここで、カーボン含有保護管２は窒化珪素保護管１よりも熱衝撃に対して高い耐久性を有しているため、カーボン含有保護管２における亀裂発生および亀裂成長も抑えられる。加えて、窒化珪素保護管１の外筒部２０の内壁面２０ｉと窒化珪素保護管１の筒部１０の外壁面１０ｐとの間には、セラミックス粉末粒子３０を基材とする粉末粒子層３が配置されている。このように粉末粒子層３が設けられているため、炭素溶鋼、合金溶鋼、鋳鉄溶湯、鋳鋼溶湯等の高温の測温対象物を測温するときであっても、窒化珪素保護管１の急激な温度上昇が抑制され、窒化珪素保護管１に対する熱衝撃が更に緩和され、窒化珪素保護管１の割れが更に抑制される。殊に、窒化珪素保護管１のうち湯面Ｗ１に対向する領域１６における割れが効果的に抑制される。

更に、図１に示すように、窒化珪素保護管１の底部１２の外壁面１２ｐは、カーボン含有保護管２の外底部２２の内壁面２２ｉに接近または接触している。よって、カーボン含有保護管２の外底部２２付近においては、伝熱応答性を低下させる要因となり得る粉末粒子層３が存在しないか、粉末粒子層３の厚みが薄くされている。このため、カーボン含有保護管２の外底部２２付近から熱電要素４の測温接点４４への伝熱応答性が確保され、測温プローブの測温応答性が確保される。本実施形態によれば、粉末粒子層３が窒化珪素保護管１とカーボン含有保護管２との間に介在しているため、使用の際に、窒化珪素保護管１およびカーボン含有保護管２において径方向および／または軸長方向の熱膨張または熱収縮の差が発生したとしても、その差を吸収することを期待できる。測温プローブが高温において長時間使用されると、カーボン含有保護管２に含まれるカーボン含有量が多いとき、カーボン含有保護管２に含まれるカーボンが窒化珪素保護管１に拡散して窒化珪素保護管１の性状を変化させるおそれがある。この点本実施形態によれば、粉末粒子層３が窒化珪素保護管１とカーボン含有保護管２との間に介在しているため、上記した拡散が抑制される。

（試験例）
図１に示す実施形態１に係る測温プローブと、図４に示す従来形態に係る測温プローブとについて、溶鋼の温度を測定する試験を実施した。実施形態１では、窒化珪素保護管１の内径は１８ミリメートル、外径は２８ミリメートル、厚みは５ミリメートルであった。カーボン含有保護管２の内径は３５ミリメートル、外径は５０ミリメートル、厚みは７．５ミリメートルであった。カーボン含有保護管２の保護材料を１００％とするとき、質量比で、アルミナは約６５％であり、カーボンは約３０％であった。粉末粒子層３の厚みｔ３は３．５ミリメートルであった。セラミックス粉末粒子３０の径は１〜５００マイクロメートルとした。従来形態に係る測温プローブでは、実施形態１と同様の窒化珪素保護管１を用い、測定回数が１回から、窒化珪素保護管１Ｘに異常な亀裂が確認された。これに対して本実施形態に係る測温プローブでは、測定回数が３０回であっても、窒化珪素保護管１の異常な亀裂は確認されなかった。

（実施形態２）
図２は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には共通の構成であり、共通の作用効果を有する。粉末粒子層３のうち測温時において湯面Ｗ１に対向する領域３６では、粉末粒子層３の厚みが外径方向に拡径され、粉末粒子層３の厚みｔ３が、粉末粒子層３の他の領域３７（領域３６よりも下方の領域）よりも厚くされている。下方とは、カーボン含有保護管２の外底部２２に向かう方向を意味する。

このため炭素溶鋼、合金溶鋼、鋳鉄溶湯、鋳鋼溶湯等の高温の測温対象物を測温するときであっても、窒化珪素保護管１のうち湯面Ｗ１に対面する領域１６における急激な温度上昇が抑制され、領域１６に対する熱衝撃が更に緩和される。よって、窒化珪素保護管１のうち湯面Ｗ１に対面する領域１６における割れを更に抑制させるのに有利である。なお、粉末粒子層３の領域３６付近の厚みｔ３を厚くしても、粉末粒子層３の領域３６は軸長方向において測温接点４４から離間しているため、測温接点４４による測温の応答性に実質的に影響を与えない。

（実施形態３）
図３は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１，２と基本的には共通の構成であり、共通の作用効果を有する。粉末粒子層３のうち測温時において湯面Ｗ１に対面する領域３６では、粉末粒子層３の厚みが拡径方向に増加し、粉末粒子層３の領域３６の厚みｔ３が、粉末粒子層３の他の領域３７（領域３６よりも下方の領域）よりも厚くされている。更に、カーボン含有保護管２のうち湯面Ｗ１に対向する領域２６では、カーボン含有保護管２の厚みが拡径方向に増加され、カーボン含有保護管２の領域２６の厚みｔ２が他の領域２７（湯面Ｗ１に対向する領域２６よりも下方の領域）よりも厚くされている。このため炭素溶鋼、合金溶鋼、鋳鉄溶湯、鋳鋼溶湯等の高温の測温対象物を測温するときであっても、窒化珪素保護管１のうち湯面Ｗ１に対面する領域１６における急熱が抑えられ、窒化珪素保護管１の割れを抑制させるのに有利である。なお厚みｔ２，ｔ３を厚くしても、カーボン含有保護管２の領域２６、粉末粒子層３の領域３６は、測温接点４４から軸長方向において離間しているため、測温接点４４による測温の応答性に実質的に影響を与えない。

（実施形態４）
実施形態４は実施形態１〜３と基本的には共通の構成であり、共通の作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。カーボン含有保護管２を構成する保護材料はスピネルおよびカーボンの混合物で形成されている。ここで、カーボン含有保護管２を構成する保護材料を１００％とするとき、質量比で、スピネルは６０〜９７％にでき、カーボンは３〜４０％にできる。カーボン含有保護管２は多数の気孔を有しており、気孔率は体積比で１〜２０％、２〜１０％にできる。カーボン含有保護管２の気孔率は窒化珪素保護管１の気孔率よりも高い。このように熱衝撃に対する耐久性が必ずしも充分ではない窒化珪素保護管１の外側をカーボン含有保護管２が覆っているため、炭素溶鋼、合金溶鋼、鋳鉄溶湯、鋳鋼溶湯等の高温の測温対象物Ｗを測温するときであっても、窒化珪素保護管１に対する熱衝撃が緩和され、窒化珪素保護管１の割れが抑制される。

（実施形態５）
実施形態５は実施形態１〜３と基本的には共通の構成であり、共通の作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。カーボン含有保護管２を構成する保護材料はマグネシアおよびカーボンの混合物で形成されている。ここで、カーボン含有保護管２を構成する保護材料を１００％とするとき、質量比で、マグネシア６０〜９７％にでき、カーボンは３〜４０％にできる。カーボン含有保護管２は多数の気孔を有しており、気孔率は体積比で１〜２０％、２〜１０％にできる。カーボン含有保護管２の気孔率は窒化珪素保護管１の気孔率よりも高い。窒化珪素保護管１の外側をカーボン含有保護管２が覆っているため、炭素溶鋼、合金溶鋼、鋳鉄溶湯、鋳鋼溶湯等の高温の測温対象物を測温するときであっても、窒化珪素保護管１に対する熱衝撃が緩和され、窒化珪素保護管１の割れが抑制される。

（実施形態６）
実施形態６は実施形態１〜３と基本的には共通の構成であり、共通の作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。カーボン含有保護管２を構成する保護材料はムライトおよびカーボンの混合物で形成されている。ここで、カーボン含有保護管２を構成する保護材料を１００％とするとき、質量比で、ムライト６０〜９７％にでき、カーボンは３〜４０％にできる。このように窒化珪素保護管１の外側をカーボン含有保護管２が覆っているため、炭素溶鋼、合金溶鋼、鋳鉄溶湯、鋳鋼溶湯等の高温の測温対象物を測温するときであっても、窒化珪素保護管１に対する熱衝撃が緩和され、窒化珪素保護管１の割れが抑制される。

（実施形態７）
実施形態７は実施形態１〜３と基本的には共通の構成であり、共通の作用効果を有するため、図１〜図３を準用する。カーボン含有保護管２を構成する保護材料はジルコニアおよびカーボンの混合物で形成されている。ここで、カーボン含有保護管を構成する保護材料を１００％とするとき、質量比で、ジルコニア６０〜９７％にでき、カーボンは３〜４０％にできる。このように窒化珪素保護管１の外側をカーボン含有保護管２が覆っているため、炭素溶鋼、合金溶鋼、鋳鉄溶湯、鋳鋼溶湯等の高温の測温対象物を測温するときであっても、窒化珪素保護管１に対する熱衝撃が緩和され、窒化珪素保護管１の割れが抑制される。

（その他）図１に示す実施形態では、カーボン含有保護管２の外底部２２付近においては、粉末粒子層３が存在しないか、粉末粒子層３の厚みが薄くされているが、これに限らず、カーボン含有保護管２の外底部２２付近においても外筒部２０の場合と同様な厚み、あるいは、それよりも厚みが大きい粉末粒子層３が存在していても良い。粉末粒子層３を形成するセラミックス粉末粒子３０としては、アルミナに限らず、ジルコニア、マグネシア、スピネル、ムライトのうちの少なくとも１種で形成されていても良い。断熱層４６には空気が存在しているが、アルゴンガス等のその他のガスでも良いし、断熱層４６にセラミックス粉末粒子を装填させていても良い。断熱層４６を廃止しても良い。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。

１は窒化珪素保護管、１０は筒部、１２は底部、１４は中空室、２はカーボン含有保護管（保護管）、２０は外筒部、２２は外底部、３は粉末粒子層、３０はセラミックス粉末粒子、４は熱電対要素、４２は絶縁管、４３は熱電対本体、４４は測温接点を示す。

Claims

鉄系金属材料の溶湯を測温する測温プローブであって、
中空室をもつ筒部と筒部の先端に連接された底部とを有する窒化珪素質の材料で形成された有底状をなす窒化珪素保護管と、
前記窒化珪素保護管の筒部の外壁面を被覆する外筒部と前記窒化珪素保護管の底部の外壁面を被覆する外底部とを有すると共に、全体の質量を１００％とすると質量比がセラミックス６０％〜９７％及びカーボン３％〜４０％の混合物を基材とする保護材料で形成され、体積比で１〜２０％の気孔率となる多数の微細な気孔を有する有底状をなすカーボン含有保護管と、
前記窒化珪素保護管の前記中空室に挿入され測温対象物の温度を測定する測温接点をもつ熱電対要素とを具備することを特徴とする測温プローブ。
請求項１において、前記カーボン含有保護管の前記外筒部の内壁面と前記窒化珪素保護管の前記筒部の外壁面との間には、測温対象物の温度において溶融しない粉末粒子を基材とする粉末粒子層が配置されていることを特徴とする測温プローブ。
請求項１又は２のうちの一項において、前記保護材料におけるセラミックスはアルミナ、ジルコニア、マグネシア、スピネル、ムライトのうちの少なくとも１種で形成されていることを特徴とする測温プローブ。