JP6122902B2 - 溶融金属の温度を測定するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバーで溶融物、特には溶融金属、例えば、溶鋼の温度を測定するための装置に関する。

溶鋼製造のための電気アーク炉（ＥＡＦ）プロセスは、次の操作から成るバッチプロセスである：金属成分の溶鉱炉放電、溶融、精錬、脱スラグ、出湯及び炉ターンアラウンド。ヒートと呼ばれる各鋼のバッチが出湯と呼ばれるプロセスで溶融炉から取り除かれ、従って、鋼生産の周期的バッチ速度の参照は、通常、出湯間時間（出湯と出湯の時間間隔）におよぶ単位時間である。近代のＥＡＦオペレーションは、６０分未満であり３５〜４０分程よりも長い出湯間サイクルを目指している。

迅速な出湯間時間を促進するＥＡＦ生産にて為された多数の発展は、増加された電力入力（３５０〜４００ｋＷｈ／ｔの範囲）、及び溶融炉内へのエネルギー入力の代替の形態（酸素ランス、酸素燃料バーナー）に関連される。より発展したＥＡＦオペレーションは、２０〜３２％の全パワー入力を供給する１８〜２７Ｎｍ³／ｔ程の供給酸素を消費する。加えて、より速い溶融炉動作を許容する成分の改良が、溶融炉のアイドリング時間量を低減している。ＥＡＦオペレーターの産業目標が、溶融炉パワーオン時間を最大化し、固定費を低減するために最大な生産性に帰結し、他方、同時に、電力入力から最大の利益を得ることができる。溶融工程において、ＥＡＦにおける鋼の一ヒートの生産の主要時間が費やされる。

溶融期間がＥＡＦオペレーションの中心であり、近年の主要なＥＡＦにおいては２つのステージ工程において行われる。電気エネルギーがグラファイト電極を介して供給され、これが、溶融オペレーションにおける最大の貢献者である。鋼スクラップを溶融するため、理論的には最小３００ｋＷｈ／ｔを要する。その鋼の溶融点を超える温度で溶融金属を提供することが追加のエネルギーを要求する。典型的な出湯温度要求については、通常要求される全理論エネルギーが、３５０〜４００ｋＷｈ／ｔの範囲内にある。しかしながら、ＥＡＦ鋼製造は、たった５５〜６５％のエネルギー効率であり、結果として、エネルギー全入力当量が、通常、６０〜６５％が電力により供給され、残存の要求が化石燃料燃焼及び精錬プロセスの化学酸化エネルギーにより供給される大半の近代オペレーションにとっては６５０ｋＷｈ／ｔの範囲内にある。

第１金属放電の過程では、通常、電極が十分にスクラップ内にボーリングするまで、中間の出湯電圧が選択される。アーク電極と溶融容器の側壁の間の溶けていないスクラップの配置が、溶融炉構造を損傷から保護し、ボーリング後に長アーク（高電圧）出湯を用いることができる。凡そ１５％のスクラップが初期ボーリング期間の過程で溶融される。溶融炉壁の特別のノズルを介して化石燃料の燃焼が追加され、スクラップの加熱及び熱均一性に貢献する。溶融炉大気が加熱されると、アークが安定化する傾向があり、平均パワー入力が増加される。長アークがスクラップへのパワーの伝達を最大化し、金属液体浴の形成が溶融炉床で開始される。幾つかの特定のＥＡＦタイプについては、「ホットヒール（hot-heel）」と呼ばれる先のヒートから留まる小さい浴でバッチ溶融プロセスを開始するように実施することが好ましい。

第２放電量に適合する十分なスクラップが溶融する時、放電プロセスが繰り返される。ひとたび溶融炉に鋼の溶融浴が生成されると、化学エネルギーが酸素燃料バーナー及び酸素ランスといった幾つかの供給源から供給される。溶融金属の高さが十分であり、障害のスクラップがないと、酸素が浴内に直接的にランス供給（lanced）できる。

最後のスクラップ放電が完全に溶融される時間の近く、アークからの高い放射に溶融炉側壁が晒され得る。結果として、電圧が低減されなければならず、若しくは電極を包むスラグ泡が形成されなければならない。スラグ層は、泡形成の間、１メートルよりも大きい厚みを有し得る。アークが埋められ、溶融炉シェルを保護する。加えて、より多くのエネルギーがスラグに保持されて浴に伝達し、より大きいエネルギー効率に帰結する。このプロセスは、鋼を被覆するスラグ層に多くの熱を生成し、鋼温度よりも高い上限２００℃の温度に帰結し、後述の理由からプロセス制御測定のための非常にユニークで困難な環境を形成する。

多くの場合、特にホットヒールで動作する近代のＥＡＦオペレーションにおいてヒートのための出湯間時間を低減し、酸素がヒートサイクルを通じて浴内に送風される。この酸素が、アルミニウム、ケイ素、マンガン、リン、炭素及び鉄を含む幾つかの浴中の成分と反応する。これらの反応の全ては、発熱性(つまり、熱を生成する)であり、スクラップの溶融を助けるためにエネルギーを提供する。形成された金属酸化物が、最終的にはスラグ内に存在する。

最終的なスクラップ放電及び原材料が実質的に溶融される時、フラットな浴条件に到達する。この時点で、浴温度及び化学分析サンプルが、大凡の酸素精錬期間を決定するため、及び出湯までの残存のパワーオン時間の計算のために取られる。

利用可能な原材料、溶融炉設計、ローカルオペレーション実務及びローカル生産経済の利用に依存して変化し得る特定ローカル処理ステップに関わらず、溶融炉へのエネルギー入力の多くの形態が、出湯間時間を最小化するため、及び固体スクラップ及びスラグ材の溶鋼及び出湯のための所望の温度で正しい化学組成のスラグへの変換過程でのエネルギー効率を改善するため、様々な戦略において採用されることが明白である。

他の鋼製造プロセスにおいては、エネルギー入力及び熱出力から与えられるプロセス終了点を予想するため、ＥＡＦの出湯間生産プロセスは、原材料の量及び質を考慮する数式モデルにより案内される。そのようなバリエーションのリストがＥＰ０７４７９２Ａ１に見られる。ＥＡＦ特性を制御及び予測するために用いられる多くのプロセスモデルが技術分野において良く知られている。コンバーターする溶鉱炉を古典的な鋼製造工程と比較する時、ＥＡＦプロセスにおいて用いられる原材料の変動がより大きく、そのために継続調整が要求される。プロセスを訂正及び案内するために要求されるこれらのモデルに入力される幾つかの情報の一つが溶融金属温度である。

ＥＡＦオペレーターに最善及び最も最近の溶融金属温度情報を提供することが次の要求を満足するべきである：
−代表の（大部分の）金属の正確な温度、
−溶融炉傾斜とは無関係の固定の浸漬深さ、
−連続又はほぼ連続の利用可能、
−浸漬深さ調整のための浴レベル決定。

典型的には、溶融金属の温度測定が、ＵＳ２９９３９４４に記載のような良く知られた使い捨ての熱電対を用いることにより行われる。熱電対信号を適切な機器に搬送するための適合された電気配線及び接続を伴う鉄柱でこれらの熱電対がオペレーターにより手動で浸漬される。加えて、今日、www.more-oxy.comから公に入手可能のなもの又はＭｅｔｚｅｎ ｅｔ ａｌ．，ＭＰＴ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ４／２０００，ｐｐ．８４の文献に記載といった多くの自動熱電対浸漬機械システムが熱電対浸漬を提供するために用いられている。

溶融金属の浴が確立されると、浴温度が徐々に高まる。非溶融スクラップの含量が高ければ高いほど、所与のエネルギー入力についての温度上昇速度が低くなる。全スクラップが溶融されると、浴温度が、プロセス終端に向かって３５℃〜７０℃／分ほどで非常に急速に高まる。最適なプロセス終端、金属の出湯の準備ができている時間を予想するため、プロセス制御モデルは、様々なエネルギー入力を止める最適な時点で正確な予想を行うため正確及び十分に高い測定頻度で温度情報を有する必要がある。ロボット浸漬装置を用いた測定プロセスは、一般的な記述がＵＳ２０１１／００３８３９１及びＵＳ７７６７１３７に記述される、アクセスハッチ、典型的にはスラグドアが開けられ、使い捨ての熱電対を支持する機械アームの挿入を許容することを要求する。最も近代のオペレーションにおいては、このドアは、浸漬ランスのものと同様のマニピュレーターで定位置に持ち込まれる酸素燃料バーナー及び酸素ランスのための溶融炉へのアクセスを提供するためにも用いられる。より最近では、ＵＳ６７４９６６１に記載のようにバーナーのために幾つかの追加ポートもまた溶融炉シェルの周囲に提供される。

プロセスにおいて温度遅延を取得する目的でスラグドアを開けることにより、溶融炉内に多量の空気が進入する。この開動作の結果が、局所的な冷却と窒素源の提供である。アーク放電過程に窒素がＮＯｘに変換され、これは、ＥＡＦ工程の望まない廃物である。この開口を通じて溶融炉を脱スラグすることが必要であるが、ロボット浸漬機器の使用が、繰り返しの温度測定が要求される期間、温度を取るためにもこの開口を用い、溶融炉内部を不必要な窒素の進入及び意図しない脱スラグに晒す。

金属精錬プロセスの最終段階での急速な温度上昇で、最善の環境下でのプロセス制御モデルのための更新時間が、近代のハイパワー溶融炉に追随することができない。理想的には、精錬終期の急速な温度更新及び出湯前の最後の連続の温度情報が、モデル予想精度及び終点決定の最適な組み合わせを提供する。典型的なロボットシステムのための１分間の現実的な試験間の時間が、そのような動的なプロセスのスポット測定の有用さを制限する。従来の使い捨ての熱電対及びロボット浸漬機器は、低いサンプリング頻度と共に、正確な終点決定のために用いられる時、最終的にプロセスモデルの予測の成功を減じる幾つかの追加の制限を被っている。

溶融及び精錬プロセスの過程で、浴が温度勾配を有し、そこでは浴の表面が大半の溶融金属のものよりも顕著に高い温度を有する。金属のホット及びコールドスポットが溶融炉内部に亘って存在し、内部の均質化を助けるために特別なバーナー及び方向性のある化石燃料ヒーターの使用を必要とする。ＥＰ１８５７７６０Ａ１に示されるように、一つのコールドスポットがスラグドアの領域にあり、そこでは、典型的なロボット浸漬機器の大きいアクセス要求のため、使い捨ての熱電対の浸漬が典型的には行われる。ＥＡＦが溶融炉を「揺する」、つまり、ＵＳ２８８６６１７に記述のように、浴を更に均質化し、脱スラグし、溶融炉を出湯するため、前後に溶融炉の水平位置を傾斜する能力を有する。

殆ど全てのロボット浸漬装置がスラグドアの領域に実装され、動作フロアー上に実装され、従って、傾斜された溶融炉の角度で傾斜しない。このため、これらのマニピュレーターが全回及び全状況下で使い捨ての熱電対を浴内に配置することができない。更には、熱電対の浸漬深さが、ロボット装置の機械アームの関節に関連され、そのため、溶融炉の傾斜角に起因する浴レベルの変化を即時に調整することができない。ＥＡＦプロセスの動作中モデルのためにはバルク温度を反映する場所で繰り返し測定することが重要であるが、手動又は自動的なランスのいずれかで取られた実際の温度測定が、安定した浸漬深さへの困難さを示し、浸漬ランスの位置が溶融炉の揺れ及び実際の浴レベルに連携されず、温度精度が伝わる位置にない間は利用できない。

本発明は、２０秒未満の温度と温度の間の測定の頻度で予想可能な溶鋼浸漬深さまでＥＡＦ側壁を通じて温度装置を挿入することができる溶融金属浸漬消耗型光ファイバー及び浸漬機器を用いて冶金容器内の温度を測定する。単一又は急速な連続でオンデマンドでサンプリングする能力は、プロセス過程の主要回数でＥＡＦオペレーションの数学的予想モデルを更新することができる測定戦略を許容し、急速に連続で測定し、低コストでほぼ連続の温度データを提供する能力を持つ。

光検出器に向かって放射を集中させる耐久光学ライトガイドを用いる様々な鋼製造容器に取り付けられた多数の温度測定装置が先行技術にはある。そのような先行技術の例がＪＰ−Ａ−６１−９１５２９、ＪＰ−Ａ−６２−５２４２３、ＵＳ４４６８７７１、ＵＳ５０６４２９５、ＵＳ６１７２３６７、ＵＳ６９２３５７３、ＷＯ９８/４６９７１Ａ１及びＷＯ０２/４８６６１Ａ１に見ることができる。この先行技術の共通点は、光学ガイドが耐久のものであり、このため、複雑な取付を用いて損傷から保護される必要があることである。これらの保護手段は、アセンブリーを冷却し、若しくは光学素子、鋼製造容器の内側の相対的に耐久である若しくは僅かに破壊される保護被覆層との物理的な接触から金属を除去するガスパージと、正確な温度を決定するために光の波長（群）及び強度の複雑な放射率訂正を備える。

ＪＰ−Ａ−０８−１５０４０の開示が、消耗型光ファイバーを液体金属内に送る方法を記述する。ＪＰ−Ａ−６２−１９７２７に開示されるような消耗型光ファイバーは、予想可能な深さで溶融金属内に浸漬される時、黒体条件で溶融金属から放出される放射光を受け取り、浸漬された消耗型光ファイバーの反対端に実装された光電気変換素子を用いた放射強度が溶融金属の温度を決定するために用いることができる。Ｐ．Ｃｌｙｍａｎｓ，「浸漬型光ファイバーパイロメーターの用途」に簡潔に詳述の先行技術の科学原理は、黒体条件を達成するために光ファイバーがある深さで浸漬しなければならないことである。消耗型光ファイバーを用いた溶融金属の連続の測定と、所定の深さまで長い長さのコイル部材を送るために必要な装置は、ＥＰ０８０６６４０Ａ２及びＪＰ−Ｂ−３２６７１２２といったように当該分野において良く知られている。消耗型光ファイバーが高温の金属に浸漬される過酷な産業環境又は被覆するスラグを持つ金属の存在において、その温度の上昇のため、光ファイバーの内在の弱さに起因して、測定が行われるべき期間に事前設定の深さを維持することが困難であることが分かっている。ガス冷却ＪＰ−Ａ−２０００−１８６９６１、金属被覆ファイバー上の追加の複合材料層ＥＰ６５５６１３Ａ１、絶縁被覆ＪＰ−Ａ−０６−０５８８１６、又は追加の金属カバーＵＳ５１６３３２１及びＪＰ−Ｂ−３３５１１２０といった既に金属被覆されたファイバーを追加の保護により保護することが必要になっている。

高温使用のための上述の改良が、連続的な温度読み出しを提供するために劇的に増加する消耗品ファイバーアセンブリーのコストの不利益を有する。ＥＡＦで高温を測定する時に遭遇する状態とは厳密に一致しないが、ＪＰ−Ｂ−３３５１１２０は、光ファイバーの消耗速度の評価を持つために有用である。開示の実施例においては、コイルから光ファイバーを送るために非常に複雑な装置が用いられている。コイルは、３ｍｍ厚の追加のステンレス鋼チューブにより更に被覆された金属被覆光ファイバーから成る。溶鉱炉出湯流の鉄の連続の温度測定のために改善された温度精度のために奨励された開示の計算が、驚くべきことに５００ｍｍ／秒である。光ファイバー及びそれを囲むステンレス鋼外側チューブのコストが、この推薦された送り速度で消費するにはコスト高である。

連続の温度測定の実経済が、連続的な情報の利益を依然として得ながらのファイバーの可能な最小量の消費に依存する。ファイバーの最小量の露出で測定点へ光ファイバーを運ぶことがＵＳ５５８５９１４及びＪＰ−Ａ−２０００−１８６９６１に記述されており、そこでは、単一の金属被覆ファイバーが、溶融炉壁に実装され、またこれを通じてガスが注入される耐久ノズルを通じて送られる。これらの装置がファイバーを測定点に首尾良く配達できるが、閉塞及び連続メンテナンスのために不利に作用する。送りモード段階では、ノズルへのファイバーの溶接を阻止するために振動が要求される。もしポートが不十分なガス圧のために閉塞又は閉じるならば、測定が中止され、ノズルが修理されるまで回復の見込みがない。ＥＰ０８０２４０１Ａ１が、ファイバーがノズルを通過することを阻止する如何なる問題も解決するためのツールセットを提供する移動可能キャリッジ上に配置された一連のパンチロッド及びガイドチューブで溶融炉への閉塞された開口の問題を解決する。しかしながら、これらは、測定データを得ることができない閉じたアクセスポートの閉塞を解除するための戦略である。これらのポートが閉塞されるならば、温度データを取得する見込みがなく、これは、鋼製造プロセスにおいて重要な時間であり得る。

連続的に光ファイバーを送るために追加の問題が生じ、測定コスト及び浸漬器具の複雑さを更に高める。浸漬型光ファイバーは、もし熱及び汚染に対して保護されたまま、又はその変質速度よりも速い速度で更新されるならば、その光学品質を維持し、従って、正確な温度に帰結する。浴温度を示す光信号が溶鋼に浸漬された部分について黒体条件で正確に取得される。しかしながら、その部分上の非浸漬部分が完全なライトガイドのままでなければならない。上昇した温度では、光ファイバーの失透が生じ、光の透過率が減少し、減少した強度の関数として温度エラーが増加する。ＪＰ−Ａ−０９−３０４１８５及びＵＳ７８９１８６７が、送り速度方法を開示し、ここでは、ファイバー消費の速度が、失透速度よりも大きくなければならず、従って、新しい光ファイバー表面が常に利用可能であることを保証する。単一の実験室試験が、１５８０℃未満の温度で約１．０秒と１７００℃で浸漬される間のたった０．１秒の非常に短時間の間で光信号が安定したままであることを示す。より低温の金属のための解決策であるが、昇温試験の失透速度よりも速い速度で光ファイバーを送る速度が単一金属被覆光ファイバーにとっては高価である。ＥＡＦの過酷条件で昇温を測定する場合、特別な保護方法が光ファイバーと同一速度で消費されることも先行技術により開示される。なぜなら、上述の２重被覆光ファイバーが禁止されるほどに高価であるためである。
ＪＰ−Ａ−２０１０−０７１６６６が、ランスチューブと光ファイバーの間に気密シールを有する気密環境及び測定ランスを用いた溶融金属の測定のためのファイバー光学温度測定装置を開示する。

本発明が、連続計測よりもスポット測定を提供することを好む先行技術の教示に反して作用する。過酷な環境での浸漬された光ファイバーに関連する問題を解決しつつ、ＥＡＦ溶融プロセスの数学モデルの更新要求を満足する十分に高いサンプリング頻度で用いられることに適する温度測定のための低コスト解決策が発明された。本発明は、ほぼ連続の温度測定出力を提供し、スラグに最初に接触することなく被覆スラグを介して溶融金属内に光ファイバーを浸漬させ、制御された送りにより測定期間の間に事前設定された浸漬深さを維持し、ＥＡＦ内部の高温周囲熱での失透から非浸漬部分を保護し、測定後、未使用のファイバーを引き出し及び巻き戻し、巻き戻しの時に浴レベルを測定することを含み、測定プロセスを繰り返すための浸漬機器が、常に初期の開始状態を複製する。問題が本発明により解決され、既知の方法及び装置を改良する。

ＥＡＦオペレーターに最良及び最も最新の溶融金属温度情報を提供することが次の要求を満足する：
−代表の（大部分の）金属の正確な温度、
−溶融炉傾斜とは無関係の固定された浸漬深さ、
−連続又はほぼ連続で利用可能、
−浸漬深さ調整のための浴レベル決定。

問題が独立請求項に係る装置により解決される。

光ファイバーで溶融物、特には溶融金属の温度を測定するための方法が、使い捨て案内チューブを通じて溶融物内に光ファイバーが送られ、両方が送り速度を有する光ファイバーと使い捨て案内チューブの浸漬端が溶融物内に浸漬され、両方の送り速度がお互いに独立であることに特徴がある。好ましくは、浸漬の第１フェーズにおいて、使い捨て案内チューブと光ファイバーが溶融物に浸漬され、第２フェーズにおいて使い捨て案内チューブよりも光ファイバーが溶融物内により深くより速い速度で浸漬される。使い捨て案内チューブの浸漬端が溶融物内に浸漬された後、第２フェーズが始まることが望ましい。更には、浸漬の第３フェーズにおいて光ファイバーの浸漬が停止され、若しくは溶融物から引き出されることが望ましい。

方法の好適な実施形態においては、使い捨て案内チューブ及び／又は光ファイバーの速度が浸漬の過程で変動する。更には、光ファイバー及び使い捨て案内チューブが等しくない速度で動かされることが望ましい。温度に加えて溶融物の上面も決定されることが有益である。

溶融物、特には溶融金属の温度の測定のための発明の装置が、光ファイバーと、浸漬端及び浸漬端とは反対の第２端を有する（好ましくは使い捨て）案内チューブを備え、光ファイバーが部分的に使い捨て案内チューブ内に配され、案内チューブの内径が光ファイバーの外径よりも大きく、第１プラグ又は案内チューブの減径部が案内チューブの浸漬端又は案内チューブの浸漬端に近い案内チューブ内に配され、第２プラグが、案内チューブの第２端又は案内チューブの第２端に近い案内チューブ内に配され、光ファイバーが案内チューブのプラグ又は減径部を通じて送られ、又は第１プラグ及び、好ましくは第２プラグも、若しくは案内チューブの減径部が、光ファイバーと案内チューブの間のギャップを低減若しくは閉じる。案内チューブの減径部が、代替として、その浸漬端で又は浸漬端の近くのチューブの断面積を低減する部分としても理解できる。案内チューブは、好ましくは使い捨てであり、つまり、必ずしも器具を用いなくても（例えば、損傷されるならば）簡単に交換できることを意味する。好ましくは、ギャップの面積が２ｍｍ²未満、より好ましくは１ｍｍ²未満に低減される。それを閉じることさえできる。好ましくは一つ又は両方のプラグが弾性であり、より好ましくは弾性材料である。（もし第１プラグが案内チューブ内に配されるならば）案内チューブの浸漬端からの第１プラグの浸漬端又は案内チューブの減径部の距離が、案内チューブの内径の５倍を超えないことが更に望ましい。もし第２プラグが案内チューブ内に配されるならば、第１プラグ又は案内チューブの減径部と案内チューブの第２端の間に配される。

好ましくは、少なくとも第１プラグ（又は第１及び第２プラグ）が、少なくともその浸漬端で円錐形を有し、プラグの壁厚が浸漬端に向かって減じられる。少なくとも第１プラグの内径が浸漬端に向かって減じられることが有益である。

装置が、更に、ファイバーコイルと、光ファイバー及び案内チューブを送るための送り機構を更に備え、送り機構が、少なくとも２つの独立の送りモーターを備え、一つが光ファイバーの送り用であり、一つが案内チューブの送り用であることが好ましい。好適な装置は、送りモーターが別々の速度制御部にそれぞれ組み合わされることを特徴とする。

更には、本発明は、上述の記述により規定される方法において前に記述された装置の使用方法に関連する。

本発明は、ＥＡＦにおける鋼製造の最終的な処理ステップを制御するために必要とされる温度測定を取得するために用いられる。この目的のために有用であるため、装置は：
−プロセスモデルの正確な更新及び出湯に向けてのオペレーター情報を提供するサンプリング頻度（サンプリング周波数）で正確な温度測定を提供しなければならない
−中間の測定が最低のコストを提供しなければならない
−金属測定位置が金属温度を表さなければならない。

装置により次が達成される：
常に機器に接続されていた、連続の温度測定要素、光ファイバー
−常に利用可能である
−接続を待機する利用機会ロスがない
−金属及びスラグにおける急速な応答時間−低い接触時間
−低コスト
外側金属チューブ
−浴に向かう急速加速の間にファイバーを支持する−金属から離れる曲げを回避する
−金属にファイバーが進入することを保証する−スラグに向かう上方の反りを回避する
−液状スラグに接触することからファイバーを回避する−汚染を回避する
−ファイバーの非浸漬部分を冷たく維持する−失透を回避する
−光ファイバーの回収の直進性を保つガイドである−次の使用のためにファイバーを準備する
−使い捨てである−新しい直線品が各回に用いられる−保証された寸法
−ガスプラグがチューブ内にガス体積を封入する−チューブ内に陽圧を生成することを許容する
−フレキシブルであり、非理想的なファイバー端を収容する。

次の機械を用いて十分な長さで鋼浴に光ファイバーを浸漬する：
−機械が、ＥＡＦ側壁に搭載されている
−機械が、好ましくは２０秒サイクル時間を有する
−機械が、常時ファイバーの端部の位置をモニターする−エンコーダー及び誘導位置装置を直接的また間接的に用いる
−機械が、外側チューブ及びガスプラグを更新し、ファイバーを配置して両方の中に通す
−機械が、未使用のファイバーを巻き戻す間、ＥＡＦ内に用いられた外側チューブとガスプラグを排出する
−機械が、ほぼ瞬時の減速で＋２０００ｍｍ／秒の送りが可能である
−機械が、異なる速度でＥＡＦ内にファイバーと外側チューブを挿入する
−反転可能及び独立の反転可能の駆動能力（反対の方向に動かす）
−ファイバーを繰り出し及び巻き戻すための運動量補償アクチュエーター
−温度及び浴レベル検出のためのリモート機器。

ＵＳ５５８５９１４は、断続の光ファイバーの送りが断続の温度を提供することを認識している。オンデマンド温度利用が冶金プロセスを案内するのに十分であるとき、連続の温度の要求が、そのようなデータのための技術的な必要性のためにサポートされない。

上述の開示においては、２０秒のオフ時間で１０秒のために１０ｍｍ／秒の送りがＬＤプロセスのために十分であると記述した。オフ時間の間、外側ジャケットがノズルに溶接することを避けるため光ファイバーを振動しなければならない。送り及び待機時間の両方の間、ガスがノズルを通じて充填され、その直径が１．８ｍｍと４．２ｍｍの間になるように外側ファイバージャケットの外径（ＯＤ）により固定される。オイルが供給されたハウジング内に収容された一連のゴムプラグにより封入された充填ガスがこのノズルを通じて流れる。

ＥＰ０８０２４０１Ａ１が、ガス充填された案内チューブ又は光ファイバーの延長された（しかし、浸漬されない）部分を保護するための「延長手段」を通じて送られる光ファイバーを用いた２〜３秒の期間のオンデマンドの温度読み出しも提供する。これらの外側チューブの両方が消耗品ではない。浸漬機器は、光ファイバーの失透部分を切除するように整えられ、４〜５浸漬ごとに新しい面が形成される。

ＪＰ−Ｂ−３３５１１２０は、追加の消耗品の外側金属チューブと共に連続的に金属被覆光ファイバーを送り、両方が同時に金属内に送られることを開示する。送り機器も記述される。ＪＰ−Ｂ−３３５１１２０の消耗品保護チューブは、あたかもファイバーの一体部分であるかのように連続的にファイバーの外側に存在する。本発明は、光ファイバーとは別である及び区別できる使い捨ての外側チューブを用いる。ファイバーも送らなければＪＰ−Ｂ−３３５１１２０の外側金属チューブを送ることができない。この発明では、はっきりと異なり、光ファイバーから追加の外側金属チューブが分離される。これが他の問題への解決策も提供する。ＥＰ０８０２４０１Ａ１がファイバーの浸漬を補助するための延長又は案内チューブの必要性を理解するが、案内チューブが、金属表面まで完全に延びない。浸漬できず、使い捨てではなく、このために光ファイバーが到底完全に安全にされない。

実際には、ノズルと同様にそれを取り扱うことができ、両方が閉塞の問題を被る。事実、記述のノズル及び案内チューブの両方が追加の機構を有し、材料進入によるそれらの開口の閉塞を回避する。先行技術は、光ファイバーが送られるノズルにスラグ／鋼フォームが進入することを阻止するために明らかに充填ガスの重要性を理解している。これらのノズルが使い捨てではないため、案内チューブと浸漬端の間で充填ガスをシールするための方法が、典型的なオイルを用いた耐久シールである。

本発明においては、少なくとも一つの（好ましくは使い捨て）ガスプラグを有する使い捨ての外側チューブが上手く包含されたシステムを提供する。このシステムは、外部の充填ガスを追加するのではなく、第１プラグの後の、若しくは好ましくは２つのプラグの間の、チューブ内に既に存在する、ガスの熱膨張を用いることができ、先行技術に内在する充填ガス供給の問題を解決する。ＥＰ０８０２４０１Ａ１においては、案内又は延長チューブが金属に接触しない。その開口端が、加熱されたガスの膨張の過程で加圧を提供できない。ＵＳ５５８５９１４の永久閉塞空間においては、ガスが膨張すると、金属進入に変位を与えることができない。ＪＰ−Ｂ−３３５１１２０においては、外側チューブとファイバーの間の空間が有限に長く、ガスの圧縮のため、浸漬端での加熱されたガスの膨張を与えるように用いることができない。セルフパージする外側チューブのユニークさが外側チューブの使い捨ての着想によってのみ引き起こされる。本発明のこの特徴が全先行技術において特有である。先行技術が連続的に送られる光ファイバーから連続の測定を維持することに関連する課題を解決するために本発明は自明ではない。

以降においては、本発明がただ例示のために記述される。
図１は、先行技術の使い捨て光ファイバーを示す。 図２ａは、案内チューブを有する金属被覆光ファイバーの先導部分を示す。 図２ｂは、案内チューブを有する金属被覆光ファイバーの代替の先導部分を示す。 図２ｃは、金属被覆光ファイバーの更なる代替の先導部分を示す。 図３は、適合された案内チューブを有する金属被覆光ファイバーの先導部分を示す。 図４ａは、光ファイバーを浸漬する前の浸漬装置を示す。 図４ｂは、光ファイバーを浸漬した後の浸漬装置を示す。 図４ｃは、図３ｂに係る浸漬装置を示し、溶融金属レードル又はタンディッシュといった異なる溶融物コンテナを有する。 図５は、浸漬の過程で光ファイバーの浸漬端と外側チューブの浸漬端の両方の位置の図を示す。

装置が例示のために以降に記述される。図１は、先行技術の消耗型光ファイバー１０を示し、典型的には、液体金属の測定において採用され、光ファイバー、光ファイバーを被覆するジャケット、及びプラスチック製のジャケットの表面を被覆する保護金属チューブを備える。光ファイバー１０、典型的には、石英ガラスから成る屈折率分布型マルチモードファイバーであり、６２．５μｍの径の内側コア１１、及び１２５μｍの径の外側クラッド１２を有し、ポリイミド又は同様の材料１３で被覆される。保護金属チューブ１４は、典型的には、１．３２ｍｍの外径（ＯＤ）及び０．１２７ｍｍの壁厚のステンレス鋼である。金属被覆光ファイバーが好まれるものの、追加の実施形態では、１４及び／又は１３が、単一のプラスチック材料により置換され、意図される発明から逸脱しない。

図２ａは、金属被覆光ファイバー１０の先導部分１０’を示し、外側使い捨て案内チューブ４０に固定された第１ガス保持弾性プラグ３２を通じてスプール２０から送られる。第１ガス保持プラグ３２は、チューブ４０の浸漬端５０の近傍にある。

図２ｂは、金属被覆光ファイバー１０の先導部分１０’を示し、外側の使い捨て案内チューブ４０の反対の浸漬端５０に固定された第２ガス保持弾性プラグ３０を通じてスプール２０から送られる。第１ガス保持プラグ３２がチューブ４０の浸漬端５０の近傍にある。

ファイバー１０及び外側使い捨て案内チューブ４０が固定された配列ではなく、そのために、お互いに独立して動くことができ、従って、プラグ３０とプラグ３２の間のガス体積３１を維持しながら、異なる速度で独立してスラグ層５１を通じて溶融金属浴５２内へ挿入できる。使い捨て案内チューブ４０は、好ましくは、０．８〜１ｍｍの壁厚を有する低炭素鋼であるが、セラミックス及びガラス、ボール紙及びプラスチック又は材料の組み合わせと同様に様々な金属材料から選択され得る。使い捨て案内チューブ４０が溶融金属浴と反応する材料から選択される場合、飛散低減のために該分野で知られている材料のコーティング又は皮膜によって使い捨て案内チューブ４０の内部に溶融金属を飛散させないように浸漬部分５０を準備することが助言できる。

開口端の外側使い捨て案内チューブ４０をプラグ３０を用いずにスラグ層５１を通じて鋼に浸漬すると、このチューブ内へのスラグ及び鋼の進入に帰結する。精錬プロセスから生成される融解スラグが、光ファイバー構造内に簡単に吸収される酸化鉄といった多くの酸化物を有する。スラグ及び鋼を含有する外側使い捨て案内チューブ４０を通じて送られるファイバー１０が、外側使い捨て案内チューブ４０の開口端に到達する前に損傷される。好適な外側使い捨て案内チューブ４０については、２ｍの長さで、３０ｃｍの浸漬深さで、両端で開口し、外側使い捨て案内チューブ４０内の溶融金属材料の上昇が上限３０ｃｍである。端部が閉じた外側使い捨て案内チューブ４０の場合、上昇が約１６ｃｍである。これは、その温度の上昇のために膨張することになる封入された空気の膨張を無視して計算される。外側使い捨て案内チューブ４０の内径（ＩＤ）と光ファイバー１０金属被覆の外径（ＯＤ）の間のエアーギャップを低減することにより鋼進入が最小限になることが試験により示される。このギャップを最小限に低減することが非常に好ましいが、実用としては、１０ｍｍの内径（ＩＤ）のチューブについて、このギャップが、２ｍｍ²未満、好ましくは１ｍｍ²未満であるべきである。それを閉じることもできる。小さい内径（ＩＤ）のチューブにより、封入された空気のより速い加熱速度のため、より大きいギャップが許容される。

本発明の好適な特徴の一つは、使い捨て案内チューブ４０に固定若しくはその内に固定された一組のガス保持プラグの間で封入されたガスの体積の熱膨張を利用して溶融金属の進入を回避することである。ある封止品質の浸漬端の反対の端部を有効に封止するために弾性プラグ３０及び３２を用いることにより、膨張するガスが浸漬過程の液体鋼の充填圧に対して陽圧を維持することが確実にされ、従って、使い捨て案内チューブ４０が空に保たれる。それにも関わらず、亜鉛コーティング（例えば、Ｚｎ）といった極小温度で蒸発する材料の内部コーティングといった、浸漬過程で使い捨て案内チューブ４０内の超過圧を生成する任意の手段が、鋼進入も回避する。外側使い捨て案内チューブ４０内に陽圧を生成する卓越した概念は、光ファイバー１０の自由な送りを妨げ得る金属、スラグ、又は使い捨て案内チューブ４０内の他の汚染物の上昇及び侵入を回避することである。

プラグ３０及び３２は、光ファイバーの外径未満の（非作動）径を有する送りスルーホールを有し、先行の浸漬から帰結する非理想の光ファイバー端部を補償するために適当な弾性を有する。熱弾性材料Ｓａｎｔｏｐｒｅｎｅ（Ｓａｎｔｏｐｒｅｎｅは、ＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌｅの商標である）が、そのような材料の一つであり、測定期間の間に弾性を維持し、驚くほどに不変であることが分かっている。しかしながら、木材又は別の適切なプラスチックといった別の材料でも良い。好適な実施形態においては、プラグ３０及び３２が各外側使い捨て案内チューブ４０で置換される。各置換が適切な封止を保証するが、プラグ３０は、多数の外側使い捨て案内チューブで再利用され、メンテナンス交換される態様で構築できる。図２ｂ、２ｃの外側使い捨て案内チューブ４０の終端でのプラグ３０の好適な場所が取り付けの簡単さのために選択される。しかしながら、浸漬端のより近くにプラグ３０を配置することが同等に許容される。図２ｂにおけるプラグ３０及び３２の設計は、使い捨て案内チューブ４０の末端でのその配置を促進し、チューブ端に載せられるリップを示す。タブ又は接着剤によるチューブ４０へのプラグの固定を補助するためにプラグの外面に型込又は浮き彫りされた手段と同様に他の構成を取り得る。プラグ３２の精密な実施形態が、外側チューブからの空気の逃げを制約するプラグの主たる目的から逸脱することなく、位置決めの簡単さ、その位置の場所及び固定を反映するべきであり、従って、内圧の増強が確実になる。図２ｃは、チューブ４０の浸漬端に近接するガス保持プラグ３２の代替の位置を示す。この実施形態においては、チューブ４０の浸漬端とプラグ３２からの光ファイバー１０の退去場所の間の好適な距離が、チューブ４０の内径の５倍を超えない。プラグ３２の浸漬端とは反対で、プラグの内部輪郭が、チューブ４０の内壁に向かってテーパー付けられ、その先端でのそのプラグ３２の厚みが、光ファイバーの径の１／３よりも大きくなく、従って、送り過程での浸漬端に向かう一貫した案内が保証される。プラグ３２は、また、タブ又は接着剤によるチューブ４０へのプラグの固定を補助するためにプラグの外面に型込又は浮き彫りされた手段を有するように構成され得る。プラグは、円錐形を有し、プラグの壁厚が浸漬端に向かって低減される。

図２ｃと同様、その浸漬端での又は近くの案内チューブ４０の径又は断面積の低減がプラグ３２に代えて使用できる（図３）。

浸漬中の鋼チューブでの鋼進入が次で増加する：
−浸漬深さの増加
−チューブ長の増加
−（反対端での）エアーギャップの増加
−浴温度の低下
−壁厚の増加
−鋼浴のより高い酸素含有量。

図４には浸漬装置が図示される。外側使い捨て案内チューブ４０へのプラグ３０及び３２の組み付けが提携され、光ファイバー１０がプラグ３０を通じて外側使い捨て案内チューブ４０の内部へ挿入でき、プラグ３２から出ることができる態様で、機械１００が適切に構成及び取り付けられる。それにも関わらず、本発明の範囲から逸脱することなく、チューブ４０及びプラグ３０及び３２が機械１００に事前に組み付けられ、またロード（搭載）され得る。外側使い捨て案内チューブ４０及び光ファイバー１０の両方が、適切なアクセスパネル８０を通じてＥＡＦの側壁を通じて約３０００ｍｍ／秒で送られる。これらのパネル８０は、機械１００の一部ではない。機械１００が、独立１００％反転可能駆動又は送りモーター２５；４５を有する。モーター２５が光ファイバー１０を駆動し、モーター４５が使い捨て案内チューブ４０を駆動し、外側使い捨て案内チューブ４０の両方向の速度が、光ファイバー１０の両方向の速度とは独立している。

機械１００は、外側使い捨て案内チューブ４０の速度未満、等しい、又はよりも速い速度で光ファイバー１０を浴内に独立して送ることができる。好ましくは、光ファイバー１０がより速く送られ、外側使い捨て案内チューブ４０の浸漬端５０と光ファイバー１０の先導部分１０’の両方が大凡等しい時点で金属の所定の面に到達する。浴レベル位置に到達すると、外側使い捨て案内チューブ４０が、溶融金属５２内のほぼ静止位置へ減速される。光ファイバー１０の先導部分１０’が、約０．７秒間、約２００ｍｍ／秒で鋼内にゆっくりとより深くへの移動を継続する。外側使い捨て案内チューブ４０及び光ファイバー１０の両方が不等速度で絶えず移動し、２つの金属表面が一緒に溶接することが回避され、背景技術に述べた課題が解決される。

光ファイバー１０の加速及び減速の問題は、外側使い捨て案内チューブ４０の移動よりも複雑である。光ファイバー１０が、コイル又はスプール２０から絶えず巻き出され及び巻き戻され、ファイバー消費のためにそのコイル重が絶えず変化する。送り機械は、コイルに接続されたパイロメーターの重さと同様に、コイル又スプール２０自体からの弾性スプリングバック効果を回避するため追加の機構に適応されなければならない。これが、サーボモーター又は送りモーター２５を用いてファイバーの移動を制御することにより解決される。一つの送りモーター２５が、ファイバー１０の巻き出し及び巻き戻しに対処し、送りモーター２５が非常に高速で加速できる態様でファイバー１０を事前に送る。

消耗型光ファイバー１０が溶融金属から放射される放射光を受け取り、巻かれた消耗型光ファイバーの反対端に実装された光電変換素子及びこれに組み合わされた関連の機器といったものへ伝達し、放射強度が測定され、これを用いて金属の温度が決定される。光ファイバーコイル又はスプール２０及び機器が、ＥＡＦからある距離だけ離れて分離して設けられるが、鋼製造環境の過酷な状態に耐える適当な耐性を有する。浸漬サイクルの浸漬、測定及び、退去期に亘り光ファイバー１０の浸漬端の場所が機械機器によりいつも検知及びモニターされる。機械には通過のファイバー長を決定する位置エンコーダー及びファイバー端を登録する誘導スイッチが備えられる。

測定の完了後、消耗型光ファイバー１０及び外側使い捨て案内チューブ４０の両方が異なる速度で鋼から引き出され、光ファイバー１０が浴中において相対的に深くに存在する。この動作の過程で、所定位置の間で抜き出された光ファイバー１０の長さに相関される時、光強度の変化に基づいて浴レベルを決定することができる。測定後の浴レベル決定が続いて次の浸漬に用いられる。本発明の方法から逸脱することなく文献に十分に記述の様々な技術を用いて浴レベルを浸漬過程で決定することも考えられる。

光ファイバー１０がＥＡＦ内部から無くなると、この時点で外側使い捨て案内チューブ４０の方向が溶融炉内部へ向かって反転される。次に外側使い捨て案内チューブ４０が、溶融炉内部に押し出され、配置され、及び消費される。新しい使い捨て案内チューブ４０及びガスプラグ３０及び３２が、次測定のために光ファイバー１０を受け入れるように位置付けられる。退去過程で残りの光ファイバー１０が巻き戻され、開始位置へ戻される。

本発明の主要な能力は：
−ファイバーの正確な繰り出し及び巻き戻し
−ファイバー端の検出
−外側使い捨て案内チューブのロード（搭載）
−ガスプラグのロード（搭載）及び位置付け
−開始位置のファイバーをガスプラグ内へ案内する
−ファイバー及び外側使い捨て案内チューブの両方のための完全に反転可能な駆動
−ファイバー及び外側使い捨て案内チューブのための独立の速度プロファイル
−レベル検出のためのファイバー出力の登録
−浴レベルの傾斜補償のために溶融炉シェルに取り付け可能。

全サイクル記述の例として方法が記述される。このコンセプトが、ＥＡＦのオペレーター無し制御をもたらす。最善オペレーションは、迅速な連続（例えば、５）で多数の温度浸漬を取ることが予期される。各浸漬が約２秒である；全サイクル時間が単一ヒートの過程で２０秒未満であるべきである。

図５の概略図が、測定サイクルの２回の浸漬過程での外側使い捨て案内チューブ４０の浸漬端５０と光ファイバー１０の先導部分１０’の浸漬端の両方の位置の図を与える。ファイバーの動きについては、ファイバーの端部位置を追跡した。

チューブの動きについては、使い捨て案内チューブ４０の浸漬端の位置で示される。ガスプラグ３２は、チューブ４０の浸漬端で又は近傍にある。ガスプラグ３０は、外側使い捨て案内チューブ４０の浸漬端５０の反対端にある。この図の目的から、外側使い捨て案内チューブ４０が既に浸漬位置への準備ができている。ガスプラグ３０及び３２が既に後端に取り付けられており、光ファイバー１０が溶融金属に向かって僅かにガスプラグ３２から延びる。図示の相対的な寸法は、記述目的のためであり、絶対的な距離が、鋼店ごとに異なる実際の溶融炉サイズに基づいて決定されるものと理解する。

外側金属チューブ内の光ファイバーの時刻０の開始位置１が、溶融金属／浴レベルの上方３５０ｃｍに設定される。金属チューブの浸漬端の時刻０の開始位置１が、浴レベルの上方１５０ｃｍに設けられる。外側使い捨て案内チューブ４０がほぼ静止のままに留まる間、光ファイバー１０が位置１から２へ送られる。位置２〜４に亘る０．８秒と１．２秒の間、光ファイバー１０と外側使い捨て案内チューブ４０の両方が融解スラグ５１の直上の位置へ前進する。１．２秒及び位置４で、外側使い捨て案内金属チューブ４０よりも僅かに速くファイバーがスラグ５１を通過して溶融金属５２内へ前進する。光ファイバー１０が約２００ｍｍ／秒で前進し、浸漬内へ１．５秒及び位置６で最大浸漬に到達する際、外側使い捨て案内金属チューブ４０が速度を落とす。光ファイバー１０及び外側使い捨て案内チューブ４０が０．１秒内で引き出される。光ファイバー１０が、継続して引き出され、巻き戻され、そのロード（搭載）位置８へ戻り、他方、外側使い捨て案内金属チューブ４０の残部の方向が位置７で反転されて処分される。光ファイバー１０が処分された外側使い捨て案内チューブ４０の残部により保護されたままである。

Claims (11)

1. 溶融金属の温度を測定するための装置であって、光ファイバーと、浸漬端及び浸漬端とは反対の第２端を有する案内チューブを備え、光ファイバーが部分的に案内チューブ内に配され、案内チューブの内径が光ファイバーの外径よりも大きく、第１プラグ又は案内チューブの減径部が案内チューブの浸漬端に近い案内チューブ内に配され、光ファイバーがプラグを通じて送られ、プラグが光ファイバーと案内チューブの間のギャップを低減する、装置。
2. 溶融金属の温度を測定するための装置であって、光ファイバーと、浸漬端及び浸漬端とは反対の第２端を有する案内チューブを備え、光ファイバーが部分的に案内チューブ内に配され、案内チューブの内径が光ファイバーの外径よりも大きく、第１プラグ又は案内チューブの減径部が案内チューブの浸漬端、又は案内チューブの浸漬端に近い案内チューブ内に配され、第２プラグが案内チューブの第２端又は案内チューブの第２端に近い案内チューブ内に配され、光ファイバーが第１プラグ又は案内チューブの減径部を通じて送られ、光ファイバーが第２プラグを通じて送られ、各プラグ又は案内チューブの減径部が光ファイバーと案内チューブの間のギャップを低減する、装置。
3. ギャップの面積が２ｍｍ²未満、又は１ｍｍ²未満に減じられることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 少なくとも一つのプラグが弾性を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
5. 少なくとも一つのプラグが弾性材料から成ることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 案内チューブの浸漬端からの第１プラグの浸漬端又は案内チューブの減径部の浸漬端の距離が、案内チューブの内径の５倍を超えないことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置。
7. 第２プラグは、第１プラグ又は案内チューブの減径部と案内チューブの第２端の間で案内チューブ内に配されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
8. 少なくとも第１プラグが少なくともその浸漬端で円錐形を有し、プラグの壁厚が浸漬端に向かって減じられることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。
9. 少なくとも第１プラグの内径が浸漬端に向かって減じられることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の装置。
10. ファイバーコイルと、光ファイバー及び案内チューブを送るための送り機構を備え、送り機構が少なくとも２つの独立の送りモーターを備え、一つが光ファイバーを送るためのものであり、一つが案内チューブを送るためのものであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の装置。
11. 各送りモーターが別々の速度制御部に組み合わされることを特徴とする請求項１０に記載の装置。

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