JP7163749B2 - 耐火物構造体用のアンカー煉瓦およびその診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、耐火物構造体用のアンカー煉瓦およびその診断方法に関する。

耐火物構造体である窯炉の天井は、例えば特許文献１，２に記載されているように、フレームに金具などを介して吊り下げられたアンカー煉瓦が天井面を形成するキャスタブル耐火物に埋め込まれ、アンカー煉瓦を介して窯炉の天井全体が支持される構造になっている。それゆえ、アンカー煉瓦が破断するようなことがあれば天井全体が崩落する可能性もあり、アンカー煉瓦の破断の前兆になるような損傷または欠陥を早期に発見して補修することが重要である。

特開平７－３２４８７５号公報 特開２００７－２４００５３号公報

上記の特許文献１，２に記載された従来技術に係るアンカー煉瓦は、例えば図９に示されるアンカー煉瓦９のような縦断面形状を有する。具体的には、アンカー煉瓦９は、頭部９１Ａと、首部９１Ｂとを含む連結部９１と、凸部９２Ａおよび凹部９２Ｂが繰り返して形成される定着部９２とを含む。従来のアンカー煉瓦９では、連結部９１において、頭部９１Ａが首部９１Ｂよりも幅広になっている。

しかしながら、上記のように構成された従来のアンカー煉瓦９では、超音波などの弾性波の反射波（エコー）に利用してアンカー煉瓦９の損傷または欠陥を診断しようとしても、アンカー煉瓦９の内部における弾性波の乱反射のために反射波が埋もれ、正確な診断が困難な場合があった。

そこで、本発明は、弾性波の反射波を利用した損傷または欠陥の診断をより正確に行うことが可能な、新規かつ改良された耐火物構造体用のアンカー煉瓦およびその診断方法を提供することを目的とする。

本発明のある観点によれば、耐火物構造体用のアンカー煉瓦であって、アンカー煉瓦が吊り下げられたときの鉛直軸に沿って柱状に形成される連結部と、鉛直軸の方向について連結部の一方の端部に隣接して形成され、鉛直軸に直交する断面において連結部よりも断面積が大きい凸部、および鉛直軸に直交する断面において凸部よりも断面積が小さい凹部が少なくとも１組形成される定着部とを有する、耐火物構造体用のアンカー煉瓦が提供される。
上記の構成によれば、連結部に形成されるアンカー煉瓦の上端面から、定着部の一番上に位置する凸部までの間にくびれた部分、すなわち断面積の縮小部が形成されず、従ってこのようなくびれた部分に起因する弾性波の乱反射が低減されるため、弾性波の反射波を利用した損傷または欠陥の診断をより正確に行うことができる。

上記の耐火物構造体用のアンカー煉瓦において、前記凹部は、前記連結部に近い側に形成される第１の凹部と、前記連結部から遠い側に形成される第２の凹部とを含み、前記第１の凹部および前記第２の凹部の断面積は、いずれも前記連結部の断面積以上であり、前記第１の凹部の断面積は、前記第２の凹部の断面積以下であってもよい。
これによって、定着部の中で連結部から遠い側においても、弾性波の反射波を利用した損傷または欠陥の診断を行うことができる。

上記の耐火物構造体用のアンカー煉瓦では、鉛直軸を含む少なくとも１つの断面において、鉛直軸に直交する幅方向における連結部の寸法ａと、連結部に隣接する凸部の幅方向における寸法ｂとの比が、１．１≦ｂ／ａ≦１．２を満たしてもよい。
これによって、アンカー煉瓦の断面形状、および連結部および凸部の高さの比について、幅広い範囲で反射波の入射波に対する振幅比（ゲイン）が向上し、反射波をより正確に検出できる。

本発明の別の観点によれば、上記の耐火物構造体用のアンカー煉瓦の診断方法であって、連結部の一方の端面から弾性波を入射させる工程と、端面で弾性波の反射波を測定する工程と、反射波の振幅、および弾性波を入射させてから反射波が測定されるまでの時間に基づいてアンカー煉瓦の損傷または欠陥を検出する工程とを含む、耐火物構造体用のアンカー煉瓦の診断方法が提供される。
上記の耐火物構造体用のアンカー煉瓦では弾性波の乱反射が低減されるため、弾性波を入射させてから反射波が測定されるまでの時間に基づいてアンカー煉瓦の損傷または欠陥を正確に検出することができる。

以上で説明したように、本発明によれば、弾性波の反射波を利用した損傷または欠陥の診断をより正確に行うことができる。

本発明の一実施形態に係る耐火物構造体用のアンカー煉瓦の縦断面図である。 図１のII－II線矢視図の例である。 図１のII－II線矢視図の例である。 図１のII－II線矢視図の例である。 本発明の一実施形態に係る耐火物構造体用のアンカー煉瓦の診断方法の工程を概略的に示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るアンカー煉瓦の効果についてシミュレーションで検証するための第１のモデルを示す図である。 図４に示すモデルを用いたシミュレーションの結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るアンカー煉瓦の効果についてシミュレーションで検証するための第２のモデルを示す図である。 図６に示すモデルを用いたシミュレーションの結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態および従来技術に係るアンカー煉瓦の構造とシミュレーションで用いられたモデルとの関係について説明するための図である。 本発明の一実施形態および従来技術に係るアンカー煉瓦の構造とシミュレーションで用いられたモデルとの関係について説明するための図である。 従来技術に係る耐火物構造体用のアンカー煉瓦の縦断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る耐火物構造体用のアンカー煉瓦の縦断面図である。図１に示されるように、アンカー煉瓦１は、アンカー煉瓦１が吊り下げられたときの鉛直軸（図中のｚ軸）に沿って柱状に形成される連結部１１と、連結部１１の一方の端部（図中では下側の端部）に続いて形成され、凸部１２Ａおよび凹部１２Ｂが少なくとも１組形成される定着部１２とを含む。ここで、図１に示された縦断面、すなわちアンカー煉瓦１が吊り下げられたときの鉛直軸を含む断面では、連結部１１の幅ｗ_１はほぼ一定であり、定着部１２の凸部１２Ａの幅ｗ_２は連結部１１の幅ｗ_１よりも広く（ｗ_２＞ｗ_１）、定着部１２の凹部１２Ｂの幅ｗ_３は凸部１２Ａの幅ｗ_２よりも狭い（ｗ_３＜ｗ_２）。なお、連結部１１の幅ｗ_１と定着部１２の凹部１２Ｂの幅ｗ_３とは、図１では同じであるように図示されているが、異なっていてもよい。具体的には、幅ｗ_３は、幅ｗ_１以上であってもよい（ｗ_３≧ｗ_１）。

図２Ａ～図２Ｃは、図１のII－II線矢視図の例である。それぞれの図には、図１の縦断面図に対応するＩ－Ｉ線が示されている。図２Ａ～図２Ｃに示されるように、本実施形態に係るアンカー煉瓦１は、横断面、すなわちアンカー煉瓦１が吊り下げられたときの鉛直軸に直交する断面において、矩形断面で形成されてもよく、円形断面で形成されてもよい。より具体的には、図２Ａの例では、アンカー煉瓦１が、定着部１２の凸部１２Ａが４辺のすべてから突出する矩形断面で形成されている。この場合、図示されているように、連結部１１は１辺の長さが幅ｗ_１に等しい正方形断面になり、定着部１２の凸部１２Ａは１辺の長さが幅ｗ_２に等しい正方形断面になる。一方、図２Ｂの例では、アンカー煉瓦１が、定着部１２の凸部１２Ａが一方の対辺だけから突出する矩形断面で形成されている。この場合、図示されているように、連結部１１は１辺の長さが幅ｗ_１に等しい正方形断面になり、定着部１２の凸部１２Ａは一方の対辺の長さが幅ｗ_２に等しく他方の対辺の長さが幅ｗ_１に等しい長方形断面になる。図２Ｃの例では、アンカー煉瓦１が円形断面で形成されている。この場合、図示されているように、連結部１１は直径が幅ｗ_１に等しい円形断面になり、定着部１２の凸部１２Ａは直径が幅ｗ_２に等しい円形断面になる。

上述した図２Ａ～図２Ｃの例に共通して、横断面、すなわちアンカー煉瓦１が吊り下げられたときの鉛直軸（図１に示すｚ軸）に直交する断面において、連結部１１はアンカー煉瓦１が吊り下げられたときの鉛直軸に沿って断面積が変化しない柱状に形成され、定着部１２の凸部１２Ａの断面積は連結部１１の断面積よりも大きい。なお、定着部１２の凹部１２Ｂの断面積は、凸部１２Ａの断面積よりも小さいが、連結部１１の断面積との大小関係は任意である。

なお、例えば定着部の中で連結部からより遠い側における弾性波の反射波を測定する場合は、定着部１２の凹部１２Ｂの断面積を、連結部１１の断面積以上にしてもよい。また、定着部１２には凹部１２Ｂ、すなわち連結部１１に近い側に形成される第１の凹部の他にも、連結部１１から遠い側に形成される第２の凹部（例えば、図１に示される凹部１２Ｃ，１２Ｄ）が含まれるが、これらの第１の凹部および第２の凹部の断面積をいずれも連結部１１の断面積以上にし、かつ第１の凹部の断面積を第２の凹部の断面積以下にしてもよい。この関係は、例えば凹部１２Ｂを第１の凹部とし、凹部１２Ｃを第２の凹部とした場合にも、凹部１２Ｃを第１の凹部とし、凹部１２Ｄを第２の凹部とした場合にも成り立つ。

このようにアンカー煉瓦１を形成することによって、連結部１１に形成されるアンカー煉瓦１の上端面１１１から、定着部１２の一番上に位置する凸部１２Ａまでの間にくびれた部分、すなわち断面積の縮小部が形成されず、従ってこのようなくびれた部分に起因する弾性波の乱反射が低減される。それゆえ、本実施形態では、上端面１１１から入射する弾性波の反射波を利用したアンカー煉瓦１の損傷または欠陥の診断をより正確に行うことができる。

図３は、本発明の一実施形態に係る耐火物構造体用のアンカー煉瓦の診断方法の工程を概略的に示すフローチャートである。図３に示されるように、本実施形態に係る診断方法では、まずアンカー煉瓦１の連結部１１の上端面から弾性波を入射させる（Ｓ１）。ここで、弾性波は例えば超音波であるが、他の種類の弾性波が用いられてもよい。次に、同じ上端面で、入射させた弾性波の反射波を測定する（Ｓ２）。具体的には、反射波の振幅と、弾性波を入射させてから反射波が測定されるまでの時間とを測定する。次に、測定された反射波の振幅および時間に基づいて、アンカー煉瓦１の損傷または欠陥を検出する（Ｓ３）。

アンカー煉瓦１に損傷または欠陥が存在する場合、弾性波の一部がその損傷または欠陥で反射するため、測定される反射波に変化が生じる。具体的には、損傷または欠陥で反射した反射波は、アンカー煉瓦１の底面で反射した反射波よりも早く上端面に戻ってくる。従って、通常のアンカー煉瓦１と比べて短い時間で検出される反射波が存在する場合、アンカー煉瓦１に損傷または欠陥が存在することと推定される。また、反射波が検出されるまでの時間から、損傷または欠陥の位置を推定することもできる。

このような弾性波を用いたアンカー煉瓦１の診断をより正確に行うためには、アンカー煉瓦１の内部における弾性波の乱反射を低減させ、反射波の入射波に対する振幅比（ゲイン）を高めることが効果的である。本実施形態に係るアンカー煉瓦１では、以下の実施例で説明するように、従来のアンカー煉瓦９に比べてゲインを高めることが可能であり、従って上記のような工程によるアンカー煉瓦１の診断をより正確に行うことができる。

続いて、本発明の一実施形態の効果を検証するための実施例について説明する。

図４は、本発明の一実施形態に係るアンカー煉瓦の効果についてシミュレーションで検証するための第１のモデルを示す図である。図４に示されたモデルＭ_Ｃは、上記で図２Ｃを参照して説明した円形断面のアンカー煉瓦１に対応する。モデルＭ_Ｃは、断面直径ａ、高さｃ_ａの第１の円柱部分Ｍ_Ｃ１、および断面直径ｂ、高さｃ_ｂの第２の円柱部分Ｍ_Ｃ２からなる。シミュレーションでは、以下の表１および表２に示す直径ａ，ｂおよび高さｃ_ａ，ｃ_ｂの組み合わせについて、第１の円柱部分Ｍ_Ｃ１の上端面Ｓ_Ｔから超音波のパルス波を入射させ、第２の円柱部分Ｍ_Ｃ２の下端面Ｓ_Ｂで反射して第１の円柱部分Ｍ_Ｃ１の上端面Ｓ_Ｔで観測される反射波の振幅を測定した。なお、表１に示されるように、ａ，ｂの関係では、ｂ＝１２５ｍｍで固定し、ａを増減させることによって比ｂ／ａを変化させている。また、ｃ_ａ，ｃ_ｂについては、ｃ_ａ＋ｃ_ｂ＝３５０ｍｍになるように値を変化させている。

図５は、図４に示すモデルを用いたシミュレーションの結果を示すグラフである。図５のグラフでは、第１の円柱部分Ｍ_Ｃ１および第２の円柱部分Ｍ_Ｃ２の寸法の比ｂ／ａと、反射波の入射波に対する振幅比（ゲイン）との関係が示されている。図５に示されるように、シミュレーションの結果、比ｂ／ａが１よりも小さい場合（グラフにｃａｓｅ１として示す）よりも、比ｂ／ａが１よりも大きい場合（同じくｃａｓｅ２として示す）の方が、ゲインが高くなることがわかった。なお、図５に示された例では１．１≦ｂ／ａ≦１．４が、第１の円柱部分Ｍ_Ｃ１と第２の円柱部分Ｍ_Ｃ２との高さの比ｃ_ｂ／ｃ_ａに関わらずゲインが高くなる範囲である。１．４＜ｂ／ａとなる範囲では、ｃ_ｂ／ｃ_ａが０．４および０．７５の場合には比較的高いゲインが維持されるものの、ｃ_ｂ／ｃ_ａが１．３３および２．５の場合にはゲインが低下した。

図６は、本発明の一実施形態に係るアンカー煉瓦の効果についてシミュレーションで検証するための第２のモデルを示す図である。図６に示されたモデルＭ_Ｓは、上記で図２Ａを参照して説明した矩形断面のアンカー煉瓦１に対応する。モデルＭ_Ｓは、断面の正方形の辺長ａ、高さｃ_ａの第１の角柱部分Ｍ_Ｓ１、および断面の正方形の辺長ｂ、高さｃ_ｂの第２の角柱部分Ｍ_Ｓ２からなる。シミュレーションでは、上記の表１および表２と同じ値の辺長ａ，ｂおよび高さｃ_ａ，ｃ_ｂの組み合わせについて、第１の角柱部分Ｍ_Ｓ１の上端面Ｓ_Ｔから超音波のパルス波を入射させ、第２の角柱部分Ｍ_Ｓ２の下端面Ｓ_Ｂで反射して第１の角柱部分Ｍ_Ｓ１の上端面Ｓ_Ｔで観測される反射波の振幅を測定した。

図７は、図６に示すモデルを用いたシミュレーションの結果を示すグラフである。図７のグラフでは、第１の角柱部分Ｍ_Ｓ１および第２の角柱部分Ｍ_Ｓ２の寸法の比ｂ／ａと、反射波の入射波に対する振幅比（ゲイン）との関係が示されている。図７に示されるように、シミュレーションの結果、比ｂ／ａが１よりも小さい場合（グラフにｃａｓｅ１として示す）よりも、比ｂ／ａが１よりも大きい場合（同じくｃａｓｅ２として示す）の方が、ゲインが高くなることがわかった。なお図７に示された例では１．１≦ｂ／ａ≦１．２が、第１の角柱部分Ｍ_Ｓ１と第２の角柱部分Ｍ_Ｓ２との高さの比ｃ_ｂ／ｃ_ａに関わらずゲインが高くなる範囲である。１．２＜ｂ／ａとなる範囲では、ｃ_ｂ／ｃ_ａが０．４の場合には比較的高いゲインが維持されるものの、ｃ_ｂ／ｃ_ａが０．７５～２．５の場合にはゲインが低下した。

図８Ａおよび図８Ｂは、本発明の一実施形態および従来技術に係るアンカー煉瓦の構造とシミュレーションで用いられたモデルとの関係について説明するための図である。図８Ａでは、本発明の一実施形態に係るアンカー煉瓦１に、上記のシミュレーションにおけるモデルＭ_Ｃ，Ｍ_Ｓの第１の部分Ｍ_１（第１の円柱部分Ｍ_Ｃ１および第１の角柱部分Ｍ_Ｓ１）および第２の部分Ｍ_２（第２の円柱部分Ｍ_Ｃ２および第２の角柱部分Ｍ_Ｓ２）が対応付けられている。図８Ｂでは、従来のアンカー煉瓦９に、同様にモデルＭ_Ｃ，Ｍ_Ｓの第１の部分Ｍ_１および第２の部分Ｍ_２が対応付けられている。

図８Ａに示されるように、モデルＭ_Ｃ，Ｍ_Ｓをアンカー煉瓦１に対応付けた場合、第１の部分Ｍ_１は連結部１１に相当し、第２の部分Ｍ_２は定着部１２の一番上の凸部１２Ａに相当する。この場合、第１の部分Ｍ_１の寸法ａおよび第２の部分Ｍ_２の寸法ｂについて、比ｂ／ａは１よりも大きくなる。従って、この場合、上記のシミュレーションの結果より、第１の部分Ｍ_１の上端面Ｓ_Ｔから入射した弾性波について、少なくとも第２の部分Ｍ_２の下端面Ｓ_Ｂまでの範囲では、反射波のゲインが比較的高い。従って、例えば、アンカー煉瓦１の欠陥Ｃが連結部１１と一番上の凸部１２Ａとの境目で発生している場合、この欠陥Ｃによる反射波の変化がより正確に検出される。

一方、図８Ｂに示されるように、モデルＭ_Ｃ，Ｍ_Ｓを従来のアンカー煉瓦９に対応付けた場合、第１の部分Ｍ_１は連結部９１の頭部９１Ａに相当し、第２の部分Ｍ_２は連結部９１の首部９１Ｂに相当する。この場合、第１の部分Ｍ_１の寸法ａ、第２の部分Ｍ_２の寸法ｂについて、比ｂ／ａは１よりも小さくなる。従って、この場合、上記のシミュレーションの結果より、第１の部分Ｍ_１の上端面Ｓ_Ｔから入射した弾性波は、第２の部分Ｍ_２の下端面Ｓ_Ｂまでの範囲でも、反射波のゲインが低い。従って、図８Ａの例と同様にアンカー煉瓦９の欠陥Ｃが首部９１Ｂと定着部９２の一番上の凸部９２Ａとの境目で発生していても、この欠陥Ｃによる反射波の変化を正確に検出することが困難な場合がありうる。

以上のようなシミュレーションの結果によって示されるように、本発明の一実施形態に係るアンカー煉瓦１では、従来のアンカー煉瓦９に比べて、連結部１１と一番上の凸部１２Ａとの境目までの範囲で乱反射が低減されたことによってゲインが向上しており、例えばこの境目部分で発生した欠陥Ｃや、アンカー煉瓦１のさらに下の部分にある損傷または欠陥による反射波を正確に検出することができる。なお、シミュレーションの結果によって示された比ｂ／ａの範囲１．１≦ｂ／ａ≦１．２は、アンカー煉瓦１が吊り下げられたときの鉛直軸を含む少なくとも１つの断面（例えば、図１に示されたｚ軸を含む断面）において、連結部１１の幅ａと、連結部１１に隣接する定着部１２の凸部１２Ａの幅ｂとの比が１．１≦ｂ／ａ≦１．２を満たすことと等価である。なお、既に述べたように、このような比ｂ／ａの範囲は、アンカー煉瓦１の断面形状、および各部分の高さの比ｃ_ｂ／ｃ_ａに関わらず反射波のゲインが高くなる範囲である。例えばアンカー煉瓦１が円形断面である場合や、高さの比ｃ_ｂ／ｃ_ａが０．４などの値である場合に限れば、反射波のゲインが高くなる比ｂ／ａの範囲はより広くなる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１…アンカー煉瓦、１１…連結部、１２…定着部、１２Ａ…凸部、１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ…凹部、１３…吊り金具、１４…キャスタブル耐火物、１１１…上端面。

Claims (3)

1. 耐火物構造体用のアンカー煉瓦であって、
   前記アンカー煉瓦が吊り下げられたときの鉛直軸に沿って柱状に形成される連結部と、
   前記鉛直軸の方向について前記連結部の一方の端部に隣接して形成され、前記鉛直軸に直交する断面において前記連結部よりも断面積が大きい凸部、および前記鉛直軸に直交する断面において前記凸部よりも断面積が小さい凹部が少なくとも１組形成される定着部と
   を有し、
   前記鉛直軸を含む少なくとも１つの断面において、前記鉛直軸に直交する幅方向における前記連結部の寸法ａと、前記連結部に隣接する前記凸部の前記幅方向における寸法ｂとの比が、１．１≦ｂ／ａ≦１．２を満たす、耐火物構造体用のアンカー煉瓦。
2. 前記凹部は、前記連結部に近い側に形成される第１の凹部と、前記連結部から遠い側に形成される第２の凹部とを含み、
   前記第１の凹部および前記第２の凹部の断面積は、いずれも前記連結部の断面積以上であり、
   前記第１の凹部の断面積は、前記第２の凹部の断面積以下である、請求項１に記載の耐火物構造体用のアンカー煉瓦。
3. 請求項１または請求項２に記載の耐火物構造体用のアンカー煉瓦の診断方法であって、
   前記連結部の一方の端面から弾性波を入射させる工程と、
   前記端面で前記弾性波の反射波を測定する工程と、
   前記反射波の振幅、および前記弾性波を入射させてから前記反射波が測定されるまでの時間に基づいて前記アンカー煉瓦の損傷または欠陥を検出する工程と
   を含む、耐火物構造体用のアンカー煉瓦の診断方法。

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