JP7302624B2 - 耐火物ライニング構造体 - Google Patents

Description

本発明は、溶融金属を製錬もしくは搬送する容器における耐火物ライニング構造体に関する。

溶銑容器や溶鋼容器などの窯炉は、耐火物ライニング構造体を備えている。この耐火物ライニング構造体は、鉄皮側から鉄皮及び耐火物を有している。耐火物は、高温溶融物に接する内張り耐火物と鉄皮側の外張り耐火物に分けられる。内張り耐火物は、溶銑、溶鋼及びスラグとの接触による化学的な溶損や、熱負荷に起因する亀裂の発生及び剥離によって損傷するため、完全に消失する前に新しい耐火物と交換する。内張り耐火物の損傷状況は、目視による内張り稼働面の監視や耐火物ライニング構造体に埋め込んだ熱電対や赤外線サーモグラフィーを用いた鉄皮温度監視に加え、光ファイバー測温を用いた鉄皮温度を監視することにより把握される。

光ファイバー測温は、光ファイバーにパルス光を入射し、後方散乱光の到達時間から位置を測定し、ラマン効果によって生じるストークス光とアンチストークス光の強度比を予め校正した値と比較することで温度を測定する技術であり、測定者が設定する時間で統計処理して測定結果を算出する。
ここで、測温用の光ファイバーは、良好な施工性と耐熱温度の両立を目的として、クラッドの表面をポリイミド等の樹脂で被覆している。また、光ファイバーが外部からの応力によって折損するのを防止するために、光ファイバーを金属製保護管に挿入する方法がある。これらに加えて、さらに高温の環境下で使用するために、金属製保護管の表面をセラミックスファイバーで覆う技術がある。

例えば、特許文献１では、樹脂にてコーティングした光ファイバー芯線を金属管で保護し、この金属管の表面を長繊維セラミックスファイバー製耐熱クロスで密着して被覆した測温センサが開示されている。

特許第４２６４３０１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された測温センサは、実炉に敷設した場合において、昇温した耐火物が熱膨張し、金属製保護管を圧迫し、光ファイバー芯線を曲げる方向に応力がかかり、これにより光ファイバー内を通光する光が減衰してしまい、数十ｍ程度しか測温することができないという問題がある。
溶融金属を製錬もしくは搬送する容器における耐火物ライニング構造体の耐火物の異常を検知するためには、容器の広範囲にわたって光ファイバーを敷設することが望ましい。例えば直径５ｍで高さ５ｍの容器の側面を取り巻くように幅０．１ｍ間隔で螺旋状に光ファイバーを施工する場合は、約８００ｍの光ファイバーを敷設する必要がある。

このため、特許文献１に記載された測温センサなどの従来の技術においては、一つの容器の側面全体をカバーしようとすると、光ファイバーを用いた測温センサや測温ユニットを複数設置する必要があり、設備の設置場所を確保することが難しく、また、操作も複雑となり、コスト的にも問題があった。
本発明はこれら従来の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、溶融金属を製錬または搬送する容器における耐火物ライニング構造体の耐火物の損耗状況を光ファイバーを用いた測温によって監視するに際し、耐火物の熱膨張による光の減衰を抑制することでより長い距離の光ファイバーを使用することを可能とした耐火物ライニング構造体を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る耐火物ライニング構造体は、溶融金属を製錬または搬送する容器における鉄皮側から順に鉄皮、緩衝材としての断熱材及び耐火物を有する耐火物ライニング構造体であって、前記鉄皮と前記耐火物との間に、前記緩衝材としての断熱材とともに、保護被覆で被覆された光ファイバーが金属製保護管に挿入されている温度センサを設け、前記断熱材は、厚みを金属製保護管の外径で割った値が０．９以上で、アルミナ質またはアルミナ・シリカ質のブランケット材、厚みを金属製保護管の外径で割った値が０．９以上で、アルミナ質またはアルミナ・シリカ質のシート材、及び厚みを金属製保護管の外径で割った値が０．９以上で、アルミナ質またはアルミナ・シリカ質の、圧縮強度が０．５ＭＰａ～２ＭＰａの断熱レンガの内の１種または２種以上であることを要旨とする。

また、本発明の別の態様に係る耐火物ライニング構造体は、溶融金属を製錬または搬送する容器における鉄皮側から順に鉄皮、緩衝材としてのモルタル及び耐火物を有する耐火物ライニング構造体であって、前記鉄皮と前記耐火物との間に、前記緩衝材としてのモルタルとともに、保護被覆で被覆された光ファイバーが金属製保護管に挿入されている温度センサを設け、前記モルタルは、厚みが３ｍｍ以上１５ｍｍ以下で、０．１ＭＰａの荷重下で１００℃から８００℃までの線収縮率が３０％以上であることを要旨とする。

また、前述の耐火物ライニング構造体において、前記温度センサの金属製保護管内の雰囲気が不活性ガスであることが好ましい。
また、前述の耐火物ライニング構造体において、前記温度センサの金属製保護管内に不活性ガスを送気する不活性ガス送気設備を備えていることが好ましい。
また、前述の耐火物ライニング構造体において、前記耐火物が、内張り耐火物と該内張り耐火物に対して前記鉄皮側に設けられた外張り耐火物とから構成され、前記内張り耐火物が消失したときに前記温度センサが７００℃以下であることが好ましい。

また、前述の耐火物ライニング構造体において、前記耐火物が、内張り耐火物と該内張り耐火物に対して前記鉄皮側に設けられた外張り耐火物とから構成され、前記内張り耐火物が消失したときに前記温度センサが８００℃以下であることが好ましい。
また、前述の耐火物ライニング構造体において、前記温度センサの長さが１００ｍを超えることが好ましい。
また、前述の耐火物ライニング構造体において、前記温度センサが、波状に配置されることが好ましい。

本発明に係る耐火物ライニング構造体によれば、溶融金属を製錬または搬送する容器における耐火物ライニング構造体の耐火物の損耗状況を光ファイバーを用いた測温によって監視するに際し、耐火物の熱膨張による光の減衰を抑制することでより長い距離の光ファイバーを使用することを可能とした耐火物ライニング構造体を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る耐火物ライニング構造体を備える溶鋼容器を模式的に示す断面図である。 図１における矢印Ａで示す部分の部分断面拡大図である。 図１に示す耐火物ライニング構造体を構成する温度センサの断面図である。 温度センサの金属製保護管内に不活性ガスを送気する不活性ガス送気設備を説明するための図である。 鉄皮と耐火物（外張り耐火物）との間に、温度センサが波状に配置される状態を説明するための溶鋼容器を周方向に展開した展開図である。 図１示す耐火物ライニング構造体の変形例を説明するための図２と同様の部分断面拡大図である。 本発明の第２実施形態に係る耐火物ライニング構造体を説明するための図２と同様の部分断面拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。ここで、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。

（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態に係る耐火物ライニング構造体を備える溶鋼容器の例として取鍋が模式的に示されている。
溶鋼容器１は、耐火物ライニング構造体２を備えている。本発明の対象となる耐火物ライニング構造体は、溶鋼容器１のみならず、溶融金属を製錬もしくは搬送する容器全般に使用される。そして、対象となる容器は、転炉、取鍋、真空脱ガス、電気炉、高炉鍋、トピードカーなど、特に限定しない。
図１に示す溶鋼容器１の耐火物ライニング構造体２は、鉄皮３側から順に、鉄皮３、緩衝材としての断熱材４及び耐火物５を備えている。また、溶鋼容器１の耐火物ライニング構造体２の底部には、内部と外部とが連通するように開口された開口部１ａが形成されるとともに、この開口部１ａを開閉するスライディングノズル１０が設置されている。

そして、図２に示すように、鉄皮３と耐火物５との間には、緩衝材としての断熱材４とともに温度センサ６が設けられている。温度センサ６は、断熱材４の外周側（鉄皮３側）に設けられている。耐火物５は、内張り耐火物５ａと内張り耐火物５ａに対して鉄皮３側に設けられた外張り耐火物５ｂとから構成されている。断熱材４は、外張り耐火物５ｂの外周側に設置される。外張り耐火物５ｂは、１層でも２層以上でもよく、また、使用しない構造であってもよい。外張り耐火物５ｂを使用しない場合、断熱材４は内張り耐火物５ａに接触することになる。
ここで、断熱材４は、アルミナ質またはアルミナ・シリカ質の、シート材、ブランケット材、及び断熱レンガの内の１種または２種以上が、容器に応じて適宜選定できる。

断熱材４として断熱レンガを使用する場合は、温度センサ６の後述する金属製保護管９への耐火物５からの熱応力を低減するために、圧縮強度が２ＭＰａ以下のものとする、溶鋼容器１内の溶融金属によって耐火物５が高温になり熱膨張を起こすため、耐火物５側から鉄皮３側へ熱応力がかかる。その際に、温度センサ６の後述する光ファイバー７へ外部から応力がかかり、光ファイバー７のコア７ａ内を通光する光が減衰してしまう。このとき、断熱材４としての断熱レンガの圧縮強度が２ＭＰａ以下であれば、耐火物５からの応力に対し断熱材４が変形し、断熱材４の外周側（鉄皮３側）に設けられている温度センサ６へかかる応力を緩和することができる。

一方、断熱材４を施工する際の断熱材４の破損を防止するため、断熱材４としての断熱レンガの圧縮強度は０．５ＭＰａ以上である必要がある。
なお、断熱材４の断熱レンガの圧縮強度は、ＪＩＳＲ２６１５－１９９５により測定することができる。
断熱材４にシート材、ブランケット材を使用する場合は、これらシート材、ブランケット材はもともと弾性力を有しているので、耐火物５が膨張した際にシート材、ブランケット材が収縮、変形して、耐火物５からの応力を吸収する効果があり、温度センサ６へかかる応力を緩和することができる。

断熱材４は、断熱材厚みを後述する金属製保護管９の外径で割った値を０．９以上とする必要がある。この計算に用いる断熱材厚みは耐火物ライニング構造体に施工する前の外力が掛かっていないときの厚みである。断熱材厚みを金属製保護管９の外径で割った値が０．９よりも小さいと、断熱材４が変形できる範囲が狭くなり、緩衝材としての効果が弱くなる。つまり耐火物５からの応力に対し断熱材４が変形しても、断熱材４の外周側（鉄皮３側）に設けられている温度センサ６へかかる応力を適切に緩和することができなくなる。一方、断熱材４の厚みを金属製保護管９の外径で割った値が０．９以上の場合、緩衝材としての機能には問題がなく、本発明の効果を奏することができる。ただし、温度センサ６の変位量は耐火物ライニング構造体を構成する容器の大きさ、形状や耐火物の性状、使用温度により自ずと上限があるので、断熱材４を必要以上に厚くする必要はない。断熱材４を厚くすることで、耐火物ライニング構造体２を有する容器の内容量が小さくなることもあり、本発明を適用する容器に応じて、使用中の耐火物５の熱膨張を計算し、温度センサ６の変位の大きさを予測してこれを吸収できる程度に断熱材４の厚みを決定すればよい。本発明で対象とする工業的に使用される溶融金属を数十ｔから数百ｔ程度を収容する容器の場合、断熱材４の厚みは３０ｍｍ程度であれば十分であると考えられる。

次に、温度センサ６は、図３に示すように、鉄皮３の温度を測温する光ファイバー７と、この光ファイバー７が挿入される金属製保護管９とを備えている。
金属製保護管９は、外径が２ｍｍ～６ｍｍ、肉厚が０．２ｍｍ～２ｍｍの中空管状の金属製管部材であり、その中に光ファイバー７が挿入され、外部から光ファイバー７を保護する。

光ファイバー７は、コア７ａと、コア７ａ外周に設けられるクラッド７ｂと、クラッド７ｂの外周に被覆された保護被覆７ｃとを備えている。コア７ａ及びクラッド７ｂの材質は石英ガラスであり、光ファイバー７は石英ガラスファイバーを構成する。保護被覆７ｃの材質は、高温用のポリイミド樹脂であることが望ましい。また、保護被覆７ｃは、金や銅に微量のニッケルを添加した合金を使用することもできる。光ファイバー７は、測温用光ファイバーに用いられるマルチモードファイバーで、ＩＴＵ－ＴＧ．６５１に準拠するファイバーを用いることができる。

金属製保護管９内の光ファイバー７との間の空間８には、通常、光ファイバー７を金属製保護管９内に挿入した際に入った空気が雰囲気として存在している。光ファイバー７の保護被覆７ｃがポリイミド樹脂の場合、温度センサ６の温度が７００℃よりも高温になると、空間８中の空気中の酸素により酸化したポリイミド樹脂が石英ガラスで構成されるクラッド７ｂ及びコア７ａ内に侵入し、組織を破壊するため、温度センサ６の温度は７００℃以下であることが望ましい。

ここで、本実施形態の耐火物ライニング構造体２を備える溶鋼容器１を使用する間に、耐火物５は受容する溶鋼、スラグ等の接触により、溶損や摩耗、剥離といった損耗を受けるため、耐火物５はその内面から消耗していく。耐火物５が消耗していくと、鉄皮３の温度が上昇して溶損や変形が生じ容器としての機能を果たせないため、耐火物５がある程度消耗した段階で、耐火物５の補修を行う。ここで、本実施形態では、耐火物５として内張り耐火物５ａと外張り耐火物５ｂとを備えている。

内張り耐火物５ａとして溶融物である溶鋼やスラグの温度や組成、流動などによる損耗に強い緻密な耐火物を使用し、その外側の鉄皮３側に外張り耐火物５ｂとして断熱性の高い耐火物を使用することが行われている。この場合、内張り耐火物５ａが損耗して消失する前に容器の使用を中断し、内張り耐火物５ａの補修を行って、改めて容器の使用を再開する、という方法が採られる。このとき、内張り耐火物５ａが消失した状態で、溶鋼容器１の内壁面の温度が、溶鋼容器１を使用する溶融物としての溶鋼の温度となったと仮定すると、残存する外張り耐火物５ｂと断熱材４、鉄皮３の温度分布を計算することができるが、このときに、温度センサ６が設置されている位置での温度が７００℃以下となるように耐火物ライニング構造体２を設計する。これにより、保護被覆７ｃを構成するポリイミド樹脂が温度センサ６内の空間８中の空気中の酸素により酸化することなく、石英ガラスで構成されるクラッド７ｂ及びコア７ａを劣化させることを防止することができる。

なお、温度センサ６として、金属製保護管９内の光ファイバー７との間の空間８中の雰囲気を不活性ガスとした温度センサを使用しても良い。このような温度センサを使用すると、内張り耐火物５ａが損耗し消失した状態で、温度センサ６が設置されている位置での温度が８００℃以下となるように耐火物ライニング構造体２を設計することができる。８００℃を超える温度となると、温度センサ６の金属製保護管９と光ファイバー７との熱膨張率の相違により、光ファイバー７に張力が働き、光ファイバー７が断線する確率が高くなる。不活性ガスとしては、ヘリウム、アルゴン、窒素等、保護被覆７ｃとの反応性が低いガスを使用することができる。

空間８中の雰囲気を不活性ガスとするために、光ファイバー７を金属製保護管９に挿入する際に空間８に不活性ガスを封入するようにしてもよいし、あるいは図４（Ａ），（Ｂ）に示すような温度センサ６の空間８内に不活性ガスを送気する不活性ガス送気設備１３を用いて、空間８内に不活性ガスを常に流通させるようにしてもよい。図４（Ａ），（Ｂ）に示すような場合、不活性ガス送気設備１３に接続されたチューブ１２にヘッダ１１を接続し、溶鋼容器１の鉄皮３の外周面にヘッダ１１を配置する。そして、温度センサ６の両端を開放しておき、ヘッダ１１から温度センサ６の一端側の入口開放端から不活性ガスを送気し、他端側の出口開放端から排出するようにする。これを常時続けることで、温度センサ６の空間８内を不活性ガスで充満させることができる。

なお、光ファイバー７を利用した温度センサ６は、温度センサ６の両端にパルス光の発受信装置を設置して、両端から温度測定を行う方式としてもよい。温度センサ６の両端に発受信装置を設置し、両端から温度測定を行う構成だと、光ファイバー７の一部が損傷した場合に、当該損傷位置から端部までの領域を両端から温度計測することができるため、光ファイバー７が一か所損傷してもほぼ全長に亘る温度測定が継続できる。もちろん、パルス光の発受信装置を一端のみに設置した場合であっても、損傷個所よりも手前の領域での温度測定は支障がなく、本発明の効果を奏することには相違がない。

また、温度センサ６を耐火物５と鉄皮３との間に設置するに際しては、図５に示すように、溶鋼容器１、即ち鉄皮３のほぼ周方向全周にわたって温度センサ６を波状に配置することができる。温度センサ６の一部で温度上昇があったときに、温度センサ６の光ファイバー７と金属製保護管９とはそれぞれ熱膨張する。一般に、金属製保護管９の熱膨張率は２×１０^－５程度であるのに対して、光ファイバー７の熱膨張率は１×１０^－６程度であって一桁小さい。このため、金属製保護管９が、鉄皮３に部分的に２か所固定された状態で温度が上がると、固定された２か所で、金属製保護管９と光ファイバー７の熱膨張率の差によって光ファイバー７に引張応力がかかり、それによって光ファイバー７内を通光する光が減衰する。あるいは、この引張応力が大きすぎると、光ファイバー７が折損する可能性がある。このとき、温度センサ６を波状に配置していると、金属製保護管９と光ファイバー７との間にある空間８内で光ファイバー７が軸方向と垂直な方向へ動く余裕があるために、温度センサ６が同じ温度まで上昇したときに光ファイバー７にかかる引張応力が低減し、光の減衰を抑制することができるとともに、折損し難くなる。

このように、第１実施形態に係る耐火物ライニング構造体２によれば、鉄皮３と耐火物５との間に、緩衝材としての断熱材４とともに、保護被覆７ｃで被覆された光ファイバー７が金属製保護管９に挿入されている温度センサ６が設けられている。そして、断熱材４は、厚みを金属製保護管９の外径で割った値が０．９以上で、アルミナ質またはアルミナ・シリカ質のブランケット材、厚みを金属製保護管９の外径で割った値が０．９以上で、アルミナ質またはアルミナ・シリカ質のシート材、及び厚みを金属製保護管９の外径で割った値が０．９以上で、アルミナ質またはアルミナ・シリカ質の、圧縮強度が０．５ＭＰａ～２ＭＰａの断熱レンガの内の１種または２種以上である。

これにより、溶鋼容器１の耐火物５の損耗状況を光ファイバー７を用いた測温によって監視するに際し、耐火物５が熱膨張した際に耐火物５からの応力に対し断熱材４が適切に変形し、断熱材４の外周側（鉄皮３側）に設けられている温度センサ６の金属製保護管９の変形を防止することができ、光ファイバー７の変形を回避することができる。このため、耐火物５の熱膨張による光ファイバー７内を通光する光の減衰を抑制することができ、長い距離の光ファイバー、例えば、１００ｍを超える光ファイバー７を温度センサ６として使用することが可能となる。
また、第１実施形態に係る耐火物ライニング構造体２によれば、温度センサ６が、波状に配置してもよい。これにより、前述したように、光ファイバー７にかかる引張応力が低減し、光の減衰を抑制することができるとともに、光ファイバー７の折損を生じ難くすることができる。

次に、耐火物ライニング構造体２の変形例を図６を参照して説明する。図６は、耐火物ライニング構造体の変形例を説明するための図２と同様の部分断面拡大図である。
図６に示す耐火物ライニング構造体２は、図２に示す耐火物ライニング構造体２と基本構成は同様で、鉄皮３側から順に、鉄皮３、緩衝材としての断熱材４及び耐火物５を備えている。そして、鉄皮３と耐火物５との間には、緩衝材としての断熱材４とともに温度センサ６が設けられている。
ここで、温度センサ６は、図２に示す温度センサ６と異なり、断熱材４の内周側に設けられ、鉄皮３側から順に、鉄皮３、断熱材４、温度センサ６及び耐火物５が配置されている。耐火物５は、内張り耐火物５ａと内張り耐火物５ａに対して鉄皮３側に設けられた外張り耐火物５ｂとから構成されている。温度センサ６は、外張り耐火物５ｂの外周側に配置され、断熱材４は、鉄皮３の内周側に設置される。

ここで、断熱材４は、図２に示す断熱材４と同様に、アルミナ質またはアルミナ・シリカ質の、シート材、ブランケット材、及び断熱レンガの内の１種または２種以上が、容器に応じて適宜選定できる。
図２に示す断熱材４と同様に、断熱材４にシート材、ブランケット材を使用する場合は、これらシート材、ブランケット材はもともと弾性力を有しているので、耐火物５が膨張した際にシート材、ブランケット材が収縮、変形して、耐火物５からの応力を吸収する効果があり、温度センサ６へかかる応力を緩和することができる。

また、断熱材４に断熱レンガを使用する場合は、温度センサ６の金属製保護管９への耐火物５からの熱応力を低減するために、圧縮強度が２ＭＰａ以下のものとする。溶鋼容器１内の溶融金属によって耐火物５が高温になり熱膨張を起こすため、耐火物５側から鉄皮３側へ熱応力がかかる。その際に、温度センサ６の光ファイバー７へ外部から応力がかかり、光ファイバー７のコア７ａ内を通光する光が減衰してしまう。このとき、耐火物５からの応力がその外周側にある温度センサ６に作用して温度センサ６が外側に変位するが、断熱材４の圧縮強度が２ＭＰａ以下であれば、温度センサ６の外側への変位を断熱材４が変形して吸収する。これにより、温度センサ６へかかる応力を緩和することができる。
一方、断熱材４を施工する際の断熱材４の破損を防止するため、断熱材４としての断熱レンガの圧縮強度は０．５ＭＰａ以上である。
なお、断熱材４の断熱レンガの圧縮強度は、ＪＩＳＲ２６１５－１９９５により測定することができる。

また、断熱材４は、厚みを金属製保護管９の外径で割った値を０．９以上とする必要がある。断熱材４の厚みを金属製保護管９の外径で割った値が０．９よりも小さいと、断熱材４が変形できる範囲が狭くなり、緩衝材としての効果が弱くなる。つまり耐火物５からの応力に対し断熱材４が変形しても、断熱材４の外周側（鉄皮３側）に設けられている温度センサ６へかかる応力を適切に緩和することができなくなる。一方、断熱材４の厚みを金属製保護管９の外径で割った値が０．９以上の場合、緩衝材としての機能には問題がなく、本発明の効果を奏することができる。ただし、温度センサ６の変位量は耐火物ライニング構造体を構成する容器の大きさ、形状や耐火物の性状、使用温度により自ずと上限があるので、断熱材４を必要以上に厚くする必要はない。断熱材４を厚くすることで、耐火物ライニング構造体２を有する容器の内容量が小さくなることもあり、本発明を適用する容器に応じて、使用中の耐火物５の熱膨張を計算し、温度センサ６の変位の大きさを予測してこれを吸収できる程度に断熱材４の厚みを決定すればよい。本発明で対象とする工業的に使用される溶融金属を数十ｔから数百ｔ程度を収容する容器の場合、断熱材４の厚みは３０ｍｍ程度であれば十分であると考えられる。

図６に示す変形例に係る耐火物ライニング構造体２は、温度センサ６と断熱材４の配置順以外は、図２に示す耐火物ライニング構造体２と同様であり、温度センサ６の構造及び温度センサ６の温度（７００℃以下）については同様である。また、温度センサ６の空間８の雰囲気を不活性ガスとしてもよく、その場合、温度センサ６の温度を８００℃以下とすることができる。また、温度センサ６を溶鋼容器１のほぼ周方向全周にわたって波状に配置することもできる。

そして、変形例に係る耐火物ライニング構造体２によれば、鉄皮３と耐火物５との間に、緩衝材としての断熱材４とともに、保護被覆７ｃで被覆された光ファイバー７が金属製保護管９に挿入されている温度センサ６が断熱材４の内周側に設けられている。そして、断熱材４は、厚みを金属製保護管の外径で割った値が０．９以上で、アルミナ質またはアルミナ・シリカ質のブランケット材、厚みを金属製保護管の外径で割った値が０．９以上で、アルミナ質またはアルミナ・シリカ質のシート材、及び厚みを金属製保護管の外径で割った値が０．９以上で、アルミナ質またはアルミナ・シリカ質の、圧縮強度が０．５ＭＰａ～２ＭＰａの断熱レンガの内の１種または２種以上である。

これにより、溶鋼容器１の耐火物５の損耗状況を光ファイバー７を用いた測温によって監視するに際し、耐火物５が熱膨張した際に耐火物５からの応力に対し温度センサ６が外側へ変位するが温度センサ６の外側への変位を断熱材４が適切に変形して吸収する。これにより、断熱材４の内周側に配置されている温度センサ６の金属製保護管９の変形を防止することができ、光ファイバー７の変形を回避することができる。このため、耐火物５の熱膨張による光ファイバー７内を通光する光の減衰を抑制することができ、長い距離の光ファイバー、例えば、１００ｍを超える光ファイバー７を温度センサ６として使用することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る耐火物ライニング構造体について図７を参照して説明する。図７は、本発明の第２実施形態に係る耐火物ライニング構造体を説明するための図２と同様の部分断面拡大図である。
図７に示す耐火物ライニング構造体２は、図２に示す耐火物ライニング構造体２と基本構成は同様であるが、図２に示す耐火物ライニング構造体２と異なり、鉄皮３側から順に、鉄皮３、緩衝材としてのモルタル１４及び耐火物５を備えている。そして、鉄皮３と耐火物５との間には、緩衝材としてのモルタル１４とともに、温度センサ６が設けられている。

耐火物５は、内張り耐火物５ａと内張り耐火物５ａに対して鉄皮３側に設けられた外張り耐火物５ｂとから構成されている。温度センサ６は、外張り耐火物５ｂの外周側に配置され、モルタル１４は鉄皮３と外張り耐火物５ｂとの間に施工される。
モルタル１４は、それぞれの容器に合わせて選定される。例えば、取鍋であれば、マグネシアモルタルやハイアルミナモルタルを使用することができる。

モルタル１４は、厚みが３ｍｍ以上で１５ｍｍ以下で、０．１ＭＰａの荷重下で１００℃から８００℃までの線収縮率が３０％以上であることが必要である。モルタル１４の厚みが１５ｍｍ以下であれば、温度センサ６の金属製保護管９への耐火物５からの熱応力を低減することができる。これにより、光ファイバー７のコア７ａ内を通光する光の減衰を抑制することができる。一方、モルタル１４の厚みが１５ｍｍよりも厚いと、築炉工の技能によって施工後の耐火物特性にばらつきが生じる。また、モルタル１４の厚みが３ｍｍよりも薄いと、耐火物５からの応力に対しモルタル１４が変形する範囲が小さく、温度センサ６へかかる応力を適切に緩和することができなくなる。

また、モルタル１４の０．１ＭＰａの荷重下で１００℃から８００℃までの線収縮率が３０％以上であれば、緩衝材として容易に変形し、温度センサ６の金属製保護管９への耐火物５からの熱応力を適切に低減することができ、光ファイバー７のコア７ａ内を通光する光の減衰を抑制することができる。一方、モルタル１４の０．１ＭＰａの荷重下で１００℃から８００℃までの線収縮率が３０％未満であると、緩衝材としての効果が弱く、耐火物５からの応力に対しモルタル１４の収縮量が小さく、温度センサ６へかかる応力を適切に緩和することができなくなる。
なお、モルタル１４の０．１ＭＰａの荷重下での１００℃から８００℃までの線収縮率の測定は、ＪＩＳＲ２５０４－１９７６耐火モルタルの乾燥及び加熱の線変化率試験方法を用いて行うことができる。

また、電気炉や取鍋などの窯炉に施工したれんがなどの定型耐火物やキャスタブルなどの不定形耐火物は、窯炉に使用することで施工した位置から動く現象が知られている。当該定型耐火物や不定形耐火物が施工した位置から動くことによって温度センサ６の金属製保護管９が固定される場合がある。これに対して、第２実施形態のモルタル１４を使用することで、温度センサ６の金属製保護管９が自由に動くことができる。
なお、温度センサ６は、耐火物ライニング構造体２の施工中に、設置した位置からずれないように、事前に鉄皮３へ金属テープで固定しても良い。金属テープは３００℃を超えると粘着性を失う。

図７に示す第２実施形態に係る耐火物ライニング構造体２は、緩衝材としてモルタル１４を使用する以外は、図２に示す第１実施形態に係る耐火物ライニング構造体２と同様であり、温度センサ６の構造及び温度センサ６の温度（７００℃以下）については同様である。また、温度センサ６の空間８の雰囲気を不活性ガスとしてもよく、その場合、温度センサ６の温度を８００℃以下とすることができる。また、温度センサ６を溶鋼容器１のほぼ周方向全周にわたって波状に配置することができる。

そして、第２実施形態に係る耐火物ライニング構造体２によれば、鉄皮３と耐火物５との間に、緩衝材としてのモルタル１４とともに、保護被覆７ｃで被覆された光ファイバー７が金属製保護管９に挿入されている温度センサ６が設けられている。そして、モルタル１４は、厚みが３ｍｍ以上１５ｍｍ以下で、０．１ＭＰａの荷重下で１００℃から８００℃までの線収縮率が３０％以上である。

これにより、溶鋼容器１の耐火物５の損耗状況を光ファイバー７を用いた測温によって監視するに際し、耐火物５が熱膨張した際に耐火物５からの応力に対しモルタル１４が適切に変形し、温度センサ６の金属製保護管９の変形を防止することができ、光ファイバー７の変形を回避することができる。このため、耐火物５の熱膨張による光ファイバー７内を通光する光の減衰を抑制することができ、長い距離の光ファイバー、例えば、１００ｍを超える光ファイバー７を温度センサ６として使用することが可能となる。
また、第２実施形態に係る耐火物ライニング構造体２によれば、温度センサ６を、波状に配置することもできる。これにより、前述したように、光ファイバー７にかかる引張応力が低減し、光の減衰を抑制することができるとともに、光ファイバー７の折損を生じ難くすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。
例えば、本発明の対象となる耐火物ライニング構造体は、溶鋼容器１のみならず、溶融金属を製錬もしくは搬送する容器全般に使用される。そして、対象となる容器は、転炉、取鍋、真空脱ガス、電気炉、高炉鍋、トピードカーなど、特に限定しない。
また、第１実施形態に係る耐火物ライニング構造体２（図２及び図６参照）において、断熱材４が１層で構成されているが、断熱材４は２層で構成されていてもよい。この場合、２層の断熱材４間に温度センサ６を設置することができる。２層の断熱材４の材質を互いに異なるものを使用しても良い。

また、第１実施形態及び第２実施形態に係る耐火物ライニング構造体２において、温度センサ６は波状に配置できる（図５参照）が、必ずしも波状に配置しなくてもよい。
また、第２実施形態に耐火物ライニング構造体２において、モルタル１４に発泡性樹脂を入れたものを使用してもよい。これにより、モルタル１４のクッション性を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る耐火物ライニング構造体の効果を検証すべく、実施例１～実施例２６及び比較例１～比較例１２を実施した。
実施例１～実施例２６及び比較例１～比較例１２では、容器として直径８ｍ、高さ４ｍの精錬用容器である電気炉を選定し、それぞれ、６か月間以上使用することを目標として耐火物ライニング構造体を設計して操業を行った。

温度センサは、保護被覆としてポリイミド樹脂で被覆した光ファイバーを金属製保護管として外径２．０ｍｍで肉厚０．２ｍｍ、外径２．６ｍｍで肉厚０．３ｍｍ、外径３．２ｍｍで肉厚０．５ｍｍ、外径６．０ｍｍで肉厚１．０ｍｍのＳＵＳ３１６に挿入して温度センサとした。温度センサの金属製保護管の内部の雰囲気は実施例１～実施例７、実施例１４～実施例１９、比較例１、比較例６～比較例８では大気雰囲気とし、実施例８～実施例１３、実施例２０～実施例２６、比較例２～比較例５、比較例９～比較例１２では、金属製保護管の内部に不活性ガスを送気する不活性ガス送気設備を用いてＡｒガス雰囲気にした。この温度センサの長さは８００ｍｍとした。

また、実施例１～実施例２６及び比較例１～比較例１２では、外張り耐火物としてＭｇＯれんがを用い、内張り耐火物としてＭｇＯ－Ｃれんがを用いた。ここで、目標の使用期間中に内張り耐火物が損耗して温度センサの設置位置での温度が上昇していくことを想定し、外張り耐火物の外側での温度が、金属製保護管の内部を大気雰囲気にした例では７００℃、Ａｒガス雰囲気にした例では８００℃を、超えないように外張り耐火物の厚みを変えて耐火物ライニング構造体を設計した。

また、実施例１～実施例１３及び比較例２～比較例５、比較例９～比較例１２では、断熱材として、アルミナ・シリカ質の断熱レンガを用い、実施例１４～実施例２６及び比較例６～比較例８では、断熱材として、アルミナ・シリカ質のブランケット材を用いた。
温度センサによる測温は、横河電機製ＤＴＳＸ－２０００を用い、測定分解能を０．５ｍ、測定間隔を０．１ｍ、測定サイクルを１分毎とした。
実施例１～実施例１３では、図２に示す耐火物ライニング構造体のように温度センサを断熱材の外側に設置しており、その実施条件及び評価結果を表１に示した。実施例１４～実施例２６では、図６に示す耐火物ライニング構造体のように温度センサを断熱材の内側に設置しており、その実施条件及び評価結果を表２に示した。

温度センサの金属製保護管の内部を大気雰囲気にした実施例１～実施例７、実施例１４～実施例１９では、使用期間中の温度センサで測温した８００ｍの範囲で最高温度は７００℃程度であった。また、温度センサの金属製保護管の内部をＡｒガス雰囲気にした実施例８～実施例１３、実施例２０～実施例２６では、使用期間中の温度センサで測温した８００ｍの範囲で最高温度は８００℃程度であった。
いずれも炉の目標使用期間の６か月間を精度良く測温することができた。なお、炉を改修するために測温を６か月間で完了したが、これは６か月が測定期間の上限を意味するものではない。

比較例１では、断熱材を用いずに鉄皮と耐火物との間に温度センサを施工した場合である。この場合、温度センサ（光ファイバー）を８００ｍ敷設したが、稼働２日後に光ファイバーを通光する光の減衰が大きくなり、測定可能な温度センサの距離は３０ｍであった。これは、電気炉の使用開始により炉体を形成する耐火物の温度が上昇して膨張したため、鉄皮と外張り耐火物との間に施工した温度センサに外力が掛かり光ファイバーを通光する光の減衰が大きくなったためと考えられる。
比較例２～比較例５では、図２に示す耐火物ライニング構造体のように温度センサを断熱材の外側に設置しており、その実施条件及び評価結果を表３に示した。

比較例６～比較例８及び比較例９～比較例１２では、図６に示す耐火物ライニング構造体のように温度センサを断熱材の内側に設置しており、その実施条件及び評価結果をそれぞれ表４及び表５に示す。比較例６～比較例８では断熱材としてブランケット材を使用し、比較例９～比較例１２では断熱材として断熱レンガを使用した。

比較例６～比較例８は断熱材厚みを金属製保護管の外径で割った値が０．９未満であり、電気炉の使用を開始してから２０日～３０日程度経過後に温度センサの測定する最高温度が６００℃～７００℃に上昇した段階で、温度センサで検知する後方散乱光が大きく減衰する状態となって、測定可能な距離も５０ｍ～９０ｍ程度となってしまい、容器全体の異常を検知するには不十分となった。
比較例２、比較例３、比較例９、及び比較例１０は、断熱材の強度が０．２ＭＰａと小さいものを使用しようとしたが、電気炉内に耐火物ライニング構造体を施工する際に、断熱材の搬送、設置に当たって断熱材が崩壊してしまい、工事が困難となったため、使用は中止し、実験できず、温度測定はできなかった。

比較例４、比較例５、比較例１１、及び比較例１２は断熱材の強度が５ＭＰａと大きいものを使用した。これらの例では、電気炉の使用を開始してから１日～３日程度で温度センサで検知する後方散乱光が大きく減衰する状態となって、測定可能な距離も３０ｍ～４０ｍ程度となってしまい、容器全体の異常を検知するには不十分となった。
また、実施例２７～実施例３０は、図２に示す耐火物ライニング構造体のように温度センサを断熱材の外側に設置し、断熱材として断熱レンガを使用した場合であるが、電気炉の使用期間中に炉体の一部で局所的に温度上昇が生じた例を示す。各実施条件及び評価結果を表６に示す。

実施例２７及び実施例２８は、温度センサの金属製保護管の内部雰囲気が大気雰囲気の条件であったが、電気炉の使用期間の末期において、温度センサの一部の領域で７５０℃と高温になった例を示している。高温となった領域では光ファイバーの保護被覆が空気と反応して光ファイバーを劣化させ、光ファイバーが断線し、断線した位置よりも先の温度センサの設置位置での測温ができなくなった。

また、実施例２９及び実施例３０は、温度センサの金属製保護管の内部の雰囲気がＡｒガス雰囲気の条件であり、電気炉の使用期間の末期において、温度センサの一部の領域で８５０℃と高温になった例を示している。高温となった領域では、温度センサの金属製保護管と光ファイバーとの熱膨張率の相違により、光ファイバーに張力が働き、光ファイバーが断線し、断線した位置よりも先の温度センサの設置位置での測温ができなかった。

しかしながら、実施例２７～実施例３０のいずれの場合においても、局所的に温度が上昇して断線した位置よりも手前の領域では、１００ｍ以上に亘り６か月間安定して温度測定ができた。
また、本発明の第２実施形態に係る耐火物ライニング構造体の効果を検証すべく、実施例３１～実施例３６及び比較例１３～比較例１６を実施した。実施例３１～実施例３６の実施条件及び評価結果を表７に、比較例１３～比較例１６の実施条件及び評価結果を表８に示す。

実施例３１～実施例３６及び比較例１３～比較例１６では、容器として直径５ｍの取鍋を選定し、それぞれ、６か月間以上使用することを目標として耐火物ライニング構造体を設計して操業を行った。
温度センサは、保護被覆としてポリイミド樹脂で被覆した光ファイバーを、外径３．２ｍｍ、肉厚０．５ｍｍのＳＵＳ３１６の金属製保護管内に挿入して構成した。温度センサの金属製保護管の内部の雰囲気は大気雰囲気とした。この温度センサを取鍋の側面の鉄皮に予め金属テープで固定し、モルタルで塗り込めながら外張り耐火物を敷設し、更に内張り耐火物を施工した。温度センサは炉底と並行に、螺旋状に敷設し、その長さは３００ｍであった。

各実施例及び比較例では、実験室で０．１ＭＰａの荷重下で１００℃から８００℃まで昇温したときの線収縮率及び厚さがそれぞれ表７及び表８に示すモルタルを施工した。
表７に示すように、０．１ＭＰａの荷重下で１００℃から８００℃まで昇温したときの線収縮率が３０％以上かつ厚みが３ｍｍ以上１５ｍｍ以下のモルタルを使用した実施例３１～実施例３６においては、６か月間の間で最高温度が７００℃程度であったが、温度センサ全長に亘り問題なく測定が可能であった。

一方、表８の比較例１３に示すように、０．１ＭＰａの荷重下で１００℃から８００℃まで昇温したときの線収縮率が３０％以上であるが厚みが３ｍｍよりも薄いモルタルを使用した場合、耐火物の膨張をモルタルで収縮しきれずに、温度センサに応力が掛かり、２０日程度で減衰が大きくなり、測定可能な距離が８０ｍと低下した。さらに、比較例１４に示すように、厚みが１５ｍｍよりも厚いモルタルを使用した場合、モルタル塗布時に一部が剥落し、安定した築炉ができなかった。
また、表８の比較例１５及び比較例１６に示すように、厚みが１５ｍｍ以下であるにもかかわらず、０．１ＭＰａの荷重下で１００℃から８００℃まで昇温したときの線収縮率が３０％未満であるモルタルを使用した場合においては、耐火物の膨張をモルタルの収縮で吸収しきれずに、温度センサに応力が掛かり、２０日程度で減衰が大きくなり、測定可能な距離が短くなった。

１ 溶鋼容器（容器）
２ 耐火物ライニング構造体
３ 鉄皮
４ 断熱材
５ 耐火物
５ａ 内張り耐火物
５ｂ 外張り耐火物
６ 温度センサ
７ 光ファイバー
７ａ コア
７ｂ クラッド
７ｃ 保護被覆
８ 空間
９ 金属製保護管
１０ スライディングノズル
１１ ヘッダ
１２ チューブ
１３ 不活性ガス送気設備

Claims (8)

1. 溶融金属を製錬または搬送する容器における鉄皮側から順に鉄皮、緩衝材としての断熱材及び耐火物を有する耐火物ライニング構造体であって、
   前記鉄皮と前記耐火物との間に、前記緩衝材としての断熱材と、該断熱材の前記鉄皮側又は前記断熱材の前記耐火物側に設置された、保護被覆で被覆された光ファイバーが金属製保護管に挿入されている温度センサとを設け、
   前記断熱材は、厚みを金属製保護管の外径で割った値が０．９以上で、アルミナ質またはアルミナ・シリカ質のブランケット材、厚みを金属製保護管の外径で割った値が０．９以上で、アルミナ質またはアルミナ・シリカ質のシート材、及び厚みを金属製保護管の外径で割った値が０．９以上で、アルミナ質またはアルミナ・シリカ質の、圧縮強度が０．５ＭＰａ～２ＭＰａの断熱レンガの内の１種、または、各層の合計の厚みを金属製保護管の外径で割った値が０．９以上で、アルミナ質またはアルミナ・シリカ質のブランケット材、アルミナ質またはアルミナ・シリカ質のシート材、及びアルミナ質またはアルミナ・シリカ質の、圧縮強度が０．５ＭＰａ～２ＭＰａの断熱レンガの内の２種以上であることを特徴とする耐火物ライニング構造体。
2. 溶融金属を製錬または搬送する容器における鉄皮側から順に鉄皮、緩衝材としてのモルタル及び耐火物を有する耐火物ライニング構造体であって、
   前記鉄皮と前記耐火物との間に、前記緩衝材としてのモルタルと、該モルタルに埋め込まれた、保護被覆で被覆された光ファイバーが金属製保護管に挿入されている温度センサとを設け、
   前記モルタルは、厚みが３ｍｍ以上１５ｍｍ以下で、０．１ＭＰａの荷重下で１００℃から８００℃までの線収縮率が３０％以上であることを特徴とする耐火物ライニング構造体。
3. 前記温度センサの金属製保護管内の雰囲気が不活性ガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の耐火物ライニング構造体。
4. 前記温度センサの金属製保護管内に不活性ガスを送気する不活性ガス送気設備を備えていることを特徴とする請求項３に記載の耐火物ライニング構造体。
5. 前記耐火物が、内張り耐火物と該内張り耐火物に対して前記鉄皮側に設けられた外張り耐火物とから構成され、前記内張り耐火物が消失したときに前記温度センサが７００℃以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の耐火物ライニング構造体。
6. 前記耐火物が、内張り耐火物と該内張り耐火物に対して前記鉄皮側に設けられた外張り耐火物とから構成され、前記内張り耐火物が消失したときに前記温度センサが８００℃以下であることを特徴とする請求項３又は４に記載の耐火物ライニング構造体。
7. 前記温度センサの長さが１００ｍを超えることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載の耐火物ライニング構造体。
8. 前記温度センサが、波状に配置されることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか一項に記載の耐火物ライニング構造体。

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