JPS6338122A - 温度検出器 - Google Patents

温度検出器

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JPS6338122A
JPS6338122A JP62034383A JP3438387A JPS6338122A JP S6338122 A JPS6338122 A JP S6338122A JP 62034383 A JP62034383 A JP 62034383A JP 3438387 A JP3438387 A JP 3438387A JP S6338122 A JPS6338122 A JP S6338122A
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layer
temperature sensor
sheath
metal tube
sensor according
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JP62034383A
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デイビッド　シー．グリーンスパン
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SYST PLANNING CORP
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    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/08—Protective devices, e.g. casings
    • G01K1/12—Protective devices, e.g. casings for preventing damage due to heat overloading
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01K1/08—Protective devices, e.g. casings
    • G01K1/10—Protective devices, e.g. casings for preventing chemical attack
    • G01K1/105—Protective devices, e.g. casings for preventing chemical attack for siderurgical use

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は浸漬形パイロメータに関し、枠に熔融金属の
温度を測定するために使われるパイロメータの温度検出
素子を保護するための構造に関す「従来技術」 工業及び科学分野において非常に高い温度をＩＩＩ定し
、制御することが要求される処理工程が多くある。例え
ば金属処理工業において、適切な処理料ｔｌ！ｌを行う
には熔融金属の温度を測定することが必須である。熔融
金属の温度を測定するのに使用される最も一般的な８）
測器としては光学的パイロメータと使い捨てランス（管
）湿熱電対の２つがある。しかしながらこれらはいずれ
も欠点を有している。光学的パイロメータは期待する程
の精度を有じておらず、しかも熔融金属表面の温度が測
定できるだけである。使い捨てランス熱電対は不正確で
あり、かつ熔融金属の温度を連続的に測定することがで
きず、又その使用には安全性の問題が係わってくる。
このように光学的パイロメータ及び使い捨てランス熱電
対は欠点を有しているので、長期間連続測定が可能な浸
漬形パイロメータの開発に多大の努力が払われて来た。
ある種の浸潤形パイロメータにおいては熱電対接合部を
高融点金属管に収容し、Ａ　Ｊ　、０．あるいはへ７！
２０．とＣｒ２Ｏ，のン昆＆物のようなセラミックでそ
の金３管を被覆して周囲の熔融金属から保護している。
しかしながら、使用中にセラミック層が割れ易く、熔融
金属が金属下地、即ち金属管に接触し４蝕することにな
る。
金属管はこの熔融合１１及び／又はスランプによる侵蝕
に耐えられず、その中に収容した検出素子と共に急速に
破壊されてしまう。検出素子として背進、貴金属熱電対
を使うので高価であり、何回も使用できることが望まし
い。しかしながら熱電対を保護するようにした構造は結
果的に熱応答が遅（なり、多くの場合に対し実用的でな
い。
１９８５年９月１２日出願された米国特許出願第７７５
１８３号「浸潤形パイロメータ」　（対応日本国特許出
願番号６ｌ−２１５６１８）には激しい熱衝撃に耐え、
熔融金属による侵蝕や腐蝕に対する優れた耐抗性を有す
る熱電対用保護シースについて開示されている。このシ
ースは比較的に長い寿命を持っているが、更にその寿命
を延ばすことが望まれる。持に酸化雰囲気中での予備加
熱サイクルに耐えられるようパイロメータの能力を高め
、かつシースが高炉の溶鉱作業中にわたってスランプと
接触しないよう熔融金属中に保持されるように所定位置
に取付けられることが７まれる。
「発明が解決しようとする問題点」 この発明の目的は熔融金属中でより長い期間使用できる
ように温度検出素子を保護するための手段を提供するこ
とである。
この発明のもう１つの目的は熱衝撃に強く急速な加熱と
冷却の繰返しに耐えることができる熱電対保護手段を提
供することである。
この発明の更に他の目的は熔融金属を入れるるつぼの側
壁又は底に取付けるための温度測定Ｖｆｆを提（共する
ことである。
「問題点を解決するための手段」 この発明によれば温度検出素子とその温度検出素子を収
容するノース（鞘）との組合せを含む、・１Ｍ度検出器
が設けられそのシースは一端が閉じた金属管と、その金
属管を被覆する複数の保護層と、及び外側犠牲層とを含
み、前記保護層は酸化アルミ・酸化クロム・モリブデン
から成る少くとも２つのサーノ７）層とその外側を被覆
するほぼ純粋な酸化アルミ・酸化クロムのセラミック層
を含み、サーメット層のモリブデン含有量は外側の層程
減少し、各サーメット層とセラミック層は約４９４乃至
３３％の多孔度を有し、前記外側犠牲層は繊維状アルミ
ナ層で被覆されたジルコニア層を含んでいる。
「実施例」 第１図に示すように一端が閉じられた金属管１２の内部
空間１３に熱電対接合部５４が設けられている。熱電対
線５０，５２は端子部６２と熱電対接合部５４とを接続
し、二孔絶縁管８によってソース１１内に保持されてい
る。端子部６２に封止（図示せず）を設けてもよい。
金属管１２は必要な特性である高融点と高温における大
きな強度を有する金属又は合金から従来の方法によって
作られる。モリデブンは高温での優れた機械的性質の点
から極端に高い温度での使用に選ばれる金属である。金
属管として使われる金属の熱伝導率と比熱によって金属
管内の温度上昇が制御され、その結果熱電対などに対し
好ましい環境となる。金属管として少量のチタンとジル
コニウムを含むモリブデン合金を使うことができる。こ
の合金は目的の温度で再結晶化しにくい性質があり、純
粋なモリデブンで作られた管より強いものが得られる利
点がある。
測定すべきものが例えばアルミニウムや真鍮のような比
較的低融点材料の場合にはステンレス鋼で作られた金属
管でも内部シースあるいは内部シースの一部として充分
使用できる。モリブデンと比較してステンレス鋼は価格
での利点があり、ある場合にはその理由のみで選ばれる
こともある。
上述したように金属管としてモリブデンあるいはモリブ
デン合金以外の金属を使用してもよいが、以下の説明で
は金属管をモリブデン管で代表して説明する。これはこ
の発明を限定することを意図しているのではなく、モリ
ブデンを他の材料に置替えてもよいことは当業者にとっ
て容易に理解できるであろう。
モリブデンは非常に高い融点を持っているが、高温で容
易に酸化する。モリブデンはまた金属熔融体の付近に存
在する化学的に活性なガスにより腐蝕される。このよう
な理由から外側容器の中又は外のいずれにある場合でも
モリブデ管を外界から保護するために保護被覆が使われ
る。
この発明においては、前述の米国特許出願第７７５１８
３号に記載されているのと同様にモリブデン管の外側表
面にアークプラズマスプレィ法のような方法でアルミナ
・クロミナ・モリブデンの多孔質サーメット層を複数形
成した被覆によりモリブデン管を外界から保護する。
−Ｓにセラミックや金属で作られた基体にセラミック被
覆をする場合、基体と被覆材料の熱膨張係数を合わせて
温度変化により生しる熱応力を最小にし、それによって
被覆が弱められたり、破壊されるのを少なくすることが
行われる。しかしながら被覆と基体の熱膨張係数を整合
させることは被覆として効果的に使うことができる材料
の選択を極端に限定しまう、この発明においてはセラミ
ックとモリブデンの間の熱膨張の不整合により熱ｂｌｉ
的応力を限定して生じさせ、それによって被覆内に好ま
しく制御された微細ひび割れ（マイクロクランク）がで
きることを利用している。第２図に示すこのマイクロク
ランク１５は被ｍＪｆｆｌ内の適当な多孔性と共に優れ
た耐熱１！ｉ撃性と厳しい環境における優れた化学的耐
性とを保護シースに与えている。
アルミナ・クロミナ・モリブデンを含む多孔質サーメッ
ト層は金属管１２の外側表面に直接付着させてもよい。
その場合付着を良くするため砧粒吹付り（グリ７トブラ
ステイング）などの方法により金属管１２０表面をでこ
ぼこにしておくことが好ましい。この発明を実施する好
ましい方法においては、金属管１２の表面にまずアーク
プラズマスプレィのような方法により粉末を付着さ・…
で多孔質モリデブ層１６を形成する。
第２図はその結果（：′ｆられる段階的保護層１４の構
造を示し、多孔質モリブデン接若層１６の上に多孔質サ
ーメノ）層１８，２０．２２が形成され、これらサーメ
ット層はアルミナ・クロミナ・モリブデンの混合物であ
り、そのモリブデン含有■は外側の層になる程減少して
いる。外側層２４はほぼ１００％のアルミナ・クロミナ
から成る。
アルミナ・クロミナ（Ａｉ　２０ｆｆ・Ｃｒｚ（ｈ）は
好ましくは約ＩＱ乃至３０モル％のクロミナを含み、更
に好ましいアルミナ・クロミナ粉末は約２０モル％のク
ロミナを含む。約２０モル％のクロミナを含むアルミナ
・クロミナは約８　ｐｐｍ／’Ｃの熱膨張係数を有する
。モリブデンの熱膨張係数は約５６４ｐｐｍ／’ｃであ
りセラミックと４５％の差がある。
アルミナとクロミナはアルミナ及びクロミナ粉末を機械
的に混合したものを使ってよいが、好ましい材料は二次
焼成により充分に反応させた粉末である。
シースの好ましい例としては、まずモリブデン基体に隣
接した多孔質層をモリブデン粉末により形成する。それ
に続くそれぞれ、の層のモリブデン含有量は減少して行
き、セラミックの含有■は増加して行く。外側層は１０
０％のセラミ７・りである。層から層への組成変化の程
度は厳密なものでないが、この発明の好ましい実施例で
はモリブデン含ｔｊＲの変化は内側層から外側層へ進む
につれ体積パーセントで直線的に変化する。
４ト一メノト層の故は２乃至１０層であり、好ましくは
３乃至９層であるが、５層より増してもそれ程性能は改
善されず、使用する層が増せばそれだけシースの製造価
格が増加する。好ましいシースの実施例では、段階的保
護層１４は５層から成り、内側から第１層は１００％モ
リブデン層、第２腎は７５％モリブデン・２５％セラミ
ック層、第３層は５０％モリブデン・５０％セラミック
層、第４層は２５９４モリブデン・７５％セラミック層
、そして第５層は１００％セラミック層である。
これらの層の厚さの総計は好ましくは約０．０２乃至０
．０４インチ（０，５１乃至１．０２ｍｍ）である。
この発明の好ましい実施例ではモリブデン管と隣接する
多孔質モリブデン層とそれに続く各多孔質サーメット層
の厚さは約０．００２乃至０．００４　インチ＜０．０
５１乃至０．１０２　＊霞）であり、外側セラミック層
の厚さは約０．０１５乃至０．０２５インチ（０，３８
乃至０．６４０）である。耐熱衝撃性のシースを作るの
にそれぞれの層の厚さを厳密に制御する必要はない。し
かしながらこの発明の好ましい実施例においてはモリブ
デン及びサーメットの各層の厚さはほぼ等しく、例えば
約０．００３インチ（０，０７６鰭）である。
重要なことはサーメット層が約４乃至３３％の多孔度を
持っていることである。多孔度の好ましい範囲は約１５
〜３０％であり、最適範囲は約２０〜２５％である。微
細孔の作用については充分には理解されていないが、高
温の中に入れられるとサーメット層内の材料の膨張を微
細孔が吸収すると考えられる。ここに上げた多孔質の値
は標阜ステレオロジカル技法を使って光学顕微鏡により
決定されるものである。
所望の多孔度を得る好ましい方法はモリブデン層、サー
メット層、セラミック層をプラズマアーク法により付着
することである。この方法は付着層の表面構造や多孔度
の重要なパラメータを制御することができるので特に有
用であることがわかった。プラズマスプレィ法により形
成した金属、サーメット、あるいはセラミック層の多孔
度は主に（イ）アークへの入力電力、（ＩＩ＋）粉末供
給速度、（ハ）スプレィノズルの基体表面までの距離と
それに対する角度、及び（＝）基体表面上でスプレィノ
ズルを移動させる速度、等のパラメータの大きさによっ
て決定される。
入力電力の範囲は約１５〜４ＦＪｖであり、好ましい范
囲は約３０〜４０ｋＷである。入力電力が減少すると被
覆層の多孔度が増加する。
粉末の供給速度は毎時約６〜１０ボンド（２，７２〜４
．５３ｋｇ）である。粉末供給速度が減少すると被１■
層の多孔度が減少する。
スプレィノズルは好ましくは基体表面から杓２〜６・イ
ンチ（５０，８〜１５２．４　窮ｍ）の距離に保つ。
この距沼が増すと被覆層の多孔度も増す。
基体（即ち金（ｌ管）の軸と直角な緑と成す粉末穴１゛
ｔ：す勇は３０°程変まで大きくできるが、好ましい角
度は約Ｏ°〜１０’である。この角度が増すにつれ多孔
度が大きくなる。基体表面に沿ったスプレィノズルの移
動速度の好ましい範囲は毎秒約４〜１２インチ（１０１
，６〜３０４．８重層）である。
移動速度が増すと多孔度も増す。
好ましい方法の実施例においては吹付けの際に基体を回
転させる。代表的な回転速度は１７２インチ管の基体の
場合、毎分約６００回である。
被覆工程を実施する際に基体を好まし々は約２００〜５
００’Ｆ　　（９３，３〜２６０℃）の範囲に加勢する
。基体温度を変化させると多孔度もある程度変化するが
その効果はごく小さい。
プラズマガスの種類やエネルギーも多孔度の制御にあま
り効果はない。好ましいガスは体積比約４Ｃｔ乃至８：
１の窒素と水素の混合ガスである。
特に有用な流量は窒素毎分２，５標準立方フイート乃至
５１ｉｉ′逗立方フイート（７０，８〜１４１６　　ｉ
り、水素毎分０．３〜０．６標Φ立方フイート　（８，
５〜１７Ｃ）である。
熔！漁金属のための熔融るつぼ５よ空の状態でガス炎に
より予備加熱を行うことがあり、従ってシースに保護被
覆がないとガス炎による酸化作用でシースを劣化させ、
熔融金属中での使用寿命を短かくする。サーメット層及
びセラミック層を保護するため第３図及び第４図に示す
ようにシースの外側部は犠牲層として酸化ジルコニウム
の内側ＪｉＪ３２と繊維状酸化アルミの外側層３４とを
存している。
これらのＩ！！３２．３４の厚さはそれほど決定的でな
く、それぞれ０．１インチ（２，５４０）程度でよい。
ジルコニア（即ち酸化ジルコニウム）とアルミナの各層
３２．３４を形成した後、シース２６を約４００　’Ｆ
　　（２０４，４℃）で１２時間焼成する。
このシースは予備加熱で損傷を受けず、かつスラッグ層
に直接露出されないので高温の熔融金属に長い時間浸漬
しても耐えることができる。犠牲管３２．３４は予備加
熱工程の終り頃までには壊れてしまう場合が多いが、そ
れ以後は必要とされないので問題はない。
この発明の好ましい実施例においては、少くとも一層の
窒化ホウ素を段階状層１４のセラミンク層２４と犠牲ｊ
！３２．３４との間に設けられる。
第３図では２日と３０が窒化ホウ素層である。窒化ホウ
素層は窒化ホウ素の懸濁水を室温でセラミックＮ２４の
上にスプレィ　（噴霧）シ、空気乾燥後約７００″’Ｆ
（３７１℃）で固めて形成する。
窒化ホウ素層を形成するには好ましくは窒化ホウ素の薄
いスプレィ被膜を形成し空気乾燥することを複数回繰返
し最終的に得た被覆を約７００°にで固める。例えば各
０．００２インチ（０，０５１ｍｍ）のスプレィ被膜を
５層形成し、０．０１インチ（０，２５４ｆｌ）の厚さ
の窒化ホウ素層が得られる。アルミナのような無機バイ
ンダを含む窒化ホウ素の適当な懸濁水は市販されている
。
この発明における好ましい窒化ホウ素の使い方は、多孔
質段階層の外側においてＡβｚｃｈ−Ｃｒ２０３の中間
層を挟んで窒化ホウ素を少なくとも２層形成する。その
工程は例えばアルミナ・クロミナ外側層２４の上に窒化
ホウ素懸濁液をスプレィし、空気乾燥させた後に焼成し
て窒化ホウ素の薄層を形成する。この窒化ホウ素層の上
に、プラズマアーり法によりＡ　Ｉｌ　２０：＋−Ｃｒ
ｚＯｘの薄い層を形成する。
以下に説明するように、この窒化ホウ素層はその上にプ
ラズマアーク法により形成するＡ　１２０．−Ｃｒｚ（
ｈの眉がよく付着するように処理される。このＡ　１　
ｚｏｚ−ＣｒｚＯｓ層の上に更に同様にして窒化ホウ素
層を形成する。このようにして必要と考えられる数の窒
化ホウ素の層を形成する。窒化ホウ素は隣接するセラミ
ック層が膨張する際に縦方向に動き易くしており、即ち
面スリップ効果が生し、それによって隣接セラミック層
に大きな応力が生しないようにしている。熔融金属中で
の浸蝕によって外側層が劣化している間、内側層は保護
の役目を行っている。この関係は犠牲層が消耗してしま
うまで縛き、その犠牲層が無（なってしまった後は、保
護シースはその基礎的構成である多孔質段階層によって
その機能を果たす。
Ａ　Ｉｌ　ｚｏｉ−Ｃｒ２０３及び他の材料も窒化ホウ
素居に処理を行って層間の接着性を増さないとうまく窒
化ホウ素の表面に付着しない。このような処理として、
窒化ホウ素の層は濡れた（ウェット）窒化ホウ素によっ
て形成し、この濡れた窒化ホウ素層の上にＡ　１　ｚ（
ｈ−ＣｒｚＯ３の粉末をブラシで塗る。その上にプラズ
マアーク法によってＡ　Ｉ２　ｚ（ｈ−ＣｒｚＯ，。
をスプレィする。この工程はＡ　ｊ！　２０３−ＣｒＪ
ｉの各層を窒化ホウ素層に被覆する際に実施する。
上述した技術により犠牲層３２．３４及び窒化ホウ素層
２８．３０が段階的保護層１４を保護するのて長期の浸
漬にも耐える保護シースを形成することができる。
金属管１２の内側を先端が閉じたセラミック管（図示せ
ず）で内張すし、熱雷対をセラミック管内に入れること
により熱電対素子の寿命を更に延ばすことができる。こ
の構造の利点は熔融金属が内部の金属管に達し、これを
劣化させている時でも熱電対を保護することができるこ
とである。セラミック管は乱暴な扱いに弱く、また金属
管１２が熔融金属に浸蝕されてしまえば直接的な熱街塔
のため更に浸漬使用することには耐えられないが、ある
熔融金属に対しては長い寿命を有している。
第４図はジルコニア３２と繊維状アルミナ３４からなる
犠牲層を有する熱電対アセンブリを円錐台形管状シェル
３８に装着し、そのシェル３日を耐火レンガ４１に挿入
した実施例を示す。シェル３８は好ましくはステンレス
鋼で出来ており、その中でＰ−Ｔｉ対アセンブリがアル
ミナ成型体３９によって固定されている。アルミナ成型
体３９はシェル３８内で熱電対のまわりに充填され４０
０’Ｆ〜６７５°Ｆ　　Ｃ２Ｏ４，４〜３５７．２℃）
で１２〜４０時間焼成される。耐火レンガ４１は従来知
られている方法によりるつぼの側壁あるいは底にはめ込
まれ端子部６２を介して電気的接続を行う。
「発明の効果」 この発明の温度度検出器はるつぼの側壁や底に取付けら
れるよう適合されており、これらの取付は位Ｕにより温
度度検出器の長さ、従って価格を減少させることができ
る。更に、温度度検出器が短かくなればそれだけ熔融金
属によって与えられる力が小さくなる。側壁や底に取付
けるようにすることは温度度検出器の使用上便利であり
、るつぼの上側に外部からの接続線や固定具などのじゃ
まな物を配置する必要がなくなる。更に、熱電対接合部
の位置はあらかじめわかっているので、熔融体の他の領
域の温度をより正確に外挿法で計算できる。
シースと熔融金属は直接接触するので熱の移動は急速で
あり、従って応答速度が速い。
【図面の簡単な説明】
第１図は熱電対を装着したシースの断面図、第２図はサ
ーメット及びセラミックの保護層を有するシースの実施
例の断面図、第３図はサーノ・７ト及びセラミック層の
上に形成された犠牲層を有するシースの断面図、及び第
４図はるつぼの側壁又は底にはめ込まれる耐火レンガに
取付けられたシースを示す断面図である。 １１：シース、１２：金属管、１４：段階的保護層、１
６：多孔質モリブデン層、１Ｂ、２０゜２２：多孔質サ
ーメット層、２４：セラミック層、２８．３０：窒化ホ
ウ素層、３２，３４：犠牲層、３８ニジエル、３９：ア
ルミナ成型体、４１：耐火レンガ。 手続補正書（自発） 昭和６２年７月３日 凹１

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）温度検出素子と；その温度検出素子を入れるため
    のシースと；繊維性アルミナ層によって被覆されたジル
    コニア層を含み前記シースの少くとも一部を被覆してい
    る犠牲層；とを含み、 前記シースは一端が閉じた金属管と、その金属管を被覆
    する複数の保護層と、及び外側の犠牲層とを含み、前記
    保護層は酸化アルミ・酸化クロム・モリブデンから成る
    少くとも２つのサーメット層とその外側を被覆するほぼ
    純粋な酸化アルミ・酸化クロムのセラミック層を含み、
    前記サーメット層のモルフデシ含有量は外側の層ほど少
    く、各前記サーメット層とセラミック層は約４％乃至３
    ３％の多孔度を有して成る温度度検出器。
  2. （２）前記シースは少くとも１層の窒化ホウ素を含む特
    許請求の範囲第１項記載の温度検出器。
  3. （３）前記シースと前記犠牲層は窒化ホウ素層により分
    離されている特許請求の範囲第１項記載の温度検出器。
  4. （４）前記温度検出器は管状シェル内に耐火性の成型体
    により固定され、前記管状シェルは耐火レンガに装着さ
    れている特許請求の範囲第１項記載の温度検出器。
  5. （５）前記管状シェルは円錐台形のステンレス鋼である
    特許請求の範囲第１項記載の温度検出器。
  6. （６）前記一端が閉じられた金属管はセラミックスリー
    ブにより内張りされている特許請求の範囲第１項記載の
    温度検出器。
  7. （７）前記一端が閉じられた金属管はモリブデンを含む
    特許請求の範囲第１項記載の温度検出器。
  8. （８）前記金属管はステンレス鋼で作られた特許請求の
    範囲第１項記載の温度検出器。
JP62034383A 1986-08-01 1987-02-16 温度検出器 Pending JPS6338122A (ja)

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US891992 1986-08-01
US06/891,992 US4749416A (en) 1986-08-01 1986-08-01 Immersion pyrometer with protective structure for sidewall use

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JP (1) JPS6338122A (ja)
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GB (1) GB2193376B (ja)
IT (1) IT1206270B (ja)

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