JP5228509B2 - 溶融金属測定用プローブ - Google Patents

Description

本発明は、筒状本体先端部に測温センサー等を設けた状態で封止材により封止してなる溶融金属測定用プローブに関する。

この種の溶融金属測定用プローブとしては、例えば溶鋼試料をサンプリングして溶鋼成分を求めることを目的とした製鋼用サンプラーにおいて、溶鋼成分分析用ボンブサンプラーと、該ボンブサンプラー下部（プローブ先端部）に溶鋼温度測定用熱電対（測温センサー）及び溶鋼中炭素分析用ピンサンプラーとを並列して固設一体化した製鋼用サンプラーが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、筒状本体部の先端面に形成した凹所内に標準電極を内装した酸素イオン伝導性を有する棒状の固体電解質を立設し、この固体電解質を囲む位置にスラグ付着性の良好な材質の対照電極を設けて構成した酸素センサーと、この酸素センサーに隣接し、その感温部を筒状本体部の軸方向において前記酸素センサーより先端側に位置付けた溶鋼温度測定用の測温センサーとからなる酸素分圧測定プローブなども知られている（例えば、特許文献２参照。）。

ところで、これら溶融金属測定用プローブが使用される製鋼プロセスにおいて、近年、ＣＯ₂排出規制やエネルギーコスト削減の必要性等から鋳造温度を従来よりも低く設定する傾向が顕著になっている。溶融金属中に溶融金属測定用プローブを浸漬すると、とくに先端部におけるセンサーやピンサンプラー等の近傍でプローブ側への抜熱により溶融金属が冷却されることとなる。通常の精錬過程では、まだまだ溶融金属の温度とその凝固温度との差が大きい。しかし、タンディシュのように溶鋼の温度が低くなって凝固温度との差が小さくなる設備においては、センサーやピンサンプラー等の近傍でのプローブ側への抜熱の影響が大きくなり、当該センサーやピンサンプラー等の近傍に凝固物が生成し、その結果、センサー測定値に誤差を生じさせたり、ピンサンプラーから採取した試料をスムーズに取り出せないといった事態が生じていた。

特開平５−９９８４３号公報 特開２０００−２１４１２７号公報

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、先端部のセンサー等の近傍への凝固物の生成を防止し、センサーによる各種測定やサンプルの取り出しに支障をきたさない溶融金属測定用プローブを提供する点にある。

本発明者は、前述の課題解決のために鋭意検討した結果、溶鋼温度が低い操業条件においてプローブ先端部に溶鋼の凝固物が生成しやすくなる原因として、該先端部を封止している封止材である耐火セメントや耐火モルタルを介して接触した溶鋼がプローブ側へ抜熱され、凝固しやすくなること、この凝固物はプローブへの抜熱が溶鋼からの熱の供給より小さくなるまで成長すること、及び、この封止材からの溶鋼の抜熱を防止することにより凝固物の生成を抑えることができることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、筒状本体の先端部に、測温センサー、ピンサンプラー及び酸素センサーのうち少なくとも一つを設けた状態で、該先端部を封止材により封止してなる、溶鋼に浸漬して測温・サンプリングを行うための溶融金属測定用プローブであって、前記封止材として低熱伝導率の耐火物を用い、該耐火物として、熱伝導率０．４〜０．０３Ｗ／ｍ・Ｋの珪藻土、ガラス繊維又はこれらの混合物に、有機バインダー又は無機バインダーを混合したものを用いてなることを特徴とする溶融金属測定用プローブを提供する。

以上にしてなる本願発明に係る溶融金属測定用プローブによれば、先端部の封止材として、従来の耐火セメントや耐火モルタル等の高熱伝導率耐火物の代わりに、低熱伝導率の耐火物を用いたので、接触した溶鋼の抜熱が防止され、近年における溶鋼温度の低い操業条件においても、プローブ先端部に凝固物が生成することを有効に防止でき、これによりセンサー測定値に誤差を生じさせることがなく、また、ピンサンプラーから採取した試料の取り出しも何ら支障なくスムーズに取り出すことが可能となる。

また、低熱伝導率の耐火物として、無機粉末、無機繊維又はこれらの混合物に、有機バインダー又は無機バインダーを混合したものを用いたので、取り扱いが容易でありプローブ製造時の先端部封止作業も容易に行うことができ、とくに熱伝導率０．４〜０．０３Ｗ／ｍ・Ｋの無機粉末や無機繊維を用いたので、熱伝導率１．５〜０．７Ｗ／ｍ・Ｋの耐火セメントや耐火モルタルを用いるものに比べて熱伝導率が１０分の１程度となり、溶鋼の抜熱、凝固物の生成をより確実に防止できる。

次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。

図１（ａ）は、本発明に係る溶融金属測定用プローブの先端部の構成を示す説明図であり、図中符号１はプローブ、２は測温センサー、３はピンサンプラー、４は封止材をそれぞれ示している。

本発明の溶融金属測定用プローブ１は、図１（ａ）に示すように、筒状本体１０の先端部１０ａに、測温センサー２、ピンサンプラー３及び酸素センサーのうち少なくとも一つを設けた状態で、該先端部１０ａを封止材４により封止したものであり、特に、前記封止材４として低熱伝導率の耐火物を用い、これにより凝固物の生成を防止したことを特徴としている。

本実施形態においては、先端部１０ａに測温センサー２とピンサンプラー３とが突設され、連続鋳造設備タンディッシュ用測温サンプラとして用いられる複合プローブが構成されているが、これに限らず、測温センサーのみ設けたものや、ピンサンプラーのみ設けもの、測温センサーと酸素センサーを並設したもの、測温センサーとピンサンプラーと酸素センサーをそれぞれ並設したものなど、種々の形態、使用環境用のプローブとして構成することができる。ただし、本発明が解決しようとする凝固物の生成は、外径が太くなる複合プローブでより顕著になり、したがって複合プローブにおいて本発明を適用することでより効果が明確に現われることとなる。これは外径が太くなるにしたがい溶鋼の抜熱の原因となる封止材の容量が大きくなるためであるが、本発明はこのような複合プローブに限定されるものではなく、細径の単一プローブにおいても同様に凝固物防止効果を得ることができることは勿論である。

測温センサー２は、公知のものであり、本例では金属製カバー２０の内部に、石英などからなるチューブ状保護管の内部に熱電対を配設したものであり、その頂点付近に熱電対の測温接点を有した感温部を備えている。また、ピンサンプラー３も公知のものであり、金属製キャップ３０の内部に真空石英管３１を設けたもので構成されている。また、上述のとおり、酸素センサーとして、たとえば筒状本体の先端面に形成される凹所内に標準電極を内装した棒状の固体電解質を立設するとともに、この固体電解質を軸心にして環状電極を構成した従来と同様のセンサーを先端部に設けてもよい。

これら測温センサー２及びピンサンプラー３は、筒状本体１０を構成している外装管１１の先端開口部に内嵌されるシェルヘッド１２に支持されており、該シェルヘッド１２の開口端側の前記測温センサー２及びピンサンプラー３を除く端面には、封止材４が充填され、外装管１１の開口部が測温センサー２及びピンサンプラー３を突設した状態で完全封止されている。

封止材４として用いられている低熱伝導率の耐火物は、無機粉末、無機繊維又はこれらの混合物に、有機バインダー又は無機バインダーを混合したものが用いられており、好ましくは、熱伝導率０．４〜０．０３Ｗ／ｍ・Ｋの無機粉末、無機繊維又はこれらの混合物、より具体的には、材料が入手しやすく、コストパフォーマンスがあり、また取り扱いを習熟しており工程がスムーズにすすむ珪藻土やセラミックファイバー、発泡アルミナ等が好適に用いられる。このような耐火物を用いると、従来使用されているものに比べて熱伝導率が１０分の１程度と非常に小さくなることから、単位時間あたりの抜熱量が少なくなり、溶融金属温度と凝固温度の差が小さい環境下でもプローブ側の抜熱によりプローブ表面に金属凝固物が生成することを防止できるのである。

耐火物に混入する有機バインダーとしては、例えばポリビニルアルコール、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、酢酸ビニルエマルジョン、アクリルエマルジョン、ウレタンエマルジョン、フェノール樹脂、若しくはフラン樹脂、又はこれら複数の混合物からなるものが好適に用いられ、耐火物に混入する無機バインダーとしては、例えばシリカゾル、アルミナゾル、シリカゾル・アルミナゾル混合体、リチウムシリケート、ケイ酸塩、若しくはガラスパウダー、又はこれら複数の混合物からなるものが好適に用いられる。また、無機粉末や無機繊維等と上記有機又は無機バインダーとの配合比は、加熱時のバインダーの燃焼や無機バインダーからの水分の影響を考慮すると、バインダーを１０重量パーセント以下に設定することが好ましい。これらバインダーに発泡性のバインダーを用いることで、乾燥又は成型後の封止材４（耐火物）を多孔質にすることができ、熱伝導率を更に低い値にすることが可能となる。

筒状本体１０を構成している外装管１１は、セラミックファイバーや珪藻土等の低熱伝導率耐火物を筒状に成型したものであり、また、センサー等を支持しているシェルヘッド１２は、セラミックやシリカサンド等よりなる耐火物成型品で構成されている。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

次に、連続鋳造設備タンディッシュ用測温サンプラの本発明品である実施例と従来品である比較例について、それぞれ実際に溶鋼に浸漬して測温・サンプリングを行い、先端部に凝固物が生成したか否か確認を行った。

図１（ａ）、（ｂ）はそれぞれ実施例、比較例の構造を示し、図２（ａ），（ｂ）の写真はそれぞれ浸漬前の実施例、比較例の先端部の様子を示している。実施例と比較例は、封止材の素材を除くその他の部材の素材や構造、各部寸法は同じである。
封止材は、実施例では珪藻土とガラス繊維の混合物を主材とし、これに無機バインダー・有機バインダー混合物を配合比９２：８で混合したものを用い、比較例では従来使用している耐火セメントを用いた。

（条件）
溶鋼温度は１５５０℃、測定・サンプリングのための浸漬時間は約１０秒であり、その他、いずれも同じ条件で行った。

（結果）
図３（ａ），（ｂ）はそれぞれ実施例、比較例の測定・サンプリング後の残骸の先端部写真である。図３から分かるように、比較例では先端部に溶鋼が付着しているのに対し、実施例では溶鋼の付着を防止することができた。このことから、実施例で用いた封止材が溶鋼凝固物の生成を防止する点で有効であることが確認できた。従来品である比較例では、プローブ先端部の封止材による抜熱で溶鋼の凝固物が生成してくる。このため、測温センサーが凝固、溶解の影響を受け、溶鋼温度の測定を妨げる要因となる。これに対し、実施例では、先端部の封止材として、耐火セメントに対して１０分の１程度の熱伝導率の耐火物（珪藻土）を使用（耐火セメントの熱伝導率が１．５〜０．９Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対し、珪藻土の熱伝導率は０．１〜０．０７Ｗ／ｍ・Ｋ）した。この為、先端部の封止材から溶鋼が奪われる熱量が小さくなり、実施例では比較例のような凝固物が先端部に付着しにくい。、その結果、溶鋼温度の測定を妨げることなく正確な測定を行うことができ、またサンプルの取り出しにも何ら支障をきたさないことが明らかとなった。比較例では、封止材の熱伝導率が高いため溶鋼から供給される熱量より耐火セメント表面から奪われる熱量の方が大きくなる為、先端に凝固物が付着するのに対し、実施例では、熱伝導率が低いため耐火物表面から奪われる熱量が小さく、凝固物の生成が防止されるのである。

（ａ）は、本発明の実施例に係る溶融金属測定用プローブの先端部構造を示す説明図、（ｂ）は、従来品である比較例に係る溶融金属測定用プローブの先端部構造を示す説明図。 （ａ），（ｂ）は、それぞれ実施例、比較例の測定・サンプリング前の溶融金属測定用プローブ先端部の様子を示す写真。 （ａ），（ｂ）は、それぞれ実施例、比較例の測定・サンプリング後の溶融金属測定用プローブ先端部の様子を示す写真。

符号の説明

１ 溶融金属測定用プローブ
２ 測温センサー
３ ピンサンプラー
４ 封止材
１０ａ 先端部
１０ 筒状本体
１１ 外装管
１２ シェルヘッド
２０ 金属製カバー
３０ 金属製キャップ
３１ 真空石英管

Claims (1)

1. 筒状本体の先端部に、測温センサー、ピンサンプラー及び酸素センサーのうち少なくとも一つを設けた状態で、該先端部を封止材により封止してなる、溶鋼に浸漬して測温・サンプリングを行うための溶融金属測定用プローブであって、前記封止材として低熱伝導率の耐火物を用い、該耐火物として、熱伝導率０．４〜０．０３Ｗ／ｍ・Ｋの珪藻土、ガラス繊維又はこれらの混合物に、有機バインダー又は無機バインダーを混合したものを用いてなることを特徴とする溶融金属測定用プローブ。