JP5241132B2 - 溶融金属浴の温度を測定するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明はカバー（または、被覆物）によって囲まれた光ファイバーの手段によって溶融浴、特に溶融金属浴のパラメーター、特に温度を測定するための方法に関する。本発の光ファイバーは溶融浴中に浸漬される。そして、溶融浴中の光ファイバーによって吸収された放射線は検出器に供給される。本発明の光ファイバーは溶融浴中に浸漬されたときに加熱される。また、本発明は光ファイバーに接続された検出器及びカバーを有する光ファイバーによって溶融浴、特に溶融金属浴のパラメーター、特に温度を測定するための装置に関する。本発明のカバーは複数の層とともに光ファイバーを囲む。本発明に関するパラメーターは、例えば浴の高さ及び組成、すなわち浴の成分の比率を含んでもよい。もちろん、本発明は溶融塩、溶融氷晶石等の溶融浴、またはガラス浴等の測定に使用することもできる。

この種の方法は特許文献１等に開示されている。この文献は溶融金属浴の温度の測定において、どのように光ファイバーが使用されるかを説明している。そこにおいて、光ファイバーはスプールから巻き戻され、供給パイプを介して溶融金属浴に供給される。光ファイバーによって吸収された放射線は検出器によって評価される。

特許文献２には同様な光ファイバーが開示されている。この文献に開示されている光ファイバーは間隔を開けた状態で金属管（または、金属チューブ）によって囲まれている。この金属管の周りには断熱材で作製された管（または、チューブ）が配置され、それはさらに外側の金属管（または、金属チューブ）によって囲まれている。この構造は内側の金属チューブが急速に溶融することを防止する。断熱材で作製された管は炭素粒子を含んでいるので、溶融金属浴中に断熱材の管の対応する部分が浸漬されるまで内側の金属管は溶融しない。光ファイバーは溶融金属浴中に浸漬され、予め決められた速度で追跡または前進させられるので、光ファイバーの先端が破壊された後であっても測定を続けることが可能である。
特許文献３には温度測定のための同様な光ファイバーが開示されている。この文献において、光ファイバーはプラスチック材料の層によって囲まれた保護金属管によって囲まれている。

さらに、ドーピング物質を選択的に溶融鋼浴中に導入するために製鋼所等で使用されている複数の層から成るワイヤーがこの分野において周知である（例えば、特許文献４〜７参照）。

特開平１１−１１８６０７号公報 特開平１０−１７６９５４号公報 特開平７−１５１９１８号公報 独国特許出願公開第１９９１６２３５号明細書 独国特許発明第３７１２６１９号明細書 独国特許出願公開第１９６２３１９４号明細書 米国特許第６７７０３６６号明細書

本発明の目的は光ファイバーによる溶融浴のパラメーターの測定を改善することである。
本発明の目的は請求の範囲の独立請求項及び以下の詳細な説明に記載されている特長によって達成される。本発明の好まれる構成は請求の範囲の従属請求項及び以下の詳細な説明に記載されている。

光ファイバーは本質的に、それが溶融浴に浸漬されたとき、またはそれが溶融浴または溶融浴（例えば、溶融鋼浴）の上のスラグ層に近づいたときに加熱される。加熱は特に、光ファイバーの先端または浸漬端に適用される。光ファイバーは通常、それの光伝達部材が石英ガラスであり、石英ガラスは溶融鋼浴等の温度に長時間耐えることができないので、特にその先端部は定期的に取り替えられなければならない。本発明に従った方法は特に、溶融浴または溶融浴の上のスラグ層に浸漬される光ファイバーの前端部に関する。本発明に従った光ファイバーの（時間ｔの関数として温度Ｔの増大を示す）加熱曲線は第１時間ｔ₀−Δｔから時間ｔ ₀ までの時間間隔Δｔに対する温度Ｔ₀までの光ファイバーの温度上昇ΔＴ₁がその後の時間ｔ ₀ から第２時間ｔ₀＋Δｔまでの時間間隔Δｔに対する光ファイバーの温度上昇ΔＴ₂より小さい少なくとも１つの点Ｐ（ｔ₀,Ｔ₀）を有する。

この種の温度変化は原則的に、加熱曲線の時間に対して前方方向に対する特定の点が屈曲部（擬似不連続部）を有し、そこにおいてその後の加熱速度がそれ以前の加熱速度に対して大幅に増大することを意味する。そこにおいて、光ファイバーまたはそれに隣接する環境（または、隣接する部材）の機械的な動きが発生すること、及びそれの大きさが加熱速度の変化の大きさ及び対応する時間間隔の短さに依存することが判明した。加熱速度の変化が大きいほど、そして時間間隔Δｔが短いほど、この加熱曲線の擬似不規則変化時における光ファイバーまたはそれに隣接する環境（または、隣接する部材）の機械的な動きが大きくなる。この動きは光ファイバーの溶融浴への浸漬及び光ファイバーの先端の置き換わりを補助するので（すなわち、光ファイバーの先端は特に、急激な動きの発生（振動）によって押し出されるので）、高温によって損傷されてないガラスファイバーの新規の端部が追跡または露出されることができる。

第２時間ｔ₀＋Δｔまでの時間間隔Δｔにおける温度Ｔの上昇ΔＴ₂の大きさは第１時間ｔ₀−Δｔからの時間間隔Δｔにおける温度Ｔの上昇ΔＴ₁の大きさの少なくとも５倍、好ましくは１０倍、さらに好ましくは２０倍である。この第２時間間隔の温度上昇はさらに好ましくは５０倍であり、さらに好ましくは１００倍である。２つの時間間隔の期間Δｔの長さは最大５００ｍｓであり、好ましくは最大２００ｍｓである。

２つの時間間隔の間の時間ｔ₀の点に割り当てられる光ファイバーの温度Ｔ₀は最大６００℃、好ましくは最大２００℃、さらに好ましくは最大１００℃であることが望ましい。狭義における実際の光ファイバーの温度、すなわち石英ガラスの温度もこれらの条件に考慮されなければならない。加熱速度の変化の基礎となるこの温度Ｔ₀が低いほど、この変化はより強力かつ効果的なものとなり得る。

本発明に従うと、光ファイバーが溶融金属浴に浸漬される、またはそれに供給されるときの速度はそれの先端の多様な構造が破壊される速度に相当するので、破壊されたファイバー構造によって生ずる放射線の損失を起こさずに放射線を受信及び伝送するために適した新規のガラスファイバー材料が連続的に供給される。

本発明に従うと、本発明の光ファイバーによって溶融浴、特に溶融金属浴のパラメーター、特に温度を測定するための装置はカバー（または、被覆物）、及び光ファイバーに接続された検出器を備え、前記カバーが複数の層で光ファイバーを囲み、１つの層が金属管（または、金属チューブ）として構成され、該金属管の内側に配置される中間層が粒子、繊維、または粒状材料から形成され、該中間層の材料が複数の別個の部材として該光ファイバーを囲むことを特徴とする。本発明において、この中間層の材料が複数の別個の部材によって光ファイバーを囲むという特徴は動作状態において、すなわち測定する溶融浴への浸漬中または浸漬後に複数の部材による構造が存在することを意味する。この場合、温度は少なくとも１０００℃、好ましくは１４００℃である。この状態において、製造中に中間層の部材の間で使用されてもよい結合剤は溶融または燃焼されるので、個々の部材はこの段階において互いに、完全にまたは実質的に結合していない状態となる。これらの部材は光ファイバーの周りに配置された小さな粒子、または集成物またはシェル等の大きな凝集性単体を形成してもよい。したがって、中間層の材料は全体として剛性を有するものではなく、少なくともある程度のそれ自体に対する可動性を有するものである。

この種の中間層は光ファイバーの溶融金属浴または溶融浴の上のスラグ層への浸漬中に加熱される。驚くべきことに、金属管及びそれの内側に配置される粒子、繊維、または粒状材料から作製される中間層の組み合わせは、加熱中に加熱曲線の特定の点から前方に向かう段階において、中間層のこの材料が気体の存在とともに急激に、大きく膨張することを生ずることが判明した。すなわち、金属管がその程度まで加熱されると、それは加熱による中間層の気体の膨張のために金属管の内側に生ずる圧力に耐えることができなくなる。この場合、金属管の内側に金属管を割る、または他の様式で金属管を破壊するまで応力が急速に発生し、光ファイバーのカバーが光ファイバーから実質的に爆発的に引き剥がされる。概略的に述べると、本発明に従った装置は金属管の破壊中または破壊後に中間層が急速に崩壊し、それの構成物が光ファイバーから引き剥がされる。この様式により、１つの側面において、光ファイバーはそれの浸漬端が非常に急速かつ急激に溶融金属浴に露出され、もう１つの側面において、光ファイバーの先端の溶融金属浴への前進が容易に行われる。中間層は好ましくは、二酸化珪素、酸化アルミニウム、または溶融鋼浴に対して耐火性または不活性の材料から形成される。中間層の材料はそれ自体で剛性を有さず、材料の個々の粒子は互いに移動可能である。それにより、１つの側面において、光ファイバーのカバーは可能な限り可撓性を有し、もう１つの側面において、この材料の爆発または解放の不規則的な特性を保証する。カバーは特に、亜鉛等の金属の、セラミック紙、厚紙、またはプラスチック材料の外側の層を有してもよい。

カバー（または、被覆物）は好ましくは、光ファイバーからのカバー材料の解放、または光ファイバーの破壊された先端の除去（離脱）を促進させるために振動器を有する（または、振動器がカバーの隣に配置される）。振動器はまた、中間層と同じ材料から形成されてもよい。すなわち、中間層の材料の粒子は加熱されると互いに移動し、この動作は部分的に不規則に発生するので中間層内またはこの材料内に振動を発生する。

振動器は１００℃から１７００℃の間で気体を発生する材料（例えば、この温度範囲で燃焼するまたは気体を放出するプラスチック材料または他の材料）から形成されてもよい。また、振動器とカバーの間には振動器の振幅よりも小さい中間空間が形成されてもよい。特に、振動器がカバーの外側に配置される場合、それはカバーに周期的に機械的な作用を与えるので、その振動はこれらの周期的作用によって最適な状態で伝達される。好ましい選択として、カバーの外側は軸方向に連続的に配置された不規則性を有してもよい。それにより、特に、カバーの隣に配置された、光ファイバーのガイド部品上の障害物は、光ファイバーが前進したときにその不規則性に作用し、振動を生ずる。

さらに、光ファイバーは内側の層として金属スリーブによって囲まれてもよい。カバーの層は互いに直接的に接するように配置されてもよく、内側の層は好ましくは、光ファイバーに直接接するように配置される。特に、装置が溶融鋼浴または溶融鉄浴の測定のために使用される場合、カバーの金属管及び金属管スリーブは好ましくは鋼から作製される。一般に、金属管または金属管スリーブの材料の融点は測定される溶融金属浴の融点と等しくされるべきである。

本発明に従った装置は概略的に、溶融金属浴への浸漬で不連続的に破壊される石英ガラスファイバーのためのカバー（または、被覆物）を有する。この様式により、本発明の光ファイバーは非常に低い温度で比較的長時間保持され、そして特定の温度に達した後、光ファイバーは溶融金属浴の平衡温度まで不規則的または不連続的に加熱されるので、溶融金属浴中の光ファイバーまたはそれの浸漬端が破壊される前に測定を非常に素早く行うことができる。光ファイバーの浸漬端が破壊される速度と同じ速度で光ファイバーを溶融浴中に連続的に追跡または前進させることにより、溶融金属浴中には常に測定のために利用可能なファイバー材料が存在する。光ファイバーの先端は連続的に破壊されるので、ファイバーの浸食面は実質的に静止した状態となる。これを行うために、ファイバーまたはそれの浸漬端はそれの崩壊が始まる瞬間に浴の温度に達する必要がある（それゆえ、この場合の、いわゆる臨界速度はファイバーの浸食面が移動する浸食速度と同じである）。浸食速度が臨界速度より小さい場合、ファイバーはそれが浴温度に達する前に破壊される。

以下に、付随する図面とともに本発明の実施例を説明する。
図１には、本発明の方法に従った、光ファイバーの溶融鋼浴への浸漬に対して示された温度／時間過程を図示している。カバー（または、被覆物）を備えた石英ガラスファイバーの溶融鋼浴への浸漬速度は破壊速度（浸食速度）に等しいので、浸食面は溶融金属浴内にて擬似的に静止状態にある。この速度は臨界速度に対応するので、破壊面上の光ファイバーは浴の温度に達する。

カバーの内側の石英ガラスファイバー自体は長時間の間に非常に小さい温度の増大を有する。特定の時点において、それのカバーは急激に除去されるので、それの温度は、それが溶融鋼浴の平衡温度に達するまで短い時間で急激に増大する。

図２には、鋼溶融浴２とともに溶融槽１が図示されている。光ファイバー構造３はこの鋼溶融浴に浸漬される。光ファイバー構造３は溶融金属浴の上側に、推進装置５による容易な推進のために利用される外側のカバー（または、被覆物）４を有する。カバー４の溶融鋼浴２に面している端部には振動器６が配置されている。振動器６は短い時間間隔でカバー４を連続的にたたくので、石英ガラスファイバーのカバーは、それが予め決められた温度に達すると、生成された振動によって急激に破壊される。この時点で、外側の鋼カバーの温度は非常に高く、石英ガラスファイバーと外側の鋼カバーの間に配置された粉末、または中間層に収容された気体は大幅に膨張し、振動器の機械的な効果による補助的な作用とともに熱機械応力の下にある鋼カバーを爆発させる。結果として、石英ガラスファイバーは溶融鋼浴の温度に直ちに露出されるので、それは平衡温度まで非常に急速に加熱される。中間層は二酸化珪素または酸化アルミニウムの粉末から形成されている。

図３はそれの外側に縦方向に連続的に構成された不規則性を有するカバーを備える光ファイバー構造３を示している。光ファイバー構造３は内部に支持部材８を有するガイドスリーブ７によって誘導される。光ファイバー構造３は支持部材８に沿って誘導される。光ファイバー構造３の支持部材８の反対側において、ガイドスリーブ７は内側に向かって接線方向で曲げられており、その位置で障害物９を形成している。障害物９は不規則性にかみ合っているので、光ファイバー構造３はそれの前進運動中に連続的に振動させられる。

図４ａは光ファイバー構造３を示しており、そこにおいて石英ガラスファイバー１０は鋼管１１によって囲まれている。鋼管１１の内側には酸化アルミニウムの粉末から作製された中間層１２が配置されている。石英ガラスファイバー１０は光ファイバーの浸漬端の反対側の端部で検出器１３に接続されている。図４ｂには同様な構成が示されており、そこにおいて、石英ガラスファイバー１０は金属スリーブ１４によって囲まれている。金属スリーブ１４を介して冷却気体が通されてもよく、冷却気体は光ファイバー構造３の検出器側端部で鋼管１１の外部に誘導される。この構成により、石英ガラスファイバー１０を付加的に冷却することができる。図４ｃは図４ａの光ファイバー構造と同様な光ファイバー構造３を示している。鋼管１１と石英ガラスファイバー１０の間の中間空間は光ファイバー１０に対して垂直方向に配置された厚紙ディスク１５によって複数のチャンバーに分割されている。厚紙ディスク１５は１つの側面において中間層を安定させるために利用される。それらは特に、縦軸方向に移動する光ファイバー構造３の破壊中に中間層１２の粉末を安定化させる。もう１つの側面において、それは加熱によって起こる厚紙ディスク１５の燃焼中に、付加的な不連続性／崩壊を生成し、石英ガラスファイバー１０を溶融金属浴へ急速に露出させ、カバーの破壊の後、それが非常に急速に加熱することを促進する。

図５ａ〜５ｄは石英ガラスファイバー１０を光ファイバー構造３のカバーの中央に安定させるための複数の異なった構造を図示している。図５ａにおいて、鋼管１１は、それが１つの部材として同心状に配置された内側の管１６を形成するように湾曲されている。内側の管１６はカバーに沿って拡張するウェブ１７によって外側の鋼管１１に接続されている。外側の鋼管１１は継ぎ目１８で互いに溶接されており、約０.５ｍｍの壁厚を有する。石英ガラスファイバー１０は内側管１６に配置される。図５ｂの実施例において、石英ガラスファイバー１０は中間層１２の材料の中央に配置されている。図５ｃは図５ａに類似した、光ファイバー構造３のもう１つの実施例を示している。この実施例において、鋼管１１は結合によって２つのウェブ１７を形成している２つの部分から構成されており、それによって石英ガラスファイバー１０は鋼管の中央に固定される。図５ｄの実施例も同様な実施例を示している。この実施例は付加的に、２つのシェルから形成されている鋼管１１を一緒に保持する第２の外側の鋼管１９を有している。２つの鋼管１１、１９の壁の厚さは他の実施例に比べて薄くてもよく、各々の厚さが約０.２５ｍｍであってもよい。この実施例においては、継ぎ目２０において単一の溶接がなされている。

図６はファイバーの断面を詳細に示している。石英ガラスファイバー１０は鋼ケーシング２１によって最小の距離で囲まれているので、２つの材料の加熱による膨張が異なる場合であっても、石英ガラスファイバー１０は安定した状態で保持される。鋼ケーシング２１と鋼管１１の間には酸化アルミニウム粒子から作製された中間層１２が配置されている。鋼管１１はシート状の金属を丸め、折り目２３で閉じることによって形成される。

上述の発明の開示において説明した本発明の加熱曲線の特徴を有する、本発明の１つの実施例に従った方法に対する加熱曲線を示している。 本発明の１つの実施例に従った装置の概略図である。 本発明の装置の機械的振動器部分を図示している。 検出器を備えた、本発明の異なった実施例に従った装置の概略図である。 本発明の装置のための、カバーを有する光ファイバーの多様な実施例の断面図である。 光ファイバーの詳細な断面図を示している。

符号の説明

１ 溶融槽
２ 鋼溶融浴
３ 光ファイバー構造
４ カバー
５ 推進装置
６ 振動器
７ ガイドスリーブ
８ 支持部材
９ 障害物
１０ 石英ガラスファイバー
１１ 鋼管
１２ 中間層
１３ 検出器
１４ 金属スリーブ
１５ 厚紙ディスク
１６ 内側管
１７ ウェブ
１８ 継ぎ目
１９ 外側の鋼管
２０ 継ぎ目
２１ 鋼ケーシング
２３ 折り目

Claims (24)

1. カバーによって囲まれた光ファイバーの手段による溶融浴のパラメーターの測定方法であって、前記光ファイバーは溶融浴中に浸漬され、溶融浴中の該光ファイバーによって吸収された放射線は検出器に供給され、前記光ファイバーは溶融浴中に浸漬されたときに加熱され、前記光ファイバーの加熱曲線は第１時間ｔ₀−Δｔから時間ｔ₀までの時間間隔Δｔに対する温度Ｔ₀までの光ファイバーの温度上昇ΔＴ₁がその後の時間ｔ₀から第２時間ｔ₀＋Δｔまでの時間間隔Δｔに対する光ファイバーの温度上昇ΔＴ₂より小さい少なくとも１つの点Ｐ（ｔ₀,Ｔ₀）を有し、前記カバーが、当該カバー自体に生じさせた振動により特定の時点において急激に除去される溶融浴のパラメーターの測定方法。
2. 前記パラメーターが温度である、請求項１に記載の方法。
3. 前記溶融浴が溶融金属浴を備える、請求項１または２に記載の方法。
4. 第２時間ｔ₀＋Δｔまでの時間間隔における温度Ｔの上昇ΔＴ₂の大きさが第１時間ｔ₀−Δｔからの時間間隔における温度Ｔの上昇ΔＴ₁の大きさの少なくとも５倍である、請求項１、２、または３に記載の方法。
5. 第２時間ｔ₀＋Δｔまでの時間間隔における温度Ｔの上昇ΔＴ₂の大きさが第１時間ｔ₀−Δｔからの時間間隔における温度Ｔの上昇ΔＴ₁の大きさの少なくとも１０倍である、請求項４に記載の方法。
6. 第２時間ｔ₀＋Δｔまでの時間間隔における温度Ｔの上昇ΔＴ₂の大きさが第１時間ｔ₀−Δｔからの時間間隔における温度Ｔの上昇ΔＴ₁の大きさの少なくとも２０倍である、請求項５に記載の方法。
7. 第２時間ｔ₀＋Δｔまでの時間間隔における温度Ｔの上昇ΔＴ₂の大きさが第１時間ｔ₀−Δｔからの時間間隔における温度Ｔの上昇ΔＴ₁の大きさの少なくとも５０倍である、請求項６に記載の方法。
8. 第２時間ｔ₀＋Δｔまでの時間間隔における温度Ｔの上昇ΔＴ₂の大きさが第１時間ｔ₀−Δｔからの時間間隔における温度Ｔの上昇ΔＴ₁の大きさの少なくとも１００倍である、請求項７に記載の方法。
9. 前記時間間隔Δｔが最大５００ｍｓである、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. 前記時間間隔Δｔが最大２００ｍｓである、請求項９に記載の方法。
11. 前記２つの時間間隔の間の時点に割り当てられた光ファイバーの温度Ｔ₀が最大６００℃である、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記２つの時間間隔の間の時点に割り当てられた光ファイバーの温度Ｔ₀が最大２００℃である、請求項１１に記載の方法。
13. 光ファイバーによる溶融浴のパラメーターの測定装置であって、光ファイバーに接続された検出器及びカバーを有し、前記カバーが複数の層として光ファイバーを囲み、１つの層が金属管を備え、該金属管の内側に配置される中間層が粒子、繊維、または粒状材料を備え、該中間層の材料が複数の部分によって該光ファイバーを囲み、前記カバーが振動器を備えるか、または前記カバーの隣に配置された振動器を備える溶融浴のパラメーターの測定装置。
14. 前記パラメーターが温度である、請求項１３に記載の装置。
15. 前記溶融浴が溶融金属浴を備える、請求項１３または１４に記載の装置。
16. 前記中間層が不活性材料、二酸化珪素、酸化アルミニウム、または溶融浴に対して耐火性の材料を備える、請求項１３、１４、または１５に記載の装置。
17. 前記金属管が、金属、セラミック紙、厚紙、またはプラスチック材料製の外側の層を備える、請求項１３〜１６のいずれかに記載の装置。
18. 前記金属が亜鉛を備える、請求項１７に記載の装置。
19. 前記振動器が１００℃から１７００℃の間で気体を発生する材料を備える、請求項１３に記載の装置。
20. 前記振動器と前記カバーの間に前記振動器の振幅よりも小さい中間空間が配置される、請求項１３または１９に記載の装置。
21. 前記カバーの外側が軸方向に連続的に配置された不規則性を有し、それにより前記カバーの隣に配置された、光ファイバーのガイド部品上の障害物が光ファイバーが前進したときに該不規則性にかみ合う、請求項１３、１９、または２０に記載の装置。
22. 前記光ファイバーが、金属管の内側の層である金属スリーブによって囲まれている、請求項１３〜２１のいずれかに記載の装置。
23. 前記カバーの層が互いに直接的に接して配置されている、請求項１３〜２２のいずれかに記載の装置。
24. 前記金属スリーブが前記光ファイバーに直接的に接するように配置されている、請求項２２に記載の装置。

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