JP5248099B2 - 耐火物の厚み測定用端子および耐火物の厚み測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、耐火物の厚みを測定する際に用いる耐火物の厚み測定用端子および耐火物の厚み測定方法に関する。

例えば高炉の炉壁は、通常外側より鉄皮、不定形耐火物、冷却用ステーブ、スタンプ材、耐火煉瓦によって構成されているが、高炉炉底部の耐火煉瓦は常に溶銑にさらされているため、高炉の操業に伴い徐々に損耗する。そのため耐火煉瓦の残存厚み（残厚）の変化を高炉操業中に精度よく測定して管理することは、溶銑による鉄皮の溶損、溶銑の流出等の防止、さらには高炉の設備診断のために極めて重要である。

このため、耐火煉瓦の残存厚みを測定する方法が従来から種々提案されており、例えば特許文献１には、最外側の壁面の表面から内側の耐火煉瓦に向けて弾性波を送信し、耐火物最内面からの反射信号を最外側の壁面の表面にて受信して、耐火煉瓦の厚みを測定する方法が開示されている。また特許文献２においては、超音波振動子を内蔵した端子を被測定物の表面に接触させ、超音波の反射時間を測定して被測定物の厚みを測定することが開示されている。

特開２００１−２９４９１８号公報 特開２００５−３５４２８１号公報

しかしながら最外側の壁面の表面から内側の耐火煉瓦に向けて弾性波を送信する方法では、前記したスタンプ材の存在によって弾性波が吸収、散乱されて測定精度が影響を受ける場合があり、さらなる改良が望まれるところである。また超音波振動子を内蔵した端子を被測定物に接触させる方法は、振動子と被測定物との間に台座が介在しているため、振動子からの超音波を確実に、かつ測定に必要なレベルの出力で被測定物に伝わらせる必要上、導電性の台座を被測定物に接触させた状態で、端子全体を被測定物に強く押し付けなければならず、そのような押し付けのための装置が別途必要となっていた。またそのような装置を測定箇所近傍に設置する必要があり、その装置の設置には例えば直径約１５００ｍｍもの大きな占有領域が必要となっていた。そのため、測定場所によってはステーブ等の冷却構造の存在によって測定箇所に制約を受けたり、高炉炉底部におけるスペース的に余裕がない箇所では、測定できない場合があった。それゆえかかる点でさらなる改善が望まれている。

本発明はそのような点に鑑みてなされたものであり、耐火物の厚みを測定するにあたって、測定箇所の選択の自由度を向上させ、しかも精度よく耐火煉瓦等の耐火物の厚みを測定することを目的としている。

前記の目的を達成するため、本発明は、耐火物の厚みを超音波によって測定するための端子であって、一端面が露出するように前記耐火物に埋設された筒状の本体と、前記本体内に配置された付勢部材と、前記本体内に配置され、測定用端面が前記耐火物の表面に密着するように配置された圧電部と、前記本体の一端面側に配置され、前記付勢部材を前記圧電部側に押圧した状態で前記本体に固定自在な固定部材と、を有し、前記固定部材の外周面には、ネジ山が形成され、前記本体の内周面上部には、前記ネジ山に適合するネジ溝が形成され、これらネジ山とネジ溝との螺合によって、前記固定部材は前記本体に対して固定自在であり、前記本体の外周面には、ネジ山が形成され、前記本体は、前記耐火物に予め形成された穴のネジ溝に螺合することで、前記耐火物内に埋設されていることを特徴としている。

本発明によれば、本体はその端面が露出するように耐火物に埋設され、圧電部の測定用端面は耐火物の表面に密着しているので、例えば圧電部を超音波発信用の耐火物の厚み測定用端子として使用した場合、圧電部からの超音波は、従来のように途中で他の物質を経由することはなく、直接測定対象である耐火物へ伝えることができる。これによって、精度よく耐火物の厚みを測定することができる。また、付勢部材は圧電部側に押圧した状態で固定部材によって本体に固定され、このとき圧電部は付勢部材によって耐火物側に付勢されるから、端子全体を耐火物に対して強く押し付ける必要はない。これによって、従来必要とされていた押し付けのための装置が不要となり、端子の占有領域を小さくできるので、任意の箇所での測定が可能であり、測定箇所の選択の自由度を向上させることができる。

前記圧電部は、圧電素子と、圧電素子の下端面に密着して設けられた軟金属からなる接合材とを有していてもよい。

前記固定部材を貫通して前記圧電部にケーブルを接続した際に当該ケーブルを保護する保護部材が、前記固定部材に設けられていてもよい。

また、本発明は、耐火物の厚み測定方法において、上記耐火物の厚み測定用端子を用いて、カーボンブロックの厚みを測定することを特徴とする。

本発明によれば、耐火物の厚みを測定するにあたって、圧電部の測定用端面を耐火物の表面に密着させて、圧電部からの超音波を直接耐火物へ伝えることができ、測定精度を高くすることができる。また、従来のような端子全体を耐火物側に押し付ける事が不要であり、そのための装置も必要ない。したがって任意の箇所での測定が可能であり、測定箇所の選択の自由度を向上させることができる。

以下、 本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は本実施の形態にかかる測定用端子１の断面を示しており、本実施の形態では耐火物としてのカーボンブロックＣで構成された高炉の耐火煉瓦の厚みを測定する端子として構成されている。

測定用端子１は、例えばステンレス鋼からなる筒状の本体２を有している。本体２は、例えばその上面が露出するようにカーボンブロックＣに埋設されている。本体２の外周面にはネジ山２ａが形成されている。ネジ山２ａはカーボンブロックＣに螺合し、本体２はカーボンブロックＣに固定されている。本体２の上下両端は開口しており、下端部の開口部周縁には、内側に環状に突出した保持段部３が形成されている。保持段部３上には、中空の筒状のガイド４が設けられている。なお、ネジ山２ａのピッチと高さの比（アスペクト比）は、例えば１：１が好ましく、ネジ山２ａのピッチは、例えばカーボンブロックＣの粗骨材の平均粒径約０．５ｍｍの２倍である約１ｍｍであるのが好ましい。また、ネジ山２ａとカーボンブロックＣとの微小な隙間には、接着剤を充填してもよい。これによって、本体２をカーボンブロックＣ内に、より強固に固定させることができる。この場合の接着剤の材料には、例えばカーボンブロックCと同じ材料を主成とし、これにフェノール系樹脂をバインダとして混合したものが適している。

前記本体２内には、まず最も下端側に圧電部５が挿入、配置されている。この圧電部５は、略円柱形上の圧電素子６と、圧電素子６の下端面に密着して設けられた軟金属からなる接合材７とを有している。したがって、接合材７は、圧電素子６の下端面とカーボンブロックＣとの間に位置することになる。また接合材７の下面、すなわち測定用端面７ａは、図２に示すように、本体２の下端面からわずかに突出している。突出長Ｄは、１ｍｍ以下が好ましい。このように接合材７の測定用端面７ａを突出させるのは、後述のように測定対象物に密着させる際に、測定用端面７ａ全面を、測定対象物の表面に確実に密着させるためである。なお、接合材７に使用する軟金属としては、たとえば銅、インジウムが挙げられる。また圧電素子６の材料には、耐熱性に優れたニオブ酸リチウムが使用されている。

圧電素子６の上端面には、図１に示すように、円盤状の電極８が配置されている。この場合、電極８の下端面と圧電素子６の上端面との間に、前記接合材７と同様な材料からなる接合材９を介在させてもよい。

電極８の上端面には、中心に孔１０ａが形成された絶縁ワッシャ１０が配置されている。絶縁ワッシャ１０の上面には、圧電素子６及び接合材７をカーボンブロックＣ側に付勢する付勢部材としてのバネ１１が設けられている。より詳述すると、バネ１１の下端は、絶縁ワッシャ１０に当接し、このバネ１１はバネ押え部材１２の周囲に設けられている。このバネ押え部材１２は、バネ１１の上方に設けられ、中心に貫通孔１２ａが形成されたフランジ状の押え板１２ｂと、押え板１２ｂの中心から下方に延伸する管部１２ｃとを有している。そして管部１２ｃの外周にバネ１１が設けられ、バネ１１の中心位置が保持されている。

本体２の上端開口部には、中心に孔１３ａが形成された固定部材１３が設けられている。この固定部材１３の外周面にはネジ山１３ｂが形成され、本体２の内周面上部に形成されたネジ溝２ｂと螺合する。この固定部材１３を本体２に螺合させていくと、バネ押え部材１２の押え板１２ｂの上端位置が下降していく。このとき、本体２内の下端に配置されている接合材７はカーボンブロックCの表面と接しているので、絶縁ワッシャ１０と押え板１２ｂとの間のバネ１１を押圧して圧縮させることができる。そのときのバネ１１による付勢圧力は固定部材１３の締め付け度によって調整できるが、少なくともカーボンブロックＣの破断強度より小さく、例えば７．３５ＭＰａ以下とすることが適当である。

固定部材１３の孔１３ａには、後述するケーブル２０の引き出し部を保護する保護部材１４が設けられている。保護部材１４はその中心に孔１４ａを有し、その外周面にはネジ山１４ｂが形成されている。このネジ山１４ｂは固定部材１３の内周面上部に形成されたネジ溝１３ｃに螺合し、保護部材１４は固定部材１３に固定されている。

本実施の形態に測定用端子１は、以上の構成を有しており、例えばこの測定用端子１を超音波発信用の端子として使用する場合には、図１に示したように、電極８に接続されたケーブル２０を貫通孔１２ａから引き出して、このケーブル２０を介して、例えばパルス電源２１によって、超音波発信用のパルス電圧を印加すればよい。

次に、この測定用端子１をカーボンブロックC内に設置し、当該カーボンブロックCの厚みを測定する方法について説明する。まず、図３に示すように、カーボンブロックC内に、本体２の径と同一の径、又は本体２の径より僅かに小さい径を有する穴Hを形成する。この穴Ｈの深さは、本体２を穴Ｈに固定した際に本体２の上面が露出する深さとなっている。穴Ｈを形成する際、穴Ｈの内周にネジ溝３０を形成する。

カーボンブロックＣに穴Ｈを形成した後、図４に示すように、この穴H内に、ガイド４が設置された本体２をネジ込んでいく。このとき、本体２を回してカーボンブロックCの穴Hに対して螺合させる。そうすると、本体２が穴Hに固定される。なお、本体２を穴Hに挿入する際に、本体２の外周面に接着剤を付着させておき、本体２の外周面とカーボンブロックＣの表面との間を接着剤で固定してもよい。

本体２がカーボンブロックCの穴Hに固定されると、予め接合材７、圧電素子６、接合材９、電極８、絶縁ワッシャ１０、バネ１１及びバネ押え部材１２を下から順に組み立てたものを、図５に示すように、ガイド４に沿って本体２内に挿入する。このとき、接合材７の測定用端面７ａが本体の下端開口部から露出するように挿入される。

その後、例えばアムスラー等によってバネ押え部材１２に所定の外力を加えてバネ１１を圧縮させた状態で、図６に示すように、固定部材１３を回してネジ山１３ｂを本体２のネジ溝２ｂに螺合させながら挿入する。そして、固定部材１３によってバネ押え部材１２の上端位置が固定されると、バネ押え部材１２に加えていた外力を除去する。そうすると、圧電素子６及び接合材７をカーボンブロックＣ側に付勢させることができ、接合材７の測定用端面７ａをカーボンブロックＣの表面に密着させることができる。なお、バネ押え部材１２にかかる外力を除去した後に、固定部材１３を回してバネ押え部材１２の上端位置を調整し、その付勢圧力を調整してもよい。

以上のように接合材７の測定用下端面７ａがカーボンブロックＣの表面と密着するように、測定用端子１をカーボンブロックＣ内に複数設置する。そしてカーボンブロックＣの厚みを測定する際には、例えば一の測定用端子１を超音波発信用として用い、他の測定用端子１を反射波の受信用として使用する。具体的には、例えば一の測定用端子１の圧電素子６に測定用の電圧、例えばバルス電圧を印加することで、圧電素子６から超音波が発信され、接合材７を介してそのままカーボンブロックＣ内に伝播する。そしてカーボンブロックＣの炉壁内周面で反射した反射波を、他の受信用の測定用端子１で受信する。そうすると、反射時間と超音波の伝播速度から、カーボンブロックＣの厚みを測定することができる。

以上の実施の形態によれば、カーボンブロックＣの厚みを測定するにあたり、圧電素子６の下端面に接して設けられた接合材７の測定用端面７ａはカーボンブロックＣの表面に密着しているので、圧電素子６からの超音波は、従来のように途中で他の物質を経由することはなく、直接カーボンブロックＣへ伝えることができ、超音波の十分な発信レベル、受信レベルを確保できる。これによって、精度よくカーボンブロックＣの厚みを測定することができる。

また、バネ１１は圧縮された状態で固定部材１３によって本体２に固定され、そしてバネ１１によって圧電素子６及び接合材７をカーボンブロックＣ側に付勢させることができるので、測定用端子１全体をカーボンブロックＣに対して強く押し付ける必要はない。これによって、従来必要とされていた押し付けのための装置が不要となり、その結果、測定用端子１の占有領域が例えば直径約２５０ｍｍ程度で済むので、任意の箇所での測定が可能であり、測定箇所の選択の自由度を向上させることができる。

なお、以上の実施の形態では、固定部材１３を本体２内に挿入する際に、バネ押え部材１２に所定の外力を加えてバネ１１を圧縮させた状態で、固定部材１３を本体２に螺合させながら挿入していたが、この外力を加えずに、固定部材１３を回して本体２に螺合させていくことで、バネ押え部材１２の上端位置を固定しバネ１１を圧縮してもよい。かかる場合でも、圧電素子６及び接合材７をカーボンブロックＣ側に付勢させることができ、接合材７の測定用端面７ａをカーボンブロックＣの表面に密着させることができる。

本発明は、例えば高炉の炉底部、熱風炉、転炉、真空脱ガス設備における耐火物の厚みを測定する際に有用である。

本実施の形態にかかる測定用端子の側面断面図である。 図１の測定用端子の下端部分の拡大図である。 図１の測定用端子をカーボンブロックに設置する際に、カーボンブロックに測定用端子を埋設するための穴を形成した様子を示す説明図である。 図１の測定用端子をカーボンブロックに設置する際に、カーボンブロックに本体を固定した様子を示す説明図である。 図１の測定用端子をカーボンブロックに設置する際に、本体内に圧電素子等を挿入した様子を示す説明図である。 図１の測定用端子をカーボンブロックに設置する際に、本体内の圧電素子等を固定した様子を示す説明図である。

符号の説明

１ 測定用端子
２ 本体
２ａ ネジ山
２ｂ ネジ溝
３ 保持段部
４ ガイド
５ 圧電部
６ 圧電素子
７ 接合材
７ａ 測定用端面
８ 電極
９ 接合材
１０ 絶縁ワッシャ
１０ａ 孔
１１ バネ
１２ バネ押さえ部材
１２ａ 貫通孔
１２ｂ 押え板
１２ｃ 管部
１３ 固定部材
１３ａ 孔
１３ｂ ネジ山
１３ｃ ネジ溝
１４ 保護部材
１４ａ 孔
１４ｂ ネジ山
２０ ケーブル
２１ パルス電源
３０ ネジ溝
Ｃ カーボンブロック
Ｈ 穴

Claims (4)

1. 耐火物の厚みを超音波によって測定するための端子であって、
   一端面が露出するように前記耐火物に埋設された筒状の本体と、
   前記本体内に配置された付勢部材と、
   前記本体内に配置され、測定用端面が前記耐火物の表面に密着するように配置された圧電部と、
   前記本体の一端面側に配置され、前記付勢部材を前記圧電部側に押圧した状態で前記本体に固定自在な固定部材と、を有し、
   前記固定部材の外周面には、ネジ山が形成され、
   前記本体の内周面上部には、前記ネジ山に適合するネジ溝が形成され、
   これらネジ山とネジ溝との螺合によって、前記固定部材は前記本体に対して固定自在であり、
   前記本体の外周面には、ネジ山が形成され、
   前記本体は、前記耐火物に予め形成された穴のネジ溝に螺合することで、前記耐火物内に埋設されていることを特徴とする、耐火物の厚み測定用端子。
2. 前記圧電部は、圧電素子と、圧電素子の下端面に密着して設けられた軟金属からなる接合材とを有していることを特徴とする、請求項１に記載の耐火物の厚み測定用端子。
3. 前記固定部材を貫通して前記圧電部にケーブルを接続した際に当該ケーブルを保護する保護部材が、前記固定部材に設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の耐火物の厚み測定用端子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の耐火物の厚み測定用端子を用いて、カーボンブロックの厚みを測定することを特徴とする耐火物の厚み測定方法。

Images