JP6879267B2

JP6879267B2 - 耐火物ライニング構造体、および温度センサ

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Publication number: JP6879267B2
Application number: JP2018110892A
Authority: JP
Inventors: 佳谷口; 久宏松永; 井上　明彦; 明彦井上
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2038-06-11
Also published as: JP2019215094A

Description

本発明は、耐火物ライニングが施工された窯炉などの耐火物ライニング構造体、および温度センサに関する。

溶銑容器や溶鋼容器などの窯炉は、耐火物構造体を備える。耐火物構造体を構成する耐火物は、高温溶融物に接する内張り耐火物と、内張り耐火物が消耗した時のバックアップや断熱を目的とした外張り耐火物とに分けられる。内張り耐火物は、溶銑やスラグと接して高温にさらされることによって使用中に損耗する。損耗状況は、目視による内張り耐火物の稼働面の監視、耐火物構造体に熱電対を設置しての温度監視、および鉄皮の外面の温度の赤外線サーモグラフィーを用いての測定により把捉していた。

しかし、目視監視は、多くの場合、耐火物表面に付着物が存在するため充分に機能しない。また、熱電対による温度監視は、埋設できる熱電対に限りがあるため、測定範囲が限定されてしまう。赤外線サーモグラフィーによる温度監視は、鉄皮の外に設置された各種装置や支持部材、周辺設備などにより視野が妨げられるため、測定範囲が限定されてしまう。

これらの欠点を克服する損耗監視技術として、光ファイバセンサを用いた測温技術がある。光ファイバセンサは屈折率の高いコアと屈折率の低いクラッドとからなり、光をコアとクラッドの間で全反射させることで損失を低減し、長距離の伝達を可能とする。パルス光を光ファイバに入射し、光ファイバ内でラマン散乱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の比較を行うことで温度を導出し、後方散乱光の到達時間から位置を測定することで、光ファイバの長さ方向の各位置での温度を計測することができる。

ここで、光ファイバのうち、高温に耐える石英ガラスで構成される石英ガラスファイバは、そのままではわずかな曲げで折損するために直線敷設できる場所でないと対応できない。その欠点を補う方法として、ポリイミド等の樹脂被覆を光ファイバに施すことにより曲げ外周側の引っ張り応力による亀裂を軽減する方法がある。また、外部からの応力による折損を防ぐ方法として、金属製保護管の内部に光ファイバを挿入する方法がある。例えば、特許文献１には、ポリイミド樹脂で被覆された石英ガラスファイバを高ニッケル耐熱合金の内管に挿入し、さらにその内管の外側を高ニッケル耐熱合金又はステンレス鋼の外管で保護し、かつ内管内の空間に不活性ガスを流通させ、出銑樋の鉄皮内側に設けられた内張り耐火物の断熱層より内側に敷設し、樋内面の耐火物の損耗状況を推定する技術が提案されている。

特許第３００６４１７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された出銑樋の耐火物損耗検出方法は、センサの設置箇所が内張り耐火物の中であるために、内張り耐火物の損耗を敏感に検出できる一方で、内張り耐火物に亀裂が入り溶融金属が差し込む局所的な耐火物損耗に対しては過敏であり、外張り耐火物や鉄皮近傍まで溶融金属が差し込んで漏鋼の危険がある場合と、内張り耐火物の途中までしか溶融金属が差し込んでおらず漏鋼には至らない場合の区別ができない。そのため、内張り耐火物の途中までしか溶融金属が差し込んでおらず漏鋼には至らない場合でも溶銑容器や溶鋼容器の運用を停止して耐火物の点検が必要になる、誤報が多発するという問題があった。また、センサの設置箇所が内張り耐火物の断熱層より内側で高温であるために石英ガラスファイバの被覆樹脂が昇華消失し、曲げや引っ張りへの耐性が低下し、運用中の温度変化による金属製保護管の熱膨張や耐火物解体時の衝撃によって石英ガラスファイバが折損し、十分な寿命が得られない。また、内張り耐火物の内部に石英ガラスファイバを敷設するので弾性率や熱膨張率の違いによる応力が内張り耐火物の内部に発生し、内張り耐火物に亀裂が生じる原因となるという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、漏銑や漏鋼に至るような局所的な耐火物損耗を適切に検出でき、耐火物寿命を低下させることなく、耐火物異常を検知できる耐火物ライニング構造体を提供することを目的とする。また、本発明の別の目的は、センサの設置個所が高温であっても光ファイバを被覆する樹脂が昇華消失することを抑制できる温度センサを提供することにある。

本発明に係る耐火物ライニング構造体は、鉄皮側から順に、外張り耐火物、内張り耐火物を有する溶融金属容器の耐火物ライニング構造体であって、前記鉄皮と前記外張り耐火物との間に、樹脂で被覆された石英ガラスファイバが金属管に挿入されている温度センサを設け、前記温度センサは、前記金属管内に酸素濃度２％以下でありかつ水蒸気濃度１０ｇ／ｍ^３以下であるガスが、充填または常温における流速が０〜７５ｍ／ｓの流速で通気されていることを特徴とする。

本発明に係る耐火物ライニング構造体は、上記発明において、前記金属管は内径が１．８ｍｍ以上でありかつ外径が５．０ｍｍ以下であることを特徴とする。

本発明に係る耐火物ライニング構造体は、上記発明において、前記金属管内に充填または通気されている前記ガスの圧力を測定する圧力測定装置を備えることを特徴とする。

本発明に係る温度センサは、樹脂で被覆された石英ガラスファイバが金属管に挿入された構造を有するとともに、前記金属管内には、酸素濃度２％以下でありかつ水蒸気濃度１０ｇ／ｍ^３以下であるガスが、充填または常温における流速が０〜７５ｍ／ｓの流速で通気されていることを特徴とする。

本発明に係る温度センサは、上記発明において、前記金属管内に充填または通気されている前記ガスの圧力を測定する圧力測定装置を備えることを特徴とする。

本発明に係る耐火物ライニング構造体によれば、鉄皮と外張り耐火物との間に温度センサを設けたことによって、耐火物の亀裂などの局所的欠陥からの漏銑や漏鋼に至るような溶融金属の侵入を検知することができる。これにより、漏銑や漏鋼を未然に防ぐために必要な措置を取ることができる。また、本発明に係る温度センサによれば、センサの設置箇所が高温であっても石英ガラスファイバの被覆樹脂を所定温度以下に保持できるので、樹脂が昇華消失することを抑制できる。

図１は、本発明の一実施形態における溶鋼容器に適用された耐火物ライニング構造体を模式的に示す図である。図２は、図１に示す溶鋼容器の部分拡大図である。図３は、図２に示す温度センサの拡大図である。図４は、温度センサの敷設例を説明するための図である。図５は、温度測定結果を示す図である。図６は、温度センサに設けられた接続箱および端末箱を示す図である。図７は、接続箱の一例を模式的に示す図である。図８は、端末箱の一例を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態における耐火物ライニング構造体および温度センサについて説明する。この実施形態では、溶融金属を収容する溶融金属容器として、溶鋼を収容する溶鋼容器に適用された耐火物ライニング構造体について説明する。

［耐火物ライニング構造体］
図１は、本発明の一実施形態における溶鋼容器１に適用された耐火物ライニング構造体を模式的に示す図である。図２は、図１に示す溶鋼容器１の部分拡大図である。

図１に示すように、溶鋼容器１は、耐火物ライニングが施工された耐火物構造体２を備える。耐火物構造体２は、内側から外側へ順に、内張り耐火物３、外張り耐火物４、モルタル５、鉄皮６を有する。内張り耐火物３は溶鋼に接する耐火物である。外張り耐火物４は、内張り耐火物３が消耗した時のバックアップや断熱を目的とした耐火物である。モルタル５は、外張り耐火物４と鉄皮６との間に施工されている。鉄皮６の外側には、スライディングノズル７と、スライディングノズル駆動機構８と、パワーシリンダ９とが設置されている。図１に破線Ｃで示された範囲を拡大した図を図２に示す。

図２に示すように、モルタル５の内部には、温度センサ１０が埋め込まれている。溶鋼容器１では、鉄皮６と外張り耐火物４の間に温度センサ１０が設けられており、この温度センサ１０によって外張り耐火物４と鉄皮６の温度を測定する。図２に破線Ｄで示された範囲を拡大した図を図３に示す。

［温度センサ］
図３は、図２に示す温度センサ１０の拡大図である。図３に示すように、温度センサ１０は、石英ガラスファイバ１１からなる光ファイバセンサであり、樹脂１２で被覆された石英ガラスファイバ１１が金属管１３に挿入されている。石英ガラスファイバ１１は、屈折率の高い光ファイバ素線であるコア１１ａと、屈折率の低い光ファイバ素線であるクラッド１１ｂとからなる。樹脂１２は光ファイバの被覆樹脂であり、例えばポリイミド樹脂からなる。そして、金属管１３内の空間１４には、酸素濃度２％以下でありかつ水蒸気濃度１０ｇ／ｍ^３以下であるガスが充填または通気されている。

［温度センサの設置箇所］
本実施形態では、溶鋼容器１の鉄皮６と外張り耐火物４との間に温度センサ１０を設けたことにより、外張り耐火物４と鉄皮６の温度をより直接的に測定することができる。これにより、内張り耐火物３の亀裂への溶融金属の差し込みが、外張り耐火物４や鉄皮６近傍まで達して漏鋼の危険があるかどうかを適切に判別できる。溶融金属には、溶鋼に限らず、溶銑が含まれる。本発明に係る耐火物ライニング構造体には、溶鋼容器１に限らず、溶銑を収容する溶銑容器を対象とする耐火物ライニング構造も含まれる。

また、耐火物ライニング構造では内張り耐火物３が損耗した場合、鉄皮６と外張り耐火物４はそのまま残した状態で内張り耐火物３のみを解体し再施工することが一般的である。そのため、仮に温度センサを内張り耐火物３に設けた構造の場合は内張り耐火物３の解体再施工の都度温度センサも再施工する必要があったのに対して、本実施形態の構造では複数回の内張り耐火物３の解体再施工にわたって、鉄皮６および外張り耐火物４とともに温度センサ１０もそのまま残して再使用する事ができる。

さらに、実施形態の温度センサ１０では、樹脂１２で被覆された石英ガラスファイバ１１を、鉄皮６と外張り耐火物４との間に施工（敷設）するにあたっては、鉄皮６および外張り耐火物４との接触による石英ガラスファイバ１１の破損を防ぐために、樹脂１２で被覆された石英ガラスファイバ１１が金属管１３に挿入されている。これは、耐火物は一般に数十μｍ〜数ｍｍの耐火素材粒子を成形したものであり、耐火物内または耐火物表面に石英ガラスファイバ１１を施工した場合、耐火素材粒子と接した石英ガラスファイバ１１の表面には耐火素材粒子による局部的な力がかかり、石英ガラスファイバ１１の折損の危険があるためである。本実施形態の温度センサ１０によれば、金属管１３の内部に挿入された石英ガラスファイバ１１が樹脂１２で被覆されているため、樹脂１２によって石英ガラスファイバ１１の折損を抑制できる。

［金属管内部のガス］
溶銑容器や溶鋼容器１においては、溶銑や溶鋼と接している内張り耐火物３の内面３ａは１３００〜１７００℃の高温となり、外気と接する鉄皮６の外面６ａの温度は常温〜６００℃である。耐火物構造体２の内部の温度は、内張り耐火物３の内面３ａから鉄皮６の外面６ａにかけて単調に下がり、外張り耐火物４の外面の温度は鉄皮６の外面６ａの温度とほぼ等しくなる。内張り耐火物３の外面の温度および外張り耐火物４の内面の温度は、内張り耐火物３の残厚によって変化し、残厚が厚い時は２００℃程度であり、内張り耐火物３の損耗が進んで残厚が薄くなると８００℃程度まで上昇する。すなわち、内張り耐火物３の内部の温度は内張り耐火物３の損耗が進んで残厚が薄くなると８００℃以上となる。８００℃以上の温度では石英ガラスファイバ１１を被覆する樹脂１２は昇華消失する。

樹脂１２が昇華し発生するガスによって石英ガラスファイバ１１を劣化させてしまう事に対しては、金属管１３内に不活性ガスを流通させて、発生したガスを金属管１３内から追い出すことで劣化を抑制する技術はあったが、運用中の温度変化による金属管１３の熱膨張や耐火物解体時の衝撃によって石英ガラスファイバ１１が折損する事は避けられなかった。熱膨張については、一般に石英ガラスファイバ１１の熱膨張率に対して金属管１３の方が熱膨張率は大きい。このような熱膨張差を有することにより、温度が上昇すると金属管１３内の石英ガラスファイバ１１には引っ張り力が作用する。石英ガラスファイバ１１の弾性変形は小さく、塑性変形とクリープ変形は極めて遅いため、温度変化が急激な場所では、金属管１３の高速な熱膨張に石英ガラスファイバ１１の低速な塑性変形とクリープ変形が追従できず、石英ガラスファイバ１１が破断することがあった。

そこで、本発明者らは金属管１３に挿入した石英ガラスファイバ１１を、常温〜６００℃の温度である鉄皮６と外張り耐火物４との間に施工する構造とした。これにより、石英ガラスファイバ１１を被覆する樹脂１２の昇華消失を抑制して石英ガラスファイバ１１の折損を防ぎ、かつ内張り耐火物３の内部に発生する応力による内張り耐火物３の亀裂損傷を抑制する。すなわち、本実施形態では、石英ガラスファイバ１１を被覆する樹脂１２の昇華消失に伴う石英ガラスファイバ１１の折損を防止し、同時に、内張り耐火物３の内部に、弾性率や熱膨張率が異なる温度センサ１０を埋設することによる内張り耐火物３の亀裂の発生も回避することができる。また、放熱低減を目的として、鉄皮６と外張り耐火物４との間、外張り耐火物４と内張り耐火物３の間、外張り耐火物４を２層にしてその２層の間、のいずれかに断熱層（図示せず）を設ける場合がある。その場合は、外張り耐火物４と断熱層のいずれか鉄皮６に近い方と、鉄皮６との間に石英ガラスファイバ１１を施工すればよい。

また、常温〜６００℃の温度では石英ガラスファイバ１１を被覆する樹脂１２の昇華消失は進行しないにもかかわらず、温度センサ１０の使用中に樹脂１２が徐々に減肉していく事が観察された。そこで、本発明者らは、種々のガスを用いて樹脂１２の減肉速度を調査した結果、樹脂１２が減肉する速度は金属管１３内のガス中の酸素濃度に依存することを明らかにした。そして、金属管１３内のガスを酸素濃度２％以下でありかつ水蒸気濃度１０ｇ／ｍ^３以下とすれば石英ガラスファイバ１１を被覆する樹脂１２の減肉の速度は１０分の１以下に低減し、測定対象であるところの溶銑容器や溶鋼容器１の耐火物更新サイクルよりも長い耐用を得られることが確認できた。ここで、ガスの条件として、酸素濃度に加えて水蒸気濃度（水蒸気量）も規定したのは、水蒸気は高温では酸化作用を持つことと、水蒸気が石英ガラスと反応し石英ガラスファイバ１１の損失を増加させるためである。また、水蒸気濃度１０ｇ／ｍ^３の空気の露点は１０℃であり、低温部での水の凝縮によるガス通気抵抗の増大を避けるためにも水蒸気濃度は１０ｇ／ｍ^３以下とする必要がある。さらに、酸素濃度については、金属管１３内のガスの酸素濃度が低下すると樹脂１２の減肉の速度は低減する。例えば、酸素濃度を２１％（大気）から２％へと約１０分の１に低下させた時には樹脂１２の減肉の速度は１０分の１以下に低減し、酸素の低下率に対して減肉の低減率がほぼ同等であった。これに対し、酸素濃度を２％から１ｐｐｍへと２００００分の１に低下させた時には樹脂１２の減肉の速度は１０００分の１程度への低減が観察され、酸素の低下率ほどには減肉の低減率が低減しなかった。

そして、石英ガラスファイバ１１を保護する金属管１３の内部にガスを通気すると、金属管１３内の温度分布が影響を受け、石英ガラスファイバ１１による測温結果がガスの下流側に変位し、周辺の温度との平準化により位置解像度が低下するため、測温の位置精度が低下してしまう。そこで、本実施形態では、石英ガラスファイバ１１を内張り耐火物３ではなく、鉄皮６と外張り耐火物４との間に設けるので、鉄皮６の温度と外張り耐火物４の温度とは位置精度良く測定できるものの、内張り耐火物３の温度の位置精度は低下した。漏鋼に直結する鉄皮６や外張り耐火物４の異常な温度の監視に加えて、内張り耐火物３が正常に損耗していく過程での内張り耐火物３の残厚の推定ができれば操業指標としてより有益である。内張り耐火物３が広い範囲で均等に損耗していれば精度に不足は無いが、位置精度を高める事ができれば内張り耐火物３の比較的狭い範囲での残厚較差の把握も可能になる。そこで、本発明者らは測温における位置精度の向上を試みた。具体的には、位置精度の目標を一般的なレンガ１枚分に相当する１００ｍｍとし、金属管１３内に流通させるガスの流量を変化させて、測温結果のずれと位置解像度の低下を調査した。その結果、金属管１３内に通気されているガスの常温における流速を７５ｍ／ｓ以下とすることにより、測温結果のずれを１００ｍｍ以下とし、平準化の影響範囲も１０００ｍｍ以内とすることができた。金属管１３内に通気されているガスの常温における流速が低いほど測温の位置精度は向上するものの、流速が１０ｍ／ｓ以下の範囲では位置精度はほぼ一定となった。これは、常温における流速が１０ｍ／ｓを下回るとガスの流れが乱流から層流に遷移し、対流伝熱よりも輻射伝熱が支配的になったためと考えられる。このように、温度センサ１０を鉄皮６と外張り耐火物４との間に設けたことによる内張り耐火物３に関しての温度測定の位置解像度の低下への対策としては、測温における位置精度を高めて、１００ｍｍ程度のレンガ１枚分に相当する位置解像度を得るために、金属管１３内に充填または通気されているガスの常温における流速を７５ｍ／ｓ以下とする。

その一方で、本実施形態で対象とする常温〜６００℃の温度範囲では樹脂１２の昇華は進行しないので、昇華により発生したガスを追い出す必要は無い。したがって、金属管１３内に酸素濃度２％以下でありかつ水蒸気濃度１０ｇ／ｍ^３以下であるガスを一旦充填しさえすれば、その後は必ずしも当該ガスの流通を継続する必要はない。そのため、金属管１３の管面に欠陥が無く、かつ金属管１３の端部にガスケットなどのシール材を用いての管内の気密性が確保できる場合にはガスの流通を停止して充填状態としてもよい。

また、ガスの流通を停止して充填状態とする場合と、ガスの流通を継続する場合の双方において、ガスの圧力は特に規定しない。ガスの圧力を大気圧よりも高める場合は、圧力が測温の温度や位置の精度ならびに応答時間へ及ぼす影響は観察されなかったので、気密構造の耐圧などの要因から決定することができた。これは、ガスの熱伝導率は圧力の影響をほとんど受けないためと考えられた。ガスの圧力を大気圧よりも低めた場合も、ガスの圧力が１０Ｐａよりも高い範囲では圧力が測温の温度や位置の精度ならびに応答時間へ及ぼす影響はほとんど無かった。一方、ガスの圧力が１０Ｐａよりも低い範囲では、圧力の低下に応じて応答時間の延長が認められた。これは、ガスの平均自由行程が金属管１３の径に匹敵し、気体分子間の熱伝達が低下するためと考えられる。ガスの圧力が１０Ｐａよりも低い範囲でも圧力の低下に応じてガスの熱伝導率は低下するものの、輻射伝熱は影響を受けないので応答時間への影響は１秒以下であり、耐火物異常監視の用途では問題にならない。ただし、溶融金属の異常侵入などの高い温度域の監視の他に、冷却水漏れなどの１００℃以下の低温域の変化を監視したい場合には、低温域での輻射伝熱の低下を考慮すると１０Ｐａよりも高い圧力でガスを充填保持することが望ましい。

［金属管の内径と外径］
温度変化が急激な場所では、石英ガラスファイバ１１を保護する金属管１３の熱膨張によって石英ガラスファイバ１１が破断することがあった。そこで、温度変化に伴う金属管１３の熱膨張による石英ガラスファイバ１１の破断を抑制するために、金属管１３の内径を１．６ｍｍから１．８ｍｍへと大きくした。金属管１３の内径が１．８ｍｍの場合、例えば直径４．２ｍの有底円筒状に形成された溶鋼容器１の円筒部側面の円周方向に沿って石英ガラスファイバ１１を敷設しても、石英ガラスファイバ１１が破断することを回避できた。これは、金属管１３の内径を大きくして空間１４を広くしたことによって、太さが０．１ｍｍ程度と金属管１３の内径よりもはるかに細い石英ガラスファイバ１１を空間１４内により冗長に蛇行させておくことが可能となり、金属管１３の熱膨張で発生する引っ張り応力を低減できたと考えられる。このように、金属管１３の内径は１．８ｍｍ以上であることが望ましい。また、石英ガラスファイバ１１を保護する金属管１３の内径が大きいほど、より大きな設備へ温度センサ１０を敷設しても石英ガラスファイバ１１が破断することを回避できると考えられる。

ところが、金属管１３の厚さを変えずに金属管１３の内径を大きくすると、必然的に金属管１３の外径も大きくなる。そして、耐火物構造体２では、金属管１３の外径が大きいほど、鉄皮６と外張り耐火物４との間にモルタル５で埋め込んで施工する際に外張り耐火物４が傾きやすく、モルタル５の施工厚さを増すこととなりモルタル施工部に空隙ができやすいため、モルタル施工に熟練度と時間が必要となる。そこで、本発明者らは金属管１３の外径を変えてモルタル５で埋め込んだ際のモルタル５の施工の健全性を評価した。その結果、金属管１３の外径が５．０ｍｍを超えると、築炉工の経験年数によっては外張り耐火物４が傾いたりモルタル施工部に空隙が発生したりすることを確認した。さらに、金属管１３の外径が９．０ｍｍを超えると、築炉工の経験年数にかかわらずモルタル施工した外張り耐火物４の隣の、直前に施工した外張り耐火物４が動くため、外張り耐火物４を１枚施工するたびに１０秒程度の静置が必要となり、施工時間が大幅に延長した。このように、金属管１３の外径は５．０ｍｍ以下であることが望ましい。すなわち、金属管１３は内径が１．８ｍｍ以上でありかつ外径が５．０ｍｍ以下であることが望ましい。金属管１３の内径を１．８ｍｍ以上とすることによって、温度変化に伴う熱膨張による石英ガラスファイバ１１の破断を抑制することができる。加えて、金属管１３の外径を５．０ｍｍ以下とすることによって、鉄皮６と外張り耐火物４の間にモルタル５で埋め込む施工性を向上することができる。

さらに、内径１．８ｍｍ以上の金属管１３内を石英ガラスファイバ１１が蛇行しているため、金属管１３の長さ方向の位置と、石英ガラスファイバ１１の長さ方向の位置は厳密には一致しない。そこで、温度センサ１０を敷設施工した時に特定の箇所を加熱または冷却して温度信号を記録し、実際に温度を変化させた位置と変化が測定された位置とを対応させておけば、測定結果から正確な位置を求めることができる。また、溶鋼容器１や溶銑容器の鉄皮６の外面に、補強リブなどの放熱効果により周囲よりも温度が低くなる場所、あるいは表面を被覆するように設置された部材により周囲よりも温度が高くなる場所がある場合には、その場所と測定位置を対応させることによって測定結果から正確な位置を求めることができる。

また、金属管１３で保護された石英ガラスファイバ１１を有する温度センサ１０の敷設にあたっては、温度センサ１０を交差させると金属管１３の外径の二倍よりも大きいモルタル５の施工厚さが必要になるため望ましくない。つまり、温度センサ１０は、金属管１３が交差しないように敷設されることが望ましい。その敷設の一例を図４に示す。

図４に示すように、温度センサ１０は、溶鋼容器１の内部で鉄皮６の内面沿いにらせん状に敷設され、かつ金属管１３が重ならないように敷設されている。温度センサ１０の敷設後、溶鋼容器１を使用開始する前に、図４に破線の囲みで示す加熱位置、すなわち溶鋼容器１の鉄皮６の外側であって特定方向の縦直線上の範囲を、溶接バーナーで加熱して、その際の温度を温度センサ１０で測定した。この測定結果を図５に示す。図５に示すように、この測定結果から、溶鋼容器１の位置と温度センサ１０上の位置との対応が正確に把握できるようになり、金属管１３内の空間１４を石英ガラスファイバ１１が蛇行することによる測温位置のずれを良好に修正できた。

また、石英ガラスファイバ１１からなるパルス光の経路には、融着またはメカニカルスプライスで他の光ファイバと接続した箇所があってもよい。ただし、金属管１３内にガスを充填または流通させるために、他の光ファイバとの接続部は６００℃に耐える耐熱性と気密性を持ち、かつ前後の金属管１３同士の間に通気性を有する必要がある。この条件を満たすために、接続部の構造は２種類を採用した。１つ目の構造は、図６および図７に示すように、接続部が内寸１０×２０×３ｍｍで板厚１ｍｍの鋼板で作成された箱（以下、接続箱）２０であり、接続箇所２１で石英ガラスファイバ１１を融着した上で金属管１３を端部同士が密着しない状態で接続箱２０内にろう付けし、金属管１３の端部同士の間を鋼製の半割管からなる覆い材２２で覆い、ろう材２３を筐体２４内に充填して蓋２５で閉じて固定密封した。ろう材２３の溶融温度で接続箱２０の耐熱性が決まるため、ろう材２３の選定は重要である。融点が５８０℃のＡｌ−１１．７Ｓｉ、融点が６８０℃のＡｕ−７．４Ｇｅ、融点が７６０℃のＡｕ−２Ｓｉを用いたが、Ａｕ−２Ｓｉは融点が高いために石英ガラスファイバ１１の耐熱温度を超えないように、接続箱２０を予熱するなどして必要最低限の低温でろう付けすることが必要であった。接続箱２０は温度センサ１０の延長用として機能し、長距離の測定で必要となり、石英ガラスファイバ１１の破断部を部分更新する際に用いることもできる。接続部の構造の２つ目は、金属管１３とともに石英ガラスファイバ１１を鉄皮６の外に貫通させ、鉄皮６の外で接続する方法である。この方法は、１つ目の方法に比べ、より低温の場所で接続できることと、接続部をモルタル５の厚さに収める必要が無いことから、より低温のろう材を用いることが可能となる。そのため、ろう付け時に石英ガラスファイバ１１が破損する危険性が低く、使用できる接続部の寸法が大きくできるために、作業性が良いうえに、ろう材を用いずに機械的なガスケット材を用いての外気に対しての気密性と金属管１３同士の通気性の確保が可能となる。

［金属管の気密性］
上述したように、温度センサ１０の設置箇所、金属管１３内部のガス、ならびに金属管１３の内径と外径を工夫しても、何らかの変形や衝撃によって、温度センサ１０の石英ガラスファイバ１１が破断することはまれにある。また、内張り耐火物３と外張り耐火物４との境界まで溶鋼が差し込んで石英ガラスファイバ１１が９００℃以上にさらされて結晶化などの変質をして測温が困難になっても、内張り耐火物３の損耗部位が狭い範囲であれば吹き付けなどの熱間補修を施したうえで耐火物を解体再施工することなく使用を継続する場合がある。このような場合には、次の外張り耐火物４の更新で石英ガラスファイバ１１を再施工するまでの間、石英ガラスファイバ１１の測温による異常損耗検知ができない状態で使用を継続することになり、予防的な熱間補修や使用を中断しての点検を余儀なくされる。

このように、石英ガラスファイバ１１が破断したり変質したりして測温ができなくなっても、石英ガラスファイバ１１よりも弾塑性変形能の高い金属管１３は破断せずに気密性を保っていることが多い。そこで、石英ガラスファイバ１１が機能を失った後も、気密性を保っている金属管１３を活用して、耐火物の異常損耗による漏鋼事故を未然に検知する方法を模索した。本発明者らは、鉄皮６と外張り耐火物４との間で石英ガラスファイバ１１を埋設しているモルタル５の特性に着目した。モルタル５は、施工直後は通気性が無いものの、溶鋼容器１の使用を開始して温度が上昇すると付着水や結晶水の蒸散により通気性が生じ始める。特に、内張り耐火物３が損耗して漏鋼の危険が生じるような時期においては、モルタル５中の付着水や結晶水の蒸散はほぼ完了し、高い通気性を有している。また、上述したように、本発明者らは、金属管１３内に充填または流通されているガスの圧力が１０Ｐａ以下でありかつ１００℃以下の低温域の変化を監視したい場合を除いては、金属管１３内に充填または流通されているガスの圧力は測温の温度や位置の精度ならびに応答時間へ及ぼす影響はほとんど無いことを明らかにした。これらの知見から、本発明者らは、金属管１３内に充填または流通されているガスの圧力を監視することによって、金属管１３が溶鋼の差し込みにより高温に達して破断したことを検知することを着想した。例えば、金属管１３の材質に炭素鋼やステンレス鋼を用いた場合、これらの材質の融点はおよそ１５００℃であり、１５００℃以上の溶融金属が金属管１３近傍にまで到達しない限り金属管１３は溶融しない。ところが、炭素鋼やステンレス鋼の強度は、融点よりもはるかに低い５００℃でおよそ半減し、１０００℃では１０分の１以下にまで低下するため、１５００℃以上の溶融金属が金属管１３に直接到達しなくても金属管１３の破断に至ることが観察された。そのため、金属管１３内に充填または流通されているガスの圧力を大気圧とは異なる圧力として測定しておけば、ガスの圧力が大気圧に近付く方向に変化することを観察することによって、金属管１３の破断を検知することができる。金属管１３の破断は１５００℃以上の溶融金属が金属管１３に直接到達する前に起こるので、漏鋼を事前に検知して、溶鋼容器１の使用を中断して耐火物構造体２を補修するなどの必要な対応を施すことができる。このようにガスの圧力を監視する方法として、金属管１３の内部に充填または通気されているガスの圧力を測定する圧力測定装置（圧力計）を用いる例を図６および図８に示す。

図６および図８に示すように、温度センサ１０は、両端側に接続された端末箱３０を有する。端末箱３０には金属管１３の他にガス出入口４０が接続されている。端末箱３０は、鋼板からなる筐体３１および蓋３２により形成された気密性を有するガス供給構造の箱であり、その内部空間にガス出入口４０および金属管１３が連通している。金属管１３はシール材３３によって端末箱３０と気密状態で固定されている。シール材３３は、シリコーンシーラント、ろう材などである。このシール材３３に加えてクランプやエポキシ樹脂などの固定材により金属管１３が端末箱３０に固定されてもよい。また、ガス出入口４０はガス供給配管４１に連通している。ガス供給配管４１には流量調整弁や調圧弁などが接続されていてもよい。この端末箱３０には、金属管１３内のガスの圧力を測定する圧力計５０が設けられている。図８に示す例では、圧力計５０はガス出入口４０に接続されている。また、圧力計５０により測定した圧力が異常値である場合に警報を発する警報機器５１が設けられている。さらに、端末箱３０の内部では接続箇所３４で石英ガラスファイバ１１が融着されている。石英ガラスファイバ１１は、端末箱３０の外部に延長されており、ラマン散乱光を測定するラマン散乱測定機器６０に接続されている。端末箱３０とラマン散乱測定機器６０との間を接続する光ファイバは常温環境であるため保護用の金属管が不要である。ラマン散乱測定機器６０は、石英ガラスファイバ１１で生じるラマン散乱光を測定することにより温度を導出することができる装置である。このように、高温の測温部（温度センサ１０）と常温のラマン散乱測定機器６０との間に端末箱３０を設置し、その端末箱３０にガス供給配管４１を接続し、端末箱３０近傍の配管の圧力を圧力計５０で測定するように構成されている。そして、金属管１３内に充填または通気されているガスの圧力を圧力計５０で測定することによって、異常な高温や衝撃で石英ガラスファイバ１１が破断した後も温度センサ１０を用いて漏鋼などの事故を未然に検知することができる。なお、図８に示す圧力計５０は一例であって、ガス出入口４０に接続された構造の圧力測定装置に限定されず、金属管１３内のガスの圧力を測定できる圧力測定装置であればよい。

さらに、金属管１３内に充填または流通されているガスの圧力と大気圧との差が大きいほど、金属管１３の破断検知には有利である。例えば、金属管１３内部のガスの圧力を大気圧よりも加圧する場合は、ガスの圧力を２００ｋＰａ以上とすれば大気圧に対して１００ｋＰａ以上の差を確保することができるので、圧力変化の検出精度の観点から望ましい。ただし、ガスを金属管１３内に充填する場合は、金属管１３の温度変化によっても金属管１３内のガスの圧力が変化する。例えば、温度が常温から５５０℃に上昇すると、圧力は３倍に上昇する。これを考慮すると、耐圧９００ｋＰａのガス設備を温度センサ１０に接続する場合は、ガスの圧力は常温で３００ｋＰａ以下の圧力としておく必要がある。

また、石英ガラスファイバ１１からなる測温センサは全長数ｋｍ以上にわたる測定も可能であるので、ガスを金属管１３内に流通させる場合は配管の圧損が無視できない。そのため、ガスの上流側から下流側にかけて圧力が低下することから、ガスの下流側端部においても通気抵抗を持たせて圧力を高めることが望ましい。

次に、耐火物の測温方法の実施例および比較例について説明する。

［実施例１］
実施例１では、上述したライニング施工を施した実施形態の溶鋼容器１において、溶鋼容器１の外径を４ｍ、鉄皮６の厚さを３８ｍｍ、外張り耐火物４を厚さ６０ｍｍの高アルミナ質とした。温度センサ１０については、石英ガラスファイバ１１の外径を０．１５ｍｍとして、ポリイミド樹脂からなる樹脂１２を被覆した。また、金属管１３は内径２．２ｍｍ，外径３．２ｍｍのステンレス製とした。この金属管１３に挿入された石英ガラスファイバ１１を有する温度センサ１０は、鉄皮６と外張り耐火物４との間の位置にモルタル５を用いて敷設されている。モルタル５の厚さは金属管１３の外径よりもやや大きい４ｍｍとした。

そして、実施例１では、石英ガラスファイバ１１を挿入した金属管１３の中に、酸素濃度が２％であり水蒸気濃度１０ｇ／ｍ^３のアルゴンを常温で１５リットル／ｍｉｎの流量で通気した。この場合、金属管１３内のガスの流速は常温で７５ｍ／ｓに相当する。

その結果、実施例１では、溶鋼容器１を使用開始して１２か月経過しても石英ガラスファイバ１１による温度測定は可能であり、複数回の内張り耐火物３の解体再施工にわたって石英ガラスファイバ１１は再施工することなく継続的に使用できた。

［比較例１］
比較例１では、上記実施例１と同様のライニング施工を施した溶鋼容器１を対象として、金属管１３内にガスを充填または通気させることはせず、大気雰囲気のままで温度センサ１０を敷設して使用した。その結果、溶鋼容器１の使用開始初日に石英ガラスファイバ１１による温度測定が不能となった。温度センサ１０を回収して調査したところ、石英ガラスファイバ１１を被覆していたポリイミド樹脂が消失しており、石英ガラスファイバ１１が破断していた。

石英ガラスファイバ１１が破断しても、温度センサ１０の両端から破断部までの間の測定は可能であるが、両端の間で送受信する測定（ループ測定と呼ばれ、後方散乱と透過光の双方を受信する）が片端から送受信する測定（シングルエンド測定と呼ばれ、後方散乱光のみを受信する）となり測定精度が低下すること、高温の部位ほど破断しやすいので最も監視が必要な部位の測定ができなくなること、複数箇所で破断した場合は破断箇所間の範囲の測定ができなくなること、の３点から漏鋼検知の目的には使用できなくなった。

［比較例２］
比較例２では、温度センサ１０の設置位置を、上記実施例１での鉄皮６と外張り耐火物４との間から、外張り耐火物４と内張り耐火物３との間に変更してモルタル５を用いて施工した。その結果、比較例２では、溶鋼容器１の使用開始後１週間程度で石英ガラスファイバ１１による温度測定が不能となった。温度センサ１０を回収して調査したところ、石英ガラスファイバ１１を被覆していたポリイミド樹脂が消失しており、石英ガラスファイバ１１が破断していた。

［比較例３］
比較例３では、上記比較例２と同様のライニング施工を施した溶鋼容器１において、石英ガラスファイバ１１を挿入した金属管１３の中に通気するガスを、市販の純度９９．９９９９％のアルゴンに変更した。その結果、溶鋼容器１の使用開始後１週間程度で石英ガラスファイバ１１による温度測定が不能となった。温度センサ１０を回収して調査したところ、石英ガラスファイバ１１を被覆していたポリイミド樹脂が消失しており、石英ガラスファイバ１１が破断していた。

［実施例２］
実施例２では、上記実施例１の温度センサ１０から、金属管１３の外径を６．０ｍｍ、内径を４．６ｍｍに変更して実施した。その他、溶鋼容器１の施工は、実施例１と同様である。その結果、溶鋼容器１を使用開始して１２か月経過しても石英ガラスファイバ１１による温度測定は可能であり、複数回の内張り耐火物３の解体再施工にわたって石英ガラスファイバ１１は再施工することなく継続的に使用できた。しかし、金属管１３の外径が大きくなったためにモルタル５の施工厚さが増加し、モルタル層内に空隙などの欠陥が見られたため、施工を熟練工に限定する必要があった。

［実施例３］
実施例３では、上記実施例１の施工を、金属管１３の外径を２．６ｍｍ，内径を１．６ｍｍに変更し、かつ、溶銑容器に施した。溶鋼容器１に対して溶銑容器は、保持する内容物が１６００℃前後の溶鋼に対して１４００℃前後の溶銑であることと、溶融金属を受けてから空になって次に溶融金属を受けるまでの使用サイクルが６時間に対して１２時間であることから、使用する温度域が低く温度変動も緩やかであるという違いがある。その結果、溶銑容器を使用開始して１２か月経過しても石英ガラスファイバ１１による温度測定は可能であり、複数回の内張り耐火物３の解体再施工にわたって石英ガラスファイバ１１は再施工することなく継続的に使用できた。この実施例３の結果から、本発明は溶鋼容器に限らず溶銑容器にも適用可能、すなわち溶融金属を内容物として収容する溶融金属容器に適用可能であることが分かった。

［比較例４］
比較例４では、上記実施例３と同様に金属管１３の外径を２．６ｍｍ，内径を１．６ｍｍとし、上記実施例３の施工を、溶鋼容器１に施した。その結果、溶鋼容器１の使用開始の３日目に石英ガラスファイバ１１による温度測定が不能となった。温度センサ１０を回収して調査したところ、石英ガラスファイバ１１を被覆するポリイミド樹脂は残存していたものの、石英ガラスファイバ１１が破断していた。

［比較例５］
比較例５では、上記実施例１の施工を、金属管１３に通気するアルゴンを常温で２５リットル／ｍｉｎの流量に変更して実施した。その結果、測温の位置がガスの下流側に１００ｍｍ以上ずれ、かつ前後に平滑化されて位置解像度が低下したことに加えて、測定温度が低下した。

［実施例４］
実施例４では、上記実施例１の施工を、金属管１３にアルゴンを常温で１５リットル／ｍｉｎで１時間通気した後に停止し、圧力３００ｋＰａで充填した状態で気密保持するように変更して実施した。さらに、溶鋼容器１の使用開始後も金属管１３内のアルゴンの圧力を監視した。その結果、溶鋼容器１を使用開始して６か月経過しても石英ガラスファイバ１１による温度測定は可能であり、複数回の内張り耐火物３の解体再施工にわたって石英ガラスファイバ１１は再施工することなく継続的に使用できた。そして、７か月目に石英ガラスファイバ１１の測定温度が９００℃の異常高温を示したので、溶鋼容器１の使用を中断して耐火物を点検した。点検の結果、内張り耐火物３が局部的に剥離消失し、当該部位の外張り耐火物４が一部損耗していたが、狭い範囲であったので吹き付け熱間補修を行い、溶鋼容器１の使用を再開した。９００℃の異常高温を示した部分の石英ガラスファイバ１１は温度の測定が不可能となっていたが、金属管１３の気密性は損なわれておらず、常温で圧力３００ｋＰａで充填し、気密保持することは継続できた。溶鋼容器１の使用を再開した２週間後に、金属管１３内のガスの圧力が大気圧であるところの１００ｋＰａに降下したので溶鋼容器１の使用を中断して、内張り耐火物３を点検した。点検の結果、前回局部的に損耗して吹き付け熱間補修をおこなった部位が再度損耗しており、外張り耐火物４の目地まで溶鋼が侵入していたので解体再施工を実施することとした。

１溶鋼容器
２耐火物構造体
３内張り耐火物
４外張り耐火物
５モルタル
６鉄皮
７スライディングノズル
８スライディングノズル駆動機構
９パワーシリンダ
１０温度センサ
１１石英ガラスファイバ
１１ａコア
１１ｂクラッド
１２樹脂
１３金属管
１４空間
２０接続箱
３０端末箱
４０ガス出入口
４１ガス供給配管
５０圧力計
６０ラマン散乱測定機器

Claims

鉄皮側から順に、モルタル、外張り耐火物、内張り耐火物を有する溶融金属容器の耐火物ライニング構造体であって、
前記鉄皮と前記外張り耐火物との間に施工されるモルタル層に、樹脂で被覆された石英ガラスファイバが、内径１．８ｍｍ以上でありかつ外径が５．０ｍｍ以下である金属管に挿入されている温度センサを設け、
前記温度センサは、前記金属管内に酸素濃度２％以下でありかつ水蒸気濃度１０ｇ／ｍ^３以下であるガスが、充填または常温における流速が０〜７５ｍ／ｓの流速で通気されている
ことを特徴とする耐火物ライニング構造体。
前記金属管内に充填または通気されている前記ガスの圧力を測定する圧力測定装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の耐火物ライニング構造体。
溶融金属容器の鉄皮と耐火物との間に施工されるモルタル層内に敷設される温度センサであって、
樹脂で被覆された石英ガラスファイバが、内径が１．８ｍｍ以上でありかつ５．０ｍｍ以下である金属管に挿入された構造を有するとともに、前記金属管内には、酸素濃度２％以下でありかつ水蒸気濃度１０ｇ／ｍ^３以下であるガスが、充填または常温における流速が０〜７５ｍ／ｓの流速で通気されていることを特徴とする温度センサ。
前記金属管内に充填または通気されている前記ガスの圧力を測定する圧力測定装置を備えることを特徴とする請求項３に記載の温度センサ。