JPH0815040A - 光ファイバーによる高温液体の測温装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光ファイバーを用いて高温液体の温度、例え
ば炉内の溶湯温度等の長期間連続測定が可能で、且つ応
答性が早く、測定精度も良い光ファイバーによる高温液
体の測温装置を得る。 【構成】 金属管からなり、高温液体を保持する炉４０
に貫通して配置され、一方の端部が高温液体に接する測
温ノズル２０と、予めドラムに巻込まれた金属管被覆光
ファイバー１１の一端を測温ノズル２０の他方の端部か
ら挿通させて炉４０内の高温液体中に連続的又は断続的
に送り出す光ファイバー供給装置１０と、測温ノズル２
０に対してノズル詰り防止ガスを送給し、そのガス流量
を所定の条件が満足するように調整するガス供給装置３
０と、金属管被覆光ファイバー１１の他端に接続され、
高温液体の温度を計測する放射温度計１７とを備えてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバーを用いて
高温液体の温度、例えば炉内の溶湯温度等を計測する装
置に関し、特に連続的な温度測定が可能な測温装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】炉内の溶湯温度を計測する方法として
は、従来、例えば鋼の精錬炉である溶銑を脱炭処理する
転炉等においてはサブランス方式又は人力による熱電対
計測法が実施されている。サブランス方式においては、
炉（容器）の原材料投入口等から、ランス状可動体のラ
ンス先端に取付けられた測温体によって温度計測が実施
される。

【０００３】従って、サブランス方式においては、次の
ような不都合があった。まず、炉（容器）の大きさに比
例して測温装置が巨大化する。また、測温体が１回限り
使用の使い捨てのために、測温毎に測温体の取替をする
必要があり、その取替装置が付属的に必要となる。ま
た、測温毎に消耗式熱電対の取替を要するために、操業
処理時の溶融温度の測定は間欠的にならざるを得ず、ま
た、測温体を使い捨てる経済的な理由により頻繁に測温
することができない。従って、処理終点の実績温度と目
標温度とが必ずしも一致せず、エネルギーロスの発生、
生産コストの上昇、生産性の阻害等が生じた。

【０００４】次に、炉内の温度を連続的に測定する方法
の公知文献としては、例えば特開昭６１−９１５２９号
公報に示されたものがある。この文献において提案され
ている測温法は、光ファイバーを用いて炉内の測温をす
るものであるが、測温ノズルの先端部に光ファイバー先
端が固定されているため、測温ノズルの先端から吹込ん
でいるガス層を通して測温することになり、測定精度上
大きな問題がある。また、光ファイバー先端は高温に長
時間さらされていることになり経時変化による問題もあ
る。

【０００５】また、特開昭６３−２０３７１６号公報に
おいては、溶鋼温度を連続的に測定し吹錬中及び終点の
温度が目標値になるように、また、昇温速度の変化率か
ら終点での成分量を推定する溶鋼の精練制御方法におい
て、「転炉等の反応容器の底部、側壁、あるいは上部か
ら光ファイバーを溶鋼中に浸漬し、光ファイバーと接続
する放射温度計により溶鋼温度を連続的に測定する方法
を用いることができる」と記載されているが、その具体
的な記述はなく、技術的内容は不明である。

【０００６】本願出願人は、先に出願した特願平４−７
８７３６号（特開平５−７８７３６号公報）において、
金属管被覆光ファイバーの先端部を測温エレメントとし
て高温液体中に挿入し、この光ファイバーの先端部では
黒体放射条件が成立するという計測原理を用い、光ファ
イバーの他端に放射温度計を接続し温度計測を行なう装
置、並びに金属管被覆光ファイバーを送り出すと共に巻
戻す光ファイバー搬送手段を設けて、高温液体の温度計
測を行なう時間のみ、金属管被覆光ファイバーの先端部
を短時間高温液体中に挿入し、計測完了後直ちにその先
端部を引上げ、この測温エレメントとして使用した先端
部は切断し、次の計測時には新しい先端部を用いて計測
する温度計測装置を提案した。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特願平
４−７８７３６号（特開平５−７８７３６号公報）によ
る温度測定装置は、間欠的な測温装置であり、一定時間
又は測温毎に測温エレメントとして使用した光ファイバ
ー先端部の切断を必要としていた。従って、この装置で
は長期間の連続測定ができないという問題点があった。

【０００８】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであり、光ファイバーを用いて高温液
体の温度、例えば炉内の溶湯温度等の長期間連続測定が
可能で、且つ応答性が早く、測定精度も良い光ファイバ
ーによる高温液体の測温装置を得ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光ファイバ
ーによる高温液体の測温装置は、金属管からなり、高温
液体を保持する容器に貫通して配置され、一方の端部が
高温液体に接する測温ノズルと、予めドラムに巻込まれ
た金属管被覆光ファイバーの一端を測温ノズルの他方の
端部から挿通させて容器内の高温液体中に連続的又は断
続的に送り出す光ファイバー供給手段と、測温ノズルに
対してノズル詰り防止ガスを送給し、そのノズル詰り防
止ガス流量を次の（１）式を満足するように設定したガ
ス供給手段と、金属管被覆光ファイバーの他端に接続さ
れ、高温液体の温度を計測する放射温度計とを備えてい
る。

【００１０】

【数２】

【００１１】

【作用】本発明においては、光ファイバー供給手段は、
予めドラムに巻込まれた金属管被覆光ファイバーの一端
を測温ノズルを挿通させて容器内の高温液体中に連続的
又は断続的に送り出し、金属管被覆光ファイバーの他端
に接続された放射温度計は容器内の高温液体の温度を計
測する。この測温ノズルの内壁と金属管被覆光ファイバ
ーの外周部との間に形成される空隙にはノズル詰り防止
ガスが供給され、測温ノズルの先端側が閉塞されるのを
防止する。

【００１２】ところで、測温ノズルに例えばアルミナ等
のセラミックスのパイプや、マグカーボン（ＭｇＯ−
Ｃ）等の耐火物に貫通孔をあけたものを使用すると、そ
の測温ノズルが使用中に熱応力、熱衝撃等により破断し
てしまうことがあり、その場合には溶湯の測温ノズル内
への侵入により測温ノズルが詰って測温不能になる。そ
のため、本発明においてはこの測温ノズルにステンレス
等の金属管を使用する。また、ノズル詰り防止のため
に、この金属管にアルゴン、窒素等の不活性ガスを供給
するが、不活性ガスを流す際に、その量が多すぎると、
測温ノズルの先端にマッシュルーム（溶融金属が部分的
に凝固したスポンジ状のかたまり）が形成され、この場
合にも測温ノズルが詰まって金属管被覆光ファイバーの
挿入ができなくなる。マッシュルームの生成に対して
は、酸素を吹くことにより、マッシュルームを溶解して
光ファイバーの供給を可能にすることも考えられるが、
酸素を吹いた場合には測温ノズルの溶損が問題になる。
また、測温ノズルの出口近傍で金属の酸化反応が生じ
て、測定精度が悪くなる。従って、ノズル詰り防止用の
ガス流量は、少ない方がよいが、あまり少ないと逆に測
温ノズルの金属管が溶融してしまい、金属管被覆光ファ
イバーと溶着してやはり測温不能になることがある。

【００１３】本発明者らは金属管からなる測温ノズルを
用いて光ファイバーを供給する際の測温ノズルの先端の
溶融に関して種々実験を重ね、ガスの温度、ガスの種
類、流量及び溶湯温度、溶湯成分及びノズル径の間の関
係を上記の（１）式の条件を満足するようにした時に、
測温ノズルの先端の溶融がない状態で安定して連続的に
光ファイバーを供給することができることを見出だし
た。従って、（１）式に示す範囲にガス流量を調整する
ことにより、金属管（測温ノズル）の溶融を防止しなが
ら長時間安定して連続的に測温できる。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の一実施例に係る光ファイバー
による高温液体の測温装置の構成を示すブロック図であ
る。同図において、１０は光ファイバー供給装置であ
り、金属管被覆光ファイバー１１、モータ１２、ローラ
１３、送りコントローラ１４、送り速度検出器１５、光
ファイバードラム１６及び放射温度計１７から構成され
る。２０は炉内に金属管被覆光ファイバー１１を挿入す
るための測温ノズルであり、測温羽口ともいう。２１は
測温ノズル２０と結合される光ファイバーガイドであ
り、金属管被覆光ファイバー１１を挿通させると共に、
ノズル詰り防止ガスが供給される。３０はノズル詰り防
止ガス供給装置であり、圧力／流量調整器３１、供給ガ
スコントローラ３３、供給ガス生成部３４及びガス圧力
検出器３５から構成される。４０は例えば転炉、電気炉
等の炉である。なお、図示の例においては炉４０の側壁
に測温ノズル２０を設けた例を示しているが、測温ノズ
ル２０は炉４０の底部に設けてもよい。

【００１５】本実施例において、高温液体の温度、例え
ば炉内の溶湯温度を測定する場合には、金属管被覆光フ
ァイバー１１の先端部をノズル詰り防止ガス（例えば窒
素ガス、アルゴン）と共に、炉４０内の溶融金属又はス
ラグに直接挿入する。このとき、金属管被覆光ファイバ
ー１１の先端部が高温により溶損するので、この溶損し
た分だけ新しい光ファイバーを絶えず送り出して供給を
続けることにより連続的な温度測定を可能にしている。

【００１６】ここで、光ファイバーに金属管を被覆した
構造とするのは、光ファイバー供給装置１０により光フ
ァイバーを炉内に送り込む際に、ノズル詰り防止ガスの
圧力が光ファイバーに印加されるので、この加圧に対す
る強度確保と、内部の光ファイバーを保護するためであ
る。この光ファイバーを被覆する金属管には例えばステ
ンレス管を使用する。このステンレスの融点は１４００
〜１４３０℃程度であるから、高温液体中に挿入しても
直ちに溶けず、数秒間は光ファイバーを保護している。
また、本実施例では、光ファイバーも１６００℃以上の
軟化点を有する石英系ガラスで形成されているから、短
時間は溶融せずにその形状を保持することができる。本
実施例の金属管被覆光ファイバー１１は、外径が１．２
ｍｍのものが使用されている。

【００１７】測温ノズル２０は、例えばステンレス等の
金属の単管から構成されている。この測温ノズル２０
は、その一端が炉４０の側壁を貫通して高温液体に接
し、その他端は光ファイバーガイド２１と気密に結合さ
れ、この光ファイバーガイド２１側から金属管被覆光フ
ァイバー１１が挿通され、高温液体に挿入される。ま
た、測温ノズル２０の内壁と金属管被覆光ファイバー１
１の外周部との間には空隙が形成され、この空隙には光
ファイバーガイド２１を介してノズル詰り防止ガスが吹
込まれる。なお、測温ノズル２０をステンレス（例えば
ＳＵＳ３０４）の単管ノズルによって構成した場合に
は、内径が２．０ｍｍ、外径が４．０ｍｍ程度ののもの
を使用する。

【００１８】光ファイバーガイド２１は、光ファイバー
供給装置１０から送り出される金属管被覆光ファイバー
１１を、ノズル詰り防止ガス供給装置３０から供給され
るノズル詰り防止ガスと共に、測温ノズル２０の測温孔
４１を通して炉４０内の溶湯に送り出す機能を有する。
光ファイバーガイド２１の一端は測温ノズル２０の高温
液体に接しない方の一端と気密に接続され、その他端
は、金属管被覆光ファイバー１１は通過できるが、ノズ
ル詰り防止ガスは光ファイバー供給装置１０側に漏洩し
ないように、例えば二重シール等が設けられた高度の気
密構造になっている。また、光ファイバーガイド２１に
はノズル詰り防止ガス供給装置３０からの配管が結合さ
れ、前述のガスが供給されている。このように光ファイ
バーガイド２１は、測温ノズル２０とは別の部材で構成
されてはいるが、光ファイバーをノズル詰り防止ガスと
共に炉４０内に送り出す機能は全く同一であり、広義に
は測温ノズル２０の一部を構成する部材であるとみなす
ことができる。以上のように、光ファイバーガイド２１
と気密に接続された測温ノズル２０からは、金属管被覆
光ファイバー１１の送り出しと共に、ノズル詰り防止ガ
スが炉４０内の溶湯に吹出される。

【００１９】光ファイバー供給装置１０は、光ファイバ
ーガイド２１及び測温ノズル２０を介して、金属管被覆
光ファイバー１１を連続的又は断続的に炉４０内に送り
出す機能を有する。このため、送りコントローラ１４
は、モータ１２を駆動し、光ファイバードラム１６内に
予め巻込されている金属管被覆光ファイバー１１を送り
出すが、この場合に、送り速度検出器１５により光ファ
イバーの送り速度を検出し、この検出値により送り速度
が所定の値になるように制御を行なっている。また、光
ファイバー供給装置１０は、停止時の光ファイバーに振
動を与える機能も有している。本実施例では、光ファイ
バーの連続的な送り速度は５ｍｍ／ｓｅｃとして、断続
的な送り速度は、１０ｍｍ／ｓｅｃで１０秒間送り出
し、その後２０秒停止する動作を繰返すようにしてい
る。

【００２０】この光ファイバーの送り出しは、ノズル詰
り防止ガスと共に炉４０内に挿入される金属管被覆光フ
ァイバー１１の先端部が、時間の経過と共に、溶損して
ゆくので、この溶損した分だけ（即ち消耗した分だけ）
新しい光ファイバーを絶えず供給するために行なわれ
る。そして、この新しい光ファイバーを絶えず供給する
ことによって、連続的な温度計測が可能になっている。

【００２１】送り速度検出器１５は、例えば単位時間内
におけるセンサ用ローラの回転角度から送り速度を求め
ることができ、この検出信号は送りコントローラ１４及
びノズル詰り防止ガス供給装置３０内の供給ガスコント
ローラ３３へ供給される。そして、この送り速度検出器
１５の検出値が正常の範囲内であるか否かにより、光フ
ァイバー送り出しの難易状態を判別することができる。
例えば測温ノズル２０の先端が詰ってくると送り速度は
低下してくる。送りコントローラ１４は、送り速度が正
常の範囲より低下するとモータ１２の駆動を停止させ、
装置の故障を防止している。

【００２２】本発明においては、黒体放射条件が成立す
れば、その放射スペクトル分布から絶対温度が算出でき
るという計測原理を利用している。このため、炉４０内
に挿入された金属管被覆光ファイバー１１の先端より溶
湯が放射するスペクトル光を入力し、このスペクトル光
が光ファイバー内を伝播して放射温度計１７へ入力す
る。放射温度計１７には、例えば２波長の輝度出力の比
較から温度を求める２色温度計や放射光の輝度出力から
直接温度を求める赤外放射温度計等があり、入力する光
スペクトル信号からそれぞれの測定方式に従って温度を
算出し、この算出された温度信号は電気信号として出力
され、例えば図示されない計録計等へ供給される。

【００２３】ノズル詰り防止ガス供給装置３０が光ファ
イバーガイド２１に供給するガスとしては、不活性ガス
（本実施例ではアルゴン）を使用する。ノズル詰り防止
ガス供給装置３０内の供給ガスコントローラ３３は、ガ
ス圧力検出器３５の検出信号及び光ファイバー供給装置
１０内の送り速度検出器１５の検出信号を入力し、この
２つの検出信号の値に応じて、圧力／流量調整器３１に
供給する。圧力／流量調整器３１には、圧力調整器、流
量調整器、制御バルブ等が含まれており、入力されるア
ルゴンを制御信号に従った圧力及び流量として供給ガス
生成部３４へ供給する。供給ガス生成部３４では、アル
ゴンが所定の圧力で生成され、ここから光ファイバーガ
イド２１へ供給される。

【００２４】ガス圧力検出器３５は、供給ガス生成部３
４が光ファイバーガイド２１へ供給するガス圧力を検出
し、この検出値を供給ガスコントローラ３３へ供給す
る。これは、測温ノズル２０の先端が詰ってくると、供
給するガスの吹出し量が減少し、ガス圧力の検出値が上
昇するので、この検出値が正常の範囲内であるか否かに
より測温ノズル２０の先端の詰り状態を判別できるから
である。供給ガスコントローラ３３は、この供給ガス圧
力検出値と光ファイバー送り速度検出値とにより測温ノ
ズル２０の先端の詰り状態を判断して、ガス流量を調整
する。その場合には上記の（１）式を満たすように圧力
／流量調整器３１に制御信号を送る。

【００２５】図２は或る転炉での下記の測定条件におけ
る光ファイバーを用いた温度測定結果の一例を示す図で
ある。 （１）測温ノズル、 型式：金属単管ノズル ノズルの内径／外径：２．０ｍｍ／４．０ｍｍ 材質：ＳＵＳ３０４ （２）光ファイバー、構造：ステンレス管被覆 外径：１．２ｍｍ （３）ガス吹込み、 種類：アルゴン 温度：常温 吹込量：０．５〜５．０ Ｎｍ³ ／Ｈｒ （４）光ファイバー送り速度：５ｍｍ／ｓｅｃ（連続）、又は １０ｍｍ／ｓｅｃ（断続） （５）溶湯、 ［Ｃ］：４．２％〜０．０２％ 温度：１２５０〜１６５０℃

【００２６】図２において、上下に変動している波形が
光ファイバーによる測定温度であり、精度確認のための
サブランス測定を間欠的に行ない、この際の熱電対によ
る測定温度を黒丸で示してある。光ファイバーによる測
定ピーク値と熱電対による測定値との差は、平均で４℃
であった。ここで、測定温度１６００℃に対する誤差４
℃は、０．２５％の測定精度であり、かなりよい精度で
あった。また、光ファイバーの送り速度は連続で５ｍｍ
／ｓｅｃの場合と、１０ｍｍ／ｓｅｃで１０秒間送出
し、その後２０秒間停止の断続的の場合とで、ほぼ同一
の測定結果が得られた。

【００２７】図３は熱電対指示値（Ｔｓ）と光ファイバ
ー温度計指示値（Ｔｆ）との対比を示す図であり、横軸
にＴｓを縦軸にＴｆを示し、光ファイバーによる測定値
を□印で示している。図３の□印は、ほぼＴｓ＝Ｔｆの
直線上に分布しており、良好の測定結果であることを示
している。

【００２８】図４は上記の実施例を実施した時即ちガス
流量を（１）式に保った場合と、それ以外の場合とで、
ノズル詰りにより光ファイバーが供給できなくなるまで
連続して測定できた時間を比較して示した図である。図
より本発明により安定して長時間測定可能であることが
分かる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、金属管被
覆光ファイバーの先端部をノズル詰り防止ガスと共に、
金属管からなる測温ノズルを通して高温液体に直接挿入
し、光ファイバーの先端部が高温により溶損した分だけ
新しい光ファイバーを送り出して供給を続けることによ
り高温液体の温度を連続的又は断続的に計測し、そし
て、ノズル詰り防止ガスの流量を適性に調整するように
したので、測温ノズルの先端の溶融を防止することがで
き、従って、長期間の連続測定が可能で、且つ応答性が
早く、測定精度も良い光ファイバーによる高温液体の測
温が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る光ファイバーによる高
温液体の測温装置の構成を示すブロック図である。

【図２】図１の実施例における温度測定結果の一例を示
す図である。

【図３】図１の実施例における熱電対指令値と光ファイ
バー温度計指示値との対比を示す図である。

【図４】図１の実施例によるノズル詰まり防止効果を示
す図である。

【符号の説明】

１０ 光ファイバー供給装置 １１ 金属管被覆光ファイバー １２ モータ １３ ロータ １４ 送りコントローラ １５ 送り速度検出器 １６ 光ファイバードラム １７ 放射温度計 ２０ 測温ノズル ２１ 光ファイバーガイド ３０ ノズル詰り防止ガス供給装置 ３１ 圧力／流量調整器 ３３ 供給ガスコントローラ ３５ ガス圧力検出器 ３７ 圧力／流量調整器 ４０ 炉

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菊地 一郎 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 小松 喜美 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属管からなり、高温液体を保持する容
   器に貫通して配置され、一方の端部が前記高温液体に接
   する測温ノズルと、 予めドラムに巻込まれた金属管被覆光ファイバーの一端
   を前記測温ノズルの他方の端部から挿通させて前記容器
   内の高温液体中に連続的又は断続的に送り出す光ファイ
   バー供給手段と、 前記測温ノズルに対してノズル詰り防止ガスを送給し、
   そのノズル詰り防止ガス流量を次式を満足するように設
   定したガス供給手段と、 【数１】 前記金属管被覆光ファイバーの他端に接続され、前記高
   温液体の温度を計測する放射温度計とを備えたことを特
   徴とする光ファイバーによる高温液体の測温装置。