(57)【要約】  【課題】光ファイバを用いて連続的に溶湯の温度を正確に計測することが可能な気密溶解設備を提供する。  【解決手段】気密溶解設備１を、溶解炉３を収容し気密雰囲気下に保持する気密槽２と、一端４ａを溶解炉３内の溶湯３ａに浸漬される金属管被覆光ファイバと４、金属管被覆光ファイバ４の他端に接続された温度検出部６と、金属管被覆光ファイバ４を挿通させて気密槽２の外部から内部へと導くガイド部７と、ガイド部７を通じて金属管被覆光ファイバ４を溶湯３ａ内に連続供給する光ファイバ供給部６と、ガイド部７における金属管被覆光ファイバ４の挿入部位を密閉する気密シール部７２とを設けた構成とした。  【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に溶解炉を収容し気密雰囲気下に保持する気密槽と、一端を前記溶解炉内の溶湯に浸漬される光ファイバを金属管で被覆してなる金属管被覆光ファイバと、前記気密槽外において前記金属管被覆光ファイバの他端に接続された温度検出部と、前記金属管被覆光ファイバを挿通させて前記気密槽の外部から内部へと導くガイド部と、当該ガイド部を通じて前記金属管被覆光ファイバを前記溶湯内に連続供給する光ファイバ供給部と、前記ガイド部における前記金属管被覆光ファイバの挿入部位を密閉する気密シール部と、を具備してなることを特徴とする気密溶解設備。
【請求項２】
前記ガイド部を、前記金属管被覆光ファイバの一端を前記溶解炉内の溶湯に浸漬した使用位置と溶湯から引き上げた退避位置との間で移動させるガイド部移動手段をさらに具備している請求項１に記載の気密溶解設備。
【請求項３】
前記ガイド部移動手段に、前記使用位置と前記退避位置との間での前記ガイド部の移動速度を変更可能な速度調節機構を設けている請求項２に記載の気密溶解設備。
【請求項４】
前記気密槽における当該ガイド部の取着部位を密閉する第２気密シール部をさらに具備している請求項２又は３の何れかに記載の気密溶解設備。
【請求項５】
前記ガイド部を、前記金属管被覆光ファイバを内部に挿入し且つ前記気密槽に挿入される管状部材としている請求項２乃至４の何れかに記載の気密溶解設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを用いて連続的に溶湯の温度を計測することを可能にする気密溶解設備に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属を溶解する溶解炉内の溶湯の温度を計測する温度計や、このような温度計を備えた溶解設備が従来より種々知られている。このうち、大気圧下で金属の溶解を行う開放型溶解設備においては、長尺な光ファイバの先端部を溶湯内に順次送り込み、光ファイバの先端部から入射した放射光を他端部の温度検出部で検出することで溶湯の温度を連続的に検出するように構成したものが考えられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一方、溶解炉を真空状態とする真空溶解設備においては、溶解炉を収容する真空槽の上部にバルブで接続された補助室が設けられており、この補助室には真空槽内の溶湯まで測温素子を案内する挿入棒と、測温素子の交換のための真空排気装置が設けられている。このような真空槽に適用されている測温素子は、一般に消耗式ランス熱電対と称するものであり、熱電対の先端部を内部に収容した石英ガラス部を保護管により保持した構成を有している。そして、この石英ガラス部を溶湯に浸漬させて溶湯の温度を測定するたびに真空槽と補助室との間のバルブを閉じ、真空排気装置を開放して測温素子を取り出し、新しい測温素子と交換することで、次の測温を行うようになっている。
【特許文献１】特開２００５−２２７２７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上述した光ファイバを用いた溶湯の連続測温が可能な温度計測装置が適用される溶解炉は開放型であるため、光ファイバの溶湯への供給や交換は容易であるが、より高品質の溶融金属が得られる真空型又は気密型の溶解設備においては、厳密な温度管理が要求されることなどから、上述したような光ファイバによる温度計測装置をそのまま適用することはできない。一方、上述したような測温素子を利用する真空溶解設備では、石英ガラス部は溶湯に浸漬するとすぐに損傷してしまうため１度の測温しかできないものであり、また応答速度も遅く、溶湯の温度の最大値を示すのにも数秒を要するものである。さらに、測温素子の交換は、補助室まで挿入棒を上昇させたうえで真空排気装置を開放して行うという、時間と手間を要する作業であり、その間に溶湯の温度が低下してしまうため、溶湯の温度管理が難しく、再加熱が必要となるなどの時間的、品質的なロスも大きい。また一般に、金属を真空下で溶融する場合、金属の蒸発が生じるため、外部から真空槽内が見えづらくなり、明るく光る溶湯でさえもその表面が見えにくくなる場合がある。そのために、真空槽内に不活性ガスを導入して金属の蒸発を抑えるという方法も考えられるが、それでは蒸発を完全に抑えることは難しく、また真空槽内に照明器具を装備しても見えづらさを完全に解消することがでいない。そのため、上述した従来の方法では、測温素子を溶湯内に浸漬しすぎたり、挿入棒の先端部までも溶湯に浸漬してしまう虞がある。
【０００５】
このような問題に鑑みて本発明は、光ファイバを用いて連続的に溶湯の温度を正確に計測することが可能な気密溶解設備を提供することを主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち本発明に係る気密溶解設備は、内部に溶解炉を収容し気密雰囲気下に保持する気密槽と、一端を溶解炉内の溶湯に浸漬される光ファイバを金属管で被覆してなる金属管被覆光ファイバと、気密槽外において金属管被覆光ファイバの他端に接続された温度検出部と、金属管被覆光ファイバを挿通させて気密槽の外部から内部へと導くガイド部と、このガイド部を通じて金属管被覆光ファイバを溶湯内に連続供給する光ファイバ供給部と、ガイド部における金属管被覆光ファイバの挿入部位を密閉する気密シール部とを備えていることを特徴としている。
【０００７】
このような構成の気密溶解設備では、光ファイバを利用した金属管被覆光ファイバを気密槽内の溶解炉の溶湯に連続的に挿入・浸漬して迅速且つ正確に測温することが可能であり、しかも気密槽の密閉状態を気密シール部によって維持することができる。すなわち、本発明によれば、従来のように測定するたびに気密槽のバルブを操作して補助室を開閉し測温素子を交換する必要がなくなるため、溶湯の温度管理が容易となり、測温に要する時間や手間も大幅に低減することが可能となる。また、溶湯の蒸気によって気密槽内部が視認できなくても、ガイド部を溶湯に浸漬しない程度の位置に留めておいて金属管被覆光ファイバのみを溶湯に浸漬するようにしておけばよいので、従来のように測温素子の浸漬のしすぎや挿入棒の浸漬といった問題が生じる虞もなくすことができる。なお、本発明において「気密雰囲気」とは、気密槽が内部を密封した状態に維持した状態をいい、その状態で気密槽の内部は、大気圧よりも圧力が低い真空状態とするか、若しくはアルゴン等の不活性ガスを充満させた状態とすることが好ましい。
【０００８】
このような本発明においては、ガイド部を、金属管被覆光ファイバの一端を溶解炉内の溶湯に浸漬した使用位置と溶湯から引き上げた退避位置との間で移動させるガイド部移動手段を備えたものとすることで、ガイド部の先端から延出する金属管被覆光ファイバの長さを一定に保ちながら、溶湯の測温を行う際にのみ金属管被覆光ファイバの先端部を溶湯に挿入し、測温を行わない場合はガイド部ごと金属管被覆光ファイバを溶解炉から退避させておくことで、溶解炉への金属の出し入れ操作などの邪魔にならないようにすることができる。
【０００９】
特に、ガイド部に設けられるガイド部移動手段には、使用位置と退避位置との間でのガイド部の移動速度を変更可能な速度調節機構を設けることができる。このように構成すれば、溶湯と金属管被覆光ファイバとの距離が遠い場合はガイド部を高速で移動させ、溶湯と金属管被覆光ファイバとの距離が近くなればガイド部を低速で移動させるなどすることで、時間的なロスを低減しつつ、ガイド部が溶湯に浸漬するという事態を有効に回避することができる。
【００１０】
またガイド部が動作する場合、特にガイド部を気密槽に対して動作させる場合には、ガイド部と気密槽との間でも気密状態を維持する必要がある。そのためには、ガイド部と気密槽との取着部位を密閉する第２気密シール部をさらに設けることが適切である。
【００１１】
また、ガイド部として簡易な構成で占有するスペースが小さく、操作も容易なものとしては、金属管被覆光ファイバを内部に挿入させ且つ気密槽に挿入されるようにした管状部材を挙げることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、溶解炉内の溶湯に金属管被覆光ファイバの先端部を連続的に浸漬することができる構成を気密溶解設備に適用し、金属管被覆光ファイバをガイド部により気密槽に導入するに際して、金属管被覆光ファイバとガイド部との間の摺動部分をシール部によって気密状態に保持するように構成しているため、光ファイバの計測ごとの交換作業を行うことによる手間や時間、溶湯の温度管理の困難性を解消することができるうえに、溶湯温度の連続的で正確な計測を行うことができ、操作の安定性や信頼性、製品の品質向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態である気密溶解設備１の一部を省略して示す概観図である。この気密溶解設備１は、気密槽２と、気密槽２内に配置された溶解炉３と、溶解炉３内の溶湯３ａの温度を計測するために用いられる金属管被覆光ファイバ４と、金属管被覆光ファイバ４を送り出す光ファイバ供給部５と、金属管被覆光ファイバ４を通じて溶湯３ａの温度を検出する温度検出部５と、金属管被覆光ファイバ４を溶解炉３内へ導くガイド部７と、ガイド部７を気密槽２に対して移動させるガイド部移動手段８とを主要構成として備えている。
【００１５】
気密槽２は、内部を真空に保持することができる気密性容器であり、溶湯３ａの高温に耐えられるように設計されたものである。図１では、この気密槽２の上端部側のみを示しており、下端部側及びその他の部位を省略している。気密槽２の上端部には、後述するガイド部４を収容して気密槽２内へ導く導管２１が斜め上方に向けて突出させて設けられている。この導管２１は、例えばステンレス管等から構成されるものであり図２及び図３に示すように、気密槽２の上端部に設けられた台座２２に設けられた支柱２３，２４等によりその傾斜姿勢を支持されている。
【００１６】
気密槽２内に設置される溶解炉３は、本実施形態では溶解ルツボ３１をその胴部に巻回した誘導コイル３２により加熱する誘導炉を適用している。
【００１７】
金属管被覆光ファイバ４は、図４及び図５に一部を断面図として示すように、光ファイバ４１を柔軟な金属管４２で保護した形態を有するものである。金属管４２は、溶湯３ａに光ファイバと共に溶解しても溶湯３ａには影響を与えない材質であれば適宜のものを採用することができるが、例えば溶湯が鉄であれば金属管４２を鉄製、溶湯がチタンであれば金属管４２をチタン製とすることができる。
【００１８】
光ファイバ供給部５は、金属管被覆光ファイバ４を巻回して保持するドラム５１と、ドラム５１から引き出した金属管被覆光ファイバ４を連続的に繰り出す送出部５２とから構成される。ドラム５１には、例えば５０ｍ〜１００ｍ程度の金属管被覆光ファイバ４を巻回しておくことができるものを採用している。また送出部５２は、例えば金属管被覆光ファイバ４を挟んで回転するピンチローラ５２ａと、このピンチローラ５２ａを回転駆動するモータ５２ｂとから構成することができる。
【００１９】
温度検出部６には、ドラム５１に巻回された側の金属管被覆光ファイバ４の一端を接続した放射温度計を適用しており、検出素子としては例えばＩｎＧａＡｓを利用することができる。放射温度計は、溶湯３ａに浸漬した金属管被覆光ファイバ４のうち光ファイバ４１の先端から入射して光ファイバ４１を伝達してきた放射光を検出するものであり、連続的な温度検出が可能となっている。
【００２０】
ガイド部７は、本実施形態では、気密槽２内の高温に耐え得る金属パイプからなる挿入棒７１を主体とするものである。この挿入棒７１の内径は金属管被覆光ファイバ４の外径よりも若干大きく、挿入棒７１の内部７１を金属管被覆光ファイバ４が自在に摺動し得るように挿通されており、挿入棒７１の先端部７１ａから金属管被覆光ファイバ４の先端部４ａを突出させている。そして、挿入棒７１の上端部における金属管被覆光ファイバ４との摺動部位には、挿入棒７１の内壁と金属管被覆光ファイバ４の外壁との間を封止する気密シール部７２を設けている。本実施形態ではこの気密シール部７２として、ウィルソンシールを適用している。すなわち、気密シール部７２は、図４に拡大して模式的に示すように、挿入棒７１の上端部に設けられたウィルソンシールの本体部７２ａの内部に上下複数枚ずつのエラストマーシート７２ｂを設けるとともに、上下のエラストマーシート７２ｂの間に真空グリスを充填したものであり、それらの中心部に金属管被覆光ファイバ４を挿通することで、ガイド部７と金属管被覆光ファイバ４との気密性を保持している。
【００２１】
ガイド部移動手段８は、金属管被覆光ファイバ４を挿通させた挿入棒７１を、金属管被覆光ファイバ４の先端部４ａを溶解炉３内の溶湯３ａに浸漬した使用位置（図２）と、金属管被覆光ファイバ４の先端部４ａを溶解炉３から引き上げた退避位置（図３）との間で、気密槽２（より詳細には導管２１）に対してスライド移動させるものである。具体的にガイド部移動手段８は、図２及び図３に詳細に示すように、モータ８１と、導管２１の長手方向所定範囲に亘って架け回され一部を挿入棒７１の上端部７１ｂに取り付けてモータ８１により回転駆動されるローラーチェーン８２とから構成される。なお、挿入棒７１と導管２１との間にはケーブルベア８３も設けられており、これにより、モータ８１や補償導線等の配線類が乱雑になったり絡まったりすることを防止しており、また挿入棒７１の動作時のブレの抑制も期待できる。
【００２２】
このように、ガイド部移動手段８により挿入棒７１が気密槽２に対して動作するため、挿入棒７１の気密槽２への取着部位である導管２１の適宜部位には、第２気密シール部２５を設けることによって、この部分での気密性を保持するようにしている。この第２気密シール部２５では、図５に示すように、導管２１の中途高さ位置を区切りその上部を空間的に隔てる一対の蓋体２５ａ，２５ｂ及びそれらの間に挟み込んだＯリング２５ｃと、上側の蓋体２５ａに立設されて挿入棒７１に外嵌された筒体２５ｄと、この筒体２５ｄの上端部に嵌合させて挿入棒７１に外嵌されたキャップ２５ｅと、筒体２５ｄの内壁と挿入棒７１の外壁との間に密着して取り付けられる上下２つのＯリング２５ｆ，２５ｇとから構成されている。
【００２３】
ガイド部移動手段８におけるモータ８１は、回転速度を適宜に変更することができるものであり、本発明の速度調節機構の一部として機能する。例えば挿入棒７１及び金属管被覆光ファイバ４を退避位置から使用位置まで移動させる場合には、図２及び図３に示すように、金属管被覆光ファイバ４の先端部４ａが溶解炉３１内の溶湯３ａから最も離れた位置である退避位置から所定範囲（図中、領域Ａ）にあるときは挿入棒７１を高速で動作させ、この領域Ａから金属管被覆光ファイバ４の先端部４ａが溶湯３ａに少し接近する所定範囲（図中、領域Ｂ）にあるときは挿入棒７１を減速して低速で動作させ、この領域Ｂから金属管被覆光ファイバ４の先端部４ａが溶湯３ａにさらに接近した所定範囲（図中、領域Ｃ）にあるときは挿入棒７１をより減速して極低速で動作させ、挿入棒７１の先端部が溶湯３１に浸漬した時点で挿入棒７１を停止させるように、モータ８１の回転速度が調節されるようにしている。領域Ａと領域Ｂとの境界は予め設定しておき、リミットスイッチ等の位置検出手段（図示省略）によってモータ８１の回転の高速から低速への切り替えを行う。また、金属管被覆光ファイバ４の先端が溶湯３ａの表面に接触するか若しくはその近傍に達した際に温度検出部６が所定温度を検出した際にモータ８１の回転の低速から極低速への切り替えを行い、金属管被覆光ファイバ４の先端が溶湯３ａに浸漬したことを温度検出部６で検出すると、モータ８１の回転を停止する。そして、モータ８１が停止すると、光ファイバ供給部５のモータ５１ｂを動作させ、ドラム５１ａから金属管被覆光ファイバ４を送り出すことで、挿入棒７１の先端部７１ａから金属管被覆光ファイバ４を繰り出して、連続的に溶湯３ａの測温を行うようにしている。このように、挿入棒７１の退避位置から使用位置への移動にあたって速度制御を行うことで、測温操作の確実性や安全性が向上し、さらに挿入棒７１が誤って溶湯３ａに浸漬したり、金属管被覆光ファイバ４を無駄に消耗したりすることを有効に防止することができる。ここで、１回の測温で消耗する金属管被覆光ファイバ４の長さは約１０ｍｍ程度であるので、光ファイバ供給部５から金属管被覆光ファイバ４を順次送り出すことで、連続して５０００回以上の測温が可能である。なお、挿入棒７１及び金属管被覆光ファイバ４を使用位置から退避位置へ移動させる場合には、モータ８１を高速で回転させて迅速に金属管被覆光ファイバ４を溶湯３ａから引き上げて、金属管被覆光ファイバ４の消耗を防ぐようにすればよい。
【００２４】
このように、本実施形態の気密溶解設備１によれば、真空雰囲気とした気密槽２内における溶湯３ａの温度を連続的に測定できるのみならず、溶湯３ａに浸漬する金属管被覆光ファイバ４を無駄なく使用することができ、測温操作の安定性や容易性を向上することができる。また、金属管被覆光ファイバ４のガイド部７への挿入部位と、ガイド部７の気密槽２に対する動作部位を気密状態に維持するようにしていることから、溶湯３ａの温度を低下させることなく真空下での溶湯３ａの連続測温が可能であるため、溶湯３ａの温度管理が容易となり、溶湯３ａの品質向上をも図ることができる。
【００２５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば気密槽内は、真空状態だけでなく、内部の気圧を大気圧よりも若干低い状態としたり、アルゴンガス等の不活性ガスを充満させた状態としてもよい。さらに、ガイド部や、気密シール部及び第２気密シール部等の、気密溶解設備における各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態である気密溶解設備の一部を省略して示す概観図。
【図２】同気密溶解設備におけるガイド部を使用位置に位置付けた状態の要部を示す図。
【図３】同気密溶解設備におけるガイド部を退避位置に位置付けた状態の要部を示す図。
【図４】同気密溶解設備における気密シール部の概要を示す模式的断面図。
【図５】同気密溶解設備における第２気密シール部の概要を示す模式的断面図。
【符号の説明】
【００２７】
１…気密溶解設備
２…気密槽
３…溶解炉
３ａ…溶湯
４…金属管被覆光ファイバ
５…光ファイバ供給部
６…温度検出部
７…ガイド部
８…ガイド部移動手段
２５…第２気密シール部
４１…光ファイバ
４２…金属管
７１…挿入棒（管状部材）
７２…気密シール部
８１…モータ（速度調節機構）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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