(57)【要約】      （修正有）【課題】光ファイバーにより溶解物、特に溶解金属の温度を測定するための方法を提供する。【解決手段】光ファイバー１０は、使い捨て案内管４０を通じて溶解物中に供給される。光ファイバー及び使い捨て案内管の浸漬端部５０は、溶解物中に浸漬される。更に、溶解物、特に溶解金属５２を測定するための機器及び装置に関連し、光ファイバーと使い捨て案内管とを備える。弾性プラグ３０が使い捨て案内管の第２端部又は使い捨て案内管内に配置される。光ファイバーは、弾性プラグを通じて供給される。弾性プラグは、光ファイバーと使い捨て案内管との間の空隙を減らす。該装置は、ファイバーコイルと、光ファイバー及び使い捨て案内管を供給するための供給機構を備える。供給機構は、少なくとも二つの独立した供給モータを備え、一つは光ファイバーを供給するためのもので、一つは使い捨て案内管を供給するためのものである。【選択図】図３ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバーにより溶解物、特に溶解金属の温度を測定するための方法であって、光ファイバーは、使い捨て案内管を通じて溶解物中に供給され、光ファイバー及び使い捨て案内管の浸漬端部が溶解物中に浸漬され、光ファイバー及び使い捨て案内管の両方は互いに独立な供給速度を有する方法。
【請求項２】
浸漬の第１段階において前記使い捨て案内管及び光ファイバーが溶解物中に浸漬され、第２段階において光ファイバーが使い捨て案内管よりも高速でより深く浸漬されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２段階は、使い捨て案内管の浸漬端部が溶解物中に浸漬された後に開始することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
浸漬の第３段階において、光ファイバーが止められるか又は溶解物から引き出されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第３段階の後、使い捨て外側案内管が溶解物中へと押し出されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記使い捨て案内管及び／又は光ファイバーの速度は浸漬の間変化することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記光ファイバー及び使い捨て案内管は、等しくない速度で移動することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
温度に加えて、溶解物の上面が確定されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
溶解物、特に溶解金属の温度を測定するための機器であって、光ファイバーと使い捨て案内管とを備え、使い捨て案内管は浸漬端部と浸漬端部とは反対側の第２端部とを有し、光ファイバーは使い捨て案内管内に部分的に配置され、使い捨て案内管の内径は光ファイバーの外径よりも大きく、弾性プラグは、使い捨て案内管の第２端部又は使い捨て案内管内に配置され、光ファイバーは弾性プラグを通じて供給され、弾性プラグは、光ファイバーと使い捨て案内管との間の空隙を減らす機器。
【請求項１０】
前記空隙の面積は２ｍｍ2未満、好ましくは１ｍｍ2に減らされることを特徴とする請求項９の機器。
【請求項１１】
光ファイバーにより溶解物、特に溶解金属の温度を測定するための装置であって、請求項９又は１０に記載の機器にして、光ファイバーと使い捨て案内管とを備え、使い捨て案内管は浸漬端部と浸漬端部とは反対側の第２端部とを有し、光ファイバーは使い捨て案内管内に部分的に配置され、使い捨て案内管の内径は光ファイバーの外径よりも大きく、弾性プラグは、使い捨て案内管の第２端部又は使い捨て案内管内に配置され、光ファイバーは弾性プラグを通じて供給され、弾性プラグは、光ファイバーと使い捨て案内管との間の空隙を減らす機器を備え、ファイバーコイルと、光ファイバー及び使い捨て案内管を供給するための供給機構とを更に備え、供給機構は、少なくとも二つの独立した供給モータを備え、一つは光ファイバーを供給するためのもので、、一つは使い捨て案内管を供給するためのものである装置。
【請求項１２】
前記供給モータ各々は、別個の速度制御に組み合わされることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法において、請求項１１又は１２に記載の装置を使用する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバーにより、溶解物、特に溶解鋼等の溶解金属の温度を測定するための方法、機器及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶解鋼の製造のためのアーク炉（ＥＡＦ）プロセスは、次の操作から成るバッチプロセスである。すなわち、金属要素の炉への装填、溶解、精製、脱スラグ、湯出し、及び炉の方向転換である。ヒートと呼ばれる鋼の各バッチは、湯出しと呼ばれるプロセスにおいて溶解炉から取り出され、これにより、鋼製造の周期的バッチ速度の基準は、一般に、湯出し−湯出し（ｔａｐ−ｔｏ−ｔａｐ）時間と称される時間単位である。現代のＥＡＦ操作は、６０分未満の湯出し−湯出しサイクルを目指し、３５〜４０分のオーダーよりも長い。
【０００３】
実行できる迅速な湯出し−湯出し時間を助長するＥＡＦ生産性で成された進歩の多くは、増加した入力電力（３５０〜４００ｋＷｈ／ｔの範囲）、及び炉内への代替形態のエネルギー入力（酸素ランシング、オキシ燃料バーナー）に関連する。最も進歩したＥＡＦ操作は、追加酸素を１８〜２７Ｎｍ3／ｔのオーダーで消費し、これは、総入力電力の２０〜３２％である。加えて、より迅速な炉移動に備える構成要素に対する改良は、炉が遊休状態にある時間を低減した。ＥＡＦ操作の工業的目的は、固定コストを低減すると同時に入力電力から最大利益を得るため、時間通りに炉出力を最大化することであり、これが、最大の生産性をもたらした。ＥＡＦでの１ヒートの鋼の生産で消費される時間の大部分は溶解のプロセス工程にある。
【０００４】
溶解期間はＥＡＦ操作の中核であり、現代ＥＡＦの大部分では、二段階プロセスで生じる。電気エネルギーは、グラファイト電極を介して供給され、溶解操作での最大の貢献者である。鋼スクラップ（屑）を溶かすためは、理論最小値３００ｋＷｈ／ｔとなる。溶解金属に鋼の融点以上の温度を提供するためには、追加のエネルギーが必要である。典型的な湯出し温度要求では、必要な総理論エネルギーは、通常、３５０〜４００ｋＷｈ／ｔの範囲にある。しかしながら、ＥＡＦ鋼製造は、わずか５５〜６５％のエネルギー効率であり、結果として、総等価エネルギー入力は、通常、ほとんどの現在操作に対し６５０ｋＷｈ／ｔの範囲であり、電力より６０〜６５％が供給され、残りの必要なエネルギーは化石燃料の燃焼及び精製プロセスの化学酸化エネルギーにより供給される。
【０００５】
最初の金属装填中、電極がスクラップ中に十分に穴あけ（押し分けて進むこと）ができるまで、通常、中間電圧タップが選択される。電極アークと溶解容器の側壁との間の溶けていないスクラップの配置が炉構造を損傷から防ぎ、穴あけ後に長いアーク（高電圧）タップが使用可能である。最初の穴あけ期間中にスクラップのほぼ１５％が溶解する。炉壁の特別なノズルを通じて付加される化石燃料燃焼は、スクラップの加熱及び熱の均等性に貢献する。炉雰囲気が加熱するにつれ、アーク放電は安定する傾向にあり、平均入力電力は上昇し得る。長いアークは、電力のスクラップへの伝達を最大化し、金属の液体プールの発端が炉床に形成される。ある特定のＥＡＦタイプでは、「ホットヒール」と呼ばれる以前のヒートから持ち越された小プールにより、バッチ溶解プロセスを開始するのが好ましいプラクティスである。
【０００６】
第２の装填の容量を収容するために十分なスクラップが溶けたら、装填プロセスが繰り返される。一旦鋼の溶解プールが炉内に発生したら、今度は、化学エネルギーがいくつかの源、例えばオキシ燃料バーナー及び酸素ランシング等を介して供給される。一旦溶解金属の高さが十分となり邪魔なスクラップがなくなったら、酸素は浴（浴槽）中に直接吹き込まれ得る。
【０００７】
最後のスクラップ装填が完全に溶ける時間に近付くと、炉側壁はアークからの高放射線に晒され得る。結果として、電圧は低減されなければならず、泡立つスラグが電極を包囲する。スラグ層は、発砲しながら１メートル以上の厚さを有し得る。今は覆い隠されたアークは炉殻を保護する。加えて、より多量のエネルギーがスラグに保持され、浴へと移され、より高いエネルギー効率をもたらす。このプロセスは、鋼を覆うスラグ層に多くの熱を作り出し、鋼温度よりも高い２００℃までの温度をもたらし、後に説明する理由でプロセス制御測定に対し非常にユニークで困難な環境を作り出す。
【０００８】
ヒートに対する湯出し−湯出し時間の低減は、多くの例において及び特にホットヒールにより操作する現代ＥＡＦ操作において、酸素がヒートサイクル中ずっと浴中に吹き付けられ得る。この酸素は、アルミニウム、ケイ素、マンガン、リン、炭素及び鉄を含む浴中のいくつかの成分と反応する。これらの反応のすべては、発熱性（すなわち、それらは熱を発生させる）であり、スクラップの溶解を支援するエネルギーを供給する。形成される金属酸化物は、結局、スラグ内に存する。
【０００９】
最終スクラップ装填材料及び原材料が実質的に溶解したら、フラット浴状態に到達する。この時点では、浴温度及び化学分析サンプルが、おおよその酸素精製期間及び湯出しまでに残る時間通りの電力の計算を決定するために採られる。
【００１０】
入手可能な原材料、炉設計、ローカルな操作プラクティス、及び生産のローカル経済性の利用に応じて変化し得る特定のローカルな処理ステップにかかわらず、固体スクラップ及びスラグ成分を湯出しのための正しい化学的組成及び望ましい温度の溶解鋼及びスラグへと転換する間、湯出し−湯出し時間を最小化しかつエネルギー効率を改善するため、炉への多くの形態のエネルギー入力が種々の戦略で使用され得る。
【００１１】
他の鋼製造プロセスにおけるように、ＥＡＦの湯出し−湯出し製造プロセスは、エネルギー入力及び熱出力を前提としたプロセス終点を予測するため、原材料の量及び品質を考慮した数学的モデルにより案内される。そのような変数のリストは、ＥＰ０７４７４９２号に見ることができる。ＥＡＦ性能を制御及び予測するために用いられるプロセスモデルの多くは、当業界では知られている。溶鉱炉から転炉の古典的鋼製造プロセスと比較した場合、ＥＡＦ法（ＥＡＦプロセス）に使用される原材料の変動は格段に大きく、そのため、一定の調整が必要である。該方法を修正し案内するのに要するこれらのモデルに対するいくつかの入力情報の一つは、溶解金属温度である。
【００１２】
ＥＡＦ操作者に最適で最も最近の溶解金属温度情報を提供することは、次の要求を満たすべきである。
バルク金属を表す正確な温度、
炉の傾斜から独立した固定浸漬深さ、
連続的に又はほぼ連続的に利用可能である、
浸漬深さ調整に対する浴レベルの決定。
【００１３】
一般に、溶解金属の温度測定は、ＵＳ２９９３９４４号に記述されるように周知の使い捨て熱電対を用いて遂行される。これらの熱電対は、熱電対の信号を適切な計測設備に送るための電気配線及び接続部が適用された鋼ポールを用いて操作者より手動で浸漬され得る。加えて、多くの自動熱電対浸漬機械システムは、今日、ｗｗｗ．ｍｏｒｅ−ｏｘｙ．ｃｏｍから一般に利用可能な熱電対浸漬又はＭｅｔｚｅｎ等の文献、ＭＰＴ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、４／２０００、第８４頁に記述された電対浸漬等を提供するために利用される。
【００１４】
一旦溶解金属のプールが確立されたら、浴温度はゆっくりと上昇する。非溶解スクラップの内容物が多ければ多いほど、ある一定の入力エネルギーに対する温度の上昇速度は遅くなる。一旦すべてのスクラップが溶けたら、浴の温度は、該プロセスの終わりに向かって３５℃〜７０℃／分のオーダーで急速に上昇する。最適なプロセスの終了、すなわち金属が湯出しする準備ができる時間を予測するために、該プロセス制御モデルは、種々のエネルギー入力を止める最適な瞬間の正確な予測を作り出すため、正確で十分高頻度の測定の温度情報を持つことが必要である。ロボット浸漬装置を用いる測定プロセスは、ＵＳ２０１１／００３８３９１号及びＵＳ７７６７１３７号に一般的記述があるアクセスハッチ、典型的にはスラグ扉が開放され、使い捨て熱電対を支持する機械アームの挿入を許容する。最も現代の操作において、この扉はまた、オキシ燃料バーナー及び酸素ランスのための炉へのアクセスを与えるために使用される。これらは、浸漬ランスの操作者と類似の操作者がいる位置まで持ち込まれる。より最近では、いくつかの追加部分もＵＳ６７４９６６１号に記述されるバーナーに対して炉殻の周囲に設けられる。
【００１５】
プロセス後期に温度を取得する目的でスラグ扉の開放は、炉内に多量の空気が入ることを許容する。この開放の結果、局所領域が冷却され、窒素に対する源がもたらされる。アーク放電中、窒素はＥＡＦプロセスの望ましくない廃水であるＮＯｘに転換される。この開放を通じて炉の脱スラグが必要な一方、ロボット浸漬装置の使用は、温度を測るためのこの開放の利用は、繰り返しの温度測定が要求される期間中、炉内部を不必要な窒素の侵入及び意図しない脱スラグに晒す。
【００１６】
金属精製プロセスの最終段階中の急速な温度の上昇により、最適な環境下でのプロセス制御モデルの更新時間は、現代の高出力炉には遅れないで追いていくことができない。理想的には、精製の最後の急速な温度更新及び湯出し前の最後の数分間の連続温度情報は、現代の予測の正確さと終了時点の決定に対する最適な組み合わせを提供する。典型的なロボットシステムに対する現実的な１分間のテスト−テスト時間は、そのような動的プロセスのスポット測定の実用性を制限する。慣用の使い捨て熱電対及びロボット浸漬装置は、正確性及び時点決定に用いられる際にプロセスモデルの予測の成功を最終的に低減する低サンプリング周波数に加えて、いくつかの追加的制限に苦しむ。
【００１７】
溶解及び精製プロセス中、浴は温度勾配を有するのに対し、浴の表面は、バルク溶解金属の表面よりも著しく高温である。金属のホットスポット及びコールドスポットが炉内部の全体にわたって配置され、これは、内部の均質化を支援するために特別なバーナー及び指向性化石燃料ヒーターを必要とする。ＥＰ１８５７７６０号に表されるように、一つのコールドスポットは、典型的なロボット浸漬装置の広範なアクセス要求のために使い捨て熱伝対の浸漬が一般的に行われるスラグ扉の領域にある。ＥＡＦは、ＵＳ２８８６６１７号に記述されるように、浴をより均質にし、炉の脱スラグ及び湯出するために、炉を「揺らす」、すなわち炉の水平位置を前後に傾ける機能を有する。
【００１８】
ほぼすべてのロボット浸漬装置は、スラグ扉の領域に取り付けられ、また操作扉に取り付けられ、傾いた炉の角度に対しては傾かない。そのため、これら操作者は、使い捨て熱電対を浴中にはいつどんな場合でも配置することができない。更に、熱伝対の浸漬深さは、ロボット装置の機械アームの関節に関連付けられ、そのため、炉傾斜の角度のために浴レベルの変化に対して容易に調整することはできない。ＥＡＦプロセスのモデルを操作する目的のため、バルク温度を反映する箇所で繰り返し測定することが重要であるが、浸漬ランスの位置が炉の揺動及び実際の浴レベルに整列されずに温度の正確さに資する位置にはない間、手動又は自動ランスによって採られた実際の温度測定は、安定した浸漬深さに対する困難を示し、利用できない。
【００１９】
本発明は、２０秒未満の温度−温度測定周波数（頻度）により溶解鋼浸漬深さを予測するため、溶解金属浸漬消耗品光ファイバーと、ＥＡＦの側壁を通じて温度装置を挿入することができる浸漬装備を使用して冶金容器内の温度を測定する。１回で又は迅速に連続して要求に応じサンプルを採る機能は、ＥＡＦ操作のための数学的予測モデルをプロセス中のキー時間で更新することができる測定戦略を可能にし、迅速に連続して測定する機能は、ほぼ連続的な温度データを低コストで提供する。
【００２０】
放射線を光学検波器に焦点を合わせるために恒久光学的光ガイドを使用する種々の鋼製造容器に導入される先行技術には、多くの温度測定装置がある。そのような先行技術の例は、ＪＰ−Ａ６１−９１５２９号、ＪＰ−Ａ６２−５２４２３号、ＵＳ４４６８７７１号、ＵＳ５０６４２９５号、ＵＳ６１７２３６７号、ＵＳ６９２３５７３号、ＷＯ９８／４６９７１号、及びＷＯ０２／４８６６１号に見ることができる。この先行技術の共通性は、光学ガイドが恒久であり、そのため、複雑な装備を用いて損傷から保護されることを要することである。これら保護手段は、組立体を冷却するため又は光学要素との物理的接触から金属を移動させるために気体パージングと、どちらかといえば恒久的であるか又は鋼製造容器の裏張りによりわずかに腐食し得る保護シース層と、正確な温度を決定するために光波長及び強度の複雑な放射率補正とを含み得る。
【００２１】
ＪＰ−Ａ−０８−１５０４０号により、消耗品光ファイバーを液体金属中に供給する方法が開示される。ＪＰ−Ａ−６２−１９７２７号等に開示されるような消耗品光ファイバーは、予測深さに溶解金属中に浸漬された場合、黒体条件の溶解金属から放射光を受ける。これは、例えば、浸漬された消耗品光ファイバーの反対側端部に取り付けられた光電変換要素を用いて放射線の強度が溶解金属の温度を決定するために用いられ得るようにされる。Ｐ．Ｃｌｙｍａｎｓの「浸漬タイプ光ファイバー高温計の適用」に簡明に詳述された先行技術の科学的原則は、黒体条件を実現するために、光ファイバーはある深さに浸漬されなければならない点である。消耗品光ファイバー及び長尺なコイル状材料を所定の深さまで供給するために必要な設備を用いる溶解金属の連続的測定は、例えばＥＰ０８０６６４０号及びＪＰ−Ｂ−３２６７１２２号等の当業界において周知である。消耗品光ファイバーが高温金属に浸漬されるか又はスラグがカバーする金属中にある苛酷な工業的環境において、測定が行われるべき期間中に予測された深さを維持することは、光ファイバーの温度が上昇する際の光ファイバー固有の欠点のために難しいことが判明した。既に金属が被覆したファイバーを、気体冷却（ＪＰ−Ａ−２０００−１８６９６１号）等の追加の保護、金属被覆ファイバー上に層状とされた追加の複合材料（ＥＰ６５５６１３号）、絶縁被覆（ＪＰ−Ａ−０６−０５８８１６号）、又は追加の金属カバー（ＵＳ５１６３３２１号及びＪＰ−Ｂ−３３５１１２０号）で保護することが必要になった。
【００２２】
高温使用に対する上記改善は、連続的な温度読み取りを与えるために消費可能なファイバー組立体のコストを劇的に向上させるという不利益を持つ。ＥＡＦにおいてより高い温度を測定する場合に遭遇する条件とは正確に同じではないが、ＪＰ−Ｂ−３３５１１２０号は、光ファイバーの消費速度を認識するのに有益である。開示された例において、コイルから光ファイバーを供給するための非常に複雑な機械的装置が使用される。該コイルは、追加の３ｍｍ厚ステンレス鋼管材料で再被覆された金属被覆光ファイバーから構成される。溶鉱炉タップ流れの鉄の連続温度測定に対する改善した温度の正確さのために推奨される開示された計算は、驚くべき５００ｍｍ／ｓである。光ファイバーのコスト及びそれを取り囲むステンレス鋼外側管は、この推奨供給速度で消費するためには高価である。
【００２３】
連続的温度測定の実際的な経済性は、連続的情報の利益を依然として取得しながら最小量の可能なファイバーを消費する点に依存する。最小量の露出したファイバーで光ファイバーを測定地点に持って行くことは、ＵＳ５５８５９１４号及びＪＰ−Ａ−２０００−１８６９６１号に記述される。そこでは、単一金属被覆ファイバーが恒久ノズルを通じて供給され、該ノズルは炉壁に取り付け可能で炉壁を通じて気体が噴出される。これらの装置は首尾良くファイバーを測定地点に運ぶことができるが、目詰まり及び継続的メンテナンスのためにマイナス材料となる。供給モードの段階では、ファイバーをノズルに対する溶接から保護するために振動が必要である。ポートが不十分な気体圧力のために塞がれたり閉じると、測定は終わり、ノズルが修理されるまで回復の可能性は無い。ＥＰ０８０２４０１号は、一連のパンチロッドと可動キャリッジに位置付けられた案内管とにより、閉塞した炉の開口の問題に対処し、ファイバーのノズルの通過を妨げるどちらの問題にも対処するためのツールセットを提供する。しかしながら、これらは、測定データが全く取得できない閉じたアクセスポートから障害物を取り除くための戦略である。一旦これらのポートが詰まったら、温度データを取得する可能性はなく、これは、鋼製造プロセスにおける重要な時期にあり得る。
【００２４】
連続供給される光ファイバーに対し、測定コスト及び浸漬装置の複雑さを更に高める追加の問題が生じる。浸漬型光ファイバーは、単にその光学的品質を維持し、そのため、熱に対し保護されたままであれば、又は、その劣化速度よりも速い速度で更新される場合、正確な温度を戻す。浴温度の光信号は、溶解鋼に浸漬された部分に対して黒体条件で正確に取得される。しかしながら、残った非浸上方部分は、完全な光ガイドのままでなければならない。上昇した温度では、光ファイバーの失透が生じ、光の透過率が低下し、また、低減した強度の関数としての温度エラーが増加する。ＪＰ−Ａ−０９−３０４１８５号及びＵＳ７８９１８６７号は供給速度方法を開示し、ここでは、ファイバー消費速度が失透レートよりも速くなければならず、これにより、フレッシュな光ファイバー表面が常に利用可能であることを保証する。簡易実験テストは、非常に短い時間の間（１５８０℃未満の温度で約１．０ｓ、１７００℃で浸漬されながらわずか０．１ｓ）、光学信号が安定したままであることを示す。より低い温度の金属に対する解決策ではあるが、上昇温度テストに対して失透レートよりも速い速度での光ファイバーの供給速度は、簡易金属被覆光ファイバーでは費用がかかる。ＥＡＦの苛酷な条件で上昇温度を測定する場合、先行技術が開示した追加の保護方法はまた、光ファイバーの同じ速度で消費される。これは、上述した二重カバーの光ファイバーにとって法外な費用となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２５】
【特許文献１】ＵＳ２９９３９４４号
【特許文献２】ＵＳ２０１１／００３８３９１号
【特許文献３】ＵＳ７７６７１３７号
【特許文献４】ＵＳ６７４９６６１号
【特許文献５】ＥＰ１８５７７６０号
【特許文献６】ＵＳ２８８６６１７号
【特許文献７】ＪＰ−Ａ６１−９１５２９号
【特許文献８】ＪＰ−Ａ６２−５２４２３号
【特許文献９】ＵＳ４４６８７７１号
【特許文献１０】ＵＳ５０６４２９５号
【特許文献１１】ＵＳ６１７２３６７号
【特許文献１２】ＵＳ６９２３５７３号
【特許文献１３】ＷＯ９８／４６９７１号
【特許文献１４】ＷＯ０２／４８６６１号
【特許文献１５】ＪＰ−Ａ−０８−１５０４０号
【特許文献１６】ＪＰ−Ａ−６２−１９７２７号
【特許文献１７】ＥＰ０８０６６４０号
【特許文献１８】ＪＰ−Ｂ−３２６７１２２号
【特許文献１９】ＪＰ−Ａ−２０００−１８６９６１号
【特許文献２０】ＥＰ６５５６１３号
【特許文献２１】ＪＰ−Ａ−０６−０５８８１６号
【特許文献２２】ＵＳ５１６３３２１号
【特許文献２３】ＪＰ−Ｂ−３３５１１２０号
【特許文献２４】ＵＳ５５８５９１４号
【特許文献２５】ＥＰ０８０２４０１号
【特許文献２６】ＪＰ−Ａ−０９−３０４１８５号
【特許文献２７】ＵＳ７８９１８６７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
本発明は、連続測定よりもスポット測定を提供することを好む先行教示から離れる方向で作用する。苛酷な環境で浸漬光ファイバーに関連した問題を解決しながら、ＥＡＦ溶解プロセスの数学的モデルの更新要求を満たす十分高いサンプリング周波数での利用に適した温度測定に対する低コストな解決策が発明された。本発明は、ほぼ連続的な温度測定出力を提供する。スラグカバーを通じてスラグと最初に接触することなく溶解金属内に光ファイバーを浸漬すること；制御された供給により測定期間中に所定の浸漬深さを維持すること；ＥＡＦ内部の高周囲熱での失透に対して非浸漬部分を保護すること；測定後の未使用ファイバーを取り去りかつ巻き取ること；再巻取り時に浴レベルを測定すること；及び、最初の初期開始条件を常に再現する測定プロセスを繰り返すための浸漬設備から構成される。
【００２７】
本発明により解決される課題は、既知の方法及び装置を改善することである。最適かつ最新の溶解金属温度情報をＥＡＦ操作者に提供することは、以下の要求を満たすべきである。
−バルク金属を表す正確な温度、
−炉傾斜から独立した固定浸漬深さ、
−連続的な又はほぼ連続的に利用可能である、
−浸漬深さ調整に対する浴レベルの決定。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
光ファイバーにより溶解物、特に溶解金属の温度を測定する方法は、光ファイバーが使い捨て案内管を通じて溶解物中に供給され、これにより、光ファイバー及び使い捨て案内管の浸漬端部が溶解物中に浸漬され、両方とも供給速度を有し、そのため、両供給速度が互いに独立であるという特徴がある。好ましくは、浸漬の第１段階において、使い捨て案内管及び光ファイバーが溶解物中に浸漬され、第２段階で、光ファイバーが使い捨て案内管より高速でかつより深く溶解物中に浸漬される。第２段階は、使い捨て案内管の浸漬端部が溶解物中に浸漬された後に開始することが好ましい。更に、浸漬の第３段階において、光ファイバーが停止するか又は溶解物から引き出されることが好ましい。第３段階に続いて、使い捨て外側案内管が溶解物中へと押し出されることが有利である。
【００２９】
本発明の好ましい実施形態において、使い捨て案内管及び／又は光ファイバーの速度は、浸漬の間変化する。更に、光ファイバー及び使い捨て案内管は、等しくない速度で移動させられることが好ましい。温度に加えて、溶解物の上面も確定されることが有利である。
【００３０】
溶解物、特に溶解金属の温度を測定するための発明機器は、光ファイバー及び使い捨て案内管を備え、使い捨て案内管は浸漬端部と浸漬端部とは反対側の第２端部とを有する。該発明機器は次の点で特徴付けられる。すなわち、光ファイバーが使い捨て案内管内に部分的に配置され、使い捨て案内管の内径は光ファイバーの外径よりも大きく、弾性プラグが使い捨て案内管の第２端部又は該案内管内に配置され、光ファイバーが弾性プラグを通じて供給され、弾性プラグが光ファイバーと使い捨て案内管との間の空隙を減じる。好ましくは、空隙の面積は２ｍｍ2未満であり、より好ましくは１ｍｍ2である。
【００３１】
本発明はまた、光ファイバーにより溶解物、特に溶解金属の温度を測定するための装置に関連する。該装置は、光ファイバーと、浸漬端部及び浸漬端部とは反対側の第２端部を有する使い捨て案内管とを備える上述した機器を備える。光ファイバーは、部分的に使い捨て案内管内に配置され、使い捨て案内管の内径は光ファイバーの外径よりも大きく、弾性プラグは、使い捨て案内管の第２端部に又は該案内管内に配置される。光ファイバーは弾性プラグを通じて供給される。弾性プラグは、光ファイバーと使い捨て案内管との間の空隙を減らす。本装置は、更に、ファイバーコイルと、光ファイバー及び使い捨て案内管を供給するための供給機構とを備える。供給機構は、少なくとも二つの独立した供給モータを備え、一つは光ファイバーを供給するためのものであり、一つは使い捨て案内管を供給するためのものである。好ましい装置では、（複数の）供給モータがそれぞれ別個の速度制御に組み合わされる。
【００３２】
更に、本発明は、上記記述により定義した方法における上記装置の使用方法に関連する。
【００３３】
本発明は、ＥＡＦでの鋼製造の最終処理ステップを制御するために必要な温度測定を取得するために利用される。この目的に有利となるため、該装置は、次の点が必要である。
サンプリング周波数で正確な温度測定を提供し、これがプロセスモデルの正確な更新及び湯出しに向けた操作者情報を提供する点；
中間測定がより低コストを与える点；
金属温度が表す金属測定位置。
【００３４】
これは、次の機器により成し遂げられる。
計測設備に常に接続される連続温度測定要素、ファイバー；
常に利用可能である。
利用可能性が喪失せず連結を待つ。
金属及びスラグでの迅速な応答時間−低接触時間である。
低コストである。
外側金属管；
浴に向けての迅速加速中にファイバーを支持し、金属から離れて曲がることを回避する。
ファイバーが金属に入ることを保証し、スラグに向かう上方への偏向を避ける。
ファイバーが液体スラグと接触しないように保ち、汚染を回避する。
ファイバーの非浸漬部分をクールに保ち、失透を回避する。
引っ込む光ファイバーを真っ直ぐに保つガイドであり、次の使用に対してファイバーを準備する。
使い捨てであり、新しい直線部分が毎回使用され、寸法が保証される。
気体プラグ；
管を包囲し、管内に逆圧を作り出すことを可能にする。
非理想ファイバー端部を収容するようにフレキシブルである。
次のマシンを使用して十分に長時間にわたって鋼浴に光ファイバーを浸漬する。
ＥＡＦ側壁に取り付けられる。
好ましくは２０ｓサイクル時間を有する。
エンコーダ及び誘導位置装置を使用して直接又は間接的にファイバーの端部の位置を常時監視する。
外側管及び気体プラグを刷新し、両方の内部を通るようにファイバーを位置付ける。
未使用のファイバーを再巻取りしつつ使用した外側管及び気体プラグをＥＡＦ内へと押し出す。
ほぼ即座の減速により＋２０００ｍｍ／ｓで供給可能である。
ファイバー及び外側管をＥＡＦ内に異なる速度で挿入する。
正逆駆動及び独立正逆駆動性能（両方向に移動する）である。
ファイバーの巻出し及び巻取りのための運動量補償アクチュエータ。
温度及び浴レベル方向の遠隔計測。
【００３５】
ＵＳ５５８５９１４号は、間欠的な光ファイバー供給が間欠的温度を提供することを認める。
オンデマンドの温度利用可能性が冶金プロセスを案内するのに十分である場合、連続的温度に対する必要性は、そのようなデータに対する技術的ニーズによっては支持されなくなる。
【００３６】
上記開示物において、１０ｓで１０ｍｍ／ｓの供給と２０ｓのオフタイムがＬＤプロセスに対して十分であると記述される。オフタイム中、外側ジャケットがノズルに溶接することを防ぐためにファイバーは振動されなければならない。供給時間及び待ち時間の両方において、気体はノズルを通じてパージされ、ノズルの直径は外側ファイバージャケットのＯＤ（外径）によって固定され、１．８ｍｍ〜４．２ｍｍである。このノズルを通ってパージ気体が流れ、パージ気体は油が供給されるハウジングに収容された一連のゴムプラグによって封じ込められる。
【００３７】
ＥＰ８０２４０１号はまた、気体がパージされた案内管又は光ファイバーの延長部分（浸漬はされていない）を保護する目的の「延長手段」を通じて供給される光ファイバーを利用した持続時間２〜３ｓのオンデマンド温度読み取りに対処する。これら両方の外側管は消耗品ではない。浸漬機構には、４〜５回の浸漬ごとにフレッシュ表面が提示されるように、光ファイバーの失透部分を切断するように装備される。
【００３８】
ＪＰ−Ｂ−３３５１１２０号は、追加消耗品外側金属管と共に連続供給金属被覆光ファイバーを開示している。両方は金属中へと同時に供給される。供給マシンも記述される。ＪＰ−Ｂ−３３５１１２０号の消耗品保護管は、ファイバーの一体部分であるかのようにファイバーの外面上に連続的に存在していた。本発明は、光ファイバーとは分離した別個の消耗品外側管を利用する。ある者は、ファイバーも供給することなしにＪＰ−Ｂ−３３５１１２０号の外側金属管を供給することができない。光ファイバーからの追加外側金属管の分離は、この発明の特徴である。それはまた他の課題に対する解決策も提供する。ＥＰ８０２４０１号が、ファイバーの浸漬を支援する延長部又は案内管の必要性を認識するのに対し、案内管は、金属表面に対して完全には延びない。それは浸漬可能ではなく、使い捨てでもない。このため、光ファイバーは決して完全には安全ではない。
【００３９】
実際、我々はそれをノズルと同様に扱うことができ、両方は閉塞の問題に苦しむ。実際、記述されたノズル及び案内管の両方は、それぞれの開口の材料侵入により閉塞を回避するための追加の機構を有する。先行技術は、ファイバーが供給されるノズルにスラグ／鋼が入ることを防ぐためのパージ気体の重要性を明確に認識する。これらのノズルは使い捨てではないため、案内管と浸漬端部との間にパージ気体を封止するための方法は、一般に油による恒久シールである。
【００４０】
本発明において、使い捨て気体プラグを有する使い捨て外側管は、十分に封じ込めるシステムを提供する。このシステムは、パージ気体の代わりに気体の膨張を利用することができる。ＥＰ８０２４０１号において、案内又は拡張管は金属とは接触しない。その開放端部は、加熱された気体が膨張する間の加圧には対処できない。ＵＳ５５８５９１４号の恒久包囲空間において、一旦気体が膨張したら、それはもはや金属侵入に対する代替を与えることができない。ＪＰ−Ｂ−３３５１１２０号において、外側管とファイバーとの間の空間は、有限の長さであり、また、気体の圧縮性のため、浸漬端部での加熱された気体の膨張を与えるようには使用できない。自己パージング外側管のユニークさは、外側管の使い捨て性の概念によってのみ可能となり得る。これは、先行技術全体の中でもユニークである。これは自明ではない。何故なら、先行技術は、連続的に供給される光ファイバーからの連続測定を維持することに関連する課題を解決しているからである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
一例として以下に発明が記述される。
【図１】図１は、先行技術消耗品光ファイバーを示す。
【図２】図２は、金属被覆光ファイバーの先導区域を示す。
【図３ａ】図３ａは、光ファイバーを浸漬する前の浸漬機器を示す。
【図３ｂ】図３ｂは、光ファイバーを浸漬した後の浸漬機器を示す。
【図３ｃ】図３ｃは、溶解金属ラドル（取鍋）又はタンディッシュ等の異なる金属容器を有する図３ｂに従う浸漬機器を示す。
【図４】図４は、浸漬中、外側管の浸漬端部と光ファイバーの浸漬端部の両方の位置のビューを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
一例として以下に機器が記述される。図１は、液体金属の測定に一般的に使用される先行技術消耗品光ファイバー１０を示す。該光ファイバーは、光ファイバーと、光ファイバーを覆うジャケットと、該プラスチックジャケットの表面を覆う保護金属管とを備える。光ファイバー１０は、一般的に、石英ガラスから成るグレーデッド・インデックス・マルチモード・ファイバーであり、直径６２．５μｍの内側コア１１と、ポリイミド又は類似材料１３で覆われた直径１２５μｍの外側被覆１２とを有する。保護金属管１４は、一般にステンレス鋼であり、１．３２ｍｍの外径（ＯＤ）及び０．１２７ｍｍの壁厚を有する。金属被覆光ファイバーが好ましいが、１４及び／または１３が単一プラスチック材料によって置き換えられる付加的な実施形態は企図される発明から逸脱しない。
【００４３】
図２は、金属被覆光ファイバー１０の先導区域１０’を示し、該先導区域は気体保持弾性プラグ３０を通じてスプール２０から供給され、使い捨て外側案内管４０の反対側浸漬端部５０に取り付けられる。ファイバー１０と使い捨て外側案内管４０は、固定された配置構成にはなく、そのため相互に独立に移動可能であり、反対側端部に気体シール３１を保ちながら異なる速度でスラグ層５１を通じて溶解浴（湯）５２中へと独立に挿入され得る。使い捨て案内管４０は、好ましくは、壁厚０．８〜１ｍｍを有する低炭素鋼であるが、種々の金属材料、セラミック、ガラス、ボール紙、プラスチック、又は材料の組み合わせから選択され得る。使い捨て案内管４０が溶解浴と反応する材料から選択される場合、跳ね飛びを低減する目的で当業界に知られている材料からなるコーティング又はカバーを適用することにより、使い捨て案内管４０の内側に溶解金属を跳ね飛ばさないように浸漬部分５０が準備されることが有利である。
【００４４】
端部が開放した使い捨て外側案内管４０をプラグ３０無しでスラグ層５１を通じて鋼に浸漬することは、この管内へのスラグ及び鋼の侵入をもたらす。精製プロセスからもたらされた溶解スラグは、光ファイバー構造内に容易に吸収される酸化鉄等の酸化物が多い。スラグ及び鋼を含む使い捨て外側案内管４０を通じて供給されるファイバー１０は、使い捨て外側案内管４０の開放端部に到達する前に損傷する。長さ２ｍ、浸漬深さ３０ｃｍで両端部が開放する好ましい使い捨て外側案内管４０では、使い捨て外側案内管４０内部での溶解材料の上昇は３０ｃｍである。閉じた端部の使い捨て外側案内管４０の場合、上昇はほぼ１６ｃｍである。これは、閉じ込められた空気の気体膨脹を無視して計算される。該空気は温度の上昇により膨脹する。試験は、使い捨て外側案内管４０の内径（ＩＤ）と光ファイバー１０の金属カバーの外径との間の空隙を減らすことにより鋼の侵入が最小化される得ることを示す。この空隙を最低限まで縮小することが非常に好ましい。しかしながら、実際には、１０ｍｍのＩＤを有する管の場合、この空隙は２ｍｍ2未満、好ましくは１ｍｍ2未満であるべきである。より短いＩＤの管は、閉じ込められた空気のより迅速な加熱速度のため、より大きい空隙を許容するであろう。
【００４５】
本発明の好ましい特徴の一つは、使い捨て案内管４０内に収容された気体の膨脹を利用して溶解物の侵入を避けることである。ある封止品質の浸漬端部とは反対側の端部を弾性プラグ３０を使用して効果的にシールすることにより、浸漬中、気体が泡立って浸漬された端部を出て、これによる使い捨て案内管４０をきれいに保つことを保証する。それにもかかわらず、例えば、最低温度で蒸発する材料の内部コーティング等、浸漬中に使い捨て案内管４０内に超過圧力を作り出すいかなる手段も鋼の侵入を避ける。使い捨て外側案内管４０内に正圧を作り出すことに対する顕著なコンセプトは、光ファイバー１０の自由な供給を妨げ得る金属、スラグ又は他の汚染物質の、使い捨て案内管４０の内部における上昇及び侵入を避けることである。
【００４６】
プラグ３０は、先行する浸漬からもたらされる理想的ではない光ファイバー端部に対し補償するために適切な弾性を有するべきである。好ましい実施形態において、プラグ３０は、各使い捨て外側案内管４０によって置き換えられる。各置き換えは適切なシールを保証する。しかしながら、このプラグ３０は、複数の使い捨て外側案内管と共に再利用されるように構成され得、また、メンテナンスの点から置き換えら得る。使い捨て外側案内管４０の末端部でのプラグ３０の好ましい位置は、適用の容易さから選択される。しかしながら、プラグ３０の浸漬端部付近の配置も同様に受け入れられ、該配置は浸漬中に優れた過圧を実現し、光ファイバー１０の誤りのない浸漬を支援する。プラグ３０の設計は、管端部に載っているリップを示す使い捨て案内管４０の先端での配置を助長する。他の構成も可能である。プラグ３０の正確な実施形態は、外側管内の空気の脱出を制限し、これにより内圧を増長するという該プラグの主目的に対して逸脱することなく、位置付けの簡易さ及びその位置の場所を反映するべきである。
【００４７】
鋼管の浸漬中、鋼管内への鋼の侵入は、次により増える。
−浸漬深さの増加
−管長さの伸長
−（他端部における）空隙の増加
−浴温度の低下
−壁厚の増加
−鋼浴の酸素含有量の増加
【００４８】
浸漬機器が図３に記述される。マシン１００は適切に構成され、機器が次のような態様で取り付けられる。すなわち、使い捨て外側案内管４０に対して組立プラグ３０が整列され、これにより光ファイバー１０がプラグ３０を通って使い捨て外側案内管４０の内部へと挿入さ得るように機器が取り付けられる。使い捨て外側案内管４０及び光ファイバー１０の両方は、ＥＡＦの側壁及び適切なアクセスパネル８０を通じてほぼ２０００ｍｍ／ｓで供給される。これらのパネル８０はマシン１００の一部ではない。マシン１００は、独立の１００％反転可能な駆動又は供給モータ２５、４５を有する。モータ２５は光ファイバー１０を駆動し、モータ４５は使い捨て案内管４０を駆動する。そのため、いずれかの方向での使い捨て外側案内管４０の速度は、いずれかの方向での光ファイバー１０の速度から独立している。
【００４９】
マシン１００は、使い捨て外側案内管４０の速度より遅い速度、該速度と等しい速度又は該速度より速い速度で光ファイバー１０を浴内へと独立に供給することができる。好ましくは、光ファイバー１０は、使い捨て外側案内管４０の浸漬端部５０及び光ファイバー１０の先導区域１０’の両方が金属の事前に決めた表面にほぼ同時に到達するようにより高速で供給される。一旦浴レベル位置に達したら、使い捨て外側案内管４０は、溶解金属５２のほとんど静止した位置へと減速される。光ファイバー１０の先導区域１０’は、ほぼ０．７ｓの間、約２００ｍｍ／ｓで鋼内をゆっくりとより深くなるように移動し続ける。使い捨て外側案内管４０及び光ファイバー１０の両方は、該二つの金属表面を共に溶接することを回避するため、等しくない速度で常に動いており、先行技術で述べた問題を解決する。
【００５０】
光ファイバー１０加速及び減速の問題は、使い捨て外側案内管４０の移動よりも複雑である。光ファイバー１０は、コイル又はスプール２０から常に巻出し及び再巻取りされ、これは、ファイバー消費量のために常に変化する該コイルの重量による。供給マシンは、コイル又はスプール２０自体並びに該コイルに連結された高温計の重量から生じる弾性スプリングバックを回避するために、付加的な機構が適用されなければならない。これは、ファイバー運動を制御するために２つのサーボモータ又は供給モータ２５、４５を使用することによって解決される。一つの供給モータ２５は、ファイバー１０の巻出し及び再巻取りを引き受け、また、供給モータ２５が非常に迅速に加速可能な態様でファイバー１０を事前供給する。
【００５１】
消耗品光ファイバー１０は、溶解金属から放射光を受け、これを、コイル状消耗品光ファイバーの反対側端部に取り付けられて関連する機器類と組み合わされた光−電気変換要素に伝達し、該放射の強度を測定し、これを用いて金属の温度を決定する。光ファイバーコイル又はスプール２０と機器類は、ある間隔離して位置付けられ、ＥＡＦから引き離されるが、鋼製造環境の苛酷な状況に耐えるように適切に頑強である。光ファイバー１０の浸漬端部の位置は、浸漬サイクルの浸漬部分、測定部分及び取り出し部分の間ずっと常に知られ、マシン機器類によって監視される。マシンには、ファイバー長さの通過を割り出す位置エンコーダと、ファイバー端を記録する誘導スイッチとが装備される。
【００５２】
測定が完了した後、消耗品光ファイバー１０及び使い捨て外側案内金属管４０の両方は、光ファイバー１０が相対的に浴中により深く留まる態様で、異なる速度で鋼から引き出される。この移動中、事前に決めた位置との間に、引き出された光ファイバー１０の長さと相互関連がある場合、光強度の変化により浴レベルを決定することができる。この測定後浴レベル決定がその後の浸漬のために用いられる。浴レベルは、本発明の方法から逸脱することなく、該文献に十分に記述された種々の技術を使用して浸漬中に決定され得ることが企図される。
【００５３】
一旦光ファイバー１０がＥＡＦ内部から取り除かれたら、この時点で使い捨て外側案内管４０の方向は炉内部に向けて反転される。使い捨て外側案内金属管４０は、次いで、放出され、廃棄され、そして炉内部で消費される。新しい使い捨て外側案内管４０及び気体プラグ３０が配置され、次の測定のための光ファイバー１０を受け入れる。残った光ファイバー１０は、取り出し中に再巻取りされ、初期位置に戻される。
【００５４】
本発明のキー機能は次のものである。
ファイバーの正確な巻出し及び巻取り
ファイバー端の検出
使い捨て外側案内管の装填
気体プラグの取り付け及び配置
初期位置のファイバーの気体プラグへの案内
ファイバー及び使い捨て外側案内管の両方の完全正逆駆動
ファイバー及び使い捨て外側案内管に対する独立した速度分布
レベル検出のためのファイバー出力の登録
浴レベルの傾斜補償のための炉殻への取り付け
【００５５】
該方法は、総サイクルの説明の一例として記述される。この概念は、ＥＡＦの操作者不要の制御を我々にもたらすはずである。最適な操作は迅速に連続して（約５回）複数の温度浸漬を採ることである点が想像される。各浸漬はほぼ２ｓである。総サイクル時間は、単一ヒートの間、２０ｓ未満であるべきである。
【００５６】
図４の図式は、測定サイクルの２浸漬中の、使い捨て外側案内管４０の浸漬端部５０及び光ファイバー１０の浸漬端部又は先導区域１０’の位置の両方のビューを与える。ファイバーの移動に対し、我々はファイバーの端部位置を追跡する。
【００５７】
管の移動により、我々は使い捨て案内管４０の浸漬端部の位置を示す。使い捨て外側案内管４０の浸漬端部５０の反対側は気体プラグ３０である。この図式の目的のため、使い捨て外側案内管４０が既に浸漬位置に対して準備ができている。気体プラグ３０は、既に後端部に取り付けられ、光ファイバー１０は、気体プラグ３０の丁度内部にある。図示される相対的寸法は、記述目的であり、絶対的間隔は鋼ショップから鋼ショップへの変数である実際の炉寸法に基づいている。
【００５８】
外側金属管内のファイバーの時間０での開始位置１は、溶解金属／浴レベル上方３５０ｃｍにセットされる。外側金属管の浸漬端部の時間０での開始位置１は、浴レベル上方１５０ｃｍである。光ファイバー１０は、位置１から２へと供給され、その間、使い捨て外側案内管４０はほぼ静止状態のままである。位置２から４をカバーする時間０．８ｓと１．２ｓの間に、光ファイバー１０及び使い捨て外側案内管４０の両方は、溶解スラグ５１の丁度上の位置まで進む。１．２ｓ及び位置４において、使い捨て外側案内金属管４０よりもファイバーがわずかに速く前進させられ、スラグ５１を通過し、溶解金属５２中へと入る。使い捨て外側案内金属管４０は遅いのに対し、光ファイバー１０はほぼ２００ｍｍ／ｓで進行し、浸漬中へと位置６及び１．５ｓで最大浸漬に到達する。光ファイバー１０及び使い捨て外側案内管４０の両方は０．１ｓ以内に抜き取られる。光ファイバー１０は、引き続き引っ込められ、巻き取られ、そのロード位置８へと戻る。他方、使い捨て外側案内金属管４０方向の残りは、位置７で反転され、捨てられる。光ファイバー１０は、捨てられた使い捨て外側案内管４０の残りの部分により依然として保護される。
【符号の説明】
【００５９】
１０  光ファイバー
１０’  先導区域
２０  スプール（コイル）
２５、４０  供給モータ
３０  弾性（気体）プラグ
３１  気体シール
４０  使い捨て外側案内管
５０  浸漬端部
５１  スラグ層
５２  溶解金属
８０  アクセスパネル
１００  マシン
【図１】
2014219395.tif 000003
【図２】
2014219395.tif 000004
【図３ａ】
2014219395.tif 000005
【図３ｂ】
2014219395.tif 000006
【図３ｃ】
2014219395.tif 000007
【図４】
2014219395.tif 000008