(57)【要約】【課題】不焼成耐火物の熱膨張量を正確に測定することができる熱膨張量計測装置を提供する。【解決手段】加熱炉２内に設置され不焼成耐火物からなる試験片Ｓを支持するためのテーブル部４と、上記試験片の上部に被せられるヘッド部３と、上記ヘッド部と上記テーブル部に設定された二つの標点の標点間距離を光学的に計測する計測部１０，１２とを備えていることを特徴とする。【選択図】図１
2014035251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱炉内に設置され不焼成耐火物からなる試験片を支持するためのテーブル部と、
上記試験片の上部に被せられるヘッド部と、
上記ヘッド部と上記テーブル部に設定された二つの標点の標点間距離を光学的に計測する計測部とを備えていることを特徴とする耐火物の熱膨張量計測装置。
【請求項２】
上記試験片の自由膨張を妨げない範囲で上記ヘッド部の重量が上記試験片に載荷されている請求項１に記載の耐火物の熱膨張量計測装置。
【請求項３】
上記ヘッド部の重量を載荷することによって上記試験片に発生する圧縮応力が０．０３Ｎ／ｍｍ２以下である請求項２に記載の耐火物の熱膨張量計測装置。
【請求項４】
加熱炉内に設置され耐火物からなる試験片を支持するためのテーブル部と、
上記試験片の上部に被せられるヘッド部と、
上記ヘッド部と上記テーブル部に設定された二つの標点の標点間距離を光学的に計測する計測部とを備え、
上記ヘッド部としての押圧用シャフトと、
上記押圧用シャフトを昇降させるクロスヘッドと、
上記押圧用シャフトと上記クロスヘッドとの間に介設され、上記試験片の膨張、収縮にともなって発生する反力を検出するロードセルと、
上記ロードセルによって検出される反力の値が、上記試験片の自由膨張を妨げない範囲となるように上記クロスヘッドを昇降させるクロスヘッド制御部とを備えていることを特徴とする耐火物試験装置。
【請求項５】
上記クロスヘッド制御部は、上記標点間距離が予め定めた値に達した際に、上記クロスヘッドの昇降動作を停止させて標点間距離を一定にするように構成されている請求項４に記載の耐火物試験装置。
【請求項６】
上記耐火物の自由膨張を妨げない上記反力の値が、上記試験片の断面積に圧縮応力０．０３Ｎ／ｍｍ２を乗じた値以下である請求項４に記載の耐火物試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温下における耐火物の熱膨張量を非接触にて精度良く計測することができる熱膨張量計測装置および耐火物試験装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
耐火物の熱膨張を計測する試験方法としては、JIS R 2207：耐火物の熱膨張の試験方法が知られており、JIS R 2207-2では、円筒試験片を用いた接触法による試験方法が規定され、JIS R 2207-3では、棒状試験片を用いた接触法による試験方法が規定されている。
【０００３】
上記のJIS試験方法によれば、特定の荷重下で複数の耐火物の熱膨張特性を測定することにより、実炉における拘束下での耐火物挙動を評価するのに用いることができる（JIS R 2207-2 解説5.4 操作の欄参照）とある。
【０００４】
また、上記熱膨張量を自動計測する装置として、非接触式全自動熱間線膨張率測定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
上記全自動熱間線膨張率測定装置は、加熱炉内に試験片（試料）を収納し、その試験片の背後からハロゲンランプ光を照射し、試験片の前側に配置したＣＣＤイメージセンサ内蔵の２台のカメラによって試験片両端の影の位置を直接光として捕え、各温度における試験片の変位を検出し、熱間線膨張率を測定するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−１７５７５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、試験片から直接的に変位を検出する上記測定方法では、測定対象が不焼成耐火物（製造工程において加熱乾燥後に焼成していない耐火物）のように有機バインダーを含む耐火物の場合、測定の際の加熱時にその有機バインダーが試験片表面に泡状に噴出することがあるため、正確な測定が行えないという不都合があった。
【０００８】
図７(ａ)は正常測定時における試験片の画像を示し、同図(ｂ)は試験片の頂部に噴出物が発生した画像を示している。
【０００９】
試験片の頂部に噴出物が発生すると、その試験片の膨張を光学的に自動計測する方法では、その噴出物を測点として認識し誤った計測が行われてしまう。
【００１０】
また、実炉、例えば転炉では耐火物が垂直方向及び円周方向に積み上げられているため、それらの耐火物は拘束下で複雑に熱膨張している。このような環境下で使用される耐火物の熱膨張を計算で求めることは困難であることから、実炉における耐火物の挙動も正確に評価できるような装置が要望されている。
【００１１】
本発明は以上のような従来の耐火物の測定方法における課題を考慮してなされたものであり、第一の目的は、不焼成耐火物の熱膨張量を正確に測定することができる熱膨張量計測装置を提供することにあり、第二の目的は、実炉における拘束下での耐火物の挙動を正確に評価することができる耐火物試験装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は熱膨張量計測装置と、耐火物試験装置との二つの形態がある。
【００１３】
熱膨張量計測装置は、加熱炉内に設置され不焼成耐火物からなる試験片を支持するためのテーブル部と、
上記試験片の上部に被せられるヘッド部と、
上記ヘッド部と上記テーブル部に設定された二つの標点の標点間距離を光学的に計測する計測部とを備えていることを要旨とする。
【００１４】
熱膨張計測装置において、上記試験片の自由膨張を妨げない範囲で上記ヘッド部の重量を上記試験片に載荷することができる。
【００１５】
また、上記ヘッド部の重量を載荷することによって上記試験片に発生する圧縮応力は０．０３Ｎ／ｍｍ２以下であることが好ましい。
【００１６】
耐火物試験装置は、加熱炉内に設置され耐火物からなる試験片を支持するためのテーブル部と、
上記試験片の上部に被せられるヘッド部と、
上記ヘッド部と上記テーブル部に設定された二つの標点の標点間距離を光学的に計測する計測部とを備え、
上記ヘッド部としての押圧用シャフトと、
上記押圧用シャフトを昇降させるクロスヘッドと、
上記押圧用シャフトと上記クロスヘッドとの間に介設され、上記試験片の膨張、収縮にともなって発生する反力を検出するロードセルと、
上記ロードセルによって検出される反力の値が、上記試験片の自由膨張を妨げない範囲となるように上記クロスヘッドを昇降させるクロスヘッド制御部とを備えていることを要旨とする。
【００１７】
上記耐火物試験装置において、上記クロスヘッド制御部は、上記標点間距離が予め定めた値に達した際に、上記クロスヘッドの昇降動作を停止させて標点間距離を一定にするように構成することができる。
【００１８】
また、上記耐火物の自由膨張を妨げない反力の値は、上記試験片の断面積に圧縮応力０．０３Ｎ／ｍｍ２を乗じた値以下とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の熱膨張量計測装置によれば、高温下における不焼成耐火物の熱膨張量を非接触にて精度良く計測することができるという長所を有する。
【００２０】
本発明の耐火物試験装置によれば、実炉における拘束下での耐火物の挙動を正確に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】(ａ)は本発明に係る熱膨張量計測装置の要部平面図、(ｂ)は熱膨張量計測装置の正面図である。
【図２】試験片に各種ヘッド重量を加えた場合の熱膨張率を計測したグラフである。
【図３】耐火れんがの自由膨張特性を測定したグラフである。
【図４】(ａ)は本発明に係る耐火物試験装置の要部平面図、(ｂ)は耐火物試験装置の正面図である。
【図５】図４(ｂ)のＢ−Ｂ矢視側面図である。
【図６】本発明の耐火物試験装置による試験結果を示すグラフである。
【図７】(ａ)は耐火物の正常測定時の試験片画像を示した説明図、(ｂ)は噴出物発生時の試験片画像を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００２３】
［１］熱膨張量計測装置の構成
図１において、不焼成耐火物からなる試験片Ｓの熱膨張量を計測する熱膨張量計測装置１は、試験片Ｓを収納するための加熱炉２と、試験片Ｓの頂部に載置される標点用ヘッド（ヘッド部）３と、試験片Ｓを支持するためのテーブル（テーブル部）４とを備えている。
【００２４】
上記試験片Ｓは、例えば高さ４０ｍｍ、直径２０ｍｍの円柱形に成形されている。標点用ヘッド３及びテーブル４はカーボン製またはタングステン製であり、それぞれ試験片Ｓの直径よりも大径の円板、円柱状部材で構成されている。
【００２５】
上記加熱炉２は、箱状に形成されたステンレス製のケース５から構成されており、試験片Ｓを出し入れするための開閉蓋（図示しない）が備えられ、対向する内側側壁に石英ガラス６が設けられ、その石英ガラス６の内側に断熱材７が貼着されている。
【００２６】
ケース５には水平方向に対をなす窓部が上下に２カ所設けられており、上側の窓部８ａ、８ｂは、試験片Ｓ上面と接触する標点用ヘッド３の下端部と対向し、下側の窓部９ａ、９ｂは、試験片Ｓ下面を支持しているテーブル４の上端部と対向している。
【００２７】
なお、上記各窓部８ａ、８ｂ及び９ａ、９ｂは、上記ケース５および上記断熱材７の一部を切り抜き、石英ガラス６のみを露出させることによって形成されている。
【００２８】
上側窓部８ａに向けてＣＣＤイメージセンサを内蔵した第１カメラ１０が配置され、上記窓部８ｂに向けて第１光源１１が配置されている。
【００２９】
一方、下側窓部９ａに向けて同じくＣＣＤイメージセンサを内蔵した第２カメラ１２が配置され、上記窓部９ｂに向けて第２光源１３が配置されている。
【００３０】
各光源１１、１３は例えばハロゲンランプからなり、試験片Ｓをその背部から照明し、第１カメラ１０及び第２カメラ１２のＣＣＤイメージセンサ上に標点用ヘッド３の影、テーブル４の影をそれぞれ形成させるようになっている。
【００３１】
詳しくは、図１(ｂ)のＡ−Ａ矢視図である図１(ａ)において、第２光源１３からの光は、試験片Ｓを支持しているテーブル４の外周縁部を第２測点Ｃとして照らし、その第２測点Ｃを第２カメラ１２で撮影するようになっている。
【００３２】
一方、第１光源１１は、図１(ｂ)に示すように、試験片Ｓと接触している標点用ヘッド３の外周縁部（第１測点Ｄ）を照らし、その第１測点Ｄを第１カメラ１０で撮影するようになっている。
【００３３】
上記第１カメラ１０及び第２カメラ１２は、標点用ヘッド３とテーブル４に設定された二つの標点の標点間距離を光学的に計測する計測部として機能する。
【００３４】
なお、図１(ａ)の符号１４、１５は、加熱炉２内に配置された面状の加熱用ヒータである。
【００３５】
図２のグラフは、本発明の熱膨張量計測装置を製作するにあたり、試験片Ｓに対して様々なヘッド重量を加えた場合の熱膨張率を計測したグラフであり、横軸は試験片の負荷応力（N/mm2）を示し、縦軸は熱膨張率（％）を示している。
【００３６】
上記熱膨張率を計算によって求めるにあたって試験片Ｓの熱膨張量を計測するが、熱膨張量とは、第１測点Ｄの変位と第２測点Ｃの変位との差を求めることであり、テーブル４に生じる熱膨張分をキャンセルするようにしている。
【００３７】
なお、計測を行うにあたり、加熱炉２内の温度が１，２００℃に維持されるよう加熱用ヒータ１４、１５への通電を制御した。また、試験片Ｓとしてマグネシア炭素質耐火れんがを使用した。
【００３８】
図２のグラフに示されるように、試験片Ｓの負荷応力が０．０３Ｎ／ｍｍ２（境界線Ｇ参照）に上昇するまでは、熱膨張率はほぼ一定（１．３％前後）で変化しないことが確認された。
【００３９】
一方、図３のグラフは、負荷応力に対する熱膨張率の計測とは別にマグネシア炭素質耐火れんがの自由膨張特定Ｈを測定したものであり、横軸は温度（℃）、縦軸は熱膨張率（％）を示している。
【００４０】
同グラフに示されるように、温度１，２００℃における熱膨張率は約１．３６％であり、図２の測定結果とほぼ同じ値となった。それにより、負荷応力０．０３Ｎ／ｍｍ２以下の範囲で荷重を加えた場合は試験片Ｓの自由膨張を拘束しないことが確認された。
【００４１】
上記自由膨張を拘束しないとは、試験片の自由膨張を妨げない意味である。
【００４２】
上記熱膨張量計測装置１によれば、試験片Ｓの頂部に標点用ヘッド３を載置し、その標点用ヘッド３の変位を試験片Ｓの膨張として計測しているため、有機バインダーの噴出による誤測定を解消することができ、不焼成耐火物の熱膨張量を正確に計測することが可能になる。
【００４３】
［２］耐火物試験装置の構成
図４(ａ)は、本発明に係る耐火物試験装置の要部平面図、同図(ｂ)は耐火物試験装置の構成を示す正面図である。なお、図４において図１と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００４４】
図４において、耐火物試験装置２０は、加熱炉２と、この加熱炉２内に進入し試験片Ｓの上面を押圧する押圧用シャフト（ヘッド部）２１と、テーブル（テーブル部）４と、押圧用シャフト２１を介して荷重を加えるクロスヘッド２２と、クロスヘッド２２と押圧用シャフト２１との間に介設され、試験片Ｓの膨張、収縮にともなって発生する反力を検出するロードセル２３とを備えている。
【００４５】
押圧用シャフト２１及びテーブル４は、カーボン製またはタングステン製であり、それぞれ試験片Ｓの直径よりも大径の円柱状部材で構成されている。
【００４６】
図５は図４(ｂ)のＢ−Ｂ矢視側面図である。
【００４７】
図５において、Ｅは第１カメラ１０によって撮影される画像を示し、Ｆは第２カメラ１２によって撮影される画像を示している。
【００４８】
画像Ｅでは押圧用シャフト２１の下端外周縁部が標点として撮影Ｄされ、画像Ｆではテーブル４の上端外周縁部が標点Ｃとして撮影されている。
【００４９】
図４に戻って説明する。
【００５０】
同図に示す耐火物試験装置２０は、図１に示した標点用ヘッド３に代えて押圧用シャフト２１を試験片Ｓの頂部に当接させ、クロスヘッド２２を下降させることによりその押圧用シャフト２１を介して試験片Ｓに荷重を加えるようになっている。
【００５１】
押圧用シャフト２１とクロスヘッド２２との間にはロードセル２３が介設されており、そのロードセル２３によって検出される反力は、マイクロコンピュータから構成されるクロスヘッド制御部２４に与えられ、クロスヘッド制御部２４はその応力を監視しながらクロスヘッド駆動用のモータ２５の回転を制御し、クロスヘッド２２を昇降させるようになっている。
【００５２】
例えば、ロードセル２３によって検出された応力が、試験片Ｓの断面積×０．０３Ｎ／ｍｍ２（しきい値）以下となるように、押圧用シャフト２１をクロスヘッド２２によって制御すれば、試験片Ｓを自由膨張させることができるため、その押圧用シャフト２１の移動量から熱膨張量を得ることができる。
【００５３】
また、上記しきい値を高く設定すれば、JIS R 2207-2に規定されている荷重下の熱膨張試験に移行させることも可能になる。因に、上記荷重下とは圧縮応力の設定が０．１ＭＰａ，０．２ＭＰａ，０．５ＭＰａなどであることを意味する。
【００５４】
また、実炉における耐火物が目地を介して構築されていることを耐火物試験装置で再現すべく、試験片Ｓを自由膨張させた後、クロスヘッドの昇降動作を停止させてクロスヘッド２２の移動量を一定量に規制すれば、目地代を吸収した後に試験片Ｓに発生する熱応力を計測することも可能になる。それにより、炉内における耐火物の挙動を、耐火物試験装置で評価することが可能になる。
【００５５】
［３］耐火物の試験方法
耐火物を試験するにあたって、まず、加熱炉２内の加熱用ヒータ１４、１５に通電し、炉内の温度を上昇させる。
【００５６】
なお、耐火物試験では試験片Ｓに対し０．４ｍｍの目地が存在することを想定している。すなわち、試験前では試験片Ｓの頂部と押圧用シャフト２１との間に０．４ｍｍの隙間が設けられている。
【００５７】
図６のグラフは、耐火物試験装置による試験結果を示したものであり、横軸は時間（秒）、右縦軸は温度（℃）、左縦軸は計測荷重（ｋＮ）をそれぞれ示している。
【００５８】
炉内の温度Ｊが上昇するにつれて試験片Ｓは膨張していくが、０〜０．４ｍｍまでは自由膨張（範囲Ｒ１参照）するため、計測荷重Ｉはほぼゼロのままである。
【００５９】
クロスヘッド２２の移動量を一定量に規制した状態（範囲Ｒ２参照）で炉内の温度をさらに上昇させ１，１００℃を超えると、試験片Ｓの頂部が押圧用シャフト２１の押圧面と当接し、その時点（Ｉ１参照）から反力（荷重）が立ち上がる。
【００６０】
この時の荷重からは、目地代を吸収した後に試験片Ｓに発生する熱応力を求めることができる。
【００６１】
炉内温度が１，２００℃に達すると、炉内の温度を一定にキープする。この時点から試験片Ｓに応力緩和が発生する（Ｉ２参照）。
【００６２】
次いで、炉内の温度を降下させていくと試験片Ｓは収縮し始め、収縮した試験片Ｓの頂部が押圧用シャフト２１の押圧面から離れると（Ｉ３参照）、計測荷重Ｉは再びゼロに戻る。上記冷却過程では荷重低下量を計測することが可能になる。
【００６３】
Ｒ３の範囲内では範囲Ｒ１と同様に試験片Ｓは自由膨張する。
【００６４】
次に、試験片Ｓに対してクロスヘッド２２を強制的に降下させ、押圧用シャフト２１を介して試験片Ｓに荷重を加えると、試験片Ｓの圧縮強度も計測することができる（範囲Ｒ４参照）。
【００６５】
このように、本発明の耐火物試験装置２０によれば、実炉における拘束下での耐火物の挙動を再現して耐火物に作用する荷重の変化や耐火物の強度を計測することが可能になる。
【符号の説明】
【００６６】
１    熱膨張量計測装置
２    加熱炉
３    標点用ヘッド（ヘッド部）
４    テーブル（テーブル部）
５    ケース
６    石英ガラス
７    断熱材
８ａ，８ｂ  上側の窓部
９ａ，９ｂ  下側の窓部
１０    第１カメラ（計測部）
１１    第１光源
１２    第２カメラ（計測部）
１３    第２光源
１４，１５  加熱用ヒータ
２０    耐火物試験装置
２１    押圧用シャフト
２２    クロスヘッド
２３    ロードセル
２４    クロスヘッド制御部
２５    モータ
Ｓ    試験片
【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６】
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【図５】
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【図７】
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