(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉に差し込まれた状態で片持ち支持されるゾンデ本体と、前記ゾンデ本体に装着される検知部とを備え、前記検知部の検知結果に基づいて高炉の炉内状態を測定する高炉用ゾンデであって、
前記ゾンデ本体は、内部で冷却水が循環可能な冷却パイプと、前記冷却パイプの外周を保護する保護外殻とによって二重構造とされ、
前記冷却パイプおよび前記保護外殻は締め代を有し、
前記冷却パイプは、前記保護外殻に締嵌めされる
ことを特徴とする高炉用ゾンデ。
【請求項２】
請求項１に記載の高炉用ゾンデにおいて、
前記冷却パイプが前記保護外殻に締嵌めされた締嵌め部によって前記ゾンデ本体の先端部が構成される
ことを特徴とする高炉用ゾンデ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の高炉用ゾンデにおいて、
前記冷却パイプと前記保護外殻との初期設定締め代の下限は、炉内最大温度下において前記冷却パイプと前記保護外殻とが離間しない値に設定され、
前記冷却パイプと前記保護外殻との初期設定締め代の上限は、前記冷却パイプと前記保護外殻との締嵌め時に生じる応力が当該冷却パイプおよび当該保護外殻の降伏応力よりも小さくなる値に設定される
ことを特徴とする高炉用ゾンデ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の高炉用ゾンデにおいて、
前記検知部が前記ゾンデ本体の温度に依存しない程度に、前記検知部を前記ゾンデ本体から離間して配置するか、または、前記検知部と前記ゾンデ本体との間に耐火材を配置する
ことを特徴とする高炉用ゾンデ。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の高炉用ゾンデにおいて、
前記冷却パイプが前記保護外殻に締嵌めされた締嵌め部は、前記ゾンデ本体の前記締嵌め部を除く部分よりも平面視上狭幅に形成される
ことを特徴とする高炉用ゾンデ。
【請求項６】
請求項５に記載の高炉用ゾンデにおいて、
前記締嵌め部は丸管形状に形成される
ことを特徴とする高炉用ゾンデ。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の高炉用ゾンデにおいて、
前記ゾンデ本体の上側部分には、高炉の炉内に装入される装入物が堆積可能な堆積部が形成される
ことを特徴とする高炉用ゾンデ。
【請求項８】
請求項７に記載の高炉用ゾンデにおいて、
前記堆積部は、前記ゾンデ本体の長手方向に間隔を隔てて複数形成された仕切板と、前記ゾンデ本体の長手方向に沿って形成された一対の縦板とによって形成される複数の堆積凹部によって構成され、
前記一対の縦板は、前記ゾンデ本体の長手方向に沿って複数に分割した形状とされる
ことを特徴とする高炉用ゾンデ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉の炉内状態（高炉内の温度、圧力、成分、ガス流速分布等）を測定するための高炉用ゾンデに関する。
【背景技術】
【０００２】
高炉の大型化に伴い、高炉の炉内状態の半径方向における偏差が拡大している。この偏差を正確に把握することは、炉内状態を管理するうえで重要である。このため、高炉の炉頂部に半径方向に延びる高炉用ゾンデを設置し、高炉の半径方向の複数個所で、各々のガス温度、組成、荷下り速度、プロフィル等を測定し、測定結果を条件として炉内状態を推定するシステムが、高炉に採用されている。
【０００３】
高炉用ゾンデとしては、例えば、棒状のランス（ゾンデ本体）と、ランスの先端に設けられた測定窓とを備える移動式の高炉用ゾンデが知られている（特許文献１参照）。
移動式の高炉用ゾンデを用いた測定は次のように行う。まず、ランスを炉壁から炉心に向けて挿入し、ランスの先端に位置する測定窓を開いて炉心の温度等を測定する。つづいて、ランスを炉壁から少しずつ引き出し、炉心から炉壁までの間の多点において温度等を測定する。このようにして、高炉の半径方向における多点での測定を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−３６２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の高炉用ゾンデでは、高炉の半径方向における多点で測定するため、ランスを炉壁から少しずつ引き出さなければならない。ここで、ランスを引き出さずに多点の測定を行うためには、例えば、図１５に示すような固定式の高炉用ゾンデ９０が考えられる。
【０００６】
高炉用ゾンデ９０は、高炉の半径方向に沿って延びた状態で炉壁に片持ち支持されるゾンデ本体９１と、ゾンデ本体９１に沿って複数装着される検知部９２とを備えて構成される。
この高炉用ゾンデ９０では、炉心から炉壁までの間の多点における温度等の測定を、複数の検知部９２での検知に基づいて行うため、ゾンデ本体９１を炉壁から少しずつ引き出す動作を行う必要がない。
【０００７】
しかし、高炉用ゾンデ９０では、ゾンデ本体９１が炉壁から炉心に向かって挿入された状態のまま測定を行うため、ゾンデ本体９１が常時高温化にさらされ、炉内温度上昇とともに高温となり（特に、炉内中心で高温となり）、所定の耐久温度を上回る場合には損傷するおそれがある。
このため、ゾンデ本体９１は、図１６，１７に示すように、内部で冷却水が循環する冷却パイプ９３と冷却パイプ９３の外周に接して位置する保護外殻９４とによる二重構造(メタルタッチ構造)の保護管として構成されている。冷却パイプ９３は、パイプ本体９３１と内パイプ９３２とを有する。冷却水は、内パイプ９３２から冷却パイプ９３の先端側に供給され、パイプ本体９３１と内パイプ９３２との間の空間で流動する。ゾンデ本体９１は、その内部で冷却水が循環することによって冷却され、炉内温度上昇による高温化を抑える。
保護外殻９４は、冷却パイプ９３のパイプ本体９３１を保護し、当該パイプ本体９３１の損傷に基づく冷却パイプ９３からの冷却水の漏水を防いでいる。
【０００８】
ところで、近年の高炉操業では、操業安定のため炉内ガス流れにおいて、中心流を強化しており、その結果、炉中心部の高温化が進んでいる。
この高温化により、保護外殻９４がめくれあがり、冷却パイプ９３の損傷や冷却水の漏水などが生じるおそれが高まっている。つまり、保護外殻９４と冷却パイプ９３とに温度差が生じると、これらの熱膨張差により保護外殻９４と冷却パイプ９３との間に隙間が生じ、保護外殻９４が冷却水によって冷却され難くなる。この場合、保護外殻９４が炉内温度に依存して高温化し、構造が不安定となってめくれあがり変形を生じ得る。また、高温化に伴い、材料強度が低下し高炉のシュートから装入される装入物の衝突により損傷し得る。
このように高温化した保護外殻９４では冷却パイプ９３を保護できず、高炉用ゾンデ９０が早期に損傷し、ひいては、炉内浸水が発生し操業へ支障をきたすおそれがある。そのため、高炉用ゾンデの使用期間は、６ヶ月程度となっている。
【０００９】
本発明の目的は、保護外殻を確実に冷却できて長期使用可能な高炉用ゾンデを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の高炉用ゾンデは、高炉に差し込まれた状態で片持ち支持されるゾンデ本体と、前記ゾンデ本体に装着される検知部とを備え、前記検知部の検知結果に基づいて高炉の炉内状態を測定する高炉用ゾンデであって、前記ゾンデ本体は、内部で冷却水が循環可能な冷却パイプと、前記冷却パイプの外周を保護する保護外殻とによって二重構造とされ、前記冷却パイプおよび前記保護外殻は締め代を有し、前記冷却パイプは、前記保護外殻に締嵌めされることを特徴とする。
ここで、冷却パイプと保護外殻との締嵌めとしては、いわゆる焼嵌めでもよく、また、冷却パイプの保護外殻への圧入でもよい。
【００１１】
本発明の高炉用ゾンデによれば、冷却パイプが保護外殻に締嵌めされた二重構造のゾンデ本体が形成される。このため、冷却パイプと保護外殻との間に隙間が発生することがなく、冷却パイプと保護外殻との熱伝達効率の低下を抑えることができる。
つまり、例えば１０〜１５分毎の装入物の装入間隔で炉内温度変化（例えば、約６００℃〜約１２００℃の温度変化）が繰り返される場合、炉内低温時には、冷却パイプと保護外殻とが密に接触した状態で熱伝達効率の低下を抑えることができ、炉内高温時には、冷却パイプと保護外殻との熱膨張差が大きくなっても、冷却パイプと保護外殻との締め代分によって冷却パイプと保護外殻との間に隙間が発生することをなくし、熱伝達効率の低下を抑えることができる。
このため、保護外殻を効率よく確実に冷却でき、保護外殻が高温となって冷却パイプからめくれあがることを抑制できる。また、高温化による材料強度の低下を軽減することができる。また、前述したように締嵌めの構成によって保護外殻のめくれあがりを抑制できるので、締嵌めの構成のない高炉用ゾンデの使用可能期間が６ヶ月程度であるのに比べ、使用可能期間を２年程度にまで延ばすことができる。
【００１２】
本発明の高炉用ゾンデでは、前記冷却パイプが前記保護外殻に締嵌めされた締嵌め部によって前記ゾンデ本体の先端部が構成されることが好ましい。
このような構成によれば、炉内において最も高温となる炉内中心側に設定されるゾンデ本体の先端部に締嵌め部を構成するため、ゾンデ本体の先端部において炉内温度に依存した保護外殻の温度上昇を低減でき、先端部における保護外殻のめくれあがりおよび強度低下を抑制できる。
【００１３】
本発明の高炉用ゾンデでは、前記冷却パイプと前記保護外殻との初期設定締め代の下限は、炉内最大温度下において前記冷却パイプと前記保護外殻とが離間しない値に設定され、前記冷却パイプと前記保護外殻との初期設定締め代の上限は、前記冷却パイプと前記保護外殻との締嵌め時に生じる応力が当該冷却パイプおよび当該保護外殻の降伏応力よりも小さくなる値に設定されることが好ましい。
このような構成によれば、初期設定締め代の下限を前述したように設定することで、炉内温度が炉内最大温度まで上昇しても、冷却パイプと保護外殻との接触状態を維持でき、保護外殻を確実に冷却できる。また、初期設定締め代の上限を前述したように設定することで、冷却パイプと保護外殻との締嵌めにおいて冷却パイプや保護外殻が降伏することがない。
【００１４】
本発明の高炉用ゾンデでは、前記検知部が前記ゾンデ本体の温度に依存しない程度に、前記検知部を前記ゾンデ本体から離間して配置するか、または、前記検知部と前記ゾンデ本体との間に耐火材を配置することが好ましい。
このような構成によれば、前述したようにゾンデ本体の保護外殻が冷却されても、これに依存することなく検知部によって従来同様に炉内温度を測定できる。
つまり、冷却パイプが保護外殻に締嵌めされる締嵌めの構造を備える本発明の高炉用ゾンデは、締嵌めの構造を備えていない従来の高炉用ゾンデに比べて保護外殻の温度上昇が低減される分、保護外殻の温度に検知部が依存し、検知部の温度上昇が低減され、炉内ガス温度測定値が従来の高炉用ゾンデに対して低い値となり、従来相当の炉内ガス温度測定ができないおそれがある。そのため、本発明の高炉用ゾンデでは、前述した構成を備えることで保護外殻の温度上昇を低減しつつ従来相当の炉内温度測定を可能としている。
なお、耐火材としては、例えば、耐火キャスタブルなどが挙げられ、これを検知部とゾンデ本体との間に配置することで断熱処理を施せる。
【００１５】
本発明の高炉用ゾンデでは、前記冷却パイプが前記保護外殻に締嵌めされた締嵌め部は、前記ゾンデ本体の前記締嵌め部を除く部分よりも平面視上狭幅に形成されることが好ましい。
このような構成によれば、締嵌め部が平面視上狭幅に形成されるため、高炉のシュートから炉内に装入される装入物が当該締嵌め部に衝突し分散することが少なくなり、炉内に装入物を所定通りに堆積させることが容易となる。
【００１６】
本発明の高炉用ゾンデでは、前記締嵌め部は丸管形状に形成されることが好ましい。
このような構成によれば、締嵌め部が丸管形状に形成されるため、冷却パイプの外径寸法と保護外殻の内径寸法との調整によって初期設定締め代を簡単に設定できる。また、例えば、角管形状のものと比べ、冷却パイプと保護外殻との周方向における接触面圧を均等とした締嵌めを容易に行うことができる。
【００１８】
本発明の高炉用ゾンデでは、前記ゾンデ本体の上側部分には、高炉の炉内に装入される装入物が堆積可能な堆積部が形成されることが好ましい。
このような構成によれば、ゾンデ本体の上側部分に堆積部が形成されるため、高炉のシュートから炉内に装入される装入物が堆積部に堆積することで、堆積した装入物によってゾンデ本体の上側部分を覆うことができ、装入物の衝突によるゾンデ本体の摩耗を軽減できる。
【００１９】
本発明の高炉用ゾンデでは、前記堆積部は、前記ゾンデ本体の長手方向に間隔を隔てて複数形成された仕切板と、前記ゾンデ本体の長手方向に沿って形成された一対の縦板とによって形成される複数の堆積凹部によって構成され、前記一対の縦板は、前記ゾンデ本体の長手方向に沿って複数に分割した形状とされることが好ましい。
このような構成によれば、複数の堆積凹部を形成する一対の縦板が、ゾンデ本体の長手方向に沿って複数に分割した形状とされるため、炉内温度変化に応じて一対の縦板の各分割部分で伸縮変形させることができる。これにより、ゾンデ本体の長手方向に沿って連続した形状の一対の縦板が炉内温度変化に応じて伸縮変形する場合と比べ、一対の縦板の伸縮変形によって保護外殻に加わる曲げ力を低減できる。
【００２０】
なお、前述した締嵌めの構造は、炉内最大温度下における前記冷却パイプと前記保護外殻との内側外側の温度差分を締め代として事前に応力をかけるので、使用する材料は初期締嵌め時の応力および外力に耐える必要がある。そのため、高降伏点の材料を用いることが好ましい。
この場合には、使用時の温度差が大きなものほど締め代を大きくとる必要があり、例えば、冷却パイプのサイズを９０Ａｓｃｈ８０とし、保護外殻のサイズを８０Ａｓｃｈ８０とした場合、炉内温度が約１２００℃だと、冷却パイプと保護外殻との接触状態を維持するために必要な締め代は０．１ｍｍ以上となり、冷却パイプおよび保護外殻の材質は機械構造炭素鋼鋼管（ＳＴＫＭ２０Ａ）相当が必要となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、保護外殻を確実に冷却できて長期使用可能な高炉用ゾンデを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る高炉用ゾンデの設置状態を示す説明図。
【図２】第１実施形態に係る高炉用ゾンデを示す側面図。
【図３】図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図。
【図４】図２に示すＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図。
【図５】第１実施形態に係る高炉用ゾンデの基端部を示す縦断面図。
【図６】第１実施形態に係る高炉用ゾンデの先端部を示す縦断面図。
【図７】第１実施形態に係る高炉用ゾンデの連結部を示す縦断面図。
【図８】第１実施形態に係る高炉用ゾンデの有効締め代幅を示すグラフ。
【図９】本発明の第２実施形態に係る高炉用ゾンデを示す側面図。
【図１０】図９に示すＸ−Ｘ線に沿った断面図。
【図１１】第２実施形態に係る高炉用ゾンデの先端部を示す縦断面図。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る高炉用ゾンデを示す側面図。
【図１３】図１２に示すＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿った断面図。
【図１４】第３実施形態に係る高炉用ゾンデの先端部を示す縦断面図。
【図１５】本発明との比較例である高炉用ゾンデを示す側面図。
【図１６】図１５に示すＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿った断面図。
【図１７】本発明との比較例である高炉用ゾンデの先端部を示す縦断面図。
【図１８】本発明の各実施形態に係る高炉用ゾンデの先端部の測定温度を示すグラフ。
【図１９】本発明との比較例である高炉用ゾンデの先端部の測定温度を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［第１実施形態の構成］
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１において、高炉１の炉頂部１Ａには、高炉１の炉内中心２（炉内軸心）周りに旋回するシュート３と、シュート３の下方であって炉内中心２周りに配設されている高炉用ゾンデである片持ちゾンデ１０とが設置されている。
【００２４】
片持ちゾンデ１０は、炉内の装入物の頂面６よりも上方空間に配置される。片持ちゾンデ１０は、炉頂部１Ａの炉壁１Ｂから炉内中心２に向かって下方に傾斜している。片持ちゾンデ１０の先端は炉内中心２に位置している。
【００２５】
図２〜図７に示す片持ちゾンデ１０によって本発明の第１実施形態に係る高炉用ゾンデが構成される。片持ちゾンデ１０は、炉頂部１Ａの炉壁１Ｂに形成された差込み穴４に差し込まれた状態で、当該炉壁１Ｂに設置された支持装置５に片持ち支持されるゾンデ本体１１と、ゾンデ本体１１に装着される六つの検知部１２とを備える。
なお、図３は片持ちゾンデ１０の基端部１０Ａの断面（図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面）を示し、図４は片持ちゾンデ１０の先端部１０Ｃの断面（図２に示すＩＶ−ＩＶ線に沿った断面）を示す。また、図５は基端部１０Ａの縦断面を示し、図６は先端部１０Ｃの縦断面を示す。
【００２６】
ゾンデ本体１１は、冷却パイプ２０と、前記冷却パイプ２０の外周を保護する保護外殻４０とを備える。
【００２７】
冷却パイプ２０は、パイプ本体２１と、内パイプ３１とを備える。本実施形態では、内パイプ３１の内部が往路とされ、かつ、パイプ本体２１と内パイプ３１との間が復路とされる冷却水の循環路が冷却パイプ２０の内部に形成される。
【００２８】
パイプ本体２１は、図３，５に示す角管２２と、図４，６に示す丸管２３とを備える。丸管２３の先端は、図６に示す蓋部材２４によって閉塞される。角管２２と丸管２３とは、図７に示す連結部材２５によって連結される。
【００２９】
蓋部材２４は、円板状であるとともに丸管２３の内周２３１に嵌合する円形突部２４１を有して形成される。蓋部材２４は円形突部２４１が丸管２３の内周２３１に嵌合した状態で当該丸管２３の先端に溶接される。
【００３０】
連結部材２５の外周２５１は、角管２２の外周２２１に沿って四角形状に形成されるとともに、角管２２が嵌合する嵌合段部２５２を有する。連結部材２５の内周２５３は、丸管２３の内周２３１に沿って円形状に形成されるとともに丸管２３が嵌合する嵌合段部２５４を有する。連結部材２５の内周２５３には、嵌合段部２５４側から嵌合段部２５２側に向かってテーパー状に拡径したテーパー部２５５が形成される。
【００３１】
内パイプ３１は、図３，図５，図６，図７に示す内角管３２と、図４，６に示す内丸管３３とを備える。内角管３２と内丸管３３とは、図７に示す連結部材３４によって連結される。
連結部材３４の外周３４１は、内角管３２の外周３２１に沿って四角形状に形成されるとともに、内角管３２が嵌合する嵌合段部３４２を有する。連結部材３４の内周３４３は、内丸管３３の外周３３１に沿って円形状に形成される。連結部材３４の内周３４３には、内丸管３３側から内角管３２側に向かってテーパー状に拡径したテーパー部３４４が形成される。
【００３２】
保護外殻４０は、図３，５に示す保護角管４１と、図４，６に示す保護丸管４５とを備える。
保護角管４１は、保護角管本体４２と、保護角管本体４２の上部に設けられた複数の仕切板４３と、保護角管本体４２の下部に設けられた複数の保持板４４とを備える。保持板４４は検知部１２を保持している。
【００３３】
保護角管本体４２は、縦板４２１，４２２と横板４２３，４２４とによって断面略Ｈ形状に形成される。
【００３４】
複数の仕切板４３は、保護角管本体４２の長手方向に沿って間隔を隔てて中間部１０Ｂに並設されており、縦板４２１，４２２の上部および横板４２３にそれぞれ連続して形成される。
【００３５】
複数の保持板４４は、基端部１０Ａから中間部１０Ｂにわたって並設されており、縦板４２１，４２２の下部および横板４２４にそれぞれ連続して形成される。
複数の仕切板４３と縦板４２１，４２２の上部と横板４２３とで形成される凹部（堆積凹部）によって、シュート３からの装入物が堆積する堆積部５１が構成される。
【００３６】
保護丸管４５の表面には、耐摩耗用処理が施されている。保護丸管４５は、図４，６に示すように、円筒状の保護丸管本体４６と、保護丸管本体４６から上方に延出した一対の縦板４７，４８と、保護丸管本体４６の外周に形成された複数の環状の仕切板４９とを備える。保護丸管本体４６の先端は、蓋部４６１によって閉塞される。
【００３７】
縦板４７は、保護丸管本体４６の長手方向に沿って並設した複数の板材４７１によって構成される。複数の板材４７１間には隙間４７２が形成される。これにより、縦板４７は、その長手方向に沿って分割した形状とされる。なお、縦板４８は、縦板４７と同様に構成されるため、その詳細な説明を省略する。
【００３８】
複数の仕切板４９は、保護丸管本体４６の長手方向に沿って間隔を隔てて並設される。各仕切板４９は、断面く字形状に折曲して形成されており、その下部が片持ちゾンデ１０の軸方向Ａに直交した方向に沿って配置され、その上部が軸方向Ａに直交する方向に対して傾斜して配置される。
軸方向Ａに直交する方向に対する各仕切板４９の上部の傾斜角度は、片持ちゾンデ１０が、先端部１０Ｃが基端部１０Ａよりも下方に位置するように水平方向に対して傾斜して高炉１に設置された場合における当該片持ちゾンデ１０の水平方向に対する傾斜角度と同じ角度に設定される。このように設定することで、片持ちゾンデ１０の高炉１への設置状態では、各仕切板４９は、鉛直方向に沿って配置されるので、シュート３から装入される装入物を後述する堆積部５２へ効率よく堆積させることができる。
なお、各仕切板４９の下部は、検知部１２を保持する。
【００３９】
保護丸管４５の先端部および下部には耐火材１３が配置される。
耐火材１３を設置することで、ゾンデ下面からの熱の保護丸管への影響を軽減することができる。また、ゾンデ本体と検知部間における断熱材として働き、ゾンデ本体の冷却に対する依存性を軽減することができる。
【００４０】
片持ちゾンデ１０では、保護角管４１とパイプ本体２１の角管２２、内角管３２とによって基端部１０Ａ、中間部１０Ｂを構成し、保護丸管４５とパイプ本体２１の丸管２３、内丸管３３とによって先端部１０Ｃを構成する。
保護角管４１の内周４１１と角管２２の外周２２１とは互いに接しており、この保護角管４１と角管２２とによって二重構造（メタルタッチ構造）を形成する。
パイプ本体２１の丸管２３は、保護丸管４５に焼嵌めされる。これにより、丸管２３の外周２３２は、保護丸管４５の内周４５１に所定の締め代をもって密に接する。
先端部１０Ｃの丸管２３と保護丸管４５は、初期締嵌め時の応力および外力に耐える必要があるため、高降伏点の材料を用いることが好ましく、本実施形態では、機械構造用炭素鋼鋼管（ＳＴＫＭ２０Ａ（降伏点下限σｙ  ４０ｋｇ／ｍｍ２））である。
【００４１】
［初期設定締め代の設定］
以下、丸管２３と保護丸管４５との初期設定締め代（本実施形態では常温３０℃下における設定締め代）の設定について図８を参照して説明する。
初期設定締め代は、図８に示す有効締め代幅の範囲（本実施形態では０．０８ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の範囲）で設定される。
【００４２】
図８に点線で示す隙間発生ライン７は、０℃〜１２００℃の炉内温度（本実施形態では炉頂部１Ａのガス温度）下において丸管２３と保護丸管４５との間に隙間が発生する可能性のある隙間発生レベルを示している。具体的には、隙間発生ライン７は、炉内温度を６００℃、１０００℃、１２００℃と設定し、かつ、初期設定締め代を０．２、０．１５、０．１・・・と変更していき、隙間が発生する（締め代の値がマイナス値となる）境界条件を示すラインである。
図８において、初期設定締め代と炉内温度との関係における座標位置が隙間発生ライン７を下回ると、丸管２３と保護丸管４５との熱膨張差によって隙間が発生した状態となる。逆に、初期設定締め代と炉内温度との関係における座標位置が隙間発生ライン７を上回ると、丸管２３と保護丸管４５とが接した状態が維持され、隙間は発生しない。
本実施形態では、炉内最大温度（高炉稼働時における炉内の想定最大温度）を１２００℃以下と想定した場合、有効締め代幅の下限は隙間発生ライン７を下回らない０．０８ｍｍとなる。ここで、有効締め代幅の下限は、より好ましくは、各管の製作誤差、炉内最大温度を上回る温度余裕を考慮し、０．１ｍｍ以上に設定されてもよい。
【００４３】
図８に実線で示す降伏ライン８は、丸管２３と保護丸管４５との焼嵌め時における降伏が発生する可能性のある降伏レベルを示している。具体的には、降伏ライン８は、丸管２３、保護丸管４５の材質である機械構造用炭素鋼鋼管（ＳＴＫＭ２０Ａ）の降伏点下限σｙ（４０ｋｇ／ｍｍ２）を考慮した安全率（σｙ／１．５）に基づき、丸管２３と保護丸管４５との焼嵌め時における各円周方向最大応力が前述した安全率に基づく２６．７ｋｇ／ｍｍ２を上回らない境界条件を示すラインである。
図８において、初期設定締め代と炉内温度との関係における座標位置が降伏ライン８を上回ると、丸管２３と保護丸管４５との焼嵌め時に降伏が生じる可能性が高まる。逆に、初期設定締め代と炉内温度との関係における座標位置が降伏ライン８を下回ると、丸管２３と保護丸管４５との焼嵌め時に降伏が生じることがない。
本実施形態では、有効締め代幅の上限は降伏ライン８を上回らない０．２ｍｍとなる。
【００４４】
このように丸管２３と保護丸管４５との初期設定締め代を設定することで、丸管２３と保護丸管４５との焼嵌め時に降伏が生じることがない。また、炉内温度が炉内最大温度まで上昇して、丸管２３と保護丸管４５とに熱膨張差が生じても、隙間を０ｍｍ以下に維持でき、丸管２３と保護丸管４５との接触状態を維持できる。このため、丸管２３と保護丸管４５との間に熱膨張差によって隙間が生じることがなく、丸管２３と保護丸管４５との熱伝達効率が低下することを抑制できる。このように、丸管２３と保護丸管４５とは、炉内温度が炉内最小温度から炉内最大温度まで繰り返し温度変化しても、互いに離間することなく密に接しているため、丸管２３内を通る冷却水によって当該丸管２３を通じて保護丸管４５を冷却できる。
【００４５】
丸管２３と保護丸管４５とを備える片持ちゾンデ１０の先端部１０Ｃは、締嵌め部として構成される。先端部１０Ｃは、角管２２と内角管３２とを備える基端部１０Ａ、中間部１０Ｂよりも平面視上狭幅に形成される。
複数の仕切板４９の上部と縦板４７，４８と保護丸管本体４６の上部とで形成される凹部（堆積凹部）によって、シュート３からの装入物が堆積する堆積部５２が構成される。
【００４６】
各検知部１２は、本実施形態では、炉内温度を測定する温度検知器によって構成される。各検知部１２は、ゾンデ本体１１に沿って所定間隔を隔てて配置される。各検知部１２は、キャスタブルや前述した保持板４４、仕切板４９によってゾンデ本体１１の下部にそれぞれ設けられている。各検知部１２は、片持ちゾンデ１０の基端部１０Ａから先端部１０Ｃまでにわたる測定点Ｐ１〜Ｐ６において炉内温度を検知可能に構成される。
【００４７】
焼嵌め部として構成される先端部１０Ｃにおける検知部１２は、従来のゾンデに対して検知部１２とゾンデ本体１１間の距離を増加している。例えば、本実施形態では、従来のゾンデに対して、検知部１２とゾンデ本体１１間の距離を４０ｍｍ程度増加している。
また、検知部１２とゾンデ本体１１との間には耐火キャスタブルなどの耐火材１３が介在されることによって断熱処理が施されている。
【００４８】
［片持ちゾンデによる測定］
以下、第１実施形態に係る片持ちゾンデ１０による炉内温度の測定について説明する。
シュート３から装入物が装入されると、装入物の燃焼によって炉内温度が上昇する。上昇した炉内温度は、挿入物の燃焼が進むにつれて次第に低下する。このため、所定の温度以下とならないようシュート３から装入物を再び装入する。装入物の装入は、１０〜１５分間隔毎に繰り返される。従って、炉内温度は１０〜１５分間隔毎の周期で繰り返し変化する。
【００４９】
片持ちゾンデ１０は、測定点Ｐ１〜Ｐ６のそれぞれにおいて炉内温度を検知し、この検知結果に基づき高炉１の半径方向における炉内温度分布を炉内状態として測定する。片持ちゾンデ１０は、冷却パイプ２０内を循環する冷却水によって冷却されるため、過度に高温となって損傷することがない。
ここで、炉内温度は、測定点Ｐ１が位置する基端部１０Ａ側よりも測定点Ｐ６が位置する先端部１０Ｃ側での温度変化が例えば６００℃〜１２００℃と大きくなるが、先端部１０Ｃを構成する保護丸管４５と丸管２３とが前述した初期設定締め代をもって降伏を生じることなく焼嵌めされているため、炉内温度が低温となっても保護丸管４５と丸管２３との間に隙間が生じない。このため、先端部１０Ｃにおいて保護丸管４５を効率よく冷却できる。さらに冷却が効率よく効くことで、保護丸管４５の温度振幅が小さくなり、保護丸管４５の耐熱疲労に対して有効である。
また、締嵌め構造とされていない片持ちゾンデ１０の中間部１０Ｂ、基端部１０Ａでは、先端部１０Ｃほど温度変化が大きくない。具体的には、測定点Ｐ５での温度変化は４００℃〜６００℃であり、測定点Ｐ４での温度変化は２００℃〜３００℃であり、測定点Ｐ３〜Ｐ１での温度変化は１００℃前後である。この炉内温度下では、角管２２が４００℃以上にまで温度上昇することがなく、構造が安定した状態を維持できる。
なお、堆積部５１，５２には、シュート３からの装入物が堆積し、片持ちゾンデ１０の上部に保護層を形成する。
【００５０】
［第１実施形態の効果］
（１）先端部１０Ｃにおいて冷却パイプ２０が保護外殻４０に締嵌めされた二重構造のゾンデ本体１１が形成されるため、冷却パイプ２０と保護外殻４０との間に隙間が発生することがなく、冷却パイプと保護外殻との熱伝達効率の低下を抑制できる。
つまり、炉内温度変化が繰り返される場合、炉内低温時には、冷却パイプ２０と保護外殻４０とが密に接触した状態で熱伝達効率の低下を抑えることができ、炉内高温時には、先端部１０Ｃにおいて冷却パイプ２０と保護外殻４０との熱膨張差が大きくなっても、冷却パイプ２０と保護外殻４０との締め代分によって隙間が発生することをなくし、熱伝達効率の低下を抑えることができる。
このため、保護外殻４０を効率よく確実に冷却でき、先端部１０Ｃにおいて保護外殻４０が高温となって冷却パイプ２０からめくれあがることを抑制でき、また、高温化による保護外殻４０の強度低下を軽減することができる。
また、図１５〜図１７に示すような締嵌めの構成のない高炉用ゾンデ９０の使用可能期間が６ヶ月程度であるのに比べ、使用可能期間を２年程度にまで延ばすことができる。
（２）炉内において最も高温となる炉内中心側に位置する先端部１０Ｃを締嵌め部として構成するため、先端部１０Ｃにおいて炉内温度に依存した保護外殻４０の温度上昇を低減でき、先端部１０Ｃにおける保護外殻４０のめくれあがりを抑制でき、また、高温化による保護外殻４０の強度低下を軽減することができる。
（３）丸管２３と保護丸管４５との初期設定締め代の下限は、炉内最大温度下において丸管２３と保護丸管４５とが離間しない値に設定される。このため、炉内温度が炉内最大温度まで上昇しても、丸管２３と保護丸管４５との接触状態を維持でき、保護丸管４５を確実に冷却できる。
また、丸管２３と保護丸管４５との初期設定締め代の上限は、丸管２３と保護丸管４５との締嵌め時に生じる応力が丸管２３および保護丸管４５の降伏応力よりも小さくなる値に設定される。このため、丸管２３と保護丸管４５との締嵌めにおいて丸管２３や保護丸管４５が降伏することがない。
【００５１】
（４）検知部１２がゾンデ本体１１の温度に依存しない程度に、検知部１２をゾンデ本体１１から離間して配置している。このため、ゾンデ本体１１の先端部１０Ｃにおいて保護外殻４０が冷却されても、これに依存することなく検知部１２によって炉内温度を従来同様に測定できる。
また、検知部１２とゾンデ本体１１との間は耐火材１３が配置されることによって断熱処理が施されているため、冷却される保護外殻４０に対する検知部１２の温度依存性を低減でき、炉内温度を従来同様に測定できる。
前述した構成を備えていない場合、冷却パイプ２０が保護外殻４０に締嵌めされる締嵌めの構造を備える片持ちゾンデ１０は、締嵌めの構造を備えていない従来の高炉用ゾンデに比べて、先端部１０Ｃにおける保護外殻４０の温度上昇が低減される分、保護外殻４０の温度に先端部１０Ｃの検知部１２が依存し、この検知部１２の温度上昇が低減され、炉内ガス温度測定値が従来の高炉用ゾンデに対して低い値となり、従来相当の炉内ガス温度測定ができないおそれがある。そのため、本実施形態の片持ちゾンデ１０では、前述した構成を備えることで保護外殻４０の温度上昇を低減しつつ従来相当の炉内温度測定を可能としている。
（５）丸管２３および保護丸管４５の材質を機械構造用炭素鋼鋼管（ＳＴＫＭ２０Ａ（降伏点下限  ４０ｋｇ/ｍｍ２））とし、丸管２３のサイズを９０Ａｓｃｈ８０とし、保護丸管本体４６のサイズを８０Ａｓｃｈ８０としたゾンデ本体１１において、丸管２３と保護丸管４５との初期設定締め代が０．１ｍｍ以上であるため、炉内温度が約６００℃〜約１２００℃の範囲でチャージ毎（１０〜１５分程度の間隔毎）に繰り返し変化する環境下において、丸管２３と保護丸管４５との間に隙間が発生することを抑制できる。
また、丸管２３と保護丸管４５との初期設定締め代が０．２ｍｍ以下であるため、焼嵌め時において丸管２３および保護丸管４５が降伏することを防ぐことができる。
（６）片持ちゾンデ１０の先端部１０Ｃが基端部１０Ａ、中間部１０Ｂよりも平面視上狭幅に形成されるため、シュート３から炉内に装入される装入物が先端部１０Ｃに衝突して分散することが少なくなり、炉内に装入物を所定通りに容易に堆積させることができる。
（７）片持ちゾンデ１０の先端部１０Ｃが丸管２３と保護丸管４５とによって丸管形状に形成されるため、丸管２３の外径寸法と保護丸管４５の内径寸法との調整が容易であり、初期設定締め代を簡単に設定できる。
また、角管形状のものと比べ、丸管２３と保護丸管４５との周方向における接触面圧を均等とした締嵌めを容易に行うことができる。
【００５２】
（８）片持ちゾンデ１０の先端部１０Ｃにおいて、保護丸管４５の表面に耐摩耗用処理が施されるため、シュート３から炉内に装入される装入物の保護丸管４５への衝突によるゾンデ本体１１の摩耗を抑えることができる。
（９）ゾンデ本体１１の上側部分に堆積部５１，５２が形成されるため、シュート３から炉内に装入される装入物が堆積部５１，５２に堆積することで、堆積した装入物によってゾンデ本体１１の上側部分を覆うことができ、装入物の衝突によるゾンデ本体１１の摩耗を軽減できる。
（１０）縦板４７，４８，４２１，４２２が、ゾンデ本体１１の長手方向に沿って複数に分割した形状とされるため、炉内温度変化に応じて縦板４７，４８，４２１，４２２の各分割部分で伸縮変形が可能である。これにより、ゾンデ本体１１の長手方向に沿って連続した形状の縦板が炉内温度変化に応じて伸縮変形する場合と比べ、保護外殻４０に加わる曲げ力を低減できる。
【００５３】
［第２実施形態の構成］
以下、本発明の第２実施形態に係る高炉用ゾンデである片持ちゾンデ７０について説明する。
図９〜図１１において、片持ちゾンデ７０は、片持ちゾンデ１０と概略同様であるが、保護丸管４５が縦板４７，４８および仕切板４９を備えずに構成される点で相違する。
この片持ちゾンデ７０は、堆積部５２を有していないが、先端部１０Ｃが基端部１０Ａ、中間部１０Ｂよりも平面視上狭幅に形成されるので、シュート３からの装入物にあまり衝突しない。加えて、保護丸管４５には耐摩耗用処理が施されているので、挿入物の衝突等によって摩耗しにくい構成となっている。
この片持ちゾンデ７０によれば、ゾンデによる装入物乱れの最小化、構成の簡略化、コスト削減を図れる。
【００５４】
［第３実施形態の構成］
以下、本発明の第３実施形態に係る高炉用ゾンデである片持ちゾンデ８０について説明する。
図１２〜図１４において、片持ちゾンデ８０は、片持ちゾンデ１０と概略同様であるが、環状ではない仕切板５０が、保護丸管４５の上部に配置され、一対の縦板４７，４８間にシュート３からの装入物が堆積する堆積部５３が構成される点、各仕切板５０が軸方向Ａに直交する方向に沿って配置されるという点で相違する。
この片持ちゾンデ８０は、先端部１０Ｃが基端部１０Ａ、中間部１０Ｂよりも平面視上狭幅に形成されるので、シュート３からの装入物にあまり衝突しない。加えて、上部には堆積部５３を有し、かつ、保護丸管４５には耐摩耗用処理が施されているので、装入物の衝突等によって摩耗しにくい構成となっている。また、仕切板５０が保護丸管４５の軸方向Ａに直交する方向に沿って配置されることで、仕切板５０の製作、設置の簡略化を図ることができる。
この片持ちゾンデ８０によれば、ゾンデによる装入物乱れの最小化、構成の簡略化、コスト削減を図れる。
【実施例】
【００５５】
以下、本発明の実施例について説明する。
第１実施形態で説明した片持ちゾンデ１０を用い、以下の設定条件の焼嵌め構造の実施例で、測定点Ｐ１６における高炉１の炉内温度の測定状態をシミュレートした。
実施例でシミュレートした結果は表１および図１８に示す通りである。なお、表１中「Ｎｏ．」の項目に示す数字は、装入物の装入タイミングに応じた所定時間毎の測定点Ｐ６における測定番号を意味する。
［実施例の設定条件］
保護丸管４５の材質  ：機械構造用炭素鋼鋼管（ＳＴＫＭ２０Ａ）
（降伏点下限  ４０ｋｇ/ｍｍ２）
丸管２３の材質      ：機械構造用炭素鋼鋼管（ＳＴＫＭ２０Ａ）
保護丸管４５のサイズ  ：８０Ａｓｃｈ８０
丸管２３のサイズ      ：９０Ａｓｃｈ８０
保護丸管４５の外径φ  ：１０１．６ｍｍ
丸管２３の内径φ      ：７３．９ｍｍ
保護丸管４５と丸管２３との接触面の径φ    ：８７．８ｍｍ
丸管２３と保護丸管４５との初期設定締め代  ：０．２ｍｍ
【００５６】
【表１】
0006594746.tif 000002
【００５７】
表１および図１８より、実施例では、測定点Ｐ６における炉内温度が６００℃〜１０００℃の範囲で繰り返し温度変化しても、締め代に大きな変化はなく、常温３０℃下の初期設定締め代と近い値を維持することがわかる。このため、丸管２３と保護丸管４５との熱伝達は効率よく行われ、保護丸管４５の平均温度は、炉内温度の温度変化にほぼ依存せずに丸管２３の平均温度に近い温度に冷却された状態を維持した結果が得られている。
【００５８】
前述した実施例に対する比較例として、以下の設定条件のメタルタッチ構造の比較例で、測定点Ｐ６における高炉１の炉内温度の測定状態をシミュレートした。
比較例でシミュレートした結果は次の表２および図１９に示す通りである。なお、表２中「Ｎｏ．」の項目に示す数字は、装入物の装入タイミングに応じた所定時間毎の測定点Ｐ６における測定番号を意味する。
［比較例の設定条件］
保護丸管４５の材質  ：機械構造用炭素鋼鋼管（ＳＴＫＭ２０Ａ）
（降伏点下限  ４０ｋｇ/ｍｍ２）
丸管２３の材質      ：機械構造用炭素鋼鋼管（ＳＴＫＭ２０Ａ）
保護丸管４５のサイズ  ：８０Ａｓｃｈ８０
丸管２３のサイズ      ：９０Ａｓｃｈ８０
保護丸管４５の外径φ  ：１０１．６ｍｍ
丸管２３の内径φ      ：７３．９ｍｍ
保護丸管４５と丸管２３との接触面の径φ    ：８７．８ｍｍ
丸管２３と保護丸管４５との初期設定締め代  ：０ｍｍ
【００５９】
【表２】
0006594746.tif 000003
【００６０】
表２および図１９より、比較例では、測定点Ｐ６における炉内温度が６００℃〜１０００℃の範囲で繰り返し温度変化すると、丸管２３と保護丸管４５との間に０．３ｍｍ〜０．６ｍｍ程度の隙間が生じることがわかる。このため、丸管２３と保護丸管４５との熱伝達効率は低下し、保護丸管４５の平均温度は、丸管２３によってほぼ冷却されず、炉内温度の温度変化に依存して４００〜６００℃程度にまで上昇した結果が得られている。このように保護丸管４５が高温化すると、構造が不安定となってめくれあがり変形が生じるおそれがある。
【００６１】
［変形例］
本発明は、以上の実施形態で説明した構成のものに限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形例は、本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態では、丸管２３と保護丸管４５とを焼嵌めして締嵌め部を形成したが、これに限定されず、例えば、丸管２３の保護丸管４５への圧入によって締嵌め部を形成してもよい。
【００６２】
前記実施形態では、有効締め代幅の範囲を０．０８ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の範囲としているが、ゾンデの使用頻度（炉内温度）およびゾンデサイズより、有効締め代幅の下限（隙間を生じさせないために必要な締め代値）が決まり、また、その際の初期締り嵌め時に応じる応力および外力に耐え得る材料を選定することで、有効締め代幅の上限が決まるため、これに限定されず、使用環境、ゾンデのサイズおよび材質に応じた有効締め代幅の範囲を設定されてもよい。
【００６３】
前記実施形態では、片持ちゾンデ１０，７０，８０の基端部１０Ａ、中間部１０Ｂが角管２２と保護角管４１とが接触するメタルタッチ構造とされているが、これに限定されず、締嵌め構造とされてもよい。また、片持ちゾンデ１０，７０，８０の基端部１０Ａ、中間部１０Ｂは角管形状を有して構成されるが、これに限定されず、円管形状を有して構成されてもよい。
【００６４】
前記実施形態では、検知部１２は温度検知器によって構成されるが、これに限定されず、炉内の組成、荷下り速度、プロフィル等を測定するための各種センサによって構成されてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１…高炉、１Ａ…炉頂部、１Ｂ…炉壁、２…炉内中心、３…シュート、４…差込み穴、５…支持装置、６…頂面、７…隙間発生ライン、８…降伏ライン、１０，６０，７０，８０，９０…片持ちゾンデ（高炉用ゾンデ）、１０Ａ…基端部、１０Ｂ…中間部、１０Ｃ…先端部、１１、９１…ゾンデ本体、１２、９２…検知部、１３…耐火材、２０，９３…冷却パイプ、２１，９３１…パイプ本体、２２…角管、２２１，２３２，３２１，３３１，３４１，２５１…外周、２３…丸管、２３１，３４３，４１１，２５３，４５１…内周、２４…蓋部材、２４１…円形突部、２５，３４…連結部材、２５２，２５４，３４２…嵌合段部、２５５，３４４…テーパー部、３１，９３２…内パイプ、３２…内角管、３３…内丸管、４０，９４…保護外殻、４１…保護角管、４２…保護角管本体、４７，４８，４２１，４２２…縦板、４２３…横板、４２４…横板、４３，４９，５０…仕切板、４４…保持板、４５…保護丸管、４６…保護丸管本体、４６１…蓋部、４７１…板材、４７２…隙間、５１，５２，５３…堆積部、Ａ…軸方向、Ｐ１〜Ｐ６…測定点。
【図１】
0006594746.tif 000004
【図２】
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【図３】
0006594746.tif 000006
【図４】
0006594746.tif 000007
【図５】
0006594746.tif 000008
【図６】
0006594746.tif 000009
【図７】
0006594746.tif 000010
【図８】
0006594746.tif 000011
【図９】
0006594746.tif 000012
【図１０】
0006594746.tif 000013
【図１１】
0006594746.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
0006594746.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0006594746.tif 000020
【図１８】
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【図１９】
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