(57)【要約】【課題】高炉等の炉壁に使用されている耐火物の厚さを、鉄皮を大きく開口することなく、精度良く測定することを可能とする、弾性波を用いた耐火物の残厚測定方法および残厚測定装置を提供すること。また、耐火物の残厚測定方法を用いて炉の寿命予測方法および炉の改修方法を提供すること。【解決手段】鉄皮と耐火物とにより構成された炉壁を有する炉において、前記耐火物の厚さを弾性波を用いた反射法により測定する方法であって、弾性波の発信と受信とを異なる２つの耐火物表面位置において行い、前記耐火物内部へ弾性波を発信し、前記弾性波が前記耐火物表面を伝わって受信されることにより発生するノイズを防止しつつ、前記弾性波の前記耐火物の炉内側表面からの反射波を受信することで、前記耐火物の厚さを測定することを特徴とする炉耐火物の残厚測定方法を用いる。【選択図】図１
2005010139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄皮と耐火物とにより構成された炉壁を有する炉において、前記耐火物の厚さを弾性波を用いた反射法により測定する方法であって、弾性波の発信と受信とを異なる２つの耐火物表面位置において行い、前記耐火物内部へ弾性波を発信し、前記弾性波が前記耐火物表面を伝わって受信されることにより発生するノイズを防止しつつ、前記弾性波の前記耐火物の炉内側表面からの反射波を受信することで、前記耐火物の厚さを測定することを特徴とする炉耐火物の残厚測定方法。
【請求項２】
鉄皮と耐火物とにより構成された炉壁を有する炉において、前記耐火物の厚さを弾性波を用いた反射法により測定する方法であって、前記鉄皮に形成された少なくとも２つ以上の開口部のうちの一つの開口部から前記耐火物内部へ弾性波を発信して得られる前記耐火物の炉内側表面からの反射波を、少なくとも他の一つの開口部において受信することで、前記耐火物の厚さを測定することを特徴とする炉耐火物の残厚測定方法。
【請求項３】
鉄皮と耐火物とにより構成された炉壁を有する炉において、前記耐火物の厚さを弾性波を用いた反射法により測定する方法であって、既存の開口部間で残厚を測定後に前記鉄皮に新たに開口部を形成して、該新たに形成された開口部と既存の開口部との間で残厚を測定することを特徴とする請求項２に記載の炉耐火物の残厚測定方法。
【請求項４】
鉄皮と耐火物とにより構成された炉壁を有する炉において、前記耐火物の厚さを弾性波を用いた反射法により測定する方法であって、前記鉄皮に２つの開口部を形成して、該開口部を通じて前記耐火物表面を露出させ、一方の開口部から前記耐火物内部へ弾性波を発信して得られる前記耐火物の炉内側表面からの反射波を、他方の開口部において受信することで、前記耐火物の厚さを測定することを特徴とする炉耐火物の残厚測定方法。
【請求項５】
予測される耐火物の残厚に応じて、２つの開口部の設置間隔を設定することを特徴とする請求項４に記載の炉耐火物の残厚測定方法。
【請求項６】
２つの開口部の設置間隔を、弾性波の実効指向角θの正接値と、予測される耐火物の残厚Ｌとの積の２倍である、２Ｌtanθ以下とすることを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の炉耐火物の残厚測定方法。
【請求項７】
鉄皮に形成された同じ開口部を用いて耐火物の厚さを繰り返し測定することを特徴とする請求項２ないし請求項６のいずれかに記載の炉耐火物の残厚測定方法。
【請求項８】
鉄皮の開口部部分に着脱自在のキャップを設置することにより開閉可能として、残厚測定時には前記キャップを取り外し、残厚測定後は前記キャップにより開口部を閉塞することすることを特徴とする請求項２ないし請求項７のいずれかに記載の炉耐火物の残厚測定方法。
【請求項９】
弾性波の送信および受信を探触子を用いて行い、弾性波が伝搬しにくい連結部材で前記探触子間距離を調整可能に連結することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の炉耐火物の残厚測定方法。
【請求項１０】
弾性波の送信および受信を探触子を用いて行い、該探触子を耐火物の表面に接触させる際に、前記探触子の前記耐火物との接触面に断熱材を設置することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の炉耐火物の残厚測定方法。
【請求項１１】
鉄皮と耐火物とにより構成された炉壁を有する炉において、前記耐火物の厚さを弾性波を用いた反射法により測定するための装置であって、互いの間隔が調整可能な１対の探触子保持アームＡ１、Ａ２と、これらＡ１、Ａ２の先端に各々保持される送信用探触子及び受信用探触子とを備えたことを特徴とする炉耐火物の残厚測定装置。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の炉耐火物の残厚測定方法を用いて、炉壁の耐火物の厚さを所定の期間測定し、測定された前記耐火物の厚さから、前記耐火物の寿命を推定することで、炉の寿命を予測することを特徴とする、炉の寿命予測方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の炉の寿命予測方法を用いて予測した炉の寿命に基づいて、炉の改修時期を決定して、炉の改修を行うことを特徴とする炉の改修方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉耐火物の厚さの測定方法に関し、特に高炉あるいは他の炉に使用される耐火レンガ等の耐火物の残厚を操業中に測定する方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高炉などの工業用炉の炉壁は、一般的に外側から鉄皮、不定形耐火物であるスタンプ材、主要な耐火物である耐火レンガの順に構成された多層構造である。一番内側にある耐火レンガは炉心側から損耗していくため、耐火物の厚みを測定することは炉の保守管理上、きわめて重要である。特に高炉の炉底部は、休風時であっても常に溶銑にさらされているため損耗が激しく、しかも高炉が操業される数十年間、直接的な修復ができない部位である。操業中に耐火物の残厚を精度良く測定することで、高炉の操業を最適化して高炉の寿命を延命することや、高炉の寿命や改修時期を適切に予測することが可能となる。
【０００３】
上記のような耐火物の厚さを測定する方法として最も普及している方法は、耐火物に温度計を設置して、炉心側から鉄皮側へ伝わる熱流束を測定する方法である。この方法では、炉壁の周囲の１００箇所以上に温度計を設置して熱流束を測定し、その結果をもとに熱伝導方程式を解くことで耐火物の厚みを推定する。
【０００４】
しかしながら、熱流速を測定して熱伝導方程式を解く方法では、熱伝導方程式を解く際に、耐火レンガ、スタンプ材などの熱伝導率を用いる必要がある。実際の操業では、炉心側から凝固層、脆化層が耐火レンガの裏側に生じており、これらが付着した場合の耐火レンガの熱伝導率が不明であるため、正確な厚みを推定することができないという問題がある。
【０００５】
上記以外の方法として、弾性波（超音波）を用いて耐火物の厚みを測定する下記（ａ）〜（ｄ）の方法が知られている。
【０００６】
（ａ）非破壊的な計測方法である衝撃弾性波法。鉄皮をハンマーあるいは打撃装置により加振して弾性波を発生させて、鉄皮・スタンプ材・耐火レンガを伝搬する弾性波の往復時間を測定することで耐火物の厚みを測定する方法である。（例えば、特許文献１参照。）
（ｂ）衝撃弾性波共振法。低い周波数をつかい、共振周波数を求めることで厚さ測定を行う方法である。鉄皮、スタンプ材の、厚さと音速値とをあらかじめ調べておくことで弾性波の炉壁内部における共振周波数から耐火レンガの厚さを計算することができる（例えば、特許文献２参照。）。
【０００７】
（ｃ）鉄皮を開口し超音波で探傷する方法（一探触子法）。この方法では、まず、鉄皮とスタンプ材（またはスタンプ材の一部）を開口し、開口孔に充填材を充填させる。次に、充填材が完全に硬化した状態で、充填材の上から一探触子法で耐火レンガの厚み計測をおこなう。開口を行うことにより、鉄皮とスタンプ材によるノイズを低減させることができる（例えば、特許文献３参照。）。
【０００８】
（ｄ）鉄皮を開口し超音波で探傷する方法（二探触子法）。送信と受信を別々の探触子を用いる二探触子法により測定を行うことで、（ｃ）の一探触子法で生じる送信波の直接的な探触子への漏れこみを防ぐことができる（例えば、特許文献４参照。）。開口部は１ヶ所である。
【特許文献１】特開昭６２−２９７７１０号公報
【特許文献２】特開平８−２１９７５１号公報
【特許文献３】特開平８−１１０２１７号公報
【特許文献４】特開平９−６１１４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記の（ａ）〜（ｄ）の技術には、以下に述べる問題がある。
【００１０】
（ａ）非破壊的な計測方法である衝撃弾性波法は、スタンプ材と鉄皮による多重反射により信号とノイズとの比（Ｓ／Ｎ）が低く計測が困難である。
【００１１】
（ｂ）衝撃弾性波共振法は、スタンプ材を鉄皮と耐火レンガとの間に圧入する際の圧入具合が、同じ高炉の炉壁であっても場所によって微妙に異なることと、操業年数が経つにつれスタンプ材の状態が変化するため、スタンプ材の正確な音速値を知ることは非常に困難である。したがって、衝撃弾性波法による厚さ測定の精度は低い。
【００１２】
（ｃ）鉄皮を開口し超音波で探傷する方法（一探触子法）は、一探触子法では、送信と受信を同一の探触子を用いるため、送信波が直接探触子に漏れこみ強いノイズとなり、不感帯が発生するという問題がある。図１４に一探触子法で生じる不感帯の例を示す。不感帯Yがあると、耐火レンガの厚さが薄い場合、耐火レンガの裏面からの反射波Ｚが不感帯Ｙに埋もれてしまい計測が不可能となる。図１４の場合は、耐火レンガが薄くなり反射波を受信するのにかかる時間が３００μｓｅｃ以下になると、計測が困難になることが分かる。
【００１３】
また、耐火レンガは超音波が強く散乱するため、散乱波によるノイズによりＳ／Ｎが高い状態で計測できないという問題がある。更に、充填材は断熱効果がある材質を用いているため、開口部分の冷却能力が低くなり耐火物に負担がかかる。
【００１４】
（ｄ）鉄皮を開口し超音波で探傷する方法（二探触子法）は、二探触子法の場合、図１５に示すように、表面波による直接波が影響してノイズとなり、一探触子法に比べると小範囲ではあるが、やはり不感帯Ｙが発生する。
【００１５】
表面波による影響を抑えるために、受信探触子に移動ステージとリニアガイドをとりつけて、受信探触子の計測位置を少しずつ移動させながら複数の信号を計測し加算平均をおくことで、Ｓ／Ｎを改善することができるが、開口した孔の中で探触子を移動させながら計測するために、孔が十分な大きさを有するように、大きく開口する必要があり、炉壁の強度の点で好ましくない。また、開口部が大きいと耐火物の冷却も不十分であり耐火物に負担がかかる。
【００１６】
以上のように、従来の技術では、鉄皮を開口しないとＳ／Ｎが十分に高くなるように計測することは困難である。しかし、鉄皮を開口した場合も、一探触子法で計測を試みた場合、散乱波と不感帯により、Ｓ／Ｎが低下して、高精度の測定は困難である。また、二探触子法で計測した場合は、表面波によって生じる不感帯によってＳ／Ｎが低下し、やはり高精度の測定は困難であるだけでなく、開口する孔が大きくなるので炉壁の強度の低下や耐火物の冷却能力が低下する。
【００１７】
したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、高炉等の炉壁に使用されている耐火物の厚さを、鉄皮を大きく開口することなく、精度良く測定することを可能とする、弾性波を用いた耐火物の残厚測定方法および残厚測定装置を提供することにある。また本発明の他の目的は、耐火物の残厚測定方法を用いて炉の寿命予測方法および炉の改修方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）、鉄皮と耐火物とにより構成された炉壁を有する炉において、前記耐火物の厚さを弾性波を用いた反射法により測定する方法であって、弾性波の発信と受信とを異なる２つの耐火物表面位置において行い、前記耐火物内部へ弾性波を発信し、前記弾性波が前記耐火物表面を伝わって受信されることにより発生するノイズを防止しつつ、前記弾性波の前記耐火物の炉内側表面からの反射波を受信することで、前記耐火物の厚さを測定することを特徴とする炉耐火物の残厚測定方法。
（２）、鉄皮と耐火物とにより構成された炉壁を有する炉において、前記耐火物の厚さを弾性波を用いた反射法により測定する方法であって、前記鉄皮に形成された少なくとも２つ以上の開口部のうちの一つの開口部から前記耐火物内部へ弾性波を発信して得られる前記耐火物の炉内側表面からの反射波を、少なくとも他の一つの開口部において受信することで、前記耐火物の厚さを測定することを特徴とする炉耐火物の残厚測定方法。
（３）、鉄皮と耐火物とにより構成された炉壁を有する炉において、前記耐火物の厚さを弾性波を用いた反射法により測定する方法であって、前記鉄皮に２つの開口部を形成して、該開口部を通じて前記耐火物表面を露出させ、一方の開口部から前記耐火物内部へ弾性波を発信して得られる前記耐火物の炉内側表面からの反射波を、他方の開口部において受信することで、前記耐火物の厚さを測定することを特徴とする炉耐火物の残厚測定方法。
（４）、予測される耐火物の残厚に応じて、２つの開口部の設置間隔を設定することを特徴とする（３）に記載の炉耐火物の残厚測定方法。
（５）、２つの開口部の設置間隔を、弾性波の実効指向角θの正接値と、予測される耐火物の残厚Ｌとの積の２倍である、２Ｌtanθ以下とすることを特徴とする、（３）または（４）に記載の炉耐火物の残厚測定方法。
（６）、鉄皮に形成された同じ開口部を用いて耐火物の厚さを繰り返し測定することを特徴とする（２）ないし（５）のいずれかに記載の炉耐火物の残厚測定方法。
（７）、鉄皮の開口部部分に着脱自在のキャップを設置することにより開閉可能として、残厚測定時には前記キャップを取り外し、残厚測定後は前記キャップにより開口部を閉塞することすることを特徴とする（２）ないし（６）のいずれかに記載の炉耐火物の残厚測定方法。
（８）、弾性波の送信および受信を探触子を用いて行い、弾性波が伝搬しにくい連結部材で前記探触子間距離を調整可能に連結することを特徴とする（１）ないし（７）のいずれかに記載の炉耐火物の残厚測定方法。
（９）、弾性波の送信および受信を探触子を用いて行い、該探触子を耐火物の表面に接触させる際に、前記探触子の前記耐火物との接触面に断熱材を設置することを特徴とする（１）ないし（８）のいずれかに記載の炉耐火物の残厚測定方法。
（１０）、鉄皮と耐火物とにより構成された炉壁を有する炉において、前記耐火物の厚さを弾性波を用いた反射法により測定するための装置であって、互いの間隔が調整可能な１対の探触子保持アームＡ１、Ａ２と、これらＡ１、Ａ２の先端に各々保持される送信用探触子及び受信用探触子とを備えたことを特徴とする炉耐火物の残厚測定装置。
（１１）、（１）ないし（９）のいずれかに記載の炉耐火物の残厚測定方法を用いて、炉壁の耐火物の厚さを所定の期間測定し、測定された前記耐火物の厚さから、前記耐火物の寿命を推定することで、炉の寿命を予測することを特徴とする、炉の寿命予測方法。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、鉄皮を有する炉で使用される耐火物の残厚を、操業中に高精度で測定できる。また測定の度に煩雑な作業を行う必要がなく、耐火物に負担をかけずに、繰り返し残厚の測定が可能となる。また炉の寿命を、高精度に予測し、適切な時期に改修できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明は、鉄皮と耐火物とにより構成された炉壁を有する炉において、前記耐火物の厚さを弾性波を用いた反射法により測定する方法であって、弾性波の発信と受信とを異なる２つの耐火物表面位置において行い、前記耐火物内部へ弾性波を発信し、前記弾性波が前記耐火物表面を伝わって受信されることにより発生するノイズを防止しつつ、前記弾性波の前記耐火物の炉内側表面からの反射波を受信することで、前記耐火物の厚さを測定することを特徴とする。耐火物内部へ弾性波を発信し、前記弾性波が前記耐火物表面を伝わって受信されることにより発生するノイズを防止しつつ、前記弾性波の前記耐火物の炉内側表面からの反射波を受信するためには、例えば、鉄皮に形成された少なくとも２つ以上の開口部のうちの一つの開口部から前記耐火物内部へ弾性波を発信して得られる前記耐火物の炉内側表面からの反射波を、少なくとも他の一つの開口部において受信する方法を用いることができる。より具体的には、鉄皮の一部を除去して耐火物の表面に到達する第一の開口部と第二の開口部とを、異なる二つの開口部として形成し、この開口部を通じて耐火物の表面を露出させ、前記第一の開口部から前記耐火物内部へ直接弾性波を送信して得られる前記耐火物の炉内側表面からの反射波を、前記第二の開口部において受信することで、前記耐火物の厚さを測定することを特徴とする炉耐火物の残厚測定方法を用いる。鉄皮と耐火物とにより構成された炉壁を有する炉としては、例えば、高炉、ガス化溶融炉、ＲＨ炉等の工業用炉がある。
【００２１】
本発明を、高炉を用いて詳しく説明する。
【００２２】
高炉の炉壁は、外側から鉄皮、スタンプ材、耐火レンガの順に構成された多層構造である。本発明で残厚を測定する耐火物は、溶銑に常にさらされて損耗する耐火レンガの部分である。スタンプ材は、鉄皮と耐火レンガとの間に圧入する不定形耐火物であるが、損耗に至ることはないので、測定が必要な耐火物は耐火レンガ部分である。
【００２３】
図１に、本発明の一実施形態の概略図を示す。本発明では高炉の表面の鉄皮１を一部除去して、除去した鉄皮の下のスタンプ材２を除去して耐火物の炉外側の表面に到達する開口部３を２箇所形成する。そして、送信用探触子４を第一の開口部３ａに設置して、第一の開口部３ａの耐火レンガ（耐火物）５の表面から耐火レンガ５内部へ直接に弾性波６を送信して、耐火レンガ５の裏側（高炉の炉内側の表面）からの反射波を、送信に用いた第一の開口部３ａとは異なる第二の開口部３ｂに設置した受信用探触子７で受信する。受信した信号を解析して、耐火レンガの厚さ（残厚）を測定する。
【００２４】
鉄皮と鉄皮の下のスタンプ材とを除去して開口部を形成することで、弾性波の送受信の際に、鉄皮とスタンプ層の影響を除くことができる。かつ探触子を２つ設置する二探触子法を用いることで、直接探触子に送信波が漏れこむことによって発生する不感帯を取り除いてＳ／Ｎを改善することができる。また、開口部を２箇所、別々に形成することで、弾性波の送信のための開口部と受信のための開口部とを空間的に分離して、その二つの開口部の間にある鉄皮とスタンプ層にダンパーとしての効果を持たせることにより、探触子間で直接に伝搬する表面波による計測への影響を抑えることができる。また、二探触子法なので散乱波による影響を防ぐことができる。
【００２５】
開口部３は、例えばボーリングで鉄皮とスタンプ材とを除去して、一つの底面を耐火レンガとし、側面をスタンプ材と鉄皮とした円筒形状の穴部として形成することができる。開口作業が容易であるので、開口部は円筒形状の穴部であることが望ましい。開口部の、耐火物上および鉄皮上での面積は、高炉の操業に影響を与えないためには小さい方が好ましいが、一方でノイズレベルが上昇するという問題がある。探触子として直径２０ｍｍのものを用いる場合は、開口部の直径を約２０ｍｍとすることも可能である。一方で、以下に述べるように送信用探触子と受信用探触子との好ましい設置間隔が測定する耐火物の残厚により変化するため、ある程度の余裕を持って開口部を形成することが望ましい。いずれにしろ、開口部を、従来の残厚測定に用いる場合に比べて小さい、耐火物上および鉄皮上で直径６０ｍｍ以下の円として形成する程度で、高精度の測定が可能である。
【００２６】
二つの開口部の間隔、および２つの探触子の設置間隔は、予測される残厚に応じて、設定することが好ましい。図２に開口部間隔を変化させた場合に受信用探触子が受信するノイズ（Ｎ）と信号（Ｓ）の強度変化の概略図を示す。開口部の間隔が短すぎると、探触子間を直接に伝搬する表面波を抑制するための鉄皮とスタンプ材によるダンパーとしての効果を充分に得ることができないため、ノイズ（Ｎ）は図２に示すように開口部の間隔が短いとその強度が強くなり、間隔が広がるにつれ弱くなる。したがって、開口部の間隔は、ある一定値以上を有することが好ましい。一方で、弾性波の信号強度（Ｓ）については、計測する耐火物の残厚が薄い場合と厚い場合とで信号強度の変化の様子が異なる。残厚が薄い場合、開口部の間隔を広げていくと、探触子の視野の重なりが少ないため信号強度（Ｓ１）は急峻に減衰していく。しかし、残厚が厚い場合は、薄い場合よりも探触子の視野が充分に重なっていることから開口部の間隔を広げても信号（Ｓ２）の減衰は緩やかである。開口部の間隔は、信号強度（Ｓ）の減衰比が０．５〜１となるように決定することが望ましく、したがって、耐火物の残厚が薄いことが予測される場合には、比較的開口部の間隔を狭く設定する必要がある。よって、残厚を計測する際には、予測される残厚の範囲によって、最適な開口部の間隔が決定できる。
【００２７】
開口部の間隔は、以下のようにして設定することができる。まず、探触子の径と送信周波数を用いて、（１）式、（２）式により弾性波の実効指向角θが計算される。φ：探触子の直径、λ：弾性波の波長、ｆ：弾性波の周波数、ｖ：耐火物中の音速として、
λ＝ｖ／ｆ・・・（１）
θ＝２９λ／φ  ・・・（２）
実効指向角θから、減衰少なく（０．５〜１の減衰比で）弾性波信号の送受信ができる視野範囲Ｗを求めることができる。計測するレンガ残厚Ｌに対して実効指向角θから弾性波の反射面範囲に対する探触子の視野範囲Ｗが、（３）式により求まる（図３参照）。
【００２８】
Ｗ＝Ｌtanθ  ・・・（３）
よって、二探触子法では、二つの探触子を、この実効指向角から求められる視野範囲Ｗが重なるように配置する必要がある。
【００２９】
図４に、探触子の設置間隔Ｄを変化させた場合の二つの探触子の視野範囲の関係を示す。図４（Ａ）は、Ｄ＝Ｗであり、二つの探触子の視野範囲Ｗが完全に重なっている状態である。したがって、Ｄ≦Ｗの場合が、二つの探触子の間隔として最も好ましい。開口間隔を離すことのできる限界は図４（Ｂ）のようにＤ＝２Ｗとなるように探触子を配置した場合であり、Ｄ≦２Ｗが好ましい二つの探触子の間隔である。
【００３０】
一方で、図４（Ｃ）のようにＤ＞２Ｗとなるように探触子を配置すると視野範囲Ｗが重ならないので、受信できる弾性波の信号強度が非常に弱く残厚計測には不適である。
【００３１】
したがって、図５に示すように、計測したいレンガ残厚をＬ1〜Ｌ0（Ｌ1＜Ｌ0）とすると、下限値であるＬ1に対して好ましい開口部の間隔を設定すれば、実効指向角から求められる視野範囲が必ず重なるため、Ｌ1〜Ｌ0において残厚を計測することができる。図５（Ａ）はＤ＝Ｗの場合であり、レンガ残厚がＬ1の場合でも十分な信号強度を得る事ができる。図５（Ｂ）は探触子の設置間隔Ｄを２Ｗまで離した場合で、これ以上探触子の設置間隔を広くすると、残厚計測には不適である。
【００３２】
実際の高炉の操業において、耐火レンガの厚さを測定する必要があると考えられる範囲は、耐火物の長さとして２００〜２０００ｍｍである。よって、この範囲を計測するための開口部の間隔は、直径（φ）２０ｍｍの探触子、送信周波数１００ｋＨｚ、耐火物（耐火レンガ：ＢＣ−８ＳＲ）中の音速を３１４１ｍ／ｓｅｃとして、上記の（１）式と（２）式より実効指向角はθ＝４５．５であり、さらに、（３）式から２００ｍｍ以上の厚さを計測するときの探触子の視野範囲Ｗ＝２０３．８４ｍｍが求まる。したがって、探触子間距離は、好ましくはＤ≦２Ｗ＝４０７．６８ｍｍであり、特に好ましくはＤ≦Ｗ＝２０３．８４ｍｍである。しかし、探触子間距離が１００ｍｍ未満となる位置に開口部を設けると、ノイズが大きくなるため、結局、探触子間距離は好ましくは１００〜４１０ｍｍ、特に好ましくは１００〜２００ｍｍであり、開口部の間隔をこれに合わせて設定する。
【００３３】
また、実効指向角θは耐火物中の音速にも依存することが上記の（１）式と（２）式から明らかである。音速を測定した各種の耐火物（ＢＣ−５：日本電極製、Ｋ−２ＲＳ：ＴＹＫ製、ＢＣ−８ＳＲ：日本電極製、全てカーボン質ブロック）について、同じ条件で耐火物の種類を変えた場合の、好ましい探触子間距離と、特に好ましい探触子間距離とを表１に示す。
【００３４】
【表１】
2005010139.tif 000003
【００３５】
探触子の直径（φ）を４０ｍｍとした場合は、送信周波数を１００ｋＨｚ、耐火物中の音速を３１４１ｍ／ｓｅｃとすれば、上記と同様に、探触子間距離は、好ましくはＤ≦２Ｗ＝１６７．９２ｍｍで、特に好ましくはＤ≦Ｗ＝８３．９６ｍｍであり、好ましい開口部の間隔は５０ｍｍ〜約１７０ｍｍ、特に好ましくは５０〜８４ｍｍとなる。さらに、音速を測定した各種の耐火物について、同じ条件で耐火物の種類を変えた場合の、好ましい探触子間距離と、特に好ましい探触子間距離とを表２に示す。
【００３６】
【表２】
2005010139.tif 000004
【００３７】
鉄皮に形成された同じ開口部を用いて耐火物の厚さを繰り返し測定することが望ましい。開口作業の手間を減らし、同一個所で炉耐火物の残厚を管理することができる。
【００３８】
鉄皮を切断した開口部は、繰り返し耐火物の残厚測定に用いることが望ましい。開口部をキャップまたは蓋で水漏れしないように閉塞できる構造にしておくことで、厚さ測定後に再びスタンプ材を圧入して開口部を閉じることができ、しかも開口部を容易に再開口して、厚さ測定を行うことができる。開口部の形成を容易にすることで、繰り返し長期にわたって、厚さを測定することが容易になり、同一個所での残厚の傾向管理や、他の残厚測定方法の校正方法（例えば、操業中は炉壁に設置してある温度計や、衝撃弾性波共振法等の、鉄皮を開口しない方法でレンガ残厚を推定し、休風時に本発明方法で計測したデータをもとに操業中に測定する残厚の計測精度を上げる方法。）として利用することができる。また、冷却能力を損なわれることがないので、冷却能力の低下による耐火物への負担を防ぐことができる。
【００３９】
開口部にキャップを取りつける場合の一実施形態を、図６を用いて説明する。まず、鉄皮１とスタンプ材２とをくりぬいて、直径６０ｍｍの円筒形状の開口部３を形成する。次に、鉄皮１の開口部３周辺に、内径８７．３ｍｍ、外径１１４．３ｍｍ、長さ６０ｍｍに作成したＳＵＳ３０４製の短管１０を取りつける。開口部３の耐火レンガ上での中心と、短管１０の中心とが、鉄皮表面の法線方向に平行な同一直線状となるように短管１０の位置を決めて、短管１０と鉄皮１の内側と外側から溶接して固定する。開口部３を閉塞するためのキャップ１１は、外径１４０ｍｍ、長さ６０ｍｍとして、内側にネジ切りを施し、短管１０の外側にもネジ切りを施すことで、キャップ１１を短管１０に取り外し可能に取りつけて、開口部の閉塞を可能とする。
【００４０】
送信用探触子と受信用探触子の、二つの探触子を弾性波が伝搬しにくい材質の固定部材を用いて接続し、一体化して耐火物の残厚測定に用いることが好ましい。また、探触子間の距離は任意に調整可能とすることが望ましい。
【００４１】
図７に、二つの探触子をアームで固定して測定する場合の一実施形態を示す。二つの探触子４、７がアーム１５により一体化されたことにより、探触子４、７を耐火物５の表面に接触させる作業が容易となる。アーム１５に、弾性波が伝搬しにくい材料を用いることで、固定部材を介して弾性波（送信波）が伝搬してノイズが発生し、Ｓ／Ｎが悪くなることを防ぐことができる。弾性波が伝搬しにくい材料としては、例えば木材が特に好適である。固定ネジ１６等を用いて、アームの長さを調整可能とすることで、探触子間の距離を任意に設定することが可能である。
【００４２】
探触子の耐火物との接触面に断熱材を設置することが好ましい。
【００４３】
耐火物の表面は、通常は８０℃程度であるが、耐火物損耗して薄くなると、表面温度も上昇する。探触子の耐熱温度は１００℃程度であるため、探触子の耐火物との接触面側に断熱材をとりつけることで、耐火物の温度が高温となった場合にもその影響を受けることなく残厚を測定することができる。
【００４４】
図８に探触子の耐火物との接触面に耐熱板を取りつける場合の一例を示す。断熱板１７は、例えば探触子先端部分と同じ直径４８ｍｍの円形で、厚さ１０ｍｍのアクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂製の板等を用いる。また、図９に耐火物の表面の温度と、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂製の厚さ２０ｍｍの板を断熱材として用いた場合の探触子表面の温度との比較を示すことにより、断熱板の効果を示す。図９によれば、耐火物の探触子との接触面の温度が３００℃前後であっても、断熱材を用いた場合の探触子の表面は５０℃程度にしか上昇しないことが分かる。
【００４５】
次に、高炉の耐火物の残厚測定の具体的なプロセスの一実施形態を図１０、図１１を用いて説明する。
【００４６】
図１０は本発明の耐火物の残厚測定方法を実施するための説明図である。計測工程は次の（イ）〜（ニ）からなる。
【００４７】
（イ）、開口部を形成する前に、経験的、または本発明以外の簡易な方法等を用いてあらかじめ測定する耐火物の残厚をある程度予測しておき、予測される残厚から二つの開口部の間隔を決定する。次いで、鉄皮１とスタンプ材２を開口し、耐火物５の表面に探触子４、７を接触できる状態にする。鉄皮１、スタンプ材２、耐火物５の表面はやや傾斜しているので、探触子を接触させやすいように傾斜に対して法線方向に孔を開口して開口部３を形成し、耐火物表面を露出させる。開口角度を耐火物の表面に対して法線方向とすることで、計測作業が容易となる。さらに、開口部３にキャップを取りつけられるように短管１０等を溶接する工事を行い、閉塞できる構造とすることが望ましい。
【００４８】
（ロ）、弾性波が伝搬しにくい素材で作られた治具にて固定した２つの探触子４、７の間隔を開口部の間隔にあわせて調節する。探触子の耐火物との接触面に、樹脂でつくられた厚さ１０ｍｍの断熱板を取り付ける。
【００４９】
（ハ）、パルサー２０にて送信波形を作成して送信探触子４にて送信波を耐火物５内部へ送信する。波形はバースト波やチャープ波など任意の波形でよい。耐火物５の裏側からの反射波を受信探触子７にて計測する。受信探触子７で受信された反射波はアンプ２１とバンドパスフィルター２２を経てＡ／Ｄ変換機（デジタルオシロ）２３にてＡ／Ｄ変換され表示される。デジタルオシロ２３で離散値変化された波形情報をＧＰＩＢインタフェースを介して計算機（パーソナルコンピューター）２４に取り込み、解析をして残厚を算出する。受信探触子７で計測される耐火物の裏側（炉内側表面）からの反射波の波形例を図１１に示す。耐火物の裏面からの反射波の受信信号Ｚを十分良好なＳ／Ｎで受信できている。反射波の受信信号Ｚから伝搬時間ｔを読み取り、耐火物中の音速値は既知であるので、耐火物の厚さを算出することができる。さらに、二探触子法での弾性波の伝搬経路を考慮した補正を施して、より正確な残厚値を算出する。各種の耐火物中の音速値を、データベース化しておくことが好ましい。
【００５０】
（ニ）、耐火物の厚さ測定が終了後、開口部３を閉塞する。探触子を耐火物表面からとりはずした後、開口部３にスタンプ材を再び圧入する。スタンプ材の圧入後に、開口部の短管１０部分にキャップをとりつけ、開口部３内へ水漏れがしないように閉塞処理をおこなう。キャップが取りつけられるような処理を行わない場合は、開口部にスタンプ材を圧入して鉄板等を溶接して閉塞するが、再度測定を行う際の手間が大きく、頻繁に残厚測定を行うことが困難となる。
【００５１】
再び、同位置で耐火物の残厚の測定を行う場合、キャップを取り外し、開口部に圧入したスタンプ材を取り除いて耐火物（耐火レンガ）表面を露出させた後、上記（ロ）〜（ニ）の工程を再度実行する。開口部が形成されていれば、１回の測定を３０分程度の短時間で完了させることができる。耐火物の残厚が薄くなることで、既に開口した開口部が使用できなくなった場合には、新たな開口部を形成する必要がある。そのような場合に対応した、高炉の炉底の耐火物の残厚測定作業の一実施形態のフローチャートを図１２に示す。開口部の形成作業を最小限に抑えるために、探触子のサイズ（耐火物接触部分の面積）を変更するだけで残厚測定可能な場合は、探触子のサイズをより小さいものに変更して測定することが好ましい。探触子は耐火物に接触する送信（受信）部分の面積が大きいものほどＳ／Ｎが高くなるので好ましいが、開口部の形成作業は、高炉の操業上も、コストを抑えるという点でも、少ないほど好ましく、探触子のサイズ変更だけで対応できる場合は変更することが好ましい。
【００５２】
次に、本発明の耐火物の残厚測定装置について説明する。
【００５３】
上記の方法を行うために、本発明では、鉄皮と耐火物とにより構成された炉壁を有する炉において、前記耐火物の厚さを弾性波を用いた反射法により測定するための装置であって、互いの間隔が調整可能な１対の探触子保持アームＡ１、Ａ２と、これらＡ１、Ａ２の先端に各々保持される送信用探触子及び受信用探触子とを備えたことを特徴とする耐火物の残厚測定装置を用いることが好ましい。このような装置として、例えば、図７に記載のものを用いることができる。本発明の耐火物の残厚測定装置を用いれば、２つの探触子を均一かつ十分な力で耐火物に接触させることが可能となり、作業者が一人の場合にも安定した測定を行うことができる。
【００５４】
また、耐火物が高温になる場合があるので、送信用探触子と、受信用探触子との、耐火物との接触面に、断熱板が取りつけられていることが好ましい。
【００５５】
次に、３箇所以上に開口して耐火物の残厚を測定する場合について説明する。
【００５６】
鉄皮に２つの開口部を形成して、二探触子法を用いて測定を行うと、図１６に示すような複数の反射波が受信される場合があり、残厚の測定が困難となる場合がある。このような場合は、耐火物中にクラックが存在することが考えられる。クラックが存在する場合の弾性波の反射経路を図１７に示す。図１７に示すように、クラック２５部分からの反射波は、耐火物の残厚に相当する耐火物５の炉内側表面からの反射波よりも先に探触子７に受信されるが、反射波は目地部分等からも発生する場合があり、複数の反射波のうちから、耐火物の残厚に相当する反射波を区別することは困難である。上記のような場合には、鉄皮の開口部を３箇所以上とすることで、以下に示す方法で耐火物の残厚を測定することが可能となる。
【００５７】
図１８、１９に３箇所以上に開口して、残厚を測定する場合の概略図を示す。開口部は同一直線上に開口しないことが望ましい。開口部を２つづつ選択して、各開口部間の残厚を探触子２６を用いて測定する。図１８、１９の右側に、それぞれの開口部間で測定した際の受信波の例を示す。耐火物内にクラックが存在しない場合は、図１８に示すような波形が受信用探触子で計測され、耐火物内にクラック２５が存在する場合には、図１９に示すような波形が受信用探触子で計測される。クラックが存在する場合には２つのピークが発生する場合があるため、クラックの存在を識別可能であり、クラックの存在しない部分の反射波が受信されるまでの時間を参照することで、複数の反射波のうち残厚に相当する反射波を識別でき、残厚を正確に測定できる。
【００５８】
また、耐火物の炉内側表面が平坦であれば、すなわち耐火物の残厚が測定点付近でほぼ均一であれば、反射波は各受信用探触子でほぼ同時に受信されるが、残厚に不均一が発生すると、反射波の受信に各測定地点で時間差が生じ、これを用いれば耐火物の炉内側表面の形状を計測することも可能である。耐火物の炉内側表面の形状を測定するためには開口部が多いほど好ましいが、鉄皮に多数の開口部を設けることは炉の操業上望ましくないため、開口部の数は必要最小限とする。
【００５９】
３箇所以上に開口して、残厚を測定する場合は、既存の全ての開口部間で残厚測定を試みた後、新たな開口部を形成し、新たに形成した開口部と、既に形成した開口部との間で残厚を測定することが効率的である。すなわち、既存の開口部間で残厚を測定後に前記鉄皮に新たに開口部を形成して、新たに形成された開口部と既存の開口部との間で残厚を測定することが望ましい。
【００６０】
図２０は３箇所以上の開口部を設定する場合の高炉の炉底の耐火物の残厚測定作業の一実施形態のフローチャートであり、図２０において、まず前述したような方法を用いて２つの開口部により耐火物の残厚を測定する。各開口部は、Ｎｏ．Ｄ（Ｄ＝１、２、３、・・・）により識別する。最初の２つの開口部をＮｏ.１、Ｎｏ．２として、以下、新たに開口した順番に開口部にＮｏ．Ｄを設定するものとする。Ｎｏ.１、Ｎｏ．２の開口部を用いて測定した際に、受信した反射波が２つ以上あった場合、信号強度最大の反射波をＳm1、次に強度の大きい反射波をＳm2として、あらかじめ設定しておいた強度の閾値Ｓθと比較し、Ｓm2≦Ｓθ（Ｓm2＞ＳθがＮｏの場合）の場合には、Ｓm1を反射波として、残厚を求める。一方、Ｓm2＞Ｓθの場合（Ｓm2＞ＳθがＹｅｓの場合）は、Ｓm1とＳm2の一方はクラックに起因する反射波である可能性があり、Ｓm1とＳm2のどちらが残厚に相当する反射波であるのか不明確であるため、新たな開口部（Ｎｏ．３：Ｄ＝３）を設定する。この際に変数ｄ＝０とする。
【００６１】
新たな開口部（Ｎｏ．３：Ｄ＝３）を設定した際には、ｄ＝ｄ＋１として、まず、Ｎｏ．３（Ｎｏ．Ｄ）の開口部とＮｏ．１（Ｎｏ．ｄ）の開口部との間で、本発明方法を用いて耐火物の残厚を測定する。受信した反射波が一つの場合は、その反射波を用いて残厚を求める。しかし、新たな開口部を用いても受信した反射波が２つ以上あった場合、信号強度最大の反射波をＳm1、次に強度の大きい反射波をＳm2として、あらかじめ設定しておいた強度の閾値Ｓθと比較し、Ｓm2≦Ｓθ（Ｓm2＞ＳθがＮｏの場合）の場合には、Ｓm1を反射波として、残厚を求める。一方、Ｓm2＞Ｓθの場合（Ｓm2＞ＳθがＹｅｓの場合）はＳm1とＳm2のどちらが残厚に相当する反射波であるのか不明確であるため、もう一つの既存の開口部であるＮｏ．２の開口部とＮｏ．３の開口部との間で耐火物の残厚を測定する。この際、Ｄとｄ＋１の値を比較することにより、さらに新たな開口部を形成する必要があるかを判断する。すなわち、Ｎｏ．１とＮｏ．３の開口部間で測定した場合は、Ｄ＝３、ｄ＝１であるのでＤ＞ｄ＋１であり、ｄ＝ｄ＋１として開口部Ｎｏ．ｄと開口部Ｎｏ．Ｄとの間で測定を行うが、Ｎｏ．２とＮｏ．３の開口部間で測定した場合は、Ｄ＝３、ｄ＝２であるため、Ｄ＝ｄ＋１であり、この場合はｄ＝０として、新たな開口部（Ｎｏ．Ｄ：Ｄ＝４）を形成する。
【００６２】
上記の工程を受信した反射波が一つになる、あるいはＳm2≦Ｓθ（Ｓm2＞ＳθがＮｏの場合）となるまで繰り返して残厚を求める。以上の方法を用いることで、鉄皮の開口作業を最小限としながら、より正確に耐火物の残厚を測定することが可能となる。
【００６３】
次に、本発明を用いて炉の寿命予測を行う方法について説明する。
【００６４】
上記に記載の耐火物の残厚測定方法を用いれば、耐火物の正確な残厚が測定可能であるので、炉壁の耐火物の厚さを所定の期間測定し、測定された前記耐火物の厚さから、前記耐火物の寿命を推定することで、炉の寿命を予測することができる。
【００６５】
高炉の場合、上記の本発明方法を用いて高炉の炉底耐火物の正確な厚さ（残厚）を得ることで、操業中の高炉の余齢を推定することが可能となり従来以上に精度良く、かつ容易に、高炉の寿命を推定することができる。高炉の炉底部分の耐火物の厚さを本発明方法を用いて定期的に測定し、残厚の履歴データより、例えば最小二乗法を用いて寿命を推定する。耐火物の損耗の激しい部分は経験的に知られているので、特に損耗の激しい部分の耐火物の残厚を測定することが好ましい。また、高炉の炉底に複数の測定個所を設けて、残厚を測定することが望ましい。操業開始時から耐火物の厚さを測定することが望ましいが、過去数年程度の耐火物の厚さデータが蓄積できれば、高炉の寿命予測は可能である。高炉の操業中は鉄皮の表面上を冷却水が流れているため測定は困難であるので、通常は休風時に耐火物の厚さを測定する。高炉の休風は年に数回であるので、毎休風時に残厚を測定することが好ましい。図１３に高炉の寿命予測を行う近似計算の例を示す。
【００６６】
図１３において、過去１２年間の耐火レンガ厚さの測定データのうち、過去３年間の測定厚さを用いて最小二乗法により近似直線を求め、この近似直線から、耐火レンガの厚さが寿命と考えられる厚さＸとなる操業年数Ｆを計算している。高炉の現在の操業年数をＰとすると、耐火物の余齢Ｃｒは、下記（４）式で求めることができる。
【００６７】
Ｃｒ＝Ｆ―Ｐ…（４）
Ｎ箇所で耐火レンガの厚さ測定を行う場合、耐火レンガの余齢がＣｒ1、Ｃｒ2、Ｃｒ3、……ＣｒNとＮ個得られるので、下記（５）式に示すように、Ｎ個の余齢のうちの最小値を高炉の余齢Ｂｒとする。
【００６８】
Ｂｒ＝ｍｉｎ［Ｃｒ1、Ｃｒ2、Ｃｒ3、……ＣｒN］…（５）
以上の方法を用いて炉の寿命を予測することができるので、予測した寿命に基づいて炉を停止して改修を行うことが望ましい。すなわち、炉の耐火物の残厚を定期的に測定し、測定された残厚に基づいて炉の寿命を予測し、予測された寿命に基づいて炉の改修時期を決定し、炉の改修を実施することにより、適切な時期に炉の改修が可能であり、操業中に耐火物が破損する事故を防止し、寿命の上限近くまで炉を操業することが可能となる。炉の耐火物の残厚の測定は、ある程度の長期にわたって適当な間隔をおいて複数回行えば良く、常に同じ時間間隔で行う必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の一実施形態の概略図。
【図２】開口部間隔を変化させた場合に受信用探触子が受信するノイズ（Ｎ）と信号（Ｓ）の強度変化の概略図。
【図３】実効指向角θと探触子の視野範囲Ｗの関係を示す概略図。
【図４】探触子の設置間隔Ｄを変化させた場合の二つの探触子の視野範囲の関係を示す概略図。（Ａ）Ｄ＝Ｗ、（Ｂ）Ｄ＝２Ｗ、（Ｃ）Ｄ＞２Ｗ
【図５】探触子の設置間隔Ｄを変化させた場合の二つの探触子の視野範囲の関係を示す概略図。（Ａ）Ｄ＝Ｗ、（Ｂ）Ｄ＝２Ｗ
【図６】開口部にキャップを取りつける一実施形態の概略図。
【図７】二つの探触子をアームで固定して測定する一実施形態の概略図。
【図８】耐熱板を取りつける一実施形態の概略図。
【図９】断熱材の効果を示すグラフ。
【図１０】本発明を実施するための説明図。
【図１１】反射波の波形例を示すグラフ。
【図１２】高炉の炉底の耐火物の残厚測定作業の一実施形態のフローチャート。
【図１３】高炉の寿命予測を行う近似計算の例を示すグラフ。
【図１４】一探触子法で生じる不感帯の例を示すグラフ。
【図１５】二探触子法で生じる不感帯の例を示すグラフ。
【図１６】複数の反射波が受信される場合の一例を示す図。
【図１７】クラックが存在する場合の弾性波の反射経路を示す図。
【図１８】３箇所以上に開口して、残厚を測定する場合の概略図（クラックなし）。
【図１９】３箇所以上に開口して、残厚を測定する場合の概略図（クラックあり）。
【図２０】３箇所以上の開口部を設定する場合の残厚測定作業の一実施形態のフローチャート。
【符号の説明】
【００７０】
１    鉄皮
２    スタンプ材
３    開口部
３ａ    第一の開口部
３ｂ    第二の開口部
４    送信用探触子
５    耐火レンガ（耐火物）
６    弾性波
７    受信用探触子
１０    短管
１１    キャップ
１５    アーム
１６    固定ネジ
１７    耐熱板
２０    パルサー
２１    アンプ
２２    バンドパスフィルター
２３    Ａ／Ｄ変換機（デジタルオシロ）
２４    計算機（パーソナルコンピューター）
２５    クラック
２６    探触子
Ａ１    探触子保持アーム
Ａ２    探触子保持アーム
Ｃｒ    耐火物の余齢
Ｆ    耐火レンガの厚さが寿命となる操業年数
Ｐ    高炉の現在の操業年数
ｔ    伝搬時間
Ｘ    耐火レンガの寿命厚さ
Ｙ    不感帯
Ｚ    反射波
【図１】
2005010139.tif 000005
【図２】
2005010139.tif 000006
【図３】
2005010139.tif 000007
【図４】
2005010139.tif 000008
【図５】
2005010139.tif 000009
【図６】
2005010139.tif 000010
【図７】
2005010139.tif 000011
【図８】
2005010139.tif 000012
【図９】
2005010139.tif 000013
【図１０】
2005010139.tif 000014
【図１１】
2005010139.tif 000015
【図１２】
2005010139.tif 000016
【図１３】
2005010139.tif 000017
【図１４】
2005010139.tif 000018
【図１５】
2005010139.tif 000019
【図１６】
2005010139.tif 000020
【図１７】
2005010139.tif 000021
【図１８】
2005010139.tif 000022
【図１９】
2005010139.tif 000023
【図２０】
2005010139.tif 000024