(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数組み合わされて用いられる損耗部材の残存厚みを測定する損耗部材の残存厚み測定方法であって、
前記損耗部材間の境界部分の互いに対向する面に、前記損耗部材の厚み減少方向に沿って延びる電極をそれぞれ形成し、形成された電極間に絶縁体材料を充填してコンデンサを形成する手順と、
前記コンデンサの静電容量の変化を検出し、検出された静電容量の変化に基づいて、前記損耗部材の残存厚みを算出する手順とを備えていることを特徴とする損耗部材の残存厚み測定方法。
【請求項２】
前記電極を形成する方法は、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、又は、Ｐｔの金属を、前記損耗部材間の境界部分の互いに対抗する面に溶射若しくは蒸着して形成する、又は、片面に前記金属の薄膜が形成された合成樹脂製のフィルムを前記損耗部材間の境界部分の互いに対抗する面に貼り付けることである
ことを特徴とする請求項１に記載の損耗部材の残存厚み測定方法。
【請求項３】
前記複数組み合わされて用いられる損耗部材が、高炉の炉底側壁煉瓦であり、
前記損耗部材間の境界部分が、前記炉底側壁煉瓦の目地である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の損耗部材の残存厚み測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、損耗部材の残存厚みを測定する損耗部材の残存厚み測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内部を直接視認することが困難な容器や配管部材において、内部を材料が流通することにより、容器の隔壁や配管部材を構成する部材が損耗するので、この損耗量を外側から非破壊で計測したいという要求がある。
例えば、高炉においては、溶銑を受ける炉底部分には耐火煉瓦等の炉底耐火物が用いられている。この炉底耐火物は、溶銑流れ等により損耗し、高炉の寿命を律する大きな因子の一つとされ、高炉操業中に炉底耐火物の残存厚みを逐次測定して、高炉の寿命を推定することが要求されている。
【０００３】
この炉底耐火物の損耗状況を外側から測定する方法としては、従来、炉底耐火物外面の温度を測定し、測定温度に基づいて、炉底耐火物の残存厚みを推定算出する方法が知られている。
一方、非破壊による絶縁体からなる測定対象の厚み測定方法としては、静電容量を利用した方法も知られており、この厚み測定方法では、測定対象を厚さ方向で挟み込むように電極を配置してコンデンサを形成し、コンデンサの静電容量を測定することにより、測定対象の厚みを推定することができる（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００４】
この静電容量による方法を、前記の高炉の炉床耐火物の残存厚み測定に利用する場合、図１１に示されるように、炉底耐火物となる炉底側壁煉瓦１３の外周面を金属板１０１で覆って電極を形成し、高炉内部の溶銑Ｓとの電気的導通を確保して、炉底側壁煉瓦１３を介して離隔される溶銑Ｓ及び金属板１０１間の静電容量を検出することにより、炉底側壁煉瓦１３の損耗による残存厚みを算出することが考えられる。
この場合、炉底耐火物の誘電率をε（Ｆ／ｍ）、残存厚みをｄ（ｍ）、静電容量をＣ（Ｆ）、電極面積をＳ（ｍ２）とすると、Ｃ＝ε・Ｓ／ｄという式に基づいて、残存厚みを算出することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１０９４０９号公報（図１、図５参照）
【特許文献２】特開平６−１９４１１４号公報（図３参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような従来提案されている残存厚みの測定方法では次のような問題がある。すなわち、炉底耐火物外周面の温度を測定して残存厚みを推定する方法では、測定温度のばらつきが大きいため、残存厚みを高精度に推定することが困難であるという問題がある。
また、静電容量により残存厚みを測定する方法では、炉底耐火物の内面、すなわち損耗面に導電性の材料が不可欠であり、内部に溶銑等が存在する特殊な場合を除いては利用が困難であるという問題がある。さらに、高炉等の導電性材料が存在している場合に利用しても、初期の損耗が進行していない状態では、前記の式からも判るように、電極間距離ｄが長すぎて検出される静電容量の値が小さくなってしまい、やはり高精度に測定することが困難であるという問題がある。
なお、このような課題は、前述した高炉の炉底耐火物のみならず、内部に摺動面を有する機械や容器等の構造体において、損耗面を直接観察することができず、外側から、摺動による残存厚みを測定したい場合にも同様の課題として把握される。
【０００７】
本発明の目的は、損耗部材の残存厚みを高精度に測定することのできる損耗部材の残存厚み測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）  本発明に係る損耗部材の残存厚み測定方法は、複数組み合わされて用いられる損耗部材の残存厚みを測定する損耗部材の残存厚み測定方法であって、
前記損耗部材間の境界部分の互いに対向する面に、前記損耗部材の厚み減少方向に沿って延びる電極をそれぞれ形成し、形成された電極間に絶縁体材料を充填してコンデンサを形成する手順と、
前記コンデンサの静電容量の変化を検出し、検出された静電容量の変化に基づいて、前記損耗部材の残存厚みを算出する手順とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、前述のように形成されたコンデンサの静電容量の変化を検出することにより、損耗による損耗部材の厚みの減少に伴って電極の延出方向損耗面側端部が損耗していくので、電極長さの減少という形で静電容量の変化を検出することができ、損耗の度合いによらず検出精度が変化することがなく、高精度に残存厚みを測定することができる。
さらに、この発明によれば、別途特殊な部材等を用いる必要がないので、境界部分に面する損耗部材のそれぞれの端面に電極を形成し、絶縁体材料を充填するだけで簡単に本発明の作用及び効果を享受することができる。
【００１０】
ここで、検出された静電容量の変化から残存厚みを算出する方法としては、例えば、損耗によって減少する電極の長さに応じた静電容量を予め検出しておき、これに基づいて検量線を作成することにより求めることができる。
また、検出される静電容量をＣ（Ｆ）、一対の電極間の絶縁体の誘電率をε（Ｆ／ｍ）、損耗部材の残存厚みをＬ（ｍ）、電極の幅をＷ（ｍ）、対向する電極間の距離をｄ０（ｍ）とすると、次の式（Ａ）に基づいて求めることもできる。
Ｌ＝Ｃ・ｄ０／ε／Ｗ…（Ａ）
【００１１】
（２）  本発明において、前記電極を形成する方法は、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、又は、Ｐｔの金属を、前記損耗部材間の境界部分の互いに対抗する面に溶射若しくは蒸着して形成する、又は、片面に前記金属の薄膜が形成された合成樹脂製のフィルムを前記損耗部材間の境界部分の互いに対抗する面に貼り付けることによることができる。
【００１２】
ここで、損耗部材の端面に電極を形成する方法としては、銅、白金、タングステン、モリブデン、鉄、バナジウム、チタニウム等の金属材料を、溶射、蒸着等により損耗部材の端面に薄膜として形成したり、これらの金属材料をフィルム上に薄膜形成しておき、これを損耗部材の端面に貼り付ける等の方法を採用することができる。
また、充填する絶縁体材料としては、損耗部材が複数組み合わされて構成されるので、モルタル等の損耗部材間の接合を行う材料を採用するのが好ましい。
【００１３】
（３）  本発明において、前記複数組み合わされて用いられる損耗部材が、高炉の炉底側壁煉瓦であり、前記損耗部材間の境界部分が、前記炉底側壁煉瓦の目地であることとすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
このような本発明によれば、損耗部材の損耗による残存厚みの程度によらず、残存厚みを高精度に測定することができる、という効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〔高炉構造〕
図１には、本発明の実施の形態に係る高炉１０が示されている。この高炉１０は、鉄皮１１と、鉄皮１１の内部に内張りされた炉底煉瓦１２及び炉底側壁煉瓦１３と、炉底煉瓦１２を保持する底盤１４と、羽口１５、１６とを備えている。
炉底煉瓦１２は、底盤１４上に複数段積重ねられており、この炉底煉瓦１２の外側並びに上方に鉄皮１１の内壁に接触した状態で炉底側壁煉瓦１３が複数段積重ねられ、炉底煉瓦１２と炉底側壁煉瓦１３とが一体となっている。
【００１８】
具体的には、図２に示されるように、炉底側壁煉瓦１３は、炉底煉瓦１２を囲むように平面視で略円形状に配置されて上下方向に積み重ねられて炉底側壁を構成している。炉底煉瓦１２及び炉底側壁煉瓦１３は、無煙炭、土壌黒煙、人造黒煙など耐溶損性に優れる材質が採用され、例えば、タール、ピッチ、樹脂の１種以上をバインダーとして混練し、プレス板間に充填し加圧プレスにて成形することができる。
また、底盤１４には、図示を略したが、冷却管が設けられており、調整弁により冷却管に供給する冷却水量を調整することが可能な構成となっている。
羽口１５は、図１に示されるように、高炉１０内に酸素や微粉炭等を吹込むことができ、吹込み量比率の増減ができ、羽口前１６における燃焼温度を増減することができる。
【００１９】
このような構造の高炉１０が正常な場合は、炉底側壁煉瓦１３に異常な損耗がなく、操業も安定した状態を維持できる。
しかし、底盤１４の不適切な冷却、炉内状況の異常等によって、炉底煉瓦１２の表面にメタルとスラグを有する凝固層（粘稠層とも言う）が異常形成されることがある。この形成される凝固層の量によっては、高炉１０の底部に溶銑の炉底側壁煉瓦１３に沿う環状の流れが発生して、炉底側壁煉瓦１３が損耗する。
【００２０】
また、異常形成した凝固層により、高炉１０の底部の熱が炉底煉瓦１２に伝わることが抑制されるので、この場合、炉底煉瓦１２の温度が低下する。これにより、炉底煉瓦１２が収縮するので、炉底煉瓦１２と一体となった炉底側壁煉瓦１３が高炉１０の中心部へ移動し、鉄皮１１と炉底側壁煉瓦１３との間に、例えば、０．２〜１mm程度の隙間が形成される。このため、鉄皮１１の外側から冷却しても、炉底側壁煉瓦１３を冷却することはできず、炉底側壁煉瓦１３が損耗する。
以上のような現象により、炉底側壁煉瓦１３は、高炉１０の内面側から損耗するため、この損耗の程度、すなわち炉底側壁煉瓦１３の残存厚みを外側から高精度に測定することは、高炉１０の寿命を検討する上で非常に重要となる。
【００２１】
〔第１参考形態〕
このような高炉１０の炉底側壁煉瓦１３の損耗による残存厚みを測定するために、第１参考形態に係る測定方法では、図３に示されるように、炉底側壁煉瓦１３に内外を貫通する、すなわち、炉底側壁煉瓦１３の厚みが減少する方向に沿って延びる孔１３１を穿設し、この孔１３１にプローブ２０を挿入し、このプローブ２０の静電容量の変化を検出することにより、炉底側壁煉瓦１３の残存厚みを測定する。
プローブ２０の取付位置は、炉底側壁煉瓦１３の任意の位置に設定することができ、例えば、複数の炉底側壁煉瓦１３を組み合わせて構成される壁体において、上下方向に複数箇所、さらに平面視円形状の壁体を均等に分割する複数の箇所に設定することが可能である。
また、プローブ２０は帯状であり、孔１３１は断面円形状に穿設されるのが通常であるから、孔１３１の隙間部分には、封止用のモルタル１３２が充填される。
【００２２】
プローブ２０は、帯状の絶縁体２１と、この絶縁体２１の表裏面に形成される導体からなる電極２２とを備えて構成され、図中右側となる炉底側壁煉瓦１３の外周面には、電極２２から引き出された端子２３が露出している。
絶縁体２１としては、アルミナ等のセラミックやポリイミドテープ等の合成樹脂材料を用いることができる。
導体からなる電極２２は、図４に示されるように、絶縁体２１の幅寸法Ｗ０よりも若干小さな幅寸法Ｗとされ、絶縁体２１の延出方向に沿って複数配列された電極セル２２１と、各電極セル２２１間の電気的導通を確保する連結部２２２とを備えて構成されている。電極２２を構成する導体としては、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ等の金属フィルムを用いることができる。
【００２３】
このようなプローブ２０を高炉１０の側壁等の高温で使用する場合、前述した絶縁体２１の材料、電極２２の材料のうち、絶縁体２１としてアルミナ箔、導体からなる電極２２としてＭｏフィルムを採用するのが、耐熱性が良好なので好ましい。
一方、高炉１０の側壁と比較して低温で使用する場合、プローブ２０の絶縁体２１としてはポリイミドテープ、導体からなる電極２２としてＣｕフィルムを採用するのが安価でコスト的にも好ましい。
なお、絶縁体２１の厚さ寸法としては、例えば４００μｍのものを採用し、電極２２の厚さ寸法は、例えば１０μｍとすることができる。
また、プローブ２０は、絶縁体２１に対して導体金属を接着、蒸着、溶射等の手法によって形成することができるが、最も好ましいのは溶射である。
【００２４】
絶縁体２１の表裏面に形成されたそれぞれの電極２２は、電極セル２２１同士が対向するように配置され、隣接する電極セル２２１同士の間には、僅かな隙間が形成され、絶縁体２１の幅方向略中央の連結部２２２によって連絡している。
電極２２の端部に設けられた端子２３には、図３及び図４では略したが、プローブ２０の静電容量を測定するためのＬＣＲメータ等が接続される。
プローブ２０は、端子２３が設けられていない側の端部から損耗等により長さ寸法Ｌが減少するに伴って静電容量が変化し、この変化は端子２３に接続されたＬＣＲメータによって検出することができる。
【００２５】
次に、本参考形態による炉底側壁煉瓦１３の残存厚みの測定手順を具体的に説明する。
まず、図４において、端子２３側とは反対側の端部から長さ方向に電極セル２２１を切り取って、それぞれの長さにおける静電容量Ｃを予め測定しておく。この際、電極セル２２１間の隙間部分をはさみ等で順次切り取るのが好ましい。
具体的には、例えば、ＪＩＳ  Ｒ  １６６１に準拠したＬＣＲメータの一種であるケミカルインピーダンスメータ（日置電機株式会社製）を用いて、電極セル２２１の欠損数に応じた静電容量を測定すると、図５に示されるように、切り取りによる欠損セル数と電極セル２２１の数に応じた静電容量Ｃとの関係を与える検量線Ｇ１が得られることとなる。この欠損セル数は、プローブ２０の長さＬ方向の減少量として把握される。
【００２６】
次に、炉底側壁煉瓦１３の外周から内部に向かって孔１３１を穿設し、この孔１３１内に、検量線Ｇ１と同様の仕様のプローブ２０を挿入し、孔１３１の隙間部分にモルタル１３２を充填して硬化させ、高炉１０の内外の連通を遮断する。
炉底側壁煉瓦１３の複数箇所にこのようにプローブ２０を装着し、高炉１０を操業させると、前述した現象により、図６に示されるように、炉底側壁煉瓦１３の溶銑との接触面が徐々に損耗していく。この際、プローブ２０の内側端部は一瞬溶銑と接触し、一対の電極２２間は溶銑を介して短絡する。しかし、この後、プローブ２０は、溶銑の熱によって収縮するため、端部が炉底側壁煉瓦１３の接触面よりも内側に凹んだ状態となり、一対の電極２２間の電気的導通は遮断され、適切なコンデンサとして機能する。
【００２７】
このような炉底側壁煉瓦１３が損耗した状態において、前述したケミカルインピーダンスメータを端子２３に接続し、プローブ２０によって形成されるコンデンサの静電容量を測定し、図５に示される検量線Ｇ１に基づいて、欠損した電極セル２２１の数から炉底側壁煉瓦１３の残存厚みＬ（図６参照）を、前述した式（Ａ）を用いて算出することができることとなる。
なお、本参考形態においては、炉底側壁煉瓦１３に孔１３１を穿設して、孔１３１にプローブ２０を挿入していたが、これに限らず、例えば、炉底側壁煉瓦１３の加圧プレス成形に際して、プローブ２０を炉底側壁煉瓦１３の内部に埋設した状態で加圧プレス成形を行い、プローブ２０が埋設された炉底側壁煉瓦１３を、高炉１０の建設時に所定位置に組み込んでもよい。また、高炉１０の建設時に、炉底側壁煉瓦１３同士の境界部分、すなわち目地の部分にプローブ２０を配設し、目地モルタル中にプローブ２０を埋設してもよい。
【００２８】
〔第１実施形態〕
次に、本発明の第１実施形態について説明する。なお、以下の説明では、第１参考形態において既に説明した部材については同一符号を付してその説明を省略する。
前述した第１参考形態では、予め形成されたプローブ２０を炉底側壁煉瓦１３に穿設された孔１３１に挿入し、このプローブ２０によって形成されるコンデンサの静電容量を測定することにより、炉底側壁煉瓦１３の残存厚みの測定を行っていた。
これに対して、第１実施形態に係る測定方法では、図７に示されるように、高炉の建設時に、隣接する炉底側壁煉瓦１３の互いに対向する面のそれぞれに電極３１を形成し、一対の電極３１間を目地モルタル３２で充填することにより、コンデンサ３０を形成している点が相違する。
【００２９】
本実施形態では、高炉建設時、適宜の位置の炉底側壁煉瓦１３に電極３１を形成するが、具体的には、以下の手順でコンデンサ３０が形成される。
電極３１は、図８に示されるように、炉底側壁煉瓦１３の目地部に相当する端面に形成され、電極３１を形成する方法としては、例えば、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ等の金属を炉底側壁煉瓦１３の端面に溶射したり、蒸着したり、片面に金属薄膜が形成された合成樹脂製のフィルム等を炉底側壁煉瓦１３の端面に貼り付けたりする方法を採用することができる。なお、電極３１は、炉底側壁煉瓦１３の端面全部に形成する必要はなく、それぞれの電極３１が互いに対向配置されるような一部の位置に帯状に形成すればよい。
【００３０】
電極３１の形成が終了したら、炉底側壁煉瓦１３の外周側端部に端子線３３を設け、電極３１との電気的導通を確保した状態で高炉外部に端子線３３を引き出しておく。
電極３１の形成及び端子線３３の取付が終了したら、図９に示されるように、目地モルタル３２を一方の炉底側壁煉瓦１３の電極３１を覆うように塗り込み、双方の電極３１が対向するように、他方の炉底側壁煉瓦１３を接合する。
炉底側壁煉瓦１３の損耗による残存厚みを測定する際には、ＬＣＲメータを端子３３に接続して、静電容量Ｃ（Ｆ）を検出し、予め測定しておいた目地幅ｄ０（ｍ）、電極幅Ｗ（ｍ）、及び目地モルタル３２の誘電率ε（Ｆ／ｍ）に基づいて、残存厚みＬ＝Ｃ・ｄ０／ε／Ｗを算出する。
【００３１】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
前述した第１参考形態に係るプローブ２０は、電極２２が幅広の電極セル２２１と幅狭の連結部２２２が連続するように構成されていた。
これに対して第２実施形態に係るプローブ４０は、図１０に示されるように、絶縁体２１の表裏面に帯状に電極２２が形成されている点が相違する。
本実施形態におけるプローブでは、一方の電極２２の幅方向寸法Ｗ１が他方の電極２２の幅方向寸法Ｗ２よりも小さくなっている。これは、製造時の導通を防止するためである。
尚、本実施形態におけるプローブ４０の材質、形成方法、及び使用方法は第１参考形態と同様なので説明を省略する。
【００３３】
その他、本発明の実施の際の具体的な構造及び形状等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、内部の損耗状態を測定することが困難な隔壁等の残存厚みを高精度に測定するのに好適に用いることができ、とりわけ、高炉の炉底煉瓦、炉底側壁煉瓦の残存厚みを測定するのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態に係る高炉の構造を表す模式断面図。
【図２】本実施形態における炉底の構造を表す部分斜視図。
【図３】本参考形態における炉底側壁煉瓦にプローブを取り付けた状態を表す断面図。
【図４】本参考形態におけるプローブの構造を表す平面図。
【図５】本参考形態におけるプローブの電極セルの欠損数と静電容量の関係を表すグラフ。
【図６】本参考形態における炉底側壁煉瓦の損耗時におけるプローブの状態を表す断面図。
【図７】本発明の第１実施形態に係るコンデンサの構造を表す断面図。
【図８】本実施形態におけるコンデンサ形成の手順を説明するための模式図。
【図９】本実施形態におけるコンデンサ形成の手順を説明するための模式図。
【図１０】本発明の第２実施形態に係るプローブの構造を表す平面図。
【図１１】従来技術における損耗部材の残存厚みの測定方法を説明するための模式図。
【符号の説明】
【００３６】
１０…高炉、１１…鉄皮、１２…炉底煉瓦、１３…炉底側壁煉瓦（損耗部材）、１４…底盤、１５…羽口、１６…羽口前、２０…プローブ（残存厚み測定用プローブ）、２１…絶縁体、２２…電極、２３…端子、３０…コンデンサ、３１…電極、３２…目地モルタル（絶縁体材料）、３３…端子線、４０…プローブ、１０１…金属板、１３１…孔、１３２…モルタル、２２１…電極セル、２２２…連結部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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