特許 6476946 電極測長装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6476946

(24)【登録日】2019年2月15日

(45)【発行日】2019年3月6日

(54)【発明の名称】電極測長装置

(51)【国際特許分類】

   F27B 3/08 20060101AFI20190225BHJP

   F27D 11/08 20060101ALI20190225BHJP

   H05B 7/06 20060101ALI20190225BHJP

   G01B 7/04 20060101ALI20190225BHJP

【ＦＩ】

   F27B3/08

   F27D11/08 Z

   H05B7/06

   G01B7/04 101

【請求項の数】7

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-23951(P2015-23951)

(22)【出願日】2015年2月10日

(65)【公開番号】特開2016-148465(P2016-148465A)

(43)【公開日】2016年8月18日

【審査請求日】2017年12月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003713

【氏名又は名称】大同特殊鋼株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002158

【氏名又は名称】特許業務法人上野特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100095669

【弁理士】

【氏名又は名称】上野 登

(72)【発明者】

【氏名】冨田 規之

(72)【発明者】

【氏名】小川 正人

(72)【発明者】

【氏名】水谷 航太

【審査官】 静野 朋季

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−３１８２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１４３３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５２−１３２８６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２７Ｂ ３／００−３／２８

Ｆ２７Ｄ １１／０８

Ｇ０１Ｂ ７／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電極を把持する把持部と、
前記把持部を昇降させる昇降部と、
前記把持部の上下方向の位置を検知する把持位置検知部と、
上方に前記電極が侵入可能な開口を有し、底面に上方から力が印加されることで下降する容器と、前記容器の下降を検知する下降検知部と、を備え、前記電極の温度よりも高い融点を有する耐熱性粉粒体が前記容器内に充填された電極接触部と、
前記昇降部によって前記電極を基準位置から下降させ、前記下降検知部が前記容器の下降を検知するまでの、前記把持位置検知部によって検知された前記把持部の位置の変化量に基づいて、前記把持部の位置から下端までの前記電極の長さを検出する制御部と、を有することを特徴とする電極測長装置。

【請求項2】

前記耐熱性粉粒体は砂であることを特徴とする請求項１に記載の電極測長装置。

【請求項3】

前記下降検知部は、前記容器に前記電極が侵入する軸の周りの複数の位置に取り付け可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の電極測長装置。

【請求項4】

前記下降検知部は、リミットスイッチよりなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電極測長装置。

【請求項5】

前記容器は、下方に延びた案内面を一体に有し、前記容器を上方に付勢する付勢手段を介して、設置面の上方に支持されており、
前記設置面には、前記案内面と対向する立壁が立設され、
前記案内面と前記立壁のいずれか一方の面には、他方の面と対向する部位に、該他方の面と当接することで前記立壁に対する前記案内面の傾斜を規制する傾斜規制部が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電極測長装置。

【請求項6】

前記傾斜規制部は、前記立壁に沿わせて固定された、上下方向の断面が円形の棒状部材よりなり、前記棒状部材と前記案内面の間には、前記棒状部材の断面の直径よりも狭い間隙が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の電極測長装置。

【請求項7】

金属材料を収容した炉体を電極の軸に対して旋回可能で、前記電極を介して放電を起こすことで前記金属材料を溶融させる旋回式電気炉とともに設けられることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電極測長装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電極測長装置であり、さらに詳しくは、電気炉において金属材料の溶融に用いる電極の長さを計測することができる電極測長装置に関する。

【背景技術】

【0002】

アーク放電を利用して炉体に収容された金属材料を溶融させる電気炉においては、放電を重ねることで電極が消耗し、短くなってしまうが、金属材料と電極との間の距離を調整することが、金属材料の溶融の条件を制御するうえで重要である。そのためには、ある程度放電を継続した後に、電極の長さを計測することが求められる。

【0003】

電極測長装置としては、例えば特許文献１に電極長さの調整装置として開示されたものが公知である。特許文献１では、炉外に電極を受ける受台を装備すると共に、電極昇降装置の把持器の位置を検出するエンコーダ等の手段と、電極の下端が受台に接触したことを検出する光センサ、リミットスイッチ等の手段とを設けている。把持器でつかんだ電極を下降させ、下端が受台に接触すると、これを検知して把持器の下降が停止される。そして、この際の把持器の位置を検出する手段であるエンコーダのカウント数の変化に基づいて、把持器よりも下方における電極突出長さを演算するものである。この種の電極測長装置においては通常、受台は耐火物のブロック等の剛体よりなり、電極の下端が接触する面は、平坦面として形成されている（特許文献１中図１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平９−３１８２６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

図５（ａ）に示すように、放電を行う前の電極Ｅにおいては通常、先端Ｅ１が、電極Ｅの軸の周りに略対称な形状となるように、また平坦になるように、加工されている。しかし、電極Ｅを放電に用いた際に、先端Ｅ１が軸対称で平坦な形状を維持したまま消耗されるとは限らない。例えば、複数の電極を用いて放電を行う場合に、図５（ｂ）に示すように、他の電極と対向していた方向ｄ１側の部位で消耗が速く起こる一方、反対の方向ｄ２側の部位の消耗は遅く、先端Ｅ１が方向ｄ２側に偏って尖った形状となる場合がある。あるいは、放電中に電極Ｅが金属材料と衝突すること等で折損が生じることもあり、この場合にも先端Ｅ１が軸対称から逸脱した複雑な形状をとりうる。

【0006】

上記のように、特許文献１においては、電極の先端を接触させる受台が平坦な面よりなっており、図５（ａ）のように先端Ｅ１が軸対称で平坦な状態の電極Ｅを受台に接触させた場合には、電極Ｅの軸を中心にしたある程度広い領域が受台に接触し、接触が高感度に検出されやすい。しかし、図５（ｂ）のように先端Ｅ１が軸対称から逸脱し、しかも尖った複雑な形状を有する電極Ｅを受台に接触させた場合には、電極の軸の位置から外れた位置の狭い領域で受台に接触することになるので、電極Ｅの接触が検出されにくくなってしまう。その結果、電極Ｅの長さを安定に計測できない可能性がある。例えば、特許文献１に記載されるように、電極Ｅの接触を検知する手段が光センサよりなり、電極Ｅの先端Ｅ１が光を遮ったのを検出して電極Ｅの接触を検知する場合に、電極Ｅの先端Ｅ１が図５（ｂ）における方向ｄ２側の尖った部位で受台に接触したとしても、検出用の光が電極Ｅの方向ｄ１側の消耗が進んでいる部位を通り抜けて遮断されないという事態が起こり得る。あるいは、同じく特許文献１に記載されるように、電極Ｅの接触を検知する手段がリミットスイッチよりなり、スプリングで支持した受台にリミットスイッチを当接させておき、電極Ｅが受台に接触したときに受台が下がってリミットスイッチを付勢することによって接触が検知される場合に、図５（ｂ）における方向ｄ２側の先端Ｅ１が受台に接触したとしても、その尖った形状のために、受台を十分に押し下げられない可能性がある。また、その非対称な形状のために、受台の中心から方向ｄ２側に外れた位置に下向きの力を印加することになるので、受台が傾き、リミットスイッチが正しく作動されない可能性もある。

【0007】

本発明が解決しようとする課題は、電極の先端が複雑な形状を有する場合にも、電極の長さを安定に計測することができる電極測長装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明にかかる電極測長装置は、電極を把持する把持部と、前記把持部を昇降させる昇降部と、前記把持部の上下方向の位置を検知する把持位置検知部と、上方に前記電極が侵入可能な開口を有し、底面に上方から力が印加されることで下降する容器と、前記容器の下降を検知する下降検知部と、を備え、前記電極の温度よりも高い融点を有する耐熱性粉粒体が前記容器内に充填された電極接触部と、前記昇降部によって前記電極を基準位置から下降させ、前記下降検知部が前記容器の下降を検知するまでの、前記把持位置検知部によって検知された前記把持部の位置の変化量に基づいて、前記把持部の位置から下端までの前記電極の長さを検出する制御部と、を有することを要旨とする。

【0009】

ここで、前記耐熱性粉粒体としては、砂を挙げることができる。また、前記下降検知部は、前記容器に前記電極が侵入する軸の周りの複数の位置に取り付け可能であることが好ましい。そして、前記下降検知部としては、例えばリミットスイッチを挙げることができる。

【0010】

また、前記容器は、下方に延びた案内面を一体に有し、前記容器を上方に付勢する付勢手段を介して、設置面の上方に支持されており、前記設置面には、前記案内面と対向する立壁が立設され、前記案内面と前記立壁のいずれか一方の面には、他方の面と対向する部位に、該他方の面と当接することで前記立壁に対する前記案内面の傾斜を規制する傾斜規制部が設けられているとよい。この際、前記傾斜規制部は、前記立壁に沿わせて固定された、上下方向の断面が円形の棒状部材よりなり、前記棒状部材と前記案内面の間には、前記棒状部材の断面の直径よりも狭い間隙が設けられているとよい。

【0011】

上記のような電極測長装置は、金属材料を収容した炉体内に電極を介して放電を起こすことで前記金属材料を溶融させる電気炉、ないし金属材料を収容した炉体を電極の軸に対して旋回可能で、前記電極を介して放電を起こすことで前記金属材料を溶融させる旋回式電気炉とともに設けることができる。

【発明の効果】

【0012】

上記発明にかかる電極測長装置においては、容器の内部に粉粒体が充填されており、把持部に把持された電極が昇降部によって下降された際に、電極の先端が開口部から粉粒体の層に接触することになる。すると、電極先端から粉粒体に対して下方に力が加えられ、粉粒体がその力を容器の底面に伝達することで、容器が下降し、下降検知部によって検知される。粉粒体の存在により、電極先端から印加される力が空間的に分散されて容器の底面に伝達されるので、電極の先端が軸対称から逸脱した形状を有している場合にも、容器が安定に押し下げられ、粉粒体を有さない場合と比べ、容器の下降が検出されやすくなる。また、電極の先端が尖っている場合にも、先端部が粉粒体の層に陥入することで、電極の表面の広い面積から粉粒体に力が伝達され、十分に容器を下降させやすくなる。これらの結果、電極の先端の形状が複雑であっても、安定に電極の長さを計測することが可能となっている。また、粉粒体が、電極の温度よりも高い融点を有していることで、放電や通電を行った後に高温になった状態の電極に対しても、長さの測定を行うことができる。

【0013】

ここで、耐熱性粉粒体が砂である場合には、容器に緻密に充填できるうえ、非常な高温の状態にある電極と接触しても変性等を実質的に受けず、安定な電極長の測定に寄与する耐熱性粉粒体を、安価に利用することができる。

【0014】

また、下降検知部が、容器に電極が侵入する軸の周りの複数の位置に取り付け可能である場合には、電極の先端が軸対称から逸脱した形状を有するために、粉粒体を介してもなお、容器を不均一に下降させ、傾斜させてしまうことが起こった際に、相対的に下降しやすい位置に下降検知部を取り付けることにより、容器の下降を下降検知部によって高感度に検知することができる。

【0015】

また、容器が、下方に延びた案内面を一体に有し、容器を上方に付勢する付勢手段を介して、設置面の上方に支持されており、設置面に、案内面と対向する立壁が立設され、案内面と立壁のいずれか一方の面に、他方の面と対向する部位に、該他方の面と当接することで立壁に対する案内面の傾斜を規制する傾斜規制部が設けられている場合には、付勢手段が備えられていることで、粉粒体への電極の接触、嵌入によって容器が下降しても、電極が離れると容器が元位置に復帰し、電極長の測定を繰り返すことができる。そして、容器と一体になった案内面と設置面に固定された立壁の間に傾斜規制部材が設けられていることで、付勢手段を介して設置面に支持されている容器が昇降する際に傾斜しようとしても、その傾斜が規制され、容器のスムーズな昇降が補助される。これにより、一層安定に電極の長さを測定することができる。

【0016】

この際、傾斜規制部が、立壁に沿わせて固定された、上下方向の断面が円形の棒状部材よりなり、棒状部材と案内面の間に、棒状部材の断面の直径よりも狭い間隙が設けられている場合には、容器が傾斜しても、案内面と棒状部材が当接することで、それ以上の傾斜が規制されるので、簡素な構成で傾斜規制部を設けることができる。また、棒状部材が円形の断面を有していることで、棒状部材と案内面の当接があっても、容器の昇降運動が滑らかに案内される。一方で、案内面と棒状部材の間に間隙が設けられていることで、ある程度の容器の傾斜は許容されるので、容器に小程度の傾斜が生じた場合でも、電極の長さの計測を継続することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の一実施形態にかかる電極測長装置の概略を示す側面図である。

【図2】上記電極測長装置の電極接触部を示す部分断面図であり、（ａ）は電極が接触していない状態、（ｂ）は電極が接触している状態を示している。

【図3】電極接触部の下部の領域を示す拡大図である。

【図4】電極接触装置を３個設けた形態の上面図である。

【図5】電極の先端の形状を示す側面図であり、（ａ）は放電に使用する前、（ｂ）は放電に使用した後の状態を示している。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の一実施形態にかかる電極測長装置について、図面を参照しながら説明する。

【0019】

［電極測長装置の概略］
本発明の一実施形態にかかる電極測長装置１は、図１に示したような構成を有する。本電極測長装置１は、例えば、アーク放電によって金属材料を溶融させる電気炉の近傍に設置され、放電に使用する電極の長さを計測するのに用いられる。金属材料の溶融には、炭素電極等の電極が用いられるが、この種の電極は放電によって消耗され、短くなるので、放電条件を制御する観点から、所定時間の使用後にその長さを計測して消耗の程度を把握する必要がある。本電極測長装置１は、この電極の長さの計測を行うものである。電極測長装置１は、電極接触部１０を除き、特許文献１に開示される電極長さの調整装置と同様の構成を有する。以下に、その概要を簡単に説明する。

【0020】

図１に示すように、本電極測長装置１は、電極Ｅの接触を検知する電極接触部１０と、電極Ｅを把持する把持部３０と、把持部３０を介して電極Ｅの運動を駆動する駆動部２０と、それらを制御する制御部４０と、を有している。本電極測長装置１において、把持部３０によって、略円筒形で中実に形成された長尺の電極Ｅを把持し、その長さを計測する。

【0021】

把持部３０は、軸を上下方向に配置した電極Ｅを、外周方向から挟み込んで把持するクランプ状の部材である。把持部３０は、制御部４０によって制御されるシリンダ機構３１によって開閉されることで、電極Ｅを把持した状態と把持を解除した状態を切り替えることができる。把持部３０による把持を解除した状態においても、電極Ｅは、把持部３０との当接により、倒れない状態に保持される。

【0022】

駆動部２０は、上下運動を駆動する昇降部２２として、例えば油圧シリンダを有する。油圧シリンダの出力軸は、支柱２１ａに連結されている。そして、支柱２１ａと把持部３０の間が支腕２１ｂによって結合されている。これにより、昇降部２２によって上下運動を駆動すると、把持部３０および把持された電極Ｅが昇降される。昇降部２２の油圧シリンダには、リニアエンコーダよりなる把持位置検知部２４が設けられており、把持部３０の上下方向位置を検出する役割を果たす。リニアエンコーダは、読み取ったカウントを制御部４０に出力する。なお、ここでは、昇降部２２として油圧シリンダを用いる形態を示しているが、特許文献１に示されるように、動滑車を用いて昇降部２２を構築してもよい。また、把持位置検知部２４としてリニアエンコーダを用いているが、特許文献１に示されるように、光センサやリミットスイッチの配列等を用いてもよい。

【0023】

電極接触部１０の構成については、後に詳しく説明するが、把持部３０の直下に配置されており、電極Ｅが昇降部２２によって下降され、その先端（下端）Ｅ１が接触すると、接触を検出して制御部４０に信号を送る。制御部４０は、公知の演算装置よりなる。

【0024】

電極Ｅの長さを測定するに際し、制御部４０は、昇降部２２を制御して、電極Ｅの先端Ｅ１が電極接触部１０から十分に上方に離れた所定の基準位置から、把持部３０を下降させる。そして、電極Ｅの先端Ｅ１が電極接触部１０に接触すると、制御部４０にそのことを示す信号が入力され、制御部４０は昇降部２２による把持部３０の下降を停止する。そして制御部４０は、把持位置検知部２４のリニアエンコーダが出力したカウント数における基準位置からの変化量に基づいて、基準位置からの把持部３０の移動量を算出する。さらに、電極接触部１０が設置された設置面Ｐからの電極接触部１０の上面および基準位置の高さが既知であるので、それら既知の高さと算出した把持部３０の移動量に基づいて、把持部３０の位置から先端Ｅ１までの電極Ｅの長さ（首下長さ）を算出する。

【0025】

電極Ｅは、放電に使用すると消耗して短くなるので、上記のようにして計測された首下長さが、所定の基準長さよりも短くなっていれば、再度放電を行う前に、把持部３０で把持する位置を電極Ｅの上方に移動させ、首下長さを長くすることが望ましい。放電の条件は、炉内の金属材料と電極Ｅとの間の距離に大きく依存し、距離が遠すぎると放電が有効に起こらないからである。具体的には、制御部４０が算出した首下長さが基準長さよりも短くなっていれば、制御部４０は、電極Ｅの先端Ｅ１を電極接触部１０に接触させた状態のまま、把持部３０に連結されたシリンダ機構３１によって把持部３０を開状態としてから、昇降部２２によって電極Ｅに沿って把持部３０を上昇させる。昇降部２２が所望の距離だけ上昇すると、上昇を停止させ、シリンダ機構３１によって把持部３０を閉状態とする。把持部３０の上昇量の決定方法は、特許文献１に記載されているものを採用すればよい。

【0026】

［電極接触部の構成］
次に、電極接触部１０について詳細に説明する。電極接触部１０は、図２〜４に示されたような構成を有する。電極接触部１０は、ブロック状の耐火物１２と、耐火物１２の上方に一体に固定された金属製の容器１４とを有する。そして、この耐火物１２と容器１４の組合体が、上下方向に軸を向けて配置された付勢手段としてのコイルばね１６によって、設置面Ｐの上方に支持されている。

【0027】

容器１４は、有底の円筒状に形成されており、下降してきた電極Ｅの先端Ｅ１が侵入可能な開口を上方に有している。容器１４の内部には、砂１５が充填されている。コイルばね１６は、耐火物１２および砂１５を充填した容器１４を安定に支持できるように、例えば３本設けられている（図４参照）。さらに、設置面Ｐには、容器１４の下降を検知する下降検知部として、リミットスイッチ１８が固定されている。そして、容器１４の外側には、リミットスイッチ１８の上方に、ストライカ１８ａが固定されている。リミットスイッチ１８から出力された信号は、制御部４０に入力される。容器１４に上下方向の外力が印加されない状態においては、リミットスイッチ１８とストライカ１８ａは上下に離間しているが、外力によって容器１４を下降させることによって、リミットスイッチ１８にストライカ１８ａが接触され、制御部４０に向かって信号が出力される。

【0028】

設置面Ｐには、コイルばね１６が設置された領域を囲むように、略円筒形の立壁１７が立設されている。そして、容器１４には、側壁を下方に延出させて、案内面１４ａが設けられている。案内面１４ａは、設置面Ｐに固定された立壁１７より大径の略円筒状に形成されており、立壁１７の外側を囲むように立壁１７の面に対向して配置されている。設置面Ｐと案内面１４ａが対向している部位には、設置面Ｐと案内面１４ａの間に、傾斜規制部１９が配置されている。傾斜規制部１９は、断面略円形の棒状部材が略円環状に成形されたものである。傾斜規制部１９は、立壁１７の外径と略等しい円環内径を有し、円環の中心軸を上下方向に配置して立壁１７の外周に沿わせた状態で、溶接により立壁１７に固定されている。一方、容器１４が直立した状態において、傾斜規制部１９と案内面１４ａの間は接触しておらず、間に間隙Ｇを有している。

【0029】

図２（ｂ）に示すように、昇降部２２によって下降された電極Ｅの先端Ｅ１が容器１４内の砂１５が充填された領域に達すると、電極Ｅの先端Ｅ１が砂１５の層の表面に接触する。あるいは、さらに砂１５の層の中に陥入する。すると、砂１５の層に上方から下方に向かう力が印加され、その力が砂１５の層を介して容器１４の底面に伝達され、コイルばね１６を圧縮しながら容器１４が耐火物１２とともに下降する。すると、容器１４に固定されたストライカ１８ａが設置面Ｐに固定されたリミットスイッチ１８に接触し、そのことを示す信号が制御部４０に伝達される。これにより、制御部４０が、容器１４の下降、すなわち電極接触部１０への電極Ｅの接触を認識し、昇降部２２による電極Ｅの下降を停止させる。電極Ｅの首下長さを算出するための制御部４０におけるその後の演算については、上述のとおりである。容器１４がコイルばね１６によって上方に付勢されているので、再度電極Ｅが上昇されて砂１５の層の表面から離れると、コイルばね１６の圧縮が解消され、もとの図２（ａ）の状態に戻る。これにより、再度電極Ｅの首下長さを計測することが可能となる。

【0030】

金属材料の溶融を複数の電極Ｅからの放電で行う場合のように、複数の電極Ｅが同時に使用される場合も多いが、その場合には、電極Ｅと同数の電極接触部１０を設け、電極Ｅの配置に応じて、それらを配置すればよい。例えば図４では、３本の電極Ｅを用いる場合に対応した形態を上面図として示している。３つの電極接触部１０は、共通の設置面Ｐとなるベース５０に据え付けられている。

【0031】

リミットスイッチ１８は、１つの電極接触部１０に対して１つ設けるが、リミットスイッチ１８は、電極接触部１０の中心軸の周りの角度位置が異なる複数の位置に取り付け可能としておくことが好ましい。例えば、図４に示した例では、ベース５０上に、リミットスイッチ１８をねじ締結によって取り付けるための取付孔が、各電極接触部１０の外周を囲んで、１２０°ずつ離間させて、３組設けられている（５１ａ〜５１ｃ）。また、容器１４の外壁にも、ストライカ１８ａを取り付けるための取付片が、３個設けられている（５２ａ〜５２ｃ）。これにより、電極Ｅが侵入する軸となる容器１４の中心軸の周りに設けられた３つの取付位置のうち、１つを選択してリミットスイッチ１８およびストライカ１８ａを取り付けることができる。

【0032】

本電極接触部１０は、上記のように、容器１４に充填した砂１５の層に電極Ｅの先端Ｅ１を接触または陥入させて、容器１４の下降を検出するようにしていることで、電極Ｅの先端Ｅ１が複雑な形状を有していても、安定に容器１４の下降、すなわち電極接触部１０への電極Ｅの接触を検出することができる。図５（ｂ）に示したように、放電に用いた電極Ｅの先端Ｅ１は、不均一な消耗や折損によって、軸対称から大きく逸脱した形状や、鋭く尖った形状をとりやすい。特許文献１に記載されるように、耐火物ブロックのような剛体に電極Ｅの先端Ｅ１を接触させ、その剛体の下降をリミットスイッチによって検出する場合には、その剛体に印加される下向きの力が不均一になることで剛体が傾く事態や、十分広い領域に力が印加されないことで剛体が十分な変位量で下降しない事態が起こり得る。これらの場合には、リミットスイッチが作動せず、剛体の下降、すなわち電極Ｅの接触を十分に検知できない場合がある。

【0033】

これに対し、本電極接触部１０においては、砂１５の層の表面に電極Ｅが接触して砂１５の層に力を印加するので、砂１５の粒状体としての性質により、その力が砂１５の層の中で空間的に分散されて容器１４の底面に印加され、容器１４を下降させる。そのため、図５（ｂ）のように、電極Ｅの中心から外れた部位が尖っており、砂１５の層の表面に不均一な力を印加したとしても、砂１５の層がその不均一性を緩和して、力を容器１４の底面の広い範囲に伝達する。これにより、傾きが小さい状態で、また大きな変位量で容器１４が下降されやすくなる。結果として、容器１４の下降、すなわち電極接触部１０への電極Ｅの接触の検出において、電極Ｅの先端Ｅ１の形状による検出／不検出の不確定性が小さくなり、電極Ｅの接触を安定に検出することができる。これにより、電極Ｅの首下長さの正確な計測が可能となっている。

【0034】

特に、電極Ｅの先端Ｅ１が砂１５の層の表面に接触するだけでなく、図５（ｂ）のように、砂１５の層の内部にまで陥入する場合には、砂１５が電極Ｅの先端Ｅ１を取り囲むので、電極Ｅの表面の広い領域から力を受けることになる。これにより、砂１５の層が電極Ｅから印加された力を一層効果的に分散させ、容器１４の底面に伝達するので、容器１４の下降が一層安定に検出される。

【0035】

さらに、上記のように、本電極測長装置１は、電極Ｅの首下長さを計測するだけでなく、その計測結果に基づいて、把持部３０による電極Ｅの把持位置を変更する掴み替え装置としての機能も果たすが、砂１５の存在により、この掴み替えも安定に行うことができる。掴み替えのために把持部３０を開状態として移動させる間、電極Ｅは把持部３０に固定されておらず、不安定な状態となる。しかし、この際に電極Ｅの先端Ｅ１が砂１５の層に接触、特に陥入していることで、安定に保持されるので、電極Ｅが略垂直に立った状態が維持されやすい。これにより、電極Ｅに沿った把持部３０の移動をスムーズに行うことができる。

【0036】

容器１４内に充填する物質としては、砂に限られず、測長時の電極Ｅの先端Ｅ１の温度よりも高い融点を有する無機材料よりなる粉粒体であればよい。アーク放電終了直後の炭素電極Ｅの場合、先端Ｅ１の温度は２０００℃程度になっている。電極Ｅの先端Ｅ１と接触する粉粒体は、この温度でも融解等の変性を起こさないことが求められる。このような材料としては、無機酸化物、炭化物、窒化物等を挙げることができる。砂は、上記のような高温でも非常に安定であり、また高密度に充填することができる。そして、安価に入手できるので、特に好適である。

【0037】

さらに、本電極接触部１０においては、図４に示すように、容器１４の下降を検知するリミットスイッチ１８を、複数の位置に取り付けることができるようになっている。そのため、容器１４の下降を検出しやすい部位を選択してリミットスイッチ１８を取り付けることで、検出の感度を高め、一層安定に電極Ｅの首下長さを計測することが可能となっている。具体的には、電極Ｅの不均一な消耗等により、先端Ｅ１の一部の部位（図５（ｂ）では方向ｄ２側）が他の部位よりも突出した状態となると、その突出した部位で電極接触部１０に接触し、下向きの力を印加することになるので、この突出した部位に対応する位置において容器１４が下に傾斜し、下降量が大きくなりやすい。上記のように、電極Ｅと接触する部位に砂１５を配置して電極Ｅから電極接触部１０に印加される力を分散させることで、容器１４が下降する際の傾きを抑制でき、下降量の不均一性を緩和することができるものの、完全にはそのような不均一性が排除できない可能性もある。しかし、容器１４の下降量が大きい部位に近接した取付位置を選択してリミットスイッチ１８を取り付ければ、容器１４全体の中で下降量が小さい部位があっても、高感度に容器１４の下降を検出することができる。

【0038】

電極Ｅの先端Ｅ１の形状や炉体との位置関係、複数の電極Ｅの相対配置等によって、電極Ｅのどの部位が消耗されやすいかは、ある程度一定している。例えば、３本の電極Ｅを三角形の頂点をなすように配置してアーク放電を行った場合に、各電極において、他の電極Ｅと対向している部位において（図５（ｂ）の方向ｄ１に対応）、アークの出力が大きくなるので、この部位が消耗されやすくなる。つまり、各電極Ｅがなす三角形の内側に向いた部位で電極Ｅが消耗されやすいのに対し、三角形の外側に向いた部位で電極Ｅが消耗されにくく、内側よりも外側が突出した状態となる。よって、図４に示しているように、三角形の頂点に配置された３つの電極接触部１０において、それぞれ三角形の外側に相当する取付位置（左上の電極接触部１０の場合、取付孔５１ｃおよび取付片５２ｃ）にリミットスイッチ１８およびストライカ１８ａを取り付けておけば、通常は最も高感度に容器１４の下降を検出することができる。しかし、放電時の電極Ｅの消耗の空間的なパターンは、１回ごとの操業における炉内の金属材料の不均一性等、様々な要因に起因して、測長を行うたびに変化する可能性がある。また、電極Ｅの折損が起こった場合には、全く異なる先端形状をとる場合もある。このような場合には、容器１４の下降量が比較的大きい取付位置を選択して、リミットスイッチ１８を取り付ければよい。

【0039】

さらに、本電極接触部１０においては、上記のような電極Ｅの形状の不均一性等に起因する容器１４の傾きを抑制する観点から、設置面Ｐに固定された立壁１７と容器１４に固定された案内面１４ａの間に、傾斜規制部１９が配置されている。容器１４は、コイルばね１６を介して設置面Ｐ上に支持されており、電極Ｅの先端形状の不均一性等に起因して容器１４の底面に不均一に力が印加されると、コイルばね１６の湾曲可能な範囲で容器１４が傾斜しようとするが、案内面１４ａが傾斜規制部１９に当接することで、容器１４の傾斜が所定の範囲内に制限される。このようにして、容器１４のまっすぐな下降が誘導される。さらに、傾斜規制部１９が断面略円形の滑らかな曲面を有していることで、案内面１４ａが当接した状態でも、容器１４の下降をスムーズに誘導することができる。

【0040】

容器１４の傾斜が全く許容されない場合には、容器１４の底面に不均一な力が印加された際に、リミットスイッチ１８を作動させられる位置まで容器１４が下降できない可能性や、案内面１４ａと立壁１７の間にいわゆるカジリが生じる可能性があり、かえって安定な電極長の計測を妨げてしまうことになるが、傾斜規制部１９と案内面１４ａの間に間隙Ｇが設けられているため、ある程度の容器１４の傾斜が許容され、容器１４の下降の安定な検出が促進される。間隙Ｇの幅は、許容される容器１４の傾斜の程度に応じて選択すればよいが、有効に容器１４の傾斜を規制する観点から、傾斜規制部１９を構成する棒材の略円形の断面の直径よりも狭いことが好ましい。間隙Ｇの幅を傾斜規制部１９の棒材の直径に対して１／６程度とする場合を、特に好適な例として挙げることができる。なお、ここでは傾斜規制部１９が立壁１７に固定されているが、案内面１４ａ側に固定し、立壁１７との間に間隙Ｇを設けるようにしてもよい。

【0041】

［電極測長装置と電気炉の併用］
上記のように、本発明の実施形態にかかる電極測長装置１は、アーク放電によって金属材料を溶融する電気炉に併設し、放電によって消耗される電極Ｅの測長および掴み替えを行うのに好適に用いることができる。また、放電の条件は、金属材料と電極Ｅの間の距離に大きく依存するので、金属材料の溶融の進行に伴って炉体に収容された未溶融の金属材料の体積が減少し、金属材料の上面の高さ位置が低くなった際に、昇降部２２を用いて、電極Ｅの位置を下降させるようにすればよい。そして、電気炉で金属材料を溶融させる操業を何度も繰り返す場合に、操業と操業の間の時間に、電極測長装置１を用いて電極Ｅの首下長さを計測し、その結果に応じて、電極Ｅの掴み替えや交換を行えばよい。

【0042】

本電極測長装置１においては、安定に電極Ｅの測長を行えるので、従来の電極測長装置を用いる場合よりも、電極Ｅの測長や掴み替えを、簡便に、また短時間で実行することができる。これにより、金属材料の溶融の効率化に寄与する。また、上記のように、金属材料の溶融に伴う体積変化に対応して、電極Ｅの高さを下げる制御を溶融工程の最中に行う場合に、本電極装置を用いて事前に電極Ｅの首下長さを高精度に計測しておくことで、電極Ｅの高さを正確に制御し、溶融の効率を高めることができる。

【0043】

ここで、電気炉は、複数の電極Ｅを有し、それら電極Ｅの軸に対して金属材料を収容した炉体を旋回させられる旋回式電気炉とすることができる。複数の電極Ｅを用いて金属材料を溶融させる場合に、各電極Ｅに近い部位では金属材料が溶融しやすいホットスポットが形成される一方、電極と電極の間の部位では金属材料が溶融しにくいコールドスポットが形成され、金属材料の溶融状態が電極Ｅの軸の周りに不均一に分布することになる（例えば特開２０１４−４０９６５号公報参照）。そこで、溶融の進行途中に炉体を電極Ｅの軸に対して旋回させて、電極Ｅと炉体の相対位置を変化させ、ホットスポットとコールドスポットの位置を入れ替えることで、溶融状態の不均一性を解消し、溶融の効率を高めることができる。このような旋回式電気炉と本電極測長装置１をともに用いることで、両者の与える効率性を利用し、金属材料の溶融と電極Ｅの首下長さの測定を交互に繰り返す操業工程全体を、高い効率で実行することができる。

【0044】

さらに、複数の電極Ｅを用いて金属材料を溶融させる場合に、炉体に投入する金属材料の塊の大きさの不均一性等に起因して、ある電極の周囲において、他の電極の周囲よりも金属材料の溶融が遅くなることがある。このような場合には、炉体を旋回させずに、その電極の周囲の金属材料を確実に溶融させた方がよい。金属材料と電極Ｅとの間の距離は、電極Ｅに流れる電流の大きさをモニターすることで見積もることができ、この種の電気炉においては通常、電極Ｅと金属材料の間の距離を一定に保つように、電流値に基づくフィードバック制御を行う。よって、ある電極の周囲の金属材料の溶融が他の電極の周囲よりも遅ければ、その電極の高さが他の電極より高くなる。このことは、把持位置検知部２４によって、把持部３０の高さとして検知される。そして、把持位置検知部２４からその情報を入力された制御部４０において、各電極間の高さの差が所定の基準より大きい間は炉体の旋回を行わないという判定を行うようにしておけばよい。この場合、炉体旋回の可否を判断するための指標として、把持位置検知部２４の読み取り値をもとに、各電極Ｅの高さ位置を正確に見積もる必要があるが、そのためには、同じ把持位置検知部２４を用いて各電極Ｅの首下長さを正確に知っておくことが重要である。この観点から、本電極測長装置１を用いて電極Ｅの首下長さを高精度に見積もっておくことで、旋回式電気炉において、炉体旋回の可否を的確に判定し、金属材料の溶融を高効率に進めることができる。

【0045】

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、容器１４の下降を検知する下降検知部として、上記ではリミットスイッチ１８を用いたが、容器１４の下降を検知できるものであればこれに限られず、設置面Ｐに光センサを設置し、下降する容器１４の一部を検知する形態とすることができる。

【符号の説明】

【0046】

１ 電極測長装置
１０ 電極接触部
１２ 耐火物
１４ 容器
１４ａ 案内面
１５ 砂（耐熱性粉体）
１６ コイルばね（付勢手段）
１７ 立壁
１８ リミットスイッチ（下降検知部）
１８ａ ストライカ
１９ 傾斜規制部
２０ 駆動部
２２ 昇降部（油圧シリンダ）
２４ 把持位置検知部（リニアエンコーダ）
３０ 把持部
４０ 制御部
５０ ベース
５１ａ〜５１ｃ 取付孔
５２ａ〜５２ｃ 取付片
Ｅ 電極
Ｅ１ 電極の先端
Ｇ 間隙
Ｐ 設置面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】