特開 2024-108088 高炉用出銑口の開孔システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024108088

(43)【公開日】2024-08-09

(54)【発明の名称】高炉用出銑口の開孔システム

(51)【国際特許分類】

   C21B 7/12 20060101AFI20240802BHJP

【ＦＩ】

C21B7/12 302

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023012376

(22)【出願日】2023-01-30

(71)【出願人】

【識別番号】594086152

【氏名又は名称】株式会社丸和技研

(71)【出願人】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000200091

【氏名又は名称】川惣電機工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】523033338

【氏名又は名称】株式会社キョクエイ

(74)【代理人】

【識別番号】100179165

【弁理士】

【氏名又は名称】宇都宮 将之

(72)【発明者】

【氏名】嘉屋 文康

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 誠

(72)【発明者】

【氏名】砂原 公平

(72)【発明者】

【氏名】熊岡 尚

(72)【発明者】

【氏名】中濱 和久

(72)【発明者】

【氏名】牛越 悟

【テーマコード（参考）】

4K015

【Ｆターム（参考）】

4K015DA01

(57)【要約】

【課題】
出銑口を削孔中の雰囲気温度やビット温度を測定しながら開孔することを可能とする開孔ビット及び開孔ロッド、これらを用いた出銑開孔機を提供することである。
【解決手段】
開孔ビットおよびパイプロッドからなり、
前記開孔ビット及びパイプロッドの内部に熱電対部を設けた高炉用出銑口の開孔システム。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

開孔ビットおよびパイプロッドからなり、
前記開孔ビット及びパイプロッドの内部に熱電対部を設けた高炉用出銑口の開孔システム。

【請求項2】

前記熱電対部はシース、スリーブ及び補助導線からなり、
当該熱電対部は少なくとも前記スリーブが熱電対保護部の内部に設けられ、
少なくとも１以上の弾性体を前記スリーブの周囲に設けて支持することを特徴とする請求項１に記載の高炉用出銑口の開孔システム。

【請求項3】

前記熱電対部はシース、スリーブ及び補助導線からなり、
当該熱電対部は少なくとも前記スリーブが熱電対保護部の内部に設けられ、
前記開孔ビットの先端面と前記シースの先端部の距離が３ｍｍから８ｍｍの厚みを有し、
少なくとも１以上の弾性体を前記スリーブの周囲に設けて支持することを特徴とする請求項２に記載の高炉用出銑口の開孔システム。

【請求項4】

前記熱電対部はシース、スリーブ及び補助導線からなり、
当該熱電対部は少なくとも前記スリーブが熱電対保護部の内部に設けられ、
前記熱電対保護部が、熱電対カバー、熱電対カバー蓋、熱電対カバー底、スリーブストッパー、第１の弾性体と第２の弾性体からなり、
熱電対カバーの先端側から、熱電対カバー蓋、第１の弾性体、スリーブストッパー第２の弾性体、熱電対カバー底の順で形成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の高炉用出銑口の開孔システム。

【請求項5】

前記熱電対カバーの後端部に前記第２の弾性体、前記スリーブストッパーの順にセットし、当該状態で前記補償導線を前記熱電対カバーの先端側の開口部より通し、前記スリーブの後端部を前記スリーブストッパーの位置に設け、前記第１の弾性体を熱電対カバーの内部にスリーブの周囲に設けて支持し、熱電対カバー蓋を熱電対カバーの先端部に設け、
前記第１の弾性体の長さが前記スリーブの長さより長いことを特徴とする請求項４に記載の高炉用出銑口の開孔システム。

【請求項6】

前記熱電対部はシース、スリーブ及び補助導線からなり、
当該熱電対部は少なくとも前記スリーブが熱電対保護部の内部に設けられ、
前記熱電対保護部が、熱電対カバー頭部、熱電対カバー端部、熱電対カバー蓋、熱電対カバー底、ばねスペーサー、第１の円錐形状の弾性体と第２の円錐形状の弾性体からなり、
前記熱電対カバーは熱電対カバー頭部と熱電対カバー端部から形成し、
前記熱電対カバーの先端側から、熱電対カバー蓋、第１の円錐形状の弾性体、ばねスペーサー、第２の弾性体、熱電対カバー底の順で形成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の高炉用出銑口の開孔システム。

【請求項7】

前記補助導線をパイプロッドの後端部よりパイプロッドの外に出して異形スリーブに設置した送信機を有する送信機ユニットに接続することを特徴とする請求項２に記載の高炉用出銑口の開孔システム。

【請求項8】

前記異形スリーブの上下に切り欠き部を設け、当該上下の切り欠き部に送信機固定板を載置して前記異形スリーブを上下で挟み込み上下の送信機固定板の間には送信機固定板スペーサーを設置して送信機固定ボルトで固定し、
前記送信機固定板の上部には異形スリーブと送信機固定板の間に緩衝ゴムを挟んで設置し、
前記送信機ユニットは送信機を送信機保護カバーによって保護し、
当該送信機保護カバーは送信機固定板に送信機固定ナットによって固定し、
当該送信機保護カバーと前記送信機の間には断熱材が形成されることを特徴とする、
請求項７に記載の高炉用出銑口の開孔システム。

【請求項9】

前記送信機ユニットが、熱電対部で測定したデータを無線によって送信できるシステムを有する請求項８に記載の高炉用出銑口の開孔システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、溶鉱炉の出銑のための開孔作業をしながら、削孔先端部の雰囲気温度、削孔作業中のビット温度や開孔瞬間の炉内の溶銑温度の測定を可能とする、開孔ビット及びパイプロッド、これらを用いた出銑口開孔システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

銑鉄を製造する高炉は、高温で鉄鉱石を溶かした溶鉄を取り出す出銑を行うために、一般的には炉下部に設けた出銑口を開孔する必要がある。溶鉄を排出していない際の出銑口は、不定形耐火物（マッド）で充填して封鎖しているためである。この出銑口の開孔作業は、開孔ビットをパイプロッドの先端に固定し、出銑口開孔機に装着した後、回転や打撃等により開孔する。この開孔作業の際に用いる開孔ビット及びパイプロッド、これらを用いた出銑口開孔システムは種々の形状のものが使用されており、出銑口の開孔方法も様々なものが提案されている。

【0003】

溶鉱炉の出銑口を開孔する方法としては、出銑口の不定形耐火物（マッド）を、出銑口開孔機の先端に取り付けられた開孔ビットを旋回させることにより掘削する方法が知られている。この様な開孔方法は一般的ではあるが、開孔ビットの温度が上がることにより当該開孔ビットが消耗することがあり不定形耐火物（マッド）を掘削することが困難となる課題がある。

【0004】

この様な課題を解決するため、開孔ビットを冷却することにより開孔作業を改善することを目的とする技術が開示されている。例えば、開孔ビットと開孔ビットを取り付けるためのパイプロッド内部に高圧水を通過させて冷却し、ビットの先端から水（液状、ミスト状等も含む、以下同じ）を噴出して砕削屑を除去する方法が知られている（特許文献１）

【0005】

また、出銑口を開孔するに当り錐内部を流通するブロー気体に水を添加するとともに、穿孔途中で添加する水の量を増加することにより、ビットの損耗量が抑制され、開孔速度が速くなり、開孔時間の短縮ができるようにする。また、横孔による溶銑滓の滲み出しも大量のミストにより凝固させてそのまま堀り進むことができるようにし、横孔発生比率も低減させる方法が知られている（特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平９－１３１１３号公報

【特許文献2】特開２００１－２７１１０６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、上記特許文献１に開示された技術では、添加する水の量を増加しすぎると出銑口の深度の浅い部位を掘削している間出銑口内で水が十分蒸発せずに、樋へ流出して樋内に水たまりが生じるため、出銑口開口後に流出する溶銑滓が突沸するという危険があった。また、そのために、添加する水の量を抑制しておくと出銑口深度の深い部位において錐やビットの冷却効果があまりなく、ビットの損耗などによる掘削能力の低下が生じて開口に時間が掛かる。またこの場合、無理に錐を推進させながら開口することとなるため、出銑口内部の壊れや横穴の発生を十分に抑え切れないといった課題があった。

【0008】

また、上記特許文献２に開示された技術は、錐内部を流通するブロー気体に水を添加するとともに、開口途中で添加する水の量を増加させるが、このような開口途中の出銑口内の熱的状況は出銑口深さ、掘削時の硬さ、マッドの焼成状況、横穴状況、或いは銑滓の温度、液物性、炉床部湯流れ状況により都度変化するため、水量を増加させる深さを誤ると、炉内に大量の水を入れることになり、炉冷えを誘発することになりかねないといった課題があった。

【0009】

上述の通り、溶鉱炉の出銑口を開孔する技術として冷却することを主眼にした開孔方法は開示されているが、出銑口を削孔中の雰囲気温度やビット温度を測定しながら開孔する方法は開示されていない。このようなことができる開孔ビット及び開孔ロッド、これらを用いた出銑口開孔システムは開示されていない。

【0010】

そこで、本発明の主たる課題は、出銑口を削孔中の雰囲気温度やビット温度を測定しながら開孔することを可能とする開孔ビット及びパイプロッド、これらを用いた出銑口開孔システムを提供することである。出銑口を削孔中の雰囲気温度やビット温度を測定しながら開孔することにより、出銑口内の熱的状況が迅速に把握することができ、冷却条件や掘削条件の調整に反映することが可能となる。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、以下の（１）～（９）に関する。
（１）開孔ビットおよびパイプロッドからなり、前記開孔ビット及びパイプロッドの内部に熱電対部を設けた高炉用出銑口の開孔システム。
（２）前記熱電対部はシース、スリーブ及び補助導線からなり、当該熱電対部は少なくとも前記スリーブが熱電対保護部の内部に設けられ、少なくとも１以上の弾性体を前記スリーブの周囲に設けて支持することを特徴とする前記（１）に記載の高炉用出銑口の開孔システム。
（３）前記熱電対部はシース、スリーブ及び補助導線からなり、当該熱電対部は少なくとも前記スリーブが熱電対保護部の内部に設けられ、前記開孔ビットの先端面と前記シースの先端部の距離が３ｍｍから８ｍｍの厚みを有し、少なくとも１以上の弾性体を前記スリーブの周囲に設けて支持することを特徴とする前記（２）に記載の高炉用出銑口の開孔システム。
（４）前記熱電対部はシース、スリーブ及び補助導線からなり、当該熱電対部は少なくとも前記スリーブが熱電対保護部の内部に設けられ、前記熱電対保護部が、熱電対カバー、熱電対カバー蓋、熱電対カバー底、スリーブストッパー、第１の弾性体と第２の弾性体からなり、
熱電対カバーの先端側から、熱電対カバー蓋、第１の弾性体、スリーブストッパー第２の弾性体、熱電対カバー底の順で形成されることを特徴とする前記（２）又は（３）に記載の高炉用出銑口の開孔システム。
（５）前記熱電対カバーの後端部に前記第２の弾性体、前記スリーブストッパーの順にセットし、当該状態で前記補償導線を前記熱電対カバーの先端側の開口部より通し、前記スリーブの後端部を前記スリーブストッパーの位置に設け、前記第１の弾性体を熱電対カバーの内部にスリーブの周囲に設けて支持し、熱電対カバー蓋を熱電対カバーの先端部に設け、
前記第１の弾性体の長さが前記スリーブの長さより長いことを特徴とする前記（４）に記載の高炉用出銑口の開孔システム。
（６）前記熱電対部はシース、スリーブ及び補助導線からなり、当該熱電対部は少なくとも前記スリーブが熱電対保護部の内部に設けられ、前記熱電対保護部が、熱電対カバー頭部、熱電対カバー端部、熱電対カバー蓋、熱電対カバー底、ばねスペーサー、第１の円錐形状の弾性体と第２の円錐形状の弾性体からなり、前記熱電対カバーは熱電対カバー頭部と熱電対カバー端部から形成し、前記熱電対カバーの先端側から、熱電対カバー蓋、第１の円錐形状の弾性体、ばねスペーサー、第２の弾性体、熱電対カバー底の順で形成されることを特徴とする前記（２）又は（３）に記載の高炉用出銑口の開孔システム。
（７）前記補助導線をパイプロッドの後端部よりパイプロッドの外に出して異形スリーブに設置した送信機を有する送信機ユニットに接続することを特徴とする前記（２）に記載の高炉用出銑口の開孔システム。
（８）前記異形スリーブの上下に切り欠き部を設け、当該上下の切り欠き部に送信機固定板を載置して前記異形スリーブを上下で挟み込み上下の送信機固定板の間には送信機固定板スペーサーを設置して送信機固定ボルトで固定し、前記送信機固定板の上部には異形スリーブと送信機固定板の間に緩衝ゴムを挟んで設置し、前記送信機ユニットは送信機を送信機保護カバーによって保護し、当該送信機保護カバーは送信機固定板に送信機固定ナットによって固定し、当該送信機保護カバーと前記送信機の間には断熱材が形成されることを特徴とする、前記（７）に記載の高炉用出銑口の開孔システム。
（９）前記送信機ユニットが、熱電対部で測定したデータを無線によって送信できるシステムを有する前記（８）に記載の高炉用出銑口の開孔システム。

【発明の効果】

【0012】

本発明の実施形態によれば、削孔途中の開孔ビットや先端部の雰囲気温度データを取得することが可能となり、削孔時に開孔ビットが高温とならないための対策であるミスト量等の温度依存に対する定量的な評価が可能となる。また、開孔直後の溶鉱炉内の溶銑温度を測定することが可能となり、以下に示すような溶鉱炉の各種操業管理に効果的な温度データを取得することが可能になる。これにより、きめ細かな炉熱管理と迅速な炉熱調整アクションの判断や、長時間休風立ち上げ時の開孔判断が容易となる。さらに、開口中のミスト供給によるビット冷却の温度を制御するため、ミスト量だけでなく、前進速度の低下による温度上昇抑制などの開口速度の調整や、出銑孔内の横穴（マッドの焼成状況、または炉内溶銑滓流れ状況による局所定な熱負荷等による溶銑滓の出銑口内へのモレ）が生じたとき、或いはその前兆をビット温度で捉えた場合の開口速度の調整にも有効的である。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態の出銑開孔システムの概要図である。

【図2】本発明の実施形態で用いたパイプロッド先端部の加工状況と熱電対保護部の設置方法を示す図である。

【図3】本発明の実施形態で用いた熱電対部を示す図である。

【図4】本発明の実施形態で用いた熱電対保護部を示す図である。

【図5】本発明の実施形態で用いた熱電対保護部に熱電対部を取り付ける方法と取り付けた状態を示す図である。

【図6】本発明の実施形態で用いた出銑開孔機の先端部の熱電対部と開孔ビットとパイプロッドの取付状態を示す図である。

【図7】本発明の実施形態の熱電対部と開孔ビットとパイプロッドを有する出銑開孔機を用いて打撃による開孔作業を行った際の熱電対部３及び熱電対カバー１１内部の状態を示す図である。

【図8】本発明の実施形態の出銑開孔システムにかかる送信機の取り付け状態を示す図である。

【図9】本発明の第２の本実施形態の出銑開孔機の先端部の熱電対部と開孔ビットとパイプロッドの取付状態を示す図である。

【図10】本発明の第２の本実施形態で用いた熱電対保護部を構成する部品を示す図である。

【図11】本発明の第２の本実施形態で用いたパイプロッドに熱電対保護部と熱電対部を取り付ける方法と取り付けた状態を示す図である。

【図12】本発明の第２の本実施形態で用いた熱電対保護部の詳細図を示す図である。

【図13】本発明の第１の本実施形態によるビット測温結果を示す図である。

【発明を実施するための最良の形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態について図面を参酌して説明する。図１の（ａ）（ｂ）は本実施形態で使用した出銑口開孔機を示すものである。図１（ａ）はシャンクロッドがオスねじタイプ、図１（ｂ）はシャンクロッドがメスねじタイプのものを示す。図１においては、シャンクロッドがオスねじタイプとメスねじタイプの２つを示したが、いずれの場合でも本発明を実施することができるものであり、特に断りがない限り本実施形態ではシャンクロッドがオスねじタイプであるものを使用したものである。図１において、１は開孔ビット、２はパイプロッド、３は熱電対部、４は補償導線、５は送信機、６はシャンクロッド、７は異形スリーブ、８はジョイントアダプター、７０は送信機ユニット、８０はねじ部を示す。

【0015】

図１では出銑開孔機の部品であるシャンクロッド６に、異形スリーブ７を介してパイプロッド２をねじ部８０で締結し、パイプロッド２の先端部に開孔ビット１をねじ部８０で締結した状態を示す。パイプロッド２の先端部に熱電対部３を設置し、パイプロッド２内に補償導線４を通してパイプロッド２の後端部（もしくは補助導線取り出し口を設けた場所）より当該補償導線４をパイプロッド２の外部に引き出し、異形スリーブ７に設置した送信機ユニット７０（内部に送信機５を備える。）に補償導線４を接続して、送信機５から無線で図示しない受信機に熱電対部３で測定した温度データを送信する。当該熱電対部３は温度測定部となる。当該接続方法については図１（ａ）のシャンクロッドオスねじタイプのものを説明したが、図１（ｂ）のシャンクロッドメスねじタイプのものに関しては、ジョイントアダプター８を介してパイプロッド２をねじ部８０で締結してもよい。この場合、図１（ｂ）に示すようにジョイントアダプター８に送信機ユニット７０を固定する。本実施形態では、送信周期が１００~３００ｍｓｅｃの小型送信機を使用したが特に限定されるものではなく、熱電対部３で測定した温度データを送信できるものであれば問題なく使用できる。送信機ユニット７０の取付方法の一例については図８を用いて後述するが、送信機ユニットはパイプロッド２に取付けてもよく、送信機の取付場所は限定するものではない。
補償導線４を送信機５に接続する方法は、上記に示した方法ではなく、例えば、パイプロッド２と異形スリーブ７またはジョイントアダプター８との接触部でデータの通信をし、異形スリーブ７またはジョイントアダプター８の内部を通して、外部に設置されている送信機と接続してもよい。また、回転体内部に配置された熱電対からデータを取り出すために、本実施では送信機を使用しているが、送信機を使用しなくても、回転運動をするシャンクロッド６と削岩機本体の間を、スリップリングを用いて測温データの通信ができる構造を構築すれば、特に方法等は限定されるものではない。

【0016】

図２は本発明の実施形態で用いた出銑開孔機の先端部の詳細図を示す。図２（ａ）において、１は開孔ビット、２はパイプロッド、３は熱電対部、４は補償導線、１８は第１のばね、１９は第２のばね、９０は熱電対保護部を示し、熱電対保護部９０と熱電対部３からなるユニットをパイプロッド２の中空部に取付け、パイプロッド２の先端に開孔ビット１をねじ部８０で締結した状態を示す。図２（ｂ）は開孔ビット１、図２（ｃ）はパイプロッド２の先端部の加工要領、図２（ｄ）はパイプロッド２の先端部に、熱電対保護部９０と熱電対部３からなるユニットを取り付けた状態を示す。図２（ｂ）は、開孔ビット１を示しており、シース差込穴２０を設けている。図２（ｃ）はパイプロッド２の先端部に熱電対保護部９０を取り付けるための加工要領である。パイロッドの内径はｄであるが、熱電対保護部９０が中心に収まるように、パイプロッド中空部をｄ１とｄ２の内径に加工を施す。ｄ１は熱電対カバー１１の外径より０．３ｍｍ程度大きくなるように加工し、ｄ２は熱電対カバー蓋１２の外径より０．５ｍｍ程度大きく加工を施す。この状態のパイプロッド２の中空部に先端側（出銑口側）から補償導線４を入れ込むように挿入していき、図２（ｄ）に示す通り最終的に熱電対カバー蓋１２の最先端側で止まるまで差し込むことによりパイプロッド２に取り付ける。この状態にシース差込穴２０を設置した開孔ビット１をねじ部８０で締結した状態が図２（ａ）となる。なお、本実施形態で使用した開孔ビット１は６０～８０ｍｍ程度の径を有する仕様で、パイプロッド２の径はφ３５~４５ｍｍ程度のものである。本実施形態で使用する開孔ビット１は図２に示すように開孔ビット及びその周辺温度の測定用の熱電対部３のシース９を差し込むためのシース差込穴２０をパイプロッド２の中心軸の略延長線上になるように形成した。
当該シース差込穴２０の形状は特に限定されるものではないが、シース先端部と開孔ビットの先端面（チップが取り付けられる面）との距離Ｘは、３ｍｍ～８ｍｍ程度の厚みを設けるようにすることが好ましい。３ｍｍ以下ではビット前面が摩耗して、シース差込穴２０まで摩耗が達し、ビット前面に穴が開いてしまう可能性が高くなる。８ｍｍ以上では開孔ビット前面との温度差が大きくなり、正確な開孔時の温度が測定できないことが発生する場合がある。これは数値計算による非定常熱伝導解析結果による。数値計算では、開孔ビット１の温度は２０℃とし、開孔ビット１の前面表面が２００℃とした時の開孔ビット１の温度変化を求めた。温度測定個所は、開孔ビット１の回転中心上とし、開孔ビット前面表面から、３ｍｍ、５ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍとした。計算結果を表１に示す。この表より、開孔ビット前面表面が２００℃となって５秒後の各温度は、３ｍｍで１５９℃、５ｍｍで１３４℃、８ｍｍで１０５℃、１０ｍｍで８２℃となり、３０秒後の各温度は、３ｍｍで１８１℃、５ｍｍで１６９℃、８ｍｍで１５４℃、１０ｍｍで１４０℃となった。これらの結果より、５秒後の１０ｍｍの位置では、温度が１００℃以下になってしまうことから、より先端に近い位置とし、最大でも８ｍｍ程度にした方がよい。
また、シース差込穴２０の径はシースの種類に応じて対応可能であるが、好ましくは使用するシースの直径（幅）よりも約０．５ｍｍ程度大きいことが好ましい。それより小さいと差し込む際にシースが損傷する可能性があり、それ以上だと開孔作業時にシースが振動することによって損傷するだけでなく測定の誤差等が発生する可能性があるためである。なお、本実施形態ではシース差込穴２０をパイプロッド２の中心軸の略延長線上になるように形成したが特にそれに限定されるものではなく、溶鉱炉の出銑口の状態や温度測定の条件などに応じてシース９の先端部が開孔ビット１の片方側に傾くようにシース差込穴２０を設けても良い。なお、本実施形態ではばねを使用したが、その他の弾性体であっても、本発明に使用することができる。

【0017】

【表1】

【0018】

図３（ａ）は本実施形態で用いた熱電対部３を示す図である。熱電対部３は、シース９、スリーブ１０、補償導線４からなる。熱電対部３は特に限定されるものではなく市販のものを使用可能であるが、溶鉱炉の出銑口の溶銑温度を測定する場合は、１５００℃程度に対応できるＲシースを使用し、開孔作業中のビット温度や先端部の雰囲気温度を測定したい場合は、９００℃程度に対応できるＫシースを使用することが好ましい。シース９と補償導線４をつなぐスリーブ１０は耐熱温度が２００℃程度であることから、溶銑温度を測定する場合は、スリーブ１０は溶銑の温度に耐えられない。そのため、スリーブ１０に溶銑がかかる時間を少しでも遅らせるために、シース９の長さは極力長くした方が好ましい。本実施例ではビットの削孔時の温度測定を目的としており、シース９は溶銑がかかる前の温度測定が目的であることから、シース９として７０ｍｍのＫシースを用いたが、シース９の長さはこれに限定するものではなく、図３（ｂ）のように、シース９を長くして、補償導線４を短くしてもよい。この場合はシース９に シースストッパー３８と設置する。前述の通り、シース９は開孔ビット１のシース差込穴２０に差し込むものであり、補償導線４は中空のパイプロッド２の中に通すものである。本実施形態では、シース９は絶縁材料として酸化マグネシウムを使用し、耐熱性を考慮してインコネルケースを被膜材としたが、被膜材の材質はこれに限定するわけではない。パイプロッド２の内部はミストが流れていることから、スリーブ１０の端部から水・ガスの侵入防止のために、スリーブ１０と補償導線４の接続部は、熱収縮チューブ２１を施していが、熱収縮チューブ２１を施す必要がない場合もあるため必須のものではない。スリーブ１０の内部は通常、エポキシやセメントを使用するが、開孔機の衝撃等を考慮して、エポキシ樹脂を使用することが望ましい。

【0019】

図４は本発明の実施形態で用いた熱電対保護部９０を示す図である。本実施形態では、熱電対部３をパイプロッド２の中空部に設置するが、パイプロッド２は開孔時には回転と打撃によって振動するため熱電対部３がパイプロッド内部で振動して破損する恐れや補償導線４のよれや断線の可能性があり、熱電対部３をパイプロッド内径の中心部に固定して設置する必要がある。また、開孔時はパイプロッド２の内部にエアやミストを通す必要があるため、これらを阻害しないように考慮した熱電対固定方法を考慮する必要がある。図２（ａ）に示す熱電対部３の固定方法は、図４に示す熱電対保護部９０を用いることにより実施した。熱電対保護部９０は、熱電対部３の設置の簡略化等も考慮して、熱電対カバー１１を設け、その中に熱電対部３のスリーブ１０を固定するために、スリーブストッパー１４やばね（第１のばね１８及び第２のばね１９）を使用した構造とする。熱電対カバー１１は略円筒状の部材でありステンレスを素材とするもので、熱電対カバー１１の外径はパイプロッド２の先端加工部にしっかりと収まるようにパイプロッド２の加工部の内径ｄ１より０．３ｍｍ程度小さくする。熱電対カバー１１の内部にはスリーブストッパー１４を２つのばねで挟むように設置し、開孔時の振動や衝撃を調節する機能を持たせる。スリーブストッパー１４は略円形状の部材であり、ステンレスを素材とするもので、スリーブストッパー１４の外径は熱電対カバー１１の中空部にしっかりと収まるように熱電対カバー１１の内径より０．２ｍｍ程度小さくする。さらに、スリーブストッパー１４の中央部には補償導線４を支持するための補償導線支持穴１７を有する。

【0020】

また、図２及び図４に示す通り、熱電対カバー１１の先端側はシース９を支持する熱電対カバー蓋１２、他方端側は補償導線４を支持する熱電対カバー底１３を設けることにより両端部が蓋をされた状態となる。熱電対カバー蓋１２は略円筒状の部材であり、ステンレスを素材とするもので、中央部に略円形のシース支持穴を設けて装着時にシース９が振動等でぶれないように支持する。また、熱電対カバー蓋１２と熱電対カバー１１とは先端側でねじ部８０により締結される。熱電対カバー底１３は略円形状の部材であり、ステンレスを素材とするもので、中央部に略円形の補償導線支持穴１７を設けて装着時に補償導線４が振動等でぶれないように支持する。また、熱電対カバー底１３は熱電対カバー１１の後端側で溶接によって取り付ける。熱電対カバー底１３の外径は、熱電対カバー１１の外径と同じ大きさで形成する。これらの熱電対カバー蓋１２、熱電対カバー底１３、スリーブストッパー１４は、エアやミストを通すために、図４に示すようにエア穴１５を設けて開口した構造とした。エア穴１５の形状は特に限定するものではないが、シース支持穴１６、補助導線支持穴１７の外周に略扇形状となるように３箇所設けた。この様なエア穴１５の形状とすることにより、開口面積を確保することが可能となり、シース支持穴１６、補償導線支持穴１７を設置しながら、強度を得られる構造になっているが、この形状に限定されるものではない。また、熱電対カバー蓋１２、熱電対カバー底１３、スリーブストッパー１４の厚みは、設置スペースに限りがあることと、部材自体の強度を最低限確保するために、５ｍｍ程度が好ましい。

【0021】

図５は本発明の実施形態で用いた熱電対保護部９０に熱電対部３を取り付ける手順と、取り付けた状態を示す図である。図５（ａ）は熱電対カバー１１の中に、第２のばね１９、スリーブストッパー１４の順にセットしておき、この状態で補償導線４を熱電対カバー１１の先端側の開口部より通していく。図５（ｂ）のように、スリーブ１０がスリーブストッパー１４の位置まで来たら、第１のばね１８を熱電対カバー１１内にセットし、熱電対カバー蓋１２を熱電対カバー１１にねじ部８０によって設置して、図５（ｃ）のように、熱電対カバー内に熱電対を固定する。本実施形態で使用したばねは略円筒形状をしており、最外径は熱電対カバー１１の内径より少し小さい程度のものを用いた。

【0022】

図６において、本実施形態で熱電対部３と開孔ビット１との取り付け状態及び開孔作業時の状態に関する説明を行う。本実施形態ではシース９の先端部で温度を測定することから、温度測定時にはシース９の先端は常に開孔ビット１に接している必要がある。そのため、図６（ｂ）に示すように、開孔ビット１をパイプロッド２に螺合した際、開孔ビット１のシース差込穴２０の長さと、シース９の長さの関係から、熱電対部３がδ分だけ後端側に押されることになる。この際、第２のばね１９が縮むことでばね反力が発生し、シース９の先端を開孔ビット１に接触させることになる。図６（ａ）に示す初期の設置状態は、第１のばね１８と第２のばね１９は、自由長よりも若干縮んだ状態で設置され、スリーブストッパー１４を挟んで力が釣り合っている状態とする。本実施形態は、開孔作業中のビット温度を測定することが目的であることから、温度測定時には開孔ビット１とパイプロッド２の全体に回転と打撃が作用する。回転による影響を受けないように、熱電対保護部９０によって、熱電対部３をパイプロッド２の中心（回転中心）に設置するようにしている。パイプロッド２の回転中心軸と、熱電対部３の中心軸がずれた場合、パイプロッド２の回転時に熱電対部３は偏芯した状態で回転することにより、熱電対部３に遠心力が働くようになり、これにより熱電対部３が破損する恐れがある。打撃に関しては、打撃による振動で熱電対部３が左右に振動する可能性があり、この衝撃等の影響により熱電対部３が破損する可能性がある。第２のばね１９のばね定数は、熱電対部３の振動による慣性力よりもばねの反力が大きくなるように設定するため、パイプロッド２が打撃によって左右に振動しても、熱電対部３は常に開孔ビット１に接触した状態で同期していく。また第１のばね１８は、スリーブストッパー１４に力を作用させることによって、振動時に熱電対部３にかかる力を緩和させる作用がある。

【0023】

図７は熱電対部３、熱電対保護部９０と各種ばねの詳細を示し、ばねの効果について説明する。図７（ａ）は、熱電対保護部９０の概略図である。先端側のばねを第１のばね1８、後端側のばねを第２のばね１９とし、第１のばね１８と第２のばね１９の間にはスリーブストッパー１４を設置する。熱電対保護部９０の内部寸法をＬ、スリーブストッパー１４の厚みをｔ、第１のばね１８が入る長さをＬ１、第２のばね１９が入る長さをＬ２とする。第１のばね１８と第２のばね１９の自由長は、それぞれＬ１、Ｌ２より長いものとする。
図７（ｂ）はパイプロッド２に開孔ビット１をねじ締結した静止状態を示す。開孔ビット１に設けたシース差込穴２０と、シース９の長さとの関係で、開孔ビット１をパイプロッド２にねじ締結することで、熱電対部３はδだけ右側に移動する。これにより、第１のばね１８はδだけ伸び、第２のばね１９はさらにδだけ縮むことになる。第１のばね1８がスリーブストッパー１４を押さえる力をＦ１、第２のばね１９がスリーブストッパー１４を押さえる力をＦ２とすると、静止時のシース９先端部にかかる力Ｆは、Ｆ＝Ｆ２―Ｆ１となる。
開孔作業時は打撃によって、開孔ビット１、パイプロッド２が左右に振動することになるが、右側（後端側）に振動した時は、図７（ｃ）に示すように、熱電対部３の質量によって発生する慣性力をＦｂとすると、シース９の先端部にかかる力Ｆは、Ｆ＝Ｆ２―Ｆ１―Ｆｂとなり、Ｆ＞０となるように第１のばね1８と第２のばね１９を設定することで、シール９の先端は開孔ビット１に常に接触していることになる。
次に左側（先端側）に振動した時は、図７（ｄ）に示すように、熱電対部３の質量によって発生する慣性力をＦｆとすると、シース９の先端部にかかる力はＦ＝Ｆ２―Ｆ１＋Ｆｆとなり、Ｆ＞０となるように第１のばね1８と第２のばね１９を設定することで、シール９の先端は開孔ビット１に常に接触していることになる。

【0024】

ばねの作用について、一例を持って説明する。まず、出銑口開孔機の打撃数は、毎分３０００回程度であることから毎秒５０回程度となり、開孔ビット１、パイプロッド２は５０Ｈｚの周波数で振動していることになる。また出銑口開孔機の振幅は３０ｍｍ程度であることから、次式より開孔機打撃時の加速度を算出すると１４８０ｍ/ｓ^２となる。
加速度 ａ＝（Ｂ／２×１０^-3）／（２πｆ）²
ここに、ａ：加速度（ｍ/ｓ²）、Ｂ：全振幅（ｍｍ）、ｆ：周波数（Ｈｚ）
熱電対部３の質量は１０ｇ程度であることから、開孔機打撃時に熱電対部３が振動することで発生する慣性力Ｆａは、次式のとおりとなる。
慣性力 Ｆａ＝ｍ×ａ＝１０×１０^-3×１４８０＝１４．８（ｋｇ・ｍ/ｓ²）≒１５Ｎ
ここに、Ｆａ：慣性力（Ｎ）、ｍ：質量（ｋｇ）、ａ：加速度（ｍ/ｓ²）
図７（ａ）は、熱電対保護部９０に熱電対部３、第１のばね１８、第２のばね１９、スリーブストッパー１４を設置した状態を示す。熱電対保護部９０の内部寸法をＬ＝７０ｍｍ、スリーブストッパー１４の厚みをｔ＝５ｍｍとすると、ばねが入る長さはＬ１＋Ｌ２＝６５ｍｍとなる。使用するばねの一例として、第１のばね１８の自由長を５５ｍｍ、第２のばね１９の自由長を２０ｍｍとし、いずれもばね定数をｋ＝３Ｎ／ｍｍとすると、ばねが縮む量はいずれも同じになることから、ばねの縮み量は５ｍｍとなり、Ｌ１＝５０ｍｍ、Ｌ２＝１５ｍｍとなる。ばねの縮み量が５ｍｍ、ばね定数はｋ＝３Ｎ／ｍｍであるので、ばねによる反力はＦ１＝Ｆ２＝ｋ×δ＝１５Ｎとなる。
図７（ｂ）のように、パイプロッド２に開孔ビット１をセットし、シース９をシース差込穴２０に差し込むと、シース９の長さとシース差込穴２０との関係から、熱電対部３が押されてδだけ右側に移動する。ここでδ=３ｍｍとすると、スリーブストッパー１４も、スリーブ押されてδだけ右に移動するため、ばねの縮み量は第１のばね１８は２ｍｍ、第２のばね１９は８ｍｍとなる。これより、ばねによる反力は、Ｆ１＝３×２＝６Ｎ、Ｆ２＝３×８＝２４Ｎとなり、シース先端に働く力は、Ｆ＝Ｆ２－Ｆ１＝２４－６＝１８Ｎとなる。
次に図７（ｃ）のように、右側に振動した時は、熱電対部３の質量による慣性力Ｆｂ＝Ｆａが発生し、Ｆ＝Ｆ２－Ｆ１－Ｆｂ＝２４－６－１５＝３Ｎ＞０となり、シース９は開孔ビット１に接触していることが分かる。F＜０になると、熱電対部３は振動によって開孔ビット１から離れることになる。
次に図７（ｄ）に示すように、左側に振動した時は、熱電対部３の質量による慣性力Ｆｆ＝Ｆａが発生し、Ｆ＝Ｆ２－Ｆ１＋Ｆｆ＝２４－６＋１５＝３３Ｎとなるが、第1ばね１８が存在することで、６Ｎ低減することができ、第1ばね１８によってスリーブストッパー１４による慣性力も低減することができる。
これにより、スリーブストッパー１４を挟むように第１のばね１８と第２のばね１９を設置することで、削孔作業中、熱電対部３のシース９の先端は、常に開孔ビット１に接触するようになり、また、熱電対部３に過剰な力が作用しないようにして、熱電対部３の破損を防ぐことが可能となる。

【0025】

図８は送信機５を異形スリーブ７に設置する状況を示す。異形スリーブ７の上下には、切り欠き部３５を設け、送信機固定板２５は送信機固定ボルト２６で上下挟み込んでいることから、切り欠き部３５が、打撃力による前後の振動時にストッパーの役目をすることで、送信機固定板２５が前後にずれることはない。送信機固定板２５の上側は、送信機５に打撃力の振動が伝わらないように、異形スリーブ７と送信機固定板２５の間に緩衝ゴム２９を挟んで設置する。上下の送信機固定板２５は送信機固定ボルト２６によって挟みこむが、この際、送信機固定ボルト２６が緩まないように、送信機固定ナット２７を使用し、ナット締め付け時はトルク管理を実施する。ボルト締め付け時に送信機固定板２５が、締め付け力によって変形する可能性があるため、送信機取付板２５の間には、送信機固定板スペーサー２８を設置する。送信機５は送信機保護カバー２４によって固定されるが、この送信機保護カバー２４は送信機固定板２５と一緒に送信機固定ナット２７によって締め付ける。送信機保護カバー２４と送信機５の間には断熱材３０を挟み込んで、開孔作業時に、溶銑樋からのふく射熱から送信機５を保護すると同時に、弾力性のある断熱材を使用するため耐衝撃性にも効果がある。開孔直後の溶銑が、送信機部に注がれることもあるので、さらに外側を断熱材で保護することも考えられる。

【0026】

本実施形態での出銑口の開孔方法については従来から実施されている手法が用いられる。例えば、出銑開孔機に支持したパイプロッド２及び開孔ビット１を溶鉱炉の出銑口の中心線に沿って回転させながら前進させて削孔を進め、ある程度削孔が進むと出銑開孔機による打撃力を加えて削孔を進める。出銑開孔機の打撃力と回転力とによって中心線の方向に前進することにより充填マッドを削孔し、パイプロッド中心線の方向に出銑口が開孔される。

【0027】

本実施形態では上述の方法で出銑口を開孔する際のビット温度を測温した。結果の一例として、エア量の調整、削孔時間の違い、削岩機の打撃強さの違い等条件を変えて測定を実施した結果を表２に、グラフを図１３に示す。ビット温度は常温（２０℃程度）から、開口作業開始３０~１３０秒後には、２１０~７６０℃に達し、開口作業開始８０~１３５秒後で開口直前となり、ビット温度は５７０~１１０４℃に達するデータを取得することができた。

【0028】

【表2】

【0029】

図９は本発明の第２の実施形態で用いた出銑開孔機の先端部の詳細図を示す。図９（ａ）において、１は開孔ビット、２はパイプロッド、３は熱電対部、４は補償導線、３１は第１の円錐ばね、３２は第２の円錐ばね、３３はばねスペーサー、９０は熱電対保護部を示し、熱電対保護部９０と熱電対部３からなるユニットをパイプロッド２に取付け、パイプロッド２の先端に開孔ビット１をねじ部８０で締結した状態を示す。ばねスペーサー３３は略円柱形状の弾性体であり、両端部の径が略中央部の径より小さい形状である。また、第１の円錐ばね３１及び第２の円錐ばね３２は弾性体であり、円錐形状のばねであるが、厳密に円錐形状である必要はなく略円錐形状であれば良い。図９（ｂ）は開孔ビット１、図９（ｃ）はパイプロッド２先端部の加工要領、図９（ｄ）はパイプロッド２の先端部に、熱電対保護部９０と熱電対部からなるユニットを取り付けた状態を示す。図９（ｂ）は、開孔ビット１を示しており、通常、開孔作業に使用している開孔ビットを使用する。図９（ｃ）はパイプロッド２の先端部に熱電対保護部９０を取り付けるための加工要領である。パイロッドの内径はｄであるが、熱電対保護部９０が中心に収まるように、パイプロッド中空部をｄ１とｄ２の内径に加工を施す。ｄ１は熱電対カバー１１の外径より０．３ｍｍ程度大きくなるように加工し、ｄ２は熱電対ストッパー３４の外径より０．５ｍｍ程度大きく加工を施す。この状態のパイプロッド２の中空部に先端側（出銑口側）から補償導線４を入れ込むように挿入していき、図９（ｄ）に示す通り最終的に熱電対ストッパー３４の最先端側で止まるまで差し込むことによりパイプロッド２に取り付ける。この状態に開孔ビット１をねじ部８０で締結した状態が図９（ａ）となる。なお、本実施形態で使用した開孔ビット１は６０～８０ｍｍ程度の径を有する仕様で、パイプロッド２の径はφ３５~４５ｍｍ程度のものである。本実施形態では出銑開孔機先端部分の雰囲気温度や開口直後の溶銑温度を測定することを目的としている。溶銑温度の測定は、開口直後、開孔ビットが溶銑に接し、ブロー孔２２より開孔ビット１の内部に溶銑が入り込み、シース９の先端に溶銑が接触することで、開口直後の溶銑温度の測定が可能となる。

【0030】

図１０に本実施形態で使用する部品を示す。熱電対ストッパー３４、略円錐形状をした第１の円錐ばね３１と第２の円錐ばね３２、ばねストッパー３３および熱電対カバー１１から構成される。熱電対カバー１１は、熱電対カバー頭部３６と熱電対カバー端部３７から構成されている。熱電対カバー１１をこのように分割したのは、パイプロッド２の内径加工が、パイプロッド先端部から８０ｍｍ程度しか加工できないため、第２の実施形態ではパイプロッド内径未加工部に熱電対カバー１１が入るように、熱電対カバー端部３７を設けた。熱電対カバー端部３７の外径は、パイプロッド２の内径ｄより、１ｍｍ程度小さいものとする。

【0031】

図１１はこれら構成部品の組み立て順序を示す。図１１（ａ）は熱電対部３のスリーブ１０にばねスペーサー３３を設置し、第２の円錐ばね３２を補償導線４の後端側から通したのち、熱電対カバー１１を補償導線４の後端部から通し、補償導線４をパイプロッド２の中空部に通す。次に図１１（ｂ）のように、熱電対保護部９０をパイプロッド２先端部の加工部に差し込む。図１１（ｃ）は第１の円錐ばね３１をシース９側から差し込み、熱電対ストッパー３４をパイプロッド２の先端部の加工部に差し込む。熱電対保護部９０が、パイプロッド２の先端部に収まった状態が、図１１（ｄ）となる。その後、開孔ビット１をパイプロッド２のねじ部８０に結合した状態が図１１（ｅ）となる。ばねスペーサー３３の両端は、スリーブ１０の外径とほぼ同じ内径をしているため、スリーブ１０にばねスペーサー３３を固定することができ、ばねスペーサー３３の中心部は熱電対カバー後端部３６の内径とほぼ同じ外径をしていることから、熱電対をパイプロッド２の中心軸と同じ位置に設置することが可能となる。

【0032】

図１２に、熱電対部３と熱電対保護部９０の拡大図を示す。第１の円錐ばね３１と第２の円錐ばね３２は円錐形状をしており、径の小さい側の内径は、スリーブ１０の外径より小さくしているため、２つの円錐ばねの径の小さい側がスリーブ１０に接触することによりストッパーの役割をしている。第１の円錐ばね３１の径の大きい側の外径は、熱電対ストッパー３４の端部の開口部内径より大きいことから、熱電対ストッパー３４で、第１の円錐ばね３１を介してスリーブ１０の前面を支持している。第２の円錐ばね３２の径の大きい側の外径は、熱電対カバー端部３６の端部開口部内径より大きいため、熱電対カバー後端部３６で、第２の円錐ばね３２を介して、スリーブ１０の後端部を支持している。これらにより、第１の円錐ばね３１と第２の円錐ばね３２で、熱電対部３に伝わる打撃による左右の振動を緩和する役割を示す。

【0033】

本実施形態では上述の方法で出銑口を開孔する際の温度を測温した。結果の一例として、開口直後の溶銑温度を測定しており１３３８℃となった。この時は開口作業開始時、常温（２０℃程度）であった温度は、削孔を進めるにつれて徐々に温度が上昇し、３０秒程度で１６０℃程度まで上昇した。その後、１秒程度で１０００℃を超える温度に達し、１．７秒後には１３３８℃に達し、その後測温データはノイズのような値を示したことから、溶銑が熱電対にかかり損失したと考えられ、そのような状態になる瞬間的な温度を溶銑温度とした。出てきた溶銑温度を放射温度計で測定したところ、１３２６～１４４８℃の範囲にあり、放射温度計で測定した温度に近いことがわかる。

【符号の説明】

【0034】

１ 開孔ビット
２ パイプロッド
３ 熱電対部
４ 補償導線
５ 送信機
６ シャンクロッド
７ 異形スリーブ
８ ジョイントアダプター
９ シース
１０ スリーブ
１１ 熱電対カバー
１２ 熱電対カバー蓋
１３ 熱電対カバー底
１４ スリーブストッパー
１５ エア穴
１６ シース支持穴
１７ 補償導線支持穴
１８ 第１のばね
１９ 第２のばね
２０ シース差込穴
２１ 熱収縮チューブ
２２ ブロー孔
２３ ブロー孔枝分かれ部
２４ 送信機保護カバー
２５ 送信機固定板
２６ 送信機固定ボルト
２７ 送信機固定ナット
２８ 送信機固定板スペーサー
２９ 緩衝材
３０ 断熱材
３１ 第１の円錐ばね
３２ 第２の円錐ばね
３３ ばねスペーサー
３４ 熱電対ストッパー
３５ 異形スリーブ切り欠き部
３６ 熱電対カバー頭部
３７ 熱電対カバー端部
３８ シースストッパー
７０ 送信機ユニット
８０ ねじ部
９０ 熱電対保護部
１００ 出銑口開孔機

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】