溶融金属用測定装置
【課題】表面に浮遊物を有する溶融金属の測定を行う溶融金属用測定装置において、採光率を向上させることにより測定精度を改善する。
【解決手段】本発明に係る溶融金属用測定装置１０は、表面に浮遊物Ｓを有する溶融金属Ｍからの発光に基づいて溶融金属Ｍの成分分析と温度測定の少なくともいずれか一方を行う測定器１１と、溶融金属Ｍからの発光を測定器１１に伝送する筒状部材１００と、を備え、筒状部材１００は、一端が溶融金属Ｍ中に浸漬されるとともに、他端が測定部１１に接続され、内面側に溶融金属Ｍからの発光を反射させる反射面１１０ａを有する。
【解決手段】本発明に係る溶融金属用測定装置１０は、表面に浮遊物Ｓを有する溶融金属Ｍからの発光に基づいて溶融金属Ｍの成分分析と温度測定の少なくともいずれか一方を行う測定器１１と、溶融金属Ｍからの発光を測定器１１に伝送する筒状部材１００と、を備え、筒状部材１００は、一端が溶融金属Ｍ中に浸漬されるとともに、他端が測定部１１に接続され、内面側に溶融金属Ｍからの発光を反射させる反射面１１０ａを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融金属用測定装置に関し、特に、表面に浮遊物を有する溶融金属の成分分析や温度測定を行う溶融金属用測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶融金属の成分測定や放射測温等、溶融金属液面における発光や吸光を利用した測定では、測定精度を高めるために、スラグ等の浮遊物を除去して清浄な液面を得ることが重要である。
【０００３】
このようなスラグ等の浮遊物を除去して清浄な液面を得る方法として、例えば、溶融金属液面から測定光を受光する光学系まで測定光を伝送するプローブの一部を浸漬する方法が提案されている（例えば、特許文献１及び２を参照）。これらのプローブの場合、プローブ内での測定光の伝送を空間伝送としている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３００８１９号公報
【特許文献２】特開２００２−９８６８５号公報
【特許文献３】特開昭５６−１２８４４５号公報
【特許文献４】特開平１−２９９４２３号公報
【特許文献５】特開２００４−３７１６３号公報
【特許文献６】特開昭５８−１８９５２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１及び２に記載されたプローブでは、光学系が溶融金属からの輻射により加熱されると測定結果に影響を与えるため、溶融金属から光学系までの距離をある程度長くとる必要があり、その結果、光学系による測定光の採光率が低く、実用化には未だ至っていない。
【０００６】
また、光学系による測定光の採光率を高めるために、測定光を伝送するプローブ内で光を反射させる方法も提案されている（例えば、特許文献３を参照）。しかし、この場合、プローブを浸漬させることができず、上記特許文献１及び２の場合と同様に、溶融金属からある程度距離を長くとる必要があるため、実用化には至っていない状況である。
【０００７】
一方、従来の測温技術としては、消耗型浸漬熱電対を溶融金属に浸漬して直接測温する方法や、精錬容器に設置された羽口等の開口部から放射測温により測定する方法などがあった。
【０００８】
しかし、消耗型浸漬熱電対で計測する場合、連続的な測温は不可能であり、さらに、熱電対を使い捨てすることになるためコストがかかる、という問題がある。
【０００９】
また、耐火物保護管を使用した連続型浸漬熱電対による測温技術もある（例えば、特許文献４を参照）。この場合、保護管を冷却することが出来ないため、材質として高耐熱性、高耐食性が必要であり、且つ応答速度を高めるために高い熱伝導性も要求される。そのため、一部の特殊な耐火物しか使用することが出来ず、コストが増大するという問題があった。
【００１０】
一方、羽口等から放射測温により測定する場合（例えば、特許文献５を参照）、計測器が熱により損傷されるのを防ぐため、溶融金属表面から一定の距離をおく必要があった。そのため、測定に使用できる輻射光光量は限られており、採光率が低いという問題があった。また、取鍋上方から筒状の測定プローブを挿入して放射測温を実施する場合（例えば、特許文献６を参照）、成分分析の場合と同様に光学系を溶融金属面から一定の距離を置く必要があり、この場合も採光率が低いという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、表面に浮遊物を有する溶融金属の測定を行う溶融金属用測定装置において、採光率を向上させることにより測定精度を改善することを目的とする。
【００１２】
さらに、本発明を測温技術に適用する場合には、溶融金属用測定装置を連続的に使用可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、溶融金属からの発光（測定光）を測定機器まで伝送するプローブ等の筒状部材の内面に、測定光を反射する反射面を設けることにより、筒状部材の内面で測定光を反射させて、従来の方法では周囲に発散していた測定光を集めることができるため、測定光の採光率を向上させることができることを見出した。
【００１４】
また、本発明者らは、さらに検討を進めた結果、筒状部材の内面側に設けられた反射面を冷却する冷却手段を設けることにより、溶融金属からの受熱による反射面における反射率の低下を抑制できるとともに、筒状部材外面への地金の成長を抑制でき、溶融金属用測定装置の操業性を改善できることを見出した。
【００１５】
本発明は、以上のような知見に基づいて完成されたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
【００１６】
すなわち、本発明によれば、表面に浮遊物を有する溶融金属からの発光に基づいて前記溶融金属の成分分析と温度測定の少なくともいずれか一方を行う測定器と、前記溶融金属からの発光を前記測定器に伝送する筒状部材と、を備え、前記筒状部材は、一端が前記溶融金属中に浸漬されるとともに、他端が前記測定部に接続され、内面側に前記発光を反射させる反射面を有する溶融金属用測定装置が提供される。
【００１７】
ここで、前記反射面は、前記反射面における前記発光の伝送方向に対して前記溶融金属側の端部が、前記筒状部材における前記発光の伝送方向に対して前記溶融金属側の端部から離隔して設けられており、前記反射面の前記溶融金属側の端部と前記筒状部材の前記溶融金属側の端部との距離Ｈと、前記筒状部材の内径Ｄとの比は、０＜Ｈ／Ｄ≦１０であることが好ましい。
【００１８】
また、前記筒状部材は、少なくとも前記反射面を冷却する冷却手段を有することが好ましい。
【００１９】
また、前記筒状部材は、内面側に前記反射面を有し、前記発光を伝送する送光管と、前記送光管の外側に同軸状に設けられる内管と、当該内管の外側に同軸状に設けられる外管と、によって形成される冷却管と、前記送光管及び前記冷却管の外面の一部又は全部を被覆する耐火物層と、を備えており、前記内管と前記外管とが一端において連通しており、前記内管の他端から冷却媒体が供給され、前記外管の他端から前記冷却媒体が排出されるようにしてもよい。
【００２０】
この場合、前記送光管の外面と前記内管の内面とにより形成される前記冷却媒体の供給側流路に、冷却フィンが設けられていることが好ましい。
【００２１】
また、前記内管の外面と前記外管の内面とにより形成される前記冷却媒体の排出側流路の断面積は、前記送光管の外面と前記内管の内面とにより形成される前記冷却媒体の供給側流路の断面積よりも大きいことが好ましい。
【００２２】
また、前記外管は、前記発光の伝送方向に対して、前記測定部側の径が前記溶融金属側の径よりも大きなテーパ型の形状を有し、前記筒状部材の前記発光の伝送方向に対して前記測定部側の端部において、前記内管の外面と前記外管の内面とにより形成される前記冷却媒体の排出側流路の断面積は、前記送光管の外面と前記内管の内面とにより形成される前記冷却媒体の供給側流路の断面積よりも大きいことが好ましい。
【００２３】
また、前記耐火物層の所望の内面温度及び外面温度に応じて、前記耐火物層の熱伝導率、外径及び内径を決定してもよい。
【００２４】
また、前記耐火物層は、内部に空隙を有することが好ましい。
【００２５】
また、前記反射面を、例えば、鏡面加工が施されたステンレススチールで形成することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、表面に浮遊物を有する溶融金属の測定を行う溶融金属用測定装置において、筒状部材の内面側に溶融金属からの発光を反射する反射面を設けることにより、採光率を向上させることができ、これにより測定精度を改善することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２８】
［第１の実施形態］
（溶融金属用測定装置の全体構成）
初めに、図１を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る溶融金属用測定装置の一例として、溶融金属中の成分分析を行う発光分光分析装置１０の全体構成について説明する。なお、図１は、本実施形態に係る発光分光分析装置１０の全体構成を示す説明図である。
【００２９】
図１に示すように、発光分光分析装置１０は、測定器１１と、光学系１３と、筒状部材１００と、を主に備える。なお、以下の説明では、溶融金属として溶鋼Ｍ、溶融金属表面の浮遊物としてスラグＳを例に挙げて説明する。
【００３０】
測定器１１は、溶鋼鍋２０に装入された表面にスラグＳ等の浮遊物を有する溶鋼Ｍからの発光（測定光Ｌ）に基づいて溶鋼Ｍ中の成分分析を行う。この測定器１１としては、例えば、レーザ誘起蛍光分析法を用いる場合には、レーザの照射により誘起されて発生した溶鋼Ｍからの蛍光を検出し、この蛍光光量を測定する光量検出器が挙げられる。
【００３１】
光学系１３は、溶鋼Ｍからの発光（測定光Ｌ）を受光して、受光した測定光Ｌを測定器１１に導入する。本実施形態では、筒状部材１００の上方（測定光Ｌの伝送方向に対して溶鋼Ｍと反対側）に設置されたミラー１５に測定光Ｌを反射させ、測定器１１に測定光Ｌを導入している。また、本実施形態では、光学系１３は、測定部１１と筒状部材１００との接続部の役割も果たしている。
【００３２】
なお、後述するように、測定光Ｌは、筒状部材１００の内部で反射されるが、ここでいう「測定光Ｌ（溶鋼Ｍからの発光）の伝送方向」とは、測定光Ｌが伝送される方向（図１の例では、ミラー１５の方向である鉛直方向上向き）のことを意味する。
【００３３】
筒状部材１００は、溶鋼Ｍからの発光（測定光Ｌ）を採取して、光学系１３を介して測定器１１に測定光Ｌを伝送する。この筒状部材１００は、例えば直管状の形状をしており、先端部（図１の例では、鉛直方向下側の端部）が溶鋼Ｍ中に浸漬されるとともに、後端部（図１の例では、鉛直方向上側の端部）が、光学系１３を介して測定器１１に接続される。このように、筒状部材１００の先端部は、スラグＳ等の浮遊物を避けて、スラグＳの下方に位置する溶鋼Ｍ中に浸漬されるため、筒状部材１００は、溶鋼Ｍの清浄な液面からの発光を採取することができ、溶鋼Ｍの成分分析の精度を向上させることができる。
【００３４】
また、筒状部材１００は、筒本体１１０の内面側に測定光Ｌを反射させる反射面１１０ａを有する。発光分光分析装置１０においては、筒状部材１００がこの反射面１１０ａを有することにより、筒状部材１００の内面で測定光Ｌを反射させて、従来の方法では周囲に発散していた測定光Ｌを集めることができる。従って、発光分光分析装置１０によれば、測定光Ｌの採光率を向上させ、発光分光分析装置１０による溶鋼Ｍの成分分析の精度をさらに向上させることができる。
【００３５】
このような反射面１１０ａは、例えば、後述するように、鏡面加工が施されたステンレススチール（ＳＵＳ）を用いて形成することができる。
【００３６】
なお、発光分光分析装置１０を用いた溶鋼Ｍの成分分析の際は、筒本体１１０の内部に溶鋼Ｍに向かって（図１の例では、鉛直方向下向きに）、アルゴンや窒素等の非酸化性ガスを吹き込むことで、溶鋼Ｍが筒状部材１００の内部に侵入しないようにして、筒状部材１００の劣化を抑制している。また、このように非酸化性ガスを吹き込むことにより、筒状部材１００の下端の開口部において、溶鋼Ｍからの発光を採取するための採光面を形成することができる。
【００３７】
（筒状部材１００の構成）
次に、図２を参照しながら、本実施形態に係る筒状部材１００の構成について詳細に説明する。なお、図２は、本実施形態に係る筒状部材１００の構成を示す説明図である。
【００３８】
図２に示すように、筒状部材１００は、送光管１１１と、内管１１３と外管１１５とによって形成される冷却管と、耐火物層１１７と、を主に有する。すなわち、筒状部材１００は、送光管１１１と、内管１１３と、外管１１５とからなる三重管構造を有している。
【００３９】
送光管１１１は、内面側に反射面１１０ａを有し、溶鋼Ｍからの発光を伝送する。この送光管１１１は、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材１００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている。従って、反射面１１０ａも、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材１００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている。
【００４０】
また、送光管１１１（または反射面１１０ａ）の溶鋼Ｍ側の端部と筒状部材１００の溶鋼Ｍ側の端部との距離Ｈ（ｍｍ）と、筒状部材１００の内径、すなわち、送光管１１１の内径Ｄ（ｍｍ）との比であるＨ／Ｄは、０＜Ｈ／Ｄ≦１０であることが好ましい。ここで、図３を参照しながら、上記Ｈ／Ｄの適正値の範囲について説明する。なお、図３は、本実施形態に係るＨ／Ｄの適正値を説明するための説明図である。
【００４１】
図３に示すように、反射面１１０ａを有する送光管１１１は、溶鋼Ｍからの放射光ＬＲを採取する。この際、放射光ＬＲのうち、送光管１１１の内面である反射面１１０ａに入射するのは、図２に示す広がり角θの範囲にある光である。一般に、溶融金属の成分分析で良好な精度の分析を行うためには、採光率を０．１％以上確保することが好ましいとされている。ここで、採光率は、Ｉｔｏｔａｌを溶鋼Ｍの表面上の１点から発生する放射光ＬＲの立体角（＝２πステラジアン）とし、Ｉを放射光ＬＲのうち送光管１１１の内面である反射面１１０ａに入射する放射光ＬＲの立体角（＝２π（１−ｃｏｓθ）ステラジアン）とすると、「採光率＝Ｉ／Ｉｔｏｔａｌ」で定義される。すなわち、精度の良好な分析を行うためには、Ｉ／Ｉｔｏｔａｌ≧０．１であることが好ましい。このとき、ｃｏｓθ＝（Ｈ／Ｄ）／√（（Ｈ／Ｄ）２＋１／４）であることから、Ｈ／Ｄ≦１０となる。
【００４２】
一方、Ｈ／Ｄの値は小さいほど好ましいが、Ｈ／Ｄ＝０であると溶鋼Ｍと送光管１１１とが接触してしまうため、Ｈ／Ｄ＞０とする。
【００４３】
続いて、図４を参照しながら、Ｈ／Ｄと測定精度との関係について説明する。図４は、本実施形態におけるＳＮ比（ｄＢ）とＨ／Ｄとの関係の一例を示すグラフである。この例では、シグナル強度Ｉｓｉｇｎａｌを送光管１１１による採光率が１００％のときを１とし、Ｈ／Ｄの値を大きくすると採光率に応じて減少するものと仮定し、ノイズ強度ＩｎｏｉｓｅをＨ／Ｄによらず１０−６で一定と仮定して計算した。また、ＳＮ比は、１０×ｌｏｇ（Ｉｓｉｇｎａｌ／Ｉｎｏｉｓｅ）の式により算出した。なお、ＳＮ比が高いほど成分分析における測定精度も高いものとなる。
【００４４】
その結果、図４に示すように、Ｈ／Ｄが大きくなるほど、ＳＮ比が低くなる、すなわち、測定精度が悪化するということがわかった。また、一般に、ＳＮ比が３０以上であれば、十分な測定精度を有しているといわれているが、この例においても、Ｈ／Ｄが１０以下では、ＳＮ比が３０以上となっていた。
【００４５】
再び、図２を参照しながら、筒状部材１００の構成についての説明を続ける。本実施形態に係る冷却管は、少なくとも送光管１１１内面の反射面１１０ａを冷却する冷却手段の一例であり、上述のように、内管１１３と外管１１５とによって形成される。
【００４６】
内管１１３は、送光管１１１の外側に同軸状に設けられ、外管１１５は、内管１１３の外側に同軸状に設けられる。また、内管１１３と外管１１５とは、測定光Ｌの伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部（本実施形態では、鉛直方向下端部）において連通している。そして、内管１１３の測定光Ｌの伝送方向に対して測定器１１側の端部（本実施形態では、鉛直方向上端部）から冷却媒体が供給され、外管１１５の測定器１１側の端部から冷却媒体が排出される。このように、冷却媒体が冷却管内を流れることにより、主に、送光管１１１内面の反射面１１０ａが冷却される。なお、本実施形態において使用される冷却媒体としては、特に限定はされないが、例えば、空気、水蒸気、非酸化性ガス等の冷却ガス、冷却水等が挙げられる。
【００４７】
上述した送光管１１１、内管１１３及び外管１１５の材質としては、耐熱性等に優れるステンレススチールを使用することが好ましい。特に、送光管１１１は、内面に鏡面等の反射面１１０ａを有するため、反射性や光沢性に優れたＮｉ系（Ｎｉを多く含有する）ステンレススチール（例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等）を使用することが好ましい。
【００４８】
耐火物層１１７は、送光管１１１及び冷却管（外管１１５）の外面の一部又は全部を被覆する。耐火物層１１７を構成する耐火物としては、通常の製鋼工程等で使用される耐火物を使用でき、例えば、マグネシアスピネル系キャスタブル材等を使用できる。この耐火物層１１７は、例えば、以下のようにして成形することができる。まず、セラミックス粉末と水とを混合してセラミックススラリーを調製する。次いで、金型の中央に送光管１１１、内管１１３及び外管１１５からなる部材を設置してから、上記のようにして調製したセラミックススラリーを流し込み、鋳込み成形を行う。さらに、脱型及び脱脂した後に焼成を行うことで、耐火物層１１７を成形することができる。
【００４９】
（用語の定義）
ここで、図５を参照しながら、以下の説明に使用する用語の定義について説明する。なお、図５は、本明細書における用語の定義を説明するための説明図である。
【００５０】
図５に示すように、断面積Ｓｉとは、送光管１１１の外面と内管１１３の内面とにより形成される冷却媒体の供給側流路の水平断面の断面積を意味し、断面積Ｓｏとは、内管１１３の外面と外管１１５の内面とにより形成される冷却媒体の排出側流路の水平断面の断面積を意味する。また、表面積Ｓｉｎｉとは、送光管１１１の外面の表面積を意味し、表面積Ｓｆｉｎとは、送光管１１１の外面に後述する冷却フィンを設けた場合における送光管１１１が外面の表面積（冷却フィンの表面積も含む）を意味する。また、耐火物外径ｒ１とは、送光管１１１の内面から耐火物層１１７の外面までの水平方向の距離を意味し、耐火物内径ｒ２とは、送光管１１１の内面から（送光管１１１及び冷却管が形成されている部位における）耐火物層１１７の内面までの水平方向の距離を意味する。
【００５１】
なお、以下の説明における熱伝達率ｈｉは、冷却媒体の供給側流路における熱伝達率を意味し、熱伝達率ｈｏは、冷却媒体の排出側流路における熱伝達率を意味する。また、本実施形態における熱伝達率ｈは、長さｌの領域について、管の内面又は外面の半径をｒとし、熱通過量をＱ、管の表面温度をＴｗ、冷却ガスの温度をＴｇとしたときに、下記式で表されるものとする。
ｈ＝Ｑ／２πｒｌ・｜Ｔｗ−Ｔｇ｜
【００５２】
また、このようにして定めた熱伝達率は、例えば、熱電対により管の表面温度と冷却ガス温度を測定し、熱流束計により管の半径方向の熱通過量を測定することで、求めることができる。
【００５３】
具体的に、本実施形態では、まず、熱伝達率ｈｉについては、管１１１の長さｌの領域について、管外面の半径をｒとし、管外面の温度をＴｗ、接する冷却ガスの温度をＴｇ、管１１１内面で測定した熱通過量がＱで定常状態となったとき、熱伝達率ｈｉは、下記式で表される。
ｈｉ＝Ｑ／２πｒｌ・（Ｔｇ−Ｔｗ）
【００５４】
また、熱伝達率ｈｏについては、管１１５の長さｌの領域について、管内面の半径をｒとし、管内面の温度をＴｗ’、接する冷却ガスの温度をＴｇ’とし、管１１５の外面で測定した熱通過量がＱ’で定常状態となったとき、熱伝達率ｈｏは、下記式で表される。
ｈｏ＝Ｑ’／２πｒｌ・（Ｔｗ’−Ｔｇ’）
【００５５】
次に、上述のようにして定義したパラメータを用いて、本発明の第２〜第６の実施形態に係る溶融金属用測定装置の構成等について説明する。本発明の第２〜第６の実施形態に係る溶融金属用測定装置は、冷却手段として送光管１１１の外側に設けられた冷却管を有するものである点では、上述した第１の実施形態の場合と同様であるが、送光管内部の反射面の冷却効率を高め、耐火物層の外面の冷却効率を低下させるための構成を有する点で、第１の実施形態の場合とは異なる。このような構成により、本発明の第２〜第６の実施形態に係る溶融金属用測定装置においては、溶融金属からの受熱による反射面における反射率の低下を抑制できるとともに、筒状部材外面への地金の成長を抑制できる。そして、これにより、溶融金属用測定装置の操業性を改善することが可能となる。
【００５６】
なお、本発明の第２〜第６の実施形態に係る溶融金属用測定装置の構成は、筒状部材の内部の構成の一部が第１の実施形態の場合と異なるため、第１の実施形態と共通する部分の説明を省略する場合がある。
【００５７】
［第２の実施形態］
まず、図６を参照しながら、本発明の第２の実施形態に係る筒状部材２００の構成について詳細に説明する。なお、図６は、本実施形態に係る筒状部材２００の構成を示す説明図である。
【００５８】
図６に示すように、筒状部材２００は、送光管２１１と、内管２１３と外管２１５とによって形成される冷却管と、耐火物層２１７と、冷却フィン２１９と、を主に有する。すなわち、筒状部材２００は、送光管２１１と、内管２１３と、外管２１５とからなる三重管構造を有している。
【００５９】
送光管２１１は、内面側に反射面２１０ａを有し、溶鋼Ｍからの発光を伝送する。この送光管２１１は、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材２００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている点は、第１の実施形態の場合と同様である。従って、反射面２１０ａも、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材２００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている。
【００６０】
本実施形態に係る冷却管は、少なくとも送光管２１１内面の反射面２１０ａを冷却する冷却手段の一例であり、上述のように、内管２１３と外管２１５とによって形成される。
【００６１】
内管２１３は、送光管２１１の外側に同軸状に設けられ、外管２１５は、内管２１３の外側に同軸状に設けられる。また、内管２１３と外管２１５とは、測定光Ｌの伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部（本実施形態では、鉛直方向下端部）において連通している。そして、内管２１３の測定光Ｌの伝送方向に対して測定器１１側の端部（本実施形態では、鉛直方向上端部）から冷却媒体が供給され、外管２１５の測定器１１側の端部から冷却媒体が排出される。このように、冷却媒体が冷却管内を流れることにより、主に、送光管２１１内面の反射面２１０ａが冷却される。なお、本実施形態において使用される冷却媒体の種類や送光管２１１、内管２１３及び外管２１５の材質は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００６２】
耐火物層２１７は、送光管２１１及び冷却管（外管２１５）の外面の一部又は全部を被覆する。耐火物層２１７を構成する耐火物の種類や成形方法は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００６３】
冷却フィン２１９は、送光管２１１の外面と内管２１３の内面とにより形成される冷却媒体の供給側流路２１０ｂに設けられている。具体的には、本実施形態では、冷却フィン２１９は、送光管２１１の外面にその長手方向に沿って複数設けられている。一方、内管２１３の外面と外管２１５の内面とにより形成される冷却媒体の排出側流路２１０ｃには、冷却フィンは設けられていない。
【００６４】
このように、本実施形態に係る溶融金属用測定装置においては、溶鋼Ｍからの発光の反射面２１０ａを有する送光管２１１の外面に冷却フィン２１９を設けることにより、冷却媒体の排出側流路２１０ｃと比べて、冷却媒体の供給側流路２１０ｂの熱伝達率を高くすることができる。従って、本実施形態に係る溶融金属用測定装置によれば、送光管２１１の冷却効率を高め、耐火物層２１７の冷却効率を低下させることができるので、溶鋼Ｍからの受熱による反射面２１０ａにおける反射率の低下を抑制できるとともに、耐火物層２１７の外面（すなわち、筒状部材２００の外面）への地金の成長を抑制できる。
【００６５】
ここで、図７を参照しながら、冷却フィン２１９を設けることによる反射率低下抑制効果及び地金成長抑制効果について説明する。なお、図７は、冷却フィン２１９を設けたことによる送光管２１１の外面の表面積の増加率Ｓｆｉｎ／Ｓｉｎｉと、排出側流路２１０ｃにおける熱伝達率ｈｏと供給側流路２１０ｂにおける熱伝達率ｈｆｉｎとの熱伝達率比ｈｏ／ｈｆｉｎとの関係の一例を示すグラフである。
【００６６】
図７には、反射面２１０ａを有する送光管２１１の内径を８ｍｍ、外径を１２ｍｍとし、内管２１３の内径を１６ｍｍ、外径を２０ｍｍとし、外管２１５の内径を２４ｍｍとし、冷却媒体（冷却ガス）の流量を１．０Ｎｍ３／ｍｉｎとし、Ｓｉｎｉを一定のまま、Ｓｆｉｎを増加させた場合、すなわち、冷却フィン２１９の表面積を増加させた場合の例を示している。
【００６７】
図７に示すように、表面積の増加率Ｓｆｉｎ／Ｓｉｎｉが大きくなると、熱伝達率比ｈｏ／ｈｆｉｎが顕著に減少した。このことから、冷却フィン２１９の表面積を大きくすると、供給側流路２１０ｂにおける冷却効率を高めるとともに、排出側流路２１０ｃにおける冷却効率を低下させる効果が高まるということがわかる。
【００６８】
［第３の実施形態］
次に、図８を参照しながら、本発明の第３の実施形態に係る筒状部材３００の構成について詳細に説明する。なお、図８は、本実施形態に係る筒状部材３００の構成を示す説明図である。
【００６９】
図８に示すように、筒状部材３００は、送光管３１１と、内管３１３と外管３１５とによって形成される冷却管と、耐火物層３１７と、を主に有する。すなわち、筒状部材３００は、送光管３１１と、内管３１３と、外管３１５とからなる三重管構造を有している。
【００７０】
送光管３１１は、内面側に反射面３１０ａを有し、溶鋼Ｍからの発光を伝送する。この送光管３１１は、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材３００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている点は、第１の実施形態の場合と同様である。従って、反射面３１０ａも、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材３００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている。
【００７１】
本実施形態に係る冷却管は、少なくとも送光管３１１内面の反射面３１０ａを冷却する冷却手段の一例であり、上述のように、内管３１３と外管３１５とによって形成される。
【００７２】
内管３１３は、送光管３１１の外側に同軸状に設けられ、外管３１５は、内管３１３の外側に同軸状に設けられる。また、内管３１３と外管３１５とは、測定光Ｌの伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部（本実施形態では、鉛直方向下端部）において連通している。そして、内管３１３の測定光Ｌの伝送方向に対して測定器１１側の端部（本実施形態では、鉛直方向上端部）から冷却媒体が供給され、外管３１５の測定器１１側の端部から冷却媒体が排出される。このように、冷却媒体が冷却管内を流れることにより、主に、送光管３１１内面の反射面３１０ａが冷却される。なお、本実施形態において使用される冷却媒体の種類や送光管３１１、内管３１３及び外管３１５の材質は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００７３】
耐火物層３１７は、送光管３１１及び冷却管（外管３１５）の外面の一部又は全部を被覆する。耐火物層３１７を構成する耐火物の種類や成形方法は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００７４】
本実施形態においては、内管３１３の外面と外管３１５の内面とにより形成される冷却媒体の排出側流路３１０ｃの断面積Ｓｏは、送光管３１１の外面と内管３１３の内面とにより形成される冷却媒体の供給側流路３１０ｂの断面積Ｓｉよりも大きくなるように、冷却管が設けられている。
【００７５】
このように、本実施形態に係る溶融金属用測定装置においては、排出側流路３１０ｃの断面積Ｓｏを供給側流路３１０ｂの断面積Ｓｉよりも大きくすることにより、冷却媒体の排出側流路３１０ｃの熱伝達率を抑制することができる。従って、本実施形態に係る溶融金属用測定装置によれば、送光管３１１の冷却効率を高い状態に維持したまま、耐火物層３１７の冷却効率を低下させることができるので、溶鋼Ｍからの受熱による反射面３１０ａにおける反射率の低下を抑制できるとともに、耐火物層３１７の外面（すなわち、筒状部材３００の外面）への地金の成長を抑制できる。
【００７６】
ここで、図９を参照しながら、排出側流路３１０ｃの断面積Ｓｏを供給側流路３１０ｂの断面積Ｓｉよりも大きくすることによる反射率低下抑制効果及び地金成長抑制効果について説明する。なお、図９は、排出側流路３１０ｃの断面積Ｓｏと供給側流路３１０ｂの断面積Ｓｉとの流路断面積比Ｓｏ／Ｓｉと、排出側流路３１０ｃにおける熱伝達率ｈｏと供給側流路３１０ｂにおける熱伝達率ｈｉとの熱伝達率比ｈｏ／ｈｉとの関係の一例を示すグラフである。
【００７７】
図９には、反射面３１０ａを有する送光管３１１の内径を８ｍｍ、外径を１２ｍｍとし、内管３１３の内径を１６ｍｍ、外径を２０ｍｍとし、冷却媒体（冷却ガス）の流量を１．０Ｎｍ３／ｍｉｎとし、外管３１５の内径を変化させた場合の例を示している。
【００７８】
図９に示すように、流路断面積比Ｓｏ／Ｓｉが大きくなると、熱伝達率比ｈｏ／ｈｉが顕著に減少した。このことから、排出側流路３１０ｃの断面積Ｓｏを供給側流路３１０ｂの断面積Ｓｉよりも大きくすると、供給側流路３１０ｂにおける冷却効率を高いまま維持できるとともに、排出側流路３１０ｃにおける冷却効率を低下させる効果が高まるということがわかる。
【００７９】
［第４の実施形態］
次に、図１０を参照しながら、本発明の第４の実施形態に係る筒状部材４００の構成について詳細に説明する。なお、図１０は、本実施形態に係る筒状部材４００の構成を示す説明図である。
【００８０】
図１０に示すように、筒状部材４００は、送光管４１１と、内管４１３と外管４１５とによって形成される冷却管と、耐火物層４１７と、を主に有する。すなわち、筒状部材４００は、送光管４１１と、内管４１３と、外管４１５とからなる三重管構造を有している。
【００８１】
送光管４１１は、内面側に反射面４１０ａを有し、溶鋼Ｍからの発光を伝送する。この送光管４１１は、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材４００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている点は、第１の実施形態の場合と同様である。従って、反射面４１０ａも、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材４００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている。
【００８２】
本実施形態に係る冷却管は、少なくとも送光管４１１内面の反射面４１０ａを冷却する冷却手段の一例であり、上述のように、内管４１３と外管４１５とによって形成される。
【００８３】
内管４１３は、送光管４１１の外側に同軸状に設けられ、外管４１５は、内管４１３の外側に同軸状に設けられる。また、内管４１３と外管４１５とは、測定光Ｌの伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部（本実施形態では、鉛直方向下端部）において連通している。そして、内管４１３の測定光Ｌの伝送方向に対して測定器１１側の端部（本実施形態では、鉛直方向上端部）から冷却媒体が供給され、外管４１５の測定器１１側の端部から冷却媒体が排出される。このように、冷却媒体が冷却管内を流れることにより、主に、送光管４１１内面の反射面４１０ａが冷却される。なお、本実施形態において使用される冷却媒体の種類や送光管４１１、内管４１３及び外管４１５の材質は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００８４】
耐火物層４１７は、送光管４１１及び冷却管（外管４１５）の外面の一部又は全部を被覆する。耐火物層４１７を構成する耐火物の種類や成形方法は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００８５】
本実施形態においては、外管４１５は、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して、測定部１１側の径が溶鋼Ｍ側の径よりも大きなテーパ型の形状を有し、かつ、筒状部材４００の溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して測定部１１側の端部において、内管４１３の外面と外管４１５の内面とにより形成される冷却媒体の排出側流路４１０ｃの断面積Ｓｏは、送光管４１１の外面と内管４１３の内面とにより形成される冷却媒体の供給側流路４１０ｂの断面積Ｓｉよりも大きくなるように、冷却管が設けられている。なお、図１０では、耐火物層４１７の形状が、外管４１５の形状に合わせてテーパ型に描かれているが、耐火物層４１７の形状は、必ずしもテーパ型である必要はない。
【００８６】
このように、本実施形態に係る溶融金属用測定装置においては、外管４１５の形状をテーパ型にすることで、上述した第３の実施形態の場合と同様に、排出側流路４１０ｃの断面積Ｓｏを供給側流路４１０ｂの断面積Ｓｉよりも部分的に大きくすることができ、これにより、冷却媒体の排出側流路４１０ｃの熱伝達率を抑制することができる。従って、本実施形態に係る溶融金属用測定装置によれば、送光管４１１の冷却効率を高い状態に維持したまま、耐火物層４１７の冷却効率を低下させることができるので、溶鋼Ｍからの受熱による反射面４１０ａにおける反射率の低下を抑制できるとともに、耐火物層４１７の外面（すなわち、筒状部材４００の外面）への地金の成長を抑制できる。
【００８７】
［第５の実施形態］
次に、図１１を参照しながら、本発明の第５の実施形態に係る筒状部材５００の構成について詳細に説明する。なお、図１１は、本実施形態に係る筒状部材５００の構成を示す説明図である。
【００８８】
図１１に示すように、筒状部材５００は、送光管５１１と、内管５１３と外管５１５とによって形成される冷却管と、耐火物層５１７と、を主に有する。すなわち、筒状部材５００は、送光管５１１と、内管５１３と、外管５１５とからなる三重管構造を有している。
【００８９】
送光管５１１は、内面側に反射面５１０ａを有し、溶鋼Ｍからの発光を伝送する。この送光管５１１は、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材５００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている点は、第１の実施形態の場合と同様である。従って、反射面５１０ａも、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材５００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている。
【００９０】
本実施形態に係る冷却管は、少なくとも送光管５１１内面の反射面５１０ａを冷却する冷却手段の一例であり、上述のように、内管５１３と外管５１５とによって形成される。
【００９１】
内管５１３は、送光管５１１の外側に同軸状に設けられ、外管５１５は、内管５１３の外側に同軸状に設けられる。また、内管５１３と外管５１５とは、測定光Ｌの伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部（本実施形態では、鉛直方向下端部）において連通している。そして、内管５１３の測定光Ｌの伝送方向に対して測定器１１側の端部（本実施形態では、鉛直方向上端部）から冷却媒体が供給され、外管５１５の測定器１１側の端部から冷却媒体が排出される。このように、冷却媒体が冷却管内を流れることにより、主に、送光管５１１内面の反射面５１０ａが冷却される。なお、本実施形態において使用される冷却媒体の種類や送光管５１１、内管５１３及び外管５１５の材質は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００９２】
耐火物層５１７は、送光管５１１及び冷却管（外管５１５）の外面の一部又は全部を被覆する。耐火物層５１７を構成する耐火物の種類は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００９３】
本実施形態においては、耐火物層５１７の所望の内面温度及び外面温度に応じて、耐火物の物性が適正化される。より具体的には、例えば、耐火物層５１７の所望の内面温度及び外面温度に応じて、耐火物層５１７の熱伝導率λ、耐火物層５１７の外径ｒ１及び内径ｒ２が決定される。
【００９４】
ここで、耐火物層５１７の所望の内面温度としては、例えば、耐火物層５１７の内部の送光管５１１、内管５１３及び外管５１５の材質（例えば、ＳＵＳ）を熱による劣化から保護する（特に、送光管５１１内面側の反射面５１０ａの鏡面状態を維持できる）温度などが挙げられる。また、耐火物層５１７の所望の外面温度としては、例えば、耐火物層５１７の外面における地金の成長を抑制できる程度の温度などが挙げられる。
【００９５】
また、耐火物層５１７の熱伝導率λの調整は、耐火物層５１７における気孔率を制御することにより行うことができる。このように、気孔率を制御する方法としては、例えば、以下の２通りの方法がある。
【００９６】
第１に、セラミックス粉末と水とを混合して調製したセラミックススラリーに起泡剤を加えて攪拌することにより、スラリー中に気泡を形成させて、耐火物層５１７の熱伝導率を低下させる方法である。この場合の起泡剤は、気泡を作ることができるものであれば特に限定されず、起泡剤、界面活性剤などが含まれる。より具体的には、本実施形態で使用する起泡剤としては、タンパク質系起泡剤、卵白、アルキルベンゼンスルホン酸塩や高級アルキルアミノ酸等の界面活性剤などが例示できる。この第１の例の場合、起泡剤の添加量を多くしたり、気泡を多く作ることができる起泡剤を選択したりすることにより、耐火物層５１７の熱伝導率を低下させることができる。
【００９７】
第２に、上記セラミックススラリーに粒状の有機系物質を混入することにより、焼成時に上記有機系物質が分解されることを利用して、気泡を形成させて、耐火物層５１７の熱伝導率を低下させる方法である。この場合の粒状の有機系物質としては、発泡スチロールやプラスチック製ビーズなどが例示できる。この第２の例の場合、有機系物質の添加量を多くすることにより、耐火物層５１７の熱伝導率を低下させることができる。
【００９８】
このようにして調整した耐火物層の熱伝導率λは、例えば、熱電対により耐火物の表面温度を測定し、熱流束計により熱通過量を測定することで、求めることができる。具体的に、本実施形態では、耐火物層の熱伝導率λは、耐火物層の内径をｒ１、外径をｒ２、長さｌの領域について、内側の温度がＴ１、外側の温度がＴ２であったとき、測定される熱通過量がＱであったとすると、下記式で表される。
λ＝Ｑ・ｌｎ（ｒ２／ｒ１）／（２πｌ・（Ｔ１−Ｔ２））
【００９９】
また、本実施形態における気孔率は、耐火物施工部分の外形容積に対する、気孔（開放気孔および密閉気孔）容積の割合を意味する。気孔率Ｐは、ＪＩＳ Ｒ２２０５（「耐火れんがの見掛気孔率・吸水率・比重の測定方法」）に基づき、真比重Ｄｔおよびかさ比重Ｄｂを測定し、下記式により求めることができる。
Ｐ＝１−Ｄｂ／Ｄｔ
【０１００】
このように、本実施形態に係る溶融金属用測定装置においては、耐火物層５１７の物性や耐火物層５１７の形状や大きさを最適化することにより、送光管５１１、内管５１３及び外管５１５の温度上昇を抑制することができる。従って、本実施形態に係る溶融金属用測定装置によれば、送光管５１１の冷却効率の低下を防止するとともに、耐火物層５１７の冷却効率を低い状態で維持できるので、溶鋼Ｍからの受熱による反射面５１０ａにおける反射率の低下を抑制できるとともに、耐火物層５１７の外面（すなわち、筒状部材５００の外面）への地金の成長を抑制できる。
【０１０１】
ここで、図１２を参照しながら、耐火物層５１７の物性や耐火物層５１７の形状や大きさを最適化することによる反射率低下抑制効果及び地金成長抑制効果について説明する。なお、図１２は、耐火物層５１７における熱伝達率の指標として用いたλ／ｌｎ（ｒ１／ｒ２）（Ｗ／ｍ・ｋ）と、耐火物層５１７の内面温度（℃）との関係の一例を示すグラフである。なお、耐火物層５１７における熱伝達率の指標としてλ／ｌｎ（ｒ１／ｒ２）を用いたのは、以下の理由による。すなわち、耐火物層５１７の内面の温度をＴ２、外面の温度をＴ１、耐火物層５１７中の熱通過量をＱとすると、長さｌの領域について、下記式（１）の関係が成り立つ。この式（１）によれば、λ／ｌｎ（ｒ１／ｒ２）によって耐火物層５１７の内面の温度Ｔ２が決まるため、λ／ｌｎ（ｒ１／ｒ２）を耐火物層５１７における熱伝達率の指標とした。
Ｔ２＝Ｔ１−Ｑ／（２πｌ・λ／ｌｎ（ｒ１／ｒ２）） ・・・（１）
【０１０２】
図１２には、内管５１３の外径を２０ｍｍとし、外管５１５の内径を２４ｍｍ、外径を２８ｍｍ（一定）とし、外管５１５の内面温度を２５℃とし、耐火物層５１７の外面温度を１６００℃とし、耐火物層５１７の熱伝導率λ及び耐火物層５１７の内径ｒ２を変化させた場合の例を示している。
【０１０３】
図１２に示すように、耐火物層５１７の熱伝達率λ／ｌｎ（ｒ１／ｒ２）が高くなると、耐火物層５１７の内面温度も高くなった。このことから、耐火物層５１７の内面温度を低くして、送光管５１１及び冷却管の温度を低くしたい場合には、耐火物層５１７の熱伝達率を低くする（例えば、耐火物層５１７の気孔率を大きくして熱伝導率λを小さくする）ことが必要であることがわかる。この場合、送光管５１１の冷却効率の低下を防止するとともに、耐火物層５１７の冷却効率を低い状態で維持できる。
【０１０４】
［第６の実施形態］
次に、図１３を参照しながら、本発明の第６の実施形態に係る筒状部材６００の構成について詳細に説明する。なお、図１３は、本実施形態に係る筒状部材６００の構成を示す説明図である。
【０１０５】
図１３に示すように、筒状部材６００は、送光管６１１と、内管６１３と外管６１５とによって形成される冷却管と、耐火物層６１７と、を主に有する。すなわち、筒状部材６００は、送光管６１１と、内管６１３と、外管６１５とからなる三重管構造を有している。
【０１０６】
送光管６１１は、内面側に反射面６１０ａを有し、溶鋼Ｍからの発光を伝送する。この送光管６１１は、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材６００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている点は、第１の実施形態の場合と同様である。従って、反射面６１０ａも、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材６００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている。
【０１０７】
本実施形態に係る冷却管は、少なくとも送光管６１１内面の反射面６１０ａを冷却する冷却手段の一例であり、上述のように、内管６１３と外管６１５とによって形成される。
【０１０８】
内管６１３は、送光管６１１の外側に同軸状に設けられ、外管６１５は、内管６１３の外側に同軸状に設けられる。また、内管６１３と外管６１５とは、測定光Ｌの伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部（本実施形態では、鉛直方向下端部）において連通している。そして、内管６１３の測定光Ｌの伝送方向に対して測定器１１側の端部（本実施形態では、鉛直方向上端部）から冷却媒体が供給され、外管６１５の測定器１１側の端部から冷却媒体が排出される。このように、冷却媒体が冷却管内を流れることにより、主に、送光管６１１内面の反射面６１０ａが冷却される。なお、本実施形態において使用される冷却媒体の種類や送光管６１１、内管６１３及び外管６１５の材質は、第１の実施形態の場合と同様である。
【０１０９】
耐火物層６１７は、送光管６１１及び冷却管（外管６１５）の外面の一部又は全部を被覆する。耐火物層６１７を構成する耐火物の種類は、第１の実施形態の場合と同様である。
【０１１０】
本実施形態においては、耐火物層６１７は、その内部に空隙を有する。図１３に示した例では、耐火物層６１７は、上記空隙としてスリット６１８を有している。このようなスリット６１８は、例えば、次のようにして形成することができる。すなわち、線状またはネット状の有機系物質を外管６１５の周囲に巻き付けた上に耐火物層６１７を施工することで、耐火物層６１７の焼成時に上記有機系物質が分解されるため、有機系物質が巻き付けられていた部分にスリット６１８を形成することができる。この場合の有機系物質としては、プラスチックや紙などが例示できる。
【０１１１】
また、本実施形態の変形例として、筒状部材６００のうち溶鋼Ｍに浸漬される部分において、外管６１５の周囲にセラミックフェルトを巻き付けてからキャスタブルなどによる耐火物層を形成することにより、セラミックフェルトには空隙部が含まれることを利用して、耐火物層６１７の内部に空隙を形成することができる。
【０１１２】
このように、本実施形態に係る溶融金属用測定装置においては、耐火物層６１７の内部にスリット６１８等の空隙を設けることにより、上記第５の実施形態において耐火物層５１７の気孔率を高めた場合と同様の理由で、耐火物層６１７の熱伝達率を低下させることができる。また、上記変形例の場合には、外管６１５の周囲に巻き付けるセラミックフェルトの量を多くしたりすることにより、耐火物層６１７の熱伝導率を低下させることができる。従って、本実施形態に係る溶融金属用測定装置によれば、送光管６１１の冷却効率の低下を防止するとともに、耐火物層６１７の冷却効率を低い状態で維持できるので、溶鋼Ｍからの受熱による反射面６１０ａにおける反射率の低下を抑制できるとともに、耐火物層６１７の外面（すなわち、筒状部材６００の外面）への地金の成長を抑制できる。
【０１１３】
ここで、図１４を参照しながら、耐火物層６１７の内部に空隙を設けることによる反射率低下抑制効果及び地金成長抑制効果について説明する。なお、図１４は、耐火物層６１７の空隙率φと、耐火物層６１７に空隙を設けた場合の熱伝達率Ｋφと、空隙を設けなかった場合の熱伝達率Ｋ０との熱伝達率比Ｋφ／Ｋ０との関係の一例を示すグラフである。
【０１１４】
図１４には、耐火物層６１７の内径ｒ２＝２８ｍｍ、外径ｒ１＝１２８ｍｍとし、径が２８ｍｍ〜７８ｍｍとなる耐火物層６１７中の領域に空隙率φとなる空隙が有るとした場合の熱伝達率Ｋφと、φ＝０のときの熱伝達率Ｋ０とを比較した場合の例を示している。なお、空隙の有る領域では熱伝達率が（１−φ）倍となるものとして計算した。なお、本実施形態における空隙率φとは、耐火物層６１７中で、径がｒ１〜ｒ２となる領域に空隙を設けたとしたとき、この領域の外形容積に対する空隙部の容積の割合を意味する。この空隙率φは、空隙を設けた領域の外形容積をＶ、空隙部分の容積をＶｓとすると、下記式により求めることができる。
φ＝Ｖｓ／Ｖ
【０１１５】
図１４に示すように、空隙率φが高くなると、熱伝達率比Ｋφ／Ｋ０が減少した。このことから、耐火物層６１７の空隙率φを高くすると、空隙を設けたことによる熱伝達率の低下効果が大きくなることがわかる。
【０１１６】
なお、以上説明した本発明の第２〜第６の実施形態に係る溶融金属用測定装置の構成のうち、少なくともいずれか１種を採用することにより、溶融金属からの受熱による反射面における反射率の低下を抑制できるとともに、筒状部材外面への地金の成長を抑制できる、という効果を得ることはできる。しかし、以上説明した本発明の第２〜第６の実施形態に係る溶融金属用測定装置の構成のうちのいずれか２種以上を組み合わせることにより、上記効果をより高めることが可能となる。特に、上述した第２の実施形態と第３の実施液体と第５の実施形態を組み合わせた溶融金属用測定装置は、上記溶融金属からの受熱による反射面における反射率の低下を抑制できるとともに、筒状部材外面への地金の成長を抑制できる、という効果が最も優れている。
【実施例】
【０１１７】
次に、実施例及び比較例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【０１１８】
（実施例１）
本実施例は、溶融金属の測定例として溶鋼中の炭素濃度の分析を行った例である。具体的には、上述した本発明による筒状部材を使用して、誘導溶解炉で溶融させた溶鋼中の炭素濃度をレーザ誘起蛍光分析法により分析した。
【０１１９】
本実施例では、レーザ誘起蛍光分析法に用いるアブレーションレーザとして、ＱスイッチパルスＮｄ：ＹＡＧレーザを、選択励起レーザとして、チタンサファイアレーザを用いた。選択励起レーザの波長は２４７．８５ｎｍとし、波長１９３．０９ｎｍのレーザ誘起蛍光光量を光量検出器で測定した。光量検出器としては、光電子増倍管を用いた。また、溶鋼表面で発生したレーザ誘起蛍光は、筒状部材の上方に設けたミラーにより反射させ、光量検出器に導入した。
【０１２０】
ここで、実施例１において使用した筒状部材１１００を図１５に示す。筒状部材１１００は、ステンレススチール（ＳＵＳ３１６）製管で形成された送光管１１１１、内管１１１３及び外管１１１５と、耐火物層１１１７とから構成される。送光管１１１１は、外径が１３．８ｍｍ、厚みが１．６５ｍｍであり、内面側に、電解研磨仕上げにより反射面を形成した。また、内管１１１３として、外径４２．７ｍｍで、厚み１．６５ｍｍのステンレススチール製管を、外管１１１５として、外径７６．３ｍｍで、厚み３．０ｍｍのステンレススチール製管をそれぞれ使用した。耐火物層１１１７として、マグネシアスピネル系キャスタブル材を使用し、耐火物層１１１７を成形する際に、発泡剤としてタンパク質系発泡剤を使用した。なお、耐火物層１１１７の厚みは１５０ｍｍ、気孔率は７０％であった。また、耐火物層１１１７の下端から送光管１１１１の下端までの距離を５０．０ｍｍとした。このとき、冷却ガスの供給側流路１１１０ｂの断面積Ｓｉと排出側流路１１１０ｃの断面積Ｓｏとの比Ｓｏ／Ｓｉは、２．３となる。また、耐火物層１１１７の熱伝達率の指標λ／ｌｎ（ｒ１／ｒ２）は０．３となる。また、本実施例で耐火物として使用したマグネシアスピネル系キャスタブル材の熱伝導率は、ＭｇＯ８４％、気孔率１７．５％、１０００℃で２．４Ｗ／ｍ・Ｋ（ＡＧＣセラミックスＨＰ）であった。
【０１２１】
分析条件としては、溶鋼が筒状部材１１００の開口部から流入しないように、送光管１１１１の内部にアルゴンガスを２．０ＮＬ／ｍｉｎで導入しながら、測定用の筒状部材１１００の先端から深さ５０ｍｍまで浸漬した。このとき、筒状部材１１００の先端は、溶鋼表面のスラグの下方に位置していた。また、冷却ガスとして空気を７．５Ｎｍ３／ｍｉｎで導入した。なお、溶鋼温度は１６５０℃であった。
【０１２２】
このような条件で溶鋼中の炭素濃度の分析を行った結果を図１７に示す。図１７の縦軸は、レーザ誘起蛍光発光光量（ｍＶ）を示し、横軸は炭素濃度（ｐｐｍ）を示している。また、本実施例による分析結果を「◆」で示した。溶鋼中の炭素濃度は、燃焼赤外線吸収法により測定した。
【０１２３】
図１７に示すように、レーザ誘起蛍光光量（ｍＶ）と炭素濃度（ｐｐｍ）とは、ほぼ直線状の相関を示し、本実施例の筒状部材１１００を用いることで、レーザ誘起蛍光分析法による炭素濃度の精度が高い分析が可能であることが確認された。
【０１２４】
なお、炭素濃度の分析中における冷却ガスの排出側温度は５２０℃程度であり、筒状部材１１００に変形は見られず、問題なく分析に使用できた。また、分析終了後、筒状部材１１００の外表面に地金の付着は見られなかった。
【０１２５】
（実施例２）
本実施例においても、実施例１と同様に、溶融金属の測定例として溶鋼中の炭素濃度の分析を行った。
【０１２６】
本実施例において使用した筒状部材１２００を図１６に示す。筒状部材１２００は、ステンレススチール（ＳＵＳ３０４）製管で形成された送光管１２１１、内管１２１３及び外管１２１５と、耐火物層１２１７とから構成される。送光管１２１１は、外径が１３．８ｍｍ、厚みが１．６５ｍｍであり、内面側に電解研磨仕上げにより反射面を形成し、外面に冷却フィンとして高さ１５．０ｍｍ、厚み１．０ｍｍのステンレススチール製の板を１２枚取り付けた。また、外管１２１５の外周に線径２．０ｍｍのポリプロピレン製線を３．０ｍｍピッチで巻きつけた上で、耐火物層１２１７を施工した。その他の設計条件は、実施例１と同様である。このとき、冷却フィンによる表面積増加率Ｓｆｉｎ／Ｓｉｎｉは８．２であり、冷却ガスの供給側流路１２１０ｂの断面積Ｓｉと排出側流路１２１０ｃの断面積Ｓｏとの比Ｓｏ／Ｓｉは２．３となる。また、耐火物層１２１７の熱伝達率の指標λ／ｌｎ（ｒ１／ｒ２）は０．２５となる。
【０１２７】
溶鋼が筒状部材１２００の開口部から流入しないように、送光管１２１１の内部にアルゴンガスを２．０ＮＬ／ｍｉｎで導入しながら、測定用の筒状部材１２００の先端から深さ５０ｍｍまで浸漬した。このとき、筒状部材１２００の先端は、溶鋼表面のスラグの下方に位置していた。また、冷却ガスとして空気を７．５Ｎｍ３／ｍｉｎで導入した。なお、溶鋼温度は１６５０℃であった。
【０１２８】
このような条件でレーザ誘起蛍光分析法による溶鋼中の炭素濃度の分析を行った結果、レーザ誘起蛍光光量（ｍＶ）と炭素濃度（ｐｐｍ）とは、実施例１と同様に、ほぼ直線状の相関を示し、本実施例の筒状部材１２００を用いることで、レーザ誘起蛍光分析法による炭素濃度の精度が高い分析が可能であることが確認された。
【０１２９】
なお、炭素濃度の分析中における冷却ガスの排出側温度は２７０℃程度であり、筒状部材１２００に変形は見られず、問題なく分析に使用できた。また、分析終了後、筒状部材１２００の外表面に地金の付着は見られなかった。
【０１３０】
参考までに、ステンレス鋼の高温強度としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６ともに常温で引張強さ６０ｋｇ／ｍｍ２程度であり、引張強さが常温の７５％となる温度まで使用可能とすると、ＳＵＳ３０４で４９０℃、ＳＵＳ３１６で６００℃程度である。
【０１３１】
（比較例１）
比較例１として、実施例１で送光管を酸洗仕上げのステンレススチール製管で作成した。その他の設計条件、分析条件については実施例１と同様である。
【０１３２】
このような条件で溶鋼中の炭素濃度の分析を行った結果を図１７に示す。本比較例による分析結果を「△」で示した。
【０１３３】
図１７に示すように、本比較例の筒状部材を使用した場合には、実施例１の筒状部材を使用した場合と比べて、検出されるレーザ誘起蛍光光量が少なく、炭素濃度との相関が見られなかった。よって、本比較例における筒状部材を使用した場合には、溶鋼中の炭素濃度の分析の精度が低く、溶鋼中の炭素の濃度の分析には使用できないことがわかった。
【０１３４】
（実施例３）
本実施例は、溶融金属の測定例として溶鋼温度の測定を行った例である。具体的には、上述した本発明による筒状部材を使用して、誘導溶解炉で溶融させた溶鋼の温度を、放射測温により測定した。
【０１３５】
本実施例では、放射測温に用いる測定器として、放射温度計を使用した。溶鋼表面からの輻射光は、筒状部材上端に設けたミラーにより反射し、放射温度計に導入した。ここで、実施例３において使用した筒状部材は、実施例１と同様である。
【０１３６】
分析条件としては、溶鋼が筒状部材１１００の開口部から流入しないように、送光管１１１１の内部にアルゴンガスを２．０ＮＬ／ｍｉｎで導入しながら、測定用の筒状部材１１００の先端から深さ５０ｍｍまで浸漬した。このとき、筒状部材１１００の先端は、溶鋼表面のスラグの下方に位置していた。また、冷却ガスとして空気を７．５Ｎｍ３／ｍｉｎで導入した。このような条件で溶鋼の測温を行った結果を図１８に示す。
【０１３７】
図１８に示すように、測定された輻射光光量と、従来法である消耗型浸漬熱電対による測定温度とは良い相関を示し、本実施例による筒状部材を用いることで、放射測温による連続的かつ精度の良い温度測定が可能であることが確認された。
【０１３８】
なお、溶鋼温度の測定中における冷却ガスの排出側温度は５２０℃程度であり、筒状部材１１００に変形は見られず、問題なく分析に使用できた。また、分析終了後、筒状部材１１００の外表面に地金の付着は見られなかった。
【０１３９】
（実施例４）
本実施例においても、実施例３と同様に、溶融金属の測定例として溶鋼温度の測定を行った。
【０１４０】
本実施例においては、放射測温に用いる測定器および輻射光の導入法は、実施例３と同様であり、使用した筒状部材は、実施例２と同様である。
【０１４１】
分析条件としては、溶鋼が筒状部材１２００の開口部から流入しないように、送光管１２１１の内部にアルゴンガスを２．０ＮＬ／ｍｉｎで導入しながら、測定用の筒状部材１２００の先端から深さ５０ｍｍまで浸漬した。このとき、筒状部材１２００の先端は、溶鋼表面のスラグの下方に位置していた。また、冷却ガスとして空気を７．５Ｎｍ３／ｍｉｎで導入した。
【０１４２】
このような条件で溶鋼の測温を行った結果、測定された輻射光光量と従来法である消耗型浸漬熱電対による測定温度とは、図１８と同様に、良い相関を示し、本実施例による筒状部材を用いることで、放射測温による連続的かつ精度の良い温度測定が可能であることが確認された。
【０１４３】
なお、溶鋼温度の測定中における冷却ガスの排出側温度は２７０℃程度であり、筒状部材１２００に変形は見られず、問題なく分析に使用できた。また、分析終了後、筒状部材１２００の外表面に地金の付着は見られなかった。
【０１４４】
（比較例２）
比較例２として、送光管を、比較例１と同様に酸洗仕上げのステンレススチール製管で作成したものを用いた。その他の設計条件、分析条件については実施例３と同様である。
【０１４５】
本比較例の筒状部材を使用した場合には、実施例３の筒状部材を使用した場合と比べて、検出される輻射光強度が小さいため、ノイズによる影響が無視できず、測定結果のばらつきが大きくなり、消耗型浸漬熱電対による測定温度との相関が見られなかった。よって、本比較例における筒状部材は、溶鋼の測温には使用できないことがわかった。
【０１４６】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１４７】
例えば、上述した実施形態においては、溶融金属の測定例として、溶融金属の成分分析の場合について説明したが、本発明は、溶融金属から放射される光を用いて行う温度測定を行う測定装置にも適用できる。
【０１４８】
また、上述した実施形態においては、冷却手段が、内管と外管とにより形成される２重管構造の冷却管である場合について説明したが、この場合には限られず、反射面の冷却効果を高め、筒状部材の外面の冷却効果を抑制するものであれば、いかなる形態の冷却手段であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１４９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る溶融金属用測定装置の全体構成を示す説明図である。
【図２】同実施形態に係る筒状部材の構成を示す説明図である。
【図３】同実施形態に係るＨ／Ｄの適正値を説明するための説明図である。
【図４】同実施形態におけるＳＮ比（ｄＢ）とＨ／Ｄとの関係の一例を示すグラフである。
【図５】本明細書における用語の定義を説明するための説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る筒状部材の構成を示す説明図である。
【図７】同実施形態における冷却フィンを設けたことによる送光管の外面の表面積の増加率Ｓｆｉｎ／Ｓｉｎｉと、排出側流路における熱伝達率ｈｏと供給側流路における熱伝達率ｈｆｉｎとの熱伝達率比ｈｏ／ｈｆｉｎとの関係の一例を示すグラフである。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る筒状部材の構成を示す説明図である。
【図９】同実施形態における排出側流路の断面積Ｓｏと供給側流路の断面積Ｓｉとの流路断面積比Ｓｏ／Ｓｉと、排出側流路における熱伝達率ｈｏと供給側流路における熱伝達率ｈｉとの熱伝達率比ｈｏ／ｈｉとの関係の一例を示すグラフである。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る筒状部材の構成を示す説明図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る筒状部材の構成を示す説明図である。
【図１２】同実施形態に係る耐火物層における熱伝達率の指標として用いたλ／ｌｎ（ｒ１／ｒ２）（Ｗ／ｍ・ｋ）と、耐火物層の内面温度（℃）との関係の一例を示すグラフである。
【図１３】本発明の第６の実施形態に係る筒状部材の構成を示す説明図である。
【図１４】同実施形態に係る耐火物層の空隙率φと、耐火物層に空隙が有る場合の熱伝達率Ｋφと空隙が無い場合の熱伝達率Ｋ０との熱伝達率比Ｋφ／Ｋ０との関係の一例を示すグラフである。
【図１５】本発明の実施例１で用いた筒状部材の構成を示す説明図である。
【図１６】本発明の実施例２で用いた筒状部材の構成を示す説明図である。
【図１７】本発明の実施例１及び比較例における溶鋼中の炭素濃度の分析を行った結果を示すグラフである。
【図１８】本発明の実施例３における溶鋼の測温を行った結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１５０】
１０ 発光分光分析装置
１１ 測定器
１３ 光学系
１５ ミラー
２０ 溶鋼鍋
１００，２００，３００，４００，５００，６００ 筒状部材
１１０ 筒本体
１１０ａ，２１０ａ，３１０ａ，４１０ａ，５１０ａ，６１０ａ 反射面
１１１，２１１，３１１，４１１，５１１，６１１ 送光管
１１３，２１３，３１３，４１３，５１３，６１３ 内管
１１５，２１５，３１５，４１５，５１５，６１５ 外管
１１７，２１７，３１７，４１７，５１７，６１７ 耐火物層
２１０ｂ，３１０ｂ，４１０ｂ，５１０ｂ，６１０ｂ 供給側流路
２１０ｃ，３１０ｃ，４１０ｃ，５１０ｃ，６１０ｃ 排出側流路
２１９ 冷却フィン
６１８ スリット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融金属用測定装置に関し、特に、表面に浮遊物を有する溶融金属の成分分析や温度測定を行う溶融金属用測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶融金属の成分測定や放射測温等、溶融金属液面における発光や吸光を利用した測定では、測定精度を高めるために、スラグ等の浮遊物を除去して清浄な液面を得ることが重要である。
【０００３】
このようなスラグ等の浮遊物を除去して清浄な液面を得る方法として、例えば、溶融金属液面から測定光を受光する光学系まで測定光を伝送するプローブの一部を浸漬する方法が提案されている（例えば、特許文献１及び２を参照）。これらのプローブの場合、プローブ内での測定光の伝送を空間伝送としている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３００８１９号公報
【特許文献２】特開２００２−９８６８５号公報
【特許文献３】特開昭５６−１２８４４５号公報
【特許文献４】特開平１−２９９４２３号公報
【特許文献５】特開２００４−３７１６３号公報
【特許文献６】特開昭５８−１８９５２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１及び２に記載されたプローブでは、光学系が溶融金属からの輻射により加熱されると測定結果に影響を与えるため、溶融金属から光学系までの距離をある程度長くとる必要があり、その結果、光学系による測定光の採光率が低く、実用化には未だ至っていない。
【０００６】
また、光学系による測定光の採光率を高めるために、測定光を伝送するプローブ内で光を反射させる方法も提案されている（例えば、特許文献３を参照）。しかし、この場合、プローブを浸漬させることができず、上記特許文献１及び２の場合と同様に、溶融金属からある程度距離を長くとる必要があるため、実用化には至っていない状況である。
【０００７】
一方、従来の測温技術としては、消耗型浸漬熱電対を溶融金属に浸漬して直接測温する方法や、精錬容器に設置された羽口等の開口部から放射測温により測定する方法などがあった。
【０００８】
しかし、消耗型浸漬熱電対で計測する場合、連続的な測温は不可能であり、さらに、熱電対を使い捨てすることになるためコストがかかる、という問題がある。
【０００９】
また、耐火物保護管を使用した連続型浸漬熱電対による測温技術もある（例えば、特許文献４を参照）。この場合、保護管を冷却することが出来ないため、材質として高耐熱性、高耐食性が必要であり、且つ応答速度を高めるために高い熱伝導性も要求される。そのため、一部の特殊な耐火物しか使用することが出来ず、コストが増大するという問題があった。
【００１０】
一方、羽口等から放射測温により測定する場合（例えば、特許文献５を参照）、計測器が熱により損傷されるのを防ぐため、溶融金属表面から一定の距離をおく必要があった。そのため、測定に使用できる輻射光光量は限られており、採光率が低いという問題があった。また、取鍋上方から筒状の測定プローブを挿入して放射測温を実施する場合（例えば、特許文献６を参照）、成分分析の場合と同様に光学系を溶融金属面から一定の距離を置く必要があり、この場合も採光率が低いという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、表面に浮遊物を有する溶融金属の測定を行う溶融金属用測定装置において、採光率を向上させることにより測定精度を改善することを目的とする。
【００１２】
さらに、本発明を測温技術に適用する場合には、溶融金属用測定装置を連続的に使用可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、溶融金属からの発光（測定光）を測定機器まで伝送するプローブ等の筒状部材の内面に、測定光を反射する反射面を設けることにより、筒状部材の内面で測定光を反射させて、従来の方法では周囲に発散していた測定光を集めることができるため、測定光の採光率を向上させることができることを見出した。
【００１４】
また、本発明者らは、さらに検討を進めた結果、筒状部材の内面側に設けられた反射面を冷却する冷却手段を設けることにより、溶融金属からの受熱による反射面における反射率の低下を抑制できるとともに、筒状部材外面への地金の成長を抑制でき、溶融金属用測定装置の操業性を改善できることを見出した。
【００１５】
本発明は、以上のような知見に基づいて完成されたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
【００１６】
すなわち、本発明によれば、表面に浮遊物を有する溶融金属からの発光に基づいて前記溶融金属の成分分析と温度測定の少なくともいずれか一方を行う測定器と、前記溶融金属からの発光を前記測定器に伝送する筒状部材と、を備え、前記筒状部材は、一端が前記溶融金属中に浸漬されるとともに、他端が前記測定部に接続され、内面側に前記発光を反射させる反射面を有する溶融金属用測定装置が提供される。
【００１７】
ここで、前記反射面は、前記反射面における前記発光の伝送方向に対して前記溶融金属側の端部が、前記筒状部材における前記発光の伝送方向に対して前記溶融金属側の端部から離隔して設けられており、前記反射面の前記溶融金属側の端部と前記筒状部材の前記溶融金属側の端部との距離Ｈと、前記筒状部材の内径Ｄとの比は、０＜Ｈ／Ｄ≦１０であることが好ましい。
【００１８】
また、前記筒状部材は、少なくとも前記反射面を冷却する冷却手段を有することが好ましい。
【００１９】
また、前記筒状部材は、内面側に前記反射面を有し、前記発光を伝送する送光管と、前記送光管の外側に同軸状に設けられる内管と、当該内管の外側に同軸状に設けられる外管と、によって形成される冷却管と、前記送光管及び前記冷却管の外面の一部又は全部を被覆する耐火物層と、を備えており、前記内管と前記外管とが一端において連通しており、前記内管の他端から冷却媒体が供給され、前記外管の他端から前記冷却媒体が排出されるようにしてもよい。
【００２０】
この場合、前記送光管の外面と前記内管の内面とにより形成される前記冷却媒体の供給側流路に、冷却フィンが設けられていることが好ましい。
【００２１】
また、前記内管の外面と前記外管の内面とにより形成される前記冷却媒体の排出側流路の断面積は、前記送光管の外面と前記内管の内面とにより形成される前記冷却媒体の供給側流路の断面積よりも大きいことが好ましい。
【００２２】
また、前記外管は、前記発光の伝送方向に対して、前記測定部側の径が前記溶融金属側の径よりも大きなテーパ型の形状を有し、前記筒状部材の前記発光の伝送方向に対して前記測定部側の端部において、前記内管の外面と前記外管の内面とにより形成される前記冷却媒体の排出側流路の断面積は、前記送光管の外面と前記内管の内面とにより形成される前記冷却媒体の供給側流路の断面積よりも大きいことが好ましい。
【００２３】
また、前記耐火物層の所望の内面温度及び外面温度に応じて、前記耐火物層の熱伝導率、外径及び内径を決定してもよい。
【００２４】
また、前記耐火物層は、内部に空隙を有することが好ましい。
【００２５】
また、前記反射面を、例えば、鏡面加工が施されたステンレススチールで形成することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、表面に浮遊物を有する溶融金属の測定を行う溶融金属用測定装置において、筒状部材の内面側に溶融金属からの発光を反射する反射面を設けることにより、採光率を向上させることができ、これにより測定精度を改善することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２８】
［第１の実施形態］
（溶融金属用測定装置の全体構成）
初めに、図１を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る溶融金属用測定装置の一例として、溶融金属中の成分分析を行う発光分光分析装置１０の全体構成について説明する。なお、図１は、本実施形態に係る発光分光分析装置１０の全体構成を示す説明図である。
【００２９】
図１に示すように、発光分光分析装置１０は、測定器１１と、光学系１３と、筒状部材１００と、を主に備える。なお、以下の説明では、溶融金属として溶鋼Ｍ、溶融金属表面の浮遊物としてスラグＳを例に挙げて説明する。
【００３０】
測定器１１は、溶鋼鍋２０に装入された表面にスラグＳ等の浮遊物を有する溶鋼Ｍからの発光（測定光Ｌ）に基づいて溶鋼Ｍ中の成分分析を行う。この測定器１１としては、例えば、レーザ誘起蛍光分析法を用いる場合には、レーザの照射により誘起されて発生した溶鋼Ｍからの蛍光を検出し、この蛍光光量を測定する光量検出器が挙げられる。
【００３１】
光学系１３は、溶鋼Ｍからの発光（測定光Ｌ）を受光して、受光した測定光Ｌを測定器１１に導入する。本実施形態では、筒状部材１００の上方（測定光Ｌの伝送方向に対して溶鋼Ｍと反対側）に設置されたミラー１５に測定光Ｌを反射させ、測定器１１に測定光Ｌを導入している。また、本実施形態では、光学系１３は、測定部１１と筒状部材１００との接続部の役割も果たしている。
【００３２】
なお、後述するように、測定光Ｌは、筒状部材１００の内部で反射されるが、ここでいう「測定光Ｌ（溶鋼Ｍからの発光）の伝送方向」とは、測定光Ｌが伝送される方向（図１の例では、ミラー１５の方向である鉛直方向上向き）のことを意味する。
【００３３】
筒状部材１００は、溶鋼Ｍからの発光（測定光Ｌ）を採取して、光学系１３を介して測定器１１に測定光Ｌを伝送する。この筒状部材１００は、例えば直管状の形状をしており、先端部（図１の例では、鉛直方向下側の端部）が溶鋼Ｍ中に浸漬されるとともに、後端部（図１の例では、鉛直方向上側の端部）が、光学系１３を介して測定器１１に接続される。このように、筒状部材１００の先端部は、スラグＳ等の浮遊物を避けて、スラグＳの下方に位置する溶鋼Ｍ中に浸漬されるため、筒状部材１００は、溶鋼Ｍの清浄な液面からの発光を採取することができ、溶鋼Ｍの成分分析の精度を向上させることができる。
【００３４】
また、筒状部材１００は、筒本体１１０の内面側に測定光Ｌを反射させる反射面１１０ａを有する。発光分光分析装置１０においては、筒状部材１００がこの反射面１１０ａを有することにより、筒状部材１００の内面で測定光Ｌを反射させて、従来の方法では周囲に発散していた測定光Ｌを集めることができる。従って、発光分光分析装置１０によれば、測定光Ｌの採光率を向上させ、発光分光分析装置１０による溶鋼Ｍの成分分析の精度をさらに向上させることができる。
【００３５】
このような反射面１１０ａは、例えば、後述するように、鏡面加工が施されたステンレススチール（ＳＵＳ）を用いて形成することができる。
【００３６】
なお、発光分光分析装置１０を用いた溶鋼Ｍの成分分析の際は、筒本体１１０の内部に溶鋼Ｍに向かって（図１の例では、鉛直方向下向きに）、アルゴンや窒素等の非酸化性ガスを吹き込むことで、溶鋼Ｍが筒状部材１００の内部に侵入しないようにして、筒状部材１００の劣化を抑制している。また、このように非酸化性ガスを吹き込むことにより、筒状部材１００の下端の開口部において、溶鋼Ｍからの発光を採取するための採光面を形成することができる。
【００３７】
（筒状部材１００の構成）
次に、図２を参照しながら、本実施形態に係る筒状部材１００の構成について詳細に説明する。なお、図２は、本実施形態に係る筒状部材１００の構成を示す説明図である。
【００３８】
図２に示すように、筒状部材１００は、送光管１１１と、内管１１３と外管１１５とによって形成される冷却管と、耐火物層１１７と、を主に有する。すなわち、筒状部材１００は、送光管１１１と、内管１１３と、外管１１５とからなる三重管構造を有している。
【００３９】
送光管１１１は、内面側に反射面１１０ａを有し、溶鋼Ｍからの発光を伝送する。この送光管１１１は、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材１００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている。従って、反射面１１０ａも、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材１００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている。
【００４０】
また、送光管１１１（または反射面１１０ａ）の溶鋼Ｍ側の端部と筒状部材１００の溶鋼Ｍ側の端部との距離Ｈ（ｍｍ）と、筒状部材１００の内径、すなわち、送光管１１１の内径Ｄ（ｍｍ）との比であるＨ／Ｄは、０＜Ｈ／Ｄ≦１０であることが好ましい。ここで、図３を参照しながら、上記Ｈ／Ｄの適正値の範囲について説明する。なお、図３は、本実施形態に係るＨ／Ｄの適正値を説明するための説明図である。
【００４１】
図３に示すように、反射面１１０ａを有する送光管１１１は、溶鋼Ｍからの放射光ＬＲを採取する。この際、放射光ＬＲのうち、送光管１１１の内面である反射面１１０ａに入射するのは、図２に示す広がり角θの範囲にある光である。一般に、溶融金属の成分分析で良好な精度の分析を行うためには、採光率を０．１％以上確保することが好ましいとされている。ここで、採光率は、Ｉｔｏｔａｌを溶鋼Ｍの表面上の１点から発生する放射光ＬＲの立体角（＝２πステラジアン）とし、Ｉを放射光ＬＲのうち送光管１１１の内面である反射面１１０ａに入射する放射光ＬＲの立体角（＝２π（１−ｃｏｓθ）ステラジアン）とすると、「採光率＝Ｉ／Ｉｔｏｔａｌ」で定義される。すなわち、精度の良好な分析を行うためには、Ｉ／Ｉｔｏｔａｌ≧０．１であることが好ましい。このとき、ｃｏｓθ＝（Ｈ／Ｄ）／√（（Ｈ／Ｄ）２＋１／４）であることから、Ｈ／Ｄ≦１０となる。
【００４２】
一方、Ｈ／Ｄの値は小さいほど好ましいが、Ｈ／Ｄ＝０であると溶鋼Ｍと送光管１１１とが接触してしまうため、Ｈ／Ｄ＞０とする。
【００４３】
続いて、図４を参照しながら、Ｈ／Ｄと測定精度との関係について説明する。図４は、本実施形態におけるＳＮ比（ｄＢ）とＨ／Ｄとの関係の一例を示すグラフである。この例では、シグナル強度Ｉｓｉｇｎａｌを送光管１１１による採光率が１００％のときを１とし、Ｈ／Ｄの値を大きくすると採光率に応じて減少するものと仮定し、ノイズ強度ＩｎｏｉｓｅをＨ／Ｄによらず１０−６で一定と仮定して計算した。また、ＳＮ比は、１０×ｌｏｇ（Ｉｓｉｇｎａｌ／Ｉｎｏｉｓｅ）の式により算出した。なお、ＳＮ比が高いほど成分分析における測定精度も高いものとなる。
【００４４】
その結果、図４に示すように、Ｈ／Ｄが大きくなるほど、ＳＮ比が低くなる、すなわち、測定精度が悪化するということがわかった。また、一般に、ＳＮ比が３０以上であれば、十分な測定精度を有しているといわれているが、この例においても、Ｈ／Ｄが１０以下では、ＳＮ比が３０以上となっていた。
【００４５】
再び、図２を参照しながら、筒状部材１００の構成についての説明を続ける。本実施形態に係る冷却管は、少なくとも送光管１１１内面の反射面１１０ａを冷却する冷却手段の一例であり、上述のように、内管１１３と外管１１５とによって形成される。
【００４６】
内管１１３は、送光管１１１の外側に同軸状に設けられ、外管１１５は、内管１１３の外側に同軸状に設けられる。また、内管１１３と外管１１５とは、測定光Ｌの伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部（本実施形態では、鉛直方向下端部）において連通している。そして、内管１１３の測定光Ｌの伝送方向に対して測定器１１側の端部（本実施形態では、鉛直方向上端部）から冷却媒体が供給され、外管１１５の測定器１１側の端部から冷却媒体が排出される。このように、冷却媒体が冷却管内を流れることにより、主に、送光管１１１内面の反射面１１０ａが冷却される。なお、本実施形態において使用される冷却媒体としては、特に限定はされないが、例えば、空気、水蒸気、非酸化性ガス等の冷却ガス、冷却水等が挙げられる。
【００４７】
上述した送光管１１１、内管１１３及び外管１１５の材質としては、耐熱性等に優れるステンレススチールを使用することが好ましい。特に、送光管１１１は、内面に鏡面等の反射面１１０ａを有するため、反射性や光沢性に優れたＮｉ系（Ｎｉを多く含有する）ステンレススチール（例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等）を使用することが好ましい。
【００４８】
耐火物層１１７は、送光管１１１及び冷却管（外管１１５）の外面の一部又は全部を被覆する。耐火物層１１７を構成する耐火物としては、通常の製鋼工程等で使用される耐火物を使用でき、例えば、マグネシアスピネル系キャスタブル材等を使用できる。この耐火物層１１７は、例えば、以下のようにして成形することができる。まず、セラミックス粉末と水とを混合してセラミックススラリーを調製する。次いで、金型の中央に送光管１１１、内管１１３及び外管１１５からなる部材を設置してから、上記のようにして調製したセラミックススラリーを流し込み、鋳込み成形を行う。さらに、脱型及び脱脂した後に焼成を行うことで、耐火物層１１７を成形することができる。
【００４９】
（用語の定義）
ここで、図５を参照しながら、以下の説明に使用する用語の定義について説明する。なお、図５は、本明細書における用語の定義を説明するための説明図である。
【００５０】
図５に示すように、断面積Ｓｉとは、送光管１１１の外面と内管１１３の内面とにより形成される冷却媒体の供給側流路の水平断面の断面積を意味し、断面積Ｓｏとは、内管１１３の外面と外管１１５の内面とにより形成される冷却媒体の排出側流路の水平断面の断面積を意味する。また、表面積Ｓｉｎｉとは、送光管１１１の外面の表面積を意味し、表面積Ｓｆｉｎとは、送光管１１１の外面に後述する冷却フィンを設けた場合における送光管１１１が外面の表面積（冷却フィンの表面積も含む）を意味する。また、耐火物外径ｒ１とは、送光管１１１の内面から耐火物層１１７の外面までの水平方向の距離を意味し、耐火物内径ｒ２とは、送光管１１１の内面から（送光管１１１及び冷却管が形成されている部位における）耐火物層１１７の内面までの水平方向の距離を意味する。
【００５１】
なお、以下の説明における熱伝達率ｈｉは、冷却媒体の供給側流路における熱伝達率を意味し、熱伝達率ｈｏは、冷却媒体の排出側流路における熱伝達率を意味する。また、本実施形態における熱伝達率ｈは、長さｌの領域について、管の内面又は外面の半径をｒとし、熱通過量をＱ、管の表面温度をＴｗ、冷却ガスの温度をＴｇとしたときに、下記式で表されるものとする。
ｈ＝Ｑ／２πｒｌ・｜Ｔｗ−Ｔｇ｜
【００５２】
また、このようにして定めた熱伝達率は、例えば、熱電対により管の表面温度と冷却ガス温度を測定し、熱流束計により管の半径方向の熱通過量を測定することで、求めることができる。
【００５３】
具体的に、本実施形態では、まず、熱伝達率ｈｉについては、管１１１の長さｌの領域について、管外面の半径をｒとし、管外面の温度をＴｗ、接する冷却ガスの温度をＴｇ、管１１１内面で測定した熱通過量がＱで定常状態となったとき、熱伝達率ｈｉは、下記式で表される。
ｈｉ＝Ｑ／２πｒｌ・（Ｔｇ−Ｔｗ）
【００５４】
また、熱伝達率ｈｏについては、管１１５の長さｌの領域について、管内面の半径をｒとし、管内面の温度をＴｗ’、接する冷却ガスの温度をＴｇ’とし、管１１５の外面で測定した熱通過量がＱ’で定常状態となったとき、熱伝達率ｈｏは、下記式で表される。
ｈｏ＝Ｑ’／２πｒｌ・（Ｔｗ’−Ｔｇ’）
【００５５】
次に、上述のようにして定義したパラメータを用いて、本発明の第２〜第６の実施形態に係る溶融金属用測定装置の構成等について説明する。本発明の第２〜第６の実施形態に係る溶融金属用測定装置は、冷却手段として送光管１１１の外側に設けられた冷却管を有するものである点では、上述した第１の実施形態の場合と同様であるが、送光管内部の反射面の冷却効率を高め、耐火物層の外面の冷却効率を低下させるための構成を有する点で、第１の実施形態の場合とは異なる。このような構成により、本発明の第２〜第６の実施形態に係る溶融金属用測定装置においては、溶融金属からの受熱による反射面における反射率の低下を抑制できるとともに、筒状部材外面への地金の成長を抑制できる。そして、これにより、溶融金属用測定装置の操業性を改善することが可能となる。
【００５６】
なお、本発明の第２〜第６の実施形態に係る溶融金属用測定装置の構成は、筒状部材の内部の構成の一部が第１の実施形態の場合と異なるため、第１の実施形態と共通する部分の説明を省略する場合がある。
【００５７】
［第２の実施形態］
まず、図６を参照しながら、本発明の第２の実施形態に係る筒状部材２００の構成について詳細に説明する。なお、図６は、本実施形態に係る筒状部材２００の構成を示す説明図である。
【００５８】
図６に示すように、筒状部材２００は、送光管２１１と、内管２１３と外管２１５とによって形成される冷却管と、耐火物層２１７と、冷却フィン２１９と、を主に有する。すなわち、筒状部材２００は、送光管２１１と、内管２１３と、外管２１５とからなる三重管構造を有している。
【００５９】
送光管２１１は、内面側に反射面２１０ａを有し、溶鋼Ｍからの発光を伝送する。この送光管２１１は、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材２００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている点は、第１の実施形態の場合と同様である。従って、反射面２１０ａも、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材２００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている。
【００６０】
本実施形態に係る冷却管は、少なくとも送光管２１１内面の反射面２１０ａを冷却する冷却手段の一例であり、上述のように、内管２１３と外管２１５とによって形成される。
【００６１】
内管２１３は、送光管２１１の外側に同軸状に設けられ、外管２１５は、内管２１３の外側に同軸状に設けられる。また、内管２１３と外管２１５とは、測定光Ｌの伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部（本実施形態では、鉛直方向下端部）において連通している。そして、内管２１３の測定光Ｌの伝送方向に対して測定器１１側の端部（本実施形態では、鉛直方向上端部）から冷却媒体が供給され、外管２１５の測定器１１側の端部から冷却媒体が排出される。このように、冷却媒体が冷却管内を流れることにより、主に、送光管２１１内面の反射面２１０ａが冷却される。なお、本実施形態において使用される冷却媒体の種類や送光管２１１、内管２１３及び外管２１５の材質は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００６２】
耐火物層２１７は、送光管２１１及び冷却管（外管２１５）の外面の一部又は全部を被覆する。耐火物層２１７を構成する耐火物の種類や成形方法は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００６３】
冷却フィン２１９は、送光管２１１の外面と内管２１３の内面とにより形成される冷却媒体の供給側流路２１０ｂに設けられている。具体的には、本実施形態では、冷却フィン２１９は、送光管２１１の外面にその長手方向に沿って複数設けられている。一方、内管２１３の外面と外管２１５の内面とにより形成される冷却媒体の排出側流路２１０ｃには、冷却フィンは設けられていない。
【００６４】
このように、本実施形態に係る溶融金属用測定装置においては、溶鋼Ｍからの発光の反射面２１０ａを有する送光管２１１の外面に冷却フィン２１９を設けることにより、冷却媒体の排出側流路２１０ｃと比べて、冷却媒体の供給側流路２１０ｂの熱伝達率を高くすることができる。従って、本実施形態に係る溶融金属用測定装置によれば、送光管２１１の冷却効率を高め、耐火物層２１７の冷却効率を低下させることができるので、溶鋼Ｍからの受熱による反射面２１０ａにおける反射率の低下を抑制できるとともに、耐火物層２１７の外面（すなわち、筒状部材２００の外面）への地金の成長を抑制できる。
【００６５】
ここで、図７を参照しながら、冷却フィン２１９を設けることによる反射率低下抑制効果及び地金成長抑制効果について説明する。なお、図７は、冷却フィン２１９を設けたことによる送光管２１１の外面の表面積の増加率Ｓｆｉｎ／Ｓｉｎｉと、排出側流路２１０ｃにおける熱伝達率ｈｏと供給側流路２１０ｂにおける熱伝達率ｈｆｉｎとの熱伝達率比ｈｏ／ｈｆｉｎとの関係の一例を示すグラフである。
【００６６】
図７には、反射面２１０ａを有する送光管２１１の内径を８ｍｍ、外径を１２ｍｍとし、内管２１３の内径を１６ｍｍ、外径を２０ｍｍとし、外管２１５の内径を２４ｍｍとし、冷却媒体（冷却ガス）の流量を１．０Ｎｍ３／ｍｉｎとし、Ｓｉｎｉを一定のまま、Ｓｆｉｎを増加させた場合、すなわち、冷却フィン２１９の表面積を増加させた場合の例を示している。
【００６７】
図７に示すように、表面積の増加率Ｓｆｉｎ／Ｓｉｎｉが大きくなると、熱伝達率比ｈｏ／ｈｆｉｎが顕著に減少した。このことから、冷却フィン２１９の表面積を大きくすると、供給側流路２１０ｂにおける冷却効率を高めるとともに、排出側流路２１０ｃにおける冷却効率を低下させる効果が高まるということがわかる。
【００６８】
［第３の実施形態］
次に、図８を参照しながら、本発明の第３の実施形態に係る筒状部材３００の構成について詳細に説明する。なお、図８は、本実施形態に係る筒状部材３００の構成を示す説明図である。
【００６９】
図８に示すように、筒状部材３００は、送光管３１１と、内管３１３と外管３１５とによって形成される冷却管と、耐火物層３１７と、を主に有する。すなわち、筒状部材３００は、送光管３１１と、内管３１３と、外管３１５とからなる三重管構造を有している。
【００７０】
送光管３１１は、内面側に反射面３１０ａを有し、溶鋼Ｍからの発光を伝送する。この送光管３１１は、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材３００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている点は、第１の実施形態の場合と同様である。従って、反射面３１０ａも、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材３００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている。
【００７１】
本実施形態に係る冷却管は、少なくとも送光管３１１内面の反射面３１０ａを冷却する冷却手段の一例であり、上述のように、内管３１３と外管３１５とによって形成される。
【００７２】
内管３１３は、送光管３１１の外側に同軸状に設けられ、外管３１５は、内管３１３の外側に同軸状に設けられる。また、内管３１３と外管３１５とは、測定光Ｌの伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部（本実施形態では、鉛直方向下端部）において連通している。そして、内管３１３の測定光Ｌの伝送方向に対して測定器１１側の端部（本実施形態では、鉛直方向上端部）から冷却媒体が供給され、外管３１５の測定器１１側の端部から冷却媒体が排出される。このように、冷却媒体が冷却管内を流れることにより、主に、送光管３１１内面の反射面３１０ａが冷却される。なお、本実施形態において使用される冷却媒体の種類や送光管３１１、内管３１３及び外管３１５の材質は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００７３】
耐火物層３１７は、送光管３１１及び冷却管（外管３１５）の外面の一部又は全部を被覆する。耐火物層３１７を構成する耐火物の種類や成形方法は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００７４】
本実施形態においては、内管３１３の外面と外管３１５の内面とにより形成される冷却媒体の排出側流路３１０ｃの断面積Ｓｏは、送光管３１１の外面と内管３１３の内面とにより形成される冷却媒体の供給側流路３１０ｂの断面積Ｓｉよりも大きくなるように、冷却管が設けられている。
【００７５】
このように、本実施形態に係る溶融金属用測定装置においては、排出側流路３１０ｃの断面積Ｓｏを供給側流路３１０ｂの断面積Ｓｉよりも大きくすることにより、冷却媒体の排出側流路３１０ｃの熱伝達率を抑制することができる。従って、本実施形態に係る溶融金属用測定装置によれば、送光管３１１の冷却効率を高い状態に維持したまま、耐火物層３１７の冷却効率を低下させることができるので、溶鋼Ｍからの受熱による反射面３１０ａにおける反射率の低下を抑制できるとともに、耐火物層３１７の外面（すなわち、筒状部材３００の外面）への地金の成長を抑制できる。
【００７６】
ここで、図９を参照しながら、排出側流路３１０ｃの断面積Ｓｏを供給側流路３１０ｂの断面積Ｓｉよりも大きくすることによる反射率低下抑制効果及び地金成長抑制効果について説明する。なお、図９は、排出側流路３１０ｃの断面積Ｓｏと供給側流路３１０ｂの断面積Ｓｉとの流路断面積比Ｓｏ／Ｓｉと、排出側流路３１０ｃにおける熱伝達率ｈｏと供給側流路３１０ｂにおける熱伝達率ｈｉとの熱伝達率比ｈｏ／ｈｉとの関係の一例を示すグラフである。
【００７７】
図９には、反射面３１０ａを有する送光管３１１の内径を８ｍｍ、外径を１２ｍｍとし、内管３１３の内径を１６ｍｍ、外径を２０ｍｍとし、冷却媒体（冷却ガス）の流量を１．０Ｎｍ３／ｍｉｎとし、外管３１５の内径を変化させた場合の例を示している。
【００７８】
図９に示すように、流路断面積比Ｓｏ／Ｓｉが大きくなると、熱伝達率比ｈｏ／ｈｉが顕著に減少した。このことから、排出側流路３１０ｃの断面積Ｓｏを供給側流路３１０ｂの断面積Ｓｉよりも大きくすると、供給側流路３１０ｂにおける冷却効率を高いまま維持できるとともに、排出側流路３１０ｃにおける冷却効率を低下させる効果が高まるということがわかる。
【００７９】
［第４の実施形態］
次に、図１０を参照しながら、本発明の第４の実施形態に係る筒状部材４００の構成について詳細に説明する。なお、図１０は、本実施形態に係る筒状部材４００の構成を示す説明図である。
【００８０】
図１０に示すように、筒状部材４００は、送光管４１１と、内管４１３と外管４１５とによって形成される冷却管と、耐火物層４１７と、を主に有する。すなわち、筒状部材４００は、送光管４１１と、内管４１３と、外管４１５とからなる三重管構造を有している。
【００８１】
送光管４１１は、内面側に反射面４１０ａを有し、溶鋼Ｍからの発光を伝送する。この送光管４１１は、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材４００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている点は、第１の実施形態の場合と同様である。従って、反射面４１０ａも、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材４００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている。
【００８２】
本実施形態に係る冷却管は、少なくとも送光管４１１内面の反射面４１０ａを冷却する冷却手段の一例であり、上述のように、内管４１３と外管４１５とによって形成される。
【００８３】
内管４１３は、送光管４１１の外側に同軸状に設けられ、外管４１５は、内管４１３の外側に同軸状に設けられる。また、内管４１３と外管４１５とは、測定光Ｌの伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部（本実施形態では、鉛直方向下端部）において連通している。そして、内管４１３の測定光Ｌの伝送方向に対して測定器１１側の端部（本実施形態では、鉛直方向上端部）から冷却媒体が供給され、外管４１５の測定器１１側の端部から冷却媒体が排出される。このように、冷却媒体が冷却管内を流れることにより、主に、送光管４１１内面の反射面４１０ａが冷却される。なお、本実施形態において使用される冷却媒体の種類や送光管４１１、内管４１３及び外管４１５の材質は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００８４】
耐火物層４１７は、送光管４１１及び冷却管（外管４１５）の外面の一部又は全部を被覆する。耐火物層４１７を構成する耐火物の種類や成形方法は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００８５】
本実施形態においては、外管４１５は、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して、測定部１１側の径が溶鋼Ｍ側の径よりも大きなテーパ型の形状を有し、かつ、筒状部材４００の溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して測定部１１側の端部において、内管４１３の外面と外管４１５の内面とにより形成される冷却媒体の排出側流路４１０ｃの断面積Ｓｏは、送光管４１１の外面と内管４１３の内面とにより形成される冷却媒体の供給側流路４１０ｂの断面積Ｓｉよりも大きくなるように、冷却管が設けられている。なお、図１０では、耐火物層４１７の形状が、外管４１５の形状に合わせてテーパ型に描かれているが、耐火物層４１７の形状は、必ずしもテーパ型である必要はない。
【００８６】
このように、本実施形態に係る溶融金属用測定装置においては、外管４１５の形状をテーパ型にすることで、上述した第３の実施形態の場合と同様に、排出側流路４１０ｃの断面積Ｓｏを供給側流路４１０ｂの断面積Ｓｉよりも部分的に大きくすることができ、これにより、冷却媒体の排出側流路４１０ｃの熱伝達率を抑制することができる。従って、本実施形態に係る溶融金属用測定装置によれば、送光管４１１の冷却効率を高い状態に維持したまま、耐火物層４１７の冷却効率を低下させることができるので、溶鋼Ｍからの受熱による反射面４１０ａにおける反射率の低下を抑制できるとともに、耐火物層４１７の外面（すなわち、筒状部材４００の外面）への地金の成長を抑制できる。
【００８７】
［第５の実施形態］
次に、図１１を参照しながら、本発明の第５の実施形態に係る筒状部材５００の構成について詳細に説明する。なお、図１１は、本実施形態に係る筒状部材５００の構成を示す説明図である。
【００８８】
図１１に示すように、筒状部材５００は、送光管５１１と、内管５１３と外管５１５とによって形成される冷却管と、耐火物層５１７と、を主に有する。すなわち、筒状部材５００は、送光管５１１と、内管５１３と、外管５１５とからなる三重管構造を有している。
【００８９】
送光管５１１は、内面側に反射面５１０ａを有し、溶鋼Ｍからの発光を伝送する。この送光管５１１は、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材５００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている点は、第１の実施形態の場合と同様である。従って、反射面５１０ａも、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材５００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている。
【００９０】
本実施形態に係る冷却管は、少なくとも送光管５１１内面の反射面５１０ａを冷却する冷却手段の一例であり、上述のように、内管５１３と外管５１５とによって形成される。
【００９１】
内管５１３は、送光管５１１の外側に同軸状に設けられ、外管５１５は、内管５１３の外側に同軸状に設けられる。また、内管５１３と外管５１５とは、測定光Ｌの伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部（本実施形態では、鉛直方向下端部）において連通している。そして、内管５１３の測定光Ｌの伝送方向に対して測定器１１側の端部（本実施形態では、鉛直方向上端部）から冷却媒体が供給され、外管５１５の測定器１１側の端部から冷却媒体が排出される。このように、冷却媒体が冷却管内を流れることにより、主に、送光管５１１内面の反射面５１０ａが冷却される。なお、本実施形態において使用される冷却媒体の種類や送光管５１１、内管５１３及び外管５１５の材質は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００９２】
耐火物層５１７は、送光管５１１及び冷却管（外管５１５）の外面の一部又は全部を被覆する。耐火物層５１７を構成する耐火物の種類は、第１の実施形態の場合と同様である。
【００９３】
本実施形態においては、耐火物層５１７の所望の内面温度及び外面温度に応じて、耐火物の物性が適正化される。より具体的には、例えば、耐火物層５１７の所望の内面温度及び外面温度に応じて、耐火物層５１７の熱伝導率λ、耐火物層５１７の外径ｒ１及び内径ｒ２が決定される。
【００９４】
ここで、耐火物層５１７の所望の内面温度としては、例えば、耐火物層５１７の内部の送光管５１１、内管５１３及び外管５１５の材質（例えば、ＳＵＳ）を熱による劣化から保護する（特に、送光管５１１内面側の反射面５１０ａの鏡面状態を維持できる）温度などが挙げられる。また、耐火物層５１７の所望の外面温度としては、例えば、耐火物層５１７の外面における地金の成長を抑制できる程度の温度などが挙げられる。
【００９５】
また、耐火物層５１７の熱伝導率λの調整は、耐火物層５１７における気孔率を制御することにより行うことができる。このように、気孔率を制御する方法としては、例えば、以下の２通りの方法がある。
【００９６】
第１に、セラミックス粉末と水とを混合して調製したセラミックススラリーに起泡剤を加えて攪拌することにより、スラリー中に気泡を形成させて、耐火物層５１７の熱伝導率を低下させる方法である。この場合の起泡剤は、気泡を作ることができるものであれば特に限定されず、起泡剤、界面活性剤などが含まれる。より具体的には、本実施形態で使用する起泡剤としては、タンパク質系起泡剤、卵白、アルキルベンゼンスルホン酸塩や高級アルキルアミノ酸等の界面活性剤などが例示できる。この第１の例の場合、起泡剤の添加量を多くしたり、気泡を多く作ることができる起泡剤を選択したりすることにより、耐火物層５１７の熱伝導率を低下させることができる。
【００９７】
第２に、上記セラミックススラリーに粒状の有機系物質を混入することにより、焼成時に上記有機系物質が分解されることを利用して、気泡を形成させて、耐火物層５１７の熱伝導率を低下させる方法である。この場合の粒状の有機系物質としては、発泡スチロールやプラスチック製ビーズなどが例示できる。この第２の例の場合、有機系物質の添加量を多くすることにより、耐火物層５１７の熱伝導率を低下させることができる。
【００９８】
このようにして調整した耐火物層の熱伝導率λは、例えば、熱電対により耐火物の表面温度を測定し、熱流束計により熱通過量を測定することで、求めることができる。具体的に、本実施形態では、耐火物層の熱伝導率λは、耐火物層の内径をｒ１、外径をｒ２、長さｌの領域について、内側の温度がＴ１、外側の温度がＴ２であったとき、測定される熱通過量がＱであったとすると、下記式で表される。
λ＝Ｑ・ｌｎ（ｒ２／ｒ１）／（２πｌ・（Ｔ１−Ｔ２））
【００９９】
また、本実施形態における気孔率は、耐火物施工部分の外形容積に対する、気孔（開放気孔および密閉気孔）容積の割合を意味する。気孔率Ｐは、ＪＩＳ Ｒ２２０５（「耐火れんがの見掛気孔率・吸水率・比重の測定方法」）に基づき、真比重Ｄｔおよびかさ比重Ｄｂを測定し、下記式により求めることができる。
Ｐ＝１−Ｄｂ／Ｄｔ
【０１００】
このように、本実施形態に係る溶融金属用測定装置においては、耐火物層５１７の物性や耐火物層５１７の形状や大きさを最適化することにより、送光管５１１、内管５１３及び外管５１５の温度上昇を抑制することができる。従って、本実施形態に係る溶融金属用測定装置によれば、送光管５１１の冷却効率の低下を防止するとともに、耐火物層５１７の冷却効率を低い状態で維持できるので、溶鋼Ｍからの受熱による反射面５１０ａにおける反射率の低下を抑制できるとともに、耐火物層５１７の外面（すなわち、筒状部材５００の外面）への地金の成長を抑制できる。
【０１０１】
ここで、図１２を参照しながら、耐火物層５１７の物性や耐火物層５１７の形状や大きさを最適化することによる反射率低下抑制効果及び地金成長抑制効果について説明する。なお、図１２は、耐火物層５１７における熱伝達率の指標として用いたλ／ｌｎ（ｒ１／ｒ２）（Ｗ／ｍ・ｋ）と、耐火物層５１７の内面温度（℃）との関係の一例を示すグラフである。なお、耐火物層５１７における熱伝達率の指標としてλ／ｌｎ（ｒ１／ｒ２）を用いたのは、以下の理由による。すなわち、耐火物層５１７の内面の温度をＴ２、外面の温度をＴ１、耐火物層５１７中の熱通過量をＱとすると、長さｌの領域について、下記式（１）の関係が成り立つ。この式（１）によれば、λ／ｌｎ（ｒ１／ｒ２）によって耐火物層５１７の内面の温度Ｔ２が決まるため、λ／ｌｎ（ｒ１／ｒ２）を耐火物層５１７における熱伝達率の指標とした。
Ｔ２＝Ｔ１−Ｑ／（２πｌ・λ／ｌｎ（ｒ１／ｒ２）） ・・・（１）
【０１０２】
図１２には、内管５１３の外径を２０ｍｍとし、外管５１５の内径を２４ｍｍ、外径を２８ｍｍ（一定）とし、外管５１５の内面温度を２５℃とし、耐火物層５１７の外面温度を１６００℃とし、耐火物層５１７の熱伝導率λ及び耐火物層５１７の内径ｒ２を変化させた場合の例を示している。
【０１０３】
図１２に示すように、耐火物層５１７の熱伝達率λ／ｌｎ（ｒ１／ｒ２）が高くなると、耐火物層５１７の内面温度も高くなった。このことから、耐火物層５１７の内面温度を低くして、送光管５１１及び冷却管の温度を低くしたい場合には、耐火物層５１７の熱伝達率を低くする（例えば、耐火物層５１７の気孔率を大きくして熱伝導率λを小さくする）ことが必要であることがわかる。この場合、送光管５１１の冷却効率の低下を防止するとともに、耐火物層５１７の冷却効率を低い状態で維持できる。
【０１０４】
［第６の実施形態］
次に、図１３を参照しながら、本発明の第６の実施形態に係る筒状部材６００の構成について詳細に説明する。なお、図１３は、本実施形態に係る筒状部材６００の構成を示す説明図である。
【０１０５】
図１３に示すように、筒状部材６００は、送光管６１１と、内管６１３と外管６１５とによって形成される冷却管と、耐火物層６１７と、を主に有する。すなわち、筒状部材６００は、送光管６１１と、内管６１３と、外管６１５とからなる三重管構造を有している。
【０１０６】
送光管６１１は、内面側に反射面６１０ａを有し、溶鋼Ｍからの発光を伝送する。この送光管６１１は、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材６００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている点は、第１の実施形態の場合と同様である。従って、反射面６１０ａも、溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部が、筒状部材６００における溶鋼Ｍからの発光の伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部から距離Ｈだけ離隔して設けられている。
【０１０７】
本実施形態に係る冷却管は、少なくとも送光管６１１内面の反射面６１０ａを冷却する冷却手段の一例であり、上述のように、内管６１３と外管６１５とによって形成される。
【０１０８】
内管６１３は、送光管６１１の外側に同軸状に設けられ、外管６１５は、内管６１３の外側に同軸状に設けられる。また、内管６１３と外管６１５とは、測定光Ｌの伝送方向に対して溶鋼Ｍ側の端部（本実施形態では、鉛直方向下端部）において連通している。そして、内管６１３の測定光Ｌの伝送方向に対して測定器１１側の端部（本実施形態では、鉛直方向上端部）から冷却媒体が供給され、外管６１５の測定器１１側の端部から冷却媒体が排出される。このように、冷却媒体が冷却管内を流れることにより、主に、送光管６１１内面の反射面６１０ａが冷却される。なお、本実施形態において使用される冷却媒体の種類や送光管６１１、内管６１３及び外管６１５の材質は、第１の実施形態の場合と同様である。
【０１０９】
耐火物層６１７は、送光管６１１及び冷却管（外管６１５）の外面の一部又は全部を被覆する。耐火物層６１７を構成する耐火物の種類は、第１の実施形態の場合と同様である。
【０１１０】
本実施形態においては、耐火物層６１７は、その内部に空隙を有する。図１３に示した例では、耐火物層６１７は、上記空隙としてスリット６１８を有している。このようなスリット６１８は、例えば、次のようにして形成することができる。すなわち、線状またはネット状の有機系物質を外管６１５の周囲に巻き付けた上に耐火物層６１７を施工することで、耐火物層６１７の焼成時に上記有機系物質が分解されるため、有機系物質が巻き付けられていた部分にスリット６１８を形成することができる。この場合の有機系物質としては、プラスチックや紙などが例示できる。
【０１１１】
また、本実施形態の変形例として、筒状部材６００のうち溶鋼Ｍに浸漬される部分において、外管６１５の周囲にセラミックフェルトを巻き付けてからキャスタブルなどによる耐火物層を形成することにより、セラミックフェルトには空隙部が含まれることを利用して、耐火物層６１７の内部に空隙を形成することができる。
【０１１２】
このように、本実施形態に係る溶融金属用測定装置においては、耐火物層６１７の内部にスリット６１８等の空隙を設けることにより、上記第５の実施形態において耐火物層５１７の気孔率を高めた場合と同様の理由で、耐火物層６１７の熱伝達率を低下させることができる。また、上記変形例の場合には、外管６１５の周囲に巻き付けるセラミックフェルトの量を多くしたりすることにより、耐火物層６１７の熱伝導率を低下させることができる。従って、本実施形態に係る溶融金属用測定装置によれば、送光管６１１の冷却効率の低下を防止するとともに、耐火物層６１７の冷却効率を低い状態で維持できるので、溶鋼Ｍからの受熱による反射面６１０ａにおける反射率の低下を抑制できるとともに、耐火物層６１７の外面（すなわち、筒状部材６００の外面）への地金の成長を抑制できる。
【０１１３】
ここで、図１４を参照しながら、耐火物層６１７の内部に空隙を設けることによる反射率低下抑制効果及び地金成長抑制効果について説明する。なお、図１４は、耐火物層６１７の空隙率φと、耐火物層６１７に空隙を設けた場合の熱伝達率Ｋφと、空隙を設けなかった場合の熱伝達率Ｋ０との熱伝達率比Ｋφ／Ｋ０との関係の一例を示すグラフである。
【０１１４】
図１４には、耐火物層６１７の内径ｒ２＝２８ｍｍ、外径ｒ１＝１２８ｍｍとし、径が２８ｍｍ〜７８ｍｍとなる耐火物層６１７中の領域に空隙率φとなる空隙が有るとした場合の熱伝達率Ｋφと、φ＝０のときの熱伝達率Ｋ０とを比較した場合の例を示している。なお、空隙の有る領域では熱伝達率が（１−φ）倍となるものとして計算した。なお、本実施形態における空隙率φとは、耐火物層６１７中で、径がｒ１〜ｒ２となる領域に空隙を設けたとしたとき、この領域の外形容積に対する空隙部の容積の割合を意味する。この空隙率φは、空隙を設けた領域の外形容積をＶ、空隙部分の容積をＶｓとすると、下記式により求めることができる。
φ＝Ｖｓ／Ｖ
【０１１５】
図１４に示すように、空隙率φが高くなると、熱伝達率比Ｋφ／Ｋ０が減少した。このことから、耐火物層６１７の空隙率φを高くすると、空隙を設けたことによる熱伝達率の低下効果が大きくなることがわかる。
【０１１６】
なお、以上説明した本発明の第２〜第６の実施形態に係る溶融金属用測定装置の構成のうち、少なくともいずれか１種を採用することにより、溶融金属からの受熱による反射面における反射率の低下を抑制できるとともに、筒状部材外面への地金の成長を抑制できる、という効果を得ることはできる。しかし、以上説明した本発明の第２〜第６の実施形態に係る溶融金属用測定装置の構成のうちのいずれか２種以上を組み合わせることにより、上記効果をより高めることが可能となる。特に、上述した第２の実施形態と第３の実施液体と第５の実施形態を組み合わせた溶融金属用測定装置は、上記溶融金属からの受熱による反射面における反射率の低下を抑制できるとともに、筒状部材外面への地金の成長を抑制できる、という効果が最も優れている。
【実施例】
【０１１７】
次に、実施例及び比較例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【０１１８】
（実施例１）
本実施例は、溶融金属の測定例として溶鋼中の炭素濃度の分析を行った例である。具体的には、上述した本発明による筒状部材を使用して、誘導溶解炉で溶融させた溶鋼中の炭素濃度をレーザ誘起蛍光分析法により分析した。
【０１１９】
本実施例では、レーザ誘起蛍光分析法に用いるアブレーションレーザとして、ＱスイッチパルスＮｄ：ＹＡＧレーザを、選択励起レーザとして、チタンサファイアレーザを用いた。選択励起レーザの波長は２４７．８５ｎｍとし、波長１９３．０９ｎｍのレーザ誘起蛍光光量を光量検出器で測定した。光量検出器としては、光電子増倍管を用いた。また、溶鋼表面で発生したレーザ誘起蛍光は、筒状部材の上方に設けたミラーにより反射させ、光量検出器に導入した。
【０１２０】
ここで、実施例１において使用した筒状部材１１００を図１５に示す。筒状部材１１００は、ステンレススチール（ＳＵＳ３１６）製管で形成された送光管１１１１、内管１１１３及び外管１１１５と、耐火物層１１１７とから構成される。送光管１１１１は、外径が１３．８ｍｍ、厚みが１．６５ｍｍであり、内面側に、電解研磨仕上げにより反射面を形成した。また、内管１１１３として、外径４２．７ｍｍで、厚み１．６５ｍｍのステンレススチール製管を、外管１１１５として、外径７６．３ｍｍで、厚み３．０ｍｍのステンレススチール製管をそれぞれ使用した。耐火物層１１１７として、マグネシアスピネル系キャスタブル材を使用し、耐火物層１１１７を成形する際に、発泡剤としてタンパク質系発泡剤を使用した。なお、耐火物層１１１７の厚みは１５０ｍｍ、気孔率は７０％であった。また、耐火物層１１１７の下端から送光管１１１１の下端までの距離を５０．０ｍｍとした。このとき、冷却ガスの供給側流路１１１０ｂの断面積Ｓｉと排出側流路１１１０ｃの断面積Ｓｏとの比Ｓｏ／Ｓｉは、２．３となる。また、耐火物層１１１７の熱伝達率の指標λ／ｌｎ（ｒ１／ｒ２）は０．３となる。また、本実施例で耐火物として使用したマグネシアスピネル系キャスタブル材の熱伝導率は、ＭｇＯ８４％、気孔率１７．５％、１０００℃で２．４Ｗ／ｍ・Ｋ（ＡＧＣセラミックスＨＰ）であった。
【０１２１】
分析条件としては、溶鋼が筒状部材１１００の開口部から流入しないように、送光管１１１１の内部にアルゴンガスを２．０ＮＬ／ｍｉｎで導入しながら、測定用の筒状部材１１００の先端から深さ５０ｍｍまで浸漬した。このとき、筒状部材１１００の先端は、溶鋼表面のスラグの下方に位置していた。また、冷却ガスとして空気を７．５Ｎｍ３／ｍｉｎで導入した。なお、溶鋼温度は１６５０℃であった。
【０１２２】
このような条件で溶鋼中の炭素濃度の分析を行った結果を図１７に示す。図１７の縦軸は、レーザ誘起蛍光発光光量（ｍＶ）を示し、横軸は炭素濃度（ｐｐｍ）を示している。また、本実施例による分析結果を「◆」で示した。溶鋼中の炭素濃度は、燃焼赤外線吸収法により測定した。
【０１２３】
図１７に示すように、レーザ誘起蛍光光量（ｍＶ）と炭素濃度（ｐｐｍ）とは、ほぼ直線状の相関を示し、本実施例の筒状部材１１００を用いることで、レーザ誘起蛍光分析法による炭素濃度の精度が高い分析が可能であることが確認された。
【０１２４】
なお、炭素濃度の分析中における冷却ガスの排出側温度は５２０℃程度であり、筒状部材１１００に変形は見られず、問題なく分析に使用できた。また、分析終了後、筒状部材１１００の外表面に地金の付着は見られなかった。
【０１２５】
（実施例２）
本実施例においても、実施例１と同様に、溶融金属の測定例として溶鋼中の炭素濃度の分析を行った。
【０１２６】
本実施例において使用した筒状部材１２００を図１６に示す。筒状部材１２００は、ステンレススチール（ＳＵＳ３０４）製管で形成された送光管１２１１、内管１２１３及び外管１２１５と、耐火物層１２１７とから構成される。送光管１２１１は、外径が１３．８ｍｍ、厚みが１．６５ｍｍであり、内面側に電解研磨仕上げにより反射面を形成し、外面に冷却フィンとして高さ１５．０ｍｍ、厚み１．０ｍｍのステンレススチール製の板を１２枚取り付けた。また、外管１２１５の外周に線径２．０ｍｍのポリプロピレン製線を３．０ｍｍピッチで巻きつけた上で、耐火物層１２１７を施工した。その他の設計条件は、実施例１と同様である。このとき、冷却フィンによる表面積増加率Ｓｆｉｎ／Ｓｉｎｉは８．２であり、冷却ガスの供給側流路１２１０ｂの断面積Ｓｉと排出側流路１２１０ｃの断面積Ｓｏとの比Ｓｏ／Ｓｉは２．３となる。また、耐火物層１２１７の熱伝達率の指標λ／ｌｎ（ｒ１／ｒ２）は０．２５となる。
【０１２７】
溶鋼が筒状部材１２００の開口部から流入しないように、送光管１２１１の内部にアルゴンガスを２．０ＮＬ／ｍｉｎで導入しながら、測定用の筒状部材１２００の先端から深さ５０ｍｍまで浸漬した。このとき、筒状部材１２００の先端は、溶鋼表面のスラグの下方に位置していた。また、冷却ガスとして空気を７．５Ｎｍ３／ｍｉｎで導入した。なお、溶鋼温度は１６５０℃であった。
【０１２８】
このような条件でレーザ誘起蛍光分析法による溶鋼中の炭素濃度の分析を行った結果、レーザ誘起蛍光光量（ｍＶ）と炭素濃度（ｐｐｍ）とは、実施例１と同様に、ほぼ直線状の相関を示し、本実施例の筒状部材１２００を用いることで、レーザ誘起蛍光分析法による炭素濃度の精度が高い分析が可能であることが確認された。
【０１２９】
なお、炭素濃度の分析中における冷却ガスの排出側温度は２７０℃程度であり、筒状部材１２００に変形は見られず、問題なく分析に使用できた。また、分析終了後、筒状部材１２００の外表面に地金の付着は見られなかった。
【０１３０】
参考までに、ステンレス鋼の高温強度としては、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６ともに常温で引張強さ６０ｋｇ／ｍｍ２程度であり、引張強さが常温の７５％となる温度まで使用可能とすると、ＳＵＳ３０４で４９０℃、ＳＵＳ３１６で６００℃程度である。
【０１３１】
（比較例１）
比較例１として、実施例１で送光管を酸洗仕上げのステンレススチール製管で作成した。その他の設計条件、分析条件については実施例１と同様である。
【０１３２】
このような条件で溶鋼中の炭素濃度の分析を行った結果を図１７に示す。本比較例による分析結果を「△」で示した。
【０１３３】
図１７に示すように、本比較例の筒状部材を使用した場合には、実施例１の筒状部材を使用した場合と比べて、検出されるレーザ誘起蛍光光量が少なく、炭素濃度との相関が見られなかった。よって、本比較例における筒状部材を使用した場合には、溶鋼中の炭素濃度の分析の精度が低く、溶鋼中の炭素の濃度の分析には使用できないことがわかった。
【０１３４】
（実施例３）
本実施例は、溶融金属の測定例として溶鋼温度の測定を行った例である。具体的には、上述した本発明による筒状部材を使用して、誘導溶解炉で溶融させた溶鋼の温度を、放射測温により測定した。
【０１３５】
本実施例では、放射測温に用いる測定器として、放射温度計を使用した。溶鋼表面からの輻射光は、筒状部材上端に設けたミラーにより反射し、放射温度計に導入した。ここで、実施例３において使用した筒状部材は、実施例１と同様である。
【０１３６】
分析条件としては、溶鋼が筒状部材１１００の開口部から流入しないように、送光管１１１１の内部にアルゴンガスを２．０ＮＬ／ｍｉｎで導入しながら、測定用の筒状部材１１００の先端から深さ５０ｍｍまで浸漬した。このとき、筒状部材１１００の先端は、溶鋼表面のスラグの下方に位置していた。また、冷却ガスとして空気を７．５Ｎｍ３／ｍｉｎで導入した。このような条件で溶鋼の測温を行った結果を図１８に示す。
【０１３７】
図１８に示すように、測定された輻射光光量と、従来法である消耗型浸漬熱電対による測定温度とは良い相関を示し、本実施例による筒状部材を用いることで、放射測温による連続的かつ精度の良い温度測定が可能であることが確認された。
【０１３８】
なお、溶鋼温度の測定中における冷却ガスの排出側温度は５２０℃程度であり、筒状部材１１００に変形は見られず、問題なく分析に使用できた。また、分析終了後、筒状部材１１００の外表面に地金の付着は見られなかった。
【０１３９】
（実施例４）
本実施例においても、実施例３と同様に、溶融金属の測定例として溶鋼温度の測定を行った。
【０１４０】
本実施例においては、放射測温に用いる測定器および輻射光の導入法は、実施例３と同様であり、使用した筒状部材は、実施例２と同様である。
【０１４１】
分析条件としては、溶鋼が筒状部材１２００の開口部から流入しないように、送光管１２１１の内部にアルゴンガスを２．０ＮＬ／ｍｉｎで導入しながら、測定用の筒状部材１２００の先端から深さ５０ｍｍまで浸漬した。このとき、筒状部材１２００の先端は、溶鋼表面のスラグの下方に位置していた。また、冷却ガスとして空気を７．５Ｎｍ３／ｍｉｎで導入した。
【０１４２】
このような条件で溶鋼の測温を行った結果、測定された輻射光光量と従来法である消耗型浸漬熱電対による測定温度とは、図１８と同様に、良い相関を示し、本実施例による筒状部材を用いることで、放射測温による連続的かつ精度の良い温度測定が可能であることが確認された。
【０１４３】
なお、溶鋼温度の測定中における冷却ガスの排出側温度は２７０℃程度であり、筒状部材１２００に変形は見られず、問題なく分析に使用できた。また、分析終了後、筒状部材１２００の外表面に地金の付着は見られなかった。
【０１４４】
（比較例２）
比較例２として、送光管を、比較例１と同様に酸洗仕上げのステンレススチール製管で作成したものを用いた。その他の設計条件、分析条件については実施例３と同様である。
【０１４５】
本比較例の筒状部材を使用した場合には、実施例３の筒状部材を使用した場合と比べて、検出される輻射光強度が小さいため、ノイズによる影響が無視できず、測定結果のばらつきが大きくなり、消耗型浸漬熱電対による測定温度との相関が見られなかった。よって、本比較例における筒状部材は、溶鋼の測温には使用できないことがわかった。
【０１４６】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１４７】
例えば、上述した実施形態においては、溶融金属の測定例として、溶融金属の成分分析の場合について説明したが、本発明は、溶融金属から放射される光を用いて行う温度測定を行う測定装置にも適用できる。
【０１４８】
また、上述した実施形態においては、冷却手段が、内管と外管とにより形成される２重管構造の冷却管である場合について説明したが、この場合には限られず、反射面の冷却効果を高め、筒状部材の外面の冷却効果を抑制するものであれば、いかなる形態の冷却手段であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１４９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る溶融金属用測定装置の全体構成を示す説明図である。
【図２】同実施形態に係る筒状部材の構成を示す説明図である。
【図３】同実施形態に係るＨ／Ｄの適正値を説明するための説明図である。
【図４】同実施形態におけるＳＮ比（ｄＢ）とＨ／Ｄとの関係の一例を示すグラフである。
【図５】本明細書における用語の定義を説明するための説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る筒状部材の構成を示す説明図である。
【図７】同実施形態における冷却フィンを設けたことによる送光管の外面の表面積の増加率Ｓｆｉｎ／Ｓｉｎｉと、排出側流路における熱伝達率ｈｏと供給側流路における熱伝達率ｈｆｉｎとの熱伝達率比ｈｏ／ｈｆｉｎとの関係の一例を示すグラフである。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る筒状部材の構成を示す説明図である。
【図９】同実施形態における排出側流路の断面積Ｓｏと供給側流路の断面積Ｓｉとの流路断面積比Ｓｏ／Ｓｉと、排出側流路における熱伝達率ｈｏと供給側流路における熱伝達率ｈｉとの熱伝達率比ｈｏ／ｈｉとの関係の一例を示すグラフである。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る筒状部材の構成を示す説明図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る筒状部材の構成を示す説明図である。
【図１２】同実施形態に係る耐火物層における熱伝達率の指標として用いたλ／ｌｎ（ｒ１／ｒ２）（Ｗ／ｍ・ｋ）と、耐火物層の内面温度（℃）との関係の一例を示すグラフである。
【図１３】本発明の第６の実施形態に係る筒状部材の構成を示す説明図である。
【図１４】同実施形態に係る耐火物層の空隙率φと、耐火物層に空隙が有る場合の熱伝達率Ｋφと空隙が無い場合の熱伝達率Ｋ０との熱伝達率比Ｋφ／Ｋ０との関係の一例を示すグラフである。
【図１５】本発明の実施例１で用いた筒状部材の構成を示す説明図である。
【図１６】本発明の実施例２で用いた筒状部材の構成を示す説明図である。
【図１７】本発明の実施例１及び比較例における溶鋼中の炭素濃度の分析を行った結果を示すグラフである。
【図１８】本発明の実施例３における溶鋼の測温を行った結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１５０】
１０ 発光分光分析装置
１１ 測定器
１３ 光学系
１５ ミラー
２０ 溶鋼鍋
１００，２００，３００，４００，５００，６００ 筒状部材
１１０ 筒本体
１１０ａ，２１０ａ，３１０ａ，４１０ａ，５１０ａ，６１０ａ 反射面
１１１，２１１，３１１，４１１，５１１，６１１ 送光管
１１３，２１３，３１３，４１３，５１３，６１３ 内管
１１５，２１５，３１５，４１５，５１５，６１５ 外管
１１７，２１７，３１７，４１７，５１７，６１７ 耐火物層
２１０ｂ，３１０ｂ，４１０ｂ，５１０ｂ，６１０ｂ 供給側流路
２１０ｃ，３１０ｃ，４１０ｃ，５１０ｃ，６１０ｃ 排出側流路
２１９ 冷却フィン
６１８ スリット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に浮遊物を有する溶融金属からの発光に基づいて前記溶融金属の成分分析と温度測定の少なくともいずれか一方を行う測定器と、
前記溶融金属からの発光を前記測定器に伝送する筒状部材と、
を備え、
前記筒状部材は、一端が前記溶融金属中に浸漬されるとともに、他端が前記測定部に接続され、内面側に前記発光を反射させる反射面を有することを特徴とする、溶融金属用測定装置。
【請求項２】
前記反射面は、前記反射面における前記発光の伝送方向に対して前記溶融金属側の端部が、前記筒状部材における前記発光の伝送方向に対して前記溶融金属側の端部から離隔して設けられており、
前記反射面の前記溶融金属側の端部と前記筒状部材の前記溶融金属側の端部との距離Ｈと、前記筒状部材の内径Ｄとの比は、０＜Ｈ／Ｄ≦１０であることを特徴とする、請求項１に記載の溶融金属用測定装置。
【請求項３】
前記筒状部材は、少なくとも前記反射面を冷却する冷却手段を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の溶融金属用測定装置。
【請求項４】
前記筒状部材は、
内面側に前記反射面を有し、前記発光を伝送する送光管と、
前記送光管の外側に同軸状に設けられる内管と、当該内管の外側に同軸状に設けられる外管と、によって形成される冷却管と、
前記送光管及び前記冷却管の外面の一部又は全部を被覆する耐火物層と、
を備え、
前記内管と前記外管とが一端において連通しており、
前記内管の他端から冷却媒体が供給され、前記外管の他端から前記冷却媒体が排出されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の溶融金属用測定装置。
【請求項５】
前記送光管の外面と前記内管の内面とにより形成される前記冷却媒体の供給側流路に、冷却フィンが設けられていることを特徴とする、請求項４に記載の溶融金属用測定装置。
【請求項６】
前記内管の外面と前記外管の内面とにより形成される前記冷却媒体の排出側流路の断面積は、前記送光管の外面と前記内管の内面とにより形成される前記冷却媒体の供給側流路の断面積よりも大きいことを特徴とする、請求項４に記載の溶融金属用測定装置。
【請求項７】
前記外管は、前記発光の伝送方向に対して、前記測定部側の径が前記溶融金属側の径よりも大きなテーパ型の形状を有し、
前記筒状部材の前記発光の伝送方向に対して前記測定部側の端部において、前記内管の外面と前記外管の内面とにより形成される前記冷却媒体の排出側流路の断面積は、前記送光管の外面と前記内管の内面とにより形成される前記冷却媒体の供給側流路の断面積よりも大きいことを特徴とする、請求項４に記載の溶融金属用測定装置。
【請求項８】
前記耐火物層の所望の内面温度及び外面温度に応じて、前記耐火物層の熱伝導率、外径及び内径を決定することを特徴とする、請求項４に記載の溶融金属用測定装置。
【請求項９】
前記耐火物層は、内部に空隙を有することを特徴とする、請求項４に記載の溶融金属用測定装置。
【請求項１０】
前記反射面は、鏡面加工が施されたステンレススチールで形成されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の溶融金属用測定装置。
【請求項１】
表面に浮遊物を有する溶融金属からの発光に基づいて前記溶融金属の成分分析と温度測定の少なくともいずれか一方を行う測定器と、
前記溶融金属からの発光を前記測定器に伝送する筒状部材と、
を備え、
前記筒状部材は、一端が前記溶融金属中に浸漬されるとともに、他端が前記測定部に接続され、内面側に前記発光を反射させる反射面を有することを特徴とする、溶融金属用測定装置。
【請求項２】
前記反射面は、前記反射面における前記発光の伝送方向に対して前記溶融金属側の端部が、前記筒状部材における前記発光の伝送方向に対して前記溶融金属側の端部から離隔して設けられており、
前記反射面の前記溶融金属側の端部と前記筒状部材の前記溶融金属側の端部との距離Ｈと、前記筒状部材の内径Ｄとの比は、０＜Ｈ／Ｄ≦１０であることを特徴とする、請求項１に記載の溶融金属用測定装置。
【請求項３】
前記筒状部材は、少なくとも前記反射面を冷却する冷却手段を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の溶融金属用測定装置。
【請求項４】
前記筒状部材は、
内面側に前記反射面を有し、前記発光を伝送する送光管と、
前記送光管の外側に同軸状に設けられる内管と、当該内管の外側に同軸状に設けられる外管と、によって形成される冷却管と、
前記送光管及び前記冷却管の外面の一部又は全部を被覆する耐火物層と、
を備え、
前記内管と前記外管とが一端において連通しており、
前記内管の他端から冷却媒体が供給され、前記外管の他端から前記冷却媒体が排出されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の溶融金属用測定装置。
【請求項５】
前記送光管の外面と前記内管の内面とにより形成される前記冷却媒体の供給側流路に、冷却フィンが設けられていることを特徴とする、請求項４に記載の溶融金属用測定装置。
【請求項６】
前記内管の外面と前記外管の内面とにより形成される前記冷却媒体の排出側流路の断面積は、前記送光管の外面と前記内管の内面とにより形成される前記冷却媒体の供給側流路の断面積よりも大きいことを特徴とする、請求項４に記載の溶融金属用測定装置。
【請求項７】
前記外管は、前記発光の伝送方向に対して、前記測定部側の径が前記溶融金属側の径よりも大きなテーパ型の形状を有し、
前記筒状部材の前記発光の伝送方向に対して前記測定部側の端部において、前記内管の外面と前記外管の内面とにより形成される前記冷却媒体の排出側流路の断面積は、前記送光管の外面と前記内管の内面とにより形成される前記冷却媒体の供給側流路の断面積よりも大きいことを特徴とする、請求項４に記載の溶融金属用測定装置。
【請求項８】
前記耐火物層の所望の内面温度及び外面温度に応じて、前記耐火物層の熱伝導率、外径及び内径を決定することを特徴とする、請求項４に記載の溶融金属用測定装置。
【請求項９】
前記耐火物層は、内部に空隙を有することを特徴とする、請求項４に記載の溶融金属用測定装置。
【請求項１０】
前記反射面は、鏡面加工が施されたステンレススチールで形成されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の溶融金属用測定装置。
【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】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
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【図８】
【図９】
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【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００９−２８７９６５（Ｐ２００９−２８７９６５Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３８２３３（Ｐ２００８−１３８２３３）
【出願日】平成２０年５月２７日（２００８．５．２７）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２７日（２００８．５．２７）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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