JP4711856B2 - 炉幅測定装置およびそれを備えた押出ラム - Google Patents

Description

本発明は、高温の炉内で炉幅を測定するのに好適な炉幅測定装置およびそれを備えた押出ラムに関するものである。

コークス炉は炭化室と燃焼室が炉団方向に交互に配置されている構造からなり、コークス炉の炉上を炉団方向に走行する石炭装入車から炭化室内に石炭が装入され、燃焼室の熱をその炭化室に伝えることにより装入された石炭を乾留しコークスを製造するようになっている。

この種のコークス炉の多くは築炉から３０年を経過し老朽化しており、炭化室の側壁（以下、炉壁と呼ぶ）を構築している耐火煉瓦については、炉壁損傷部分に付着したカーボンがコークス押出し或いは石炭装入によって剥離し、炉壁がさらに損傷するといったサイクルが繰り返されているため、炉壁が変形する等、操業を阻害する要因が顕在化しつつある。

このような事情から、炉壁の状態を把握することは安定操業を得るために極めて重要な検査項目になっている。

コークス炉の炭化室では炉壁が狭い幅で対向しており、炉壁が損耗すれば両壁面間の距離が大きくなることから、炉幅を測定すれば炉壁の損耗状態を推測することができる。

そこで炉幅を測定する装置として、炭化室の各炉壁に指向する一対の非接触式距離計をコークス押出機のラムビームに設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この炉幅測定装置は、１０００℃以上となる炭化室内で測定することができるように、非接触式距離計を水冷ジャケット内に収納している。したがって、その水冷ジャケットに対して冷却水を供給し、冷却に供せられて昇温した水を水冷ジャケットから戻すための冷却用配管を敷設しなければならず、炉幅測定装置に伴う冷却装置が大型化することが避けられない。

さらに、ポンプの吐出能力等によって冷却水を供給できる距離に制限があるため、各炭化室を移動しながら炉幅測定を連続的に実施することができないという不都合がある。

また、冷却用配管を持たない炉幅測定装置として、炉幅距離計と電源装置を吸熱箱内に収納し、炉幅測定データをその吸熱箱内に設けられた送信装置によってワイヤレスで送信する構成の炉幅測定装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。上記吸収箱は、液体を充填したジャケットで構成されており吸収箱の外側は断熱材で覆われている。このような炉幅測定装置によれば、冷却用配管を必要としないため測定範囲に制限を受けることがない。
特開昭６２−２９３１１２号公報 特開２００２−２１３９２２号公報

しかしながら、上記特許文献２の炉幅測定装置では、水冷ジャケット内の液体が炉幅測定装置の使用限界温度に到達した時点で測定を続行することができなくなり、時間的制限を受ける。

本発明は以上のような従来の炉幅測定装置における課題を考慮してなされたものであり、測定範囲および測定時間のいずれにも制限を受けることがなく、連続且つ安定して炉幅を測定することができる炉幅測定装置およびそれを備えた押出ラムを提供するものである。

本発明は、発光素子と受光素子を外装内に収納したレーザ式変位センサと、上記外装を取り囲むとともに、吸熱面側をその外装に向けて配置される複数のプレート状熱電冷却素子と、外装と熱電冷却素子の吸熱面との隙間を埋める熱伝導体と、熱電冷却素子の放熱面側に配置される冷却フィンと、を一体化してセンサユニットとし、このセンサユニットを、
冷却用空気の導入部と、冷却に供せられたその冷却用空気を排出する排出部と、レーザ光を通過させる計測窓とを備えた筺体内に収納した炉幅測定装置である。

上記炉幅測定装置において、上記センサユニットを筒状の断熱部を介して筺体内に収納すれば、この断熱部外壁と筺体内壁との間に冷却用空気を流すための冷却通路を形成することができる。

また、上記筺体内壁には断熱材を貼着することが好ましい。

また、上記冷却フィンの外周部を筒状の断熱部によって閉塞すれば、各冷却フィンの隙間を、冷却空気を流すための第二の冷却通路として構成することができる。

本発明は、上記構成を有する炉幅測定装置を、コークス炉に配置される押出ラムのラムビームに設置した炉幅測定装置付き押出ラムである。

上記炉幅測定装置付き押出ラムにおいて、ラムビームに敷設された断熱配管内に、冷却用空気を炉幅測定装置に供給するホースと、レーザ式変位センサおよび熱電冷却素子に電源を供給するとともに炉幅測定データを出力するためのケーブルと、熱電冷却素子の温度制御を行うための制御信号を送信するケーブルを収納することができる。

本発明の炉幅測定装置およびそれを備えた押出ラムによれば、測定範囲および測定時間のいずれにも制限を受けることがなく、連続且つ安定して炉幅を測定することが可能になる。

以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る炉幅測定装置をコークス押出し機のラムビームに設置した場合の構成を示したものである。

同図においてコークス押出機は、ラムヘッド１と、このラムヘッド１を水平方向に往復移動させるためのラムビーム２とから主として構成される押出ラム３を備えており、コークス炉炭化室内で乾留された赤熱コークスをラムヘッド１によって炉外に押し出すようになっている。

ラムビーム２上で且つラムヘッド１寄りには支持スタンド４が立設されており、この支持スタンド４に炉幅測定装置５が設置されている。

なお、図中、Ａは押出ラム３の押し出し方向を示している。

炉幅測定装置５の信号系統は、巻取装置６のドラム一方側から巻き解かれた信号／電源ケーブル７を介して図示しない押出機運転室内のコントローラ（後述する）と接続されている。

上記信号系統とは、具体的には、レーザ式変位センサおよび熱電冷却素子としてのペルチェ素子（後述する）に電源を供給する電源ライン、レーザ式変位センサによって測定された炉幅データを出力する出力ライン、ペルチェ素子を温度制御するための制御信号ライン等が含まれる。

炉幅測定装置５を冷却するための冷却系統は、同じ巻取装置６のドラム他方側から巻き解かれたホース８を介して冷却用空気を貯留するタンク９と接続されており、このタンク９には冷却用空気を所定圧（配管等の圧力損失で失われる圧力を供給できる圧力、例えば０．４〜０．７ＭＰａ）に保持するためのコンプレッサ１０が接続されている。なお、上記巻取装置６、タンク９およびコンプレッサ１０は、押出機に搭載されている。

１１は炉幅測定装置５内のレーザ式変位センサから出力される炉幅信号を増幅するためのアンプユニット、レーザ式変位センサおよびペルチェ素子用の電源供給装置を含む変換器であり、高温状態にある炭化室からの熱の影響を受けにくいラムビーム２の後端側に配置されている。

また、信号／電源ケーブル７およびホース８は、ラムビーム２後端部よりラムビーム２内に敷設された断熱配管１２内を通り、ラムビーム２先端側に設置された炉幅測定装置５に接続されている。なお、信号／電源ケーブル７は耐熱ケーブルを使用している。

図２は上記炉幅測定装置５を拡大し、平面から示した断面図である。

同図において炉幅測定装置５は、断熱された箱形の筺体１３を有し、この筺体１３内にレーザ式変位センサ、ペルチェ素子、温度管理用の熱電対等、必要最小限の装置を収納している。

詳しくは、筺体１３は角筒部１３ａと、この角筒部１３ａの後側端面（炉蓋方向Ｂに向いて後側となる）を閉塞する後面板１３ｂと、前側に配置される前面板１３ｃとから構成されている。角筒部１３ａの内面および後面板１３ｂの内面にはそれぞれセラミック製の断熱材１４が貼着されている。

また、後面板１３ｂには上記断熱配管１２を接続するための接続部１５が備えられており、断熱配管１２を通じて冷却用空気ｃａが筺体１３内に導入されるようになっている。また、信号／電源ケーブル７内の電源ケーブルを通じて一対のレーザ式変位センサ１６および１７に電源が供給され、測定された炉幅信号が信号ケーブルを通じて出力され、また、制御ケーブルを通じてペルチェ素子２０，２１を温度制御するための制御信号が送信されるようになっている。なお、上記接続部１５における断熱配管１２は冷却用空気ｃａの導入部として機能する。

レーザ式変位センサ１６，１７は、半導体レーザからなる発光素子と受光素子をアルミダイキャストからなる外装（ケース）内に収納した公知のものであり、レーザ光を投光レンズを通して集光させ、炉壁に照射させ、炉壁から反射した光線の一部を受光レンズを通して受光素子上で検出するように構成されている。上記レーザ式変位センサ１６，１７としては、例えば測定範囲が３２０ｍｍ±１５０ｍｍの超ロングレンジタイプのものを使用することが好ましい。

このレーザ式変位センサ１６，１７は、ラムビーム２の移動方向に沿って平行に配置されており、それらの投光部は矢印Ｂ方向と反対方向に向けて配置されている。

図３はレーザ式変位センサ１６，１７に冷却構造を付加して一体化させたセンサユニットＳＵの構成を示したものであり、(ａ)は斜視図、(ｂ)は正面図である。なお、図３(ａ)においては各構成が理解しやすいように、レーザ式変位センサ１６，１７前方の蓋部２４（図２参照）を取り外し、各部を一部切欠いた状態で示している。

センサユニットＳＵは、左右に並べて配置されたレーザ式変位センサ１６，１７と、これらのレーザ式変位センサ１６，１７の周囲を囲むようにして角筒状に配置される熱伝導体としてのアルミニウム製内枠部１８と、この内枠部１８の外周面に密着して配置される４枚のペルチェ素子２０ａ〜２０ｄと、これらのペルチェ素子２０ａ〜２０ｄの外面に密着した状態で角筒状に配置されるアルミニウム製外枠部１９と、この外枠部１９の外周各面に一体に形成される冷却フィン群２１ａ〜２１ｄとから主として構成されている。

なお、上記内枠部１８はメンテナンスが容易に行なえるよう二つ割構造になっている。

また、各ペルチェ素子２０ａ〜２０ｄは、プレート状のペルチェ素子を二層配置することによって構成されており、その吸熱面側をレーザ変位センサ１６，１７に向け、放熱面側を冷却フィン群２１ａ〜２１ｄに向けて配置している。

また、レーザ式変位センサ１６，１７の隙間Ｓには各センサ１６，１７に接続されるコードが配線されている。

また、図３(ｂ)において、１６ａ，１７ａは投光部を、１６ｂ，１７ｂは受光部をそれぞれ示している。

このように構成することにより、レーザ式変位センサ１６，１７の表面温度は、内枠部１８を通じペルチェ素子２０ａ〜２０ｄによって制御されることになり、ペルチェ素子２０ａ〜２０ｄで生じた発熱は外枠部１９に形成されている冷却フィン群２１ａ〜２１ｄによって放散されるようになっている。

図２に戻って説明する。

レーザ式変位センサ１６，１７の投光部側は断熱材からなる蓋部２４で塞がれており、冷却用空気ｃａが冷却フィン群２１ａ〜２１ｄ以外に流れないようになっている。なお、レーザ式変位センサ１６，１７からのレーザ光は、上記蓋部２４の一部に形成された貫通孔２４ａ，２４ｂを通じて投光されるようになっている。

レーザ式変位センサ１６の投光側にはアルミニウムを蒸着した反射鏡２５が配置されており、レーザ式変位センサ１６から投光されたレーザ光の光路をその反射鏡２５にて９０°変更させ（図中矢印Ｃ方向）、角筒部１３ａに形成された計測窓２６を通して炉壁にレーザ光を照射し、炉壁からの反射光を受光するようになっている。

また、レーザ式変位センサ１７の投光側にも、上記反射鏡２５と同じ構成からなる反射鏡２７が左右対象に配置されており、この反射鏡２７にてレーザ光の光路を９０°変更させ（矢印Ｄ方向）、角筒部１３ａに形成された計測窓２８を通して炉壁に照射し、反射光を受光するようになっている。

なお、上記計測窓２６，２８はその開口面積が小さいため、窓を通過している炉壁からの輻射熱は冷却用空気ｃａで置換することができるが、それらの計測窓２６，２８に対し、石英ガラスに熱線カットフィルタをコーティングしたガラスプレートを配置すれば、冷却用空気ｃａの供給量を抑制することができる。

一方、筺体１３内の前側には、筺体１３の角筒部１３ａ各内壁から所定の隙間を空けた状態で一回り小さい角筒状の仕切部材（筒状の断熱部）３０が収納されている。この仕切部材３０はステンレス製の薄板とセラミックとから構成されている。

上記隙間は冷却用空気ｃａの一部を筺体内壁に沿って流すための冷却通路Ｐａとなっている。なお、仕切部材３０と筺体内壁とは筺体長手方向に沿って配置された複数の棒状部材によって部分的に接続されている。

この仕切部材３０内に上記センサユニットＳＵが収納されている。

このセンサユニットＳＵが収納された状態で冷却フィン群２１ａ〜２１ｄのフィン外周端と仕切部材３０の内壁とが接続され、冷却フィン群２１ａ〜２１ｄの各冷却フィンの隙間にも冷却用空気ｃａが流れるようになる。これらの冷却フィンの各隙間に連通する通路は第二の冷却通路Ｐｂを構成する。

なお、レーザ式変位センサ１６，１７と前面板１３ｃとの間には断熱材３１が設けられ、外部から前面板１３ｃを介して筺体１３内に侵入しようとする熱を遮断するようになっている。

ところで、冷却用空気ｃａをラムビーム２の先端側に設置された炉幅測定装置５に供給する場合、冷却用空気ｃａを供給するホースを断熱配管１２内に収納したとしても、炉幅測定装置５に到達した時点で供給した冷却用空気ｃａの温度は１００℃程度に昇温してしまう。

このように昇温した冷却用空気ｃａが筺体１３内に導入されると、レーザ式変位センサ１６，１７の表面温度を上昇させることになる。ところが、レーザ式変位センサ１６，１７の動作温度範囲は通常、０〜＋５０℃であるため、１００℃に昇温した冷却用空気ｃａの温度を５０℃程度降下させる必要がある。

従来、電子機器として例えばＣＣＤカメラを搭載して炉内を観察する装置には冷却手段として装置内にペルチェ素子を複数配設したものもあるが、単にペルチェ素子を配置したものは、まず、電子機器が配置されている装置内の空間を冷却し、冷却された雰囲気によって間接的に電子機器を冷却するものであるから、５０℃程度に降下させることは不可能である。

これに対し、本発明の炉幅測定装置５では、レーザ式変位センサ１６，１７を熱伝導に優れたアルミニウム製の内枠部１８に収納し、その内枠部１８にペルチェ素子２０ａ〜２０ｄの吸熱側を密着させ、そのペルチェ素子２０ａ〜２０ｄの放熱側に、アルミニウム製の外枠部１９を介して冷却フィン群２１ａ〜２１ｄを取り付けて一体化することでレーザ式変位センサ１６，１７を高効率で冷却できるようにしている。

具体的には、レーザ式変位センサ１６，１７の表面温度を熱電対で監視し、５０℃を超える場合にはペルチェ素子２０ａ〜２０ｄをＯＮ動作させる。ペルチェ素子２０ａ〜２０ｄをＯＮ動作させると、放熱側温度は冷却用空気ｃａの温度と略同じ温度であるからペルチェ素子２０ａ〜２０ｄは安定してレーザ式変位センサ１６，１７を冷却することができる。それにより、レーザ式変位センサ１６，１７の表面温度を５０℃以下に保つことが可能になり、レーザ式変位センサ１６，１７を安定動作させることが可能になる。

また、筺体１３外部から炉幅測定装置５内に侵入する熱については、まず筺体１３内壁に貼着されている断熱材１４によって遮断し、熱の一部がその断熱材１４を通過したとしても冷却通路Ｐａを流れる冷却用空気ｃａによってそのほとんどが奪われる。そのため、第二の冷却通路Ｐｂに配置されている冷却フィン群２１ａ〜２１ｄを通過する冷却用空気ｃａに与える影響は少ない。

なお、上記実施形態ではレーザ式変位センサ１６，１７の投光部及び受光部を、冷却用空気ｃａの流れと対向して配置しているが、逆向きに配置することも、もちろん可能である。

次に、上記構成を有する炉幅測定装置５の制御動作について図４を参照しながら説明する。

炭化室で乾留された赤熱コークスを炉外に押し出す押出作業において炉蓋が外されると、押出ラム３が炭化室内に挿入され、ラムビーム２先端のラムヘッド１によって赤熱コークスが押し出される。

押出ラム３が炭化室内を移動していく際、押出ラム３に設置されている炉幅測定装置５は、炭化室の炉幅を押出機側からガイド車側に向けて連続的に測定する。

このとき、炉幅測定装置５には図２に示したように、冷却用空気ｃａが配管１２を通じて常時供給されており、炉幅測定装置５に供給された冷却用空気ｃａは、冷却通路Ｐａと第二の冷却通路Ｐｂとに別れて筺体１３内を流れる。

冷却通路Ｐａを流れる冷却用空気ｃａは、筺体１３内壁に貼着された断熱材１４を通過して筺体１３内に侵入してくる熱を吸収し、熱交換に供せられた冷却用空気ｃａは前面板１３ｃに設けられた開口から筺体１３外部に放出される。

レーザ式変位センサ１６，１７はその周囲に配設された内枠部１８を介してペルチェ素子２０ａ〜２０ｄの吸熱側と接触しているため、ペルチェ素子２０ａ〜２０ｄがコントローラ４０によって温度制御されることによって冷却される。

また、ペルチェ素子２０ａ〜２０ｄで生じる発熱は外枠部１９を介して冷却フィン群２１ａ〜２１ｄに伝達され、これらの冷却フィン群２１ａ〜２１ｄが配置されている第二の冷却通路Ｐｂには冷却用空気ｃａが常時流れているため、結果としてペルチェ素子２０ａ〜２０ｄによって生じた発熱はその冷却空気ｃａによって放熱される。

また、図１に示したように、ラムビーム２にはその長手方向にラック２ａが形成されており、このラック２ａにピニオン２ｂが歯合し、このピニオン２ｂを図示しない押出モータで回転させることによりラムビーム２を移動させるようになっている。

したがって、上記押出モータに備えられているロータリエンコーダによってピニオン２ｂの回転数を検出すれば、その回転数に基づいて押出ラム３の移動距離を求めることができる。

上記ロータリエンコーダ４１から出力される押出ラム３の位置データＳａはコントローラ４０の位置データ記憶部４０ａに記憶される。

なお、コントローラ４０は押出機電気室４２内に配置されている。

一方、炉幅測定装置５によって所定の周期で測定された炉幅データＳｂは変換器１１内のレーザ式変位センサ用のアンプユニットを介してコントローラ４０の炉幅データ記憶部４０ｂに記憶される。なお、上記位置データと炉幅データは測定開始タイミングを一致させることによって対応づけられ各記憶部４０ａおよび４０ｂに記憶される。

上記炉幅データＳｂは、レーザ式変位センサ１６から出力される炉幅データＳｂ_１とレーザ式変位センサ１７から出力される炉幅データＳｂ_２を有し、炉幅データＳｂ_１はレーザ式変位センサ１６の投光部から一方の炉壁までの距離に相当し、炉幅データＳｂ_２はレーザ式変位センサ１７の投光部から他方の炉壁までの距離に相当するため、炉幅データＳｂ_１，Ｓｂ_２の和をデータ処理部４０ｃにおいて求めることにより炭化室の炉幅を測定することができる。ただし、本実施形態では反射鏡２５，２７を使用しているため、レーザ式変位センサ１６，１７の投光部から反射鏡２５，２７までの距離を減算するとともに両反射鏡２５，２７の離間距離を加算する補正が必要である。

上記コントローラ４０は上記対応付けられた位置データおよび炉幅データに、さらに測定年月日、測定時刻、測定対象の炭化室の窯番号をデータとして付加し、データベース４３に転送し蓄積させる。

このデータベース４３にはＬＡＮを介してパーソナルコンピュータ４４が接続されている。それにより、パーソナルコンピュータ４４からデータベース４３にアクセスして炉幅測定値の推移を調べることにより炉幅壁面の傾向を管理したり、補修時期の判断を行なうことが可能になる。

また、コントローラ４０は押出機運転室４５内のモニタ４６上に炉幅測定値をグラフで表示するようになっている。グラフは横軸が測定位置を、縦軸が炉幅を、グラフ左側が押出機側を、グラフ右側がガイド車側をそれぞれ示している。

なお、炉幅測定装置５によって測定された炉幅測定値が異常に大きい値を示す場合には炉壁が破孔している可能性があるため、コントローラ４０はスピーカ４７から警報を出力させる。

また、上記炉幅測定装置５による測定は、上記押出ラム３によるコークス押出し操作時に限らず押出ラム３の戻り操作時に行なってもよい。

また、上記実施形態ではコークス炉における炭化室の炉幅を測定する場合を例に取り説明したが、これに限らず、本発明の炉幅測定装置は、転炉、焼成炉、焼却ボイラー、発電用ボイラー、その他の高温炉内の炉幅を測定する場合にも適用することができる。

本発明に係る炉幅測定装置を押出ラムに設置した状態を示す側面図である。 図１に示す炉幅測定装置の平面断面図である。 (ａ)はセンサユニットの構成を示す一部切欠きを有する斜視図、(ｂ)はその正面図である。 本発明に係る炉幅測定装置の制御システムを示したブロック図である。

符号の説明

１ ラムヘッド
２ ラムビーム
３ 押出ラム
４ 支持スタンド
５ 炉幅測定装置
６ 巻取装置
７ 信号／電源ケーブル
８ ホース
９ タンク
１０ コンプレッサ
１１ 変換器
１２ 断熱配管
１３ 筺体
１３ａ 角筒部
１４ 断熱材
１５ 接続部
１６，１７ レーザ式変位センサ
１６ａ，１７ａ 投光部
１６ｂ，１７ｂ 受光部
１８ 内枠部
１９ 外枠部
２０ａ〜２０ｄ ペルチェ素子
２１ａ〜２１ｄ 冷却フィン群
２４ 蓋部
２４ａ，２４ｂ 貫通孔
２５，２７ 反射鏡
２６，２８ 計測窓
３０ 仕切部材
Ｐａ 第一の冷却通路
Ｐｂ 第二の冷却通路
ＳＵ センサユニット

Claims (6)

1. 発光素子と受光素子を外装内に収納したレーザ式変位センサと、
   上記外装を取り囲むとともに、吸熱面側をその外装に向けて配置される複数のプレート状熱電冷却素子と、
   上記外装と上記熱電冷却素子の吸熱面との隙間を埋める熱伝導体と、
   上記熱電冷却素子の放熱面側に配置される冷却フィンと、
   を一体化してセンサユニットとし、このセンサユニットを、
   冷却用空気の導入部と、冷却に供せられたその冷却用空気を排出する排出部と、レーザ光を通過させる計測窓とを備えた筺体内に収納したことを特徴とする炉幅測定装置。
2. 上記センサユニットが筒状の断熱部を介して上記筺体内に収納され、この断熱部外壁と上記筺体内壁との間に冷却用空気を流すための冷却通路が形成されている請求項１記載の炉幅測定装置。
3. 上記筺体内壁に断熱材が貼着されている請求項２記載の炉幅測定装置。
4. 上記冷却フィンの外周部が上記筒状の断熱部によって閉塞され、各冷却フィンの隙間が冷却空気を流すための第二の冷却通路を構成している請求項２または３記載の炉幅測定装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の炉幅測定装置を、コークス炉に配置される押出ラムのラムビームに設置したことを特徴とする炉幅測定装置付き押出ラム。
6. 上記ラムビームに敷設された断熱配管内に、冷却用空気を上記炉幅測定装置に供給するホースと、上記レーザ式変位センサおよび上記熱電冷却素子に電源を供給するとともに炉幅測定データを出力するためのケーブルと、上記熱電冷却素子の温度制御を行うための制御信号を送信するケーブルが収納されている請求項５記載の炉幅測定装置付き押出ラム。

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