JPH0215817B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、溶融金属表面から発生する微粒子を
回収して、これを離れた場所に設置してあるプラ
ズマ励起源を有する発光分光分析装置にAr等の
不活性ガス流で搬送し、溶融金属中の各種成分の
含有率をオンラインリアルタイムで分析する方法
に関するものである。

金属の精錬、製鋼プロセスなどの操業の管理に
は、可能な限り迅速に分析して成分含有率を把握
し、その結果によつて対応処置をとる必要があ
る。本発明は上述のように、溶融金属を直接分析
する技術であり、製鉄業あるいは非鉄金属製造業
などにおける製造工程管理分析や品質管理分析の
分野で利用されるものである。

（従来技術） 金属製造業における製造工程管理分析には、溶
融金属をサンプリングして固化させたブロツク試
料を対象とするスパーク発光分光分析法が多用さ
れている。しかし、近年とくに鉄鋼業に見られる
ように、より迅速な製造工程管理あるいは多段精
錬製鋼法などの新製造プロセスの操業管理のため
に、溶銑や溶鋼のような溶融金属を直接対象とす
るオンラインリアルタイムの分析手法の開発が強
く要請されている。

上記のような目的から、これまで溶融金属を
Arガスを用いた特殊な噴霧器によつて微粉化し
て発光分光分析する方法（BISRA Annual
Report：78（1966）、65、78（1967）、35（1968））
など各種の手法が研究されてきた。しかし、いず
れもこれまで実際に製造現場で実用されておら
ず、実験室規模で試みられたにすぎない。本発明
者らも溶融金属にプラズマアーク、スパーク等の
電気的放電あるいはレーザービーム等の照射を行
つて、溶融金属の組成を代表する微粒子を蒸発さ
せて発光分光分析する方法（特願昭56−201154
号、特願昭58−30879号）などを発明し、さきに
特許出願を行なつた。これらの発明は、溶融金属
表面とスパーク放電用電極先端など加熱源装置と
の間隔を一定に保つ必要があり、湯面変動が比較
的緩慢な場合には有効であるが、湯面変動が激し
い場合には変動を抑制するための種々の工夫が必
要である。

（発明の目的） 実際の製造現場でより実用的な溶融金属の直接
分析装置を開発するにあたつては、製造現場が、
高温、振動、ダスト等測定環境が非常に悪い点を
考慮しなければならない。従つて、悪い測定環境
下では、トラブルが起る分光・検出器等の精密測
定機器は溶融金属の存在する場所から離れた建屋
内に設置する必要がある。また、溶融金属は電気
的放電などによつて微粒子として蒸発させること
ができるが、可能ならば溶融金属自体の高熱によ
つて自然蒸発する微粒子を回収するなど微粒子の
蒸発を簡単な方法で行う必要がある。このような
事情から本発明は、溶融金属の製造工程管理分析
におけるオンラインリアルタイム分析を目的と
し、溶融金属表面に蒸発する微粒子を回収して、
プラズマ励起源を有する発光分光分析装置へ不活
性ガス流で搬送し、溶融金属中に含まれる各種成
分を簡単に迅速分析する実用的な分析方法を提供
するものである。

（発明の構成・作用・実施例） 第１図に示す装置例をもとに、本発明の構成、
作用について説明する。第１図には溶融金属とし
て製鋼プロセスにおける処理鍋中の溶鋼を対象と
した例を示した。本発明の装置はArガスを収容
した容器１５、溶鋼２中に浸漬した微粒子捕集槽
１、微粒子搬送管９および高周波誘導結合型プラ
ズマ発光分光分析装置１０を主体に構成される。
微粒子捕集槽１はヒートシヨツク性に強い耐火
材、例えば窒化ホウ素や黒鉛などでできた円筒
で、先端のArガス吐出口５を溶鋼中に浸漬した
Arガス導入管３および微粒子排出管６を上部に
取りつけてあり、底部は溶鋼を取り入れるために
空洞となつている。従つて、微粒子捕集槽１を溶
鋼２中に浸漬すると、内部に微粒子蒸発室８の空
間を有した密閉状容器となる。Arガス容器１５
内のArガスは流量計によつて計量された一定流
量で、Arガス導入口からArガス導入管３へ導入
され、同導入管３の先端で溶鋼中に浸漬された吐
出口５より溶鋼中にバブリングして供給される。
吹き込みガスには、Arガス以外にN₂やHeなどの
不活性ガスが適している。ガスの種類は、分析装
置のプラズマ炎の安定性の面から規制されるが、
現在、空気を用いるプラズマ炎の開発が進められ
ており、これが可能になれば、不活性ガスのかわ
りに大気を用いてもよく、微粒子は酸化物となる
が問題はない。

溶鋼表面からは溶鋼自身の高熱によつて溶鋼の
微粒子が蒸発しているが、スパーク放電やレーザ
ービーム照射のような外部から強力なエネルギー
を与える場合に比べてその蒸発量は格段に少な
い。プラズマ発光分光分析は高感度な分析手法で
はあるが、より良好な定量精度を得るためには、
微粒子蒸発室８内における微粒子の蒸発を促進さ
せ、蒸発微粒子の回収効率を高め、なおかつ安定
した回収率を得ることが必要である。

本発明はこれらの点について種々の検討を行
い、溶鋼２に対するArガスの吹き込み方法およ
び蒸発微粒子の回収方法を工夫することによつて
生れたものである。特にArガスの吹き込み場所、
Arガス温度、微粒子排出口７の位置などが重要
な因子であることを明らかにした。Arガスの吹
き込みについて述べる。微粒子蒸発室８内の湯面
に向つて、ほとんど予備加熱を受けないように
ArガスをArガス導入管３から供給した場合、Ar
ガス導入管３先端と湯面との距離が近づくにつれ
て微粒子の蒸発は抑制され、導入管先端を溶鋼２
中に浸漬してArガスをバブリングさせた場合に
は微粒子の蒸発が極端に抑制された。ところが、
微粒子導入管３を微粒子捕集槽１からの熱伝導お
よび溶鋼２の輻射熱を十分に受けるようにして、
導入するArガス流量を低下させると微粒子の蒸
発は非常に向上した。このときの微粒子の蒸発量
は、予備加熱したArガスを溶鋼２表面へ供給し
自然蒸発する微粒子を回収する場合に比べても多
量であり、溶鋼２中へのArガスのバブリングは
微粒子の蒸発を促進する効果が明らかである。

また、上記のようにArガスによる溶鋼の冷却
による微粒子蒸発量の抑制を防止するためのAr
ガスの予備加熱は非常に重要である。予備加熱の
方法は、Arガス容器１５と微粒子捕集槽１との
導管でヒーター等によつて加熱する方法もある
が、通常溶鋼２は極めて大容量であるので、この
溶鋼の保有する高熱を加熱源として用いる方法が
便利で実際的である。第１図に示すように、微粒
子捕集槽１を溶鋼２に予め浸漬して赤熱状態に加
熱し、Arガス導入管３は耐熱で熱伝導性の良い
材料を用い、捕集槽１からの熱伝導および溶鋼の
輻射熱による加熱効率がよい構造とし、導入管３
中を流れるArガスを予備加熱する方法が適当で
ある。また、第２図に示すように、Arガス導入
管３を微粒子捕集槽１の側壁内に貫通させ、吐出
口５より溶鋼２中へArガスを吹き込む方法など
も有効である。これは溶鋼によつて高熱に加熱さ
れる微粒子捕集槽１との熱交換が行われ易いため
に効率のよい予備加熱方法である。

微粒子排出口７の取り付け位置について述べ
る。微粒子を分析するプラズマ発光分光分析にお
いては、微粒子の粒径が細かいほど、また粒度分
布域が狭いほどプラズマ中での励起効率がよく、
安定した発光強度が得られるために、良好な定量
精度、感度が得られる。従つて分析対象とする微
粒子はプラズマ発光分光分析に適した微粒子を回
収する必要があり、このために微粒子蒸発室８に
おける微粒子排出口７の設置位置が限定される。
溶鋼表面直近では、溶鋼が飛散した大粒子および
蒸発した微粒子が凝集して生成した大粒子が存在
するが、溶鋼表面よりも数10mm上部に蒸発浮上し
た粒子の粒径は数100mm以下の微細粒子であり、
粒子の均一性にも優れて定量精度も良好である。
しかし、湯面からの距離が離れ過ぎると微粒子の
回収効率が低下する。このため、微粒子排出口７
は微粒子蒸発室８の溶鋼２表面から所定距離はな
れた上部に取りつける必要がある。溶融金属の湯
面からの距離は、溶融金属の種類、微粒子捕集槽
の内径、Arガス流量等によつて決まるが、溶融
金属表面10mm以下のような直近は不適当で、通常
40〜80mm程度が適当である。

微粒子排出管６は、ステンレス鋼管などの搬送
管９で分析装置１０のプラズマトーチ１１に接続
されている。微粒子蒸発室８中の微粒子は、導入
される一定流速のArガスにより微粒子排出口７
からプラズマトーチ１１へ搬送される。搬送管に
内径４mmφ、長さ40ｍのステンレス鋼管を用い、
Arガス流量を、0.6／minとした場合には、微
粒子蒸発室８内の内圧は約150mmH₂Oとなつて湯
面は約２cm降下したが、溶鋼の微粒子は約18秒後
にプラズマトーチ１１に到達し、約10秒間の発光
強度の積分を行うことにより、各元素とも再現精
度が良好な分析結果を得ることができた。搬送管
内壁には微粒子のわずかな残留が起るが、約30秒
間を要する１回の分析が終了後に、プラズマトー
チ１１直前に設けた切替バルブ１４を切替えて
Arガス容器８から10〜20／minの流量でArガ
スを搬送管９を経て微粒子蒸発室８へ吹き込むこ
とにより、残留微粒子は除去できた。また、同時
に微粒子蒸発室８中の溶鋼は同室から排除され、
切替バルブ１４を切替えてもとの分析状態に戻す
ことにより、取鍋中の新たな溶鋼が蒸発室８へ取
り込まれる。このような方法により処理鍋中の溶
鋼の精錬処理過程のオンライン分析も容易に行う
ことができる。

プラズマトーチ１１に導入された微粒子はプラ
ズマの高温で励起発光され、その発光は分光器１
２によつて分光され、各波長位置に設定された光
電子増倍管等の検出器１３により各元素の発光強
度が同時に測定され、溶鋼中の複数元素の同時、
迅速分析が行える。本発明によれば、溶鋼中に不
純物として微量含有されるＣ、Ｐ、Ｓ、Si、Mn、
Ni、Crなど、Ｏ、Ｎ、Ｈのガス成分を除くほと
んどの元素の同時分析が行えた。発光分光分析装
置１０は、プラズマ励起源を有する発光分光分析
装置が適している。現在では、分析精度の良好さ
や取扱い易さの点からArプラズマを用いる高周
波誘導結合型プラズマ発光分光分析装置が最も適
当である。

自然蒸発による微粒子は、各元素の蒸気圧の関
係でもとの溶融金属中の化学成分組成を必ずしも
代表して蒸発していない。その顕著な例は蒸気圧
の低いMnで、例えば溶鋼中のMnの含有量が１
％のとき自然蒸発した微粒子中のMn含有率は約
20％となる。従つて、プラズマ発光分光分析装置
によつて得られた微粒子中の各元素の発光強度か
ら直接溶融金属中の各元素の含有率を求めること
は困難である。そこで、含まれる各元素の含有率
を段階的に変化させた溶融金属を最初に準備し、
この溶融金属中の各元素の含有率を基準に蒸発微
粒子中の各元素の発光強度との相関関係を調べ、
予め検量線を作成しておく。各元素の発光強度
は、一定時間における積分強度をそのまま用いて
もよいが、溶融金属の主成分、溶鋼ならばFeの
積分発光強度と分析目的元素の積分発光強度との
比を用いる方が定量精度が向上する。また、溶融
金属の温度は微粒子の蒸発量に影響を与え、浴温
が高いほど蒸発しやすくなるが、微粒子中の各元
素の含有比率も変る。そこで、対象とする溶融金
属の製造プロセス等において、浴温の変化が起る
場合には、浴温を変化させた時の各元素の含有率
と発光強度との相関関係を予め調べ、作成してあ
る検量線を採用する。すなわち、ある一定温度の
溶融金属を対象に作成した検量線の勾配を浴温で
補正する方法で各元素の含有率を精度よく求める
ことができる。しかし、製鉄における精錬プロセ
スでは溶鋼温度の変動は非常に少なく、1600℃の
溶鋼に対して約10度前後の変動であり、このよう
な場合は浴温による各元素の分析値の補正はほと
んど必要ない。

（発明の効果） 本発明は以上説明したように、これまで溶融金
属試料中の含有成分の分析にあたつて実施してき
たサンプリング、冷却固化、切断、研磨等の前処
理などの煩雑な操作を行わずに、迅速かつ精度よ
く直接分析することができ、金属の精錬や製鋼プ
ロセス等の操業管理に極めて効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するための装置の説明
図、第２図は本発明の微粒子捕集槽の部分の説明
図である。 １……微粒子捕集槽、２……溶融金属、３……
Arガス導入管、４……Arガス導入口、５……Ar
ガス吐出口、６……微粒子排出管、７……微粒子
排出口、８……微粒子蒸発室、９……微粒子搬送
管、１０……高周波誘導結合プラズマ発光分光分
析装置、１１……プラズマトーチ、１２……分光
器、１３……検出器、１５，１５′……Arガス容
器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 容器の開口底部を溶融金属に浸漬し該容器内
   部に捕捉した溶融金属中に、溶融金属の熱を利用
   して予備加熱した不活性ガスを吹き込み、不活性
   ガスとともに溶融金属から蒸発した微粒子を前記
   容器上部より排出し、プラズマ発光分光分析装置
   に搬送導入して微粒子中の各元素の発光強度を測
   定し、溶融金属中に含まれる各元素濃度を求める
   ことを特徴とする蒸発微粒子回収溶融金属分析方
   法。