JPH039018Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本考案は溶融金属中の水素定量のための試料採
取管の改良に関するものである。 （従来の技術） 製鋼やアルミニウム製錬において、溶融金属中
の水素量をできるだけ低減させることが最終製品
の機械的性質を向上させる上で肝要である。溶融
金属（以下溶湯と記す）中の水素を定量するに
は、従来、溶湯を石英管で吸上げ、水で急冷した
のち、所定の大きさに切断し研磨してから、不活
性ガス中溶融−ガスクロマトグラフ−熱伝導度検
出法により定量するのが一般的である。 しかしながら、上述の試料採取−定量法では、
溶融金属の凝固に際し水素溶解度が大巾に低下す
るので、多量の水素を放出するが、この放出され
た水素が大気中に逸散し定量されないこと、凝固
後、室温では過飽和状態にあるため試料の切断、
研磨等の分析準備作業中にも水素が逸散すること
などの理由で、溶湯中の水素を正確に定量するこ
とが困難である。 このような難点を解決するため、二三の提案が
なされている。その第１は、肉厚の薄い円筒形の
ステンレス鋼を封入した真空石英管に溶湯を吸上
げ、凝固時に放出される水素を水素溶解度の高い
ステンレス鋼に吸収させ、試料をステンレス鋼円
筒と共に切断し定量に供するものである（成田
他、鉄と鋼，65，1979，1620）。しかし、この方
法を用いるとき凝固金属とステンレス鋼円筒との
境界に微細なすきまを生じ、水冷時にここに入つ
た水が、分析のための溶融時に分解して水素を発
生し誤差を生じることが多く、また挿入されるス
テンレス鋼円筒もあらかじめ完全に脱水素をして
おかないと誤差が大きくなるという難点がある。 その第２は第５図に示すように中空体が金属の
薄肉の壁１２およびカバーキヤツプ１３により構
成され、試料鋳型１４を内蔵する中空体の外壁の
結合部が金属材料のみを使用して真空に密閉され
ている試料採取管である（特公昭53−45157号公
報）。この採取管のカバーキヤツプ３−₁を溶湯に
浸漬し内部鋳型１４内に溶湯を吸引したのち冷却
して溶湯中の水素を真空室１５中に放出させて捕
集し、次に第６図に示すようにガス分析計１６に
連結された容器１７中に一端（溶湯に浸漬したカ
バーキヤツプの他端）を挿入し入口を封じたのち
外壁１２に穿孔して真空室１５に捕集された水素
を定量するものである。（ここで、採取管全体を
密閉容器中に入れ壁１２を穿孔すると鋳型１４に
吸上げられた溶湯から真空室１５に放出された水
素だけでなく吸上基部１８の鋼からの放出水素の
一部も定量されるため誤差を生じる。）この方式
によれば試料凝固時に放出される水素の逃散は防
止され、また、試料の切断研磨が不要となつたた
め、切断・研磨時の水素逸散による誤差も防止さ
れている。 しかし、この提案にもなお難点が残されてい
る。すなわち、 (a) 溶湯に浸漬した際に薄肉金属で作られた壁１
１が溶損されるのを防止するため採取管の周囲
を断熱材で被覆するが、この断熱材の一部に有
機質バインダーが含まれているためにそれが燃
焼して溶湯が沸いて空気のまき込みが生じ、ま
た、その断熱材の一部が溶融してスラグを形成
し溶湯中のＣ，Ｈ，Ｏ，Si量および介在物量を
増加させる。スラブ鋳造直前の連続鋳造装置の
タンデイシユやモールドにおいては、この悪影
響は許容限度を越えるので、その使用はそれ以
前の工程に限定される。 (b) かりに、断熱材を取り除き、外壁１１が溶損
しないように短時間だけ溶鋼中に浸漬して溶湯
を吸上げたとしても、外壁１２とカバーキヤツ
プ１３の外周に溶湯が付着し凝固することは避
けられない。外周に金属が付着すると、第６図
で説明したような容器１７中に採取管の一端を
入れて容器１７と採取管との間を密封すること
が非常に困難となり、水素定量は事実上不可能
となる。 (c) 容器１７と採取管との間の密封には通常ゴム
製Ｏリングが使用されるが、その焼損を防止す
るために採取管は溶湯吸上げ後水冷される。鋼
の場合、鋳型内に吸上げられた鋼中に全体の約
５〜10％の水素が残留するので、真空室１５中
の水素を定量したのち、鋼の入つた鋳型１４の
一部を切断して加熱抽出水素定量装置により別
途残留水素を定量して合算することが必要とな
る。この操作は、分析結果を迅速に入手するう
えでは非常に大きな難点となる。 上記難点を解決するため、本発明者は、すで
に、器壁が無機質耐火物で構成され、一方の端部
に試料の溶融金属中に浸漬した際に溶損されて開
口する溶融金属吸上口を有しかつ内部を真空とし
た管状体内に、前記吸上口に連通して、吸上げら
れた溶融金属が所定の形状に凝固するような空腔
を形成する如く、水素透過性材料からなる導管を
内蔵し、かつ前記溶融金属の凝固冷却に際し放出
される水素を収容する空間を備えた溶融金属中の
水素量を定量するための試料採取管（実願昭57−
141889号（実開昭59−47869号））を提案した。こ
の試料採取管（第７図に概念図を示す）によれ
ば、さきに挙げた採取管（特公昭53−45157号）
の難点は解決された。すなわち、 (a) 薄肉金属の壁とカバーキヤツプに代えて、石
英あるいはアルミナ等の無機質耐火物を用いた
ことにより溶湯中に浸漬したときの耐熱性が大
幅に改善される（これは単に融点のちがいだけ
でなく熱伝導率の相異によつても大きく左右さ
れる）。その結果、公知採取管では必須であつ
た断熱材による被覆が不要となり、断熱材によ
る溶湯の汚染が防止されタンデイシユや連鋳モ
ールドでの使用が可能となる。 (b) この採取管によれば、採取管が吸上げ基部１
８を含まないので、先に述べた吸上げ基部によ
る誤差が防止でき、したがつて採取管の全体を
完全に捕集容器（第８図）中に挿入して定量す
ることが可能となる。さらに、この結果、捕集
容器の密閉にＯリングを使用することは不要と
なり、捕集容器１９とふた２０との密閉には高
温用金属パツキンが使用できるので、溶湯を吸
上げた採取管を水冷することなく、直接、捕集
容器１９中に挿入できる。水冷操作を省略する
ことによつて導管（鋳型）内金属から中空空間
に水素ガスとして放出される割合が大幅に上昇
し（約90％から約98％へ）凝固金属中に残留す
る水素量はほぼ無視できる水準にまで低下しま
たそのバラツキも極めて減少する。したがつ
て、残留水素の定量を省略することが可能とな
り、分析時間の短縮にも大きく寄与する。 (c) 吸上げ基部の容積が大きい公知試料管（特公
昭53−45157号公報）は、吸上げ基部での溶湯
の凝固速度を適当な値に制御するために、通常
吸上げ基部の内部に冷し金を挿入してある。こ
の冷し金の挿入により新たなトラブルが生じ
る。すなわち、例えば溶鋼温度が約1500℃にま
で低下すると吸上げられた溶鋼が鋳型部に到達
しないで吸上げ基部で凝固し、吸上げ不良によ
り溶鋼のサンプリングが不成功に終ることが多
い。一方、 この試料採取管によれば、吸上げ基部の内部
に挿入する冷し金も不要であるので約1500℃の
溶鋼でも何ら支障なく吸上げることができる。 （考案が解決しようとする問題点） 本考案者による最近の詳細な実験によれば、実
願昭57−141889号（実開昭59−47869号）の方法
にも、なお、若干問題が残されていることが明ら
かとなつた。すなわち、採取管（第７図）で溶鋼
を吸上げてから、採取容器（第８図）に入れて採
取管を破断して、残留空間７中の水素を定量する
までの間に、捕集された水素の一部が逃散するこ
とがときどき認められる。特に無機質耐火物製の
器壁１中に金属性の導管（鋳型部３）を使用した
場合、逃散が生じたときには、金属製導管３の外
表面に、酸化によるテンパーカラーを生じ、しか
も器壁１には何らき裂が認められないことから、
この原因は、溶鋼吸上げ後、溶鋼吸上げに伴つて
熱膨張した金属製導管が除冷される際に、無機耐
火物製器壁１と金属製導管３との熱膨張率の違い
により、吸上部２の開口端の器壁１と導管３の境
界面から、空気が内部へ侵入し、同時に外部へ水
素が放散するものと考えられる。したがつて、吸
上げ後の吸上部２の開口部の器壁１と導管３との
境界面からのガス移動を防止するために、吸上げ
後の境界面を密封することの可能な採取管の開発
を行なつた。 （問題を解決するための手段） 本考案は上述の問題点を有効に解決したもので
ありその要旨とするところは、器壁が無機質耐火
物で構成され、一方の端部に試料の溶融金属中に
浸漬した際に溶損されて開口する溶融金属吸上口
を有しかつ内部を真空とした管状体内に、前記吸
上口に連通して、吸上げられた溶融金属が所定の
形状に凝固するような空腔を形成する如く、水素
透過性材料からなる導管を内蔵し、かつ前記溶融
金属の凝固冷却に際し放出される水素を収容する
空間を備えた溶融金属中の水素量を定量するため
の試料採取管において、 (a) 導管の吸上口付近の外周部に突出部を形成す
る、 (b) 導管と器壁との空間に低融点物質を挿入す
る、 (c) 導管の吸上口側の端部の内部に、器壁と連接
した円筒状開口内管を設ける、 (d) 吸上口付近の器壁の外周に金属製薄板または
線を捲きつける、 以上の(a)，(b)，(c)，(d)のいずれかを単独あるい
はいくつかを併せて施こしたことを特徴とする溶
融金属中の水素量定量用試料採取管である。 以下に図面に基づいて本考案の内容を詳述す
る。 第１図、第２図、第３図、および第４図はそれ
ぞれ本考案の試料採取管の一態様例を示すもので
あるが、第１図〜第４図において内部を真空にし
た無機質耐火物製の採取管の壁１の一部を薄肉と
した吸上口２部を溶湯に浸漬するとこの部分が溶
損し、溶湯が吸引され、あらかじめ脱水素された
薄い鋼板で作られた導管３内を満たしあらかじめ
脱水素された冷し金４に到達して通気孔５を閉塞
し凝固する。６は、採取管内の一定の位置に導管
３を固定するための固定材である。凝固ならびに
冷却による水素溶解度減少によつて放出される水
素は通気孔５を経由して、あるいは導管３を長手
方向と直角に拡散移動し残留空間７中に捕集され
る。第１図において、導管３の吸上口２近くに、
あらかじめ金属製リング８を接合またはかん合し
たのち、その上から無機質耐火物製の材料で覆つ
て採取管の壁１を形成したものである。また、導
管３の吸上口２の近くに金属製フランジを接合
し、その外部を無機質耐火物製の材料で覆つて採
取管の壁１を形成したり、また、吸上口２の近く
で導管３の長さ方向の一部を拡管し、導管３の径
を変化させたり屈曲させることも第１図と同等の
効果をもたらす手段である。第２図においては、
導管３を無機質耐火物製の器壁１との空間にソー
ダガラス、はんだ、ソルダー合金（石英と鉄の接
着合金）などの低融点物質９を挿入したものであ
る。 また、導管３の吸上口２の近くの外周に、あら
かじめ、これらの低融点物質を塗付したのち、無
機質耐火物製の材料で覆つて採取管の壁１を形成
したものも第２図と同等の効果をもたらす手段で
ある。第３図においては、導管３の吸上口側端部
の内部に、器壁と連接した円筒状開口内管１０を
設けたものである。 第４図においては、吸上口２の近くで導管３と
かん合するようにしぼられた器壁１の外周に金属
製の薄板または線１１を捲きつけてリングを形成
している。 （作用） 第１図の場合には、導管３と器壁１との境界面
積を大きくすることにより熱応力による隙間の形
成をなくし、ひいては捕集した水素ガスの放散速
度を遅くすることにより、通常の試料採取から分
析までの所要時間での水素放散を低減する。第２
図の場合には、挿入された低融点物質が、溶鋼採
取後の放冷時に比較的低温まで液状で存在し、金
属製導管３と器壁１のしぼり部との境界層のすき
まを充填し、捕集された水素ガスの放散を防止す
る。第３図の場合には、導管３内でかつ開口内管
１０の外周にある溶鋼が凝固時の収縮に際し内管
の外周壁を強くしめつけるために、この境界面か
らの水素ガス逃散が防止される。 第４図の場合には、吸上部２の近くで導管３と
かん合するようにしぼられた器壁１の外周に捲き
つけた金属性リングに溶鋼が付着し導管３内の溶
鋼とたがいに連結して凝固し、冷却時の導管３と
器壁１との境界層の空隙を減少させ、結果とし
て、捕集された水素ガスの放散を防止する。多量
の溶鋼が付着すると結果に妨害を与えるので、こ
れを防ぐため鋼薄板あるいは細い鋼線を用いるの
が肝要である。なお、第１図ないし第４図に例示
した手段の、一部あるいは全部を併用することも
可能で、補集水素の放散の可能性が更に一層防止
され、より正確な値を、より高い確率で得られる
ことは言うまでもない。 また、本考案を補完し、水素ガスの放散を完全
に防止するために、溶融金属を採取直後に、採取
管の吸上口の周辺を鉛、ハンダなどの低融点金属
の溶融池に浸漬して被覆することも効果的であ
る。以下に本考案の実施例を示す。 （実施例） 第１図に示した本考案の採取管（石英製で外径
12mm、内径10mm、長さ150mm、内部に脱水素した
冷延薄鋼板製で板厚0.3mm、径６mm、長さ70mmで
吸上端部から５mmのところの外周に直径約１mmの
鋼線リングをはんだ付けした導管を封入して
10^-2Torr以下に真空排気したもの）、第２図に示
した本考案の採取管（リングを除き上記と同様の
構成で、採取管の導管３と器壁１との間に約0.5
ｇのソーダガラスを封入したもの）、第３図に示
した本考案の採取管（長さ約５mmの石英製内管を
石英製器壁に溶着し、ここに薄鋼製の導管の吸上
口側の端部を固定したもの）、および、第４図に
示した本考案の採取管（リングを除き、上記第１
図の考案と同様の構成で、採取管の吸上口側端部
に巾５mm板厚0.3mmの冷延鋼板を２重に捲きつけ
たもの）を製作した。 これら本発明の採取管及び比較用に実願昭57−
141889号に記載されている第７図の採取管を用い
て、連続鋳造用モールドにおいて、JIS SM50相
当の組成の溶鋼から、それぞれ20試料ずつほぼ同
一時期に採取した。それぞれの試料を10分間放冷
したのち20箇のステンレス鋼製補集容器２９（第
８図に示したものと同一構成）に入れ、第９図に
示すようにガスクロマトグラフ−熱伝導検出型ガ
ス分析計２５と接続してそれぞれの捕集容器２９
内をArガスで置換したのち、弁２６を閉じた状
態で石英製採取管を破断した。次に弁２６、三方
弁２７を開閉して順次捕集容器中の水素をArキ
ヤリヤーによつてガスクロマトグラフに搬送し熱
伝導度検出によつて定量した。水素定量完了後、
試料を取り出して秤量し測定に関与しない冷し金
部と導管部との重量を差引いて試料重量とした。
放出水素量と試料重量から溶鋼中水素含有率を計
算した。 なお、通常、採取後直ちに（２分以内）定量す
るところを、放冷10分としたのは、多量の試料を
取扱うため若干時間を要したことと共に、水素漏
洩防止における本考案の効果を明らかにするため
漏洩が起りうる放冷時間を延長しておこなつたも
のである。測定結果を表１に示す。

【表】 い値。
表１から明らかなように、公知採取管では、捕
集水素量の相当量が大気中に放散したことによる
異常低値の発生率が25％に対し、本考案採取管で
は５％に低下している。表１には示していない
が、第１図〜第４図の考案を併用した結果では、
二つ以上の併用でいずれも異常低値発生率（20試
料に対する）は０％となつている。また、本考案
の採取管による測定値は水素放散の影響を受け
ず、従来の公知採取管による測定値より高く、か
つ標準偏差が低値である。 （考案の効果） 本考案の採取管を使用することにより、溶鋼吸
上げ後の放冷時の、吸上げられた溶鋼あるいは金
属製導管の熱収縮に伴う無機質耐火物器壁と金属
製導管との境界層に生じるすきまを経由する、捕
集水素の放散は防止され、高い確率で正しい水素
定量値を得ることが出来、金属精錬、ひいては、
金属材料の品質向上に寄与するところ大である。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂ，ｃ、第２図、第３図および第４
図ａ，ｂは本考案の水素量定量用試料採取管の概
略図、第５図は従来の試料採取管の一例を示す
図、第６図は第５図の試料採取管に捕集された水
素を定量するガス分析装置の一例を示す概略図、
第７図は、従来の試料採取管の他の一例を示す
図、第８図は、第７図ａ，ｂの試料採取管に捕集
された水素をとり出し分析計に送るための捕集容
器を示す図、第９図は、第８図の捕集容器と分析
計とからなる水素分析装置の一例を示す概略図で
ある。なお、第１図ａ，第２図，第３図，第４図
ａ，第６図，第７図ａは、いずれも縦断面図で、
第１図ｂ，ｃはそれぞれ第１図ａのＡ−Ａ線、Ｂ
−Ｂ線に沿う横断面図、第４図ｂは、第４図ａの
Ｃ−Ｃ線に沿う横断面図、第７図ｂは、第７図ａ
のＤ−Ｄ線に沿う横断面図である。 １……無機耐火物製器壁、２……吸上口、３…
…金属製導管、４……冷し金、５……通気孔、６
……固定材、７……残留空間、８……金属製リン
グ、９……低融点物質、１０……円筒状開口内
管、１１……金属製リング、１２……薄肉金属
壁、１３……カバーキヤツプ、１４……鋳型、１
５……真空室、１６……ガス分析計、１７……捕
集容器、１８……吸上基部、１９……捕集容器、
２０……ふた、２１……ベローズ、２２……駆動
ネジ、２３……刃、２４……固定具、２５……ガ
スクロマトグラフ−熱伝導度検出型ガス分析計、
２６……弁、２７……三方弁、２８……加熱器、
２９……捕集容器。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 器壁が無機質耐火物で構成され、一方の端部に
   試料の溶融金属中に浸漬した際に溶損されて開口
   する溶融金属吸上口を有しかつ内部を真空とした
   管状体内に、前記吸上口に連通して、吸上げられ
   た溶融金属が所定の形状に凝固するような空腔を
   形成する如く、水素透過性材料からなる導管を内
   蔵し、かつ前記溶融金属の凝固冷却に際し放出さ
   れる水素を収容する空間を備えた溶融金属中の水
   素量を定量するための試料採取管において、 (a) 導管の吸上口付近の外周部に突出部を形成す
   る、 (b) 導管と器壁との空間に低融点物質を挿入す
   る、 (c) 導管の吸上口側の端部の内部に、器壁と連接
   した円筒状開口内管を設ける、 (d) 吸上口付近の器壁の外周に金属製薄板または
   線を捲きつける、 以上の(a)，(b)，(c)，(d)のいずれかを単独あるい
   はいくつかを併せて施こしたことを特徴とする溶
   融金属中の水素量定量用試料採取管。