JPH0613492Y2

JPH0613492Y2 - 金属溶湯中の水素濃度測定用プロ−ブ

Info

Publication number: JPH0613492Y2
Application number: JP1985155980U
Authority: JP
Inventors: 栄加藤; 正也今井; 典生川合; 文秀竹本; 卓朗高岡; 昌幸山口; 和男小寺
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 1985-10-11
Filing date: 1985-10-11
Publication date: 1994-04-06
Anticipated expiration: 2000-10-11
Also published as: JPS6262966U

Description

【考案の詳細な説明】（技術分野）本考案は、アルミニウムやその合金などの金属溶湯中の
水素濃度を測定する水素濃度測定装置において用いられ
るプローブに係り、特に測定応答性に優れたプローブに
関するものである。

（従来技術）アルミニウムやアルミニウム合金等では、その溶湯中に
水素ガスが溶解乃至は溶存していると、かかる溶湯の凝
固の際に、その水素ガスが金属内部に気孔を発生せし
め、得られる鋳造金属の品質を低下させる。このため、
それらアルミニウムやアルミニウム合金等の金属では、
その溶湯中の溶存水素を除去する。所謂脱水素操作が一
般に行なわれている。しかし、この脱水素操作には時間
がかかり、また必要以上の脱水素操作は製品のコストア
ップを招くため、一般には、その操作に先立って、予め
金属溶湯中の水素濃度を測定し、その測定結果に基づい
て必要最小限の脱水素操作を施すことが行なわれてい
る。

そして、その脱水素操作に先立って行なわれる金属溶湯
中の水素濃度の測定には、金属溶湯中の水素濃度を溶湯
状態のまま直接測定でき、測定に要する時間が短くて済
むことから、英国特許第６８４８６５号明細書や米国特
許第２８６１４５０号明細書等に示されている如き、目
的とする金属溶湯中に所定の不活性ガスを繰り返し循環
せしめて、該不活性ガス中に拡散する水素濃度を検出す
ることにより、該金属溶湯中の水素濃度を測定する、所
謂テレガス（Telegas）法によって該金属溶湯中の水素
濃度を測定することが望ましいとされている。

ところで、このテレガス法によって金属溶湯中の水素濃
度を測定する水素濃度測定装置では、金属溶湯に対して
不活性ガスを吹き込み、またその金属溶湯中に吹き込ん
だ不活性ガスを回収するために、一般に、ガス通路とし
て軸方向に２つの貫通孔を備えたセラミックス製の管、
所謂２孔セラミックス管を有するプローブが採用されて
いる。この２孔セラミックス管の先端部が金属溶湯中に
浸漬されることにより、該金属溶湯を含む不活性ガスの
循環閉回路が形成されるのであり、不活性ガスが、この
金属溶湯を含む閉回路を繰り返し循環せしめられる過程
で、金属溶湯中の水素ガスが該不活性ガス中に拡散せし
められるのである。そして、金属溶湯中の水素濃度と平
衡に達したときの不活性ガス中の水素濃度が該閉回路上
に設けられた循環検出部で検出されることにより、その
金属溶湯中の水素濃度が測定されるのである。

また、このようなプローブでは、従来、２孔セラミック
ス管の金属溶湯中に浸漬せしめられる側の先端面が該２
孔セラミックス管の軸心に直角な面とされ、金属溶湯中
に不活性ガスを吹き込むための孔がその先端面に開口せ
しめられて、その先端面に開口した孔から金属溶湯中に
不活性ガスが吹き込まれることにより、上記水素濃度の
測定が行なわれているのである。

（問題点）しかし、かかる従来のプローブを用いて、金属溶湯中の
水素濃度を測定する水素濃度測定装置では、不活性ガス
の循環閉回路が形成されてから不活性ガス中の水素濃度
が金属溶湯中の水素濃度と平衡に達するまでの時間、す
なわち水素濃度を測定するまでに要する時間がかなり長
く、その改善が望まれていた。

（解決手段）ここにおいて、本考案は、このような事情に鑑みて為さ
れたものであって、その特徴とするところは、前述の如
き水素濃度測定装置において用いられる、軸方向にガス
通路としての２つの貫通孔を有し、先端部を該金属溶湯
中に浸漬せしめて、それら２つの貫通孔のうちの１つを
通じて該金属溶湯中に前記不活性ガスを吹き込む一方、
該金属溶湯中に吹き込んだ不活性ガスを他の１つの貫通
孔を通じて回収するようにした、２孔セラミックス管を
備えたプローブにおいて、かかる２孔セラミックス管の
先端部を軸心に対して傾斜して切り落した形態の傾斜面
を形成して、該傾斜面にて先端面の一部乃至は全部を構
成すると共に、該２孔セラミックス管の軸方向に延び
る、前記金属溶湯中に前記不活性ガスを吹き込むための
貫通孔を、該傾斜面に露呈させて、開口せしめたことに
ある。

なお、上記傾斜面は、２孔セラミックス管の軸心に直角
な面に対する傾斜角度が３０〜６０°となる範囲で設定
されることが望ましい。

（作用および効果）このようにすれば、金属溶湯内を循環せしめられる不活
性ガス中の水素濃度が金属溶湯中の水素濃度と平衡に達
するまでの時間が、従来のプローブを用いる場合よりも
速くなり、従ってその水素濃度の測定時間が短くなるの
である。また、水素濃度の測定時間が短くなることか
ら、金属溶湯中の水素濃度変化を連続的にモニターする
ような場合において、従来のプローブを用いる場合より
も、応答性に優れた、ダイナミックな測定結果を得るこ
とが可能になるのである。なお、このように、不活性ガ
ス中の水素濃度が金属溶湯中の水素濃度と平衡に達する
までの時間が短くなるのは、不活性ガスを金属溶湯中に
吹き込むための貫通孔の開口部を傾斜面に形成した結
果、かかる貫通孔の断面口径より大きい面積の開口部が
得られ、金属溶湯中において不活性ガスの吹込み断面積
が大きくなるところから、金属溶湯中に吹き込まれた不
活性ガスと金属溶湯との接触面積が増加し、不活性ガス
に対する水素ガスの単位時間当たりの拡散量が増加し
て、結果として平衡到達速度が速められるためであると
考えられる。

また、前述のように、傾斜面の２孔セラミックス管の軸
心に直角な面に対する傾斜角度を３０〜６０°の範囲で
設定すれば、水素濃度の測定時間を従来に比べて大幅に
短縮できるのであり、従って水素濃度を連続的にモニタ
ーするような場合においても、水素濃度の実際の変化状
態に対する忠実度が大幅に改善されたモニター結果を得
ることができるのである。

（実施例）以下、本考案をより一層具体的に明らかにするために、
その実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

先ず、第１図は本考案に係るプローブの一例を示す断面
図であるが、そこにおいて、１０は、軸方向にガス通路
としての２つの貫通孔１２，１４を有する２孔セラミッ
クス管であって、通常硬質アルミナから成っており、ア
ルミニウムやアルミニウム合金等の金属溶湯１６中に浸
漬される先端（下端）側の端部近傍に位置して、下方に
開口する椀形状のカップ部１８を一体的に備えている。
そして、このカップ部１８の内部中間部には、溶湯金属
１６の通過は阻止するが、気体の通過は許容する、金属
溶湯１６に対する濡れ性の悪いセラミックス製材料から
成るフィルタ２０が設けられており、カップ部１８の内
部を上下に分割して、その上側に位置するカップ部１８
の底部に気体室２２を形成している。

なお、前記カップ部１８は、２孔セラミックス管１０と
同様、硬質アルミナ等によって構成されている。また、
上記フィルタ２０としては、砥粒１００〜４００メッシ
ュの炭化ケイ素、例えば市販の研磨剤用炭化ケイ素にホ
ウケイ酸系フリットガラスを混合し、さらにバインダを
添加して成形した後、１０００〜１３５０℃（好ましく
は１２００℃）で多孔体に焼成したものが、好適に用い
られることとなる。さらに、カップ部１８内の容積は、
測定時間やフィルタ２０の目詰まりと密接な関係がある
ため、必要最小限の容積に設定することが望ましい。

また、２孔セラミックス管１０は、第２図に示されてい
るように、その下端面（先端面）２４が２孔セラミック
ス管１０の軸心に直角な面とされており、その一部が軸
心に対して傾斜して切り落された形態において該下端面
２４に対して所定の傾斜角度：α、例えば４５°の傾斜
角度をもって傾斜せしめられた傾斜面２６とされてい
る。そして、前記２つの貫通孔のうちの一方の貫通孔１
２が、該傾斜面２６に露呈、開口する状態で形成されて
いると共に、他方の貫通孔１４がカップ部１８内の気体
室２２に開口する状態で形成されている。貫通孔１２を
通じて２孔セラミックス管１０内を導かれる窒素ガス等
の不活性ガスが、傾斜面２６に開口せしめられた開口部
から金属溶湯１６内に吹き込まれるようになっているの
であり、またその金属溶湯１６内に吹き込まれた不活性
ガスが、カップ部１８で集められ、フィルタ２０を通じ
て気体室２２に導かれて、該気体室２２に開口する貫通
孔１４を通じて回収されるようになっているのである。
なお、２８は、２孔セラミックス管１０およびカップ部
１８を熱衝撃および溶湯金属１６による侵食から保護す
るためのセラミックス保護層である。

一方、貫通孔１２，１４の上部開口は、第１図に示され
ているように、それぞれ２孔セラミックス管１０の上端
面に開口せしめられており、その上部開口に接続された
ステンレス管３０，３２を介して、水素濃度検出部やポ
ンプ等を含む水素濃度測定装置の図示しない循環検出部
に接続されるようになっている。貫通孔１２，１４がそ
れらステンレス管３０，３２を介して循環検出部に接続
されることにより、金属溶湯１６を含む不活性ガスの循
環閉回路が形成されるようになっているものであり、不
活性ガスがこの金属溶湯１６を含む閉回路を繰り返し循
環せしめられる過程で、金属溶湯１６中の水素ガスが該
不活性ガス中に拡散せしめられるようになっているので
ある。そして、金属溶湯１６中の水素濃度と平衡に達し
たときの不活性ガス中の水素濃度が前記循環検出部の水
素濃度検出部で検出されることにより、金属溶湯１６中
の水素濃度が測定されるようになっているのである。

なお、第１図に示されているように、ステンレス管３
０，３２は、２孔セラミックス管１０側の端部をろう材
３３によって相互に固定されている。また、２孔セラミ
ックス管１０の貫通孔１２，１４とステンレス管３０，
３２との接続部は、保護スリーブ３４内に収容されてお
り、該保護スリーブ３４内に形成されたガラス質融着剤
からなる融着部３６およびセラミックス系接着剤からな
る接着部３８によって気密に封止、固定されている。こ
のように、貫通孔１２，１４とステンレス管３０，３２
との接続部を融着部３６および接着部３８によって気密
に封止、固定するようにすれば、測定雰囲気温度が多少
高くても、良好な封止機能が維持されるのであり、機械
的にも充分な強度が得られるのである。

このようなプローブでは、前述のように、２孔セラミッ
クス管１０に形成された一方の貫通孔１２から金属溶湯
１６内に不活性ガスが吹き込まれる一方、カップ部１８
の気体室２２に開口された他方の貫通孔１４からその金
属溶湯内に吹き込まれた不活性ガスが回収されて、金属
溶湯１６を含む循環閉回路内を不活性ガスが循環せしめ
られることにより、循環検出部の水素濃度検出部におい
て金属溶湯１６中の水素濃度が測定されることとなる
が、本実施例のプローブでは、前述のように、金属溶湯
１６内に不活性ガスを吹き込む貫通孔１２の下部開口部
が２孔セラミックス管１０に形成された傾斜面２６に開
口せしめられていることから、該開口部を単に２孔セラ
ミックス管１０の軸心に直角な面（２４）に開口せしめ
た場合に比べて、その開口断面積が大となって、金属溶
湯との接触量が増えるために、循環閉回路が形成されて
から不活性ガス中の水素濃度が金属溶湯１６中の水素濃
度と平衡に達するまでの時間、ひいては水素濃度の測定
時間が短くなるのである。また、それ故、該プローブを
用いて金属溶湯１６中の水素濃度変化を連続的にモニタ
ーするような場合において、従来のプローブを用いる場
合よりも、応答性に優れた、ダイナミックな測定結果が
得られるのである。

因みに、第１図に示されている如きプローブにおいて、
傾斜面２６の傾斜角度：αを４５°に設定したものを用
い、水素濃度が互いに異なる、溶湯温度が共に７００℃
の２種の純アルミニウム溶湯（１６）に対して、それぞ
れ窒素ガスを８０mlNTP／minの流速で循環せしめ、それ
ら各窒素ガス中の水素濃度の経時変化を測定した。その
測定結果を第３図および第４図にそれぞれ実線で示す。
また、これと比較するために、貫通孔１２の開口部を２
孔セラミックス管１０の軸心に直角な下端面２４に開口
せしめたプローブを用いて同様の測定を行ない、その測
定結果を第３図および第４図にそれぞれ破線で示した。
これらの測定結果から明らかなように、従来のプローブ
では窒素ガス中の水素濃度がアルミニウム溶湯中の水素
濃度と平衡状態になるまでに何れも４〜５分程度要して
いたのに対し、本実施例のプローブでは、何れも３分程
度で平衡状態が得られているのであり、測定時間が３０
〜４０％程度短縮されていることが認められるのであ
る。

なお、このように、不活性ガス中の水素濃度が金属溶湯
中の水素濃度と平衡に達する時間が短くなるのは、不活
性ガスを金属溶湯中に吹き込むための孔の開口部を傾斜
面２６に形成した結果、その開口断面積が増大し、以て
金属溶湯中に吹き込まれた不活性ガスと金属溶湯との接
触面積が増加し、不活性ガスに対する水素ガスの単位時
間当たりの拡散量が増加して、結果として平衡到達速度
が速められるためであると考えられる。

以上、本考案の実施例を説明したが、これはあくまでも
例示であり、本考案がかかる記載によって限定して解釈
されるべきではないことは、勿論である。

例えば、前記実施例では、傾斜面２６の傾斜角度：αが
４５°に設定されている例について、純アルミニウム溶
湯（１６）を対象とした水素濃度の測定例を示したが、
傾斜面２６の傾斜角度：αはこれに限定されるものでは
なく、任意に設定することが可能である。ただし、この
傾斜角度：αは、水素濃度の測定時間を有効に短縮する
うえで、３０〜６０°の範囲で設定することが望まし
い。なお、前記実施例では、２孔セラミックス管１０の
下面の一部が傾斜面２６とされているが、下面の全部を
傾斜面２６とすることも可能である。

また、金属溶湯１６としても純アルミニウム溶湯に限定
されるものではなく、アルミニウム合金溶湯を測定対象
とすることもできるのである。

さらに、前記実施例では、窒素ガスを８０mlNTP／minの
流速で循環せしめた場合の測定例を示したが、該窒素ガ
スの流速は２５〜１１０mlNTP／min程度の範囲で適宜設
定することが可能であり、また不活性ガスとしても窒素
ガス以外のものを用いることが可能である。

また、前記実施例では、プローブを高温雰囲気下でも良
好に使用し得るようにするために、２孔セラミックス管
１０の貫通孔１２，１４とステンレス管３０，３２との
接続部をガラス質融着剤（３６）およびセラミックス系
接着剤（３８）で気密に封止、固定していたが、これに
限定されるものではなく、その接続部を有機系接着剤等
の他の手段で気密に封止、固定するようにしてもよいの
である。

その他、一々列挙はしないが、本考案がその趣旨を逸脱
しない範囲内において、種々なる変更，修正，改良等を
施した太陽で実施し得ることは、言うまでもないところ
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係るプローブの一例を示す断面図であ
り、第２図はその要部拡大断面図である。また、第３図
および第４図は、それぞれ第１図のプローブを用いて純
アルミニウム溶湯中の水素濃度を測定した測定結果の一
例を、従来のプローブを用いて測定した測定結果と比較
して示すグラフである。１０：２孔セラミックス管１２，１４：貫通孔、１６：金属溶湯１８：カップ部、２０：フィルタ２４：下端面（先端面）、２６：傾斜面３０，３２：ステンレス管 α：傾斜角度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者川合典生東京都港区新橋５丁目11番３号住友軽金属工業株式会社内 (72)考案者竹本文秀東京都港区新橋５丁目11番３号住友軽金属工業株式会社内 (72)考案者高岡卓朗愛知県名古屋市緑区鳴海町字伝治山３番地鳴海製陶株式会社内 (72)考案者山口昌幸愛知県名古屋市緑区鳴海町字伝治山３番地鳴海製陶株式会社内 (72)考案者小寺和男愛知県名古屋市緑区鳴海町字伝治山３番地鳴海製陶株式会社内 (56)参考文献特開昭58−143266（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−129346（ＪＰ，Ａ)

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】金属溶湯中に所定の不活性ガスを繰り返し
循環せしめて、該不活性ガス中に拡散する水素濃度を検
出することにより、かかる金属溶湯中の水素濃度を測定
する金属溶湯中の水素濃度測定装置において用いられ
る、軸方向にガス通路としての２つの貫通孔を有し、先
端部を該金属溶湯中に浸漬せしめて、それら２つの貫通
孔のうち１つを通じて該金属溶湯中に前記不活性ガスを
吹き込む一方、該金属溶湯中に吹き込んだ不活性ガスを
他の１つの貫通孔を通じて回収するようにした、２孔セ
ラミックス管を備えたプローブにおいて、かかる２孔セラミックス管の先端部を軸心に対して傾斜
して切り落した形態の傾斜面を形成して、該傾斜面にて
先端面の一部乃至は全部を構成すると共に、該２孔セラ
ミックス管の軸方向に延びる、前記金属溶湯中に前記不
活性ガスを吹き込むための貫通孔を、該傾斜面に露呈さ
せて、開口せしめたことを特徴とする水素濃度測定装置
用プローブ。
【請求項２】前記２孔セラミックス管の傾斜面が、該２
孔セラミックス管の軸心に直角な面に対して３０〜６０
°の傾斜角度を有している実用新案登録請求の範囲第１
項記載のプローブ。