JPH09166590A - 鋼中微量炭素の迅速定量方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鋼中の微量炭素を、短時間で簡単な操作で且
つ精度よく分析する。 【解決手段】 燃焼分析法において、試料１の表面積を
１ｇ当たり４cm² 以下として、助燃剤に銅を使用し、高
周波コイル５を用いて加熱時間２０秒以上１分以内で酸
素気流中で燃焼させ、酸化炭素ガスを検出する。 【効果】 炭素の検出曲線において試料表面の汚染炭素
と鋼中炭素とが明瞭に分離され、鋼中炭素が精度よく測
定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、鋼試料中の微量
炭素を迅速且つ正確に定量する分析方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、鉄鋼製造業において、製品の高級
化に伴い鋼中に含まれる炭素濃度を極力低くし深絞り性
を向上させた極低炭素鋼が製造されている。これらの製
造過程では、工程管理や品質管理のために、短時間で炭
素濃度を把握する必要があり、微量炭素の迅速な分析が
切に要求されている。この要望に応えるためには、微量
な炭素を精度よく測定すると同時に、複雑な操作を避け
且つ現場で迅速に結果が得られる分析法が不可欠であ
る。

【０００３】鋼中の炭素を分析する方法に、酸素気流中
で助燃剤とともに試料を加熱溶融し炭素を燃焼して一酸
化炭素、二酸化炭素の酸化炭素ガスに変えて抽出し、こ
れを赤外線吸収法や電量滴定法により検出して炭素量を
求める燃焼分析法がある。助燃剤には、銅や錫或いは錫
とタングステンの混合物が使われる。

【０００４】微量炭素の分析で問題になるのは、試料表
面に付着している炭素であり、鋼中の炭素に混入すると
測定値を狂わせる。試料表面には、大気中に浮遊する炭
化水素類等の有機炭素が付着したり炭酸ガスが吸着され
ていたりする。有機炭素は有機溶媒による洗浄である程
度除去することはできるが、吸着された炭酸ガスは殆ど
除くことができない。

【０００５】このように試料表面に付着している炭素は
汚染炭素と言われるが、この汚染炭素は微量であり、鋼
中の炭素量が多い場合には無視することもできる。しか
し、鋼中の炭素量が微量な場合は無視することができ
ず、汚染炭素量を分離し真の鋼中炭素量を求めなくては
ならない。

【０００６】従来、この問題に対処する対策が三つあ
る。第一は試料採取時から試料の汚染を避ける対策であ
る。例えば、特開平３−７１０５７号公報には、溶鋼を
真空サンプラーで採取した後、不活性ガスでパージされ
た気密室内で、サンプラーの破砕や試料の切断などの前
処理操作の全てを行い、更に気密室と定量分析装置とを
気密状態で連絡する分析装置が記載されている。しか
し、これは大がかりな設備となり実用的ではない。

【０００７】第二は、汚染炭素を除去してから、鋼中の
炭素を測定する対策である。鋼中の炭素は助燃剤の存在
下で酸素気流中で加熱溶融することによって、一酸化炭
素或いは二酸化炭素の酸化炭素ガスとして抽出される。
助燃剤がなく、加熱の程度が試料の溶融にまで至らなけ
れは鋼中の炭素は酸素気流中でも抽出されない。一方、
汚染炭素は酸素存在下で加熱すれば酸化炭素ガスとして
除去することができる。

【０００８】上記の考えに基づいて、ＪＩＳ Ｇ １２
１１では、事前加熱法を定めている。この方法では、加
熱手段に電気抵抗加熱炉を用い、試料を事前に大気中で
４２０℃±１０℃で５分から１０分加熱して汚染炭素を
除去する。この後助燃剤を加えて酸素気流中で燃焼加熱
を行い鋼中炭素を酸化炭素ガスとして抽出し検出器に送
り込む。この方法で含有率３ppm から１００ppm の鋼中
の炭素が精度よく分析される。

【０００９】しかし、この方法では、事前加熱に時間を
要し更に事前加熱とその後の燃焼加熱との間で試料を一
度炉から取り出して助燃剤を添加する等の操作を要し、
分析に要する時間が長くなり工程管理分析には適しな
い。又、事前加熱では加熱温度を狭い範囲に維持する必
要があり、炉内温度コントロールのできる電気抵抗加熱
炉を使用しなければならないが、この炉は炉心管や発熱
体の交換頻度が高くこの点でも現場での実用には不適で
ある。

【００１０】分析所要時間を短縮するために、最初から
助燃剤を用い且つ酸素を流しながら分析する方法も提案
されている。例えば、特開平６−１２３６９０号公報に
は、試料の加熱部に導入するガスを切替えられるように
し、最初は不活性ガスを導入して汚染炭素を除去し、そ
の後酸素ガスに切り換えて鋼中炭素を酸化炭素ガスとし
て抽出し検出することが記載されている。この場合、事
前加熱を低温に保つ必要はなく、加熱手段として高周波
加熱装置を用いることもでき短時間で加熱及び燃焼を完
結させることができる。しかし、不活性ガスに混入する
微量の酸素が鋼中炭素の脱炭に作用し分析精度を低下さ
せる。このため、一旦酸素気流中で分析後は系内を完全
に不活性ガス雰囲気に置き換える必要がある。つまり、
測定前の準備に時間がかかり、多数の試料を迅速に繰り
返し分析しなければならない工程管理分析等には適しな
い。

【００１１】第三は、酸化炭素ガスを検出する際に分離
測定する対策である。試料を加熱する途中で未だ鋼試料
が溶融する前に汚染炭素が抽出される。したがって、汚
染炭素は鋼中炭素に先立って検出される。例えば、特開
平３−３７５６６号公報には、試料と助燃剤を試料容器
に入れて蓋を掛け開放率を３０％以内として、酸素雰囲
気中に挿入し１１００℃から１４００℃に加熱し、酸化
炭素ガスを検出する方法が記載されている。蓋があるた
め試料の昇温が緩やかになり、試料が１１００℃に達す
る前の時点で検出される酸化炭素ガスは汚染炭素に起因
するもので、その後に検出される酸化炭素ガスは鋼中炭
素に起因するものである。しかし、この方法では、汚染
炭素と鋼中炭素が明確に分離できるかどうかは試料の昇
温速度に大きく影響され、試料容器や蓋によって分析精
度が変動する。加えて、加熱温度を１４００℃より高く
することができないので、電気抵抗加熱炉を用いねばな
らず、事前加熱法と同様炉心管や発熱体の交換頻度が高
く現場での実用には不適である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、鋼中の
微量炭素を精度よく分析しようとすると、分析所要時間
が長くなり或いは複雑な操作が必要になり、工程分析や
品質管理分析に用いることのできる適当な分析法がなか
った。

【００１３】この発明はこの問題を解決するためになさ
れたもので、複雑な準備や操作を要することなく迅速に
しかも高い精度で鋼中の微量炭素分析することを目的と
するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の手段は、鋼試料を酸素気流中で助燃剤を用いて加熱燃
焼し試料中の炭素成分を酸化炭素ガスとして、この酸化
炭素ガス濃度から炭素含有率を求める鋼中炭素の燃焼分
析法において、助燃剤として銅を用い、加熱手段として
高周波加熱装置を用い、且つ試料の表面積を試料重量１
ｇ当たり４cm²以下とし加熱時間２０秒以上１分以内で
鋼中の炭素を汚染炭素と分離して測定する鋼中微量炭素
の迅速定量方法。

【００１５】助燃剤として一般には銅、錫、タングステ
ン・錫混合剤等が使用されるが、この発明の方法では銅
を用いた場合、汚染炭素と鋼中炭素との分離が最も短時
間で行われる。

【００１６】加熱手段として高周波加熱装置を用いるの
は、高周波電流が主として試料の表面に誘導され、した
がって試料表層で加熱が行われることを利用するためで
ある。又、高周波加熱装置では、電気抵抗加熱炉のよう
に炉心管や発熱体の交換が不要で保守管理が容易であ
る。更に、急速な加熱が容易で短時間で試料を完全に燃
焼させることができる。

【００１７】高周波加熱では上記のように試料表層で加
熱が行われ、表層から昇温し続いて伝熱により試料内部
が昇温するが、内部が昇温し試料の溶融が始まる以前に
表面の汚染炭素を除去する必要がある。表面積を試料重
量に対して小さくすることによって試料の溶融を遅らせ
ることになり、汚染炭素と鋼中炭素との分離が容易にな
る。又、試料表面積が小さければ汚染炭素量もそれだけ
少ないので、更に分離が容易になる。

【００１８】試料の表面積が試料重量１ｇ当たり４cm²
以下であれば、炭素含有率１００ppm 以下の微量炭素鋼
では、１分以内の加熱時間で汚染炭素と鋼中炭素とは充
分に分離して測定することができる。

【００１９】高周波の出力を高めると短い加熱時間で全
炭素を抽出することはできるが、抽出時間が短過ぎる
と、汚染炭素の抽出が終わらないうちに鋼中炭素の抽出
が始まり、両者の分離が困難となる。このため、全炭素
量の抽出に２０秒以上の時間をかけて加熱する必要があ
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】極低炭素溶鋼を内径６mmの石英管
を用いて吸い上げた棒状の鋼試料を長さ５mmに切断し、
表面の研磨等の前処理を施さずに、重量１．１ｇで表面
積が１．５cm ² の試料を得た。

【００２１】試料を加熱溶融し炭素を抽出する状況を図
１に示す。試料１を、０．７ｇの銅助燃剤２とともに磁
器ボート３に入れ、高周波コイル５の中央部に設置した
燃焼管４に挿入し、燃焼管４内に酸素ガスを導入した。
酸素ガスの導出口は検出器６に接続されており、燃焼管
内のガスの炭素量はこの検出器で測定される。

【００２２】酸素ガスを２．５リットル／分の割合で導
入しながら、周波数１８ＭＨｚ、出力２．３ｋＷの高周
波で加熱し、炭素を抽出した。

【００２３】検出された炭素の信号強度を図２に示す。
加熱開始後１０秒過ぎに現れた信号は汚染炭素の信号
で、２０秒近く経って現れた信号が鋼中炭素の信号であ
る。両方の信号が描く山は明瞭に別れてをおり、汚染炭
素量と鋼中炭素量とを分離して測定することができる。
後の信号が描く山の面積から検量線を用いて鋼中の炭素
濃度を算出し２０．４ppm を得た。

【００２４】試料の重量は１ｇ程度が適当であるが、
０．３ｇから２ｇ程度の試料にこの発明の方法を適用す
ることができる。

【００２５】加熱に用いる高周波の周波数は高い程好ま
しいが、ＭＨｚ程度であれば充分である。

【００２６】助燃剤は、汚染炭素の抽出が終わるまで溶
融しない銅がよく、錫は低温で溶融し試料表面を覆って
しまうので、汚染炭素の抽出が遅れ鋼中炭素との分離が
やや難しくなる。

【００２７】上記の測定で、助燃剤を銅から錫とタング
ステンの混合剤に変えた場合の検出信号強度曲線を図３
に示す。加熱開始後１０秒過ぎに現れた汚染炭素の信号
の山と２０秒近く経って現れた鋼中炭素の信号の山とが
裾で重なり、各々の強度を分離して累積することができ
ない。

【００２８】抽出時間を過度に短縮しようとして、高周
波の出力を高め２０秒に満たない時間で炭素の抽出を行
った場合の検出信号強度曲線を図４に示す。この場合も
分離が困難である。

【００２９】

【実施例】管の径を変えて極低炭素溶鋼を吸い上げ棒状
試料とし、これを適当な長さに切断し、表面積を変えた
ほぼ１ｇの試料について、鋼中炭素濃度を測定した。測
定については同一鋼種について５回の測定を行い平均値
を測定値とし、標準偏差σから相対的再現精度Ｃｖを求
めて評価するとともに、前述のＪＩＳ Ｇ １２１１に
よる事前加熱法で測定した値を標準値としてこれとの差
を求め評価した。

【００３０】その他の測定条件及び測定結果並びに評価
結果を表１に示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】発明の実施例では、再現精度Ｃｖは２％か
ら３％であったが、比較例では５％から８％とバラツキ
が大きかった。比較例については、N0. ６、７は比表面
積が４．０cm²/g より大きく、N0. ８は助燃剤としてタ
ングステンと錫を用い、N0.９は高周波出力を高め加熱
時間を２０秒未満としたものである。

【００３３】又、標準値との差の相対値も、実施例では
３％以内であったが、比較例では４％から１１％と大き
かった。

【００３４】

【発明の効果】以上述べてきたように、この発明によれ
ば、鋼中炭素の燃焼分析法において、助燃剤に銅をもち
い、１ｇ当たり４cm² 以下の表面積の微量炭素鋼試料を
高周波加熱により２０秒乃至１分間加熱する。試料が溶
融する前に表面の汚染炭素が除去されるので、分析時間
が短くても鋼中成分の炭素が分離して精度よく測定され
る。しかも、装置の保守・維持が容易で工程分析や品質
管理分析に適している。このように、分析時間を短縮し
且つ精度が高く更に保守の容易な分析法を実現したこの
発明の効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の方法を説明するための試料加熱部の
概念図である。

【図２】この発明の方法による汚染炭素と鋼中炭素とが
分離された炭素信号強度の曲線図である。

【図３】助燃剤が不適切で、汚染炭素と鋼中炭素との分
離が不十分な炭素信号強度の曲線図である。

【図４】急速過ぎる加熱で、汚染炭素と鋼中炭素との分
離が不十分な炭素信号強度の曲線図である。

【符号の説明】

１ 試料 ２ 銅助燃剤 ３ 磁器ボート ４ 燃焼管 ５ 高周波コイル ６ 検出器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋吉 孝則 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 望月 正 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋼試料を酸素気流中で助燃剤を用いて加
   熱燃焼し試料中の炭素成分を酸化炭素ガスとして、この
   酸化炭素ガス濃度から炭素含有率を求める燃焼分析法に
   おいて、助燃剤として銅を用い、加熱手段として高周波
   加熱装置を用い、且つ試料の表面積を試料重量１ｇ当た
   り４cm² 以下とし加熱時間２０秒以上１分以内で鋼中の
   炭素を汚染炭素と分離して測定することを特徴とする鋼
   中微量炭素の迅速定量方法。