JPH09318619A - 金属溶湯中の水素濃度測定用プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２孔セラミックス管の挿入角度や挿入深さの
制限がなく、測定が容易であると共に、不活性ガスが逆
循環されても測定不能とならないような水素濃度測定用
プローブを提供する。 【解決手段】 ２孔セラミックス管を備えた循環式水素
濃度測定用プローブにおいて、窒化ケイ素製の２孔セラ
ミックス管１１の先端部をくりぬいて充填部２２を作成
し、セラミックフィルタ一２２ａとセラミック繊維２２
ｂとを充填する。すると、セラミック繊維２２ｂの金属
溶湯１２に濡れない性質によって、金属溶湯１２が２孔
セラミックス管１１の吸引流路１７に入ることはなくな
り、循環用不活性ガスが溶湯１２中に入らず、金属溶湯
１２への２孔セラミックス管１１の挿入角度の自由度が
大きくなると共に挿入深さが小さくて済むようになるの
で、従来よりも応用範囲が広がる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウムや、
アルミニウム合金等の金属溶湯中の水素濃度を測定する
プローブに係り、特に挿入深さの影響、吸引口への金属
溶湯の詰まり及び挿入角度の影響を除いて応用範囲を拡
大し、寿命の向上をはかったプローブに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウムやアルミニウム合金等は、
その溶湯中に水素ガスが溶解乃至存在していると、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
生じせしめ、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操作（所謂脱
水素操作）が一般に行われている。しかし、この脱水素
操作には時間がかかり、又必要以上の脱水素操作は製品
のコストアップを招く為、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われる
金属溶湯中の水素濃度測定には、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
くて済むなどの理由より、英国特許第684865号明細書や
米国特許第2861450 号明細書等に記載されている如き、
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。

【０００３】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、該不活性ガス中に金属溶湯中の水素ガス
が拡散せしめられるのである。そして、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。

【０００４】このようなプローブでは、従来より、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芯に直角な面とさ
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、その先端面に閉口した孔か
ら金属溶湯中に不活性ガスが吹き込まれることにより、
水素濃度の測定が行われている。従来のプローブ（実開
平5-75661 公報）を図６に示す。図６において、２孔セ
ラミックス管１１は金属溶湯１２中に挿入される。循環
ポンプ（図示せず）が吐き出しになったとき、循環用不
活性ガスはステンレス管１３及び不活性ガス吐き出し流
路１４を通って供給され、２孔セラミックス管先端１１
ａより出て溶湯内を通りカップ１５内に集められる。

【０００５】続いて、循環ポンプが吸引に変化すると、
カップ１５内のガスはフィルター１６を介されてから吸
引側流路１７及びステンレス管１８を通って循環ポンプ
に戻される。この動作の繰り返しの間に金属溶湯１２中
の水素が循環用不活性ガスに拡散平衡する。図６におい
て、ステンレス管１３，１８と２孔セラミックス管１２
との接続部分は保護スリープ２０内に収容され、その接
続は、ガス漏れ無きよう融着用ガラス１９により強固に
接着されることによって行われている。

【０００６】２孔セラミックス管１１には、表面コーテ
ィング層２１が施されている。それは、２孔セラミック
ス管１１が金属溶湯１２中に挿入されたとき、熱衝撃に
より割れを生じることを防止するため、あるいは、金属
溶湯１２との濡れ性を向上させて、金属溶湯１２と２孔
セラミックス管１１との間隙を通って空気が混入するこ
とを防止するためである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術に係るプ
ローブでは、図６に示すように、２孔セラミックス管１
１の不活性ガス吐き出し流路１４は、溶湯中に開放され
ている。このため、２孔セラミックス管１１の接続用ス
テンレス管１８をポンプの吸引側に誤って接続して測定
してしまったような場合には、溶湯１２が２孔セラミッ
クス管１１の流路１４に侵入して固化してしまい、測定
不能となってしまっていた。又、図６に示す従来の２孔
セラミックス管１１では、金属溶湯１２中への挿入角度
が制限されるという問題もある。即ち、図６の２孔セラ
ミックス管１１では、２孔セラミックス管１１が斜めに
挿入されると、２孔セラミックス管先端１１ａから吐き
出された循環用不活性ガスがカップ１５に回収されない
ため、不活性ガスの循環ができず測定ができなくなるの
である。更に、図６のプローブは、空気の混入を防止す
るため金属溶湯１２中へ深さ５０ｍｍ以上挿入する必要
があり、金属溶湯深さが５０ｍｍ以下の浅い位置での測
定ができなかった。

【０００８】本発明は以上のような課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、２孔セラミックス管の挿入角
度や挿入深さの制限をなくし、測定をしやすくすること
によって、目視確認できないような場所でも測定可能と
すると共に、不活性ガスが逆循環されても測定不能とな
らないような水素濃度測定用プローブを提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】以上のような課題を解決
するために、本発明に係る水素濃度測定用プローブにお
いては、２孔セラミックス管の先端部にその内側をくり
抜くか或いは外筒を２孔セラミックス管に接合すること
により充填部を設け、その充填部内にセラミックフルタ
一及びセラミック繊維を順次充填したことを特徴とす
る。

【００１０】より具体的には、本願の第一の発明に係る
水素濃度測定用プローブにおいては、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
に前記不活性ガスを吹き込む一方、該金属溶湯に吹き込
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水素濃度測定用
プローブにおいて、前記２孔セラミックス管の先端部に
充填部を設け、その充填部内に耐熱性フィルター、並び
に、金属溶湯に対して濡れ性の低い耐熱性繊維を順次充
填してなることを特徴とする。

【００１１】本願の第二の発明に係る水素濃度測定用プ
ローブにおいては、上記第一の発明に係る水素濃度測定
用プローブにおいて、前記充填部内に順次充填される耐
熱性フィルター及び耐熱性繊維は、セラミックフィルタ
ー及びセラミック繊維であることを特徴とする。

【００１２】本願の第三の発明に係る水素濃度測定用プ
ローブにおいては、上記第二の発明に係る水素濃度測定
用プローブにおいて、前記セラミック繊維が、炭化ケイ
素繊維、窒化ケイ素繊維又はアルミナ繊維であることを
特徴とする。

【００１３】本願の第四の発明に係る水素濃度測定用プ
ローブにおいては、上記第一から第三のいずれかの発明
に係る水素濃度測定用プローブにおいて、前記充填部
は、その末端に向かっての末広がり形状とされているこ
とを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１〜４は本発明に係る水素濃度
測定用プローブの実施の形態を示したものである。な
お、従来技術（図６）と同一の構成要素には同一符号を
付し、その説明を省略する。

【００１５】［第一の形態］図１は本発明に係る水素濃
度測定用プローブの縦断面図である。この図１に示され
るように、本発明に係る水素濃度測定用プローブは、窒
化ケイ素製の２孔セラミックス管１１の先端部をくりぬ
いて充填部２２を作成し、セラミックフィルタ一２２ａ
とセラミック繊維２２ｂとを充填している。金属溶湯１
２中への２孔セラミックス管１１の挿入は、循環用不活
性ガスの循環流路１３，１８双方からの吹き出しを伴い
ながら行われる。２孔セラミックス管１１を金属溶湯中
へ挿入した後、不活性ガスの供給を停止すると、循環用
不活性ガスは、２孔セラミックス管１１先端のセラミッ
ク繊維２２ｂ、セラミックフィルタ一２２ａを含む全循
環回路に閉じ込められる。金属溶湯１２中に溶解してい
る水素は、セラミック繊維２２ｂと金属溶湯１２の界面
から、セラミック繊維２２ｂ中の不活性ガスに拡散す
る。図示しない循環ポンプが作動すると、不活性ガス
は、セラミックフィルター２２ａ及びセラミック繊維２
２ｂを通って循環する。セラミック繊維２２ｂ中の不活
性ガスに拡散していた水素ガスは、循環する不活性ガス
中に移動する。セラミック繊維２２ｂ中の不活性ガス中
水素分圧が金属溶湯１２中の平衡水素分圧と等しくなる
まで、金属溶湯１２中から水素が不活性ガス中に拡散す
る。

【００１６】ここで、セラミック繊維２２ｂには、金属
溶湯１２に濡れない性質が必要である。この性質によっ
て、金属溶湯１２が２孔セラミックス管１１の吸引流路
１７に入ることはなくなるからである。そして、循環用
不活性ガスが溶湯１２中に入ることがないことから、金
属溶湯１２への２孔セラミックス管１１の挿入角度の自
由度が大きくなるのである。また、このような構成によ
れば、測定にあたって２孔セラミックス管先端部分は、
金属溶湯１２中に１０〜１５ｍｍ以上浸漬できれば十分
であり、測定位置や炉中の金属溶湯１２に挿入する際の
目視確認が難しいときでも水素濃度の測定が可能とな
る。このようなことより、本発明に係る水素濃度測定用
プローブは、従来のそれよりも応用範囲が広くなる。

【００１７】［第二の形態］２孔セラミック管１１の先
端部分に充填部２２を作成する方法で、当該部分をくり
ぬいて充填部２２を作成する方法以外の方法としては、
外筒を２孔セラミックス管の先端部分に接合する方法が
ある。図２及び図３はその様な方法により充填部２２が
作成された水素濃度測定用プローブの要部拡大断面図で
あり、これらのプローブは、２孔セラミック管１１の先
端部分に外筒２３を嵌め込み、それをセラミック接着剤
２４を用いて固定することにより作成されている。

【００１８】［第三の形態］ここで、図３のプローブで
は、充填部２２が、その末端に向かっての末広がり形状
とされている。このようなスカート形状の充填部２２を
備えるがゆえに、充填される充填部２２の直径が、その
末端に行くに従って拡大する。従って、このプローブの
場合は、セラミック繊維２２ｂが金属溶湯１２に接触す
る面積が図６のものよりも大きくなるため、金属溶湯１
２中からの水素の拡散効率を向上させることができる。

【００１９】［第四の形態］図４に示す水素濃度測定用
プローブは、図１に示す水素濃度測定用プローブの改良
例であり、２孔セラミックス管のセラミックス部を長く
することにより、従来測定が困難であった高温の炉内、
例えば保持炉内の金属溶湯中の水素濃度測定を可能にし
たものである。図４において、他の形態と対応する要素
には同一符号を付している。ここにおいて、２孔セラミ
ックス管１１のセラミックス部が長くなったことに対応
させて保護ケーシング２５が取り付けられており、その
上部からは冷却管２７を介して冷却空気を送るようにし
ている。

【００２０】このような水素濃度測定用プローブによれ
ば、２孔セラミックス管先端に充填する消耗品のセラミ
ック繊維は簡単に取り替えることができるので、２孔セ
ラミックス管本体の寿命は飛躍的に向上する。

【００２１】［具体的態様］２孔セラミック管１１の太
さや長さは使用目的に応じて自由に設定することができ
る。また、その材質は、窒化ケイ素、アルミナ等が用い
られるが、耐熱衝撃性から、窒化ケイ素がより好まし
い。

【００２２】充填部２２の寸法は、内径が６〜２０ｍ
ｍ、空間容量は０．２〜３ｍｌの範囲が適当である。こ
こで、前述したように、セラミック繊維２２ｂには金属
溶湯１２に濡れない性質が必要である。このようなもの
として、セラミック繊維２２ｂには、炭化ケイ素繊維、
窒化ケイ素繊維、アルミナ繊維が適している。但し、金
属溶湯１２に濡れない性質のもの、若しくは濡れ難い性
質を有するものであれば如何なるものも用いることがで
きる。

【００２３】セラミック繊維は強度的に可能な限り、細
い物を適度な充填密度で充填して使用する。セラミック
繊維径は２〜１０μｍ、長さは２０〜６０ｍｍ、充填密
度は０．２〜０．５ｇ／ｃｍ³ で軽く充填するのが好ま
しい。セラミックフィルターは、Ａｌ₂ Ｏ₃ ＝９２〜９
９％，ＳｉＯ₂ ＝１〜８％の組成からなるアルミナ繊維
が好ましい。

【００２４】

【実施例】窒化ケイ素製、直径８ｍｍにした図１の２孔
セラミックス管と、図６の従来の２孔セラミックス管を
用い、金属溶湯中の水素濃度を測定した際の浸漬角度の
影響（表１）、浸漬深さの影響（表２）、並びに、測定
精度の比較（表３）についての結果を示す。又、図５に
は、応答時間の比較結果を示す。

【００２５】

【表１】 《表注》○：測定可 △：測定困難 ×：測定不可

【００２６】

【表２】 《表注》○：可 △：困難 ×：不可

【００２７】

【表３】

【００２８】表１〜３、並びに図５から分かるように、
応答時間や測定精度においては従来のものと同等で、か
つ浸漬角度や浸漬深さの影響に関しては従来より優れた
２孔セラミックス管が得られている。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る水素
濃度測定用プローブでは、２孔セラミックス管の先端部
に設けられた充填部内にセラミックフルタ一及びセラミ
ック繊維を順次充填したことにより、不活性ガス循環中
に吹き出し孔から２孔セラミックス管内に金属溶湯が侵
入して測定不能となる事態が防止できるようになる。ま
た、２孔セラミックス管の挿入角度や挿入深さの制限が
なくなり、測定が容易になる。測定の容易化により、目
視確認できないような場所でも測定が可能となり、プロ
ーブとしての仕様が改善される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態に係る水素濃度測定用プ
ローブの構成を示す縦断面図である。

【図２】 図１とは別の態様に係る水素濃度測定用プロ
ーブの構成を示す要部拡大断面図である。

【図３】 図１とは別の形態に係る水素濃度測定用プロ
ーブの構成を示す要部拡大断面図である。

【図４】 図１の改良例に係る水素濃度測定用プローブ
の構成を示す縦断面図である。

【図５】 本発明に係る水素濃度測定用プローブ（図
１）との従来の水素濃度測定用プローブ（図６）の応答
時間の比較結果を示すグラフである。

【図６】 従来例に係る水素濃度測定用プローブの構成
を示す縦断面図である。

【符号の説明】

11 ２孔セラミックス管 11a ２孔セラミックス管先端 12 金属溶湯 13 ステンレス管 14 不活性ガス吐き出し流路 15 カップ 16 フィルター 17 吸引側流路 18 ステンレス管 19 融着用ガラス 20 保護スリープ 21 表面コーティング層 22 充填部 22a セラミックフィルター 22b セラミック繊維 23 外筒 24 セラミック接着剤 25 保護ケーシング 27 冷却管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【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に前記不活性ガスを吹
   き込む一方、該金属溶湯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
   ックス管を備えた水素濃度測定用プローブにおいて、前
   記２孔セラミックス管の先端部に充填部を設け、その充
   填部内に耐熱性フィルター、並びに、金属溶湯に対して
   濡れ性の低い耐熱性繊維を順次充填してなることを特徴
   とする水素濃度測定用プローブ。
2. 【請求項２】 前記充填部内に順次充填される耐熱性フ
   ィルター及び耐熱性繊維は、セラミックフィルター及び
   セラミック繊維であることを特徴とする請求項１記載の
   水素濃度測定用プローブ。