JPS6314902B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、溶融金属表面と対電極間に高電圧を
かけてスパークなどの電気的放電を行わせて、発
生する励起光を集光して分光器へ導入し、溶融金
属中の各種成分の含有量をオンラインリアルタイ
ムで求める溶融金属の直接発光分光分析装置に関
するものである。

鉄鋼業に於る鋼の製造工程管理や製品の品質管
理には、固体試料を用いる発光分光分析が最も活
用されている。しかし、近年、より迅速な工程管
理、あるいは多段精錬など新らしい精錬、製鋼プ
ロセスの操業管理のために、溶銑や溶鋼のように
溶融状態で直接分析できる装置の開発が要請され
ている。

溶融金属と対電極間に電気的放電を行わせて生
じた励起光を分光器で側定する方法は、これまで
にいくつかの検討例が発表されており、これらの
内容はアイアン・アンド・スチール・インターナ
シヨナルの52（1979）77〜83頁や米国特許
3645625，3659944，3669546に掲載されている。
しかし、これらのいずれも実験段階にあるといえ
る。と言うのは、実際に製造現場で実用できる溶
融金属の直接分析装置であるためには、励起光を
分光し、各波長に於る光の強度から溶融金属中に
含まれる各成分の含有量を算出する分光器、検出
器、演算処理装置から成る分光分析装置は、高
熱、振動、大気の汚れなどの問題があり、そのた
めに光軸変動や誤動作など各種のトラブルが起り
易い溶融金属の直近場所から離れた場所に設置す
る手段、すなわち、溶融金属試料の励起部と分光
検出部とを一定の距離をもつて離して設置する手
段や、湯面レベルの変動の影響を受けにくく、高
熱、振動等による光軸変動が起らない安定した励
起光及び効率のよい集光手段、及び高熱、振動等
による光軸変動を起さず、損失が少ない高効率の
励起光伝送手段が示されてないからである。

本発明は、実用化のために必要な上記各手段に
ついて研究し、その結果到達したもので、次の諸
構成が主な特徴である溶融金属の直接発光分光分
析装置を提供する。

(1) 励起光集光時の光軸変動を防ぐために、スパ
ーク放電を行う対電極と集光用の光フアイバー
ロツドを一体として取り付けた構成にしたこ
と。

(2) 励起光の集光材が上記の光フアイバーロツド
であり、該光フアイバーロツドを光フアイバー
ケーブルに接続した構成にしたこと。

(3) 発光強度に及ぼす湯面レベル（対電極と湯面
との間隙）の変動の影響を最少限に抑えるため
に、湯面に垂直に対向する集光面を有する構成
にしたと。

(4) 励起光の分光器への伝送手段が、振動等によ
る光軸変動を受けず、可とう性を有する光フア
イバーケーブルであること。

より詳細には、本発明装置は、集光用円筒４と、
該円筒の外側にあつてこれを内包し保護する保護
円筒２，３と、昇降降置２３とを備えたスパーク
発光チヤンバー１， 溶融金属２５と対電極７との間にスパークを発
生させるシステム２７、 及び分光検出器２８を含んで成り、 該集光用円筒４は、その中心部に固定収納した
単芯の光フアイバーロツド５と、該ロツド下端の
下方に固設した対電極７とを有し、さらに上部に
不活性ガス吹込管１１を取付け、下部に該ガスを
該ロツドの下端部周囲に吹出す吐出口１０を設
け、該ロツドはその上端面で結束光フアイバーケ
ーブル６の端面と面結合し、その下端面は溶融金
属２５表面の直上方向に位置しており、該対電極
はその先端部が該ロツドの中心線上に位置するよ
うに設けられており、 該保護円筒２，３は、上部に不活性ガス吹込管
１２を、下部に湯面レベル検出器２６に連結する
湯面レベル検出端１７を備え、周囲に冷却流体通
路及び前記集光用円筒との間に不活性ガス通路を
もち、下端中央部には溶融金属表面に対向する開
口部１９が設けてあり、さらに、下部周囲に、大
気遮蔽用円筒１８を備え、該遮蔽用円筒は、前記
集光用円筒が溶融金属に対して所定集光位置にあ
るとき、下端を溶融金属内に浸漬し得る長さをも
ち、上部に不活性ガス排出口２０を有しており、 前記スパークを発生させるシステム２７は、該
対電極７と溶融金属とに夫々結線されており、 前記分光検出器２８は、該光フアイバーケーブ
ルの末端と接続している ことを特徴とする、溶融金属の直接発光分光分析
装置。

先づ、本発明装置に到達するまで行つた実験に
ついて述べる。

溶融金属を放電対象とする場合には、通常、湯
面レベルの変動により励起光強度変化が起るの
で、湯面レベルの変動に基づく電極間間隙の変化
の影響を受けにくい励起光の集光角度について実
験をした。固体金属試料を対象とする通常のスパ
ーク発光分光分析では試料面に対して30度の角度
から集光しており、又、上記の米国特許では湯面
に対して30度あるいは水平方向からの集光を採用
している。本発明者は、各角度から励起光を集光
できる実験装置を製作して鉄試料を対象に電極間
間隙と各角度に於る発光強度との関係を詳細に検
討した。

実験結果の一例を第１図に示す。この図では横
軸に90度、60度、30度の各集光角度に於る電極間
間隙を、縦軸に鉄中の各成分の鉄に対する発光強
度の比をとり、そして電極間間隙を2.5mmから4.5
mmに変えた時の強度比の増加割合を示してある。
この図において、例えばSiI288.2／Fe271.4の
個所のグラフは271.4nmの波長に於けるFeの発光
強度に対する288.2nmの波長に於けるSiの発光強
度の強度比の値が、間隙を2.5mmから4.5mmに変化
させた時、集光角度90度では4.4％、60度では
12.8％、30度では30.4％変化することを示してい
る。第１図の各個所のグラフから湯面に対して90
度の垂直方向からの集光の場合が、電極間間隙の
影響を最も受けにくいことが明らかになつた。そ
して、この90゜という角度にすると、実際の装置
としても湯面に対して水平方向や30度の角度から
集光する場合に比べ、発光チヤンバーの湯面に対
する位置設定が容易であり、角度設定が確実であ
り、溶融金属の輻射熱の影響を最も受けにくいな
どの利点があることが知られた。

次に本発明装置の実施例を示す第２図により本
発明装置の詳細について説明する。

本実施例装置は、溶融金属２５と対電極７の間
に高電圧をかけてスパークなどの電気的放電を行
う発光チヤンバー１、発生した励起光を分光器へ
伝送する光フアイバーケーブル６、励起光を分光
して得られたスペクトル線強度から溶融金属中の
各成分の含有率を求める分光検出器２８及び溶融
金属と対電極間にスパークを飛ばす発光システム
２７などを主体に構成される。

発光チヤンバー１は本発明の主要成分であり、
光フアイバーロツド５を中心部に固定収納し、該
光フアイバーロツド下端面の下方に対電極７を保
持固定した集光用円筒４及びこの集光用円筒を高
熱から保護するために内包して保持する上部及び
下部保護円筒２，３（両者を一縮にして保護円筒
と呼ぶ）、湯面レベル検出端１７、下部保護円筒
の下部を囲繞している大気遮へい用円筒１８、電
極間間隙微調整器２１、チヤンバー昇降装置２
３、不活性ガス吹き込み管１１，１２を含んで構
成される。

集光用円筒４はステンレス製の密閉状円筒管
で、溶融金属に対して90゜の方向、即ち垂直方向
に設けた上部保護円筒２に取り付けられていて、
集光用円筒４の下端にはタングステン製などの対
電極７を斜め上方から、先端７′が湯面に向くよ
うに取り付けてあり、その先端７′は前記励起光
集光用の光フアイバーロツドの中心線上にある。

光フアイバーロツド５の下端部は、集光用円筒
４の下端壁に設けてあり周囲に不活性ガス吐出口
１０をもつ貫通孔に挿入され固定され、上端部は
周囲に不活性ガス通過口９をもつ円筒状の金具８
によつて光フアイバーケーブルの下端部と共に挟
持され、光フアイバーロツド５の上端面と光フア
イバーケーブル６の下端面とが合致していて接続
している。本実施例では光フアイバーロツド５に
コアー径５mm〜10mm程度、長さ500mm程度の全石
英製のものを用いた。この光フアイバーは石英ガ
ラスと同程度の耐熱性をもち、単芯であることか
ら集光効率がよい。又、円柱状の光フアイバーロ
ツドは、集光筒４に確実に固定でき、対電極７を
光フアイバーロツド５の下端面に近い所で集光筒
４に一体的に取り付けることにより、対電極先端
７′を光フアイバーロツドの中心線上に容易に合
わせることができてスパーク励起光を正確に集光
することができ、さらに高熱や振動による光軸変
動を防止することができる。

又、集光筒上部の不活性ガス吹き込み管１１か
ら10／min程度の流量でアルゴンガスを集光筒
内に吹き込み、光フアイバーロツド５と集光筒４
との間を通り、光フアイバーロツド５の下端部周
囲に前記不活性ガス吐出口１０から高速で吹き出
させることにより、光フアイバーロツド端面が蒸
発金属で汚れるのを防止し、光フアイバーロツド
を冷却して、高熱による損傷を防止できる。

光フアイバーケーブル６には、直径200μｍ程
度の石英製の素線を約130本束ねたバンドルフア
イバーを用いた。設置箇所が溶融金属２５から離
れており耐熱性はあまり要求されないので通常光
通信用に用いられているものでもよいが、紫外域
の光を十分に透過する材質で作つたものが適して
いる。光フアイバーロツド５から光フアイバーケ
ーブル６への励起光の入射は単純にお互の端面を
合わせるだけでよく、レンズ系などで行つた場合
に必要となる光軸調整をしなくてよいという利点
がある。光フアイバーケーブル６の末端は、溶融
金属から遠く離れたところにある分光検出器２８
に結合され、数10ｍの長さのものが用いられるこ
ともあるが光フアイバーは可とう性を有するの
で、曲折した通路があつても支障なく分光検出器
のところに到達できる。

集光用円筒４は前述のようにステンレス等の金
属で製作し、上部に対電極端子２２を取り付け該
端子２２に発光システム２７からの１方の高圧ケ
ーブルを接続し、発光システム２７の他方の高圧
ケーブルは溶融金属２５に浸漬した試料電極２４
に接続し、両電極間に高圧をかけて対電極先端と
溶融金属表面間にスパークあるいはアークなどの
電気的放電を行わせる。

集光用円筒４を保護する保護円筒は、１体もの
でもよいが、本実施例では、上部保護円筒２と下
部保護円筒３に分割してあるので、溶庸金属の近
くにあり損傷し易い下部保護円筒３のみを交換す
ればよい。又上部保護円筒２はステンレス製の３
重管からなり空気又は水のような冷却媒体を供給
管１３から３重の管の間に供給し、管１５から排
出して冷却できる構造にしてある。上部には不活
性ガス吹き込み管１２及び回転することにより集
光筒４が上下に移動し、対電極と湯面との間隙を
調節できる電極間間隙微調整器２１が取り付けて
ある。

発光チヤンバー１は、発光チヤンバー１を支持
する台２９に取り付けられ、この部分に、チヤン
バー１の下部を溶融金属２５に浸漬したり、もち
上げたりするためのチヤンバー昇降装置２３が取
り付けてある。

下部保護円筒３は上部保護円筒２と同じように
ステンレス製の３重管でできており、管１４から
冷却媒体を供給し、管１６から排出することによ
り強制冷却を行うことができる構造にしてある。
円筒の内側及び外側にはマグネシアなどの耐火材
の円筒を接着して耐熱性をもたせてある。下部保
護円筒３の下端部３′には集光用円筒４に取り付
けられている対電極７の先端７′が位置するので、
この下端部３′の下縁に口径15mm程度の開口部１
９を設けて、光フアイバーロツドに対する溶融金
属による幅射熱あるいはバツクグラウンドとなる
光の影響を防ぐようにしてある。又対電極７の先
端７′と溶融金属２５表面との間隙は通常10mm以
下であるので、従つてチヤンバー開口部１９も湯
面に近いところにあり、そこで集光用円筒４の下
部の不活性ガス吐出口１０から不活性ガスが吹き
出し、これに加えて管１２から吹き込まれて集光
用円筒４と保護円筒２及び、３との間のすき間を
通つてきた不活性ガスが保護円筒３の下端の開口
部１９から吹き出して、対電極７と溶融金属間、
及びその附近の空気追い出し放電が飛び易い不活
性雰囲気を形成できる。さらに上部を下部保護円
筒３に装着してあり、測定時に下部を溶融金属中
に浸漬できる長さの耐火物製の大気遮へい用円筒
１８を下部保護円筒３を囲繞して取り付けてある
ので、放電個所に附近空気を巻込むことがない。
開口部１９から吹き出した前記不活性ガスは下部
保護円筒３と大気遮へい用円筒１８とのすき間を
通り、大気遮へい用円筒１８の上部に設けた排出
管２０から大気中に排出される。従つて対電極７
先端部付近は確実に不活性雰囲気に保たれ正常な
放電が実施できる。

実施にあたつては、発光チヤンバーを溶湯面に
下降させる前に、耐火材でできた板を溶融金属表
面を移動させるなどの機械的方法によつてスラグ
を排除し、直ちに発光チヤンバーを下降し、大気
遮へい用円筒１８を湯面に浸漬する方法をとるこ
とにより、該円筒１８内にはスラグが存在せず、
放電が正常にできる。仮に多少のスラグが残存し
ていても集光用円筒４の下端の開口部１９から吹
き出す不活性ガスにより、スラグは開口部１９か
ら遮へい用円筒１８の方向へ容易に排除でき、従
つて、残存スラグは放電の障害にならない。この
他に下部保護円筒３には、電極間間隙を一定にし
て発光チヤンバーを設定するためにその下部に湯
面レベル検出端１７を取り付けてある。湯面レベ
ルセンサーには直接電気的接触によるもの、測温
によるもの、光や超音波を利用したものなどいず
れのものを用いてもよい。第２図には、試料電極
２４と高融点金属の検出端１７間の通電の可否を
湯面レベル検出器２６で測定する簡単な例を示し
てある。

本実施例装置で溶融金属の分析を実施するにあ
たつては、先ず、冷却水及びArガスを流してチ
ヤンバー１内部をArガスで満たしておく。次に
対電極７の先端と湯面の間隙が２〜10mm程度の範
囲内の一定距離になるように電極間間隙微調整器
２１で調節し、チヤンバー昇降装置２３を作動し
てスラグ等湯面上の浮遊物を機械的に排除した湯
面上に下降させていき、湯面レベル検出器２６が
湯面を検出した位置でチヤンバーを固定する。発
光システム２７を作動させて対電極７の先端部と
溶融金属２５の表面との間に周波数200〜800Hz程
度のスパーク放電を行わせ、最初の３〜５秒程度
は予備放電としてそのあとの５〜10秒間に於る発
光強度を分光検出器２８で測定し、溶融金属中に
含まれる各成分の含有率を求める。

以上説明したように本発明装置によれば、前記
の諸作用効果を有し、そして製造現場において溶
融金属試料中の各含有成分をサンプリング等の操
作を行わずに迅速に直接分析することができ、金
属の精錬プロセス等の操業管理に極めて有益であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は溶融金属中含有諸成分のスパーク発光
強度に及ぼす集光角度と電極間間隙についての実
験結果を示すグラフであり、第２図は、本発明実
施例装置の縦断面図である。 １は発光チヤンバー、２は上部保護円筒、３は
下部保護円筒、４は集光用円筒、５は光フアイバ
ーロツド、６は光フアイバーケーブル、７は対電
極、１８は大気遮へい用円筒、２１は電極間間隙
微調整器、２３はチヤンバー昇降装置、２４は試
料電極、２５は溶融金属、２６は溶湯面レベル検
出器、２７は溶融金属と対電極との間にスパーク
を発生させるシステム、２８は分光検出器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 集光用円筒４と、該円筒の外側にあつてこれ
   を内包し保護する保護円筒２，３と、昇降装置２
   ３とを備えたスパーク発光チヤンバー１、 溶融金属２５と対電極７との間にスパークを発
   生させるシステム２７、 及び分光検出器２８を含んで成り、 該集光用円筒４は、その中心部に固定収納した
   単芯の光フアイバーロツド５と、該ロツド下端の
   下方に固設した対電極７とを有し、さらに上部に
   不活性ガス吹込管１１を取付け、下部に該ガスを
   該ロツドの下端部周囲に吹出す吐出口１０を設
   け、該ロツドはその上端面で結束光フアイバーケ
   ーブル６の端面と面結合し、その下端面は溶融金
   属２５表面の直上方向に位置しており、該対電極
   はその先端部が該ロツドの中心線上に位置するよ
   うに設けられており、 該保護円筒２，３は、上部に不活性ガス吹込管
   １２を、下部に湯面レベル検出器２６に連結する
   湯面レベル検出端１７を備え、周囲に冷却流体通
   路及び前記集光用円筒との間に不活性ガス通路を
   もち、下端中央部には溶融金属表面に対向する開
   口部１９が設けてあり、さらに、下部周囲に、大
   気遮蔽用円筒１８を備え、該遮蔽用円筒は、前記
   集光用円筒が溶融金属に対して所定集光位置にあ
   るとき、下端を溶融金属内に浸漬し得る長さをも
   ち、上部に不活性ガス排出口２０を有しており、 前記スパークを発生させるシステム２７は、該
   対電極７と溶融金属とに夫々結線されており、 前記分光検出器２８は、該光フアイバーケーブ
   ルの末端と接続している ことを特徴とする、溶融金属の直接発光分光分析
   装置。