JPS63243871A - 上下可動式超音波振動微粒子生成による溶融金属の直接分析方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野１ 本発明は、溶融金属中に超音波発振用のホーンを挿入し
て超音波撮動によって生成する溶融金属の微粒子を離れ
た場所に設置しであるプラズマ励起源を有する発光分光
分析装置に不活性ガス気流によって搬送し、溶融金属中
の各種成分の含有率をオンラインリアルタイムで分析す
る方法及び装置に関するものである。

金属の精錬、製鋼プロセスなどの操業の管理には、可能
な限り迅速に分析して成分含有率を把握し、その結果に
よって対応処ｆｋとる必要がある。

本発明は上記のように、溶融金属を直接分析する技術で
あり、製鉄業あるいは非鉄金属製造業などにおける製造
工程管理分析や品質管理分析の分野で利用されるもので
ある。

（従来の技術Ｊ 金属製造業における製造工程管理分析には、溶融金属を
サンプリングして固化させたブロック試料を対象とする
ス、ｅ−り発光分光分析法が多用されている。しかし、
近年とくに鉄鋼業に見られるように、より迅速な製造工
程管理あるいは多段精錬製鋼法などの新製造プロセスの
操業管理の次めＫＸ宕銑や宕鋼のような溶融金属を直接
対象とするオンラインリアルタイムの分析手法の開発が
強く要請されている。

上記のような目的から、これまで溶融金属をＡｒガスを
用いた特殊な噴霧器によって微粉化して発光分光分析す
る方法（ＢＩＳＲＡ　Ａｎｎｕａｌ　Ｒｅｐｏｒｔニア
８（１９６６３，６５，７８（１９６７）、３５（１９
６８７など各種の手法が研究されてきた。しかし、いず
れもこれまで実際に製造現場で実用されておらず、実験
室規模で試みられたにすぎない。本発明者らも溶融金属
にプラズマアーク、スパーク等の電気的放電あるいはレ
ーザービーム等の照射を行って、溶融金属の組成を代表
する微粒子を蒸発させて発光分光分析する方法（特開昭
５８−１０４１５２号。

特開昭５９−１５７５４１号Ｊ１あるいは不活性ガスを
吹き込んで溶融金属の微粒子を生成して発光分光分析す
る方法（％開昭６０−２１９５３８号］などを発明し、
さきに出願を行なった。

これらの発明は、溶融金属表面とスパーク放電用電極先
端など加熱源装置との間隔を一定に保つ必要があり、湯
面変動が比較的緩慢な場合には有効であるが、湯面変動
が激しい場合には変動を抑制する念めの種々の工夫が必
要である。

（発明が解決しようとする問題点Ｊ 実際の製造現場でより実用的な溶融金属の直接分析装置
を開発するにあたっては、製造現場が、高温、振動、ダ
スト等測定環境が非常に悪い点を考慮しなければならな
い。従って、悪い測定環境下では、トラブルが起る分光
・検出器等の精密測定機器は溶融金属の存在する場所か
ら離れた建屋内に設置する必要がある。また、溶融金属
は電気的放電など外部エネルギーの供与によって微粒子
として蒸発させることができるが、可能ならば高温の溶
融金属自体から更に簡易な物理的手法による微粉化など
によって微粒子を発生させ、かつ微粒子の回収、搬送を
簡単な方法で行うことが望ましい。

このような事情から本発明は、溶融金属の製造工程管理
分析におけるオンラインリアルタイム分析を目的とし、
溶融金属から物理的手段により微粒子を発生させ、プラ
ズマ励起源を有する発光分光分析装置へ不活性ガス流で
搬送し、溶融金属中に含まれる各種成分を簡単に迅速分
析する実用的な分析方法および装置を提供するものであ
る。

（問題点を解決するための手段Ｊ 本発明は、溶融金属から物理的手法によって微粒子を生
成する場合に、その手法として超音波照射を採用した点
に特徴がある。

すなわち本発明では、先ずプローブ内に捕集した高融金
属中に超音波振動子に接続するホーン金浸漬し、超音波
をかけながらホーンを引き上げ、再び浸漬する上下動作
中にホーン表面に残留した溶融金属を飛散させる方法で
微粒子を生成する。

次にこの微粒子を不活性ガス気流によってプラズマ発光
分光分析装置へ搬送して導入し、励起発光したスペクト
ルを分光分析する。これらの原理に基づく分析方法及び
装置によって溶融金属中の含有成分をオンラインリアル
タイムで求めるものである。

（実施例） 第１図から第５図に示す本発明の実施装置例及び分析結
果例をもとに本発明の構成２作用について説明する。

第１図は生成した微粒子のプラズマ発光分析部を含め九
本発明例の全体システムの説明図、第２図〜第４図は超
音波振動によって溶融金属の微粒子を生成する部分の説
明図、第５図は分析結果の説明図をそれぞれ示した。こ
れらの図には溶融金属として製鋼プロセスにおける処理
鍋中の溶鋼を対象とした例を示した。

本発明例の装置は、超音波振動子４を保有してＷＩ＠２
中に浸漬した微粒子生成プローブ１と、微粒子搬送管８
を介して接続される高周波訪導結合プラズマ発光分光分
析装置１１とを主体に構成される。

微粒子生成プローブは、高温耐食性やヒートショック性
に優れる耐火材、例えば炭化けい素糸。

アルミナ−炭素系の耐火材でできた円筒で、上部中央に
金属製などの超音波伝達棒５１ｒ：設け、下部内壁に微
粒子搬送用のＡｒガスなどの不活性ガス排出口１３、お
よび上部に微粒子排出口１５を取りつけ、内部は溶鋼を
取り入れるために空洞となっている。従って、微粒子生
成プローブ１を溶鋼２中に浸漬すると、内部に微粒子生
成室２３の空間を有した密閉状容器となる。超音波伝達
棒５もプローブ１にオーリングｔ７を用いるなどして密
閉状態で宅すつけである。伝達棒５の上部にはコーンを
介して超音波振動子４が結合されているう振動子４には
ケーブル２４によって超音波発振機３が接続されている
。、振動子４の下部には溶鋼２からの熱輻射を防ぐ遮へ
い板１６を設け、更に振動子４の周囲に空気を吹きつけ
て冷却している。

一方伝達棒５の下部には、溶鋼２中に浸漬するホーン６
がねじ込みによって結合されている。ホーンは溶鋼に対
する宕損が少なく、ヒートショックにも強い反面緻密で
超音波を伝播しやすい材質、例えばＺｒ−Ｍｏ−０系の
セラミックスなどで製作される。ただし、溶融金属がア
ルミニウム、錫、鉛のように融点が低い場合には、ホー
ン材質はステンレス鋼などの金属がよい。

プローブ１を溶鋼２中に浸漬すると、プローブ内に取り
込まれている１６００℃付近の高温の溶鋼の容積よりも
はるかに小容積であるホーン６は直ちに溶鋼温度に加熱
される。ホー／６が加熱されたならば、超音波発振機３
を作動させて超音波をかけながらホーン６を溶鋼表面か
ら上昇させる。

振動子４から発生した超音波の振動は、伝達棒を介して
ホーン６に伝達される。ホーン６表面に付着残留した少
量の溶鋼は、超音波の作用により飛散して微粒子となる
。ホーン６は前述のような特性をもつ材料が適当である
が、宕融金属全ホーン６表面に薄い膜状に残留させる目
的から、ぬれ性のよいものがより適している。

ホーン表面に溶融金属を残留させるために、ホーン表面
に浅い溝などの凹凸を形成させると、更に微粒子の生成
効率が向上する。ホーン６を溶鋼２表面に接触させるか
、あるいは溶鋼中に浸漬する方法でも、ホーン表面と溶
鋼との接触弁面から溶鋼の微粒子は生成する。しかし、
溶鋼表面の位置は変動するために、ホーン先端を溶鋼表
面に安定して接触させるのは実際上困難であす、溶鋼中
に浸漬し次場合には微粒子生成効率は低下する。

従ってホーン６を容融金属表面付近を上昇さぜながら、
あるいは上下動しながら超音波によ、る微粒子生成を行
う方法が最も有効な方法となる。

第２図には超音波伝達棒５を微粒子生成プローブ１に固
定し、微粒子生成装置保持台２５に保持されているプロ
ーブ１をプローブ昇降装置２６によって上下動させ、ホ
ーン６を溶鋼２に浸漬し、次に引き上げる動作を行う場
合全示し次。

第３図には超音波伝達棒５を微粒子生成プローブ１にオ
ーリング１７でシールし、かつ上下に可動な機構で取り
つけ、プローブは溶鋼に浸漬したままにしておき、振動
子４を保持する保持台２５に取りつけた超音波ホーン昇
降装置２７によって、ホーン６を溶鋼から引き上げるな
どの上下動を行う方式を示した。

生成しｆｃ溶鋼微粒子を分析装置１１へ搬送するために
、プローブ１の微粒子生成室２３には微粒子搬送用の不
活性ガスか不活性ガス導入管７より供給される。不活性
ガスには、Ａｒ以外にＮ２やＨｅなどが適している。ガ
スの種類は、分析装置１１のプラズマ炎１２の安定性の
面から規制されるが、現在空気を用いるプラズマ炎の開
発も進められており、これが可能になれば不活性ガスの
代りに大気を用いてもよく、微粒子は酸化物になるが問
題はない。ただし、ホーン６が酸化されるとホーン６の
固有振動数が変化し、共振しにくくなるので、ホーンに
は酸化しにくい材質を選ぶとか超音波発振機の同調機構
に工夫が必要になる。

吹き込んだ不活性ガスは、第２図、第３図に示すように
ポーラスレンガ１４を通過させ、小気泡としてプローブ
１内壁より溶鋼２中に排出させると、プローブ１内に取
り込んだ溶鋼の攪拌をかねることができる。ただしこの
不活性ガスの導入は、微粒子の搬送が主目的であるので
、かならずしも排出口１３は溶鋼２表面より下方になく
てもよい５第４図には、不活性ガスの導入管７′ｌｔ超
音波伝達棒５およびホーン６の内部に設け、ホーン６の
下端に排出口１３を設けた場合を示した。この方法によ
れば、耐火物性のプローブ１に導入管を設ける必要がな
くなり、プローブの製作が容易になる。また、超音波伝
達棒５は溶鋼の熱伝導にコり加熱され、何らかの冷却が
必要となるが１．吹き込も不活性ガスによる冷却効果を
得ることができる７゛−どの利点がある。

溶鋼表面からは、溶鋼自身の高熱によって溶鋼の微粒子
が自然蒸発している。この蒸発量は、超音波振動のよう
な物理的手法によって生成する微粒子の量に比べると格
段に少ない。１！た蒸発によって溶融金属から微粒子を
生成する場合には、各元素の蒸気圧に基づく選択蒸発が
問題となシ、溶融金属の温度変化の影響を直接受ける。

自然蒸発は特にこの問題が大きいが、非常に高い温度が
得られるプラズマアークなどの外部エネルギーによって
高熱を供与して過熱状態で微粒子を蒸発させる場合にお
いても、この問題は完全には解消されない。この選択蒸
発の問題を避ける最もよい方法は、蒸発によって微粒子
を生成するのではなく、物理的方法によって溶鋼そのも
のを微粉化し、微粒子として発生させる方法である。

また本発明は、岩融金属中の各元素の定量分析が目的で
あるために、生成される微粒子は、プラズマ発光分析に
おいて容易にしかも安定して励起発光できるように微細
な粒子でなければならない。

本発明はこれらの点について種々の検討を行い、溶鋼２
に超音波を作用させることによって、溶鋼表面から溶鋼
の微粒子を生成させる方法を新規に見い出したものであ
る。

超音波照射によって生成する溶鋼の微粒子は、直径約１
０μｍ以下の微細なもので、粒度分布の幅も小さく、プ
ラズマ発光分光分析に適した微粒子であつ危。

このようにして生成したＧ鋼の微粒子は、微粒子生成室
２３上部に設けられた微粒子排出口１５から微粒子搬送
管８を介してプラズマ発光分光分析装置１１へ搬送され
る。搬送管８は、ステンレスパイプなどからできており
、冷却によって微粒子が搬送管８内壁に付着することを
防止するために加熱装置ｔｓ’を設けるのがよい。

微粒子は搬送管８末端の搬送管出口から搬送ガス分配器
９の中に送り込まれる。微粒子を搬送する不活性ガス流
量とプラズマトーチ２０へ導入する流量とが同じであれ
ば、搬送ガス分配器９は不要である。しかし、プラズマ
炎１２へ微粒子を導入する流量は通常１ｔ／ｍｉｎ程度
であるが、搬送管８の微粒子搬送流量は、搬送時間の短
縮等からこれよりも多い流量にする場合がある。このよ
うな場合にガス分配器下部の弁１９ｆ、調節して微粒子
搬送ガスの一部を系外に逃し、必要流量を導入管１０を
経由してプラズマトーチ２０へ導入する。

搬送管８に内径４■ψ、長さ４０ｍのステンレスパイプ
を用い、Ａｒガス流量を２ｔ／ｍｉｎとした場合には、
微粒子生成室２３中の内圧は約１５０請Ｈ２０となり、
湯面は約２傭降下したが、晦鋼の微粒子は短時間でプラ
ズマトーチ２０へ到達し、プラズマ炎１２中で励起発光
した各元素のスペクトル強度を光電子増倍管２１により
測定し、約１０秒間の積分を行うことにより、各元素と
も再現性よく定量できた。搬送管内壁には微粒子のわず
かな残留が起るが、約３０秒間を要する１回の分析が終
了後に５〜１０ｔ／ｍｉｎの流量でＡｒガスを搬送管８
中に吹き込むことにより、残留微粒子を除去する方法を
採った。

次にＡｒガス流量を１０〜２０１７ｍ１ｎに増加し、微
粒子生成室２３中の溶鋼を同室から排除し、流量を１〜
２ｔ／ｍｉｎの通常の状態に戻すことにより、取鍋中の
新たな溶鋼２を生成室２３中へ取り込むことができる。

このような方法により、処理鍋中の溶鋼の精錬処理過程
のオンライン分析を容易に行うことができる。

プラズマトーチ２０に導入された微粒子は、プラズマ炎
１２の高熱で励起発光され、その発光スペクトルは分光
され、各波長位置に設定した光電子増倍管２１により各
元素の発光強度が同時に測定され、溶鋼中の複数元素の
同時迅速分析が行える。

超音波照射による６鋼微粒子の生成量に多少の　　゛変
動があってもその影響を受けないように、各元素の発光
強度は鉄の発光強度との比をとるなど鉄の発光強度を基
準にする補正計算の採用が適当である。このような計算
をデータ処理装置２２で行い、各元素の鋼中含有率が求
められる。本発明によれば、溶鋼中に含まれるＣ、Ｐ、
Ｓ、Ｓｉ、Ｍｎ。

Ｎｉ　、　Ｃｒ　、などＯ，Ｎ、Ｈのガス成分を除くほ
とんどの元素の同時分析が行えた。ま念蒸発によって微
粒子を生成する方法では蒸発しにくいために、分析に不
利な高融点金属でおるＴｉ、Ｖ、Ｗ等の分析も本発明で
は十分に行え次。

分析装置には、多元素を同時に迅速にしかも高い精度で
定量できるプラズマ励起源を有する発光分光分析装置が
適している。現在では、分析精度が良く取扱い易いＡｒ
プラズマを用いる高周波誘導結合プラズマ発光分光分析
装置が最適である。

製鉄プロセスの真空脱ガス処理に際して、第１図に示し
た装置を用い本発明を実施した例を述べる。

微粒子生成プローブ１及びホーン６を予めガスノ々−ナ
一式の加熱炉で加熱しておき、プローブ下端に鉄製のキ
ャップを取り付け、プローブ１を保持したプローブ昇降
装置２６によりプローブ１を処理鍋中に挿入する。スラ
グ層を通過して溶鋼中に浸漬すると直ちにキャップは尋
解し、プローブ１の内部にはスラグを除い＋ｇ鋼２が浸
入してくる。この操作はＡｒガスを不活性ガス導入管７
から１　ｔ／　ｍ　ｉ　ｎの流量で通気しながら行い、
プローブ１４１鋼中に浸漬後３０秒程度でプローブ１の
下部、ホーン６などの予熱はなされ、微粒子生成室２３
内も確実にＡｒ雰囲気となり、微粒子生成のための準備
は終了する。

次に超音波発振機３を働らかせて超音波振動子４に発生
した超音波を伝達棒５に伝達させ、溶鋼中に全長の半分
程度を浸漬したホーン６で超音波を最大出力として発生
させる。それと同時にプローブ昇降装置２６を作動させ
、ホーン６がｍ鋼界面を出たり入ったシするように昇降
、下降を繰り返した。ホーンが俗鋼面から引き上げられ
た際、ホーン６表面に残留した溶鋼が、ホーンから発生
させられる超音波によって飛散させられ微粒子が生成す
るものと考えられる。ホーン表面に凹凸を形成させた場
合は、微粒子生成量が増すことから、溶鋼微粒子はホー
ン表面からも生成されているものと考えられる。

生成した溶鋼微粒子は、吹き込んだＡｒガス気流によっ
て、内径４Ｗψのステンレススチール製の管で５０ｍ離
れたプラズマ発光分光分析装置１１へ搬送した。

真空脱ガス処理現場は、高温、ダスト、撮動等の悪い測
定環境から、精密測定機器である分光分析装置を溶鋼の
存在場所近くに設置することができないが、本発明は溶
鋼の微粒子を生成して長距離を搬送後分析できる特徴を
もち、このような目的に特に適している。

上記のような条件でｍ鋼中のｉンガンを分析した結果の
一例′１ｊＩ：第５図に示した。第５図は、厚板や薄板
など各種鋼種を対象に真空脱ガス処理中に本発明によっ
て測定しｆｃＭｎの発光強度とＦｅの発光強度からＭｎ
／Ｆ６の強度比全計算し、その値ＱＹ軸にとり、同時に
サンプリングして固化し九試料の従来法であるスパーク
発光分光分析法で求めたＭｎ分析値をＸ軸にとってプロ
ットし念ものである。

このように両者間には非常に良好な相関性があり、本発
明が従来の方法と同様に実用できることがわかり、しか
も従来のように溶鋼をサンプリングする必要もなく、従
来法では分析試料の気送管による分析センターへの輸送
、切断、研摩等の前処理も必要なかった。従来法では通
常全分析所要時間が４〜５分かかつていたが、本発明は
最初２分以内で分析でき、しかも、そのあとは連続して
分析値を得ることができた。

第５図にはＭｎ分析の結果を示したが、本発明では多元
素を同時に分析でき、鼎鋼分析で必要なＰ、Ｓ、Ｓｉ　
、Ａｔ、Ｔｉ　、Ｎｉ　、Ｃｒ等多くの成分がＭｎ分析
とほぼ同様に良好な精度で分析できた。

（発明の効果Ｊ 以上説明し次ように本発明は、これまで溶融金属試料中
の含有成分の分析にあたって実施してきたサンプリング
、冷却固化、切断、研摩等の煩雑な前処理操作を行なわ
ずに迅速かつ精度よく直接分析することができ、金属の
精錬や製鋼プロセスにおける品質管理や操業管理に極め
て効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例装置の説明図、第％２図〜第４図
は本発明装置の微粒子生成プローブの部分の各種の態様
の説明図、第５図は本発明装置による溶鋼分析結果の説
明図である。 １・・・微粒子生成プローブ、２・・・溶鋼、３・・・
超音波発振機、４・・・超音波撮動子、５・・・超音波
伝達棒、６・・・ホーン、７・・・不活性ガス導入管、
８・・・微粒子搬送管、９・・・搬送ガス分配器、１１
・・・高周波誘導結合プラズマ発光分光分析装置、２０
・・・プラズマトーチ、２３・・・微粒子生成室、２５
・・・微粒子生成装置保持台、２６・・・微粒子生成プ
ローブ昇降装置、２７・・・超音波ホーン昇降装置。 代理人　弁理士　　秋　　沢　　政　　光他１名 才２図 ７３図 オ乙図 第５図 Ｍｎ　（％）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）底部開口部が溶融金属によって塞がれて密閉状と
   なるプローブ内に捕集した溶融金属中に、超音波振動子
   に接続されたホーンを発振させながら挿入し、次に溶融
   金属から引き上げるホーンの上下動作中にホーン表面に
   付着した溶融金属を超音波振動によって微粒子として飛
   散生成させ、生成した溶融金属の微粒子を同プローブ中
   に吹き込んだ不活性ガスにより同プローブ上部より排出
   し、プラズマ発光分光分析装置に搬送導入して微粒子中
   の各元素の発光強度を測定し、溶融金属中に含まれる各
   元素の濃度を求めることを特徴とする上下可動式超音波
   振動微粒子生成による溶融金属の直接分析方法。
2. （２）ホーンを溶融金属中から引き上げ再び浸漬する上
   下動作を繰り返しながら、ホーン表面に付着した溶融金
   属を超音波振動によって微粒子と成すことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の上下可動式超音波振動微粒
   子生成による溶融金属の直接分析方法。
3. （３）表面に凹凸を形成させたホーンを用いる特許請求
   の範囲第１項または第２項記載の上下可動式超音波振動
   微粒子生成による溶融金属の直接分析方法。
4. （４）下部内壁に不活性ガス導入口と上部に微粒子排出
   口とを有し、底部を溶融金属中に浸漬して密閉状態とす
   る微粒子生成プローブと、上下動作が可能な昇降機構を
   もち超音波発振機とケーブルで接続する超音波振動子を
   上部に有し下部に溶融金属中に浸漬するホーンとを結合
   した超音波伝達棒を前記微粒子生成プローブの上部に取
   りつけた微粒子生成装置と、および前記微粒子排出口を
   搬送管を介して接続したプラズマ発光分光分析装置とを
   備えたことを特徴とする上下可動式超音波振動微粒子生
   成による溶融金属の直接分析装置。
5. （５）超音波伝達棒に不活性ガス供給口を設け、該伝達
   棒内に不活性ガス導通孔を貫通させ、さらに該伝達棒先
   端に接続され溶融金属中に浸漬されるホーンに不活性ガ
   ス導入口を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第４
   項記載の上下可動式超音波振動微粒子生成による溶融金
   属の直接分析装置。
6. （６）下部内壁に不活性ガス導入口を、上部に微粒子排
   出口をそれぞれ設け、 底部を溶融金属中に浸漬して密閉状態とする微粒子生成
   プローブに上下動作が可能な昇降機構を取りつけたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第４項記載の上下可動式超
   音波振動微粒子生成による溶融金属の直接分析装置。
7. （７）表面に凹凸を形成させたホーンを用いる特許請求
   の範囲第４項または第５項記載の上下可動式超音波振動
   微粒子生成による溶融金属の直接分析装置。