JPS63243872A - 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） 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、超音波振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
よって対応処置をとる必要がある。

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Ｘａ遺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坩されるもので
ある。

（従来の技術） 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
スパーク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！ｌＪｌ注鋼法の新製造プロセス
の操業管理のために、溶銑や溶鋼のような溶融＊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ＡｒＩ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（ＤＩＳＲ＾＾ｎｎｕａｌ　ＲｅｐｏｒｔニアＢ
（１９６６）、６５．７８（１９６７）、３５（１９６
８）　）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号公報、特開昭５９−１５７５４
１号公４ｊｉ）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（特開昭１
３０−２１９５３８号公、ｔｌｌ）などを発明した。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た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） 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１Ｍ’、　Ｌ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、生成する微粒子を
回収して、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ｊｎを
提供するものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明の方法は、底部閉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（！行来した溶融金属中に
、超音波発振機に接続する超音波振動子に結合されたホ
ーンを浸漬し、その振動によって飛散生成した溶融金属
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濃度を求めることを特徴と
する運音波振動微粒子生戊による溶融金属の直接分析方
法である。ホーン内部から溶融金属中に微粒子搬送用の
不活性ガスを吹き込むことは好ましい。

本発明の装置は、下部内壁に不活性ガス導入口を、上部
に微粒子排出口を設け、かつ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、下部に溶融金属中に浸
漬するホーンを結合した超音波伝達棒を上部中央に設け
、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、および前記微粒子排出口と微粒子搬送管を
介しで接続したプラズマ発光分光分析ｖ装置を備えたこ
とを特徴とする超音波振動微粒子生成による溶融金属の
直接分析装置である。超音波伝達棒に不活性ガス供給口
を設け、同伝達棒内に不活性ガス導通孔を貫通させ、同
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ものは好ましい。

（作用、実施例） ｔｐＪ１図から第４図に示す実施例をらとに本発明の構
成、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た
本発明の詳細な説明図、第２図、第３図は超音波損とう
によって溶融金属の微粒子を生成する部分の説明図、第
４図は分析結果の説明図である。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Ｎ象と
した例を示した。本発明の装置は、超音波振動子４を保
有して溶鋼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誘導結合プラズマ
発光分光分析装置１１を主体に構成される。

微粒子生成プローブ１は高温耐食性やヒートシタツク性
に優れる耐火材、例えば炭化けい素糸、アルミナ−炭素
系等の耐火材でできた円筒で、上部中央に金Ｊ’ＪＩ製
などの超音波伝達棒５を設け、下部内壁に微粒子搬送用
のＡｒｆｆスなどの不活性ガス排出口１３および」二部
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ｇＡ２中に浸漬すると、内部に微粒子生成室２
３の空間を有した密閉状穿器となる。超音波伝達棒５も
プローブ１にオーリング１７を用いるなどして密閉状態
で取りつけである。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。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がらの輻射熱を防ぐ遮へい板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
溶鋼に対する溶損が少なく、ヒートシシックにも強い反
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した。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
ステンレス鋼などの金属でよい、プローブ１を溶ｇＡ２
中に浸漬すると、プローブ１内に取り込まれている１６
００℃イマ１近の高温の溶鋼の容積に比べて小容積であ
るセラミックスのホーン６は直ちに溶鋼温度に加熱され
る。

従って、通常ホーン６が溶鋼中に浸漬後、６０秒程度の
類１時間内に超音波をかける。振動子４から発生した超
音波の振動は、伝達棒５を介してホーン６に伝達される
。ホーン６の超音波振動によってホーン６の溶鋼接触面
付近からと考えられるが溶鋼微粒子の飛散による微粒子
の生成が起る。この微粒子の生成は極めて少量であるが
、微粒子搬送管８を介して接続されるプラズマ発光分光
分析装置１１は非常に高感度な分析装置のために十分に
定量することができる。

生成した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
性ガスが不活性ガス導入管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カｒ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６に
は酸化しにくい材質を選ぶとか超音波発ｆｔＰＩｉの同
Ｗ！４　Ｂ！ｌ　ｈｌｔに工夫が必要になる。吹き込ん
だ不活性γスは、ＰＩＳ２図に示すようにポーラスレン
〃１４を通過させ小気泡としてプローブ１内壁より溶鋼
２巾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ｇＡ２表面よ
り下方になくてもよい。第３図には、不活性ガス導入管
７を超音波伝達棒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。この場
合は耐大物性のプローブ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は溶鋼の熱伝導により加熱され、何らかの冷却が必
要となるが、吹き込む不活性ガスによる冷却効果を得る
ことができるなどの利点がある。

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、また、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
問題となり、溶融金属の温度変化の影響を直接受ける。

自然蒸発は待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る、
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。＊た
、本発明は溶融金属中の各元素の定量分析が目的である
だめに、生成さｈ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６本発明はこれらの点について種
々の検討を行い、溶＠１２に超音波を作用させることに
よって溶ｆ！４表面がら溶鋼の微粒子を生成させる方法
を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１０
μｍ嚢以下の＠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る。

このようにして生成した溶鋼の微粒子は、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
￥１８を介して分光分析ｖｃｒ１１１１へ搬送される。

　１１送Ｗ８はステンレスバイブなどがらできており、
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１８を設けるのがよい、微粒子は
搬送Ｗ８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ｉｔ／ｌｌ１ｎ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。

そのような場合に、ガス分配器下部の弁１９を調節して
微粒子搬送ガスの一部を系外にのがし、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４ＩｆｉＩＩｌφ、長さ４０ωのステンレス
パイプを用い、Ａｒｆｆス流ｉヲ２１／ｗｉｎとした場
合には、微粒子生成室２３中の内圧は約１５０ａａ＋Ｈ
２０となり湯面は約２ｃ＋ａ降下したが、溶鋼の微粒子
は短時間でプラズマトーチ２０へ到達し、プラズマ炎１
２中で励起発生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回の分析の終了後に５〜１０１／ｗｉｎの流量でＡｒ
ガスを搬送′１７８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ＡｒＩス流量を１０〜
２０１／ｗｉｎに増加し、微粒子生成室２３中の溶鋼を
同室から徘除し、流量を１〜２１／Ｉａｉｎの通常の状
態に戻すことにより、取鍋中の新たな溶ｇＡ２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１
２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￥１２１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。超音波照射による溶鋼微粒子
の生成量に多少の変動があってもその影ｒａ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ｒ！１２２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○、Ｎ、Ｈのガス成分を除くほとんどの元素の同時
分析が行える。また、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あ
るＴｉ、Ｖ、Ｗ等の分析も本発明では十分に行える０分
析装置には多元素を同時に迅速にしがも高い精度で定量
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ｖ装
置が最適である。

次に、製鉄プロセスの真空脱が入処理に際して、ｔｔＳ
１図の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を予めガスバーナ一
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を保持した昇降装置により
プローブ１を処理鍋中に挿入した。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溶解し、プローブ
１の内部にはスラグを除いた溶鋼２が侵入してきた。こ
の繰作はＡｒＮスを不活性ガス導入Ｗ７がら１１／ｌｎ
：ｎの流量で通水しながら行い、プローブ１を溶鋼中に
浸漬後３０秒程度でプローブ１の下部、ホーン６などの
予熱がなされ、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した。次に超音
波発振機３を働かせて超音波振動子４に発生した超音波
を伝達棒５を伝達させて、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た。

このようにしてホーン６がら溶鋼２中に照射された超音
波により、特にホーン表面と溶鋼との界面付近から溶鋼
の微粒子が発生した。生成した溶鋼微粒子は吹き込んだ
Ａｒ７７′ス気流によって内径４＋＋＋ｍφのステンレ
ススチール製の管で５０ｕ離れたプラズマ発光分光分析
装ｒ！！１１へ搬送した。ｌＶｔ空脱ガスガス現場は、
高温、ダスト、振動等の悪い測定環境がら結審測定機器
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のでこのような目的に特に適し
ている。

上記の条件で溶鋼中のマン〃ンを分析した結果の一例を
第４図に示した。第４図はｊフ板や薄板など各種ｇＡ種
を対象に真空脱ガス処理中に本発明によって測定したＭ
ｎの発光強度とＦｅの発光強度からＭ　ｎ／　Ｆ　ｅの
強度比を計算し、その値をＹ紬に、同時にサンプリング
して固化した試料のスパーク発光分光分析法で求めたＭ
ｎ分析値をＸ紬にとってプロットしたものである。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
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かった。従来法では通常全分析
所要時間が４〜５分かかっていたが本発明は最初２分以
内で分析でさ、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４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、溶鋼分析で必要な
Ｐ、Ｓ、Ｓｉ％Ａ１、Ｔｉ、Ｎｉ１Ｃｒ等多くの成分が
Ｍｔ＋分析とほぼ同時に良好な精度で分析できた。

（発明の効果） 本発明は以上説明したように、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Ｊ！ｌ！掩作を
行わずに、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！！！鋼プロセス等の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３図は
本発明装置の微粒子生成プローブの部分の例の説明図、
第４図は本発明方法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・・・超音波振動子、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、１０
・・・導入管、１１・・・高周波誘導結合プラズマ発光
分光分析ｖ装置、１２・・・プラズマ炎、１３・・・不
活性ガス排出口、１４・・・ポーラスレンガ、１５・・
・微粒子排出口、１６・・・遮へい板、１７・・・オー
リング、１８・・・加熱装置、１９・・・弁、２０・・
・プラズマトーチ、２１・・・光電子増倍管、２２・・
・データ処理装置、２３・・・微粒子生成室、２４・・
・ケーブル。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）底部閉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、超音波発振機
   に接続する超音波振動子に結合されたホーンを浸漬し、
   その振動によって飛散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
   まれる各元素濃度を求めることを特徴とする超音波振動
   微粒子生成による溶融金属の直接分析方法。
2. （２）ホーン内部から溶融金属中に微粒子搬送用の不活
   性ガスを吹き込む特許請求の範囲第１項記載の超音波振
   動微粒子生成による溶融金属の直接分析方法。
3. （３）下部内壁に不活性ガス導入口を、上部に微粒子排
   出口を設け、かつ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、下部に溶融金属中に浸漬するホー
   ンを結合した超音波伝達棒を上部中央に設け、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
   、および前記微粒子排出口と微粒子搬送管を介して接続
   したプラズマ発光分光分析装置を備えたことを特徴とす
   る超音波振動微粒子生成による溶融金属の直接分析装置
   。
4. （４）超音波伝達棒に不活性ガス供給口を設け、同伝達
   棒内に不活性ガス導通孔を貫通させ、同伝達棒先端に接
   続され、溶融金属中に浸漬されるホーンに不活性ガス導
   入口を設けた特許請求の範囲第３項記載の超音波振動微
   粒子生成による溶融金属の直接分析装置。