JP2004125566A - 溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定方法、その装置及びそれに用いられるプローブ - Google Patents
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Abstract
【目的】溶鋼層やスラグ層の酸素分圧を測定する手段を用いて溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さを測定する方法を提供しようとするものである。
【解決手段】下端が閉じた筒状で酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、その固体電解質の内部に充填された標準電極とでなる酸素センサを、導電性を帯びた容器に収容した溶鋼層に一定時間浸漬した後、この溶鋼層からこの溶鋼層表面に浮遊するスラグ層の上層である大気層へ移動させ、上記浸漬及び移動の間連続して、基準位置から酸素センサの位置までの垂直距離を測定すると同時に、その時点における標準電極と容器に接続したアースとの間に生じる総起電力を測定して、垂直距離と総起電力との関係から、溶鋼層表面の位置、または、スラグ層の厚さ、或は、その双方を求める。
【選択図】 図１
【解決手段】下端が閉じた筒状で酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、その固体電解質の内部に充填された標準電極とでなる酸素センサを、導電性を帯びた容器に収容した溶鋼層に一定時間浸漬した後、この溶鋼層からこの溶鋼層表面に浮遊するスラグ層の上層である大気層へ移動させ、上記浸漬及び移動の間連続して、基準位置から酸素センサの位置までの垂直距離を測定すると同時に、その時点における標準電極と容器に接続したアースとの間に生じる総起電力を測定して、垂直距離と総起電力との関係から、溶鋼層表面の位置、または、スラグ層の厚さ、或は、その双方を求める。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、転炉内の溶鋼に酸素を吹き付ける吹錬工程において、溶鋼層表面位置または溶鋼層表面に浮遊するスラグ層の厚さ或はその双方の測定方法、その測定装置及びそれに用いられるプローブに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
製鋼プロセスにおいては、高炉から出た銑鉄に含まれる炭素、燐、珪素等の不純物を除去する精錬工程に、転炉が広く使われている。この精錬工程は、転炉内に、溶融している銑鉄と一緒にスクラップや石灰等を入れて、酸素を高速で吹き付ける工程であり、吹錬工程と呼ばれている。この吹錬工程では、溶鋼中の不純物が酸素と結合して熱を発して燃え、溶鋼中から除去されるとともに、溶鋼層表面には浮遊するスラグ層が形成されるが、このスラグ層は、溶鋼が空気と直接接触するのを防ぐという重要な役割を果たしている。この吹錬工程を制御するためには、吹き付ける酸素の量等を制御する必要があり、このため、溶鋼層やスラグ層の酸素分圧とともに、溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さを知ることが重要である。
【０００３】
上記の溶鋼層やスラグ層の酸素分圧を測定するには、一般に、酸素濃淡電池の原理を応用した酸素センサが用いられており、例えば、スラグ層の酸素分圧については、特許文献１に記載された方法等が提案されている。この特許文献１に記載された方法や従来の一般的な方法では、酸素イオン伝導性を有する固体電解質及びその内部に充填された標準電極でなるセンサと、導電性を有する測定用電極（特許文献１における対照電極）とで構成される酸素プローブを溶鋼層等に浸漬させて、標準電極と測定用電極との間に生じる起電力を測定することにより、酸素分圧を測定している。
【０００４】
また、溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さを知る方法としては、特願２００１−１５７９５９明細書に記載された方法等が提案されている。また、この他、溶鋼、スラグ、及び大気のインピーダンスの差異を測定することによりスラグ層の厚さ等を求める方法や、電磁コイルの誘導電圧が溶鋼、スラグ、及び大気でそれぞれ異なることを利用してスラグ層の厚さ等を求める方法等が知られている。
【０００５】
上述したように、吹錬工程を制御するためには、溶鋼層やスラグ層の酸素分圧の測定と溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さの測定とを同時に行なう必要があるが、上記の溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さを知る方法は、溶鋼層やスラグ層の酸素分圧を測定する方法とは全く異なる原理を用いた方法であることから、溶鋼層やスラグ層の酸素分圧の測定と溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さの測定とを同時に行なうためには、酸素分圧の測定のための装置と、溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さの測定のための装置とを併用しなければならない。そこで、従来は、この２つの装置を併用する方法が用いられていた。
【０００６】
しかしながら、溶鋼層やスラグ層の酸素分圧を測定する手段を用いて溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さを測定することができれば、経済的、且つ、効率的に測定を行なうことができる。このためには、溶鋼層やスラグ層の酸素分圧を測定する手段を用いて、少なくとも溶鋼層とスラグ層との境界面を検知する必要がある。そこで、試みに、従来、一般的に用いられている酸素プローブとして、酸素イオン伝導性を有する固体電解質及びその内部に充填された標準電極とでなるセンサと、導電性を有する測定用電極とを同一プローブに設けて構成した、図４に示す酸素プローブ４０を用いて、溶鋼層とスラグ層との境界面を検知することが可能か否かを見るための実験を行なった。尚、図４において、４１は固体電解質、４２は標準電極、４３は充填材、４４は標準電極リード線、４５は測定用電極、４６はハウジング、４７はコネクタ部、４８は測定用電極リード線、５０は熱電対、５１は熱電対リード線、５２は耐熱セメント、５３はコーティング、５４はキャップ、そして５５は紙キャップである。この実験は、サブランスに取り付けた上記の酸素プローブ４０を転炉に収容された溶鋼層に８秒間浸漬した後、この溶鋼層からこの溶鋼層表面に浮遊するスラグ層の上層である大気層へ引き上げ、その際の、酸素プローブ４０の位置、及び、標準電極４２と測定用電極４５との間に生じる起電力を測定したものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２１４１２７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図５は、上記の実験の結果を示したグラフであり、標準電極−測定用電極間の起電力と、酸素プローブの位置を示しており、横軸は時間（秒）である。図５では、Ｃ点が溶鋼層とスラグ層との境界面の位置であるが、Ｃ点の前後における標準電極−測定用電極間の起電力のカーブには大きな変化はなく、この起電力のカーブから溶鋼層とスラグ層との境界を検知することは困難であることがわかる。しかしながら、上述したように、溶鋼層やスラグ層の酸素分圧を測定する手段を用いて溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さを測定することができれば、大きなメリットがある。そこでこの発明は、溶鋼層やスラグ層の酸素分圧を測定する手段を用いて溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さを測定するという課題を解決するためになされたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、溶鋼が収容される転炉等の容器が導電性を帯びていることに注目して、従来、酸素プローブに、標準電極と固体電解質とでなるセンサと一体化して設けられていた測定用電極の有する役割を、溶鋼が収容される容器である転炉等の側壁に負わせることによって、上記の課題を解決した。即ち、本発明者は、溶鋼層とその表面に浮遊するスラグ層との境界面、及び、スラグ層とスラグ層の上層である大気層との境界面の各前後で、上記センサの標準電極と、転炉に接続したアースとの間に生じる起電力が、大きく変化することを見出した。本発明は、この点に注目してなされたものである。
【００１０】
まず、本発明の溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定方法について説明する。この測定方法は、下端が閉じた筒状で酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、その固体電解質の内部に充填された標準電極とでなる酸素センサを、導電性を帯びた容器に収容した溶鋼層に一定時間浸漬した後、この溶鋼層からこの溶鋼層表面に浮遊するスラグ層の上層である大気層へ移動させ、前記浸漬及び前記移動の間連続して、基準位置から前記酸素センサの位置までの垂直距離を測定すると同時に、その時点における前記標準電極と前記容器に接続したアースとの間に生じる総起電力を測定して、前記垂直距離と前記総起電力との関係から、前記溶鋼層表面の位置、または、前記スラグ層の厚さ、或は、その双方を求めてなることを特徴としている。
【００１１】
上記の溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定方法において、前記酸素センサと一体的に移動する温度センサを用いて、前記酸素センサが晒されまたは浸っている前記各層の温度を測定するとともに、その層における前記総起電力と前記温度とを用いて、その層の酸素分圧を求めることができる。
また、この方法において、前記酸素センサの近傍に配設された補正電極を用いて、前記アースとの間に生じるバイアス起電力を測定するとともに、前記総起電力に代えて、前記総起電力から前記バイアス起電力を減じた修正起電力を用いて、前記酸素分圧を求めることが推奨される。
【００１２】
次に、本発明の溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定装置について説明する。この測定装置は、表面にスラグ層が浮遊する溶鋼層を収容した導電性を帯びた容器と、下端が閉じた筒状で酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、その固体電解質の内部に充填された標準電極とでなる酸素センサと、前記酸素センサを前記溶鋼層に一定時間浸漬した後、この溶鋼層からこの溶鋼層表面に浮遊するスラグ層の上層である大気層へ移動する酸素センサ移動手段と、前記浸漬及び前記移動の間連続して、基準位置から前記酸素センサの位置までの垂直距離を測定する酸素センサ位置測定手段と、前記垂直距離の測定と同時に、その時点における、前記標準電極と前記容器に接続したアースとの間に生じる総起電力を測定する総起電力測定手段と、でなるとともに、前記酸素センサ位置測定手段が測定した前記垂直距離と前記総起電力測定手段が測定した前記総起電力との関係から、前記溶鋼層表面の位置、または、前記スラグ層の厚さ、或は、その双方を求めてなることを特徴としている。
【００１３】
上記の溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定装置において、前記酸素センサと一体的に移動するとともに、前記酸素センサが晒されまたは浸っている前記各層の温度を測定する温度センサを用いた温度測定手段を備えるとともに、その層における前記総起電力と前記温度とを用いて、その層の酸素分圧を求めることができる。
また、この装置において、前記酸素センサの近傍に設けられた補正電極と、この補正電極と前記アースとの間に生じるバイアス起電力を測定するバイアス起電力測定手段と、を備えるとともに、前記総起電力に代えて、前記総起電力から前記バイアス起電力を減じた修正起電力を用いて、前記酸素分圧を求めることが推奨される。
【００１４】
次に、上記の溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定方法、またはその装置に用いられるプローブについて説明する。このプローブは、下端が閉じた筒状で酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、その固体電解質の内部に充填された標準電極とでなる酸素センサと、この酸素センサの近傍に設けられた補正電極と、前記酸素センサが晒されまたは浸る部分の周辺の温度を測定するように、前記酸素センサの近傍に配設された温度センサと、でなる酸素プローブであって、導電性を帯びた容器に収容した溶鋼層に一定時間浸漬した後、この溶鋼層からこの溶鋼層表面に浮遊するスラグ層の上層である大気層へ移動させ、前記浸漬及び前記移動の間連続して、基準位置から前記酸素センサの位置までの垂直距離を求めると同時に、その時点の前記標準電極と前記容器に接続したアースとの間に生じる総起電力を測定し、且つ、前記補正電極と前記アースとの間に生じるバイアス起電力を測定し、前記垂直距離と前記総起電力との関係から、前記溶鋼層表面の位置、または、前記スラグ層の厚さ、或は、その双方を求めるとともに、前記各層における、前記総起電力から前記バイアス起電力を減じた修正起電力と前記温度とを用いて、前記各層の酸素分圧を求めてなることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態につき、図面に基づき詳しく説明する。図１は、本発明の溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定装置を、具体的に構成する場合の構成例を模式的に示した説明図である。図１において、１は転炉、２はアース、３は溶鋼層、４はスラグ層、５は大気層、６は溶鋼層とスラグ層との境界面、７はスラグ層と大気層との境界面、８はサブランス、９は酸素プローブ、１０はサブランス移動機構、１１はロータリーエンコーダ、１２はサブランス移動制御部、１３はサブランス移動距離測定部、１４は温度測定部、そして１５は総起電力及びバイアス起電力測定部である。また、図２は、酸素プローブ９の詳細を示しており、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。図２（ａ）、（ｂ）において、２１は固体電解質、２２は標準電極、２３は充填材、２４は標準電極リード線、２５は補正電極、２６はハウジング、２７はコネクタ部、２８は補正電極リード線、２９はＵ字管、３０は熱電対素線、３１は熱電対リード線、３２は耐熱セメント、３３はコーティング、３４はキャップ、そして３５は紙キャップである。上記の構成例では、溶鋼を収容する容器として転炉１を用いているが、取鍋を使用するようにしてもよい。
【００１６】
図１において、この構成例では、転炉１の上方に垂直に配設された棒状のサブランス８の先端に、酸素プローブ９を装着し、このサブランス８をサブランス移動機構１０により上下に移動させることにより、酸素プローブ９を転炉１に収容された溶鋼層３に浸漬するとともに、溶鋼層３の表面に浮遊するスラグ層４を通ってスラグ層４の上層である大気層５へ引き上げる操作を行なう。サブランス移動機構１０は、サーボモータやパルスモータ等を用いて構成され、サブランス移動制御部１２により制御される。また、サブランス移動機構１０には、サーボモータやパルスモータ等と連動したロータリーエンコーダ１１が付設されており、サブランス８の上下方向の移動距離を測定することができる。この測定により、予め設定した基準位置とサブランス８の先端に装着された酸素プローブ９との距離、即ち、酸素プローブ９の位置を求めることができる。
【００１７】
サブランス８の先端に装着される酸素プローブ９は、図２（ａ）、（ｂ）に示す構造をしている。即ち、ハウジング２６に、酸素センサ１９、補正電極２５、及び、温度センサ２０が設けられ、耐熱セメント３２で固定されている。酸素センサ１９は、下端が閉じた筒状の固体電解質２１と、その固体電解質２１の内部に充填されている標準電極２２とで構成され、標準電極２２は固体電解質２１の軸に沿って設けられた標準電極リード線２４に接続されている。固体電解質２１は、酸素イオン伝導性を有する物質を、所定量（数モル程度）固溶して部分安定化させた焼結体で形成されており、例えば、酸化ジルコニウム（ジルコニア）や酸化イットリウムを主体とし、必要に応じて、二酸化珪素、アルミナ、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化鉄等を付加した物質が用いられる。特に部分安定化したジルコニアは、優れた耐熱衝撃性を有すると共に酸素濃度に対する応答速度が早いことから、固体電解質２１として好ましい。標準電極２２は、酸素分圧が既知の物質で構成される。この物質としては、例えば、クロムと酸化クロム、モリブデンと酸化モリブデン、ニッケルと酸化ニッケルとの混合物等が用いられる。充填材２３は、混合物でなる標準電極２２を固体電解質２１の内部空間の下端に保持させるために用いられる。また、標準電極リード線２４には、耐熱性に優れたモリブデン（Ｍｏ）が用いられる。補正電極２５はリング状をしており、ハウジング２６に周設されているが、リング状とすることにより、単なる棒状とする場合に比べて、溶鋼との接触面積を広くでき、電気抵抗が小さくなって流れる電流が安定化するという利点がある。この補正電極２５には、標準電極リード線２４と同様、耐熱性に優れたモリブデン（Ｍｏ）を用いるのが望ましいが、安価で加工が容易な鉄（Ｆｅ）を用いるようにしてもよい。また、この補正電極２５には、補正電極リード線２８が接続されている。温度センサ２０は、Ｕ字管２９とその内部に挿入された熱電対素線３０とで構成され、Ｕ字管２９の頂点付近に２種類の熱電対素線３０の測温接点を有した感温部を備えている。この熱電対素線３０には、熱電対リード線３１が接続されている。
【００１８】
酸素プローブ９に設けられた酸素センサ１９、補正電極２５、及び、温度センサ２０に接続されている標準電極リード線２４、補正電極リード線２８、及び、熱電対リード線３１は、酸素プローブ９がサブランス８の先端に装着されると、コネクタ部２７を介してサブランス８内の配線に接続され、標準電極リード線２４、及び、補正電極リード線２８は、総起電力及びバイアス起電力測定部１５へ接続され、熱電対リード線３１は温度測定部１４へ接続される。また、溶鋼を収容する容器である転炉１は、トラニオンを介してアース２に接続されている。また、総起電力及びバイアス起電力測定部１５もアース２に接続されている。尚、キャップ３４及び紙キャップ３５は、酸素センサ１９や温度センサ２０を保護するためのものであり、酸素プローブ９を転炉１に収容された高温の溶鋼に浸漬した際には、溶融消失することで、酸素センサ１９や温度センサ２０が露出するようになっている。
【００１９】
次に、上記の溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定装置を用いて、溶鋼層表面位置、スラグ層厚さ、溶鋼層における酸素分圧、及びスラグ層における酸素分圧を求めるために必要な要素の測定の方法について説明する。先ず、サブランス移動機構１０によりサブランス８を下方へ移動させて、サブランス８の先端に装着した酸素プローブ９を、スラグ層４中に貫通させて溶鋼層３中に浸漬させ、溶鋼層３の所定深さ位置に数秒間停止させる。その後、サブランス移動機構１０によりサブランス８を上方へ移動させ、酸素プローブ９を、溶鋼層３の表面に浮遊するスラグ層４を通ってスラグ層４の上層である大気層５へ引き上げる。この間連続して、予め設定した基準位置と酸素プローブ９の位置との間の垂直距離を、上述したようにサブランス移動距離測定部１３で測定する。これと同時に、総起電力及びバイアス起電力測定部１５で、その時点における標準電極２２と転炉１に接続したアース２との間に生じる総起電力、及び、補正電極２５とアース２との間に生じるバイアス起電力を測定するとともに、温度センサ２０と温度測定部１４とを用いて、酸素センサ１９が浸っているか、または、晒されている部分の周辺の温度、即ち、溶鋼層３、スラグ層４、または、大気層５の温度を測定する。
【００２０】
標準電極２２と転炉１に接続したアース２との間に起電力が生じるのは、一般的な酸素センサにおける起電力の発生と、同じ原理に基づくものと考えられる。即ち、溶鋼中に浸漬した酸素センサでは、例えば、固体電解質にジルコニア（ＺｒＯ２）と酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いた場合の標準電極と測定電極との間に、次の電池式で表される濃淡電池が形成される。
Ｍｏ１／Ｐｏ１／ＺｒＯ２＋ＭｇＯ／Ｐｏ２／Ｍｏ２ （１）
ここで、Ｍｏ１は標準電極に接続されたモリブデン（Ｍｏ）製のリード線、Ｐｏ１は標準電極を構成する物質の酸素分圧、Ｐｏ２は溶鋼中の酸素分圧、そして、Ｍｏ２はモリブデン（Ｍｏ）製の測定電極である。また、上述したように、標準電極を構成する物質の酸素分圧は既知である。上記の構成例では、溶鋼と接している容器である転炉１の側壁が、測定電極に相当することになる。
【００２１】
上記（１）式の濃淡電池では、Ｍｏ１とＭｏ２との間、即ち、標準電極と測定電極との間に、次の式で表される起電力Ｅが発生することが知られている。
Ｅ＝（Ｒ・Ｔ）／（４Ｆ） ｌｎ（Ｐｏ２ ／Ｐｏ１ ） （２）
ここで、Ｒはガス定数、Ｔは溶鋼の温度（絶対温度）、Ｆはファラディ定数、Ｐｏ１は標準電極を構成する物質の酸素分圧、そして、Ｐｏ２は溶鋼中の酸素分圧である。標準電極を構成する物質の酸素分圧Ｐｏ１は既知であるから、上記（２）式によれば、起電力Ｅと温度Ｔを測定することにより、溶鋼中の酸素分圧Ｐｏ２を求めることができる。上記の構成例では、標準電極２２と転炉１に接続したアース２との間に上記の起電力Ｅが発生することになるが、この起電力Ｅをここでは総起電力と称している。
【００２２】
但し、上記の構成例による場合、その発生のメカニズムは解明されていないものの、酸素プローブ９が浸漬された位置の付近の溶鋼と、溶鋼が接している容器である転炉１に接続されたアース２との間にバイアス起電力が発生するので、より正確な酸素分圧の測定には、上記の総起電力に代えて、この総起電力からバイアス起電力を減じた修正起電力を用いることが推奨される。ちなみに、上記の構成例では、バイアス起電力は、温度が１６００℃で−２４ｍＶであった。また、補正電極２５として鉄（Ｆｅ）を用いる場合は、モリブデン（Ｍｏ）製の標準電極リード線２４との間に熱起電力を生じるため、この観点からも、上記の総起電力に代えて、総起電力からバイアス起電力を減じた修正起電力を用いることが推奨される。
【００２３】
上述したように、上記の構成例の装置を用いて、溶鋼層３やスラグ層４等における酸素分圧を求めることができる。しかし、上記の構成例の装置を用いて溶鋼層表面位置やスラグ層厚さを求めるためには、溶鋼層とスラグ層との境界面６、及びスラグ層と大気層との境界面７を検知する必要がある。そこで、これらの検知が可能か否かを見るために、次の実験を行なった。即ち、上述の測定方法を説明した所で述べた、基準位置と酸素プローブ９の位置との間の垂直距離と、標準電極２２とアース２との間の総起電力、及び、酸素センサ１９が浸っているか、または、晒されている部分の温度を測定して、これらのグラフを描くとともに、溶鋼層とスラグ層との境界面６、及び、スラグ層と大気層との境界面７の位置を、目視により確認して、上記のグラフ上に記入した。この実験では、酸素プローブ９を、溶鋼層３中に浸漬させ、溶鋼層３の所定深さ位置に約８秒間停止させた後、酸素プローブ９を大気層５へ引き上げている。また、この実験では、補正電極としては、酸素プローブ９に備えられている補正電極２５に代えて、酸素プローブ９の近傍に配設した、モリブデン（Ｍｏ）製の直径３ｍｍの棒状の電極を用いている。
【００２４】
図３は、上記の実験の結果を示したグラフである。図３のグラフにおいて、横軸は時間（秒）である。また、Ａ点が溶鋼層とスラグ層との境界面の位置であり、Ｂ点がスラグ層と大気層との境界面の位置である。図３のグラフからわかるとおり、いずれの点においてもその前後で、総起電力が大きく変化しており、この大きな変化を捉えることで、溶鋼層とスラグ層との境界面６、及びスラグ層と大気層との境界面７を検知することが可能であることがわかる。即ち、総起電力が安定した後急激に立ち上がる時点の酸素プローブの位置（Ａ点）が溶鋼層とスラグ層との境界面６の位置であり、総起電力がピークに達した後急激に立ち下がる時点の酸素プローブの位置（Ｂ点）がスラグ層と大気層との境界面７の位置である。従って、基準位置と酸素プローブ９の位置との間の垂直距離、および、標準電極２２とアース２との間に生じる総起電力を測定することにより、溶鋼層とスラグ層との境界面６、及びスラグ層と大気層との境界面７の位置を求めることができ、また、溶鋼層とスラグ層との境界面６の位置と、スラグ層と大気層との境界面７の位置との差から、スラグ層４の厚さを求めることができる。即ち、上記の構成例の装置によれば、溶鋼層表面位置及びスラグ層厚さを求めることができる。
【００２５】
また、図３からは、酸素プローブ９が溶鋼層３及び、スラグ層４に浸っているときの、総起電力と温度がわかり、上記のバイアス起電力を用いて修正起電力を求めることにより、溶鋼層３及びスラグ層４における酸素分圧を求めることができる。また、図３からは、大気層５における総起電力と温度を読み取ることができるので、理論的解明はなされていないものの、上記と同様にして大気層５における酸素分圧を求めることができると考えられる。
また、溶鋼の酸素分圧と、スラグ層の酸素分圧との差から、スラグの塩基度や導電度等のスラグの特性を知ることもできる。
【００２６】
また、溶鋼層３においては、総起電力が速やかに２〜３秒で安定するとともに、一定の値を保持している。従って、この方法によれば、安定した測定を行なうことができるので、測定の精度を高めることができ、ひいては、製鋼の品質を高めることができる。
また、上記の方法によれば、酸素プローブ９を、溶鋼層３中に浸漬させる時間を３〜４秒に短縮することができ、従来５〜８秒かかった測定時間を短縮することができる。また、溶鋼層３中に浸漬させる時間が短くなるので、サブランスへの溶鋼やスラグ等の付着を少なくできるとともに、酸素プローブ９の耐久時間を短くすることができるので、酸素プローブ９に用いられている部材の厚みを薄くすることができ、酸素プローブ９のコストを削減することができる。
【００２７】
上記の構成において、コンピュータを用いた演算部を設けて、サブランス移動距離測定部１３や温度測定部１４と、総起電力及びバイアス起電力測定部１５からの出力信号をこの演算部が受信することにより、溶鋼層表面位置及びスラグ層厚さ並びに酸素分圧を、自動的に求めて表示或は出力することもできる。即ち、この演算部が、総起電力及びバイアス起電力測定部１５からの出力信号を受信して記憶するとともに、これらの信号の監視を行なう。そして、上述したような方法で溶鋼層とスラグ層との境界面６、及びスラグ層と大気層との境界面７の検知時点を検知することにより、それらの検知時点の前後に受信した、溶鋼層３、スラグ層４、及び、大気層５における総起電力とバイアス起電力を、記憶した受信信号の中から取り出して、演算により各層の酸素分圧を求めて表示、或は出力する。同時に、上記の検知時点における基準位置と酸素プローブ９の位置との間の垂直距離を、記憶した受信信号の中から取り出して、この中から溶鋼層表面位置を表示、或は出力するとともに、スラグ層厚さを演算により求めて表示、或は出力する。あるいは、この演算部に制御部を追加することにより、上記の機能のほか、サブランス移動制御部１２に対して、サブランス８の移動、停止等を指示する機能を持たせるようにしてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１または４記載の発明によれば、従来、酸素プローブに、標準電極と固体電解質とでなるセンサと一体化して設けられていた測定用電極の有する役割を、溶鋼が収容される容器に負わせることによって、上述したように、溶鋼層やスラグ層等の酸素分圧を測定する手段を用いて、溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さを測定することができる。また、溶鋼層においては、総起電力が速やかに２〜３秒で安定するとともに、一定の値を保持しているので、安定した測定を行なうことができ、測定の精度を高めることができるとともに、ひいては、製鋼の品質を高めることができる。また、酸素プローブを、溶鋼層中に浸漬させる時間を３〜４秒に短縮することができ、従来５〜８秒かかった測定時間を短縮することができるとともに、溶鋼層中に浸漬させる時間が短くなるので、サブランスへの溶鋼やスラグ等の付着を少なくでき、また、酸素プローブに用いられている部材の厚みを薄くすることができるので、酸素プローブのコストを削減することができる。
【００２９】
請求項２または５記載の発明によれば、溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さの測定のみならず、溶鋼層やスラグ層等の酸素分圧を測定することができる。
【００３０】
請求項３または６記載の発明によれば、溶鋼層やスラグ層等の酸素分圧の測定において、総起電力に代えて、総起電力からバイアス起電力を減じた修正起電力を用いるので、精度の高い測定をすることができる。
【００３１】
請求項７記載の発明の酸素プローブを用いることにより、上述した各発明が有するのと同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の測定装置の構成例を模式的に示した説明図である。
【図２】本発明の測定装置の構成例に用いられる酸素プローブの構造を示した図で、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその側面図である。
【図３】本発明の測定装置の構成例を用いた実験結果を示したグラフである。
【図４】従来例の酸素プローブの構造を示した図である。
【図５】従来例の酸素プローブを用いた実験結果を示したグラフである。
【符号の説明】
１ 転炉
２ アース
３ 溶鋼層
４ スラグ層
５ 大気層
６ 溶鋼層とスラグ層との境界面
７ スラグ層と大気層との境界面
８ サブランス
９ 酸素プローブ
１０ サブランス移動機構
１１ ロータリーエンコーダ
１２ サブランス移動制御部
１３ サブランス移動距離測定部
１４ 温度測定部
１５ 総起電力及びバイアス起電力測定部
１９ 酸素センサ
２０ 温度センサ
２１ 固体電解質
２２ 標準電極
２３ 充填材
２４ 標準電極リード線
２５ 補正電極
２６ ハウジング
２７ コネクタ部
２８ 補正電極リード線
２９ Ｕ字管
３０ 熱電対素線
３１ 熱電対リード線
３２ 耐熱セメント
３３ コーティング
３４ キャップ
３５ 紙キャップ
４０ 酸素プローブ
４１ 固体電解質
４２ 標準電極
４３ 充填材
４４ 標準電極リード線
４５ 測定用電極
４６ ハウジング
４７ コネクタ部
４８ 測定用電極リード線
５０ 熱電対
５１ 熱電対リード線
５２ 耐熱セメント
５３ コーティング
５４ キャップ
５５ 紙キャップ
【発明の属する技術分野】
この発明は、転炉内の溶鋼に酸素を吹き付ける吹錬工程において、溶鋼層表面位置または溶鋼層表面に浮遊するスラグ層の厚さ或はその双方の測定方法、その測定装置及びそれに用いられるプローブに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
製鋼プロセスにおいては、高炉から出た銑鉄に含まれる炭素、燐、珪素等の不純物を除去する精錬工程に、転炉が広く使われている。この精錬工程は、転炉内に、溶融している銑鉄と一緒にスクラップや石灰等を入れて、酸素を高速で吹き付ける工程であり、吹錬工程と呼ばれている。この吹錬工程では、溶鋼中の不純物が酸素と結合して熱を発して燃え、溶鋼中から除去されるとともに、溶鋼層表面には浮遊するスラグ層が形成されるが、このスラグ層は、溶鋼が空気と直接接触するのを防ぐという重要な役割を果たしている。この吹錬工程を制御するためには、吹き付ける酸素の量等を制御する必要があり、このため、溶鋼層やスラグ層の酸素分圧とともに、溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さを知ることが重要である。
【０００３】
上記の溶鋼層やスラグ層の酸素分圧を測定するには、一般に、酸素濃淡電池の原理を応用した酸素センサが用いられており、例えば、スラグ層の酸素分圧については、特許文献１に記載された方法等が提案されている。この特許文献１に記載された方法や従来の一般的な方法では、酸素イオン伝導性を有する固体電解質及びその内部に充填された標準電極でなるセンサと、導電性を有する測定用電極（特許文献１における対照電極）とで構成される酸素プローブを溶鋼層等に浸漬させて、標準電極と測定用電極との間に生じる起電力を測定することにより、酸素分圧を測定している。
【０００４】
また、溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さを知る方法としては、特願２００１−１５７９５９明細書に記載された方法等が提案されている。また、この他、溶鋼、スラグ、及び大気のインピーダンスの差異を測定することによりスラグ層の厚さ等を求める方法や、電磁コイルの誘導電圧が溶鋼、スラグ、及び大気でそれぞれ異なることを利用してスラグ層の厚さ等を求める方法等が知られている。
【０００５】
上述したように、吹錬工程を制御するためには、溶鋼層やスラグ層の酸素分圧の測定と溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さの測定とを同時に行なう必要があるが、上記の溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さを知る方法は、溶鋼層やスラグ層の酸素分圧を測定する方法とは全く異なる原理を用いた方法であることから、溶鋼層やスラグ層の酸素分圧の測定と溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さの測定とを同時に行なうためには、酸素分圧の測定のための装置と、溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さの測定のための装置とを併用しなければならない。そこで、従来は、この２つの装置を併用する方法が用いられていた。
【０００６】
しかしながら、溶鋼層やスラグ層の酸素分圧を測定する手段を用いて溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さを測定することができれば、経済的、且つ、効率的に測定を行なうことができる。このためには、溶鋼層やスラグ層の酸素分圧を測定する手段を用いて、少なくとも溶鋼層とスラグ層との境界面を検知する必要がある。そこで、試みに、従来、一般的に用いられている酸素プローブとして、酸素イオン伝導性を有する固体電解質及びその内部に充填された標準電極とでなるセンサと、導電性を有する測定用電極とを同一プローブに設けて構成した、図４に示す酸素プローブ４０を用いて、溶鋼層とスラグ層との境界面を検知することが可能か否かを見るための実験を行なった。尚、図４において、４１は固体電解質、４２は標準電極、４３は充填材、４４は標準電極リード線、４５は測定用電極、４６はハウジング、４７はコネクタ部、４８は測定用電極リード線、５０は熱電対、５１は熱電対リード線、５２は耐熱セメント、５３はコーティング、５４はキャップ、そして５５は紙キャップである。この実験は、サブランスに取り付けた上記の酸素プローブ４０を転炉に収容された溶鋼層に８秒間浸漬した後、この溶鋼層からこの溶鋼層表面に浮遊するスラグ層の上層である大気層へ引き上げ、その際の、酸素プローブ４０の位置、及び、標準電極４２と測定用電極４５との間に生じる起電力を測定したものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２１４１２７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図５は、上記の実験の結果を示したグラフであり、標準電極−測定用電極間の起電力と、酸素プローブの位置を示しており、横軸は時間（秒）である。図５では、Ｃ点が溶鋼層とスラグ層との境界面の位置であるが、Ｃ点の前後における標準電極−測定用電極間の起電力のカーブには大きな変化はなく、この起電力のカーブから溶鋼層とスラグ層との境界を検知することは困難であることがわかる。しかしながら、上述したように、溶鋼層やスラグ層の酸素分圧を測定する手段を用いて溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さを測定することができれば、大きなメリットがある。そこでこの発明は、溶鋼層やスラグ層の酸素分圧を測定する手段を用いて溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さを測定するという課題を解決するためになされたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、溶鋼が収容される転炉等の容器が導電性を帯びていることに注目して、従来、酸素プローブに、標準電極と固体電解質とでなるセンサと一体化して設けられていた測定用電極の有する役割を、溶鋼が収容される容器である転炉等の側壁に負わせることによって、上記の課題を解決した。即ち、本発明者は、溶鋼層とその表面に浮遊するスラグ層との境界面、及び、スラグ層とスラグ層の上層である大気層との境界面の各前後で、上記センサの標準電極と、転炉に接続したアースとの間に生じる起電力が、大きく変化することを見出した。本発明は、この点に注目してなされたものである。
【００１０】
まず、本発明の溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定方法について説明する。この測定方法は、下端が閉じた筒状で酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、その固体電解質の内部に充填された標準電極とでなる酸素センサを、導電性を帯びた容器に収容した溶鋼層に一定時間浸漬した後、この溶鋼層からこの溶鋼層表面に浮遊するスラグ層の上層である大気層へ移動させ、前記浸漬及び前記移動の間連続して、基準位置から前記酸素センサの位置までの垂直距離を測定すると同時に、その時点における前記標準電極と前記容器に接続したアースとの間に生じる総起電力を測定して、前記垂直距離と前記総起電力との関係から、前記溶鋼層表面の位置、または、前記スラグ層の厚さ、或は、その双方を求めてなることを特徴としている。
【００１１】
上記の溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定方法において、前記酸素センサと一体的に移動する温度センサを用いて、前記酸素センサが晒されまたは浸っている前記各層の温度を測定するとともに、その層における前記総起電力と前記温度とを用いて、その層の酸素分圧を求めることができる。
また、この方法において、前記酸素センサの近傍に配設された補正電極を用いて、前記アースとの間に生じるバイアス起電力を測定するとともに、前記総起電力に代えて、前記総起電力から前記バイアス起電力を減じた修正起電力を用いて、前記酸素分圧を求めることが推奨される。
【００１２】
次に、本発明の溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定装置について説明する。この測定装置は、表面にスラグ層が浮遊する溶鋼層を収容した導電性を帯びた容器と、下端が閉じた筒状で酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、その固体電解質の内部に充填された標準電極とでなる酸素センサと、前記酸素センサを前記溶鋼層に一定時間浸漬した後、この溶鋼層からこの溶鋼層表面に浮遊するスラグ層の上層である大気層へ移動する酸素センサ移動手段と、前記浸漬及び前記移動の間連続して、基準位置から前記酸素センサの位置までの垂直距離を測定する酸素センサ位置測定手段と、前記垂直距離の測定と同時に、その時点における、前記標準電極と前記容器に接続したアースとの間に生じる総起電力を測定する総起電力測定手段と、でなるとともに、前記酸素センサ位置測定手段が測定した前記垂直距離と前記総起電力測定手段が測定した前記総起電力との関係から、前記溶鋼層表面の位置、または、前記スラグ層の厚さ、或は、その双方を求めてなることを特徴としている。
【００１３】
上記の溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定装置において、前記酸素センサと一体的に移動するとともに、前記酸素センサが晒されまたは浸っている前記各層の温度を測定する温度センサを用いた温度測定手段を備えるとともに、その層における前記総起電力と前記温度とを用いて、その層の酸素分圧を求めることができる。
また、この装置において、前記酸素センサの近傍に設けられた補正電極と、この補正電極と前記アースとの間に生じるバイアス起電力を測定するバイアス起電力測定手段と、を備えるとともに、前記総起電力に代えて、前記総起電力から前記バイアス起電力を減じた修正起電力を用いて、前記酸素分圧を求めることが推奨される。
【００１４】
次に、上記の溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定方法、またはその装置に用いられるプローブについて説明する。このプローブは、下端が閉じた筒状で酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、その固体電解質の内部に充填された標準電極とでなる酸素センサと、この酸素センサの近傍に設けられた補正電極と、前記酸素センサが晒されまたは浸る部分の周辺の温度を測定するように、前記酸素センサの近傍に配設された温度センサと、でなる酸素プローブであって、導電性を帯びた容器に収容した溶鋼層に一定時間浸漬した後、この溶鋼層からこの溶鋼層表面に浮遊するスラグ層の上層である大気層へ移動させ、前記浸漬及び前記移動の間連続して、基準位置から前記酸素センサの位置までの垂直距離を求めると同時に、その時点の前記標準電極と前記容器に接続したアースとの間に生じる総起電力を測定し、且つ、前記補正電極と前記アースとの間に生じるバイアス起電力を測定し、前記垂直距離と前記総起電力との関係から、前記溶鋼層表面の位置、または、前記スラグ層の厚さ、或は、その双方を求めるとともに、前記各層における、前記総起電力から前記バイアス起電力を減じた修正起電力と前記温度とを用いて、前記各層の酸素分圧を求めてなることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態につき、図面に基づき詳しく説明する。図１は、本発明の溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定装置を、具体的に構成する場合の構成例を模式的に示した説明図である。図１において、１は転炉、２はアース、３は溶鋼層、４はスラグ層、５は大気層、６は溶鋼層とスラグ層との境界面、７はスラグ層と大気層との境界面、８はサブランス、９は酸素プローブ、１０はサブランス移動機構、１１はロータリーエンコーダ、１２はサブランス移動制御部、１３はサブランス移動距離測定部、１４は温度測定部、そして１５は総起電力及びバイアス起電力測定部である。また、図２は、酸素プローブ９の詳細を示しており、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。図２（ａ）、（ｂ）において、２１は固体電解質、２２は標準電極、２３は充填材、２４は標準電極リード線、２５は補正電極、２６はハウジング、２７はコネクタ部、２８は補正電極リード線、２９はＵ字管、３０は熱電対素線、３１は熱電対リード線、３２は耐熱セメント、３３はコーティング、３４はキャップ、そして３５は紙キャップである。上記の構成例では、溶鋼を収容する容器として転炉１を用いているが、取鍋を使用するようにしてもよい。
【００１６】
図１において、この構成例では、転炉１の上方に垂直に配設された棒状のサブランス８の先端に、酸素プローブ９を装着し、このサブランス８をサブランス移動機構１０により上下に移動させることにより、酸素プローブ９を転炉１に収容された溶鋼層３に浸漬するとともに、溶鋼層３の表面に浮遊するスラグ層４を通ってスラグ層４の上層である大気層５へ引き上げる操作を行なう。サブランス移動機構１０は、サーボモータやパルスモータ等を用いて構成され、サブランス移動制御部１２により制御される。また、サブランス移動機構１０には、サーボモータやパルスモータ等と連動したロータリーエンコーダ１１が付設されており、サブランス８の上下方向の移動距離を測定することができる。この測定により、予め設定した基準位置とサブランス８の先端に装着された酸素プローブ９との距離、即ち、酸素プローブ９の位置を求めることができる。
【００１７】
サブランス８の先端に装着される酸素プローブ９は、図２（ａ）、（ｂ）に示す構造をしている。即ち、ハウジング２６に、酸素センサ１９、補正電極２５、及び、温度センサ２０が設けられ、耐熱セメント３２で固定されている。酸素センサ１９は、下端が閉じた筒状の固体電解質２１と、その固体電解質２１の内部に充填されている標準電極２２とで構成され、標準電極２２は固体電解質２１の軸に沿って設けられた標準電極リード線２４に接続されている。固体電解質２１は、酸素イオン伝導性を有する物質を、所定量（数モル程度）固溶して部分安定化させた焼結体で形成されており、例えば、酸化ジルコニウム（ジルコニア）や酸化イットリウムを主体とし、必要に応じて、二酸化珪素、アルミナ、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化鉄等を付加した物質が用いられる。特に部分安定化したジルコニアは、優れた耐熱衝撃性を有すると共に酸素濃度に対する応答速度が早いことから、固体電解質２１として好ましい。標準電極２２は、酸素分圧が既知の物質で構成される。この物質としては、例えば、クロムと酸化クロム、モリブデンと酸化モリブデン、ニッケルと酸化ニッケルとの混合物等が用いられる。充填材２３は、混合物でなる標準電極２２を固体電解質２１の内部空間の下端に保持させるために用いられる。また、標準電極リード線２４には、耐熱性に優れたモリブデン（Ｍｏ）が用いられる。補正電極２５はリング状をしており、ハウジング２６に周設されているが、リング状とすることにより、単なる棒状とする場合に比べて、溶鋼との接触面積を広くでき、電気抵抗が小さくなって流れる電流が安定化するという利点がある。この補正電極２５には、標準電極リード線２４と同様、耐熱性に優れたモリブデン（Ｍｏ）を用いるのが望ましいが、安価で加工が容易な鉄（Ｆｅ）を用いるようにしてもよい。また、この補正電極２５には、補正電極リード線２８が接続されている。温度センサ２０は、Ｕ字管２９とその内部に挿入された熱電対素線３０とで構成され、Ｕ字管２９の頂点付近に２種類の熱電対素線３０の測温接点を有した感温部を備えている。この熱電対素線３０には、熱電対リード線３１が接続されている。
【００１８】
酸素プローブ９に設けられた酸素センサ１９、補正電極２５、及び、温度センサ２０に接続されている標準電極リード線２４、補正電極リード線２８、及び、熱電対リード線３１は、酸素プローブ９がサブランス８の先端に装着されると、コネクタ部２７を介してサブランス８内の配線に接続され、標準電極リード線２４、及び、補正電極リード線２８は、総起電力及びバイアス起電力測定部１５へ接続され、熱電対リード線３１は温度測定部１４へ接続される。また、溶鋼を収容する容器である転炉１は、トラニオンを介してアース２に接続されている。また、総起電力及びバイアス起電力測定部１５もアース２に接続されている。尚、キャップ３４及び紙キャップ３５は、酸素センサ１９や温度センサ２０を保護するためのものであり、酸素プローブ９を転炉１に収容された高温の溶鋼に浸漬した際には、溶融消失することで、酸素センサ１９や温度センサ２０が露出するようになっている。
【００１９】
次に、上記の溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定装置を用いて、溶鋼層表面位置、スラグ層厚さ、溶鋼層における酸素分圧、及びスラグ層における酸素分圧を求めるために必要な要素の測定の方法について説明する。先ず、サブランス移動機構１０によりサブランス８を下方へ移動させて、サブランス８の先端に装着した酸素プローブ９を、スラグ層４中に貫通させて溶鋼層３中に浸漬させ、溶鋼層３の所定深さ位置に数秒間停止させる。その後、サブランス移動機構１０によりサブランス８を上方へ移動させ、酸素プローブ９を、溶鋼層３の表面に浮遊するスラグ層４を通ってスラグ層４の上層である大気層５へ引き上げる。この間連続して、予め設定した基準位置と酸素プローブ９の位置との間の垂直距離を、上述したようにサブランス移動距離測定部１３で測定する。これと同時に、総起電力及びバイアス起電力測定部１５で、その時点における標準電極２２と転炉１に接続したアース２との間に生じる総起電力、及び、補正電極２５とアース２との間に生じるバイアス起電力を測定するとともに、温度センサ２０と温度測定部１４とを用いて、酸素センサ１９が浸っているか、または、晒されている部分の周辺の温度、即ち、溶鋼層３、スラグ層４、または、大気層５の温度を測定する。
【００２０】
標準電極２２と転炉１に接続したアース２との間に起電力が生じるのは、一般的な酸素センサにおける起電力の発生と、同じ原理に基づくものと考えられる。即ち、溶鋼中に浸漬した酸素センサでは、例えば、固体電解質にジルコニア（ＺｒＯ２）と酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いた場合の標準電極と測定電極との間に、次の電池式で表される濃淡電池が形成される。
Ｍｏ１／Ｐｏ１／ＺｒＯ２＋ＭｇＯ／Ｐｏ２／Ｍｏ２ （１）
ここで、Ｍｏ１は標準電極に接続されたモリブデン（Ｍｏ）製のリード線、Ｐｏ１は標準電極を構成する物質の酸素分圧、Ｐｏ２は溶鋼中の酸素分圧、そして、Ｍｏ２はモリブデン（Ｍｏ）製の測定電極である。また、上述したように、標準電極を構成する物質の酸素分圧は既知である。上記の構成例では、溶鋼と接している容器である転炉１の側壁が、測定電極に相当することになる。
【００２１】
上記（１）式の濃淡電池では、Ｍｏ１とＭｏ２との間、即ち、標準電極と測定電極との間に、次の式で表される起電力Ｅが発生することが知られている。
Ｅ＝（Ｒ・Ｔ）／（４Ｆ） ｌｎ（Ｐｏ２ ／Ｐｏ１ ） （２）
ここで、Ｒはガス定数、Ｔは溶鋼の温度（絶対温度）、Ｆはファラディ定数、Ｐｏ１は標準電極を構成する物質の酸素分圧、そして、Ｐｏ２は溶鋼中の酸素分圧である。標準電極を構成する物質の酸素分圧Ｐｏ１は既知であるから、上記（２）式によれば、起電力Ｅと温度Ｔを測定することにより、溶鋼中の酸素分圧Ｐｏ２を求めることができる。上記の構成例では、標準電極２２と転炉１に接続したアース２との間に上記の起電力Ｅが発生することになるが、この起電力Ｅをここでは総起電力と称している。
【００２２】
但し、上記の構成例による場合、その発生のメカニズムは解明されていないものの、酸素プローブ９が浸漬された位置の付近の溶鋼と、溶鋼が接している容器である転炉１に接続されたアース２との間にバイアス起電力が発生するので、より正確な酸素分圧の測定には、上記の総起電力に代えて、この総起電力からバイアス起電力を減じた修正起電力を用いることが推奨される。ちなみに、上記の構成例では、バイアス起電力は、温度が１６００℃で−２４ｍＶであった。また、補正電極２５として鉄（Ｆｅ）を用いる場合は、モリブデン（Ｍｏ）製の標準電極リード線２４との間に熱起電力を生じるため、この観点からも、上記の総起電力に代えて、総起電力からバイアス起電力を減じた修正起電力を用いることが推奨される。
【００２３】
上述したように、上記の構成例の装置を用いて、溶鋼層３やスラグ層４等における酸素分圧を求めることができる。しかし、上記の構成例の装置を用いて溶鋼層表面位置やスラグ層厚さを求めるためには、溶鋼層とスラグ層との境界面６、及びスラグ層と大気層との境界面７を検知する必要がある。そこで、これらの検知が可能か否かを見るために、次の実験を行なった。即ち、上述の測定方法を説明した所で述べた、基準位置と酸素プローブ９の位置との間の垂直距離と、標準電極２２とアース２との間の総起電力、及び、酸素センサ１９が浸っているか、または、晒されている部分の温度を測定して、これらのグラフを描くとともに、溶鋼層とスラグ層との境界面６、及び、スラグ層と大気層との境界面７の位置を、目視により確認して、上記のグラフ上に記入した。この実験では、酸素プローブ９を、溶鋼層３中に浸漬させ、溶鋼層３の所定深さ位置に約８秒間停止させた後、酸素プローブ９を大気層５へ引き上げている。また、この実験では、補正電極としては、酸素プローブ９に備えられている補正電極２５に代えて、酸素プローブ９の近傍に配設した、モリブデン（Ｍｏ）製の直径３ｍｍの棒状の電極を用いている。
【００２４】
図３は、上記の実験の結果を示したグラフである。図３のグラフにおいて、横軸は時間（秒）である。また、Ａ点が溶鋼層とスラグ層との境界面の位置であり、Ｂ点がスラグ層と大気層との境界面の位置である。図３のグラフからわかるとおり、いずれの点においてもその前後で、総起電力が大きく変化しており、この大きな変化を捉えることで、溶鋼層とスラグ層との境界面６、及びスラグ層と大気層との境界面７を検知することが可能であることがわかる。即ち、総起電力が安定した後急激に立ち上がる時点の酸素プローブの位置（Ａ点）が溶鋼層とスラグ層との境界面６の位置であり、総起電力がピークに達した後急激に立ち下がる時点の酸素プローブの位置（Ｂ点）がスラグ層と大気層との境界面７の位置である。従って、基準位置と酸素プローブ９の位置との間の垂直距離、および、標準電極２２とアース２との間に生じる総起電力を測定することにより、溶鋼層とスラグ層との境界面６、及びスラグ層と大気層との境界面７の位置を求めることができ、また、溶鋼層とスラグ層との境界面６の位置と、スラグ層と大気層との境界面７の位置との差から、スラグ層４の厚さを求めることができる。即ち、上記の構成例の装置によれば、溶鋼層表面位置及びスラグ層厚さを求めることができる。
【００２５】
また、図３からは、酸素プローブ９が溶鋼層３及び、スラグ層４に浸っているときの、総起電力と温度がわかり、上記のバイアス起電力を用いて修正起電力を求めることにより、溶鋼層３及びスラグ層４における酸素分圧を求めることができる。また、図３からは、大気層５における総起電力と温度を読み取ることができるので、理論的解明はなされていないものの、上記と同様にして大気層５における酸素分圧を求めることができると考えられる。
また、溶鋼の酸素分圧と、スラグ層の酸素分圧との差から、スラグの塩基度や導電度等のスラグの特性を知ることもできる。
【００２６】
また、溶鋼層３においては、総起電力が速やかに２〜３秒で安定するとともに、一定の値を保持している。従って、この方法によれば、安定した測定を行なうことができるので、測定の精度を高めることができ、ひいては、製鋼の品質を高めることができる。
また、上記の方法によれば、酸素プローブ９を、溶鋼層３中に浸漬させる時間を３〜４秒に短縮することができ、従来５〜８秒かかった測定時間を短縮することができる。また、溶鋼層３中に浸漬させる時間が短くなるので、サブランスへの溶鋼やスラグ等の付着を少なくできるとともに、酸素プローブ９の耐久時間を短くすることができるので、酸素プローブ９に用いられている部材の厚みを薄くすることができ、酸素プローブ９のコストを削減することができる。
【００２７】
上記の構成において、コンピュータを用いた演算部を設けて、サブランス移動距離測定部１３や温度測定部１４と、総起電力及びバイアス起電力測定部１５からの出力信号をこの演算部が受信することにより、溶鋼層表面位置及びスラグ層厚さ並びに酸素分圧を、自動的に求めて表示或は出力することもできる。即ち、この演算部が、総起電力及びバイアス起電力測定部１５からの出力信号を受信して記憶するとともに、これらの信号の監視を行なう。そして、上述したような方法で溶鋼層とスラグ層との境界面６、及びスラグ層と大気層との境界面７の検知時点を検知することにより、それらの検知時点の前後に受信した、溶鋼層３、スラグ層４、及び、大気層５における総起電力とバイアス起電力を、記憶した受信信号の中から取り出して、演算により各層の酸素分圧を求めて表示、或は出力する。同時に、上記の検知時点における基準位置と酸素プローブ９の位置との間の垂直距離を、記憶した受信信号の中から取り出して、この中から溶鋼層表面位置を表示、或は出力するとともに、スラグ層厚さを演算により求めて表示、或は出力する。あるいは、この演算部に制御部を追加することにより、上記の機能のほか、サブランス移動制御部１２に対して、サブランス８の移動、停止等を指示する機能を持たせるようにしてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１または４記載の発明によれば、従来、酸素プローブに、標準電極と固体電解質とでなるセンサと一体化して設けられていた測定用電極の有する役割を、溶鋼が収容される容器に負わせることによって、上述したように、溶鋼層やスラグ層等の酸素分圧を測定する手段を用いて、溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さを測定することができる。また、溶鋼層においては、総起電力が速やかに２〜３秒で安定するとともに、一定の値を保持しているので、安定した測定を行なうことができ、測定の精度を高めることができるとともに、ひいては、製鋼の品質を高めることができる。また、酸素プローブを、溶鋼層中に浸漬させる時間を３〜４秒に短縮することができ、従来５〜８秒かかった測定時間を短縮することができるとともに、溶鋼層中に浸漬させる時間が短くなるので、サブランスへの溶鋼やスラグ等の付着を少なくでき、また、酸素プローブに用いられている部材の厚みを薄くすることができるので、酸素プローブのコストを削減することができる。
【００２９】
請求項２または５記載の発明によれば、溶鋼層表面位置やスラグ層の厚さの測定のみならず、溶鋼層やスラグ層等の酸素分圧を測定することができる。
【００３０】
請求項３または６記載の発明によれば、溶鋼層やスラグ層等の酸素分圧の測定において、総起電力に代えて、総起電力からバイアス起電力を減じた修正起電力を用いるので、精度の高い測定をすることができる。
【００３１】
請求項７記載の発明の酸素プローブを用いることにより、上述した各発明が有するのと同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の測定装置の構成例を模式的に示した説明図である。
【図２】本発明の測定装置の構成例に用いられる酸素プローブの構造を示した図で、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその側面図である。
【図３】本発明の測定装置の構成例を用いた実験結果を示したグラフである。
【図４】従来例の酸素プローブの構造を示した図である。
【図５】従来例の酸素プローブを用いた実験結果を示したグラフである。
【符号の説明】
１ 転炉
２ アース
３ 溶鋼層
４ スラグ層
５ 大気層
６ 溶鋼層とスラグ層との境界面
７ スラグ層と大気層との境界面
８ サブランス
９ 酸素プローブ
１０ サブランス移動機構
１１ ロータリーエンコーダ
１２ サブランス移動制御部
１３ サブランス移動距離測定部
１４ 温度測定部
１５ 総起電力及びバイアス起電力測定部
１９ 酸素センサ
２０ 温度センサ
２１ 固体電解質
２２ 標準電極
２３ 充填材
２４ 標準電極リード線
２５ 補正電極
２６ ハウジング
２７ コネクタ部
２８ 補正電極リード線
２９ Ｕ字管
３０ 熱電対素線
３１ 熱電対リード線
３２ 耐熱セメント
３３ コーティング
３４ キャップ
３５ 紙キャップ
４０ 酸素プローブ
４１ 固体電解質
４２ 標準電極
４３ 充填材
４４ 標準電極リード線
４５ 測定用電極
４６ ハウジング
４７ コネクタ部
４８ 測定用電極リード線
５０ 熱電対
５１ 熱電対リード線
５２ 耐熱セメント
５３ コーティング
５４ キャップ
５５ 紙キャップ
Claims (7)
- 下端が閉じた筒状で酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、その固体電解質の内部に充填された標準電極とでなる酸素センサを、導電性を帯びた容器に収容した溶鋼層に一定時間浸漬した後、この溶鋼層からこの溶鋼層表面に浮遊するスラグ層の上層である大気層へ移動させ、前記浸漬及び前記移動の間連続して、基準位置から前記酸素センサの位置までの垂直距離を測定すると同時に、その時点における前記標準電極と前記容器に接続したアースとの間に生じる総起電力を測定して、前記垂直距離と前記総起電力との関係から、前記溶鋼層表面の位置、または、前記スラグ層の厚さ、或は、その双方を求めてなることを特徴とする溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定方法。
- 前記酸素センサと一体的に移動する温度センサを用いて、前記酸素センサが晒されまたは浸っている前記各層の温度を測定するとともに、その層における前記総起電力と前記温度とを用いて、その層の酸素分圧を求めてなる請求項１記載の溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定方法。
- 前記酸素センサの近傍に配設された補正電極を用いて、前記アースとの間に生じるバイアス起電力を測定するとともに、前記総起電力に代えて、前記総起電力から前記バイアス起電力を減じた修正起電力を用いて、前記酸素分圧を求めてなる請求項２記載の溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定方法。
- 表面にスラグ層が浮遊する溶鋼層を収容した導電性を帯びた容器と、
下端が閉じた筒状で酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、その固体電解質の内部に充填された標準電極とでなる酸素センサと、
前記酸素センサを前記溶鋼層に一定時間浸漬した後、この溶鋼層からこの溶鋼層表面に浮遊するスラグ層の上層である大気層へ移動する酸素センサ移動手段と、
前記浸漬及び前記移動の間連続して、基準位置から前記酸素センサの位置までの垂直距離を測定する酸素センサ位置測定手段と、
前記垂直距離の測定と同時に、その時点における、前記標準電極と前記容器に接続したアースとの間に生じる総起電力を測定する総起電力測定手段と、でなるとともに、
前記酸素センサ位置測定手段が測定した前記垂直距離と前記総起電力測定手段が測定した前記総起電力との関係から、前記溶鋼層表面の位置、または、前記スラグ層の厚さ、或は、その双方を求めてなることを特徴とする溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定装置。 - 前記酸素センサと一体的に移動するとともに、前記酸素センサが晒されまたは浸っている前記各層の温度を測定する温度センサを用いた温度測定手段を備えるとともに、
その層における前記総起電力と前記温度とを用いて、その層の酸素分圧を求めてなる請求項４記載の溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定装置。 - 前記酸素センサの近傍に設けられた補正電極と、
この補正電極と前記アースとの間に生じるバイアス起電力を測定するバイアス起電力測定手段と、を備えるとともに、
前記総起電力に代えて、前記総起電力から前記バイアス起電力を減じた修正起電力を用いて、前記酸素分圧を求めてなる請求項５記載の溶鋼層表面位置またはスラグ層厚さ或はその双方測定装置。 - 下端が閉じた筒状で酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、その固体電解質の内部に充填された標準電極とでなる酸素センサと、
この酸素センサの近傍に設けられた補正電極と、
前記酸素センサが晒されまたは浸る部分の周辺の温度を測定するように、前記酸素センサの近傍に配設された温度センサと、でなる酸素プローブであって、
導電性を帯びた容器に収容した溶鋼層に一定時間浸漬した後、この溶鋼層からこの溶鋼層表面に浮遊するスラグ層の上層である大気層へ移動させ、前記浸漬及び前記移動の間連続して、基準位置から前記酸素センサの位置までの垂直距離を求めると同時に、その時点の前記標準電極と前記容器に接続したアースとの間に生じる総起電力を測定し、且つ、前記補正電極と前記アースとの間に生じるバイアス起電力を測定し、前記垂直距離と前記総起電力との関係から、前記溶鋼層表面の位置、または、前記スラグ層の厚さ、或は、その双方を求めるとともに、前記各層における、前記総起電力から前記バイアス起電力を減じた修正起電力と前記温度とを用いて、前記各層の酸素分圧を求めてなることを特徴とする酸素プローブ。
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