JP2006266792A - 溶融金属の発光分光分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄鋼材料の精錬で重要な元素であるＣ、Ｐ、Ｓが正確に分析できる装置を安価に提供する。
【解決手段】レーザ発振器５からのレーザを表面に照射して溶融金属２を励起させる。この励起で生じた光を集光レンズ８で受光し、分光分析する装置であり、分光器１１と光検出器１２を集光レンズ８の近くに配置し、集光レンズ８と分光器１１を、長さ３ｍの紫外光伝送用光ファイバ１０で接続する。計算機１４を光検出器１２から２０ｍ程度離れた位置に配置し、計算機１４と光検出器１２との間を通信線１３で接続する。計算機１４は、光検出器１２で検出された光強度データに基づいて、溶融金属２に含まれる元素の分析値を算出する。
【選択図】図１

Description

この発明は、溶融金属の発光分光分析装置、すなわち、溶融金属を励起させて生じた光を受光し、受光された光を分光し、分光された各波長の光強度を検出し、検出された光強度データに基づいて、溶融金属に含まれる元素の分析を行うように構成された装置に関する。

金属製造の精錬工程においては、精錬中の溶融金属の組成を把握するために、例えば、溶融金属の一部を採取して凝固させた固体試料を用いて、スパーク放電発光分光分析法や蛍光Ｘ線分析法などにより定量分析することが行われている。しかし、このような方法では、分析結果が得られるまでに時間がかかる、精錬中の一時点の情報しか得られないという問題がある。

近年、製品の品質管理に対する要求が益々厳しくなっていることと、高速精錬プロセスの操業管理という観点から、精錬中の溶融金属をライン上で直接、リアルタイムに分析できるようにすることが求められている。これが可能な方法として、励起源を用いて精錬中の溶融金属を励起して光を生じさせ、この光を分光分析する方法が提案されている。この方法における溶融金属の励起源としては、燃焼性ガス、化学炎、レーザ等が提案されている（下記の特許文献１〜３等を参照）。

また、この方法では、精錬中の溶融金属の近くに分光分析装置を設置すると、振動、粉塵、温度、湿度の影響で精度の良い分析ができないため、分光分析装置は溶融金属から離れた場所に設置する必要がある。そのため、特許文献１〜３の装置は、溶融金属の近くで受光した光を、分光分析装置の設置場所まで光ファイバ等により伝送するように構成されている。

例えば、特許文献３の発光分光分析装置では、溶融金属の入った容器の上部に下端が開口された縦長の円筒管を配置し、この円筒管の頂部中心に光ファイバの一端を接続して、この光ファイバの他端を、円筒管から離れた場所に配置された分光器に接続している。この円筒管内には、また、レーザを溶融金属の表面に照射するための光学系が配置されている。

一方、鉄鋼材料の精錬において重要な元素であるＣ（炭素）、Ｐ（リン）、Ｓ（珪素）の発光スペクトルは、それぞれ波長１９３．０ｎｍ、１７７．５ｎｍ、１８０．７ｎｍに特性ピーク（共存元素の発光線の影響が少なく、発光強度が高いため、検出し易い発光線）があるが、このような紫外領域の光を、通常の光ファイバで長距離伝送することは困難である。
そのため、精錬中の溶融金属をライン上で直接、リアルタイムに分析する発光分光分析装置では、溶融金属の近くで受光した光を、紫外領域の光を含めて十分に（分析可能な量だけ）分光器に入射できるようにすることが課題となっている。

この課題を解決することを目的として、特許文献３には、前記円筒管と分光器を接続する光ファイバとして、波長が１７０ｎｍ〜３３０ｎｍ（１７００Å〜３３００Å）までの範囲の光の減衰、吸収が少ない材質からなる光ファイバを使用することが開示されている。また、下記の特許文献４には、紫外光伝送用光ファイバが開示されているが、この光ファイバの紫外光透過率は、例えば、Ｃの特性ピークの波長１９３．０９ｎｍで、１ｍ当たり約５０％である。よって、この紫外光伝送用光ファイバは、波長１９３．０９ｎｍの紫外光を長距離伝送する用途には適していない。

また、下記の特許文献５には、溶融金属から生じた光の受光部の近くに、分光器と、分光器で得られたスペクトルの紫外光像を可視光像に変換する光変換器を設置し、この変換された可視光像を光ファイバで、光変換器から離れた場所に設置された光検出器まで伝送する方法が開示されている。
この方法では、光ファイバに入射された可視光像を変化させずに光検出器まで伝送するために、１０万本程度のコアを有する光ファイバーや極細（例えば、直径が１０〜５０μｍ程度) の光ファイバを多数束ねたバンドルファイバを使用する必要があるが、いずれも高価である。

特開昭６２−６７４３０号公報 特開昭５２−１５６５４５号公報 特開昭５７−１１９２４１号公報 特許第３３９３１２０号公報 特開昭５９−１４５９３２号公報

本発明の課題は、精錬中の溶融金属をライン上で直接、リアルタイムに分析できる発光分光分析装置において、非常に高価なバンドルファイバ等のイメージ伝送手段を使用しない方法で、溶融金属からの発光を、紫外領域の光を含めて十分に（分析可能な量だけ）分光器に入射できるようにして、鉄鋼材料の精錬で重要な元素であるＣ、Ｐ、Ｓが正確に分析できる装置を安価に提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、溶融金属を励起させて生じた光を、この光の近くで受光する受光部と、受光部で受光された光を分光する分光器と、分光器で分光された各波長の光強度を検出する光検出器と、光検出器で検出された光強度データに基づいて前記溶融金属に含まれる元素の分析値を算出する計算機と、を備えた溶融金属の発光分光分析装置において、前記受光部と分光器を紫外光の伝送が可能な所定長さの光ファイバで接続し、前記計算機を光検出器から所定距離だけ離れた位置に配置し、前記計算機と光検出器との間を通信手段で接続したことを特徴とする溶融金属の発光分光分析装置を提供する。

前記光検出器としてはマルチチャンネル検出器を使用することが好ましい。シングルチャンネル検出器を用いた場合は、複数元素の同時測定、あるいは発光ピークとその近傍のバックグラウンドとの同時測定のために、複数の検出器を設置する必要があり、これらの検出器同士が空間的に干渉しないように大型の分光器（例えば、体積１ｍ³ 程度）が必要となる。これに対し、マルチチャンネル検出器を用いた場合は、一つの検出器で複数波長の同時測定が可能であるため、体積が２０ｃｍ³ 程度の小型の分光器を使用できる。

本発明の発光分光分析装置の具体例として、溶融金属の入った容器の上部に、下端が開口された筒状体を、その下端面が溶融金属の液面より下側に位置するように配置し、前記筒状体内に、前記受光部、分光器、および光検出器を設置し、前記計算機は前記筒状体の外部に設置した構成が挙げられる。
本発明の発光分光分析装置によれば、受光部で受光された光を、紫外光の伝送が可能な所定長さの光ファイバで分光器まで伝送するため、非常に高価なバンドルファイバ等のイメージ伝送手段を使用しないで、溶融金属からの発光を、紫外領域の光を含めて十分に（分析可能な量だけ）分光器に入射することができる。

また、前記計算機を光検出器から所定距離だけ離れた位置に配置し、前記計算機と光検出器との間を通信手段で接続したことことにより、前記計算機を溶融金属から十分に離れた位置に配置しながら前記受光部と分光器との距離を短くできるため、前記光ファイバの長さを短くすることができる。
なお、紫外光の伝送が可能な光ファイバとしては、前記特許文献４に記載の「紫外光伝送用光ファイバ」が使用可能であるが、長さが長くなると紫外領域の光が減衰して、分析に必要な光量が分光器に入射されなくなる。よって、本発明では、使用する光ファイバの長さを、紫外領域の光が分析に必要な光量で分光器に入射される長さとする必要があり、この長さが、前記所定長さに相当する。そして、この所定長さは、例えば、伝送損失が２０ｄＢ以下となる長さである。

本発明の溶融金属の発光分光分析装置は、精錬中の溶融金属をライン上で直接、リアルタイムに分析でき、鉄鋼材料の精錬で重要な元素であるＣ、Ｐ、Ｓが正確に分析でき、特許文献５の装置よりも安価なものとなる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、この実施形態の発光分光分析装置を示す図である。
この発光分光分析装置は、容器１に入った溶融金属２にレーザを照射して溶融金属２を励起させ、これにより生じた光を分光して、溶融金属２中に含まれる元素を分析する装置である。溶融金属２の入った容器１の上部に、縦長の筒状体３が配置されている。この筒状体３は、下端が開口され、下端面が溶融金属２の液面より下側に位置するように配置されている。また、筒状体３の上端面は、照射するレーザの波長に対して透明な材料（硼珪酸ガラス等）からなる窓材（光学窓）４で塞がれている。

この発光分光分析装置は、レーザを容器１内の溶融金属２に照射するために、レーザ発振器５と、反射ミラー６と、集光レンズ７を備えている。集光レンズ７は、筒状体３内の所定位置（この集光レンズで、筒状体３の下端面近くにレーザが焦点を結ぶ位置）に配置されている。反射ミラー６は、筒状体３の外側上方に配置されている。レーザ発振器５は、筒状体３および容器１から２０ｍ程度離れた位置に配置されている。レーザ発振器５から筒状体３の上端面までのレーザの光路は筐体５４内に収められている。

筒状体３内には、また、集光レンズ７と並列でこれより少し下側の位置に、溶融金属２からの光を受ける集光レンズ（受光部）８が配置されている。また、筒状体３内の集光レンズ７と集光レンズ８の下側に、これらのレンズを保護するための合成石英板９が配置されている。
この集光レンズ８に紫外光の伝送が可能な光ファイバ１０が接続され、この光ファイバ１０は筒状体３内の上方に延びている。光ファイバ１０の上端には分光器１１が接続され、この分光器１１には光検出器１２が接続されている。分光器１１と光検出器１２は、筒状体３の上部に設けた拡径部３２内に設置されている。筒状体３には、また、この拡径部３２より上部にガス導入口３１が設けてある。

光検出器１２は、検出された光強度データがデジタルデータで出力されるマルチチャンネル検出器であり、その出力端子に接続した通信線１３が、筒状体３のガス導入口３１を通って筒状体３の外部に延びている。そして、この通信線１３の先端が、レーザ発振器５と同じ場所に設置された計算機１４に接続されている。
この発光分光分析装置を使用する際には、ガス導入口３１から筒状体３内に不活性ガスを導入し、レーザ発振器５、分光器１１、検出器１２、計算機１４を起動する。これにより、レーザ発振器５から出射されたレーザが、反射ミラー６で曲げられて筒状体３内に入り、集光レンズ７で集光されて筒状体３の下端面近くで焦点を結ぶ。なお、ガス導入口３１から入った不活性ガスは、筒状体３内を下側に進み、石英板９と筒状体３の内面との間を通って溶融金属２の液面に至り、レーザを照射する面をフレッシュな溶融金属面とする。

これに伴って、筒状体３の下端面近くの溶融金属２が励起されてプラズマＰが生じ、その光が、集光レンズ８で受光されて光ファイバ１０で分光器１１に伝送され、分光器１１で分光された各波長の光強度が光検出器１２で検出され、検出された光強度データがデジタル信号で通信線１３を通って計算機１４に入力される。計算機１４では、入力された光強度データから、予め求めておいた検量線データを基に、分析対象元素の分析値を算出する。

この実施形態の発光分光分析装置によれば、溶融金属２にレーザを照射して生じた光が、この光に含まれている紫外光も含めて、光ファイバ１０で分光器１１まで伝送され、筒状体３内で分光と光検出が行われるため、紫外領域のピークを使用する場合の分析の精度が向上する。また、光変換器等の非常に高価な装置が不要であるため、コストを低減できる。

なお、この実施形態では、レーザ発振器５から筒状体３の上端までのレーザの光路を、反射ミラー６を備えた光学系で構成し、筐体５４で囲っているが、これに代えて、光ファイバを用いてもよい。
また、この実施形態では、レーザ照射で溶融金属２を励起して発光させているが、燃焼性ガスや反応性ガスを吹き付けて溶融金属２を励起させてもよい。

図１の発光分光分析装置として、以下の構成のものを作製した。
図１のレーザ発振器５としては、波長１０６４ｎｍのＹＡＧパルスレーザを用い、集光レンズ７としては、焦点距離１０００ｍｍの反射防止膜付き硼珪酸ガラス製の平凸レンズを用いた。
光ファイバ１０としては、昭和電線電纜（株）の紫外光伝送用光ファイバで、コアの直径が６００μｍで、長さが３ｍのものを用いた。この光ファイバの紫外領域での透過特性を図２に示す。この図から、Ｃのピーク波長である１９３．０９ｎｍでの１ｍ当たりの透過率は約５０％であることが分かる。波長が１９３．０９ｎｍの場合の光ファイバの１ｍ当たりの伝送損失Ｋは、下記の（１）式で表される。この式から、この光ファイバの１ｍ当たりの伝送損失Ｋは６ｄＢ／ｍである。この実施例では、長さが３ｍの光ファイバを用いているため、この光ファイバによる伝送損失は１８ｄＢである。
Ｋ＝−２０×ｌｏｇ₁₀（Ｔ）‥‥（１）
（１）式中、Ｔは波長１９３．０９ｎｍでの１ｍ当たりの透過率〔％／ｍ〕を示す。

また、集光レンズ８として合成石英製のコリメータレンズを、光ファイバ１０の先端に接続した。
また、分光器１１としては、分光計器（株）のエシェル分光器を用い、光検出器１２としては、アンドールテクノロジーリミテッド製のＩＣＣＤ検出器を用いた。通信線１３としては、「イーサネット（登録商標）１００／１０ＢＡＳＥ−Ｔ」に対応するＵＴＰケーブルを用いた。計算機１４としては、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）対応のパソコンを用いた。

計算機１４には、予め求めておいた波長１９３．０９ｎｍのピーク（Ｃ）と波長１９５．７８ｎｍのピーク（Ｆｅ）の発光強度比（Ｃ／Ｆｅ）を、検量線データとして入力しておいた。計算機１４は、入力された光強度データから発光強度比（Ｃ／Ｆｅ）を算出し、この算出値と前記検量線データとに基づいて溶鋼中のＣ濃度を算出し、溶鋼中のＣ濃度と時間との関係を示すグラフが出力されるようにプログラムされている。なお、発光強度比（Ｃ／Ｆｅ）を使用することにより、溶融金属から生じる光の強度のバラツキや、計測系の集光効率の変化等の影響が軽減された分析値が得られる。

図３のグラフは、この発光分光分析装置を使用して、レーザ発振器５により６００パルスのレーザをＣ濃度２００massｐｐｍの溶融鋼に照射した時に、光検出器１２により検出された発光スペクトル（積算値）であり、Ｃの特性ピーク波長１９３．０９ｎｍとＦｅの特性ピーク波長１９５．７８ｎｍの近くのみを示す。「ａ」は、長さが３ｍの光ファイバ１０を用いた場合の発光スペクトルであり、「ｂ」は、光ファイバ１０を長さが１０ｍのものに替えた場合の発光スペクトルである。

このグラフから分かるように、光ファイバ１０の長さが３ｍの場合には、ＣとＦｅの両方の特性ピークが強いピークとして現れるが、長さが１０ｍの場合にはいずれのピークも確認できない。これは、長さが３ｍの光ファイバ１０の伝送損失が１８ｄＢであるのに対して、長さが１０ｍ光ファイバ１０の伝送損失は６０ｄＢとなり、分析するのに十分な量の紫外光が分光器１１に入射されなかったためである。
そのため、この実施例の発光分光分析装置では、光検出器１２の検出感度との兼ね合いから、光ファイバ１０による伝送損失を２０ｄＢ以下とすることが好ましく、前述の紫外光伝送用光ファイバを用いる場合には、長さを３．３ｍ以下にする。よって、この実施例では光ファイバ１０の長さを３ｍとした。

この実施例の発光分光分析装置を用いて、小型転炉での溶鋼中のＣ濃度を連続的に測定した。すなわち、レーザ発振器５を、エネルギー１００ｍＪ／パルス、周波数２０Ｈｚ（２０パルス／秒）の条件で起動して、溶融鋼（溶融金属）２にレーザパルスを照射するとともに、筒状体３内に不活性ガスとしてＡｒガスを導入し、分光器１１、検出器１２、および計算機１４を起動した。その結果、溶鋼中のＣ濃度と時間との関係を示すグラフが、計算機１４により出力された。このグラフを図４に示す。
以上のことから、この実施例の発光分光分析装置により、小型転炉での溶鋼中のＣ濃度を、ライン上で直接、リアルタイムに測定できることが分かる。

実施形態の発光分光分析装置を示す概略構成図である。 実施例で使用した紫外光伝送用光ファイバの、紫外領域での透過特性を示すグラフである。 実施例の発光分光分析装置を使用してＣ濃度２００massｐｐｍの溶融鋼にレーザ照射を行った時に、光検出器により検出された発光スペクトル（積算値）のうち、Ｃの特性ピーク波長１９３．０９ｎｍとＦｅの特性ピーク波長１９５．７８ｎｍの近くのみを示すグラフである。 実施例の発光分光分析装置で分析して得られた、溶鋼中のＣ濃度と時間との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 容器
２ 溶融金属
３ 筒状体
３１ ガス導入口
３２ 拡径部（分光器と光検出器の設置部）
４ 光学窓
５ レーザ発振器
５４ 筐体
６ 反射ミラー
７ 集光レンズ
８ 集光レンズ（受光部）
９ 合成石英板
１０ 光ファイバ
１１ 分光器
１２ 光検出器
１３ 通信線（通信手段）
１４ 計算機

Claims (3)

1. 溶融金属を励起させて生じた光を、この光の近くで受光する受光部と、受光部で受光された光を分光する分光器と、分光器で分光された各波長の光強度を検出する光検出器と、光検出器で検出された光強度データに基づいて前記溶融金属に含まれる元素の分析値を算出する計算機と、を備えた溶融金属の発光分光分析装置において、
   前記受光部と分光器を紫外光の伝送が可能な所定長さの光ファイバで接続し、前記計算機を光検出器から所定距離だけ離れた位置に配置し、前記計算機と光検出器との間を通信手段で接続したことを特徴とする溶融金属の発光分光分析装置。
2. 前記光検出器はマルチチャンネル検出器である請求項１記載の溶融金属の発光分光分析装置。
3. 溶融金属の入った容器の上部に、下端が開口された筒状体を、その下端面が溶融金属の液面より下側に位置するように配置し、前記筒状体内に、前記受光部、分光器、および光検出器を設置し、前記計算機は前記筒状体の外部に設置したことを特徴とする請求項１記載の溶融金属の発光分光分析装置。

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