JP2694595B2 - 溶融金属中のガス濃度決定方法 - Google Patents
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Description
め、あるいは溶融金属内に浸漬された測定ゾンデを備え
る測定領域を介して測定のために選択的に、少なくとも
一つの分析器に供給し得るキャリヤガスにより溶融金属
中のガスの濃度を決定するための方法に関する。後者の
際、キャリヤガスは溶融金属に関する測定のためガス置
換が行われ、この混合ガスが分析器に供給される。
4号から周知である。この刊行物には、溶融鋼中の水
素、窒素または酸素の濃度の測定について記述されてい
る。この測定においては、第1段階において、キャリヤ
ガス、例えばヘリウムまたはヘリウムと被測定ガスとの
混合ガスを含むガス源から、キャリヤガスが多路弁を介
して分析器中に導かれ、その際分析器が掃気され、較正
される。続いて、ガス源からのキャリヤガスは、溶融金
属中に存するゾンデ中に導かれ、そして、このゾンデ内
において、キャリヤガスは、溶融金属からゾンデ内に拡
散侵入する被測定ガスとのガス置換に移る。続いて、こ
の混合ガスは、多路弁を介して分析器に供給される。こ
の文献に記述される測定方法は、溶融金属とのガス置換
が分析器の較正後に初めて行われるという欠点を有す
る。被測定ガスも較正後直ちに使えない。何故ならば、
測定ゾンデを含む測定領域を通るガス行程は多数秒を要
し、その際最初に測定領域を貫流するガス量は測定のた
めに適当でないからである。これは、測定領域における
ガス置換も同様に長い時間を要し、その結果、最初に分
析器中を貫流するガス量は、被測定ガスの内容を表わさ
ないからである。この測定法にあっては、測定ゾンデは
溶融金属中に比較的長く存置せしめねばならない。この
場合、ゾンデは、早期に故障しないように、溶融金属に
対して非常に抵抗性があるように構成されねばならな
い。すなわち、通例、強度の強いコストの安い材料か非
常に高い材料を利用しなければならない。しかし、それ
により生成される大質量の測定ゾンデの場合でもなお、
溶融金属の温度の影響もより大であり、平衡関係も変わ
り、測定は不正確になる可能性がある。
のガスの濃度を迅速に、しかも非常に精確に決定するこ
とができる方法を提供することである。
方法に従うと、一つの測定サイクルに対して、1測定期
間(段階)において、キャリヤガスを、較正のため分析
器に直接的に供給し、同時に掃気および被測定ガスの採
取のため測定領域へ供給し、被測定ガスが分析器に用意
され、続いてキャリヤガスが測定領域を介して少なくと
も部分的に少なくとも一つの分析器に供給され、分圧
が、溶融金属のガス置換後の溶融金属内の被測定ガスの
分圧に対する一次(最初の)近似値として計算されるよ
うにすることによって解決される。かかる方法プロセス
中、分析器は較正され、その間同時に測定領域は掃気さ
れ、被測定ガスが溶融金属から採取され、その結果、較
正の終了後ただちに、不必要な遅滞なしに被測定ガスが
分析器において測定され得る。多数の分析器、すなわち
分析器に直接供給されるガスに対して一つ、測定領域を
貫流し、被測定ガスを含む混合ガスに対して一つを使用
することもできる。両分析器の結果はついで相互に比較
される。
(段階)を含むことができるが、測定の精度は実行され
る測定期間の数の増加とともに増大する。そのため、よ
り有利な方法として、測定サイクルの第2の測定期間に
おいて、計算された値が、キャリヤガスと該キャリヤガ
スに混合すべき被測定ガスと等しいガスとの混合ガスの
調節すべき分圧に対する目標値として利用され、そして
混合ガスは目標値に従って調整され、分析器において、
混合ガスの分圧の実際値が測定されるのであるが、その
際、同時に、この混合ガスが掃気および被測定ガスの採
取のため測定領域に供給され、ついで溶融金属とのガス
置換後の混合ガスの分圧が測定され、しかる後新しい近
似値が計算される。この測定段階中、測定の精度は高め
られる。被測定ガスに等しいガスのキャリヤガスへの添
加混合により、このキャリヤガスは初めから被測定ガス
の含有量を有する。しかして、この含有量は、溶融金属
とのガス置換の際ガスが達しようとする平衡濃度の近傍
にある。
を続けることによってさらに向上できる。すなわち、こ
の期間において、その都度少なくとも新しい近似値が、
キャリヤガスとこのキャリヤガスに混合すべき被測定ガ
スに等しいガスとの混合ガスの調節すべき分圧の目標値
として利用され、そしてこの混合ガスが目標値に応じて
調整され、分析器においてこの混合ガスの分圧の実際値
が測定されるが、その際、同時に、この混合ガスが掃気
および被測定ガスの採取のために測定領域に供給され、
ついで溶融金属とのガス置換後混合ガスの分圧が測定さ
れ、しかる後、さらに新しい近似値が計算される。
サイクルとして、下記のように、第1測定期間に分圧に
対する目標値を計算するのが目的に適っている。すなわ
ち、先行のサイクルから、下式
定ガスの分圧、 S1 =第1期間中分析器にキャリヤガスと一緒に直接供
給される被測定ガスに等しいガスの分圧の実際値、 X=溶融金属内の被測定ガスの分圧の被測定値、 である、第2の測定期間に対して調整すべき混合ガスに
対する目標値(M2 )の形成を下式、すなわち
(J+1) 番目の測定期間における分圧に対する目標値(M
j+1)が下式、すなわち
っている。ここで、iおよびjは、j番目の測定期間が
i+n番目の測定期間に対応するように測定期間に対す
る測定の数を表わし、i,jおよびnは0より大きい整
数である。これは、Mj+1の計算に当たって、値Sjおよび
Rjがすぐ前のj番目の期間から引き出され、同じく値Si
およびRiが任意の先行の測定期間から利用されることを
意味する。
度の後続の測定サイクルに対して、ある測定サイクルに
おいて後続の測定サイクルに対して計算される定数(B)
から溶融金属の硫黄含有量を導出し、それにより、同時
に溶融金属内に含まれる他の成分についての数値を得る
のが有利であろう。
測定サイクルに対して、第1の測定期間における分圧に
対する目標値を下記のように計算するのが目的に適って
いる。すなわち、先行の測定サイクルから、下式、すな
わち
定ガスの分圧、 S1 =第1期間中分析器にキャリヤガスと一緒に直接供
給される被測定ガスに等しいガスの分圧の実際値、 X=溶融金属中の被測定ガスの分圧の被測定値、 第2の測定期間に対する調整すべき混合ガスに対する目
標値(M2)の形成を下式、すなわち
精度をさらに高めるためには、(J+1) 番目の測定期間に
おける分圧に対する目標値(Mj+1)が下式、すなわち
は、j番目の測定期間がi+n番目の測定期間に対応す
るように測定期間に対する測定の数を表わし、i,jお
よびnは0より大きい整数である。それにより、1測定
サイクル内の一連の複数の測定器間中における窒素の測
定の場合に似て、精度は任意に高めることができる。
値と、調整すべき混合ガスに対する目標値との差に基づ
いて、次の測定器間の間被測定ガスに等しいガスをキャ
リヤガスへ添加するための混合装置の較正を行うのが有
利である。それにより、高い精度に到達するために必要
とされる測定期間の数が低減される。
には、やはり被測定ガスに等しいガスを非常に少量キャ
リヤガスに添加混合するのが好ましい。よりよい配分を
達成するためには、キャリヤガスに添加混合されるガス
は、キャリヤガスに等しいガスと被測定ガスに等しいガ
スとの混合ガスとするのが目的に適っている。
ヤガスおよび/またはキャリヤガスと混合すべきガスと
の混合ガスは、分析器に直接導く前にフィルタを通して
例えば水のような異物質を精製除去するのが有利であ
る。
ャリヤガスまたはキャリヤガスと混合すべきガスとの混
合ガスで分析器や測定領域をそれらへの導入前に衝撃的
に掃気し、先行の測定サイクルまたは測定期間から存在
する残存ガスを迅速かつ完全に除去するが目的に適って
いる。
について詳細に説明する。
例えば溶融鋼中における窒素の測定に利用されるような
主要な構成を示している。このため、キャリヤガス源1
から、キャリヤガスとしてのヘリウムが、フィルタを経
て、較正のために直接路を介して分析器3へ、同時に測
定ゾンデを備える測定領域に供給される。フィルタ2に
おいては、事情によってはキャリヤガス中に存在する水
またはその他の異物質が濾過される。それによって、測
定領域は、分析器3の較正と同時に掃気され、測定ゾン
デ内において被測定ガスが溶融金属5から採取され、分
析器3に直列接続される多路弁6に供給される。分析器
3の較正時に、多路弁6はキャリヤガス源1を分析器3
に直接接続し、測定領域を貫流するガスは、多路弁6に
て外部へ案内除去される。分析器3の較正後、多路弁6
は切り替えられ、その結果測定領域を貫流する被測定ガ
スを含む混合ガスは、分析のため分析器3に供給され
る。分析器3としては、カタロメータが使用される。そ
の際、通常、測定領域を貫流する混合ガスの一部のみ
が、カサロメータに供給される。
酸化炭素も採取されるから、混合ガスは溶融金属5内に
おいてガス置換後酸化柱7を通って導かれ、そしてこの
酸化柱内において水素は水に、一酸化炭素は二酸化炭素
に酸化される。水と二酸化酸素は、フィルタ8および9
において濾過され、その結果測定領域を貫流するガス内
において溶融金属から採取された窒素のみが残存し、こ
の混合ガスが分析器3に導かれる。
触時間は非常に短く、同様に気泡と溶融金属間の接触面
は僅少であるから、測定領域貫流ガスと溶融金属と間に
おいては限定された量のガスしか置換され得ない。それ
ゆえ、上述の測定器間にあっては、被測定ガスの分圧に
対する一次近似値のみしか決定され得ない。
平衡状態に到達後測定されるような、被測定ガスの分圧
に対する近似値である。これは式(1) から得られるが、
この式で、Xはこの近似値を表し、R1 は第1期間にお
ける溶融金属5内でのガス置換後における被測定ガスの
実際に測定された分圧を表し、S1 は第1測定期間中分
析器3に直接供給されるガスまたは混合ガスの分圧の実
際値を表わす。ここで、理論的にはS1 は等しく0が適
用される。何故ならば、第1期間中、純粋のキャリヤガ
スが直接分析器3に供給されるからである。定数Bは、
任意に固定され得る大きさであり、追って説明されるよ
うに、この任意に固定された定数Bの溶融金属5内の実
際の状態からの偏りに応じて、精密な測定に必要とされ
る相続く測定期間の数は増大し得る。定数Bはまた、先
行の測定サイクルからも得られるが、ただし、先行の測
定サイクルの溶融金属5内の状態と実際に測定すべき溶
融金属5内の関係が実質的に互いに相違しないことを前
提とする。
精密な測定には十分でないから、第2の測定期間におい
て、キャリヤガス(ヘリウム)に、被測定ガスに等しい
ガス、やはり窒素またはヘリウムと窒素の混合物を含む
他のガス源10からのガスが混合器11において添加混
合される。この混合ガスで第1の測定期間が繰り返され
る。すなわち、混合ガスは、やはりまず分析装置に直
接、そして同時にこの混合ガスの測定領域に供給され、
そして分析器3の較正後、多路弁6は切り替えられ、そ
の結果混合ガスは、溶融金属内における被測定ガスの採
取後、分析器3に供給される。測定領域中のガスの供給
を補助するため、ポンプ12が使用される。フィルタ2
は、ガス混合器11の直後に、あるいは例えば多路弁6
と分析器3の間に配置し得る。最後の場合、測定領域内
の水を濾過するためのフィルタ9は省いてよい。
る窒素の割合は、溶融金属内の窒素の平衡濃度にできる
だけ近くすべきである。調整すべき混合ガスのこの目標
値M2 は式(2) から決まる。目標値M2 が溶融金属内の
平衡条件により精密に対応すればするほど、定数Bはよ
り精密に実際の状態に対応して選択されることになる。
溶融金属内におけるガス置換後における被測定ガスの測
定された分圧の精度は、この分圧と目標値との比較から
得られる。もしも、必要とされる精度が予定された許容
誤差外にあれば、次の測定段階(期間)が続いて行われ
るが、この場合目標値M3 は式(3) から得られる。もし
も、目標値と、溶融金属内でのガス置換後における被測
定ガスの分圧との差が、予定された許容値内にあれば、
これは次のことを意味する。すなわち、被測定ガスに等
しいガス(窒素)が、この混合ガスの窒素分圧が溶融金
属内の窒素分圧に対応するような量で、ガス混合器11
においてキャリヤガスに添加混合され、その結果溶融金
属内において溶融金属内に導入された混合ガスとのガス
置換がもはや行われないことを意味する。この方法は、
窒素割合が溶融金属中の窒素割合に対応する混合ガスを
予め供給することが試みられる近似法でもあるから、平
衡状態の到達までの緩慢なガス置換は不必要となり、さ
らになおガス置換が行われるかどうかが確認されるだけ
でよい。
を示す。第1測定期間においては、ヘリウムに窒素は添
加混合されていない。にも拘らず、S1 は、0から若干
偏っているが、これはたいていガス導入管に残留ガスが
存在するからである。この残留ガスは、もちろん、ガス
導入管の衝撃的掃気により非常に速やかに除去される。
溶融金属内におけるガス置換後における被測定ガスの分
圧R1 の点R1 にて始まる測定値は非常に低い。これ
は、ガス置換が非常に速やかにはかどり、キャリヤガス
内の窒素ガスの欠如のため、平衡状態濃度に到達するに
は程遠いからである。それゆえ、計算された目標値M2
に応じて、点S1 にて次の測定期間(段階)が開始さ
れ、そしてこの期間においては、目標値M2 に対応する
量の窒素がガス混合器11においてヘリウムに添加混合
される。この混合ガスは、ついで分析器3に直接供給さ
れ、そしてこの混合ガスの測定に際しては、分析装置3
の測定値が一定値に到達するまで曲線は険しく上昇す
る。この第2図においてR2 で示される点において多路
弁6は切り替わり、その結果測定領域からの混合ガスが
分析器3に供給され、測定される。目標値S2 と、溶融
金属内におけるガス置換後の被測定ガスの分圧R1 との
相違は無視できるから、測定は打ち切られる。
挿により確認し、多路弁6の切替をより早く起こさせる
ことによって可能である。値R2 も同様に外挿によって
決めることができるから、溶融金属5内の窒素含有量の
確認のための時間は全体的に短縮できる。
ニウム内の水素の決定も可能であるが、この場合には式
(4)、(5) および(6) が利用される。水素の決定に際して
は、キャリヤガスとしてアルゴンまたは窒素を使用する
のが好ましい。さらに、水素を決定するに際しては、溶
融金属から来る混合ガスから濾過により他のガス成分を
除去することは絶対に必要ではない。
スの濃度を迅速に、しかも非常に精確に決定することが
できる。
明したが、斯界に精通したものであれば、本発明の技術
思想から逸脱することなく、特許請求の範囲において本
明細書に図示説明されるものから種々の変化、変更を思
いつくことができよう。
主要な構成を示す概略図である。
る。
Claims (11)
- 【請求項1】 キャリヤガスにより溶融金属内のガスの
濃度を決定するための方法であって、前記キャリヤガス
が、直接路を経て較正のためあるいは溶融金属中に浸漬
される測定ゾンデ4を備える測定領域を介して測定のた
めに、少なくとも1つの分析器に供給され、その際キャ
リヤガスが溶融金属に関する測定のためガス置換を行
い、この混合ガスが分析器に供給されるものにおいて、
ある測定サイクルに対して、1測定期間中、キャリヤガ
スが、較正のため分析器(3)に直接的に供給され、同
時に掃気および被測定ガスの採取のため測定領域に供給
され、被測定ガスが分析器に準備され、続いてキャリヤ
ガスが、測定領域を介して少なくとも部分的に少なくと
も1つの分析器に供給され、溶融金属(5)とのガス置
換の後溶融金属内の被測定ガスの分圧に対する一次近似
値すなわち最初の近似値として分圧が計算され、測定サ
イクルの第2の測定期間に、計算された値が、キャリヤ
ガスおよび該キャリヤガスに混合すべき被測定ガスに等
しいガスとの混合ガスの調整すべき分圧に対する目標値
として利用され、そして混合ガスが該目標値に応じて調
整され、分析器(3)においてこの混合ガスの分圧の実
際値が測定され、この際同時にこの混合ガスが掃気およ
び被測定ガスの採取のため測定領域に供給され、ついで
溶融金属(5)とのガス置換後混合ガスの分圧が測定さ
れしかる後新しい近似値が計算されるが、この際目標値
と溶融金属内でのガス置換後における被測定ガスの分圧
との差が予定された許容値内にあれば後続の測定は打ち
切られることを特徴とするガス濃度決定方法。 - 【請求項2】 第2の測定期間に後続の測定期間が続
き、この測定期間中、その都度少なくとも新しい近似値
が、キャリヤガスおよび該キャリヤガスに添加混合すべ
き被測定ガスに等しいガスとの混合ガスの調整すべき分
圧に対する目標値として利用され、そしてこの混合ガス
が該目標値に応じて調整され、分析器(3)においてこ
の混合ガスの分圧の実際値が測定され、この際同時にこ
の混合ガスが掃気および被測定ガスの採取のため測定領
域に供給され、ついで溶融金属(5)とのガス置換後混
合ガスの分圧が測定され、しかる後新しい近似値が計算
されるが、この際目標値と溶融金属内でのガス置換後に
おける被測定ガスの分圧との差が予定された許容値内に
あれば後続の測定は打ち切られる請求項1記載のガス濃
度決定方法。 - 【請求項3】 溶融金属(5)中の窒素を測定するた
め、後続の測定サイクルに対して、下記のように、第1
測定期間における分圧に対する目標値が計算される、す
なわち、先行の期間から、下式、すなわち 【数1】 から得られる定数(B)を利用し、ここに R1=第1測定期間中溶融金属内のガス置換後における
被測定ガスの分圧、 S1=第1測定期間中分析器(3)にキャリヤガスと一
緒に直接供給される被測定ガスに等しいガスの分圧の実
際値、 X=溶融金属内の被測定ガスの分圧の被測定値、 である、第2の測定期間に対して調整すべき混合ガスに
対する目標値(M2)の形成を下式、すなわち 【数2】 S1+B×(R1−S1)=M2 (2) から得ることによって計算される請求項1または2記載
のガス濃度決定方法。 - 【請求項4】(J+1)番目の測定期間における分圧に
対する目標値(Mj+1)が下式、すなわち 【数3】 から得られる、ここで、iおよびjは、j番目の測定期
間がi+n番目の測定期間に対応するように測定期間に
対する測定の数を表わし、ここでi,jおよびnは0よ
り大きい整数である、請求項3記載の濃度決定方法。 - 【請求項5】 その都度の後続の測定サイクルに対し
て、1測定サイクルにおいて後続の測定サイクルに対し
て計算される定数(B)から、溶融金属(5)の硫黄含
有量が導出される請求項3または4記載のガス濃度決定
方法。 - 【請求項6】 後続のサイクルに対する溶融金属(5)
内の水素の測定に対して、第1の測定期間における分圧
に対する目標値が、下記のように計算される、すなわ
ち、先行の測定サイクルから、下式、すなわち 【数4】 から得られる定数(B′)を利用し、ここに、 R1=第1測定期間中溶融金属内のガス置換後における
被測定ガスの分圧、 S1=第1測定期間中分析器(3)にキャリヤガスと一
緒に直接供給される被測定ガスに等しいガスの分圧の実
際値、 X=溶融金属内の被測定ガスの分圧の被測定値、 第2の測定期間に対する調整すべき混合ガスに対する目
標値(M2)の形成を下式、すなわち 【数5】 [√S1+B′(R1−S1)]2=M2 (5) から得ることによって計算される請求項1または2記載
のガス濃度決定方法。 - 【請求項7】 (J+1)番目の測定期間における分圧
に対する目標値(Mj+1)が下式、すなわち 【数6】 から得られる、ここで、iおよびjは、j番目の測定期
間がi+n番目の測定期間に対応するように測定期間に
対する測定の数を表わし、i,jおよびnは0より大き
い整数である、請求項6記載のガス濃度決定方法。 - 【請求項8】 分析器(3)に直接供給されるガスの分
圧の実際値と、調整すべき混合ガスに対する目標値との
差に基づいて、次の測定期間の間被測定ガスに等しいガ
スをキャリヤガスへ添加するため混合装置(11)の較
正が行われる請求項1〜7のいずれかに記載のガス濃度
決定方法。 - 【請求項9】 キャリヤガスに添加混合されるガスが、
キャリヤガスに等しいガスと被測定ガスに等しいガスと
の混合ガスである請求項2〜8のいずれかに記載のガス
濃度決定方法。 - 【請求項10】キャリヤガスおよび/またはキャリヤガ
スと混合すべきガスとの混合ガスが、分析器(3)への
直接供給の前にフィルタ(2)によりその異物質が精製
除去される請求項1〜9のいずれかに記載のガス濃度決
定方法。 - 【請求項11】 キャリヤガスまたはキャリヤガスと添
加混合すべきガスとの混合ガスで、該ガスの分析器
(3)および/または測定領域が、その導入前に、衝撃
的に掃気される請求項1〜10のいずれかに記載のガス
濃度決定方法。
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