JP2727813B2 - 溶融金属の成分分析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶鋼等の溶融金属の成
分をレーザ発光分光分析法により分析する溶融金属の成
分分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶融金属の精錬作業、特に鉄鋼の転炉精
錬においては、製品の高品質化，多用化及び精錬工程に
要する時間の短縮化の要求に伴って、溶融金属（溶鋼）
の成分分析の高精度化及び分析時間の短縮化が強く要望
されている。

【０００３】現在、鉄鋼の精錬過程において用いられて
いる溶鋼の代表的な成分分析法として、放電を利用した
放電発光分光分析法がある。この方法は、例えば鉄鋼便
覧ＶＯＬ２，ｐ４９０に示されているサブランス法にて
溶鋼の一部である試料をサンプリング容器内にサンプリ
ングした後、十分に環境整備された分析室内で分析を行
うものである。

【０００４】この分析法においては、試料サンプリン
グ，サンプリング容器からの試料の取り出し，分析室内
への試料搬送，試料の冷却，切断，研磨等の前処理を施
した後、分析処理を行うので、試料サンプリング開始か
ら分析処理完了まで略５分の時間を要する。精錬工程が
約20分程度であることを考慮すると、この５分は大変長
い時間であると言える。このため、分析結果が得られた
時には、分析した溶鋼は既に精錬工程を終え次工程に移
行している場合、または成分が大きく異なった溶鋼を精
錬中である場合があるので、分析結果を有効に利用でき
ないという難点がある。

【０００５】上述したような放電発光分光分析法とは異
なり、溶融金属（溶鋼）の成分を直接分析する試みがな
されている。このような直接分析法の中では、レーザ光
を試料に照射してその表面にプラズマ光を発生させ、こ
のプラズマ光を分光解析して溶融金属の成分を直接分析
する方法、所謂レーザ発光分光分析法が広く用いられて
いる。このレーザ発光分光分析法は放電発光分光分析法
に比べて、試料面との距離変動による影響を受けにく
い、応答時間が短い、１ｍ程度の遠隔にある試料の分析
が可能である、放電による電極の消耗がなく自動化が可
能である等の点において有利である。このレーザ発光分
光分析法を用いて、溶鋼を直接分析する方法及び装置の
一例が、特開昭62─282247号公報に開示されている。

【０００６】特開昭62─282247号公報に開示された方法
は、転炉内の試料（溶鋼）を耐熱性のコップにより汲み
上げ、汲み上げた試料をレーザ分光装置に搬送し、成分
分析を行うものである。サブランスまたはそれに類似し
たサンプリング装置の先端に取付けられたコップには適
当な蓋が設けられており、サンプリングの際に、溶鋼上
のスラグ部分を通過した後、溶鋼中にてその蓋が外れて
コップ中に溶鋼が流入する。その後コップは再びスラグ
中を通過し試料は転炉外に汲み上げられる。汲み上げら
れた試料にはスラグ, 酸化膜が混在しているので、コッ
プを傾けて溶鋼を流し出すこによってこれらを除去す
る。その後、サンプリング装置の近傍に配置した分析装
置まで試料を搬送し、試料表面にArガスをパージしなが
ら成分分析を行う。特開昭62─282247号公報に開示され
た方法はこのようにして、試料の搬送時間及び前処理時
間の短縮化を図って分析作業の迅速化を実現しようとし
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】レーザ発光分光分析法
に用いる分析装置は、その内部にレーザ発振器，高分解
能分光器及び種々の光学系等を有しているので比較的大
嵩な装置である。具体的には２ｍ×１ｍ×１ｍ程度のサ
イズであり、その設置場所はおのずと限定される。一
方、転炉内の溶鋼のサンプリング装置の設置可能場所も
限定されるので、分析装置とこのサンプリング装置とを
必ずしも近接して設置できない。また試料は溶鋼である
のでこぼさないように注意して分析装置まで搬送する必
要がある。以上のような理由により、サンプリング装置
から分析装置までの試料搬送に要する時間をあまり短縮
できず、このことが短時間にて分析を行う際の障害とな
っている。

【０００８】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であり、自由度を有する複数の関節部を備えたレーザ導
波管を使用することにより、測定場所を比較的自由に設
定できてサンプリング装置の近傍で測定することを可能
とし、試料の搬送時間の大幅な短縮化を図り、迅速に溶
融金属の成分分析を行えるようにし、またレーザ導波管
に分析用とは別のレーザ光を伝送して試料とレーザ導波
管との距離を測定し、その測定結果に基づいて出射端の
位置を制御する構成とすることにより、レーザ導波管の
試料に対する相対位置を一定に保つことができ、種々の
試料に対して常に正確な分析結果が得られる溶融金属の
成分分析装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る溶融金属の
成分分析装置は、レーザ発光分光分析法を用いて溶融金
属の成分を分析する装置において、自由度を有する複数
の関節部を備え、その内部に第１，第２のレーザ光を伝
送してその自由端から出射し、分析対象の溶融金属の試
料に照射するレーザ導波管と、第１のレーザ光の照射に
より前記試料の表面に発生したプラズマ光を伝播する光
ファイバと、該光ファイバにて伝播されたプラズマ光の
スペクトルを分光解析して前記溶融金属の成分分析を行
う分光器と、第２のレーザ光の前記試料からの反射光の
受光結果に基づいて前記試料とレーザ導波管との距離を
測定する手段と、該手段の測定結果に基づいて前記レー
ザ導波管の位置を制御する制御機構とを具備することを
特徴とする。

【００１１】

【００１２】

【作用】本発明の成分分析装置では、レーザ導波管を伝
送される第１のレーザ光がその関節部において伝送方向
が変化されるので、このような関節部をレーザ導波管の
中途に設けると自由な方向へ第１のレーザ光を伝送でき
る。従って、レーザ導波管を試料の近傍に配置でき、試
料の搬送時間は短縮される。またレーザ導波管内を伝送
される第２のレーザ光により、レーザ導波管と試料との
距離を測定し、その測定結果をレーザ導波管の位置制御
にフィードバックするので、レーザ導波管と試料との相
対位置は一定に保たれ、第１のレーザ光の照射に応じて
試料表面に発生するプラズマ光の分光解析により正確な
成分分析が可能となる。

【００１３】

【００１４】

【実施例】以下、本発明をその実施例を示す図面に基づ
いて溶鋼の成分分析を例として具体的に説明する。

【００１５】図１は、本発明に係る溶融金属（溶鋼）の
成分分析装置におけるレーザ導波管とレーザ導波管の制
御機構とを示す模式的斜視図である。図中１は、複数の
管部11と複数の関節部12とを交互に１つずつ連結して構
成されるレーザ導波管である。レーザ導波管１の基端
は、レーザ光を発振する分析室２内のレーザ発振器19に
接続している。また、試料を収納した容器10に対向する
レーザ導波管１の先端部は発光部13となっている。レー
ザ導波管１は、これの位置を制御するための駆動機構で
あるロボットアーム３に連結されている。ロボットアー
ム３は２か所の関節部を有し、その先端部には昇降機構
21を備えている。昇降機構21は自由度が１であり、レー
ザ導波管１を試料への接離方向（図中上下方向）に移動
させる。ロボットアーム３はマイコン（図示せず）によ
って制御されている。また、レーザ光の照射により試料
（溶鋼）に発生したプラズマ光に基づいてその成分を分
光解析する分析室２内の分光器20には、そのプラズマ光
を分光器20まで伝播する光ファイバ４の一端が接続され
ている。光ファイバ４の他端は容器10の上方に位置決め
されている。レーザ導波管１内には、プラズマ光を発生
させるための分析用レーザ光（第１のレーザ光）とレー
ザ導波管１及び試料間の距離を測定するための距離測定
用レーザ光（第２のレーザ光）とが伝送され、両レーザ
光が容器10内の試料に照射される。

【００１６】図２は、レーザ導波管１の内部構成を示す
模式的断面図であって、隣合う管部11a, 11bとこれらの
管部11a, 11bとの間に連結配置された関節部12を表して
いる。管部11a と関節部12とはベアリング14を介して連
結されている。関節部12内には回転可能なミラー15が設
けられている。図において、矢印は伝送されるレーザ光
の光軸を示し、一点鎖線は管部11b,関節部12及びミラー
15の回転軸を示す。図２を参照してレーザ導波管１内の
レーザ光伝送について説明する。上流側の管部11a 内を
その中心軸沿いに伝送されたレーザ光は関節部12内のミ
ラー15により反射される。関節部12においてミラー15は
レーザ光の入射方向に一致した回転軸で回転し、反射後
のレーザ光は下流側の管部11b 内をその中心軸沿いに伝
送される。このように、ミラー15の回転によりレーザ光
の反射方向を変えることが可能である。従って、このよ
うな構成の複数の関節部12をレーザ導波管１の中途に設
けることにより、自由な方向へレーザ光を伝送すること
ができる。

【００１７】図３は、成分分析時におけるレーザ導波管
１の発光部13の近傍を示す模式的拡大断面図である。発
光部13には石英製のパージ用カップ16が押え治具18によ
り押さえ付けられており、パージ用カップ16には分析動
作前には石英製の蓋17が押え治具18により取り付けられ
ている。なお、分析動作時には図３に示すように、パー
ジ用カップ16の先端は試料Ｓに浸漬され、押え治具18が
退避して蓋17は外されている。これらのパージ用カップ
16及び蓋17はレーザ導波管１の可動範囲に多数準備され
ており、各回の分析動作毎に取り替える。また、これら
のパージ用カップ16，蓋17の取り付け及び交換は自動的
に行われる。

【００１８】次に、溶鋼の成分分析動作について説明す
る。

【００１９】予め、サンプリングした溶鋼を収納する容
器を置く位置を決めておき、その位置の近傍にレーザ導
波管１の先端部をロボットアーム３により移動してお
く。また、レーザ導波管１の先端部（発光部13）に新し
いパージ用カップ16及び蓋17を取り付けておくと共に、
取り付けたパージ用カップ16内をアルゴンガスにてパー
ジしておく。そして、サブランス法により溶鋼のサンプ
リングを行う。断熱性が高い容器を備えた紙管をサブラ
ンスに接続し、紙管を溶鋼中に浸積させて、容器内に液
相状態で試料となる溶鋼をサンプリングする。サンプリ
ング後、容器をその直上で紙管上部から切離し、近傍に
その容器を設置する。以上のようにしてサンプリングし
た試料（溶鋼）にレーザ光を照射して成分の分析を行
う。

【００２０】サンプリング後直ちに、試料（溶鋼）にパ
ージ用カップ16の先端を浸積させた後、蓋17を外し、ス
ラグ，酸化膜がない適当な試料面を得る。レーザ導波管
１内にレーザ発振器19からの分析用レーザ光を伝送して
（図３矢符）試料Ｓの表面に照射する。この分析用レー
ザ光の照射により試料Ｓの表面にプラズマ（図３Ｐ）が
発生する。プラズマ光は光ファイバ４により分析室２内
の分光器20へ伝播される。分光器20にてプラズマ光のス
ペクトルが解析されて、試料Ｓ（溶鋼）の成分が分析さ
れる。

【００２１】以上のように、レーザ導波管１の先端部を
サブランスによるサンプリング時に予めサブランスのき
わめて近傍に待機させておけるので、溶鋼をサンプリン
グした直後に試料Ｓにレーザ光を照射して成分分析を行
うことができ、搬送時間を大幅に短縮して溶鋼の成分分
析を迅速に行える。また、レーザ導波管１の位置をロボ
ットアーム３により制御できるので、試料Ｓの容器の載
置位置にずれが生じた場合においても分析用レーザ光を
確実に照射でき、また分析時だけでなく、メンテナンス
時等に所望の場所へのレーザ導波管１の移動が可能であ
る。

【００２２】またレーザ導波管１内には、分析用レーザ
光とは異なる距離測定用レーザ光が伝送され、これも試
料Ｓの表面に照射されている。この距離測定用レーザ光
は、試料Ｓの表面からの反射光の受光結果に基づいて、
例えば、発光から受光までの所要時間に基づいて、レー
ザ導波管１から試料Ｓ表面までの距離を測定すべく用い
られている。高精度の分析を行うためには、分析用レー
ザ光が出光されるレーザ導波管１の先端と、試料Ｓ表面
との相対位置を適正に保つ必要がある。本発明では、前
記距離測定用レーザ光を用いて試料Ｓの表面位置が測定
され、その測定結果に応じてロボットアーム３の昇降機
構21を駆動して両者間の距離を調整し、適正距離を保つ
ようにしている。

【００２３】なお、上述の実施例では溶鋼を例にした
が、これに限らず他の溶融金属の場合も同様にその成分
分析を行えることは勿論である。

【００２４】

【発明の効果】以上詳述した如く本発明に係る溶融金属
の成分分析装置においては、自由度を有する複数の関節
部を備えたレーザ導波管を使用し、このレーザ導波管の
内部に伝送される第１のレーザ光がその関節部において
伝送方向を自在に変えることができるから、レーザ導波
管の配置場所を比較的自由に設定でき、サンプリング装
置の近傍に配置することも可能であり、試料の搬送時間
の大幅な短縮化を図ることができ、迅速に溶融金属の成
分分析を行うことができると共に、レーザ導波管内に第
２のレーザ光を伝送して試料表面に照射し、この反射光
の受光結果に基づいてレーザ導波管と試料との距離を測
定し、その測定結果に基づいてレーザ導波管の位置を制
御する構成としたから、試料に対するレーザ導波管の相
対位置を適正に保つことができ、第１のレーザ光の照射
に応じて試料表面に発生するプラズマ光の分光解析によ
り、精度が高い成分分析が可能となる等、本発明は優れ
た効果を奏する。

【００２５】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の溶融金属の成分分析装置の全体構成を
示す模式的斜視図である。

【図２】本発明の溶融金属の成分分析装置におけるレー
ザ導波管の内部構成を示す模式的断面図である。

【図３】本発明の溶融金属の成分分析装置におけるレー
ザ導波管の先端部近傍を示す模式的断面図である。

【符号の説明】

１ レーザ導波管 ２ 分析室 ３ ロボットアーム ４ 光ファイバ 11 管部 12 関節部 13 発光部 15 ミラー 19 レーザ発振器 20 分光器 21 昇降機構 Ｓ 試料（溶鋼）

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発光分光分析法を用いて溶融金属
   の成分を分析する装置において、自由度を有する複数の
   関節部を備え、その内部に第１，第２のレーザ光を伝送
   してその自由端から出射し、分析対象の溶融金属の試料
   に照射するレーザ導波管と、第１のレーザ光の照射によ
   り前記試料の表面に発生したプラズマ光を伝播する光フ
   ァイバと、該光ファイバにて伝播されたプラズマ光のス
   ペクトルを分光解析して前記溶融金属の成分分析を行う
   分光器と、第２のレーザ光の前記試料からの反射光の受
   光結果に基づいて前記試料とレーザ導波管との距離を測
   定する手段と、該手段の測定結果に基づいて前記レーザ
   導波管の位置を制御する制御機構とを具備することを特
   徴とする溶融金属の成分分析装置。