JP2921329B2

JP2921329B2 - 鋼片迅速分析方法及び装置

Info

Publication number: JP2921329B2
Application number: JP5114982A
Authority: JP
Inventors: 孝則秋吉; 良彦河井; 耀一石橋; 正望月; 嘉人岩田; 哲史城代; 明子坂下
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1993-05-17
Filing date: 1993-05-17
Publication date: 1999-07-19
Anticipated expiration: 2014-07-19
Also published as: JPH06323969A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、鉄鋼の製造プロセス
ラインに組み込んで、分析用に小塊試料を切り出すこと
なく、直接迅速に化学組成を分析する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼の成分組成は鋼の性質に大きく影響す
るため、その組成分析は品質管理上不可欠である。鋼の
特性は組成と熱処理により変化するが、組成に応じた熱
処理を行うことで均一の特性を持つ鋼を製造することが
でき、組成が判明した後厳密な熱処理条件が設定され
る。

【０００３】かって鋼片の分析方法としては、ＪＩＳ−
Ｇ−１２５３にも規定されているスパークやアークの放
電励起による発光分光分析が主流であった。この方法で
は、放電発光した光をスリットを通してから分光するの
で、放電位置を固定せざるを得ない。そのため、分析試
料をその固定された放電位置に設置しなければならず、
しかも分析精度を確保するためには、試料の放電部を平
滑面としなければならない。このような条件を満たすた
めかっての鋼片分析では、先ず鋼片から必要な大きさの
小鋼塊を切り出し、加工して分析面を平滑面に仕上げて
いた。このため試料調製作業には多大の労力と時間を要
した。

【０００４】しかし、鋼材製造技術の変遷に伴い、この
ように時間のかかる試料調製を省略し、迅速に分析結果
を得ることの重要性が極めて大きくなってきている。例
えば、連続鋳造における異鋼種の継ぎ目部は溶鋼が混じ
り合い溶鋼と鋼片の組成が一致せず、鋼片について改め
て分析値を求める必要がある。このとき分析結果が迅速
に得られれば混合部のみを的確に切り捨てることができ
るが、今まではこれが得られず余分に切捨てざるを得な
い状況となっていた。又、熱処理条件を厳密に設定する
ための組成情報を得るために、鋳造後の熱い鋼片を分析
試料切り出しのために一度冷却し、再び加熱してから圧
延・熱処理を行うことも行われている。鋼片の温度が高
くともこれを分析することが出来、その結果が迅速に得
られれば、良好鋼片の歩留りの上昇、再加熱の省略によ
る省エネルギー等が可能となる。

【０００５】迅速分析の試みの一つは、かっての発光分
光法において発光部と分光部とを位置的に切り離し放電
発光した光を光ファイバーで分光部へ送る方法である。
しかし、この方法の場合、放電位置が比較的自由になっ
ただけで、平滑な面が要求され、又、放電特性が試料温
度の影響を受けるためそのコントロールが要求される。
それ以上に、この方法では光ファイバーの透過率の問題
があり、２００nm以下の波長の透過率が極めて低く、鋼
の重要成分であるＣ、Ｐ、Ｓの分析スペクトルが透過せ
ずこれらの元素分析が不能であった。

【０００６】この試料温度と光透過の問題を解消したの
が、高密度エネルギーを投射して母試料の一部を蒸発さ
せて微粒子試料を採取し、この微粒子試料を不活性ガス
で発光分析装置に搬送する方法である。従来、高密度エ
ネルギーとしてプラズマアークを使用する装置が、特公
昭６２−１４７７３号公報に開示されている。

【０００７】上記公報によれば、プラズマ放出管を装備
した微粒子発生用円筒を大型試料に被せて、プラズマア
ークで加熱し試料の一部を蒸発させる。円筒には搬送用
気体が吹き込まれ、円筒の大型試料に接する端は水平面
として円筒内の気密を保つようにし、蒸発した試料が微
粒子となって搬送用気体によって細管を通ってプラズマ
発光分光分析装置に運ばれて分析される。そして、投射
エネルギーとしてプラズマアークが選ばれる理由は成分
の蒸発速度が早いことが開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
開示された技術を実際の試料に適用しようとすると、問
題が残されていた。一つは、採取された微粒子試料と母
試料との間に組成の相違が生じ充分な分析精度及び正確
度が得られないことである。

【０００９】もう一つは試料が熱鋼片の場合、これに考
慮が払われておらず、熱鋼片を分析する事が出来ないこ
とであった。即ち、対象が平滑で清浄な試料の場合はこ
の装置を用いることが出来るが、熱鋼片では表層に酸化
膜が生じており、又その下は脱炭層などの酸化影響部が
生じている。この部分の組成は母材の組成と異なるた
め、除去しなければならないが、その考慮が払われてい
ない。プラズマ放射によって除去しようとすると、放射
部周辺が融解する。このため、この部分は容易に内部母
材と混ざり合い、放射を繰り返しても、融解部自体が母
材組成と一致することはない。

【００１０】又、圧延前の熱鋼片では、連続鋳造時に生
じるオッシレーションマークと呼ばれる凹凸や切断時に
生ずる凹凸のため、表面の形状は平滑ではない。このた
め、端面が水平な微粒子発生用円筒を用いると、円筒と
試料間の隙間から搬送用気体が漏れ、プラズマ発光分光
分析装置に到達する気体量が変動する。この変動はプラ
ズマ焔内の励起状況に影響するので分析精度を低下させ
る。

【００１１】これらの問題を解決するためにこの発明は
行われたもので、微粒子試料の母試料との組成の相違を
なくすとともに熱鋼片への対策を講ずることによって、
熱鋼片や大型試料も含めて高い精度と正確度で迅速に分
析する技術を提供しようとするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の手段は、鋼片の分析部をその表面形状に応じて一次研
削を機械的に行った後、開口端にシール部を有し内部に
不活性ガスを通じている微粒子生成セルでシール部を接
して覆い、この状態で二次研削を施して試料採取面と
し、その後この試料採取面にパルス化された１００MW/c
m²以上の高密度エネルギーを投入し、この投入により発
生した微粒子を前記不活性ガスにて搬送し励起焔に導入
して励起分析を行う鋼片迅速分析方法であり、及び、こ
の方法を実行するのに適した装置で、鋼片表面研削装置
と微粒子生成セル及び励起分析装置とからなり、前記鋼
片表面研削装置には研削装置位置制御装置が付随し、前
記微粒子生成セルは、二次研削機構と高密度エネルギー
投入機構とを備え且つその先端は開口部となりシール部
を介して鋼片に通じ、側面にはガス流入口及びガス流出
口を有しガス流入口はガス搬送管を通じて不活性ガス発
生装置に接続しガス流出口は微粒子搬送管を通じて前記
励起分析装置に接続している鋼片迅速分析装置である
が、更に特別な成分についても高い精度と正確度が得ら
れる手段は、励起分析の励起焔が誘導結合プラズマであ
り、不活性ガスとして高純度Ａｒを用いて、レーザー光
を１ｋHz以上の発振回数で照射点のエネルギー密度を１
０⁸ W/cm²以上１０¹¹W/cm² 以下として照射点を少なく
とも１mm平方にわたって繰り返し十回以上掃引照射する
ことにより二次研削を行い、その後密度の高いエネルギ
ーとしてレーザー光を用い、照射点のエネルギー密度を
１０⁸ W/cm² 以上１０¹¹W/cm ² 以下とし、発振周波数１
００Hz以上で、投射点位置を少なくとも１mm平方にわた
って移動させながら試料面に照射する前記の鋼片迅速分
析方法、及び、不活性ガス発生装置にＡｒ精製装置を備
え、且つ、レーザー光照射機構が反射ミラー、単焦点集
光レンズ及び照射位置制御装置からなり、この照射位置
制御装置が反射ミラーを回転させて反射角を制御するこ
とと集光レンズの平行移動を制御する前記の鋼片迅速分
析装置であって、用いる不活性ガスの清浄度も重要な条
件で、高純度Ａｒを前記Ａｒ精製装置を通して精製し含
まれる炭素量を１μｇ／Ｌ以下として使用する鋼片迅速
分析方法である。

【００１３】

【作用】採取された微粒子試料の組成が母試料のそれと
が一致して（以下、母試料代表性と称す）いなければ、
励起分析技術が如何に向上しても、分析精度は一向に向
上しない。母試料を溶解した後に分取する溶液試料との
根本的相違であり、母試料代表性は固体試料分析に必ず
付きまとう問題である。

【００１４】微粒子試料の代表性を損なう要因の一つ
に、母試料と無関係な物質を母試料の一部と共に採取し
てしまうことがある。実際に最も多いのが、母試料の表
面に付着している汚れや表層に生成された酸化層を採取
してしまうことである。酸化反応は成分組成を変動させ
る。例えば、脱炭が起こり表層の炭素含有率が低下する
が、その程度は試料の温度が高いほど大きい。汚れや組
成変動の影響を避けるために、先ず、母試料である鋼片
の分析に供する部分を研削し、母試料と組成の異なる層
（以下、異層と称す）を除いてしまう。

【００１５】この発明では二段構えで研削を行うが、研
削の目的の一つは上記した組成の異なる層の除去であ
り、もう一つは試料採取面の形状調製である。一次研削
を機械的に行うのは、形状調製を第一に期待するからで
あって、異層の除去は二次研削でもできる。したがっ
て、一次研削は分析部の表面形状に応じて行うのであ
り、許容される平坦度であれば行わなくともよい。この
機械的研削は、鋼片の分析部が定まると、研削装置の位
置制御装置に誘導された鋼片表面研削装置によって自動
的に行われる。機械研削であれば、異質層を内部に拡散
させることもなく面を容易に平坦にし或いは異層を除く
ことができる。又、この研削は大気中で行うので、実用
上も機械研削が適している。

【００１６】その後、この研削面を微粒子生成セルで覆
うが、これは二次研削を不活性ガス雰囲気で行い、充分
に清浄化された面を次の試料採取に引き継ぐためであ
る。この微粒子生成セルには開口部がありその先端にシ
ール部を備え、このシール部を鋼片に密着させることに
よって鋼片を気密に覆うようになる。シール材は対象が
冷鋼片の場合はゴム製の "Ｏ”リングなどでもよいが、
熱鋼片の場合は弾力のある耐熱材料を使用する。

【００１７】更に、微粒子生成セルにはガス流入口があ
って、ガス搬送管を通して不活性ガス発生装置に接続し
ているので、セル内に不活性ガスを通ずることが出来、
このガスを導入することによって微粒子生成セル内部は
不活性ガス雰囲気となる。

【００１８】上記したように、一次研削は省略すること
はできても、熱鋼片では二次研削を省略することはでき
ない。一次研削後に生成する酸化層を無視することが出
来ないからである。約８００℃の熱鋼片をスパーク放電
を用いて二次研削を行った場合と一次研削のみで二次研
削を行わなかった場合の相対標準偏差を表１に示す。な
お、微粒子生成もスパーク放電により行い、励起分析は
ＩＣＰで行った。

【００１９】

【表１】

【００２０】二次研削を行わなかった場合、相対標準偏
差は行った場合の数倍になり、特にＣでは６倍にもな
る。

【００２１】二次研削では、機械的研削の他に、この発
明で微粒子生成に用いられるパルス化された高密度エネ
ルギーの投入により研削することができる。このエネル
ギー形態にはスパーク放電やパルスＤＣ放電或いはパル
スレーザー光等がある。これらのエネルギー形態では、
密度の高いエネルギーを短時間に投入できるので、投入
された元素は瞬間的に気化して飛散する。このため、鋼
片の温度を殆ど上昇させることなく研削することができ
るので、異層を鋼片に殆ど拡散混入させることがない。
従来技術であるプラズマ放射では放射をパルス化するこ
とが困難で、鋼片温度を上昇させ異層を混入させてしま
う。

【００２２】微粒子試料の代表性を損なうもう一つの重
要な原因に、選択蒸発の問題がある。成分元素が異なれ
ば一般に沸点が異なり、又同じ元素でも存在形態が異な
れば気化に要するエネルギーが異なる。微粒子化する際
に必要なエネルギーの投入に時間がかかると、母試料中
を伝導する熱により温度分布域が広がり、例えば沸点の
低い元素の蒸発域は高い元素のそれより広くなり、微粒
子中の低沸点元素の含有率が母試料中よりも増加する。

【００２３】高密度のエネルギーを投入し、一気に高温
状態に移行させることにより上記の傾向は急減する。こ
のためには、１００MW/cm²以上のエネルギー密度（パル
ス尖頭エネルギー／照射点面積）が必要で、スパーク放
電やパルスレーザー光のように短時間にエネルギーを投
入するパルス型のエネルギーを狭い面積に投入する形態
がこれに適している。例えば、同じワット数のエネルギ
ーでも１μsec に投入すれば、エネルギー密度は連続投
入の場合の百万倍になり、更に投入面積を０．１mm²に
すれば、１cm²の場合の一万倍になる。プラズマ焔照射
ではパルス投入が困難である上に、レーザー光ではレン
ズを用いて集光させビーム径を数１０μm に絞ることも
容易であるが、プラズマ焔照射ではこれも困難である。

【００２４】気化した元素は不活性ガス中で冷却し微粒
子となって浮遊する。微粒子生成セルのガス流出口は、
微粒子搬送管を通じて前記励起分析装置に接続している
ので、生成した微粒子はそのまま不活性ガスに搬送され
て励起分析装置に導かれる。微粒子生成セルにはシール
部が付き、試料との間隙を塞いでいるので搬送ガスは安
定して励起装置に導入される。

【００２５】励起分析装置では高温の励起焔で試料元素
を励起するが、この励起焔は、例えば、原子吸光分析で
はアセチレンの燃焼焔であり、プラズマ発光分析ではＡ
ｒプラズマ焔である。これらの励起焔には試料を気流状
態で導入することができ、励起焔を通過する時加熱励起
された元素は、固有のスペクトルを吸収し或いは発光す
るのでその同定と定量とが瞬時になされる。又プラズマ
励起焔の場合は元素をイオン化しこれを質量分析器に導
入して質量分析を行うことも行われ、元素量が極微量な
場合に対応することもできる。しかし、質量分析につい
ては、設備コストがかかるだけでなく、装置の性能を維
持するための日常の払うべき注意事項が多く、現状では
未だ製造工場では扱い難い。分光分析の方が実用的であ
る。

【００２６】以上に説明した方法で、従来に比べ分析精
度と正確度の向上は達成されるが、偏拆し易いような一
部の元素については更に高い精度と正確度が要求され
る。

【００２７】微粒子試料の場合、選択蒸発性に加えて微
粒子の均一性とその量も考慮する必要がある。微粒子が
搬送ガス中に浮遊している状態は、水溶液試料に成分が
溶解している状態に相当するもので、大きな粒子が励起
焔に飛び込むと高濃度を与える。細かい粒子が均一に分
散するガスを安定して励起焔に導入する必要がある。
又、分析感度が不足する量では、正確さを欠きノイズ比
も高くなり精度も低下する。

【００２８】同じく高密度のエネルギーを投入する方法
であっても、厳密に比較すると若干の相違がある。スパ
ーク放電とパルスレーザーとを比較するとパルスレーザ
ーでより優れた投入条件を見つけることが出来た。スパ
ーク放電の場合、放電点は極微細な面積であるが、この
点を制御することが困難で、放電し易い点に選択的に放
電が起こる。これが若干ではあるが試料代表性に影響す
る。又、励起分析法を比較すると、Ｃ、Ｐ、Ｓ等の比金
属元素分析や多元素同時分析の面で原子吸光法よりもプ
ラズマ発光法の方が有利である。特に、誘導結合プラズ
マ（以下、ＩＣＰと略す）焔は高温域が広く且つ安定し
ており微粒子状態の物質の励起に適している。即ち、高
密度エネルギーとしてパルスレーザー光を照射して微粒
子を生成し、ＩＣＰに搬送して分析するのが最適な組み
合わせである。

【００２９】更に、レーザー光照射に関しても、照射条
件により選択蒸発、微粒子生成速度等が異なる。これら
の関係を調べて整理すると次のようになる。照射点のエ
ネルギー密度を高めることによって、選択蒸発の傾向を
小さくすることができ、１００MW/cm²以上の密度で選択
蒸発を許容範囲に抑えられる。しかし、密度を高くし過
ぎるとＡｒなどの雰囲気を電離してプラズマを発生させ
るいわゆるブレークダウン現象を生じさせる。この現象
が発生するとレーザーエネルギーは最早微粒子生成に寄
与しなくなる。ブレクークダウンを起こさずに選択蒸発
を抑えるために、照射点のエネルギー密度を１０⁸ W/cm
² 以上１０¹¹W/cm² 以下として照射することが適切であ
る。そして、この条件で照射して得た微粒子を調べる
と、その径は０．１μｍ以下であり、分布の均一性は充
分に得られている。

【００３０】微粒子の生成速度を大きくして微粒子試料
の量を確保するためには、当然、レーザー出力が要求さ
れるが、出力５W 以上の発振器を選べばよい。但し、前
述したように短時間にエネルギーを投入するのが有利で
あり、パルスレーザーが要求される。更に、パルスの発
振周波数が小さいと、励起焔への微粒子の安定供給が損
なわれるので、１００Hz以上の発振が必要である。１０
０Hz以上で発振した場合は周波数による分析精度の差は
見られないが、２０Hz以下の発振では、１００Hz以上の
場合との間に有意差が生じる。

【００３１】又、パルス照射により、試料が、蒸発した
跡は孔となるが、レーザー光を同一点に繰り返し照射し
て孔を深めながら掘り出すよりも、照射点を少しづつ移
動して孔径を拡げながら堀り出した方が試料は蒸発し易
く、微粒子生成速度は大きい。

【００３２】これに加えて、照射点を移動させることに
より試料採取面積も増やすことになる。このことは、偏
拆し易い元素の分析にとっては重要なことであり、偏拆
部のみ或いは不在部のみを採取する事が避けられ、試料
代表性を高める。投射点位置を少なくとも１mm平方にわ
たって移動させながらレーザー光を試料面に照射するこ
とにより、微粒子発生速度が満たされるとともに偏拆元
素も含め分析精度が向上する。

【００３３】以上、照射条件を分析精度との関連で述べ
たが、微粒子試料の採取は取りも直さず、母試料の組成
を変化させずに、母試料の一部をそっくり安定した必要
な速さで採取することであり、鋼片側からみれば研削で
ある。即ち、微粒子採取条件は、質的には鋼片を研削す
る最適条件である。但し、研削では、分析試料採取と異
なり安定した速さで採取する必要はないが、選択蒸発や
異相の混入などによる母試料の変化を避けなければなら
ないことは分析試料採取と同じである。加えて、除去し
なければならない層があり、除去する深さが必要にな
る。

【００３４】異層の深さを一例で見ると、数百μm に達
している。鋼材で最も酸化の影響を受けやすく又汚れの
成分として注目され、分析精度が得にくい元素に炭素が
ある。この炭素に注目し深さ方向の濃度と母試料の濃度
との比を調べた結果を図２に示す。図で、横軸は研削深
さ、縦軸はその深さの炭素分析値の母試料分析値との比
である。三種類の鋼片について調べたもので、各々、●
印は熱鋳鋼片で一次研削を行ったもの、○印は圧延パイ
プの周辺面で一次研削は行わず、□印は圧延パイプの端
面で一次研削は行っていないもの、についての結果であ
る。熱鋳鋼片では、一次研削を施してあり、その後の脱
炭により表層は炭素濃度が低いが、１００μm 程度二次
研削すると母試料を代表する面が現れる。圧延パイプで
は、圧延油等の汚れが推定され、表層の炭素濃度が高く
周辺面では１０倍以上もある。これらも、１００〜３０
０μm の深さまで研削することによって母試料を代表す
る面が現れる。

【００３５】微量試料生成をパルスレーザー光照射で行
う場合、二次研削もパルスレーザー光照射で行うと、セ
ル内に改めて研削装置を付ける必要はなく複雑化が防が
れ、セル内を清浄に保つことが非常に容易になる。

【００３６】パルスレーザーによる研削では、照射条件
は、基本的には微粒子生成を目的とする条件と同じで、
エネルギー密度範囲及び掃引照射面積は変わらないが、
除去深さを確保するため少なくとも１０回程度は繰り返
し掃引照射することと深さの均一化を図るために、発振
周波数を高めて１ｋHz以上の発振回数で照射することが
異なる。

【００３７】照射点の移動は、試料を移動するよりも集
光レンズ或いは反射ミラーを操作する方が高速でも移動
しやすく容易である。集光は径数十mmの単焦点レンズで
行われ、平行光線であるレーザー光がその中央に入射さ
れ透過光はその焦点に集光する。このレンズを平行移動
すると入射点はその分だけ中央から周辺にずれるが、透
過光はやはり焦点に集光する。焦点はレンズの平行移動
にともなって、同じく平行移動するのでその分だけ集光
点も移動する。又、発振器からのレーザー光をその進行
方向を調製して集光レンズ中央に入射するために反射ミ
ラーが使われるが、この反射ミラーを回転してレンズへ
の入射点をずらすと、今度はレンズへの入射角が変わり
集光点はレンズ焦点からずれて移動する。

【００３８】照射位置制御装置は、反射ミラーを回転さ
せて反射角を制御し、或いは集光レンズの平行移動を制
御してレーザー光の照射点を移動させる。なお、搬送ガ
スには高純度Ａｒを用いるが、Ａｒは高純度化し易くて
広く実用に供されている不活性ガスである。且つ、ＩＣ
Ｐ焔はＡｒプラズマであって、Ａｒを用いれば分光分析
の際に妨害線など新たなスペクトルに悩まされることが
ない。

【００３９】鋼の特性に大きく影響する重要元素の一つ
に炭素があり、偏拆元素であるが高い精度と正確度の分
析が要求される。一方、炭素は大気中に炭酸ガスや炭化
水素としてかなりの量が存在する。

【００４０】市販の高純度Ａｒの純度は９９．９９５％
であるが、炭素含有率を調べると４〜５μg/Ｌである。
ＩＣＰ焔では、このガスをプラズマガスとして１０数リ
ットル、補助ガス、搬送ガスとして数リットルを使用す
るが、この不純物量は、鋼中Ｃの分析精度に影響する。
Ｚｒゲッターを用いてこれを精製すると、Ｃ濃度は０．
２μg/Ｌまで下がった。

【００４１】鋼中のＣの含有率は普通綱で十分の数％で
あるが、この濃度は搬送ガス中では１μg/Ｌに相当す
る。分析に際しては、Ａｒガス中のＣ濃度はブランク値
として差し引いて分析値が算出されるが、Ａｒガス中の
濃度が高ければその変動も大きい。

【００４２】Ａｒガス中のＣ濃度のＣ分析精度への影響
を調べると、図３のようになる。高純度Ａｒガスの精製
度合いによってＣ濃度を変えて調べたが、影響は微量試
料の量と試料中のＣ含有率によっても受ける程度が異な
る。図で、横軸は微粒子精製速度、縦軸は相対標準偏差
であり、△及び▲印はＡｒガス中のＣ濃度が５μg/Ｌ、
□及び■は１μg/Ｌ、○及び●は０．２μg/Ｌの場合を
各々示し、△、□及び○は試料中Ｃ含有率が０．１％、
▲、■及び●は試料中Ｃ含有率が０．２％の場合であ
る。

【００４３】Ｃ含有率が０．１％の試料で相対標準偏差
２％以内の分析精度を目標にすると、Ａｒガス中のＣ濃
度を１μg/Ｌ以下に下げる必要がある。このため、不活
性ガス発生装置にＡｒ精製装置を備えて、プラズマ焔
用、搬送用共に市販高純度ガスを更に精製して含まれる
炭素量を１μｇ／Ｌ以下にして用いる。

【００４４】なお、精製したガスを再汚染から守るた
め、配管系の浄化は勿論のこと配管材料にも注意し、ガ
スの透過が疑われたり浄化が難しい一般のプラスチック
スやゴム等は避け、金属或いはガラス等を使用するとよ
い。以上述べてきた条件で、冷鋼片を分析した結果を真
値と対比して表２に示す。

【００４５】

【表２】

【００４６】真値は、化学分析によって厳密に測定され
た値で、分析値は真値と非常に良く一致している。

【００４７】

【実施例】高密度エネルギーとしてパルスレーザー又は
パルスＤＣアーク放電を用いて、熱鋼片から微粒子試料
を採取しこれをＩＣＰに搬送し分析した。パルスレーザ
ーを用いた装置を図１に示す。

【００４８】図で、１は鋼片、２は鋼片表面研削装置で
一方向ステージ３に取り付けられ、セル積載ステージ４
とともに自動送りステージ５により研削位置が制御され
る。６は微粒子発生セルで、その一端は円筒状の開口部
７となりその先端にシール部８がついている。他端は石
英ガラス製の窓９でレーザー光はここから微粒子発生セ
ル６を通過して鋼片１の表面に照射される。１０はガス
流入口、１１はガス流出口である。

【００４９】発振器１２、反射ミラー１３、集光レンズ
１４は高密度エネルギー投入機構を構成し、発振器１２
から発したレーザー光は、反射ミラー１３で進行方向を
調整され、集光レンズ１４で集光される。又、反射ミラ
ー１３の角度は角度制御器１５で制御され、集光レンズ
１４はレンズ移動制御器１６でその位置が制御される。
これらの制御により照射点の位置決め及び移動が行われ
る。

【００５０】１７は搬送ガス発生装置で、ガス搬送管１
８を通してガス流入口１０に搬送ガスを送る。ガス流出
口１１はガス搬送管１８によってＩＣＰ発光分光分析装
置１９に接続し、発生した微粒子を発光分光によって分
析した。

【００５１】鋼片表面研削装置２にはグラインダーを用
い、鋼片表面研削装置２と微粒子生成セルの送り出し部
を除いて、装置全体を熱遮蔽板（図示せず）で覆い熱鋼
片からの輻射熱を防止した。熱鋼片の分析面は２〜３mm
の凹凸状態であったが、３０mm×３０mm程度の面積を、
＃６０粒度のベルトグラインダーで約十秒、１５０mm径
のジルコニア砥粒入りディスクで約２０秒で平滑にする
ことができ、ベルトやディスクへの熱の影響は無視する
ことができた。

【００５２】一次研削後、鋼片表面研削装置２は鋼片１
を離れ、自動送りステージ５に制御されてセルステージ
４に積載された微粒子生成セル６が研磨面上に送られ、
ここでセルステージ４が移動し微粒子生成セル６が研磨
面を覆う。

【００５３】微粒子生成セル６は銅製で、鋼片側端面は
内径２０mm、外形２６mm、長さ５mmの円筒状の開口部７
となり、その先端周には溝を切って、繊維状セラミック
スに低融点ガラス粉末を絡ませたシール材を挟み込みシ
ール部８とした。ガラス粉末は鋼片の熱で粘性を持つ溶
融物となり鋼片と微粒子生成セルとの間隙を埋めセル内
密閉性を高めた。

【００５４】二次研削はレーザー光照射により行い、用
いた発振器１２は微粒子生成用と共通で、超音波Ｑスイ
ッチ付きＮｄ−ＹＡＧレーザー（波長１．０６μｍ）で
ある。研削の照射条件は、発振周波数１０ｋHz、照射点
のエネルギー密度１０⁹W/cm ² 、２mm平方にわたって掃
引照射を１０回繰り返した。掃引は反射ミラー１５の反
射角度を変化させることにより高速移動させ、更にこの
移動と直角に集光レンズ１４を平行移動させることによ
り行った。

【００５５】スパーク放電を用いた場合は、レーザー光
の場合と高密度エネルギー投入機構が異なり、微粒子発
生セル１７内に電極を備え端面部を対電極とするセル構
造にした。二次研削はやはり放電を利用し、５秒放電−
３秒停止のサイクルを５回繰り返した。放電条件は電圧
４００Ｖ、Ｃ＝１０μＦ，Ｌ＝１０μＨ，Ｒ＝２Ω、周
波数４００Hzである。搬送ガスにはＡｒを用い、搬送ガ
ス発生装置１７はＡｒボンベとＺｒゲッターガス精製器
とからなる。又、ガス搬送管にはステンレス管を清浄化
して用いた。

【００５６】ＩＣＰ発光分光分析については、周波数２
７．１２ MHz、出力１．５kW、プラズマガス流量１５Ｌ
／分、補助ガス流量１Ｌ／分、試料ガス（搬送ガス）流
量１Ｌ／分の条件で到達微粒子を直接励起発光させた。
分光器はパッセンルンゲ型分光器で分光器内を真空にし
て２００nm以下の波長も測定可能とした。分析線は各々
Ｃ１９３nm、Ｐ１７８nm、Ｓ１８１nm、Ｓｉ２１２nm、
Ｍｎ２５２nm、Ａｌ３９６nm、Ｎｉ２３２nm、Ｃｒ２６
８nm、Ｍｏ２０２nm、Ｃｕ３２５nm、Ｃｏ２２９nm、Ｖ
３１１nm、Ｔｉ３３５nm、Ｎｂ３０９nm、Ｂ１８３nm、
Ｃａ３１８nm、Ａｒ３５５nm、Ｆｅ２７１nm及び１７０
nmを用い、各分析線位置にスリット及び光電子増倍管を
置いて測定する多元素同時測定システムをとった。

【００５７】光強度は光電子増倍管により電流、更に電
圧を変換させ、１０秒の光強度積算値を測定光強度とし
た。解析にあたっては鉄強度との比を測定値とする強度
比法を採用した。測定値の分析値換算は、予め組成のわ
かっている標準試料を測定して検量線を作成し、その検
量線を用いて分析値に換算した。用いた試料の成分を表
３に示す。

【００５８】

【表３】

【００５９】なお、比較のため、この発明の範囲を外れ
た比較例、及び、プラズマ放射により微粒子を生成させ
た従来例についても調べた。これらの微粒子生成条件及
び主な成分について分析値の精度と正確度を相対標準偏
差で表示し表４に示す。

【００６０】

【表４】

【００６１】この発明の実施例では、分析対象が熱鋼片
であっても、分析値の相対標準偏差は５％以内で良好で
ある。中でも、パルスレーザーを用いてより好ましい条
件の範囲で行った試験No. ４、５、６では相対標準偏差
が２％以内と極めて高い精度と正確度をもって分析が行
われている。

【００６２】これに対して、従来例では異層の混入が避
けられず、Ｃの分析が不能であり他の成分についても偏
差が大きい。比較例でも、高純度Ａｒガスを精製せずに
用いた試験No. ８ではＣの分析が不能であり、試験No.
７ではエネルギー密度が不足し相対標準偏差が大きく精
度と正確度に劣る。

【００６３】

【発明の効果】以上述べてきたように、この発明では分
析対象から微粒子を採取しこれを励起分析装置に搬送し
て成分量を測定する際に、分析対象が大型の熱鋼片であ
る場合も考慮した微粒子発生セルを用い、更に微粒子の
試料代表性の解析に基づきエネルギー形態及び密度を限
定するとともに母試料の異層及び搬送ガスの汚染を排除
している。更に、レーザー光照射に際しては、偏拆成分
への対処と必要な微粒子生成速度を確保するために、集
光点を巧みに移動させている。このため、従来困難であ
った鋼中Ｃの分析を可能ならしめた他、鋼製造工場にお
いて熱鋼片であっても高い精度と正確度をもって迅速に
分析値を求めることが可能となった。

【００６４】この結果、良好鋼材の歩留りを向上させ或
いは圧延工程での再加熱を不要とするなど省資源、省エ
ネルギーにもたらすこの発明の効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例に用いた鋼片迅速分析装置の
概念を示す図である。

【図２】異質層の厚さを説明するための二次研削の研削
深さと炭素分析値対内部炭素量比との関係を示す図であ
る。

【図３】微粒子生成速度の分析精度正確度に与える影響
を説明するための微粒子生成速度とＣ分析値の相対標準
偏差との関係を示す図である。

【符号の説明】

１鋼片２鋼片表面研削装置３方向ステージ４セル載ステージ５自動送りステジ６微粒子発生セル７開口部８シール部９窓１０ガス流入口１１ガス流出口１２発振器１３反射ミラー１４集光レンズ１５角度制御器１５１６移動制御器１７搬送ガス発生装置１８搬送管１９ＩＣＰ発光分光分析装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岩田嘉人東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者城代哲史東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者坂下明子東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内審査官 ▲高▼見重雄 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 1/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】鋼片の分析部をその表面形状に応じて一
次研削を機械的に行った後、開口端にシール部を有し内
部に不活性ガスを通じている微粒子生成セルでシール部
を接して覆い、この状態で二次研削を施して試料採取面
とし、その後この試料採取面にパルス化された１００MW
/cm²以上の高密度エネルギーを投入し、この投入により
発生した微粒子を前記不活性ガスにて搬送し励起焔に導
入して励起分析を行うことを特徴とする鋼片迅速分析方
法。
【請求項２】鋼片表面研削装置と微粒子生成セル及び
励起分析装置とからなり、前記鋼片表面研削装置には研
削装置位置制御装置が付随し、前記微粒子生成セルは、
二次研削機構と高密度エネルギー投入機構とを備え且つ
その先端は開口部となりシール部を介して鋼片に通じ、
側面にはガス流入口及びガス流出口を有しガス流入口は
ガス搬送管を通じて不活性ガス発生装置に接続しガス流
出口は微粒子搬送管を通じて前記励起分析装置に接続し
ていることを特徴とする鋼片迅速分析装置。
【請求項３】励起焔が誘導結合プラズマであり、不活
性ガスとして高純度Ａｒガスを用いて、レーザー光を１
ｋHz以上の発振回数で照射点のエネルギー密度を１０⁸
W/cm² 以上１０¹¹W/cm² 以下として照射点を少なくとも
１mm平方にわたって繰り返し十回以上掃引照射すること
により二次研削を行い、その後密度の高いエネルギーと
してレーザー光を用い、照射点のエネルギー密度を１０
⁸ W/cm ² 以上１０¹¹W/cm² 以下とし、発振周波数１００
Hz以上で、投射点位置を少なくとも１mm平方にわたって
移動させながらレーザー光を試料面に照射する請求項１
記載の鋼片迅速分析方法。
【請求項４】不活性ガス発生装置にＡｒガス精製装置
を備え、且つ、レーザー光照射機構が反射ミラー、単焦
点集光レンズ及び反射ミラーを回転させて反射角を制御
し又集光レンズの平行移動を制御する照射位置制御装置
からなる請求項２記載の鋼片迅速分析装置。
【請求項５】高純度Ａｒガスを前記Ａｒガス精製装置
を通して精製し含まれる炭素量を１μｇ／Ｌ以下として
用いる請求項３記載の鋼片迅速分析方法。