JP4202238B2 - 溶融金属中の粒子の検出および測定用改良装置 - Google Patents

Description

この出願は２００２年１１月２１日出願の米国仮特許出願の権利を主張し、「溶融金属中の粒子の検出および測定改良装置」と称するものである。よって、ここでは、その全開示を参照して組み入れている。
本出願は２００３年８月５日に特許付与された米国特許第6,603,296B２号に記載された、「溶融金属中の粒子の検出および測定装置」と称する装置の改良である。ここでは、その全開示を参照して組み入れている。

本発明は上記の付与された米国特許に記載された装置の改良からなる。以下に上記特許に記載された測定子の基本的な記載をして、本発明の改良をより分かり易くする。図１および図２には、溶融金属中に縣濁された粒子を検出し測定するための測定子１０の実施例が示されている。

測定子１０は、全般的に細長くて、筒状であり、挿入端１２と連結端１４とを含む。測定子の連結端１４は、当業者には周知のタイプの支持構造(図示略)に固定されるようになされていて、測定子を溶融金属内に挿入するために用いられる。測定子１０は、細長くて１端が閉鎖された内管１６を備えていて、これは水晶のような電気絶縁材料で作製され、溶融鋼あるいはその他の溶融金属湯の高温に耐えることができる。内管１６の挿入端は閉鎖されていて、連結端はほぼ筒状の適当な電気絶縁プラグないしシール材１８で封止されている。このシール材１８は高分子材料で作製し、適当な接着剤２０を用いて内管１６内に固定して気密シールを形成するのが好ましい。上記の内管１６の挿入端は溶融金属受け入れ室１５を形成している。１つ以上の開孔部が挿入端の極近くで内管１６を貫通していて、測定子１０を溶融金属内に挿入した際、溶融金属が溶融金属受け入れ室１５に流れ込む。

ほぼ筒状部材からなるガス通路２２がシール部材１８を貫通して内管１６の少なくとも一部分にまで伸びている。ガス通路２２は、鋼のような導電材料から形成するのが好ましい。少なくとも１つ、好ましくは１対の細長いほぼ筒状の部材あるいはワイヤ２４が(機械的および電気的に)ガス通路２２に(好ましくは溶接、硬ろう付けあるいはハンダ付けにより)固定されて、内管１６の内部に沿って伸び、内管１６の挿入端に近接して終了している。細長い筒状部材２４は導電材料で形成され、ガス通路２２と組み合って溶融金属受け入れ室１５に延びる第１電極を成立させる。内管１６はほぼ筒状の導電材料２６によって囲まれている。筒状部材２６の内側寸法は内管１６の外側寸法より少なくとも僅かに大きく、小さな環状空間２８が筒状部材２６を内管１６の外側表面から分離させている。筒状部材２６が内管１６の外側で第２電極を成立する。スペーサ３４が筒状部材２６の挿入端と内管１６との間に挿入されて、上記の環状空間２８を維持し、内管１６の挿入端のぐらつきを防止すると共に内管１６が出荷中あるいは取り扱い中壊れるのを防止する。筒状部材２６の少なくともかなりの部分が耐熱材料で形成された外側被覆３０で囲まれて、測定子１０が溶融金属に挿入された際筒状部材２６を断熱する。

図２に最も良く示されているように、筒状部材２６の１部が外側被覆３０を越えて延びており、測定子１０が溶融金属に挿入された際、筒状部材２６が直接溶融金属に晒される。内管１６の挿入端は最初金属スラグキャップと紙キャップとにより被覆されていて、処理中溶融金属を特に覆っているスラグ層を通って測定子が挿入される際、内管１６と、特に、開孔部１７とを汚染から守っている。

使用に際し、測定子１０の接続端１４は適当な支持構造(図示略)に暫定的に連結されるように為されている。バルブ４２は真空源４４とパージガス源４６とに連結される。バルブ４２が第１位置にある時は、真空源４４がガス通路２２を介して内管１６と流体連通していて、溶融金属受け入れ室１５内に真空を生じさせる。室１５に真空が生じると溶融金属が開孔部１７を通って室１５に流れ易くなる。バルブが第２位置にあると、パージガス源４６からのガスが、ガス通路２２を通って内管１６の内部に供給されて溶融金属あるいは不純物が開孔部を通って室１５に流れるのを阻止する。

測定子１０が支持構造に連結されている際には、ガス通路２２(第１電極)の連結端と、筒状部材２６(第２電極)の連結端と外側測定装置４８との間に直接的な電気連結が成立する。測定装置４８は、溶融金属中に縣濁している粒子を検出し測定する電気的検出ゾーン方法を使用する技術分野での当業者には周知のタイプのものである。測定子１０が溶融金属中に挿入されると、上記の測定装置４８は、第１電極と第２電極との間に開孔部１７を通過する電流通路を成立させる。この電流通路は、開孔部１７を通過する溶融金属に同伴する粒子の通過によって生じる第１電極と第２電極との間の電位変化を測定するためのものである。

液相線押し下げ材料５０が内管１６の挿入端に、開孔部１７に近接して設けられている。液相線押し下げ材料５０は、開孔部１７を通って室１５に入ってくる溶融金属と合金になり、生じる合金の液相温度は、室１５に入ってくる溶融金属の液相温度より低い。ワイヤ２４は内管１６の壁近くにあるので、中央の湧き出る領域での液体金属の冷却は阻止される。

使用に際し、測定子１０は支持構造(図示略)に固定され、第１および第２電極は測定装置４８に電気的に連結し、ガス通路２２はバルブ４２と流体連通する。最初、バルブ４２は第２位置にあり、パージガス源４６からの不活性パージガスがガス通路２２を通って内管１６に入り、開孔部１７から出て行く。

測定子１０は上側のスラグ層を通って溶融金属に挿入されるので、紙キャップ３８は破れ、金属スラグキャップは溶けて内管１６の挿入端と筒状部材２６とを溶融金属に晒す。溶融金属は内管１６に入り込むので、開孔部１７は効果的に封止されてパージガスのガス圧が増加し、この増加が外側の機器(図示略)によって測定される。この時、バルブ４２は第１位置に変更され、真空源４４がガス通路２２および内管１６の内部と流体連通し、室１５内に真空を効果的に生じさせる。よって、溶融金属が開孔部１７を通って室１５に流れ込む。溶融金属がワイヤ２４と係合するやいなや、完全な電気回路が出来上がり、測定装置４８が電流を電極間および開孔部１７を通して流し、溶融金属に同伴する粒子が開孔部１７を通過する際生じる電極間の電位変化を測定する。

検出および測定方法は、室１５が液体金属で充満し、その液体金属の高さが効果的にガス通路２２の挿入端を塞いで室１５の真空圧がそれ以上に増すのを防止する。その防止方法はそれ以上のサンプル金属が室１５に入るのを制限して、もう一つの熱吸収構成要素を追加することなく一定容量のサンプル金属を創る手段となる。

本発明の第１面によれば、電気検出ゾーン方法を用いて溶融金属に縣濁している粒子を検出して測定するための溶融金属に挿入する測定子は、電気絶縁材料製の封止された内管を含み、この内管が溶融金属受け入れ室を形成する。この内管は測定子の挿入端近くに少なくとも１つの開孔部を含み、これにより溶融金属が室に流れ込む。ガス通路が内管から延出して真空源に連結し、内管の内側と外側間で差圧を生じさせて溶融金属が上記の少なくとも１つの開孔部を通って流れ込み易くしている。

第１電極が室内に延びて室内の金属と係合する。この第１電極は上記のガス通路と、第１長さを有し、このガス通路と電気的に連結された少なくとも１つの第１細長い部材とを含む。第２電極が内管の少なくとも１部を囲み、室の外側の溶融金属と係合する。第１および第２電極は測定装置と連結して、両電極および上記の少なくとも１つの開孔部を通る電流路を成立させ、溶融金属に同伴する粒子が上記の開孔部を通過することによって生じる電極間の電位変化を測定する。耐熱材料製の外側被覆が第２電極の少なくとも１部を囲み、これを断熱している。室に入ってくる溶融金属と合金化する、室内の液相線押し下げ材料は室内の溶融金属の液相温度を低くして、より長い時間をかけて溶融金属中の粒子を検出して測定することを可能にしている。

少なくとも１つの第２の細長い部材が、その第１端でガス通路に電気的に連結されていて、室内に入って室内の金属と係合する。冷凍ブロックが上記の少なくとも１つの第２部材の第２端に取り付けられている。上記の少なくとも１つの第２部材は第２長さを有していて、冷凍ブロックが液相線押し下げ材料から間隔を開けて離れている。

本発明の第２面によれば、この方法は測定子を用いて、溶融金属中に縣濁した粒子を検出し測定する。この測定子は電気絶縁材料製の封止された内管を含み、この内管が受け入れ室を成立する。開孔部により溶融金属が室に流れ込む。第１電極が室内に延びて、室内の溶融金属と係合し、第２電極が内管の少なくとも１部を囲み、室の外側の溶融金属と係合する。耐熱性材料製の外側被覆が第２電極の少なくとも１部を囲みそれを断熱している。ガス通路が内管から延出している。

この方法では液相線押し下げ材料を室内に据付け、冷凍ブロックが第１電極に連結されている。第１および第２電極が測定装置に連結されていて、第１電極が、ガス通路と、ガス通路から室内に延びる少なくとも１つの第１ワイヤと、ガス通路から室内に延びる少なくとも１つの第２ワイヤとを含む。少なくとも１つの第２ワイヤは少なくとも１つの第１ワイヤより短い。冷凍ブロックが少なくとも１つの第２ワイヤに取り付けられている。
ガス通路が真空源に連結されている。測定子は溶融金属中に据え付けられて、溶融金属が開孔部を通って室内に流入する。測定装置は両電極および開孔部を通る電流路を成立する。開孔部を通る溶融金属に同伴する粒子の通過によって生じる電極間の電位変化が測定される。

本発明の好ましい実施例についての以下の詳細な記載は添付図面を参照しながら読めばより良く理解される。本発明を図示するため、現在好ましい実施例が図面に示されている。然し、本発明は図示されている正確な装置および器具に限定されない。

図１および図２に示されている従来例の測定子１０は適切に作用するが、少なくとも１つの欠点を有し、本発明はそれを克服するものである。上記のように、作用中、真空圧が受け入れ室１５に生じて、溶融金属が開孔部１７を通って室内に流れ込む。開孔部１７を通る同伴材料の通過は上記のように電流の流れの変化によって検出される。溶融金属が室１５に蓄積するにつれ、溶融金属は最終的にガス通路の遠位端を塞ぎ、よって、室１５の真空圧が続くのを効果的に阻止し、溶融金属が室１５に流れるのを停止して、混在物のそれ以上の効果的な測定が出来なくなる。従来例の測定子１０の構造故、ガス通路２２が完全に塞がった時の室に存在する溶融金属の正確な量は確かでなく、金属の流体素子、開孔部の大きさおよびその他の因子により変化する。本発明は、室における溶融金属容量をより正確に制御することに基づいて溶融金属中の粒子を測定する限定時間をもっと正確に定義できるようにして従来例の測定子に伴った問題を克服し、もっとやり易くて、正確な測定を提供する。図３は溶融金属中に縣濁する粒子を検出して測定するための本発明による改良測定子を示す。改良測定子１１０は、図１および図２に関して、上記した測定子１０とほぼ同じであるがいくつかの相違点がある。従って、以下の記載は本発明の測定子１１０と従来例の測定子１０との間の構造上および作用上の相違点にのみ関する。

図３に関し、第１の主要な相違点はガス通路１２２を含んでいることである。このガス通路は、この実施例では、従来例の測定子１０のガス通路２２よりかなり短い。図３に示されているように、ガス通路１２２は内管１１６の長さの半分未満にしか延びていない。ガス通路１２２の長さを短くすることによって、ガス通路の遠位端が塞がって室１１５内の真空圧を制限することなくかなりの追加の溶融金属が溶融金属受け入れ室１１５内に集積される。第１対のワイヤ１２４をガス通路１２２の遠位端に連結するのが好ましい。

第２の主要な相違点は少なくとも１つそして好ましくは１対の第２細長い筒状部材あるいはワイヤ１２５を使用していることである。この部材あるいはワイヤ１２５は、(機械的にそして電気的に)その第一端がガス通路１２２に、好ましくは、溶接、硬ろう付けハンダ付け等によって固定されている。第２対のワイヤ１２５は第１対のワイヤ１２４の第１長さより短い第２長さを有し、内管１１６の内部に沿って室１１５に延びて室１１５内の金属と係合する。この第２対のワイヤ１２５は、内管１１６の閉鎖端１１６から所定距離分間隔を開けて離れている所定の位置で終わっている。第２対のワイヤ１２５は導電材料で形成されていて、ガス通路１２２と上記第１対のほぼ筒状の部材あるいはワイヤ１２４と組み合って溶融金属受け入れ室１１５内に延びる第１電極を形成する。ほぼ筒状の金属製冷凍ブロック１２７が第２対のワイヤ１２５の遠位端あるいは第２端に(機械的および電気的に)固定されていて、冷凍ブロック１２７は室１１５内の液相線押し下げ材料から間隔を開けて離れている。冷凍ブロック１２７は当業者には周知の標準の冷凍材料で作製されている。

短くなったガス通路１２２と、第２対のワイヤ１２５と冷凍ブロック１２７の追加を除いて、測定子１１０は図１と図２に関し上記した測定子１０と同じである。使用に際し、測定子１１０は、従来例の測定子１０に関し上記したようにバルブを介して真空源とパージガス源に連結される。測定子１１０は、また、上記と同じように測定装置４８に連結される。最初、測定子１１０を溶融金属に挿入して、従来例の測定子に関し上記したのと同じ検出と測定がなされる。最初の測定段階では、第１電極１２５と第２電極１２６との間の開孔部を横断して一定の電流が供給される。先ず、室１１５に入っていく溶融金属は２つの電極間第１対のワイヤ１２４のみ上で電気接触する。よって、回路の抵抗は１対のワイヤ１２４の抵抗のみによって既知の測定できる分だけ影響される。室に溶融金属が充填し続けると、最終的に金属は金属製冷凍ブロック１２７に接触する。この時、一定電流の回路の抵抗は、回路の抵抗を変化させる第２対のワイヤ１２５の追加で回路の抵抗が下がることにより変化する。抵抗が下がることにより回路に一時的に電流が過度に流れ、それは測定可能な信号なので測定装置内で検出できる。内管１１６内の金属製冷凍ブロック１２７の位置は分かっているので、測定装置により、溶融金属が冷凍ブロック１２７と最初に接触した際室にある金属の正確な容量が分かる。これにより、溶融金属の特定の正確な容量内の混在物の数をより正確に決定するのに必要な追加の情報を測定装置に与える。加えて、冷凍ブロック１２７に接触している溶融金属はより正確で簡単に決定できる信号を与えるので効果的に測定を終わらせ、その結果溶融金属中の混在物のより信頼できる分析ができることになる。

本発明の広い発明的概念を逸脱することなく上記の実施例を変更できることは当業者には理解できることである。よって、本発明は開示された特定の実施例に制限されず、添付のクレームに記載されている、本発明の精神と範囲内での変形例をもカバーすることを意図するものである。

従来例の測定子の横断側面図。 図１に示されている測定子の挿入端の拡大横断側面図。 本発明により改良された測定子の好ましい実施例の横断側面図。

Claims (11)

1. 電気検出ゾーン方法を用いて溶融金属中に縣濁した粒子を検出して測定するため溶融金属に挿入するための測定子において、その測定子が
   電気絶縁材料製で封止され、溶融金属受け入れ室を形成する内管であって、上記の室に溶融金属が流れ込むようにする、上記の測定子の挿入端に近接した少なくとも１つの開孔部を含むものと、
   上記の内管から延出して真空源と連結し、内管の内側と外側との間で差圧を生じさせ、上記の少なくとも１つの開孔部を通って溶融金属が流れるのを容易にするガス通路と、
   室内に延びて、室内の金属と係合する第１電極であって、ガス通路と、第１長さを有し、ガス通路と電気的に連結する少なくとも１つの第１細長い部材とを含むものと、
   内管の少なくとも１部を囲み、上記の室外で溶融金属と係合する第２電極であって、第１電極と第２電極とは測定装置と連結して、両電極間および上記の少なくとも１つの開孔部を通る電流路を成立させ、上記の開孔部を通る溶融金属に同伴する粒子の通過によって生じる電極間の電位変化を測定し、
   第２電極の少なくとも１部を囲む、耐熱材料製外側被覆であって、これを断熱するものと、
   上記室内の液相線押し下げ材料であって、室に入ってくる溶融金属と合金化して室内の溶融金属の液相温度を下げ、より長い時間をかけて溶融金属中の粒子を検出して測定することを可能にするものとからなるものにおいて、改良点が
   少なくとも１つの第２細長い部材であって、その第１端で上記のガス通路に電気的に連結し、室内に延びて室内の金属と係合するものと、
   上記の少なくとも第２部材の第２端に取り付けらた冷凍ブロックであって、この冷凍ブロックが上記の液相線押し下げ材料から間隔を開けて離れるように上記の少なくとも１つの第２部材が第２長さを有することからなるもの。
2. 請求項１に記載の測定子であって、第２長さが第１長さより短いもの。
3. 請求項１に記載の測定子であって、ガス通路が内管の長さの半分未満までにしか延びていないもの。
4. 請求項１に記載の測定子であって、少なくとも１つの第１部材がガス通路の遠位端に連結されているもの。
5. 請求項１に記載の測定子であって、ガス通路が最初、少なくとも測定子を溶融金属中に挿入している間パージガス源に連結してパージガスを室内に流して溶融金属が室内に流れ込むのを阻止するもの。
6. 請求項５に記載の測定子であって、更に、真空源かパージガス源かのいずれかにガス通路を連結するためのバルブを備えるもの。
7. 請求項１に記載の測定子であって、ガス通路が内管内に所定距離だけ延びて室に入る金属の量を設定するもの。
8. 請求項１に記載の測定子であって、第１電極が、ガス通路と、ガス通路から室内に延びる少なくとも１つの第１ワイヤと、ガス通路から室内に延びる少なくとも１つの第２ワイヤとからなるもの。
9. 請求項１に記載の測定子であって、第２電極の内側寸法が、内管の外側寸法より大きくて、それらの間に環状スペースを創るもの。
10. 請求項１に記載の測定子であって、更に、第２電極の挿入端近くの環状スペース内に位置するスペーサ部材を備えるもの。
11. 受け入れ室を成立する、電気絶縁材料製の封止された内管を含む測定子を用いて溶融金属中の粒子を検出して測定する方法であって、上記の内管が溶融金属を室内に流れ込ませるための開孔部と、室内に延びて室内の金属と係合する第１電極と、内管の少なくとも１部を囲んで室外の溶融金属と係合する第２電極と、第２電極の少なくとも１部を囲む、耐熱材料製の外側被覆であって、これを断熱するものと、内管から延出するガス通路とを含むものにおいて、上記の方法が
    液相線押し下げ材料を室内に据付け、
    冷凍ブロックを第１電極に連結し、
    第１電極と第２電極とを測定装置に連結することであって、これにおいては第１電極がガス通路と、ガス通路から室内に延びる少なくとも１つの第１ワイヤと、ガス通路から室内に延びる少なくとも１つの第２ワイヤとを含み、上記の少なくとも１つの第２ワイヤは上記の少なくとも１つの第１ワイヤより短く、冷凍ブロックが少なくとも１つの第２ワイヤに取り付けられており、
    ガス通路を真空源に連結し、
    溶融金属が上記の開孔部を通って室内に流れ込むように溶融金属中に測定子を据付け、
    測定装置が両電極および開孔部を通る電流路を成立し、
    開孔部を通過する溶融金属に同伴する粒子の通過によって生じる両電極間の電位変化を測定するもの。
    
    

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