JP4383739B2 - 熔融金属中の微粒子の検出及び測定のための装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
（関連する出願への相互参照）
本出願は２０００年９月１２日に出願された米国特許出願No.60/231,783「熔融金属中の微粒子の検出及び測定のための装置」の優先権を主張し、その出願の内容は全て参照として本出願に組み込まれる。
【０００２】
（発明の背景）
本発明は熔融金属中の微粒子の検出及び測定のための装置に関し、さらに詳しく述べると、微粒子の測定を向上させるために、サンプリングされる熔融金属が固化または凝固し始める温度を下げ、より長い時間にわたってより多くの熔融金属をサンプリングすることを可能にする液相線降下材料（liquidus depressing material）を含む、改善された装置に関する。
【０００３】
熔融金属、特に熔融アルミニウム、熔融スチールは結果として完成した金属産物に多様な欠点や欠陥の増大を招く非金属含有物の混入（または、飛沫同伴）によって汚染されることが多い。一般的に、延伸または深絞り用（deep drawing）の原料の特性に悪影響を与えるものとして、深絞り用の原料中のアルミナ等の、特定の範囲のサイズの非金属含有物（または、非金属混入物）が知られている。これらの含有物の量に対する情報は完成した産物の適正（または、用途適合性）を決定するために有効である。
【０００４】
１９５３年１０月２０日にWallace A.Coulterに付与された米国特許No.2,656,508には液体中の浮遊粒子の電気的領域検知（electrical zone sensing）（または、電気センシングゾーン法）のための装置が開示されている。典型的な装置の場合、壁面に開口を備えた管（または、チューブ）が大きめの容器内に配置される。検出及び測定の対象となる粒子を含む電解質の懸濁液を容器に入れ、管の内部と容器との間に圧力差を確立することにより、開口を通して懸濁液を管内に流れ込ませる。容器及び管はガラス等の絶縁体から作製され、開口を通して一定の電流が流される。開口を通って流れる液体中の粒子の存在は開口部で検出される電気抵抗の変化をもたらすので、粒子が開口を通過して抵抗が変化するたびに、一定の電流を発生するための電圧の値が変化する。各粒子によって生ずる抵抗（の大きさ）の変化は粒子によって立ち退かせる開口部の電解液の容積及び粒子自体の電気抵抗に依存し、検出回路はこの抵抗（の大きさ）の変化から開口を通過する粒子のサイズを決定する。検出された情報は適当な電子回路によって増幅及び処理される。
【０００５】
米国特許No.4,555,662は熔融金属試料中の、熔融金属と異なる伝導率を持った、予め決められたサイズより大きい浮遊粒子（または、懸濁粒子）の検出及び測定のための方法及び装置を開示している。装置は：容器内を通って拡張する（通常、２００から５００マイクロメートルの直径を持った）小さな通路（または、水路）を備えた電気絶縁性の容器；熔融金属試料及び小さな通路を通って、それらの間に電流経路を確立するために容器の内側及び外側に配置された一組の電極；熔融金属試料に通路を通過させるための手段；及び、電流経路中の熔融金属を通して２つの電極の間に電流を流し、通路を通る微粒子の流れ（または、微粒子の存在）によって生ずる電圧の変化を検出するための手段から成る。
【０００６】
装置はまた、特定の測定期間中に、微粒子の数を表す電圧変化の回数をカウントし、変化を引き起こす微粒子のサイズを表す各電圧変化の大きさを測定するための手段を含む。開示されている装置は下端に小さい穴を備えた耐熱性の管（または、チューブ）を含み、それは熔融金属中の、例えば熔融金属が流れているトラフ（または、溝）に浸漬される。一方の電極は管の内側に配置され、もう一方の電極は管の外側に配置される。熔融金属は管（または、チューブ）に適用される圧力差の手段によって小さい穴を通過させられる。
【０００７】
上述の２つの特許に開示されている装置の動作原理は基本的に熔融アルミニウム中の非金属粒子の測定に向けられている。熔融アルミニウム中の微粒子測定のために使用される装置は、処理温度の大きな差により、熔融スチール中での使用には適していない。開示された粒子カウンターは一般に、７５０℃程度の温度で熔融アルミニウムの測定を行うが、スチールの測定の温度は約１５５０℃に達する。装置の部品に対して、より適した材質を代用することは現実的ではない。このような高温に対する耐性を持ち、微粒子の測定を実施するために必要な比較的長い時間に対して安定な材質は希少であり、かつ非常に高価である。
【０００８】
米国特許No.5,198,749はスチール及びその合金のための高い処理温度によってもたらされる装置の構成上の多様な難題に対処するために、高温での比較的長い測定時間に対する障害を克服するための測定方法を提供している。開示された装置は支持部材に着脱可能に接続された一回限りの、使い捨てのプローブを備える。装置の着脱性は熔融鉄及び熔融スチール産業における使い捨てのセンサーの分野においては一般的である。プローブは比較的繰り返し使用可能な装置の先端に、電極及びオリフィス（または、開口部）を構成するための部品、及び、プローブの熔融金属中への浸漬後に流入する金属を冷却するために使用される噴出制限挿入物（jet limiting insert）を備える。プローブの浸漬の前にオリフィスは溶解性の（または、溶解可能な）カバーによって閉じられ、また、カバー自体は溶解性の（または、溶解可能な）シールド（スラグキャップ）により保護され、スラグがプローブ内に入り込むことを防ぎながら、プローブが熔融金属の上部のスラグ層を通過することを可能にする。
【０００９】
このようなキャップもまた、使い捨ての熔融金属センサーの分野においては周知の技術である。内部チャンバー（または、内部小室）への熔融金属の充填を促進するために管内に減圧された圧力状態が確立されてもよいし、流れのレイノルズ数を２０００未満に維持するために加圧されてもよい。内部チャンバーは狭い穴によって接続された２つの区画室に分割されてもよい。この構成は金属が１つの区画室に入り、それを充填したときに、金属を穴内で凝固させ、（真空源が備えられている場合）金属が２つめの区画室に入るのを防ぐことにより真空源を保護し、所定の量の金属がプローブに入るようにすることを可能にする。
【００１０】
開示された装置は高温での長時間の問題を克服するために、約２分程度の短い測定による使い捨ての構成を利用しているが、この解決方法は新たな問題を提示している。上述の構成による短時間の測定装置はプローブの内部の部品が予加熱されるために十分な時間を与えない。入ってくる熔融金属は室温に近いプローブの内部の材質に注がれ、急速に冷却される。予加熱の不足は内部チャンバーに入ってくる熔融金属の必要以上に速い凝固を生じさせ、サンプリングされる金属の量を制限してしまう。
【００１１】
熔融金属の液相線の温度（liquidus temperature）は冷却された液体が凝固し始める温度のことである。熔融金属の処理温度と液相線の温度との間の差（の状態）は過熱（状態）と呼ばれる。プローブが連続的な鋳造を行っている熔融スチールのタンデッシュ（tundish）に浸漬される場合、付加的な問題が生ずる。タンデッシュ中の熔融スチールの温度はスチールの液相線温度の２０−４０℃程度高い温度であり、２０−４０℃の過熱（状態）となる。液体のスチールは低い熱伝導度を持ち、凝固を起こさないサンプリング状態を維持する程度にプローブの内部チャンバーの壁の温度を上げる能力がない。装置自体もプローブの温度の低い部分への熱伝導により、充填中のチャンバー内の液体金属を冷やしてしまう。したがって、このようなプローブの使用可能な適用範囲は十分な過熱（状態）を持った金属に制限されてしまう。
【００１２】
本発明に従うと、使い捨て型の熔融金属含有物センサーが提供される。センサーは低い過熱（状態）の、すなわち、凝固温度付近の温度の熔融金属中に浸漬され、従来技術の電気センシングゾーン法（electric sensing zone method）により熔融金属中で含有物の検出を行う。本発明は含有物の検出のために熔融金属中に浸漬されるプローブによって特徴付けられる。プローブは内部チャンバーに対して非常に高い断熱の構成を持ち、内部チャンバーは流入してくる金属の液相線または凝固の温度を効果的に下げる添加物を含む。
【００１３】
本発明は特にスチールや鉄の含有量の多い合金等の、熔融金属槽中の非伝導性の微粒子の検出のための装置を提供する。使用中、熔融金属は、内部の容器から電気絶縁性で耐熱性の壁のオリフィス（または、開口）を通って熔融金属の槽に達する電流経路を確立するためにオリフィスから流入される（または、ポンピングされる）。電流は電流経路に沿って流される。オリフィスを通過する浮遊粒子（または、懸濁粒子）の通過を示す、パルス形状の電圧変化が測定される。パルスの大きさは粒子の大きさを表し、パルスの回数は熔融金属の非金属含有物の大きさに対する分布状態（または、サイズ分布）を与える。
【００１４】
本発明は比較的短時間で、比較的小さいセンサーによって行われる電気センシングゾーン法（electric sensing zone method）によって熔融金属中の浮遊微粒子の濃度及びサイズ分布の検出のための装置を開示する。１つの実施例においては、チャンバー（または、小室）に流入し、チャンバーの熱的な中心を湧昇（welling up）する熔融金属が電極によって必要以上に速く冷却されないように、内部チャンバー電極はチャンバーの壁に沿って配置される。金属がチャンバーを充填するとき、それは最初に熱的な中心を通って流れ込み（または、チャンバーの中央部を上昇しながら流れ込み）、その後に壁及び電極に接触し、凝固または固化される。
【００１５】
本発明は熔融金属の処理中（または、鋳造中）に利用することが可能であり、凝固温度に近い状態の金属の測定をすることが可能である。本発明は注入される金属の液相線温度を下げ、（見かけ上の、または、実質的な）過熱（状態）を増大させることが知られている複数の金属から選択される、（１つまたは複数の）金属を流入してくる金属に混ぜ合わせることにより、内部チャンバー内の金属の液相線温度を低下させ、プローブのための実効的な測定時間を長くすることを可能にするための添加物を含む。
【００１６】
（発明の要約）
概略的に述べると、本発明は電気センシングゾーン法（electric sensing zone method）を使用して、熔融金属中の浮遊微粒子（または、懸濁微粒子）を検出及び測定するために熔融金属中に挿入される改善されたプローブを備える。プローブは熔融金属受容チャンバーを形成する、概略封止された（すなわち、一部を除いて封止された）伝記絶縁性材料の管（または、チューブ）を備える。管は熔融金属がチャンバーに流れ込むことを可能にするために、プローブの挿入される側の端の近くに少なくとも１つのオリフィスを持つ。
【００１７】
第１電極はチャンバー内の金属と接触するためにチャンバー内に拡張する。第２電極はチャンバーの外側の熔融金属と接触するために内管の、少なくとも一部を囲む。第１及び第２の電極は、電極及びオリフィスを通る電流経路を確立し、熔融金属に混入（または、飛沫同伴）した微粒子のオリフィスの通過によって生ずる電極間の電位差の測定を行うために測定装置に接続可能である。第２電極に断熱性を与えるために、第２電極の少なくとも一部は耐熱性材料の外部シース（または、さや）によって覆われる。内管の内側と外側との間に圧力差を作り出し、オリフィスを通る熔融金属の流れを促進させるために、真空源への接続のためのガス通路が内管の外側に拡張する。本発明はチャンバー内の熔融金属の液相線温度を低下させ、熔融金属中の微粒子の検出及び測定のための時間を長くするために、チャンバー内に、チャンバーに入ってくる熔融金属に混ぜ合わせるための液相線降下材料（liquidus depressing material）を含む。
【００１８】
上述の要約及び、以下の好まれる実施例の詳細な説明は付随する図面と共に読むことによって、より明らかに理解される。本発明の説明の目的のために、現在のところ最も好まれる実施例が図示されている。しかしながら、本発明が図示された配置及び構成のみに限定されないことは理解されなければならない。
【００１９】
（本発明の詳細な説明）
図１−３を参照すると、熔融金属中に浮遊する（または、懸濁する）微粒子の検出及び測定をするための、本発明に従ったプローブ１０が示されている。プローブ１０は概略的に細長い円筒形の形状であり、挿入側の端（以降、挿入端と呼ぶ）１２、及びコネクタ側の端（以降、コネクタ端と呼ぶ）１４を含む。プローブのコネクタ端１４はこの分野で周知のタイプの、測定プローブを熔融金属に挿入するために利用される支持構造（図示せず）に固定されるように構成される。支持構造の詳細な説明は本発明の理解のために必要ではないので省略する。
【００２０】
プローブ１０は熔融スチールや他の熔融金属槽中の高温に対して耐性のある電気絶縁性の材料から作製される、一方の端が閉じた細長の内管１６を備える。この実施例において、内管１６は石英から形成されている。しかしながら、必要とされる電気絶縁性及び高温に対する特性を持った他の材料を代替的に使用することができることは当業者にとって明白であろう。示されているように、内管１６の挿入端は閉じられており、コネクタ端は概略円筒形で、電気絶縁性のプラグまたは封止部材１８によって封止されている。
【００２１】
好まれるものとしてポリマー材料から作製される封止部材１８は内管１６のコネクタ端にガス気密状の封止を形成するために、好まれるものとして接着剤２０を利用して、内管１６の開端内に固定される。封止部材１８は好まれるものとして、ポリマー材料から作製されるが、それ自体で、または、他の封止材、接着剤、または同様な材料との組合せにより、内管１６に対してガス気密封止状態を形成することが可能な他の材料を代替的に使用することができることは当業者にとって明白であろう。好まれるものとして、接着剤２０は石英または、内管１６を形成するために利用される他の材料に対して封止状態を形成するのに適した、商業上入手可能なエポキシである。しかしながら、この分野で周知の他の接着剤が利用されてもよい。
【００２２】
内管１６の挿入端は熔融金属受容チャンバー１５を形成する。プローブ１０が熔融金属に挿入されたときに、熔融金属が熔融金属受容チャンバー１５内に流れ込むことを可能にするために、少なくとも１つのオリフィス（または、開口）１７が、内管の挿入端の近くの部分を貫通して形成される。オリフィス１７は好まれるものとして、３００から１０００マイクロメートルの範囲の直径を持った円形である。オリフィス１７の直径がこれ以上、またはこれ以下であってもよいことや、オリフィス１７が円形でなくてもよいことは当業者に理解されなければならない。好まれるものとして、内管１６は約１ｍｍの厚さを持つ。しかしながら、内管１６がこれ以外の厚さであってもよいことは当業者に理解されなければならない。熔融金属受容チャンバー１５の容積は以下に説明されるように、測定内容に応じて変化してもよい。
【００２３】
実施例において、ガス通路２２は概略円形で、細長い部材から構成され、封止部材１８を貫通して、内管１６内に拡張する。ガス通路２２は好まれるものとして、スチール等の、電気伝導性金属から形成される。しかしながら、他の電気伝導性の材料がガス通路２２のために利用されてもよい。図１に示されているように、ガス通路２２は内管１６の挿入端までは拡張していない。
【００２４】
少なくとも１つ、好まれるものとして一組の、概略円柱形の部材（または、概略円筒形の部材）２４が（好まれるものとして、溶接、蝋付け、または、はんだ付けによって、機械的かつ電気的に）ガス通路２２に接続され、内管１６の内部に沿って、内管１６の挿入端の近くまで拡張する。細長い円柱形の部材２４は電気伝導性材料から形成され、ガス通路２２と組み合わさって、熔融金属受容チャンバー１５内に拡張する第１電極を確立する。好まれるものとして、細長い円柱形の部材２４は高い融点を持った電気伝導性のMo、W、Feの電極ワイヤ、または、高い融点を持った他の電気伝導材料から形成される。この方法により、第１電極は内管１６の挿入端からガス通路２２の遠位の端まで拡張する。
【００２５】
内管１６は少なくとも、縦方向の大部分が、概略管状（または、円筒形）の電気伝導性部材２６によって覆われる。管状の伝導性部材２６は好まれるものとして、スチールから作製されるが、他の伝導性材料が利用されてもよい。管状部材２６の内径は少なくとも、内管１６の外径より僅かに大きく、管状部材２６と内管１６の外面との間には小さな環状の空間（または、環状の隙間）２８が形成される。プローブが熔融金属に挿入されたときに、管状部材２６に断熱性を与えるために、少なくとも管状部材２６の大部分は外部シース（または、外側のさや）３０によって覆われる。実施例において、外部シース３０は加熱されたときにフェノール結合（phenolic bond）を形成する樹脂被覆砂（resin coated sand）から形成される。しかしながら、他の断熱材料が利用されてもよいことは当業者に明らかであろう。
【００２６】
図３に最もよく示されているように、管状部材２６の一部は外部シース３０を越えて拡張しており、プローブ１０が熔融金属に挿入されたときに、管状部材２６は熔融金属に直接接触する。図２に最もよく示されているように、管状部材２６のもう一方の端は内管１６のコネクタ端を越えて拡張する。管状部材２６は内管１６の外側に第２電極を確立する。管状部材２６のコネクタ端はこの分野で周知の機械的インターロック（または、機械的連結装置）によって封止部材１８に固定される。インターロックは、封止部材１８と結合したとき、管状部材２６と内管１６の間に環状の空間２８を保持しながら、それらのコネクタ端を一緒に固定する。
【００２７】
環状の空間２８を保持し、搬送中及び使用中に内管１６がぐらつくのを防ぎ、内管１６が破損するのを防ぐために、管状部材２６と内管１６の挿入端の間にはスペーサー３４が挿入される。好まれるものとして、スペーサー３４は適当な弾性材料から形成されるＯ型のリングから構成される。しかしながら、管状部材２６が他のコネクタ方法を利用して内管１６に固定されてもよいことや、スペーサー３４が他の材料から作製されてもよいことは当業者に明らかであろう。
【００２８】
図３に最もよく示されているように、内管１６の挿入端は最初に、金属スラグキャップ３６及びペーパーキャップ３８によってカバーされている。金属スラグキャップ３６及びペーパーキャップ３８はプローブ１０が、処理中に熔融金属を覆うことが多いスラグ層を通過して挿入されるときに、内管１６、特にオリフィス１７が汚染されることを防ぐ。金属スラグキャップ３６は好まれるものとして、スチールまたは、この分野で周知の他の適当な材料から形成される。
【００２９】
プローブ１０のコネクタ端はこの分野で周知のタイプの、測定プローブを熔融金属に挿入するために利用される支持構造（図示せず）に一時的に固定されるように構成される。封止部材４０は、ガス通路２２と制御バルブ４２との間にガス気密状の接続を与えるために利用される。バルブ４２は真空源４４及び浄化ガス供給源４６に接続される。バルブ４２が第１位置にあるとき、真空源４４はガス通路２２を介して内管１６と流体の伝達が可能な状態にあり、熔融金属受容チャンバー１５内に真空状態を作り出す。チャンバー１５内の真空状態の生成は熔融金属のオリフィス１７を介したチャンバー１５への流入を促進する。
【００３０】
バルブ４２が第２位置にあるとき、オリフィス１７を介したチャンバー１５への熔融金属や汚染物の流入を防止するために、浄化ガス供給源４６からガス通路２２を通って内管１６の内部にガス（または、気体）が供給される。封止部材１８は接着剤２０のためのポッティング領域（potting area）、ガス通路２２のためのガス気密取付け器具、管状部材２６のための取付け手段、及びＯ型リング封止部材４０のためのガスケット用座部を与える。実施例において、これらの機能は単体の部品によって実施されているが、複数の部品が使用されてもよいことは理解されなければならない。
【００３１】
プローブ１０が支持構造物に接続されたとき、ガス通路２２のコネクタ端（第１電極）及び管状部材２６のコネクタ端（第２電極）と外部の測定装置４８との間に直接的な電気的接続が確立される。測定装置４８は熔融金属中に浮遊する（または、懸濁する）微粒子を検出及び測定するために電気センシングゾーン法（electric sensing zone method）を使用する、この分野で周知のタイプのものでよい。プローブ１０が熔融金属に挿入されたとき、測定装置４８はオリフィス１７を通過する熔融金属中に混入（または、飛沫同伴）した微粒子の通過によって生成される、第１と第２の電極の間の電位差の変化を測定するために、第１及び第２の電極の間にオリフィス１７を通過する電流経路を確立する。測定装置４８の詳細はこの分野で周知であり、上述の特許を含む他の文献に説明されている。したがって、測定装置４８の構造及び動作の詳細な説明は省略する。
【００３２】
図３に最もよく示されているように、液相線降下材料（liquidus depressing material）５０は内管１６の、オリフィス１７付近の挿入端内に備えられる。好まれる実施例において、液相線降下材料５０は概略螺旋状のワイヤのコイルの形状で備えられる。しかしながら、液相線降下材料５０が粒状であってもよいことや、管状、ディスク状等の他の形状で備えられてもよいことは理解されなければならない。好まれる実施例において、液相線降下材料５０は銅である。しかしながら、液相線降下材料５０は鉄またはスチールの液相線温度を降下させる効果がある他の材料、または他の材料の組合せ物であってもよい。そのような材料はAl、Au、Be、C、Co、Ge、Mn、Ni、P、S、Sb、Si、及びSn、並びに、この分野で周知の他の単一の要素または材料または、それらの組合せ物を含む。
【００３３】
したがって、好まれる実施例では銅が使用されているが、銅の使用が説明のためであることは理解されなければならない。当業者には明らかであると思われるが、液相線降下材料５０はオリフィス１７を通ってチャンバー１５に入ってくる熔融金属と混ぜ合わされ、結果的に生ずる合金（または、混合物）はチャンバー１５に入ってくる熔融金属の液相線温度より低い液相線温度を持つ。ワイヤ２４は内管１６の壁に近いので、中央の湧昇部（up-well）（または、熔融金属の上昇部）の領域の液体金属の冷却は防止される（または、遅らされる）。
【００３４】
図４はチャンバー１５への銅の液相線降下材料５０の添加の効果を図示している。例えば、溶液中に０.１０％の炭素を含む液体のスチールの場合、液相線温度は約１５２８℃であり、この等級（grade）のスチールは約１５７０℃の温度でタンデッシュ（tundish）から連続的に鋳造することができる。実施例においては、満杯になったときに約１００ｇのサンプリングスチールを含むことができるチャンバー１５に約１０ｇの銅５０が付加される。プローブ１０の熔融スチール中への浸漬の間、チャンバー１５の銅５０は内管１６を通る熱放射により急速に加熱される。
【００３５】
図４の状態図の下部の横軸には、鉄と銅の混合の割合が示されており、純銅は最も左側の部分に相当し、純鉄は最も右側の部分に相当する。縦軸には銅と鉄の任意の重量パーセントでの相の状態に対応する温度が示されている。チャンバー１５に鉄が存在しない最初の状態において、銅はチャンバー１５内で、液相線の１００％の銅に対応する左側の縦軸との交点によって示されているように、約１０８５℃で完全に熔融状態になる。
【００３６】
例として、チャンバー１５に入ってくるスチールが１００％の鉄であると仮定する。（通常の）スチールの純鉄からの偏移（または、ずれ）を修正するための図やグラフは当業者にとって容易に入手することができるだろう。チャンバー１５に１０ｇの熔融スチールが入った後、０.１％の炭素スチール（または、炭素鋼）を１００％鉄（Fe）であるとして概算すると、銅とスチールの５０−５０の混合物に対する液相線温度は１４２５℃より僅かに高いところにある。チャンバー１５に十分な量のスチールが入った後、スチールは銅の割合を１５％程度に減少させ、液相線温度は約１４８０℃となる。
【００３７】
銅または他の液相線降下材料５０の添加はサンプリングした熔融金属が通常固化し始める温度を下げ、チャンバー１５が凝固する前により多くの熔融金属が注入されることを可能にする。当業者には、この方法によって生ずる液相線温度の降下がチャンバー１５にサンプリングすることによる熱の損失を補うことが明白であろう。サンプリングされた金属への（１つまたは複数の）液相線降下材料の比率はプローブの構成、サンプリングされる材料の量、及びサンプリング時の熔融金属の過熱（状態）によって決められる。材料５０の入念な選択によって得られる付加的な長所は、溶液の化学反応により発熱を生じさせることが可能であり、熔融金属と液相線降下材料５０との混合によりチャンバー１５内の熔融金属を加熱することができることである。
【００３８】
使用において、プローブ１０は支持構造（図示せず）に固定され、第１及び第２の電極が測定装置４８に電気的に接続され、ガス通路２２はバルブ４２と流体の伝達が可能になる。はじめに、バルブ４２は第２位置にあり、不活性の浄化ガスが浄化ガス供給源４６からガス通路２２を通って内管１６、及びオリフィス１７の外側へ流れ込む。不活性の浄化ガスの圧力が測定された後、バルブ４２がオフにされ、圧力が時間と共に減少するときに、オリフィス１７の外部に漏れる不活性ガスの流量（または、流速）が測定される。オリフィス１７の外部に漏れる不活性ガスの流量（または、流速）はオリフィス１７のサイズに比例する。初期の圧力及び圧力差の変化を使用することにより、後で使用されるオリフィス１７の大きさが計算される。
【００３９】
そして、バルブ４２は第２に位置に戻される。プローブ１０が上部のスラグ層を通って熔融金属中に挿入されるとき、ペーパーキャップ３８が破壊され、内管１６及び管状部材２６の挿入端を熔融金属に対して露出させるために金属スラグキャップ３６が溶かされる。熔融金属が内管１６に接触すると、オリフィス１７が実質的に封止され、外部の装置（図示せず）によって測定される浄化ガスの圧力が上昇する。この時点で、バルブ４２が第１位置に変えられ、真空源４４がガス通路２２及び内管１６の内部と流体の伝達が可能状態になり、チャンバー１５内に真空状態を作り出し、熔融金属がオリフィス１７を通ってチャンバー１５に流入することを促進する。
【００４０】
熔融金属がワイヤ２４と接触すると、完全な電気回路が確立され、測定装置４８は、熔融金属がオリフィス１７を通過するときに、熔融金属中に混入（または、飛沫同伴）した微粒子の通過によって生成される、電極間の電位差の変化を測定するために、電極及びオリフィス１７を通過する電流を流すチャンバー１５に流入する熔融金属は液相線温度を低下させるために液相線降下材料５０と混ぜ合わさり、液相線降下材料５０が存在しない場合の時間より長い期間の検出及び測定処理を可能にする。検出及び測定処理はチャンバー１５が液体金属で満たされ、液体金属が実効的にガス通路２２の挿入端を塞ぎ、チャンバー１５の真空圧力（または、真空を作り出すための圧力）を妨げるまで続けられる。
【００４１】
このブロッキング法（すなわち、ガス通路２２の閉鎖による方法）はサンプリングされる材料が必要以上にチャンバー１５に入ることを防ぎ、付加的な熱吸収部材を必要とせずに、予め決められた容量の金属をサンプリングするための手段を与える。ガス通路２２は他の部分より低い温度状態を保ち、接触によりチャンバー内の金属を適当に冷却するために、封止部材１８によりプローブ１０の他の全ての部品に対し隙間が開けられ、熱的に分離される。浄化ガスがチャンバー１５に供給される時間は、熔融金属がチャンバー１５に流入する前にペーパーキャップ３８が焼き払われ、スラグキャップ３６が溶解し、液相線降下材料５０が溶融することを可能にするように選択される。オリフィス１７を通って熔融金属が流入し始める前に、液相線降下材料５０の全てが完全に熔融することが必ずしも必要ではないことは、当業者に明らかであるだろう。
【００４２】
利用される液相線降下材料の種類や、液相線降下材料の量が応用例や試験される熔融金属の化学的状態により変化してもよいことは当業者に明白であるだろう。また、チャンバー１５の大きさ及び、チャンバー１５に流入される熔融金属の量がガス通路２２の長さ、並びに、内管１６の長さ及び直径の変化と共に変化してもよいことも当業者に明白であるだろう。液相線降下材料は測定サイクル中を通じて概略一定の流量でオリフィス１７を通って、より多くの金属が流入することを可能にし、混入（または、飛沫同伴）された微粒子のより効果的で、より正確な測定を提供する。
【００４３】
前述の内容より、本発明が熔融金属中に浮遊する（または、懸濁する）微粒子の検出及び測定のための、改善されたプローブを提供することが理解されるだろう。本発明の概念から外れることなく、説明された実施例に多様な変更を行うことができることが当業者には明らかであるだろう。それゆえ、本発明が説明された実施例には限定されず、付図する請求の範囲で規定される本発明の意図及び範囲内の全ての変更及び改良を含むことが理解されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従ったプローブの好まれる実施例の断面図である。
【図２】 図１に図示されたプローブのコネクタ側の端の、拡大された断面図である。
【図３】 図１に図示されたプローブの挿入側の端の、拡大された断面図である。
【図４】 図１のプローブのチャンバーへの好まれる液相線降下材料の添加による効果を図示している状態図である。
【符号の説明】
１０ プローブ
１２ 挿入端
１４ コネクタ端
１５ 熔融金属受容チャンバー
１６ 内管
１７ オリフィス
１８ 封止部材
２０ 接着剤
２２ ガス通路
２４ 円柱形の部材（ワイヤ）
２６ 伝導性の管状部材
２８ 環状の隙間
３０ 外側のシース
３４ スペーサー
３６ 金属スラグキャップ
３８ ペーパーキャップ
４０ Ｏ型リングの封止部材
４２ 制御バルブ
４４ 真空源
４６ 浄化ガス供給源
４８ 測定装置
５０ 液相線降下材料
（関連する出願への相互参照）
本出願は２０００年９月１２日に出願された米国特許出願No.60/231,783「熔融金属中の微粒子の検出及び測定のための装置」の優先権を主張し、その出願の内容は全て参照として本出願に組み込まれる。
【０００２】
（発明の背景）
本発明は熔融金属中の微粒子の検出及び測定のための装置に関し、さらに詳しく述べると、微粒子の測定を向上させるために、サンプリングされる熔融金属が固化または凝固し始める温度を下げ、より長い時間にわたってより多くの熔融金属をサンプリングすることを可能にする液相線降下材料（liquidus depressing material）を含む、改善された装置に関する。
【０００３】
熔融金属、特に熔融アルミニウム、熔融スチールは結果として完成した金属産物に多様な欠点や欠陥の増大を招く非金属含有物の混入（または、飛沫同伴）によって汚染されることが多い。一般的に、延伸または深絞り用（deep drawing）の原料の特性に悪影響を与えるものとして、深絞り用の原料中のアルミナ等の、特定の範囲のサイズの非金属含有物（または、非金属混入物）が知られている。これらの含有物の量に対する情報は完成した産物の適正（または、用途適合性）を決定するために有効である。
【０００４】
１９５３年１０月２０日にWallace A.Coulterに付与された米国特許No.2,656,508には液体中の浮遊粒子の電気的領域検知（electrical zone sensing）（または、電気センシングゾーン法）のための装置が開示されている。典型的な装置の場合、壁面に開口を備えた管（または、チューブ）が大きめの容器内に配置される。検出及び測定の対象となる粒子を含む電解質の懸濁液を容器に入れ、管の内部と容器との間に圧力差を確立することにより、開口を通して懸濁液を管内に流れ込ませる。容器及び管はガラス等の絶縁体から作製され、開口を通して一定の電流が流される。開口を通って流れる液体中の粒子の存在は開口部で検出される電気抵抗の変化をもたらすので、粒子が開口を通過して抵抗が変化するたびに、一定の電流を発生するための電圧の値が変化する。各粒子によって生ずる抵抗（の大きさ）の変化は粒子によって立ち退かせる開口部の電解液の容積及び粒子自体の電気抵抗に依存し、検出回路はこの抵抗（の大きさ）の変化から開口を通過する粒子のサイズを決定する。検出された情報は適当な電子回路によって増幅及び処理される。
【０００５】
米国特許No.4,555,662は熔融金属試料中の、熔融金属と異なる伝導率を持った、予め決められたサイズより大きい浮遊粒子（または、懸濁粒子）の検出及び測定のための方法及び装置を開示している。装置は：容器内を通って拡張する（通常、２００から５００マイクロメートルの直径を持った）小さな通路（または、水路）を備えた電気絶縁性の容器；熔融金属試料及び小さな通路を通って、それらの間に電流経路を確立するために容器の内側及び外側に配置された一組の電極；熔融金属試料に通路を通過させるための手段；及び、電流経路中の熔融金属を通して２つの電極の間に電流を流し、通路を通る微粒子の流れ（または、微粒子の存在）によって生ずる電圧の変化を検出するための手段から成る。
【０００６】
装置はまた、特定の測定期間中に、微粒子の数を表す電圧変化の回数をカウントし、変化を引き起こす微粒子のサイズを表す各電圧変化の大きさを測定するための手段を含む。開示されている装置は下端に小さい穴を備えた耐熱性の管（または、チューブ）を含み、それは熔融金属中の、例えば熔融金属が流れているトラフ（または、溝）に浸漬される。一方の電極は管の内側に配置され、もう一方の電極は管の外側に配置される。熔融金属は管（または、チューブ）に適用される圧力差の手段によって小さい穴を通過させられる。
【０００７】
上述の２つの特許に開示されている装置の動作原理は基本的に熔融アルミニウム中の非金属粒子の測定に向けられている。熔融アルミニウム中の微粒子測定のために使用される装置は、処理温度の大きな差により、熔融スチール中での使用には適していない。開示された粒子カウンターは一般に、７５０℃程度の温度で熔融アルミニウムの測定を行うが、スチールの測定の温度は約１５５０℃に達する。装置の部品に対して、より適した材質を代用することは現実的ではない。このような高温に対する耐性を持ち、微粒子の測定を実施するために必要な比較的長い時間に対して安定な材質は希少であり、かつ非常に高価である。
【０００８】
米国特許No.5,198,749はスチール及びその合金のための高い処理温度によってもたらされる装置の構成上の多様な難題に対処するために、高温での比較的長い測定時間に対する障害を克服するための測定方法を提供している。開示された装置は支持部材に着脱可能に接続された一回限りの、使い捨てのプローブを備える。装置の着脱性は熔融鉄及び熔融スチール産業における使い捨てのセンサーの分野においては一般的である。プローブは比較的繰り返し使用可能な装置の先端に、電極及びオリフィス（または、開口部）を構成するための部品、及び、プローブの熔融金属中への浸漬後に流入する金属を冷却するために使用される噴出制限挿入物（jet limiting insert）を備える。プローブの浸漬の前にオリフィスは溶解性の（または、溶解可能な）カバーによって閉じられ、また、カバー自体は溶解性の（または、溶解可能な）シールド（スラグキャップ）により保護され、スラグがプローブ内に入り込むことを防ぎながら、プローブが熔融金属の上部のスラグ層を通過することを可能にする。
【０００９】
このようなキャップもまた、使い捨ての熔融金属センサーの分野においては周知の技術である。内部チャンバー（または、内部小室）への熔融金属の充填を促進するために管内に減圧された圧力状態が確立されてもよいし、流れのレイノルズ数を２０００未満に維持するために加圧されてもよい。内部チャンバーは狭い穴によって接続された２つの区画室に分割されてもよい。この構成は金属が１つの区画室に入り、それを充填したときに、金属を穴内で凝固させ、（真空源が備えられている場合）金属が２つめの区画室に入るのを防ぐことにより真空源を保護し、所定の量の金属がプローブに入るようにすることを可能にする。
【００１０】
開示された装置は高温での長時間の問題を克服するために、約２分程度の短い測定による使い捨ての構成を利用しているが、この解決方法は新たな問題を提示している。上述の構成による短時間の測定装置はプローブの内部の部品が予加熱されるために十分な時間を与えない。入ってくる熔融金属は室温に近いプローブの内部の材質に注がれ、急速に冷却される。予加熱の不足は内部チャンバーに入ってくる熔融金属の必要以上に速い凝固を生じさせ、サンプリングされる金属の量を制限してしまう。
【００１１】
熔融金属の液相線の温度（liquidus temperature）は冷却された液体が凝固し始める温度のことである。熔融金属の処理温度と液相線の温度との間の差（の状態）は過熱（状態）と呼ばれる。プローブが連続的な鋳造を行っている熔融スチールのタンデッシュ（tundish）に浸漬される場合、付加的な問題が生ずる。タンデッシュ中の熔融スチールの温度はスチールの液相線温度の２０−４０℃程度高い温度であり、２０−４０℃の過熱（状態）となる。液体のスチールは低い熱伝導度を持ち、凝固を起こさないサンプリング状態を維持する程度にプローブの内部チャンバーの壁の温度を上げる能力がない。装置自体もプローブの温度の低い部分への熱伝導により、充填中のチャンバー内の液体金属を冷やしてしまう。したがって、このようなプローブの使用可能な適用範囲は十分な過熱（状態）を持った金属に制限されてしまう。
【００１２】
本発明に従うと、使い捨て型の熔融金属含有物センサーが提供される。センサーは低い過熱（状態）の、すなわち、凝固温度付近の温度の熔融金属中に浸漬され、従来技術の電気センシングゾーン法（electric sensing zone method）により熔融金属中で含有物の検出を行う。本発明は含有物の検出のために熔融金属中に浸漬されるプローブによって特徴付けられる。プローブは内部チャンバーに対して非常に高い断熱の構成を持ち、内部チャンバーは流入してくる金属の液相線または凝固の温度を効果的に下げる添加物を含む。
【００１３】
本発明は特にスチールや鉄の含有量の多い合金等の、熔融金属槽中の非伝導性の微粒子の検出のための装置を提供する。使用中、熔融金属は、内部の容器から電気絶縁性で耐熱性の壁のオリフィス（または、開口）を通って熔融金属の槽に達する電流経路を確立するためにオリフィスから流入される（または、ポンピングされる）。電流は電流経路に沿って流される。オリフィスを通過する浮遊粒子（または、懸濁粒子）の通過を示す、パルス形状の電圧変化が測定される。パルスの大きさは粒子の大きさを表し、パルスの回数は熔融金属の非金属含有物の大きさに対する分布状態（または、サイズ分布）を与える。
【００１４】
本発明は比較的短時間で、比較的小さいセンサーによって行われる電気センシングゾーン法（electric sensing zone method）によって熔融金属中の浮遊微粒子の濃度及びサイズ分布の検出のための装置を開示する。１つの実施例においては、チャンバー（または、小室）に流入し、チャンバーの熱的な中心を湧昇（welling up）する熔融金属が電極によって必要以上に速く冷却されないように、内部チャンバー電極はチャンバーの壁に沿って配置される。金属がチャンバーを充填するとき、それは最初に熱的な中心を通って流れ込み（または、チャンバーの中央部を上昇しながら流れ込み）、その後に壁及び電極に接触し、凝固または固化される。
【００１５】
本発明は熔融金属の処理中（または、鋳造中）に利用することが可能であり、凝固温度に近い状態の金属の測定をすることが可能である。本発明は注入される金属の液相線温度を下げ、（見かけ上の、または、実質的な）過熱（状態）を増大させることが知られている複数の金属から選択される、（１つまたは複数の）金属を流入してくる金属に混ぜ合わせることにより、内部チャンバー内の金属の液相線温度を低下させ、プローブのための実効的な測定時間を長くすることを可能にするための添加物を含む。
【００１６】
（発明の要約）
概略的に述べると、本発明は電気センシングゾーン法（electric sensing zone method）を使用して、熔融金属中の浮遊微粒子（または、懸濁微粒子）を検出及び測定するために熔融金属中に挿入される改善されたプローブを備える。プローブは熔融金属受容チャンバーを形成する、概略封止された（すなわち、一部を除いて封止された）伝記絶縁性材料の管（または、チューブ）を備える。管は熔融金属がチャンバーに流れ込むことを可能にするために、プローブの挿入される側の端の近くに少なくとも１つのオリフィスを持つ。
【００１７】
第１電極はチャンバー内の金属と接触するためにチャンバー内に拡張する。第２電極はチャンバーの外側の熔融金属と接触するために内管の、少なくとも一部を囲む。第１及び第２の電極は、電極及びオリフィスを通る電流経路を確立し、熔融金属に混入（または、飛沫同伴）した微粒子のオリフィスの通過によって生ずる電極間の電位差の測定を行うために測定装置に接続可能である。第２電極に断熱性を与えるために、第２電極の少なくとも一部は耐熱性材料の外部シース（または、さや）によって覆われる。内管の内側と外側との間に圧力差を作り出し、オリフィスを通る熔融金属の流れを促進させるために、真空源への接続のためのガス通路が内管の外側に拡張する。本発明はチャンバー内の熔融金属の液相線温度を低下させ、熔融金属中の微粒子の検出及び測定のための時間を長くするために、チャンバー内に、チャンバーに入ってくる熔融金属に混ぜ合わせるための液相線降下材料（liquidus depressing material）を含む。
【００１８】
上述の要約及び、以下の好まれる実施例の詳細な説明は付随する図面と共に読むことによって、より明らかに理解される。本発明の説明の目的のために、現在のところ最も好まれる実施例が図示されている。しかしながら、本発明が図示された配置及び構成のみに限定されないことは理解されなければならない。
【００１９】
（本発明の詳細な説明）
図１−３を参照すると、熔融金属中に浮遊する（または、懸濁する）微粒子の検出及び測定をするための、本発明に従ったプローブ１０が示されている。プローブ１０は概略的に細長い円筒形の形状であり、挿入側の端（以降、挿入端と呼ぶ）１２、及びコネクタ側の端（以降、コネクタ端と呼ぶ）１４を含む。プローブのコネクタ端１４はこの分野で周知のタイプの、測定プローブを熔融金属に挿入するために利用される支持構造（図示せず）に固定されるように構成される。支持構造の詳細な説明は本発明の理解のために必要ではないので省略する。
【００２０】
プローブ１０は熔融スチールや他の熔融金属槽中の高温に対して耐性のある電気絶縁性の材料から作製される、一方の端が閉じた細長の内管１６を備える。この実施例において、内管１６は石英から形成されている。しかしながら、必要とされる電気絶縁性及び高温に対する特性を持った他の材料を代替的に使用することができることは当業者にとって明白であろう。示されているように、内管１６の挿入端は閉じられており、コネクタ端は概略円筒形で、電気絶縁性のプラグまたは封止部材１８によって封止されている。
【００２１】
好まれるものとしてポリマー材料から作製される封止部材１８は内管１６のコネクタ端にガス気密状の封止を形成するために、好まれるものとして接着剤２０を利用して、内管１６の開端内に固定される。封止部材１８は好まれるものとして、ポリマー材料から作製されるが、それ自体で、または、他の封止材、接着剤、または同様な材料との組合せにより、内管１６に対してガス気密封止状態を形成することが可能な他の材料を代替的に使用することができることは当業者にとって明白であろう。好まれるものとして、接着剤２０は石英または、内管１６を形成するために利用される他の材料に対して封止状態を形成するのに適した、商業上入手可能なエポキシである。しかしながら、この分野で周知の他の接着剤が利用されてもよい。
【００２２】
内管１６の挿入端は熔融金属受容チャンバー１５を形成する。プローブ１０が熔融金属に挿入されたときに、熔融金属が熔融金属受容チャンバー１５内に流れ込むことを可能にするために、少なくとも１つのオリフィス（または、開口）１７が、内管の挿入端の近くの部分を貫通して形成される。オリフィス１７は好まれるものとして、３００から１０００マイクロメートルの範囲の直径を持った円形である。オリフィス１７の直径がこれ以上、またはこれ以下であってもよいことや、オリフィス１７が円形でなくてもよいことは当業者に理解されなければならない。好まれるものとして、内管１６は約１ｍｍの厚さを持つ。しかしながら、内管１６がこれ以外の厚さであってもよいことは当業者に理解されなければならない。熔融金属受容チャンバー１５の容積は以下に説明されるように、測定内容に応じて変化してもよい。
【００２３】
実施例において、ガス通路２２は概略円形で、細長い部材から構成され、封止部材１８を貫通して、内管１６内に拡張する。ガス通路２２は好まれるものとして、スチール等の、電気伝導性金属から形成される。しかしながら、他の電気伝導性の材料がガス通路２２のために利用されてもよい。図１に示されているように、ガス通路２２は内管１６の挿入端までは拡張していない。
【００２４】
少なくとも１つ、好まれるものとして一組の、概略円柱形の部材（または、概略円筒形の部材）２４が（好まれるものとして、溶接、蝋付け、または、はんだ付けによって、機械的かつ電気的に）ガス通路２２に接続され、内管１６の内部に沿って、内管１６の挿入端の近くまで拡張する。細長い円柱形の部材２４は電気伝導性材料から形成され、ガス通路２２と組み合わさって、熔融金属受容チャンバー１５内に拡張する第１電極を確立する。好まれるものとして、細長い円柱形の部材２４は高い融点を持った電気伝導性のMo、W、Feの電極ワイヤ、または、高い融点を持った他の電気伝導材料から形成される。この方法により、第１電極は内管１６の挿入端からガス通路２２の遠位の端まで拡張する。
【００２５】
内管１６は少なくとも、縦方向の大部分が、概略管状（または、円筒形）の電気伝導性部材２６によって覆われる。管状の伝導性部材２６は好まれるものとして、スチールから作製されるが、他の伝導性材料が利用されてもよい。管状部材２６の内径は少なくとも、内管１６の外径より僅かに大きく、管状部材２６と内管１６の外面との間には小さな環状の空間（または、環状の隙間）２８が形成される。プローブが熔融金属に挿入されたときに、管状部材２６に断熱性を与えるために、少なくとも管状部材２６の大部分は外部シース（または、外側のさや）３０によって覆われる。実施例において、外部シース３０は加熱されたときにフェノール結合（phenolic bond）を形成する樹脂被覆砂（resin coated sand）から形成される。しかしながら、他の断熱材料が利用されてもよいことは当業者に明らかであろう。
【００２６】
図３に最もよく示されているように、管状部材２６の一部は外部シース３０を越えて拡張しており、プローブ１０が熔融金属に挿入されたときに、管状部材２６は熔融金属に直接接触する。図２に最もよく示されているように、管状部材２６のもう一方の端は内管１６のコネクタ端を越えて拡張する。管状部材２６は内管１６の外側に第２電極を確立する。管状部材２６のコネクタ端はこの分野で周知の機械的インターロック（または、機械的連結装置）によって封止部材１８に固定される。インターロックは、封止部材１８と結合したとき、管状部材２６と内管１６の間に環状の空間２８を保持しながら、それらのコネクタ端を一緒に固定する。
【００２７】
環状の空間２８を保持し、搬送中及び使用中に内管１６がぐらつくのを防ぎ、内管１６が破損するのを防ぐために、管状部材２６と内管１６の挿入端の間にはスペーサー３４が挿入される。好まれるものとして、スペーサー３４は適当な弾性材料から形成されるＯ型のリングから構成される。しかしながら、管状部材２６が他のコネクタ方法を利用して内管１６に固定されてもよいことや、スペーサー３４が他の材料から作製されてもよいことは当業者に明らかであろう。
【００２８】
図３に最もよく示されているように、内管１６の挿入端は最初に、金属スラグキャップ３６及びペーパーキャップ３８によってカバーされている。金属スラグキャップ３６及びペーパーキャップ３８はプローブ１０が、処理中に熔融金属を覆うことが多いスラグ層を通過して挿入されるときに、内管１６、特にオリフィス１７が汚染されることを防ぐ。金属スラグキャップ３６は好まれるものとして、スチールまたは、この分野で周知の他の適当な材料から形成される。
【００２９】
プローブ１０のコネクタ端はこの分野で周知のタイプの、測定プローブを熔融金属に挿入するために利用される支持構造（図示せず）に一時的に固定されるように構成される。封止部材４０は、ガス通路２２と制御バルブ４２との間にガス気密状の接続を与えるために利用される。バルブ４２は真空源４４及び浄化ガス供給源４６に接続される。バルブ４２が第１位置にあるとき、真空源４４はガス通路２２を介して内管１６と流体の伝達が可能な状態にあり、熔融金属受容チャンバー１５内に真空状態を作り出す。チャンバー１５内の真空状態の生成は熔融金属のオリフィス１７を介したチャンバー１５への流入を促進する。
【００３０】
バルブ４２が第２位置にあるとき、オリフィス１７を介したチャンバー１５への熔融金属や汚染物の流入を防止するために、浄化ガス供給源４６からガス通路２２を通って内管１６の内部にガス（または、気体）が供給される。封止部材１８は接着剤２０のためのポッティング領域（potting area）、ガス通路２２のためのガス気密取付け器具、管状部材２６のための取付け手段、及びＯ型リング封止部材４０のためのガスケット用座部を与える。実施例において、これらの機能は単体の部品によって実施されているが、複数の部品が使用されてもよいことは理解されなければならない。
【００３１】
プローブ１０が支持構造物に接続されたとき、ガス通路２２のコネクタ端（第１電極）及び管状部材２６のコネクタ端（第２電極）と外部の測定装置４８との間に直接的な電気的接続が確立される。測定装置４８は熔融金属中に浮遊する（または、懸濁する）微粒子を検出及び測定するために電気センシングゾーン法（electric sensing zone method）を使用する、この分野で周知のタイプのものでよい。プローブ１０が熔融金属に挿入されたとき、測定装置４８はオリフィス１７を通過する熔融金属中に混入（または、飛沫同伴）した微粒子の通過によって生成される、第１と第２の電極の間の電位差の変化を測定するために、第１及び第２の電極の間にオリフィス１７を通過する電流経路を確立する。測定装置４８の詳細はこの分野で周知であり、上述の特許を含む他の文献に説明されている。したがって、測定装置４８の構造及び動作の詳細な説明は省略する。
【００３２】
図３に最もよく示されているように、液相線降下材料（liquidus depressing material）５０は内管１６の、オリフィス１７付近の挿入端内に備えられる。好まれる実施例において、液相線降下材料５０は概略螺旋状のワイヤのコイルの形状で備えられる。しかしながら、液相線降下材料５０が粒状であってもよいことや、管状、ディスク状等の他の形状で備えられてもよいことは理解されなければならない。好まれる実施例において、液相線降下材料５０は銅である。しかしながら、液相線降下材料５０は鉄またはスチールの液相線温度を降下させる効果がある他の材料、または他の材料の組合せ物であってもよい。そのような材料はAl、Au、Be、C、Co、Ge、Mn、Ni、P、S、Sb、Si、及びSn、並びに、この分野で周知の他の単一の要素または材料または、それらの組合せ物を含む。
【００３３】
したがって、好まれる実施例では銅が使用されているが、銅の使用が説明のためであることは理解されなければならない。当業者には明らかであると思われるが、液相線降下材料５０はオリフィス１７を通ってチャンバー１５に入ってくる熔融金属と混ぜ合わされ、結果的に生ずる合金（または、混合物）はチャンバー１５に入ってくる熔融金属の液相線温度より低い液相線温度を持つ。ワイヤ２４は内管１６の壁に近いので、中央の湧昇部（up-well）（または、熔融金属の上昇部）の領域の液体金属の冷却は防止される（または、遅らされる）。
【００３４】
図４はチャンバー１５への銅の液相線降下材料５０の添加の効果を図示している。例えば、溶液中に０.１０％の炭素を含む液体のスチールの場合、液相線温度は約１５２８℃であり、この等級（grade）のスチールは約１５７０℃の温度でタンデッシュ（tundish）から連続的に鋳造することができる。実施例においては、満杯になったときに約１００ｇのサンプリングスチールを含むことができるチャンバー１５に約１０ｇの銅５０が付加される。プローブ１０の熔融スチール中への浸漬の間、チャンバー１５の銅５０は内管１６を通る熱放射により急速に加熱される。
【００３５】
図４の状態図の下部の横軸には、鉄と銅の混合の割合が示されており、純銅は最も左側の部分に相当し、純鉄は最も右側の部分に相当する。縦軸には銅と鉄の任意の重量パーセントでの相の状態に対応する温度が示されている。チャンバー１５に鉄が存在しない最初の状態において、銅はチャンバー１５内で、液相線の１００％の銅に対応する左側の縦軸との交点によって示されているように、約１０８５℃で完全に熔融状態になる。
【００３６】
例として、チャンバー１５に入ってくるスチールが１００％の鉄であると仮定する。（通常の）スチールの純鉄からの偏移（または、ずれ）を修正するための図やグラフは当業者にとって容易に入手することができるだろう。チャンバー１５に１０ｇの熔融スチールが入った後、０.１％の炭素スチール（または、炭素鋼）を１００％鉄（Fe）であるとして概算すると、銅とスチールの５０−５０の混合物に対する液相線温度は１４２５℃より僅かに高いところにある。チャンバー１５に十分な量のスチールが入った後、スチールは銅の割合を１５％程度に減少させ、液相線温度は約１４８０℃となる。
【００３７】
銅または他の液相線降下材料５０の添加はサンプリングした熔融金属が通常固化し始める温度を下げ、チャンバー１５が凝固する前により多くの熔融金属が注入されることを可能にする。当業者には、この方法によって生ずる液相線温度の降下がチャンバー１５にサンプリングすることによる熱の損失を補うことが明白であろう。サンプリングされた金属への（１つまたは複数の）液相線降下材料の比率はプローブの構成、サンプリングされる材料の量、及びサンプリング時の熔融金属の過熱（状態）によって決められる。材料５０の入念な選択によって得られる付加的な長所は、溶液の化学反応により発熱を生じさせることが可能であり、熔融金属と液相線降下材料５０との混合によりチャンバー１５内の熔融金属を加熱することができることである。
【００３８】
使用において、プローブ１０は支持構造（図示せず）に固定され、第１及び第２の電極が測定装置４８に電気的に接続され、ガス通路２２はバルブ４２と流体の伝達が可能になる。はじめに、バルブ４２は第２位置にあり、不活性の浄化ガスが浄化ガス供給源４６からガス通路２２を通って内管１６、及びオリフィス１７の外側へ流れ込む。不活性の浄化ガスの圧力が測定された後、バルブ４２がオフにされ、圧力が時間と共に減少するときに、オリフィス１７の外部に漏れる不活性ガスの流量（または、流速）が測定される。オリフィス１７の外部に漏れる不活性ガスの流量（または、流速）はオリフィス１７のサイズに比例する。初期の圧力及び圧力差の変化を使用することにより、後で使用されるオリフィス１７の大きさが計算される。
【００３９】
そして、バルブ４２は第２に位置に戻される。プローブ１０が上部のスラグ層を通って熔融金属中に挿入されるとき、ペーパーキャップ３８が破壊され、内管１６及び管状部材２６の挿入端を熔融金属に対して露出させるために金属スラグキャップ３６が溶かされる。熔融金属が内管１６に接触すると、オリフィス１７が実質的に封止され、外部の装置（図示せず）によって測定される浄化ガスの圧力が上昇する。この時点で、バルブ４２が第１位置に変えられ、真空源４４がガス通路２２及び内管１６の内部と流体の伝達が可能状態になり、チャンバー１５内に真空状態を作り出し、熔融金属がオリフィス１７を通ってチャンバー１５に流入することを促進する。
【００４０】
熔融金属がワイヤ２４と接触すると、完全な電気回路が確立され、測定装置４８は、熔融金属がオリフィス１７を通過するときに、熔融金属中に混入（または、飛沫同伴）した微粒子の通過によって生成される、電極間の電位差の変化を測定するために、電極及びオリフィス１７を通過する電流を流すチャンバー１５に流入する熔融金属は液相線温度を低下させるために液相線降下材料５０と混ぜ合わさり、液相線降下材料５０が存在しない場合の時間より長い期間の検出及び測定処理を可能にする。検出及び測定処理はチャンバー１５が液体金属で満たされ、液体金属が実効的にガス通路２２の挿入端を塞ぎ、チャンバー１５の真空圧力（または、真空を作り出すための圧力）を妨げるまで続けられる。
【００４１】
このブロッキング法（すなわち、ガス通路２２の閉鎖による方法）はサンプリングされる材料が必要以上にチャンバー１５に入ることを防ぎ、付加的な熱吸収部材を必要とせずに、予め決められた容量の金属をサンプリングするための手段を与える。ガス通路２２は他の部分より低い温度状態を保ち、接触によりチャンバー内の金属を適当に冷却するために、封止部材１８によりプローブ１０の他の全ての部品に対し隙間が開けられ、熱的に分離される。浄化ガスがチャンバー１５に供給される時間は、熔融金属がチャンバー１５に流入する前にペーパーキャップ３８が焼き払われ、スラグキャップ３６が溶解し、液相線降下材料５０が溶融することを可能にするように選択される。オリフィス１７を通って熔融金属が流入し始める前に、液相線降下材料５０の全てが完全に熔融することが必ずしも必要ではないことは、当業者に明らかであるだろう。
【００４２】
利用される液相線降下材料の種類や、液相線降下材料の量が応用例や試験される熔融金属の化学的状態により変化してもよいことは当業者に明白であるだろう。また、チャンバー１５の大きさ及び、チャンバー１５に流入される熔融金属の量がガス通路２２の長さ、並びに、内管１６の長さ及び直径の変化と共に変化してもよいことも当業者に明白であるだろう。液相線降下材料は測定サイクル中を通じて概略一定の流量でオリフィス１７を通って、より多くの金属が流入することを可能にし、混入（または、飛沫同伴）された微粒子のより効果的で、より正確な測定を提供する。
【００４３】
前述の内容より、本発明が熔融金属中に浮遊する（または、懸濁する）微粒子の検出及び測定のための、改善されたプローブを提供することが理解されるだろう。本発明の概念から外れることなく、説明された実施例に多様な変更を行うことができることが当業者には明らかであるだろう。それゆえ、本発明が説明された実施例には限定されず、付図する請求の範囲で規定される本発明の意図及び範囲内の全ての変更及び改良を含むことが理解されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従ったプローブの好まれる実施例の断面図である。
【図２】 図１に図示されたプローブのコネクタ側の端の、拡大された断面図である。
【図３】 図１に図示されたプローブの挿入側の端の、拡大された断面図である。
【図４】 図１のプローブのチャンバーへの好まれる液相線降下材料の添加による効果を図示している状態図である。
【符号の説明】
１０ プローブ
１２ 挿入端
１４ コネクタ端
１５ 熔融金属受容チャンバー
１６ 内管
１７ オリフィス
１８ 封止部材
２０ 接着剤
２２ ガス通路
２４ 円柱形の部材（ワイヤ）
２６ 伝導性の管状部材
２８ 環状の隙間
３０ 外側のシース
３４ スペーサー
３６ 金属スラグキャップ
３８ ペーパーキャップ
４０ Ｏ型リングの封止部材
４２ 制御バルブ
４４ 真空源
４６ 浄化ガス供給源
４８ 測定装置
５０ 液相線降下材料
Claims (12)
- 電気センシングゾーン法を使用して熔融金属中に懸濁している粒子を検出及び測定するために熔融金属中に挿入するためのプローブであって：
電気絶縁材料から成り、熔融金属受容チャンバーを形成する全体的に封止された内管であって、熔融金属がチャンバーに流入することを可能にするために前記プローブの挿入端付近に、少なくとも１つのオリフィスを備える内管；
前記チャンバー内の金属に接触するために前記チャンバー内に拡張する第１電極；
前記チャンバーの外側の熔融金属に接触するために、前記内管の少なくとも一部を囲む第２電極；
第２電極に断熱性を与えるために、第２電極の少なくとも一部を覆う耐熱材料の外部シース；及び、
前記内管の内側と外側との間に圧力差を作り出し、前記オリフィスへの熔融金属の流入を促進するため、真空源に接続するために前記内管の外側に拡張するガス通路を備え、
前記第１及び第２電極が前記オリフィスを通過する熔融金属に混入している粒子の通過によって発生する前記電極間の電位差の変化を測定するため、前記電極及び前記少なくとも１つのオリフィスを通る電流経路を確立するために測定装置に接続可能であり、
前記チャンバー内に含まれる液相線降下材料であって、前記チャンバーに流入してくる熔融金属と混ぜ合わさり、前記チャンバー中の熔融金属の液相線温度を低下させ、熔融金属中の粒子の検出及び測定のための期間を長くすることを可能にする液相線降下材料を備えるプローブ。 - 前記液相線降下材料がＡｌ、Ａｕ、Ｂｅ、Ｃ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、及びそれらの合金から成るグループから選択される、請求項１に記載のプローブ。
- 前記液相線降下材料が螺旋状のワイヤの形状である、請求項１に記載のプローブ。
- 前記チャンバーに熔融金属が流入する前に、前記液相線降下材料が熔融する、請求項１に記載のプローブ。
- 前記ガス通路が、前記チャンバーに熔融金属が流入することを防ぐために、少なくとも前記プローブの熔融金属中への挿入時を含む初期段階中に、前記チャンバーに浄化ガスを供給するための浄化ガス供給源に接続される、請求項１に記載のプローブ。
- 前記ガス通路を前記真空源か前記浄化ガス供給源に接続させるためのバルブをさらに備える、請求項５に記載のプローブ。
- 前記ガス通路が前記チャンバーに流入される金属の量を設定するために予め決められた長さだけ前記内管内に拡張している、請求項１に記載のプローブ。
- 第１電極が前記ガス通路及び、前記ガス通路から前記チャンバー内に拡張する少なくとも一本のワイヤから成る、請求項１に記載のプローブ。
- 第２電極の内径が、第２電極と前記内管の外面との間に環状の空間を形成するために、前記内管の外形より僅かに大きい、請求項１に記載のプローブ。
- 前記環状の空間の第２電極の挿入端付近に配置されたスペーサーをさらに備える、請求項９に記載のプローブ。
- 電気センシングゾーン法を使用して熔融金属中に懸濁している粒子を検出及び測定するために熔融金属中に挿入するためのプローブであって：
電気絶縁材料から形成される金属受容チャンバーであって、前記チャンバー内に熔融金属が流入することを可能にするためのオリフィスを含む金属受容チャンバー；
前記チャンバー内の金属に接触するために前記チャンバー内に拡張する第１電極；
前記チャンバーの外側の熔融金属に接触するために、前記チャンバーの外側に配置された第２電極を備え、
前記第１及び第２電極が前記オリフィスを通過して前記チャンバー内に流入する熔融金属に混入している粒子の通過によって発生する前記電極間の電位差の変化を測定するため、前記電極及び前記オリフィスを通る電流経路を確立するために測定装置に接続可能であり、
前記チャンバー内に含まれる液相線降下材料であって、前記チャンバーに流入してくる熔融金属と混ぜ合わさり、前記チャンバー中の熔融金属の液相線温度を低下させ、熔融金属中の粒子の検出及び測定のための期間を長くすることを可能にする液相線降下材料を備えるプローブ。 - 電気絶縁材料から成り、受容チャンバーを形成するための概略封止された内管を含むプローブを使用して熔融金属中に懸濁する粒子を検出及び測定するための方法であって、前記内管が前記チャンバー内に熔融金属が流入することを可能にするためのオリフィス、前記チャンバー内の熔融金属と接触するために前記チャンバー内に拡張する第１電極、前記チャンバーの外側の熔融金属と接触するため、前記内管の少なくとも一部を囲む第２電極、第２電極に断熱性を与えるために第２電極の少なくとも一部を覆う耐熱材料の外部シース、及び、前記内管の外側に拡張するガス通路を含み：
前記チャンバー内に液相線降下材料を装填すること；
第１及び第２電極を測定装置に接続すること；
前記ガス通路を真空源に接続すること；
熔融金属が前記オリフィスを通って前記チャンバー内に流入するように、前記プローブを熔融金属中に浸漬すること；
前記測定装置により、前記電極及び前記オリフィスを通過する電流経路を確立すること；及び、
前記オリフィスを通過する熔融金属中に混入されている粒子の通過によって発生する前記電極間の電位差の変化を測定することのステップを含む方法。
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