JP5195664B2 - Lance for continuous monitoring of molten steel, continuous monitoring device and continuous monitoring method - Google Patents

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  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Description

本発明は、金属、特に鉄鋼の精錬炉内の溶融金属を分光学的測定法により連続モニタリングするための装置及び連続モニタリング方法に関する。   The present invention relates to an apparatus and a continuous monitoring method for continuously monitoring a metal, particularly a molten metal in a steel refining furnace, by a spectroscopic measurement method.

金属材料の精錬工程において、精錬反応進行中の溶融金属中の成分元素濃度をリアルタイムでモニターすることは、精錬工程最適化制御の上で非常に重要である。以下、金属材料として鉄鋼を例として説明する。   In the refining process of a metal material, monitoring the concentration of component elements in the molten metal during the refining reaction in real time is very important for refining process optimization control. Hereinafter, steel will be described as an example of the metal material.

鉄鋼の製造工程のなかで、転炉精錬は、酸素吹錬によって脱炭を行なう。過度の吹錬によるスラグ中トータルFe濃度の増加、溶鋼中フリー酸素濃度過多、FeやMnの歩留まり低下といった製鋼コスト増要因の完全な抑制のためには、転炉のモニタリングとして、現状のサブランスによる溶鋼中炭素濃度の点測定のみでは不十分であり、転炉内の溶鋼中炭素濃度の連続的なモニタリングが強く要求されている。   In the steel manufacturing process, converter refining involves decarburization by oxygen blowing. In order to completely control the factors that increase steelmaking costs such as increase in total Fe concentration in slag due to excessive blowing, excessive free oxygen concentration in molten steel, and decrease in yield of Fe and Mn, it is necessary to use the current sublance as monitoring of the converter. Only point measurement of the carbon concentration in molten steel is insufficient, and continuous monitoring of the carbon concentration in molten steel in the converter is strongly required.

次に、2次精錬技術における、例えば、大量生産の脱ガス装置RHについて考える。RHの主要な目標は脱炭である。脱ガスでは槽内を真空にしてCをCOガスとして除去する。その際、脱ガス処理でのC成分の挙動を把握することは重要である。特に、目標とするC濃度に到達した時点で処理を終了することで、真空化する際の蒸気の無駄な使用が避けられ、コスト削減が可能となる。脱炭・脱ガスには連続成分測定が必要になり、2つの方法が一般的に採用されている。第1の方法は、排気ガスの中のCO濃度を測定し処理開始時点の溶鋼中C濃度から排出されたC量を差し引いて、処理中の溶鋼中C濃度を推定する。しかし、この方法は、必ずしも精度は高くない。第2の方法は、取鍋の表面に近い溶鋼のサンプルを採取して、迅速に発光分析装置で分析する方法である。第2の方法によれば、Cとその他のMnなどの成分分析が可能であるが、サンプルをバッチで採取する上に、脱ガス装置とは離れた場所の分析装置で処理するので、脱ガス処理における成分変化に迅速に追従できないのが欠点である。   Next, consider, for example, a mass production degasser RH in the secondary refining technology. The main goal of RH is decarburization. In degassing, the inside of the tank is evacuated to remove C as CO gas. At that time, it is important to grasp the behavior of the C component in the degassing process. In particular, by terminating the process when the target C concentration is reached, wasteful use of steam when evacuating can be avoided, and costs can be reduced. Decarburization and degassing require continuous component measurement, and two methods are generally employed. In the first method, the CO concentration in the exhaust gas is measured, and the C concentration in the molten steel being processed is estimated by subtracting the amount of C discharged from the C concentration in the molten steel at the start of processing. However, this method is not necessarily highly accurate. The second method is a method in which a sample of molten steel close to the surface of the ladle is collected and quickly analyzed with an emission analyzer. According to the second method, C and other components such as Mn can be analyzed. However, since samples are collected in batches, they are processed by an analyzer away from the degasser. The drawback is that it cannot quickly follow the component changes in the process.

そこで、溶鋼中化学成分濃度を連続的にモニタリングするための技術として、尖頭出力の高いパルスレーザ光を集光して溶鋼に照射することによってプラズマ状態を生成し、このレーザ生成プラズマからの発光を分光分析するレーザ発光分析法が、例えば特許文献1に開示されている。   Therefore, as a technique for continuously monitoring the chemical component concentration in molten steel, a plasma state is generated by focusing pulsed laser light with a high peak output and irradiating the molten steel, and light emission from this laser-generated plasma For example, Patent Document 1 discloses a laser emission analysis method for spectroscopically analyzing the above.

レーザ生成プラズマからは、主成分、合金成分等試料に含まれる全元素の発光が同時に起こる。従って、プラズマ発光の観測において、個々の元素の発光強度を測定するためには、これらを分別するのに十分な分解能を有する大型の分光器が必要である。このような大型の精密機器は、精錬設備の熱、振動、塵埃等の影響を受けない場所に設置する必要がある。従って、精錬炉内の溶鋼面で発生した発光の分光器への伝送には、フレキシブルな光ファイバーを用いるのが最適である。   From the laser-produced plasma, light emission of all the elements contained in the sample such as the main component and the alloy component occurs simultaneously. Therefore, in order to measure the emission intensity of individual elements in the observation of plasma emission, a large spectroscope having a resolution sufficient to separate them is required. Such a large precision device needs to be installed in a place that is not affected by heat, vibration, dust, etc. of the refining equipment. Therefore, it is optimal to use a flexible optical fiber to transmit light emitted from the molten steel surface in the refining furnace to the spectroscope.

レーザ生成プラズマ発光分析法に対して、レーザ誘起蛍光法では、目的元素の共鳴波長の一つに波長をチューニングしたレーザ光を蒸気原子に照射してこの原子の蛍光を誘起する。レーザ誘起蛍光法は、高感度でありかつ選択性に優れた分析法として知られている。本発明者は、この点に注目して、レーザ誘起蛍光法による溶鋼中CやPのモニタリング技術を開発した。これらの技術の詳細は、特許文献2に開示されているところである。レーザ誘起蛍光法を用いた分析では、先ず試料の一部を蒸発・原子化するために尖頭値の高いパルスレーザ光であるアブレーションレーザ光を照射する。そして、アブレーションレーザパルスから適当な遅延時間経過後、選択励起レーザ光を照射する。このとき、目的元素の蛍光のみが選択的に放出されるので、大型の分光器を用いる必要は無く、光電子増倍管やフォトダイオード等の光量測定器によって、直接、目的元素から放出されたシグナル光量を測定することができる。   In contrast to the laser-generated plasma emission analysis method, the laser-induced fluorescence method irradiates vapor atoms with laser light having a wavelength tuned to one of the resonance wavelengths of the target element to induce fluorescence of the atoms. The laser-induced fluorescence method is known as an analytical method having high sensitivity and excellent selectivity. The inventor has paid attention to this point and has developed a monitoring technique for C and P in molten steel by a laser-induced fluorescence method. Details of these techniques are disclosed in Patent Document 2. In analysis using the laser-induced fluorescence method, an ablation laser beam, which is a pulse laser beam having a high peak value, is first irradiated to evaporate and atomize a part of the sample. Then, after an appropriate delay time has elapsed from the ablation laser pulse, selective excitation laser light is irradiated. At this time, only the fluorescence of the target element is selectively emitted, so there is no need to use a large spectroscope, and the signal emitted from the target element directly by a light quantity measuring device such as a photomultiplier tube or a photodiode. The amount of light can be measured.

ところで、精錬炉内の溶鋼分析においては、様々な変動要因により、アブレーション条件は、必ずしも一定ではありえない。この変動要因としては、例えば、溶鋼湯面高さの変動により湯面照射点におけるレーザスポット径が変動することが挙げられる。この湯面高さの変動による測定値のばらつきを解消する目的で、分析元素と内標準元素との比を統計的に処理する方法(特許文献3)や、超音波による距離計測をもとにレーザ光照射ランス高さを調整し、湯面からの距離を一定に保つ方法(特許文献4)等が開示されている。   By the way, in the analysis of molten steel in the refining furnace, the ablation condition cannot always be constant due to various fluctuation factors. As the variation factor, for example, the laser spot diameter at the molten-metal surface irradiation point varies due to the variation in the molten steel surface height. Based on the method of statistically processing the ratio of the analytical element to the internal standard element (Patent Document 3) and the distance measurement by ultrasonic waves for the purpose of eliminating the variation in the measured value due to the fluctuation of the molten metal surface height. A method of adjusting the laser beam irradiation lance height and maintaining a constant distance from the molten metal surface (Patent Document 4) is disclosed.

特開昭60−231141号公報Japanese Patent Laid-Open No. 60-231141 特開2001−356096号公報JP 2001-356096 A 特開平8−15152号公報JP-A-8-15152 特開平8−15153号公報JP-A-8-15153

しかし、溶鋼分析においては、溶鋼湯面変動以外にも測定結果に影響を及ぼす要因があることが、本発明者の検討の結果、明らかとなってきた。すなわち、溶鋼分析においては時間とともにレーザ光やシグナル光の焦点の変動が発生し、溶鋼湯面におけるレーザのパワー密度及びシグナル光の光ファイバーへの入射効率が変動することがわかった。このため、シグナル光発生強度が変動し、また、内標準元素の発光強度の測定値はシグナル光発生強度の変動とは独立に変動するため、内標準補正が適用できないという問題があった。この原因については、後述するが、溶鋼湯面に到達するまでのレーザ光や溶鋼湯面で発生したシグナル光の伝播に対する熱の影響であると推定される。   However, in the molten steel analysis, it has become clear as a result of the inventor's examination that there are factors that affect the measurement results in addition to the molten steel level fluctuation. That is, in the molten steel analysis, it was found that the focal point of the laser beam and the signal beam was changed with time, and the power density of the laser on the molten steel surface and the incident efficiency of the signal beam to the optical fiber were changed. For this reason, the signal light generation intensity fluctuates, and the measured value of the light emission intensity of the internal standard element fluctuates independently of the fluctuation of the signal light generation intensity, so that there is a problem that the internal standard correction cannot be applied. Although this cause is mentioned later, it is estimated that it is the influence of the heat | fever with respect to propagation of the laser beam and signal light which generate | occur | produced on the molten steel surface until it reaches the molten steel surface.

本発明は、上記の問題を解決し、溶鋼分析のように熱の影響が避けられない場合においても、分析精度を向上させることを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above problems and improve analysis accuracy even when the influence of heat is unavoidable as in molten steel analysis.

上述の目的を達成するための本発明の主旨は、以下の通りである。
(1)径が異なる第1、第2および第3の中空の円筒管と、外周円と内周円とが同心である第1、第2および第3の環状円板とが、それぞれの中心軸を同軸に配置して構成される3層構造を有するランスであって、前記第1の円筒管の径は前記第2の円筒管の径より大きく、前記第2の円筒管の径は前記第3の円筒管の径より大きく、前記第2および第3の円筒管は、前記第1の円筒管よりも中心軸方向の寸法が短く、前記第1の環状円板の外径および内径は、それぞれ、前記第1の円筒管の内径又は外径および前記第3の円筒管の内径又は外径と等しく、前記第1の円筒管の片方の端部は前記第1の環状円板の外周に接続され、前記第3の円筒管の片方の端部は前記第1の環状円板の内周に接続され、前記第2の環状円板の外径および内径は、それぞれ、前記第1の円筒管の内径および前記第2の円筒管の内径又は外径と等しく、前記第2の円筒管の片方の端部は前記第2の環状円板の内周に接続され、前記第2の環状円板の外周は前記第1の円筒管の内壁に接続され、前記第2の円筒管の前記第2の環状円板に接続されていないもう一方の端部は、前記第1の環状円板に対向し且つ前記第1の環状円板から離して配置され、前記第3の環状円板の外径は、前記第1の円筒管の内径又は外径と等しく、前記第1の円筒管の前記第1の環状円板に接続されていないもう一方の端部は前記第3の環状円板の外周に接続され、前記第3の環状円板の内周部にはレーザ光が透過する窓板が取り付けられており、前記第1の円筒管の、前記第2の環状円板との接続箇所付近で且つ前記第1の環状円板との接続側にガス導入口が設けられていることを特徴とする溶鋼の連続モニタリング用ランス。
(2)分光学的測定法による溶鋼の連続モニタリング装置であり、レーザ光を筒状の中空管の内部を通して、溶鋼に照射して元素固有の発光線強度を測定する溶鋼の連続モニタリング装置であって、溶鋼にレーザ光を照射し前記溶鋼の一部を蒸発させプラズマを発生させる第1のレーザ光照射手段と、前記プラズマ中の目的元素を共鳴励起して蛍光を誘起させレーザ誘起蛍光を生じさせる第2のレーザ光照射手段と、前記プラズマからのプラズマ発光を集光するレンズと、前記プラズマ発光を伝送する光ファイバーケーブルと、前記レーザ誘起蛍光を集光する集光手段と、前記集光したレーザ誘起蛍光の光量を検出する手段と、前記プラズマ発光を分光する分光手段と、請求項1に記載のランスと、前記ランスのガス導入口からガスを導入する手段と、を有することを特徴とする溶鋼の連続モニタリング装置。
(3)レーザ光を、筒状の中空管の内部を通して、溶鋼に照射して元素固有の発光線強度を測定する溶鋼の連続モニタリング方法であって、請求項1に記載のランスを用いて、ガスを、前記ガス導入口から導入し、前記第1の円筒管と前記第2の円筒管とに挟まれた第1の空間、前記第1の環状円板と前記第2の円筒管の端部との間の第2の空間、前記第2の円筒管と前記第3の円筒管とに挟まれた第3の空間、前記第3の円筒管の端部と前記第3の環状円板との間の第4の空間、および第3の円筒管の内部を通して、前記第1の環状円板の開口部より噴出させ、レーザ光を前記窓板から入射させて前記第3の円筒管の内部を通して溶鋼に照射することを特徴とする溶鋼の連続モニタリング方法。
(4)第1のレーザ光照射手段により溶鋼にレーザ光を照射し前記溶鋼の一部を蒸発させてプラズマを発生させる工程と、第2のレーザ光照射手段により前記プラズマにレーザ光を照射し該プラズマ中の目的元素を共鳴励起して蛍光を誘起させてレーザ誘起蛍光を生じさせ、該レーザ誘起蛍光を集光して該目的元素のレーザ誘起蛍光強度を測定する工程と、前記第1のレーザ光照射手段によるレーザ光照射によって発生した前記プラズマからのプラズマ発光を集光し、光ファイバーケーブルで伝送後、分光器を用いてスペクトル測定する工程と、を含むことを特徴とする請求項3に記載の溶鋼の連続モニタリング方法。
The gist of the present invention for achieving the above object is as follows.
(1) The first, second, and third hollow cylindrical tubes having different diameters, and the first, second, and third annular disks that are concentric with the outer circumference circle and the inner circumference circle are the respective centers. A lance having a three-layer structure in which axes are arranged coaxially, wherein the diameter of the first cylindrical tube is larger than the diameter of the second cylindrical tube, and the diameter of the second cylindrical tube is It is larger than the diameter of the third cylindrical tube, the second and third cylindrical tubes have a shorter dimension in the central axis direction than the first cylindrical tube, and the outer diameter and inner diameter of the first annular disc are , Respectively, equal to the inner diameter or outer diameter of the first cylindrical tube and the inner diameter or outer diameter of the third cylindrical tube, and one end of the first cylindrical tube is the outer periphery of the first annular disk One end of the third cylindrical tube is connected to the inner periphery of the first annular disk, and the outer and inner diameters of the second annular disk , Respectively, equal to the inner diameter of the first cylindrical tube and the inner diameter or outer diameter of the second cylindrical tube, and one end of the second cylindrical tube is connected to the inner periphery of the second annular disk The outer periphery of the second annular disc is connected to the inner wall of the first cylindrical tube, and the other end of the second cylindrical tube not connected to the second annular disc is: The first annular disk is disposed opposite to the first annular disk and spaced from the first annular disk, and the outer diameter of the third annular disk is equal to the inner diameter or outer diameter of the first cylindrical tube, The other end of the first cylindrical tube not connected to the first annular disk is connected to the outer periphery of the third annular disk, and is connected to the inner periphery of the third annular disk. Is attached with a window plate through which laser light is transmitted, in the vicinity of the connection point of the first cylindrical tube with the second annular disk and the first cylindrical tube. Lance for continuous monitoring of molten steel, characterized in that gas inlet connection side of the Jo disc is provided.
(2) A continuous monitoring device for molten steel by spectroscopic measurement, which is a continuous monitoring device for molten steel that measures the emission intensity of elements by irradiating the molten steel with laser light through the inside of a cylindrical hollow tube. A first laser beam irradiation means for irradiating the molten steel with a laser beam to evaporate a part of the molten steel to generate a plasma; and a laser-induced fluorescence is generated by resonantly exciting a target element in the plasma to induce fluorescence. Second laser light irradiation means for generating, a lens for condensing the plasma emission from the plasma, an optical fiber cable for transmitting the plasma emission, a condensing means for condensing the laser-induced fluorescence, and the condensing A means for detecting the amount of laser-induced fluorescence, a spectroscopic means for spectrally separating the plasma emission, a lance according to claim 1, and a gas introduced from a gas inlet of the lance. Continuous monitoring apparatus of the molten steel, characterized in that it comprises a means.
(3) A continuous monitoring method for molten steel in which laser light is irradiated to the molten steel through the inside of a cylindrical hollow tube and the emission line intensity specific to the element is measured, using the lance according to claim 1 The gas is introduced from the gas introduction port, the first space sandwiched between the first cylindrical tube and the second cylindrical tube, the first annular disk and the second cylindrical tube A second space between end portions, a third space sandwiched between the second cylindrical tube and the third cylindrical tube, an end portion of the third cylindrical tube and the third annular circle The third cylindrical tube is ejected from the opening of the first annular disk through the fourth space between the plate and the inside of the third cylindrical tube, and laser light is incident from the window plate. A method for continuous monitoring of molten steel, characterized in that the molten steel is irradiated through the interior of the steel.
(4) A step of irradiating the molten steel with laser light by the first laser light irradiating means to generate a plasma by evaporating a part of the molten steel, and irradiating the plasma with the laser light by the second laser light irradiating means. Resonantly exciting a target element in the plasma to induce fluorescence to generate laser-induced fluorescence, condensing the laser-induced fluorescence, and measuring the laser-induced fluorescence intensity of the target element; The method further comprises: condensing plasma emission from the plasma generated by laser light irradiation by laser light irradiation means, transmitting the light through an optical fiber cable, and measuring the spectrum using a spectroscope. The continuous monitoring method of the molten steel as described.

本発明によれば、熱の影響による測定値の変動を抑制できるので、溶鋼中化学成分濃度を高精度に測定することができ、二次精錬における脱炭反応のモニタリング等による製鋼操業の制御性改善に寄与するところ大である。   According to the present invention, since fluctuations in measured values due to the influence of heat can be suppressed, the chemical component concentration in molten steel can be measured with high accuracy, and the controllability of steelmaking operations by monitoring the decarburization reaction in secondary refining, etc. It is a great place to contribute to improvement.

本発明に関わる溶鋼連続モニタリング装置の一例を説明する構成図である。It is a block diagram explaining an example of the molten steel continuous monitoring apparatus in connection with this invention. 比較例に使用した従来のランスを表す断面図である。It is sectional drawing showing the conventional lance used for the comparative example. 実施例1による溶鋼中炭素濃度と炭素のレーザ誘起蛍光強度との関係を示したグラフである。2 is a graph showing the relationship between carbon concentration in molten steel and laser-induced fluorescence intensity of carbon according to Example 1. FIG. 比較例による溶鋼中炭素濃度と炭素のレーザ誘起蛍光強度との関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between the carbon concentration in molten steel by the comparative example, and the laser-induced fluorescence intensity of carbon.

図1に、本発明の溶鋼連続モニタリング装置の構成を示す。アブレーションレーザ発振器1から発振したアブレーションレーザ光aは、アブレーションレーザ光反射ミラー3によって反射され、窓板21を介してランス20の第3の円筒管25の内部26を通り、分析面27に照射される(第1のレーザ光照射手段)。ここで、アブレーションレーザ光aは、図示していないレンズによって、分析面27近傍で焦点を結ぶように集光される。分析面27上で発生したプラズマ発光cは、第3の円筒管25の内部26を通り、プラズマ発光反射ミラー5によって反射され、プラズマ発光集光レンズ7によって、光ファイバー受光端面8に集光される。プラズマ発光は、光ファイバーケーブル9によって分光器28に伝送され、分光分析することによって、各元素の発光強度が測定される。   In FIG. 1, the structure of the molten steel continuous monitoring apparatus of this invention is shown. The ablation laser beam a oscillated from the ablation laser oscillator 1 is reflected by the ablation laser beam reflecting mirror 3, passes through the inside 26 of the third cylindrical tube 25 of the lance 20 through the window plate 21, and is irradiated onto the analysis surface 27. (First laser light irradiation means). Here, the ablation laser light a is condensed by a lens (not shown) so as to be focused in the vicinity of the analysis surface 27. The plasma emission c generated on the analysis surface 27 passes through the inside 26 of the third cylindrical tube 25, is reflected by the plasma emission reflection mirror 5, and is condensed by the plasma emission condensing lens 7 on the optical fiber light receiving end face 8. . The plasma emission is transmitted to the spectroscope 28 through the optical fiber cable 9, and the emission intensity of each element is measured by spectroscopic analysis.

アブレーションレーザ光aの発振から一定の時間間隔をとって、選択励起レーザ光bを選択励起レーザ発振器2より発振させる。ここに、選択励起レーザ光bの波長は、レーザ誘起蛍光法による分析目的元素に共鳴する波長に合わせたものである。選択励起レーザ光bは、選択励起レーザ反射ミラー4により反射され、窓板21を介して第3の円筒管内部26を通り、分析面27を照射する(第2のレーザ光照射手段)。アブレーションレーザ光aの照射によって発生した分析目的元素は選択励起レーザ光bによって共鳴励起され、レーザ誘起蛍光dを放出する。レーザ誘起蛍光dは、レーザ誘起蛍光反射ミラー6によって反射された後、レンズ10及び光学フィルター11を通過して、光量検出器12に入射し、光量が電流に変換され、電送ケーブル13により、データ解析装置29に送られて、レーザ誘起蛍光強度が測定される。図1に示すように、各ミラー3、4、5、6、レンズ7、10、光量検出器12等は、周辺からの熱、振動、塵埃等の影響を受けないように、保護ケース14内に配置される。   The selective excitation laser beam b is oscillated from the selective excitation laser beam 2 at a fixed time interval from the oscillation of the ablation laser beam a. Here, the wavelength of the selective excitation laser beam b is adjusted to the wavelength that resonates with the element to be analyzed by the laser-induced fluorescence method. The selective excitation laser beam b is reflected by the selective excitation laser reflection mirror 4, passes through the third cylindrical tube interior 26 via the window plate 21, and irradiates the analysis surface 27 (second laser light irradiation means). The analysis target element generated by irradiation with the ablation laser beam a is resonantly excited by the selective excitation laser beam b, and emits laser-induced fluorescence d. The laser-induced fluorescence d is reflected by the laser-induced fluorescence reflecting mirror 6, passes through the lens 10 and the optical filter 11, enters the light amount detector 12, and the light amount is converted into current. It is sent to the analyzer 29 and the laser-induced fluorescence intensity is measured. As shown in FIG. 1, each of the mirrors 3, 4, 5, 6, lenses 7, 10 and the light amount detector 12 is protected from the influence of heat, vibration, dust, etc. from the surroundings. Placed in.

溶鋼連続モニタリング中に、ランス20は、外側から溶鋼輻射等により加熱される。このため、例えば図2に示すようなランス50を用いた場合、中空管53を流れる不活性ガス、例えばArは、中心より外側の温度が高くなり、径方向に屈折率がわずかながら異なるものと考えられる。光軸に対して垂直な方向(中空管の径方向)に媒質(Ar)の屈折率の分布が生じた結果、中空管53は、屈折率分布型レンズと同様の作用をもつに到ると考えられる。この熱レンズ効果により、中空管53の内部55で、アブレーションレーザ光aは焦点位置が変化し、パワー密度が変化するために、分析精度の劣化をきたすこととなる。また、中空管53の内部55を通過したプラズマ発光cは、この熱レンズ効果の影響を受けた結果、光ファイバー受光端面8における結像寸法が変化し、光ファイバーケーブル9への入射効率が変化したため、一定であるべきFeの発光強度に変化が現れるものと推定された。この中空管の温度上昇による時間的変化は、湯面振動等に起因するアブレーション条件の変動とは独立なものであるので、この変化による影響を切り離さない限り、Feの発光強度によるレーザ誘起蛍光強度の補正は不可能であった。   During the molten steel continuous monitoring, the lance 20 is heated from the outside by molten steel radiation or the like. For this reason, for example, when the lance 50 as shown in FIG. 2 is used, the inert gas flowing through the hollow tube 53, such as Ar, has a higher temperature outside the center and has a slightly different refractive index in the radial direction. it is conceivable that. As a result of the distribution of the refractive index of the medium (Ar) in the direction perpendicular to the optical axis (the radial direction of the hollow tube), the hollow tube 53 has the same function as the gradient index lens. It is thought. Due to this thermal lens effect, the ablation laser light a changes its focal point in the interior 55 of the hollow tube 53, and the power density changes, thereby degrading the analysis accuracy. Further, the plasma emission c that has passed through the inside 55 of the hollow tube 53 is affected by this thermal lens effect, and as a result, the image formation dimension at the optical fiber light receiving end face 8 changes and the incidence efficiency on the optical fiber cable 9 changes. It was estimated that a change appears in the emission intensity of Fe, which should be constant. The temporal change due to the temperature rise of this hollow tube is independent of the fluctuation of the ablation condition due to the molten metal surface vibration and so on. Therefore, unless the influence by this change is separated, the laser-induced fluorescence due to the emission intensity of Fe Intensity correction was not possible.

このような溶鋼輻射熱の影響を受けないようにするためには、中空管を空冷または水冷することによって、中空管の温度上昇を抑制することが考えられる。しかし、溶鋼からの輻射熱を十分に除去できる流量を確保するためには、コンプレッサーやポンプが必要となり、このような付加的な装置やユーティリティー使用量増によるコスト増をきたすこととなる。   In order to avoid the influence of such molten steel radiant heat, it is conceivable to suppress the temperature increase of the hollow tube by air cooling or water cooling the hollow tube. However, in order to secure a flow rate that can sufficiently remove the radiant heat from the molten steel, a compressor and a pump are required, and the cost increases due to such additional devices and increased utility usage.

ここで、本発明のランスの構成および作用について述べる。   Here, the configuration and operation of the lance of the present invention will be described.

図1に示すように、ランス20は、最外周に配置された第1の円筒管23と中心軸を同軸として配置された第2の円筒管および第3の円筒管25からなる3層構造を有している。第2および第3の円筒管24、25は、第1の円筒管23よりも中心軸方向の長さが短く、いずれも、上端が第1の円筒管23の上端よりも下方に配置される。第1の円筒管23と最も細径の第3の円筒管25の下端は、第1の環状円板31で接続されている。第1の環状円板31は、外径が、第1の円筒管23の内径又は外径と等しく、内径が、第3の円筒管25の内径又は外径と等しい。第2の円筒管24は、第1の環状円板31から離して、図1において少し上方に配置され、第2の円筒管24の上端と第1の円筒管23の内壁が、第2の環状円板32で接続されている。第2の環状円板32は、外径が、第1の円筒管23の内径と等しく、内径が、第2の円筒管24の内径又は外径と等しい。さらに、第1の円筒管23の上端には、第3の環状円板33が取り付けられている。第1の環状円板33は、外径が、第1の円筒管23の内径又は外径と等しく、内周部には、レーザ光を透過させる窓板21が取り付けられている。尚、各環状円板31、32、33は、それぞれ、外周円と内周円とが同心に形成されている。さらに、第1の円筒管23の側壁の、第2の環状円板32が配置された位置よりも少し下方すなわち第1の環状円板31寄りの位置に、不活性ガス導入口22が設けられている。こうして、不活性ガス導入口22から導入されたガスが、第1の円筒管23と第2の円筒管24とに挟まれた第1の空間41、第1の環状円板31と第2の円筒管24の下端との間の第2の空間42、第2の円筒管24と第3の円筒管25とに挟まれた第3の空間43、第3の円筒管25の上端と第3の環状円板33との間の第4の空間44、第3の円筒管25の内部26を順次通過して、第1の環状円板の開口部31aから噴出される通り道が形成される。   As shown in FIG. 1, the lance 20 has a three-layer structure including a first cylindrical tube 23 arranged on the outermost periphery and a second cylindrical tube and a third cylindrical tube 25 arranged coaxially with the central axis. Have. The second and third cylindrical tubes 24 and 25 have a shorter length in the central axis direction than the first cylindrical tube 23, and the upper ends thereof are arranged below the upper end of the first cylindrical tube 23. . The lower ends of the first cylindrical tube 23 and the third cylindrical tube 25 having the smallest diameter are connected by a first annular disk 31. The first annular disk 31 has an outer diameter equal to the inner diameter or outer diameter of the first cylindrical tube 23, and the inner diameter is equal to the inner diameter or outer diameter of the third cylindrical tube 25. The second cylindrical tube 24 is disposed away from the first annular disk 31 and slightly above in FIG. 1, and the upper end of the second cylindrical tube 24 and the inner wall of the first cylindrical tube 23 are the second They are connected by an annular disk 32. The second annular disk 32 has an outer diameter equal to the inner diameter of the first cylindrical tube 23 and an inner diameter equal to the inner diameter or the outer diameter of the second cylindrical tube 24. Furthermore, a third annular disk 33 is attached to the upper end of the first cylindrical tube 23. The outer diameter of the first annular disk 33 is equal to the inner diameter or the outer diameter of the first cylindrical tube 23, and a window plate 21 that transmits laser light is attached to the inner peripheral portion. In addition, as for each annular disc 31, 32, 33, the outer periphery circle | round | yen and the inner periphery circle | round | yen are formed concentrically, respectively. Furthermore, an inert gas inlet 22 is provided on the side wall of the first cylindrical tube 23 slightly below the position where the second annular disk 32 is disposed, that is, near the first annular disk 31. ing. In this way, the gas introduced from the inert gas inlet 22 passes through the first space 41, the first annular disk 31 and the second space between the first cylindrical tube 23 and the second cylindrical tube 24. The second space 42 between the lower end of the cylindrical tube 24, the third space 43 sandwiched between the second cylindrical tube 24 and the third cylindrical tube 25, the upper end of the third cylindrical tube 25 and the third space Passing through the fourth space 44 between the annular disk 33 and the interior 26 of the third cylindrical tube 25 in sequence, a passage is formed that is ejected from the opening 31a of the first annular disk.

すなわち、図1に示すように、本発明のランス20においては、Ar等の不活性ガスが、不活性ガス導入口22より流入し、最外側の流路である第1の空間41をランス20の下部に向かって流れ、ランス20の下部で折り返して、内側の流路である第3の空間43をランス20の上部に向かって流れた後、ランス20の上部にて、第3の円筒管23の内部26に流入し、ランス20の下部の開口部31aより噴出する。第1の空間41を通過中、不活性ガスは溶鋼輻射を受けるランス20の外壁を通して加熱されるので、常温に対して十分な高温に達した状態で第3の円筒管23の内部26へ流入する。このとき、第3の円筒管23の内部26と第3の空間43とを通過する不活性ガスの温度差は小さいので、常温の不活性ガスを図2に示す中空管53の内部55に直接吹き込む場合と比較して、径方向の温度分布が発生しにくく、大きな熱レンズ効果が生じない。   That is, as shown in FIG. 1, in the lance 20 of the present invention, an inert gas such as Ar flows in from the inert gas inlet 22 and passes through the first space 41 that is the outermost flow path. After flowing through the third space 43 that is the inner flow path toward the upper portion of the lance 20, the third cylindrical tube is formed at the upper portion of the lance 20. 23 flows into the interior 26 of the lance 23 and ejects from the opening 31a at the bottom of the lance 20. While passing through the first space 41, the inert gas is heated through the outer wall of the lance 20 that receives the molten steel radiation, and therefore flows into the interior 26 of the third cylindrical tube 23 in a state where the temperature has reached a sufficiently high temperature. To do. At this time, since the temperature difference between the inert gas passing through the interior 26 of the third cylindrical tube 23 and the third space 43 is small, the inert gas at room temperature is introduced into the interior 55 of the hollow tube 53 shown in FIG. Compared with direct blowing, the temperature distribution in the radial direction is less likely to occur, and the large thermal lens effect does not occur.

尚、不活性ガスは、溶鋼湯面の酸化防止、プラズマ発生雰囲気の制御及びプラズマ発光の酸素による吸収防止を目的として元来使用されているものである。すなわち、本発明によれば、付加的な装置やユーティリティーの使用量を増加することなく、安価でかつ簡便に溶鋼輻射熱の分析精度への悪影響を抑制することが可能となる。   The inert gas is originally used for the purpose of preventing oxidation of the molten steel surface, controlling the plasma generation atmosphere, and preventing absorption of plasma emission by oxygen. That is, according to the present invention, it is possible to suppress adverse effects on the analysis accuracy of molten steel radiant heat easily and inexpensively without increasing the amount of additional devices and utilities used.

誘導溶解炉で溶融させた溶鋼表面に、図1に示した装置を近づけて、レーザ誘起蛍光法により溶鋼中炭素濃度を測定した。アブレーションレーザ光aとしてQスイッチパルスNd:YAGレーザを、選択励起レーザ光bとしては、チタンサファイアレーザを用いた。不活性ガス導入口22からArガスを、100L/minの流量で導入し、第1の空間41、第3の空間43、第3の円筒管25の内部26の順に通過させ、第3の円筒管25の下端の開口部31aより溶鋼面に吹きつけながら分析した。ランス20の材質はステンレスを用いた。   The apparatus shown in FIG. 1 was brought close to the molten steel surface melted in the induction melting furnace, and the carbon concentration in the molten steel was measured by a laser-induced fluorescence method. A Q switch pulse Nd: YAG laser was used as the ablation laser beam a, and a titanium sapphire laser was used as the selective excitation laser beam b. Ar gas is introduced from the inert gas introduction port 22 at a flow rate of 100 L / min, and is passed through the first space 41, the third space 43, and the interior 26 of the third cylindrical tube 25 in this order, and the third cylinder. Analysis was performed while spraying the molten steel surface from the opening 31a at the lower end of the tube 25. The material of the lance 20 was stainless steel.

ここで、アブレーションレーザ光a及び選択励起レーザ光bの波長は、それぞれ1064nm及び248nmとし、アブレーションレーザ光aの照射と選択励起レーザ光bの照射との時間間隔(すなわち、遅延時間)は、70μsに設定した。アブレーションレーザ光aと選択励起レーザ光bのパルス幅は、それぞれ約10ns及び25nsであった。アブレーションレーザ光aの溶鋼照射パルスエネルギーは200mJとした。炭素含有率が約10ppmの極低炭素鋼を溶解し、その後高炭素含有鋼材を添加することによって、溶鋼中炭素濃度を順次高めた。各濃度水準で、レーザ誘起蛍光測定を行った。参照とする溶鋼中炭素濃度は、各濃度水準で溶鋼の一部をサンプリングし、凝固後、燃焼赤外線吸収法によって定量した値を用いた。   Here, the wavelengths of the ablation laser beam a and the selective excitation laser beam b are 1064 nm and 248 nm, respectively, and the time interval (that is, the delay time) between the irradiation of the ablation laser beam a and the irradiation of the selective excitation laser beam b is 70 μs. Set to. The pulse widths of the ablation laser beam a and the selective excitation laser beam b were about 10 ns and 25 ns, respectively. The molten steel irradiation pulse energy of the ablation laser beam a was 200 mJ. The carbon concentration in the molten steel was sequentially increased by melting an extremely low carbon steel having a carbon content of about 10 ppm and then adding a high carbon content steel. Laser-induced fluorescence measurements were performed at each concentration level. As the carbon concentration in the molten steel used as a reference, a value obtained by sampling a part of the molten steel at each concentration level, solidifying and then quantifying by the combustion infrared absorption method was used.

また、比較例として、図1に示した装置のランス20の代わりに、図2に示したランス50を取り付けて、実施例1と同様の条件で、溶鋼中炭素のレーザ誘起蛍光強度を測定した。図2のランス50は、図1のランス20と同様の窓板51および不活性ガス導入口52を有し、ステンレス製の中空管53の外周を断熱材54で覆ったものである。すなわち、ランス50においては、不活性ガス導入口52から流入した不活性ガスは、そのまま中空管内部55を下降する。   As a comparative example, the lance 50 shown in FIG. 2 was attached instead of the lance 20 of the apparatus shown in FIG. 1, and the laser-induced fluorescence intensity of carbon in molten steel was measured under the same conditions as in Example 1. . A lance 50 in FIG. 2 has a window plate 51 and an inert gas inlet 52 similar to those in the lance 20 in FIG. 1, and the outer periphery of a stainless steel hollow tube 53 is covered with a heat insulating material 54. That is, in the lance 50, the inert gas that has flowed from the inert gas inlet 52 moves down the hollow tube interior 55 as it is.

図3に、実施例で、炭素の各濃度水準において測定されたレーザ誘起蛍光強度を示す。また、比較例のレーザ誘起蛍光強度測定結果を図4に示す。図4に示すように、比較例では炭素濃度とレーザ誘起蛍光強度とのよい相関は得られず、図3に示すように、本発明のランス20を用いた場合には、炭素濃度とレーザ誘起蛍光強度との相関が改善された。   FIG. 3 shows the laser-induced fluorescence intensity measured at each concentration level of carbon in the example. Moreover, the laser-induced fluorescence intensity measurement result of the comparative example is shown in FIG. As shown in FIG. 4, in the comparative example, a good correlation between the carbon concentration and the laser-induced fluorescence intensity cannot be obtained. As shown in FIG. 3, when the lance 20 of the present invention is used, the carbon concentration and the laser-induced fluorescence intensity are obtained. Correlation with fluorescence intensity was improved.

本発明は、溶融金属中の成分元素濃度をリアルタイムで連続モニタリングする際に適用できる。   The present invention can be applied when continuously monitoring the component element concentrations in the molten metal in real time.

1 アブレーションレーザ発振器
2 選択励起レーザ発振器
3 アブレーションレーザ光反射ミラー
4 選択励起レーザ光反射ミラー
5 プラズマ発光反射ミラー
6 レーザ誘起蛍光反射ミラー
7 プラズマ発光集光レンズ
8 光ファイバー受光端面
9 光ファイバーケーブル
10 レンズ
11 光学フィルター
12 光量検出器
13 電送ケーブル
14 保護ケース
20、50 ランス
21、51 窓板
22、52 不活性ガス導入口
23 第1の円筒管
24 第2の円筒管
25 第3の円筒管
26 内部
27 分析面
28 分光器
29 データ解析装置
31 第1の環状円板
31a 開口部
32 第2の環状円板
33 第3の環状円板
41 第1の空間
42 第2の空間
43 第3の空間
44 第4の空間
53 中空管
54 断熱材
53 内部
a アブレーションレーザ光
b 選択励起レーザ光
c プラズマ発光
d レーザ誘起蛍光
1 Ablation Laser Oscillator 2 Selective Excitation Laser Oscillator 3 Ablation Laser Light Reflection Mirror 4 Selective Excitation Laser Light Reflection Mirror 5 Plasma Emission Reflection Mirror 6 Laser Induced Fluorescence Reflection Mirror 7 Plasma Emission Condensing Lens 8 Optical Fiber Receiving End Face 9 Optical Fiber Cable 10 Lens 11 Optical Filter 12 Light quantity detector 13 Transmission cable 14 Protective case 20, 50 Lance 21, 51 Window plate 22, 52 Inert gas inlet 23 First cylindrical tube 24 Second cylindrical tube 25 Third cylindrical tube 26 Inside 27 Analysis Surface 28 Spectrometer 29 Data analysis device 31 First annular disk 31a Opening portion 32 Second annular disk 33 Third annular disk 41 First space 42 Second space 43 Third space 44 Fourth Space 53 hollow tube 54 heat insulating material 53 inside a ablation laser beam b selective excitation laser Light c plasma emission d laser induced fluorescence

Claims (4)

径が異なる第1、第2および第3の中空の円筒管と、外周円と内周円とが同心である第1、第2および第3の環状円板とが、それぞれの中心軸を同軸に配置して構成される3層構造を有するランスであって、
前記第1の円筒管の径は前記第2の円筒管の径より大きく、前記第2の円筒管の径は前記第3の円筒管の径より大きく、
前記第2および第3の円筒管は、前記第1の円筒管よりも中心軸方向の寸法が短く、
前記第1の環状円板の外径および内径は、それぞれ、前記第1の円筒管の内径又は外径および前記第3の円筒管の内径又は外径と等しく、前記第1の円筒管の片方の端部は前記第1の環状円板の外周に接続され、前記第3の円筒管の片方の端部は前記第1の環状円板の内周に接続され、
前記第2の環状円板の外径および内径は、それぞれ、前記第1の円筒管の内径および前記第2の円筒管の内径又は外径と等しく、前記第2の円筒管の片方の端部は前記第2の環状円板の内周に接続され、前記第2の環状円板の外周は前記第1の円筒管の内壁に接続され、
前記第2の円筒管の前記第2の環状円板に接続されていないもう一方の端部は、前記第1の環状円板に対向し且つ前記第1の環状円板から離して配置され、
前記第3の環状円板の外径は、前記第1の円筒管の内径又は外径と等しく、前記第1の円筒管の前記第1の環状円板に接続されていないもう一方の端部は前記第3の環状円板の外周に接続され、前記第3の環状円板の内周部にはレーザ光が透過する窓板が取り付けられており、
前記第1の円筒管の、前記第2の環状円板との接続箇所付近で且つ前記第1の環状円板との接続側にガス導入口が設けられていることを特徴とする溶鋼の連続モニタリング用ランス。
The first, second, and third hollow cylindrical tubes having different diameters, and the first, second, and third annular disks whose outer and inner circumferential circles are concentric are coaxial with each other. A lance having a three-layer structure arranged and arranged in a
The diameter of the first cylindrical tube is larger than the diameter of the second cylindrical tube, the diameter of the second cylindrical tube is larger than the diameter of the third cylindrical tube,
The second and third cylindrical tubes have a shorter dimension in the central axis direction than the first cylindrical tube,
The outer diameter and the inner diameter of the first annular disk are equal to the inner diameter or the outer diameter of the first cylindrical tube and the inner diameter or the outer diameter of the third cylindrical tube, respectively, and one of the first cylindrical tubes Is connected to the outer periphery of the first annular disk, one end of the third cylindrical tube is connected to the inner periphery of the first annular disk,
The outer diameter and the inner diameter of the second annular disk are equal to the inner diameter and the outer diameter of the first cylindrical tube, respectively, and one end portion of the second cylindrical tube. Is connected to the inner periphery of the second annular disk, the outer periphery of the second annular disk is connected to the inner wall of the first cylindrical tube,
The other end of the second cylindrical tube that is not connected to the second annular disc is disposed opposite the first annular disc and spaced from the first annular disc,
The outer diameter of the third annular disk is equal to the inner diameter or outer diameter of the first cylindrical tube, and the other end of the first cylindrical tube not connected to the first annular disk. Is connected to the outer periphery of the third annular disk, and a window plate through which laser light is transmitted is attached to the inner periphery of the third annular disk,
A continuous molten steel characterized in that a gas introduction port is provided in the vicinity of a connection portion of the first cylindrical tube with the second annular disk and on the connection side with the first annular disk. Monitoring lance.
分光学的測定法による溶鋼の連続モニタリング装置であり、レーザ光を筒状の中空管の内部を通して、溶鋼に照射して元素固有の発光線強度を測定する溶鋼の連続モニタリング装置であって、
溶鋼にレーザ光を照射し前記溶鋼の一部を蒸発させプラズマを発生させる第1のレーザ光照射手段と、
前記プラズマ中の目的元素を共鳴励起して蛍光を誘起させレーザ誘起蛍光を生じさせる第2のレーザ光照射手段と、
前記プラズマからのプラズマ発光を集光するレンズと、
前記プラズマ発光を伝送する光ファイバーケーブルと、
前記レーザ誘起蛍光を集光する集光手段と、
前記集光したレーザ誘起蛍光の光量を検出する手段と、
前記プラズマ発光を分光する分光手段と、
請求項1に記載のランスと、
前記ランスのガス導入口からガスを導入する手段と、
を有することを特徴とする溶鋼の連続モニタリング装置。
It is a continuous monitoring device for molten steel by spectroscopic measurement method, and it is a continuous monitoring device for molten steel that measures the intensity of the emission line specific to the element by irradiating the molten steel with laser light through the inside of a cylindrical hollow tube,
First laser light irradiation means for irradiating the molten steel with laser light to evaporate a part of the molten steel to generate plasma;
A second laser beam irradiation means for resonantly exciting a target element in the plasma to induce fluorescence to generate laser-induced fluorescence;
A lens for condensing plasma emission from the plasma;
An optical fiber cable for transmitting the plasma emission;
Condensing means for condensing the laser-induced fluorescence;
Means for detecting the amount of the collected laser-induced fluorescence;
A spectroscopic means for splitting the plasma emission;
A lance according to claim 1;
Means for introducing gas from the gas inlet of the lance;
A continuous monitoring apparatus for molten steel.
レーザ光を、筒状の中空管の内部を通して、溶鋼に照射して元素固有の発光線強度を測定する溶鋼の連続モニタリング方法であって、
請求項1に記載のランスを用いて、ガスを、前記ガス導入口から導入し、前記第1の円筒管と前記第2の円筒管とに挟まれた第1の空間、前記第1の環状円板と前記第2の円筒管の端部との間の第2の空間、前記第2の円筒管と前記第3の円筒管とに挟まれた第3の空間、前記第3の円筒管の端部と前記第3の環状円板との間の第4の空間、および第3の円筒管の内部を通して、前記第1の環状円板の開口部より噴出させ、レーザ光を前記窓板から入射させて前記第3の円筒管の内部を通して溶鋼に照射することを特徴とする溶鋼の連続モニタリング方法。
A continuous monitoring method for molten steel in which laser light is irradiated to molten steel through the inside of a cylindrical hollow tube to measure the emission line intensity specific to the element,
Using the lance according to claim 1, gas is introduced from the gas introduction port, and a first space sandwiched between the first cylindrical tube and the second cylindrical tube, the first annular shape A second space between a disc and an end of the second cylindrical tube; a third space sandwiched between the second cylindrical tube and the third cylindrical tube; and the third cylindrical tube. Through the fourth space between the end of the first annular disk and the inside of the third cylindrical tube, and the laser beam is emitted from the opening of the first annular disk. The molten steel is irradiated from the inside of the third cylindrical tube and irradiated to the molten steel.
第1のレーザ光照射手段により溶鋼にレーザ光を照射し前記溶鋼の一部を蒸発させてプラズマを発生させる工程と、
第2のレーザ光照射手段により前記プラズマにレーザ光を照射し該プラズマ中の目的元素を共鳴励起して蛍光を誘起させてレーザ誘起蛍光を生じさせ、該レーザ誘起蛍光を集光して該目的元素のレーザ誘起蛍光強度を測定する工程と、
前記第1のレーザ光照射手段によるレーザ光照射によって発生した前記プラズマからのプラズマ発光を集光し、光ファイバーケーブルで伝送後、分光器を用いてスペクトル測定する工程と、を含むことを特徴とする請求項3に記載の溶鋼の連続モニタリング方法。
Irradiating the molten steel with laser light by the first laser light irradiation means to evaporate a part of the molten steel to generate plasma;
The second laser light irradiation means irradiates the plasma with laser light, resonance-excites the target element in the plasma to induce fluorescence to generate laser-induced fluorescence, condenses the laser-induced fluorescence, and Measuring the laser-induced fluorescence intensity of the element;
And condensing plasma emission from the plasma generated by laser light irradiation by the first laser light irradiation means, transmitting the light through an optical fiber cable, and measuring the spectrum using a spectroscope. The continuous monitoring method of the molten steel of Claim 3.
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