JP5753007B2 - 金属溶湯の測定及び試料採取用の測定用プローブ - Google Patents

Description

本発明は金属溶湯の測定及びサンプル採取用の測定用プローブに関し、詳しくは、ランス上に取り付けた測定用ヘッドを有し、該測定用ヘッドが少なくとも温度センサ及びサンプリングチャンバを担持し、該サンプリングチャンバが前記測定用ヘッドにより包囲され且つ、測定用ヘッドを通して伸延する水晶ガラス管製の吸引ダクトを含む測定用プローブに関する。

当該形式の測定用プローブは従来既知であり、中でも、所謂転炉または電気炉における製鋼で使用される。
転炉（所謂ＢＯＦ転炉／塩基性酸素転炉の技術用語）ではランスを用いて金属溶湯中に吹酸する。転炉は、吹酸中のスラグや熱による腐食に耐える耐火材で最適態様下にライニングされる。溶湯を冷却し且つリン、シリコン、マンガンを除去するスクラップ金属及び石灰石（酸化カルシウム）が転炉に添加される。炭素が酸素により燃焼して一酸化炭素と二酸化炭素とを形成する。マンガン、シリコン、リンが、酸化され且つ酸化カルシウム及び酸化鉄の存在下に転換されてスラグを形成する。この酸化反応プロセスは高発熱性のため、溶湯温度制御上、プロセスを冷却する必要がある。当該冷却は吹酸中にスクラップ金属及び鉄鉱石を添加して行う。吹酸自体は、約７０〜４００トンであり得る転炉サイズとは無関係に約１５〜２０分で完了する。当該状況下においてランスの酸素流量は転炉及びまたは溶湯重量に適合される。２つの湯出しステージ間における鋼及びスラグの、温度測定及び分析用サンプル採取を含む鋼及びスラグの装脱時間は４０〜６０分になる。このプロセスの全体的特徴は、生産性が高くしかも鋼の異物含有量が低いことである。湯出しステージでは炉を傾倒させ、湯出し孔を通して製品を取瓶に注ぐ。当該操作中、取瓶に鉄系合金を添加して鋼組成をコントロールする。転炉床を通して、通常はアルゴンである不活性ガスを溶湯に添加して溶湯及びスラグを攪拌させるようにした点は吹酸ランス法における重要な開発事項である。これにより、相当の効率増大と、鉄及びリン含有量が減少する。更には、当該プロセスにおける熱及び質量平衡が改善され、かくしてコストが削減される。
転炉で使用する測定用プローブは、例えばＤＥ１０ ２００５ ０６０ ４９２及びＤＥ１０ ２００５ ０６０ ４９３に記載される。

電気炉の場合、黒鉛電極と、導電性のスクラップ金属負荷との間に生ずる電気アークのエネルギーによりスクラップ金属が溶融する。スクラップ金属を炉内に装填するに際し、３つの電極と炉屋根とを上昇させ、充填孔を露呈させる。各電極は予め選択した電圧及び電流に従い電気アークを維持し、かくして溶融及び酸化に必要なエネルギーを提供する。電炉はその内径が約６〜９ｍであり、鋼容積は１００〜２００トンである。当該電炉における２つの湯出しステージ間の所要時間は約９０〜１１０分である。
電炉で使用する測定用プローブは、例えばＤＥ２８ ４５ ５６６ ４９２、ＤＥ３２ ０３ ５０５及びＤＥ１０３ ６０ ６２５に記載される。

転炉または電炉内のプロセス監視に際し、サンプル中に気泡が生じないよう比較的低温下にサンプル採取し、測定用プローブのサンプリングチャンバを完全充填させる必要がある。溶鋼の理論密度は、酸素の上吹きによって、また、転炉床を通しての不活性ガス吹き込みによって大きく変動するため、この場合のサンプル採取は特に転炉吹酸中は常に容易であるとは限らない。しかも、工業界では溶鋼の過熱許容度の低い（つまり、浴温度と液相温度との差が非常に少ない）炉を使用する傾向がある。

ＤＥ１０ ２００５ ０６０ ４９２号明細書 ＤＥ１０ ２００５ ０６０ ４９３号明細書 ＤＥ２８ ４５ ５６６ ４９２号明細書 ＤＥ３２ ０３ ５０５号明細書 ＤＥ１０３ ６０ ６２５号明細書

従って、解決しようとする課題は、既存の測定用プローブ及びサンプラの改善及び、気泡が大幅に除去されたサンプル採取の容易化、即ち、サンプル品質の向上と、測定用プローブからのサンプル取出しの好ましい容易化とである。

前記課題は、独立形式請求項に関わる本願発明の特徴部分により解決される。
本発明によれば、溶鋼内での測定及びサンプル採取用の測定用プローブであって、ランス上に取り付けた測定用ヘッドを有し、該測定用ヘッドが少なくとも温度センサとサンプリングチャンバとを担持し、該サンプリングチャンバが前記測定用ヘッドにより少なくとも部分的に包囲され且つ吸引ダクトを含み、該吸引ダクトが、前記測定用ヘッドを通して伸延され且つ好ましくは水晶ガラス管製であり、該水晶ガラス管製の吸引ダクトが、前記測定用ヘッド内を伸延する該水晶ガラス管内の１セクションの長さＬと、該セクション内の少なくとも一カ所における該水晶ガラス管の最小径Ｄの二乗との比Ｌ／Ｄ²が、Ｌ／Ｄ²＜０．６ｍｍ^-1、好ましくは＜０．４５ｍｍ^-1、特に好ましくは＜０．３ｍｍ^-1である測定用プローブが提供される。溶鋼の過熱度が低い場合は低比率、例えば、過熱が１００℃以上の場合はＬ／Ｄ²＜０．６ｍｍ^-1、８０℃以下の場合はＬ／Ｄ²＜０．３ｍｍ^-1であるのが有益であることが分かった。

また本発明によれば、溶鋼内での測定及びサンプル採取用の測定用プローブであって、ランス上に取り付けた測定用ヘッドを有し、該測定用ヘッドが少なくとも温度センサとサンプリングチャンバとを担持し、該サンプリングチャンバが前記測定用ヘッドにより少なくとも部分的に包囲され且つ吸引ダクトを含み、該吸引ダクトが、前記測定用ヘッドを通して伸延され且つ好ましくは水晶ガラス管製であり、前記測定用ヘッドが２０ｍｂａｒ以下の逆圧Ｐ_gを有し、該逆圧が、２つの開放端を有する管に規準ガスフラックスを案内し、該管内の圧力Ｐ₁を測定し、次いで該管の一端を測定用ヘッドの吸引ダクトに挿通し、前記管に前記同一の規準ガスフラックスを案内し、該管内の圧力Ｐ₂を測定し、圧力Ｐ₂から圧力Ｐ₁を減算して測定用ヘッドの逆圧Ｐ_gを決定する測定用プローブが提供される。この場合、測定用ヘッドの逆圧Ｐ_gは１５ｍｂａｒ以下であることが有益である。この形式の測定用ヘッドによれば、高品質のサンプル採取も保証される。
詳しくは、比Ｌ／Ｄ²が０．６ｍｍ^-1、好ましくは０．４５ｍｍ^-1未満であり且つその何れの場合でも測定用ヘッドの逆圧Ｐ_gが２０ｍｂａｒ未満であることが有益である。

測定用ヘッドは、セラミック材料、セメント、鋼、鋳物砂の群からの材料で形成するのが有利である。特にサンプリングチャンバを鋳物砂製のサンドボディで少なくとも部分的に包囲するのが有益である。測定用ヘッドは、サンプリングチャンバの、相互に直交する第１及び第２の各方向における長さが、該第１及び第２の各方向と直交する第３方向より長く且つ、該第３方向に直交して前記サンプリングチャンバ内に吸引ダクトが開口する如く設計され得る。当該設計は所謂平坦サンプリングチャンバの設計に相当し、該平坦サンプリングチャンバは、円形または楕円形または細長形状の断面を有し、該断面に直交して本来矩形の小断面を設け、該小断面が丸み付け角部を有し得る。従って、前記吸引ダクトは前記断面と平行で且つ前記小断面と直交して伸延する。測定用ヘッドは、利用上の融通性及び汎用性を高めると同時に溶湯のより多くのパラメータを測定し得るよう、少なくとも電気化学的センサをも担持するのが有益である。

サンプリングチャンバに通気可能性を持たせるのが有益である。サンプリングチャンバは２つの半球体から構成され、各半球体は、既知の様式下にサンプリングチャンバの長手方向軸に平行に分離し得且つ、サンプリングチャンバへの液体金属流入時にサンプリングチャンバからの空気逃出を可能とし、その間、２つの半球体間から液体金属が排出しない様式下にその各縁部により相互保持されるのが有益である。２つの半球体はクランプにより相互押圧され、かくしてサンプリングチャンバは、溶湯浸漬時に生じる溶鋼静圧に応答して、前記２つの半球体が開放しない状態下に前記サンドボディ内に十分固定される。各半球体の縁部には、サンプリングチャンバの通気を可能とする、例えば、小孔または溝を設け得、かくしてサンプリングチャンバを出る溶湯のバリ形成が防止され得る。

本発明に従う測定用プローブは、通常、溶鋼の収納容器に上方から浸漬される。当該浸漬法はしばしば、例えば自動浸漬ランスを用いて自動実施される。測定後、測定用プローブを取り付けた浸漬ランスは溶鋼の収納容器から離間する側方にピボット廻動され、次いで落下される。当該方法では測定用プローブは数メートル落下する。地面衝突後、サンプルは損傷を受けず、サンプリングチャンバから容易に取り出し得る。

本発明によれば、説明した測定用プローブは、鋼溶解用の転炉内に配置した溶鋼内で、吹酸中における測定及びサンプル採取のために、または電気アーク炉内に配置した溶鋼内での測定及びサンプル採取のために使用される。
以下に本発明を図面を参照して詳しく説明する。

転炉の略断面図である。 本発明に従う、測定用ヘッドを有する測定用プローブの略側面図である。 本発明に従う測定用ヘッドの断面図である。 開放管における圧力測定状況を示す概略図である。 測定用ヘッドにおける圧力測定状況を示す概略図である。

図１にはライニング２付きの転炉を示す。転炉１はスラグ層４を上載した溶鋼３を収納する。製鋼用のアルゴンが転炉１の床を通した床ノズル５を介し溶鋼中に吹き込まれる。吹き込みランス６により酸素が上吹きされる。吹き込みランス６とは別に所謂浸漬ランス７が転炉１内に導入され、当該浸漬ランス７は測定用ヘッド９をその浸漬端上に取り付けた測定用プローブ８を有する。測定は吹酸中に且つ通常は吹酸終了前の約２分間実施する。当該測定には、温度測定と、炭素含有量決定用のサンプル採取とが含まれる。測定結果に基づいて吹き込み法を修正することで溶鋼品質を変化させ得る。吹酸完了後、二次的測定を実施し得る。二次的測定には通常、溶鋼温度測定、溶鋼中の活性酸素含有量測定及び、実験室分析による鋼最終成分決定用のサンプル採取が含まれる。現在の炭素含有量は、鋼中の酸素含有量に基づき数秒以内に決定され得る。脱酸素剤（アルミニューム）の必要量が算出され得る。

図２に示す測定用プローブ８では、そのキャリヤ管１０の浸漬端上に測定用ヘッド９を取り付ける。測定用ヘッド９は吸引オリフィス及びセンサを保護するプラスチックキャップ１１を含み、当該プラスチックキャップはスラグ４通過中に燃焼してセンサ系及び吸引オリフィスを溶鋼中に釈放する。プラスチックキャップ１１の内側には、鋼性でしかも、測定用プローブをその内部で使用する溶鋼に溶解する金属キャップまたは金属層を追加し得る。測定用ヘッド９はリブ１３付きの鋳物砂製のサンドボディ１２を含み、当該リブ１３はサンドボディをキャリヤ管１０内に押し込み、かくして堅固な保持を保証する。測定用ヘッド９の後方端上には連結ケーブル１４を取り付け、当該連結ケーブルを用いてセンサからの信号をキャリヤ管１０及び浸漬ランス７を介して分析施設に伝送する。

図３には測定用ヘッド９の略断面が示され、温度センサ１５としての熱電対が、金属キャップ１６で包囲された状態下に耐火セメント１７により測定用ヘッド９内に取り付けられている。温度センサは、測定用ヘッド９の内側に位置付けたその後端部に、熱電対ワイヤを連結用ケーブルに接続する連結要素１８を含む。測定用ヘッド９の鋳物砂製のサンドボディ１２内には、サンプリングチャンバ１９及び、吸引オリフィスとしての水晶ガラス管２０をも取り付ける。水晶ガラス管はサンドボディから約１ｃｍ突出する。吸引オリフィスの、水晶ガラス管２０の外側部分を金属キャップ２５（鋼製）により閉鎖し、当該金属キャップの上方には厚紙キャップ２６を取り付ける。当該厚紙キャップは溶鋼への浸漬または浸漬後に破壊され、水晶ガラス管の外側吸引オリフィスを釈放する。長さＬは、測定用ヘッド９のサンドボディ１２内における吸引オリフィスの、サンプリングチャンバ１９内への入位置及びサンドボディ１２からの出位置間長を表す。当該長さは所謂組み入れ長である。直径Ｄは、組み入れ長Ｌ範囲内の最小径を表す。図示例では比Ｌ／Ｄ²＝０．２２ｍｍ^-1で無気泡サンプルを得るが、従来技術に従うプローブでは相当比は約１．４３ｍｍ^-1となる。

サンプリングチャンバ１９はサンドボディ１２のサンドリブ２１によりサンドボディ１２内に押し嵌め固定される。
圧力測定は当初図４に示す略ダイヤグラムに従い管２２内で実施され、当該管は両端が開放され且つ水晶ガラス管２０内への摺動に好適に適合する外径を有する。矢印２３は好ましくは空気であるガスにして、圧力ゲージ２４により決定される圧力Ｐ１を有するガスの流れ方向を表す。管２２の、圧力ゲージ２４と水晶ガラス管２０との間の長さは約２ｃｍであり、内径は約４ｍｍである。

図５には、図４に示す測定後に管２２をサンプラーの水晶ガラス管２０内に摺動させた状況を示す。ガスを再導入し、圧力Ｐ₂を圧力ゲージで測定する。圧力Ｐ₂−圧力Ｐ₁が測定用ヘッドの逆圧Ｐ_gとなる。圧力はガス流量が８００ｌ／時である間に測定し、ガス流量は所謂“標準リットル”、即ち、室温２０℃及び標準空気圧１０１３ｈＰａでの測定流量に基づいた。本例で示す決定逆圧は１５ｍｂｒ未満であった。前記逆圧構成を用いて両高品質のサンプルが入手された。

１ 転炉
３ 溶鋼
４ スラグ層
５ 床ノズル
６ ランス
７ 浸漬ランス
８ 測定用プローブ
９ 測定用ヘッド
１０ キャリヤ管
１１ プラスチックキャップ
１２ サンドボディ
１３ リブ
１４ 連結ケーブル
１５ 温度センサ
１６ 金属キャップ
１７ 耐火セメント
１９ サンプリングチャンバ
２０ 水晶ガラス管
２１ サンドリブ
２２ 管
２４ 圧力ゲージ
２５ 金属キャップ
２６ 厚紙キャップ
Ｐ_g 逆圧

Claims (23)

1. 溶融金属の測定及びサンプル採取用の測定用プローブであって、ランス上に取り付けた測定用ヘッドを有し、該測定用ヘッドが少なくとも温度センサ及びサンプリングチャンバを担持し、該サンプリングチャンバが前記測定用ヘッドにより少なくとも部分的に包囲され且つ該測定用ヘッドを貫いて伸延する吸引ダクトを含み、該吸引ダクトが、前記測定用ヘッド内を伸延する内側セクションを含み、該内側セクションが、長さＬと、該内側セクション内の少なくとも１カ所における最小径Ｄとを有し、比Ｌ／Ｄ²が０．６ｍｍ^-1未満である測定用プローブ。
2. 前記比Ｌ／Ｄ²が０．４５ｍｍ^-1未満である請求項１に記載の測定用プローブ。
3. 前記比Ｌ／Ｄ²が０．３ｍｍ^-1未満である請求項２に記載の測定用プローブ。
4. 比Ｌ／Ｄ²が０．６ｍｍ^-1未満である請求項１に記載の測定用プローブ。
5. 比Ｌ／Ｄ²が０．４５ｍｍ^-1未満である請求項１に記載の測定用プローブ。
6. 比Ｌ／Ｄ²が０．３ｍｍ^-1未満である請求項１に記載の測定用プローブ。
7. 測定用ヘッドが、セラミック材料、セメント、鋼、鋳物砂、の群からの材料から形成される請求項１〜６の何れかに記載の測定用プローブ。
8. 吸引ダクトが水晶ガラス管から形成される請求項１〜７の何れかに記載の測定用プローブ。
9. サンプリングチャンバが、鋳物砂製のサンドボディにより少なくとも部分的に包囲される請求項１〜８の何れかに記載の測定用プローブ。
10. サンプリングチャンバの、相互に直交する第１及び第２の各方向における長さが、該第１及び第２の各方向と直交する第３方向より長く且つ、該第３方向に直交して前記サンプリングチャンバ内に吸引ダクトが開口する請求項１〜９の何れかに記載の測定用プローブ。
11. 測定用ヘッドが、少なくとも電気化学的センサをも担持する請求項１〜１０の何れかに記載の測定用プローブ。
12. 転炉内で製鋼用に配置した溶融金属における吹き込みプロセス中における測定及びサンプル採取のための請求項１〜１１の何れかに記載の測定用プローブの使用。
13. 電気炉内に配置した溶融金属内における測定及びサンプル採取のための請求項１〜１１の何れかに記載の測定用プローブの使用。
14. 溶融金属の測定及びサンプル採取用の測定用プローブの使用方法であって、前記測定用プローブが、ランス上に取り付けた測定用ヘッドを有し、該測定用ヘッドが少なくとも温度センサ及びサンプリングチャンバを担持し、該サンプリングチャンバが前記測定用ヘッドにより少なくとも部分的に包囲され且つ該測定用ヘッドを貫いて伸延する吸引ダクトを含み、
    前記方法が、
    ２つの開放端を有する管に規準ガスフラックスを案内し、前記管内の圧力Ｐ₁を測定し、次いで前記管の一端を測定用ヘッドの吸引ダクトに挿通して前記管に同一の規準ガスフラックスを案内し、前記管内の圧力Ｐ₂を測定し、前記圧力Ｐ₂から圧力Ｐ₁を減算して測定用ヘッドの逆圧Ｐgを決定することにより、圧力測定時における前記測定用ヘッドが２０ｍｂａｒ未満の逆圧Ｐgを有するようにすること、
    を含む方法。
15. 圧力測定時における測定用ヘッドの逆圧Ｐgが１５ｍｂａｒ未満である請求項１４に記載の方法。
16. 圧力測定時における測定用ヘッドの逆圧Ｐgが２０ｍｂａｒ未満である請求項１４に記載の方法。
17. 圧力測定時における測定用ヘッドの逆圧Ｐgが２０ｍｂａｒ未満である請求項１４に記載の方法。
18. 圧力測定時における測定用ヘッドの逆圧Ｐgが２０ｍｂａｒ未満である請求項１４に記載の方法。
19. 測定用ヘッドが、セラミック材料、セメント、鋼、鋳物砂、の群からの材料から形成される請求項１４〜１８の何れかに記載の方法。
20. 吸引ダクトが水晶ガラス管から形成される請求項１４〜１９の何れかに記載の方法。
21. サンプリングチャンバが、鋳物砂製のサンドボディにより少なくとも部分的に包囲される請求項１４〜２０の何れかに記載の方法。
22. サンプリングチャンバの、相互に直交する第１及び第２の各方向における長さが、該第１及び第２の各方向と直交する第３方向より長く且つ、該第３方向に直交して前記サンプリングチャンバ内に吸引ダクトが開口する請求項１４〜２１の何れかに記載の方法。
23. 測定用ヘッドが、少なくとも電気化学的センサをも担持する請求項１４〜２２の何れかに記載の方法。

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