JP5862101B2 - 溶鋼中炭素濃度の分析方法および分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ発光分光分析法を利用して溶鋼中の炭素濃度を分析する溶鋼中炭素濃度の分析方法および分析装置に関するものである。

鉄鋼製造業では、溶鋼の成分組成を溶融したままの状態で迅速に分析し、分析結果に基づいて溶鋼の製造条件を制御する技術が求められている。特に溶鋼中の炭素濃度は、溶鋼の精錬工程における主要管理成分の１つである。このため、溶鋼中の炭素濃度を溶融したままの状態で迅速に分析する技術が強く求められている。

溶融状態の物質の成分組成を分析する分析方法の一つとして、レーザ発光分光分析法が知られている。レーザ発光分光分析法は、レーザパルス光を対象物質の表面に照射し、レーザパルス光の照射に伴い発生するレーザ誘起プラズマからの励起光を分光分析することによって、対象物質の成分組成を分析するものである。

このレーザ発光分光分析法を利用した溶鋼の成分分析においては、レーザパルス光のパワー密度や集光距離などのレーザ照射条件が分析精度に影響を与えることから、レーザ照射条件についての提案がなされている。

具体的には、特許文献１には、固体鉄鋼試料からのＦｅの発光強度を用いてレーザ照射条件を検討し、固体鉄鋼試料表面におけるレーザパルス光のパワー密度を２×１０^１１［Ｗ／ｃｍ^２］以上とする技術が開示されている。

特許文献２には、溶鋼からのＳｉ，Ｍｎ，Ｃｒなどの元素の発光強度を用いてレーザ照射条件を検討し、レーザパルス光の集光レンズの焦点距離から５［％］を越えない範囲に溶鋼表面を位置させる技術が開示されている。

特許文献３には、溶鋼からのＡｌ，Ｍｎ，Ｎｉなどの元素の発光強度を用いて様々なパルス幅のレーザパルス光についてレーザ照射条件を検討し、レーザパルス光のパワー密度を５×１０^７［Ｗ／ｃｍ^２］以上１×１０^１０［Ｗ／ｃｍ^２］以下とする技術が開示されている。

特開昭５８−７６７４４号公報 特開昭６０−３４７号公報 特開平０７−２３４２１１号公報

ところで、溶鋼のように試料表面に蒸気やヒュームが存在する環境では、レーザパルス光が試料表面に到達する前にレーザ誘起プラズマが発生することがある。レーザパルス光が試料表面に到達する前にレーザ誘起プラズマが発生した場合、レーザ誘起プラズマ中の元素発光強度と溶鋼成分との相関関係が変化するために、溶鋼成分を正確に分析できなくなる。しかしながら、特許文献１−３記載の技術は、レーザパルス光が試料表面に到達する前に発生したレーザ誘起プラズマの影響を考慮せずにレーザ照射条件を決定している。このため、特許文献１−３記載の技術によれば、レーザパルス光が溶鋼表面に到達する前に発生したレーザ誘起プラズマの影響によって、溶鋼中の炭素濃度を正確に分析できないことがある。

また、溶鋼中の炭素濃度を分析する際には、溶鋼中や溶鋼表面近傍に存在する酸素と溶鋼中の炭素とが反応することによってＣＯガスやＣＯ_２ガスが発生し、これらのガスが炭素濃度の分析精度に影響を与えることが考えられる。しかしながら、特許文献１−３記載の技術は、ＣＯガスやＣＯ_２ガスの影響を考慮せずにレーザ照射条件を決定している。このため、特許文献１−３記載の技術によれば、ＣＯガスやＣＯ_２ガスの影響によって、溶鋼中の炭素濃度を正確に分析することができない。

このような背景から、レーザ発光分光分析法を利用して溶鋼中の炭素濃度を正確、且つ、迅速に分析可能な技術の提供が期待されていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、レーザ発光分光分析法を利用して溶鋼中の炭素濃度を正確、且つ、迅速に分析可能な溶鋼中炭素濃度の分析方法および分析装置を提供することにある。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る溶鋼中炭素濃度の分析方法は、集光レンズを利用してレーザパルス光を溶鋼表面に集光照射するステップと、前記レーザパルス光の集光照射に伴い発生するレーザ誘起プラズマからの励起光を分光分析することによって溶鋼中の炭素濃度を分析するステップと、を含み、前記集光レンズの焦点距離ｆと該集光レンズと前記溶鋼表面との間の距離ｌとが下記数式（１）に示す関係を満足し、前記溶鋼表面におけるレーザパルス光の１パルスあたりのパワー密度ρが下記数式（２）に示す関係を満足する。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る溶鋼中炭素濃度の分析装置は、レーザパルス光を溶鋼表面に集光照射する集光レンズと、前記レーザパルス光の集光照射に伴い発生するレーザ誘起プラズマからの励起光を分光分析することによって溶鋼中の炭素濃度を分析する分析手段と、を備え、前記集光レンズの焦点距離ｆと該集光レンズと前記溶鋼表面との間の距離ｌとが下記数式（３）に示す関係を満足し、前記溶鋼表面におけるレーザパルス光の１パルスあたりのパワー密度ρが下記数式（４）に示す関係を満足する。

本発明に係る溶鋼中炭素濃度の分析方法および分析装置によれば、レーザ発光分光分析法を利用して溶鋼中の炭素濃度を正確、且つ、迅速に分析することができる。

図１は、本発明の一実施形態である溶鋼中炭素濃度の分析装置の構成を示す模式図である。 図２は、溶鋼表面と集光レンズの焦点位置との間の距離と集光レンズの焦点距離との比とパワー密度との関係の一例を示す図である。 図３は、レーザパルス光のパルスエネルギーの変化に伴うＦｅおよびＣの発光強度の変化の一例を示す図である。 図４は、レーザパルス光のパルスエネルギーの変化に伴うＦｅおよびＣの発光強度の変化の一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である溶鋼中炭素濃度の分析装置の構成およびその分析方法について説明する。

〔分析装置の構成〕
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態である溶鋼中炭素濃度の分析装置の構成について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である溶鋼中炭素濃度の分析装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である溶鋼中炭素濃度の分析装置１は、レーザ発振器１０，反射鏡１１，集光レンズ１２，集光器１３，光ファイバ１４，および分光分析器１５を備えている。レーザ発振器１０は、レーザ誘起プラズマの生成に必要なパワー密度が得られるＮｄ：ＹＡＧレーザなどの固体レーザパルスによって構成され、反射鏡１１に向けてレーザパルス光ＬＢを発振出力する。レーザ発振器１０が発振出力するレーザパルス光ＬＢのパルス幅，ビーム径，および１パルスあたりのエネルギー（パルスエネルギー）は調整することができる。

反射鏡１１は、レーザ発振器１０から発振出力されたレーザパルス光ＬＢを集光レンズ１２に向けて反射するものである。集光レンズ１２は、耐熱性が高い石英ガラスなどの材料によって形成され、反射鏡１１によって反射されたレーザパルス光ＬＢを溶鋼Ｓの表面に集光照射するものである。なお、集光レンズ１２と溶鋼Ｓの表面との間の距離ｌが集光レンズ１２の焦点距離ｆより長い場合、溶鋼Ｓの表面の上方でレーザパルス光ＬＢが集光されるために、溶鋼Ｓ上でレーザ誘起プラズマが生成され、溶鋼Ｓを十分に励起することができない。このため、集光レンズ１２と溶鋼Ｓの表面との間の距離ｌは集光レンズ１２の焦点距離ｆ以下の長さとする。また、溶鋼Ｓからの輻射熱の影響を抑制するために、焦点距離ｆが５００［ｍｍ］以上である集光レンズを用いるとよい。

集光器１３は、レーザパルス光ＬＢの照射に伴い溶鋼Ｓの表面上に発生したレーザ誘起プラズマＰからの励起光を集光するものである。光ファイバ１４は、集光器１３によって集光された励起光を分光分析器１５に導くものである。なお、本実施形態では、光ファイバ１４を利用して励起光を分光分析器１５に導いたが、集光ミラーや集光レンズ、若しくはこれらを組み合わせた光学系を利用して励起光を分光分析器１５に導いてもよい。分光分析器１５は、光ファイバ１４から出力された励起光を波長分散し、分析元素の発光波長に対応した位置に設置された光検出器で分析元素の発光強度を検出するものである。なお、分光分析器１５は、分析元素の発光強度の検出タイミングがレーザ発振器１０の発振周期と同期するように分析元素の発光強度の検出タイミングを制御する。そして、分光分析器１５は、検出された分析元素の発光強度に基づいて溶鋼Ｓ中の炭素濃度を定量分析する。

〔焦点位置からの距離と焦点距離との関係〕
次に、図２を参照して、集光レンズ１２の焦点位置から溶鋼Ｓの表面までの距離ｆ−ｌと集光レンズ１２の焦点距離ｆとの関係について説明する。

分析対象物が溶鋼Ｓである場合、溶鋼Ｓ表面上に存在する蒸気やヒュームにレーザパルス光ＬＢが照射されることによって、レーザパルス光ＬＢが溶鋼Ｓに到達する前にレーザ誘起プラズマＰが生成される可能性がある。このため、溶鋼Ｓの成分組成を正確に分析するためには、レーザパルス光ＬＢのパワー密度は、レーザパルス光ＬＢが溶鋼Ｓに到達する前に蒸気やヒュームによるレーザ誘起プラズマＰが生成されず、且つ、レーザパルス光ＬＢが溶鋼Ｓに到達した際にレーザ誘起プラズマＰが生成される大きさである必要がある。

図２は、パルスエネルギー１００［ｍＪ］，集光レンズ入射径１０［ｍｍ］，およびパルス半値幅１０［ｎｓ］のレーザパルス光ＬＢに関する溶鋼Ｓ表面と集光レンズ１２の焦点位置との間の距離とパワー密度との関係を示す図である。図２の縦軸は、以下に示す数式（５）によって求められるパワー密度ρ［Ｗ／ｃｍ^２］を示している。なお、数式（５）中のパラメータＥ，τ，ｒはそれぞれ、レーザパルス光ＬＢのパルスエネルギー，パルス半値幅，および溶鋼Ｓ表面における照射半径を示している。図２の横軸は、溶鋼Ｓ表面と集光レンズ１２の焦点位置との間の距離、すなわち集光レンズ１２と溶鋼Ｓの表面との間の距離ｌと集光レンズ１２の焦点距離ｆとの差（ｆ−ｌ）と、集光レンズ１２の焦点距離ｆとの比（ｆ−ｌ）／ｆを百分率で表したものを示している。

図２に示すように、比（ｆ−ｌ）／ｆの大きさが５［％］未満である場合、パワー密度ρの変化が大きく、比（ｆ−ｌ）／ｆの大きさが０．５［％］の場合と比（ｆ−ｌ）／ｆの大きさが５［％］の場合とではパワー密度ρに約１００倍の差がある。このため、比（ｆ−ｌ）／ｆの大きさが５［％］未満である場合には、パワー密度ρが大きいためにレーザ誘起プラズマＰが溶鋼Ｓの上方で生成される可能性が高く、またレーザ誘起プラズマＰが生成される位置も溶鋼Ｓ上の蒸気やヒュームの影響によって安定しない。従って、レーザパルス光ＬＢが溶鋼Ｓに到達する前に蒸気やヒュームによるレーザ誘起プラズマＰが生成されないようにするためには、比（ｆ−ｌ）／ｆの大きさを５［％］以上とする必要がある。

一方、比（ｆ−ｌ）／ｆの大きさが大きくなると、溶鋼Ｓ表面におけるレーザパルス光ＬＢの照射径が大きくなるために、レーザ誘起プラズマＰの生成に必要な１×１０^９［Ｗ／ｃｍ^２］以上のパワー密度ρが得られない。従って、溶鋼Ｓに到達した際にレーザ誘起プラズマＰが生成されるためには、比（ｆ−ｌ）／ｆの大きさを１０［％］以下とする必要がある。以上のことから、レーザパルス光ＬＢが溶鋼Ｓに到達する前に蒸気やヒュームによるレーザ誘起プラズマＰが生成されず、且つ、レーザパルス光ＬＢが溶鋼Ｓに到達した際にレーザ誘起プラズマＰが生成されるためには、比（ｆ−ｌ）／ｆの大きさは５［％］以上１０［％］以下の範囲内にすることが望ましい。

〔レーザパルス光のパワー密度〕
次に、図３を参照して、レーザパルス光ＬＢのパワー密度の炭素濃度の分析精度に対する影響について説明する。

本実験では、集光レンズ１２と溶鋼Ｓとの間の距離ｌを変化させることによって溶鋼Ｓの表面におけるレーザ照射面積を変化させ、各距離ｌにおいてレーザパルス光ＬＢのパルスエネルギーを変化させることによって溶鋼Ｓの表面におけるパワー密度ρを変化させた。そして、各条件において生成されたレーザ誘起プラズマＰからのＦｅおよびＣの発光強度を測定した。なお、レーザ発振器１０としては、波長１０６４［ｎｍ］、パルス半値幅１０［ｎｓ］のＮｄ：ＹＡＧレーザパルスを使用し、集光レンズ１２として、焦点距離１２００［ｍｍ］の合成石英製の球面平凸レンズを用いた。また、溶鋼Ｓとして炭素濃度が０．０５［重量％］である溶鋼を使用し、溶鋼Ｓの温度は１６００±２０［℃］に調整した。

図３は、ｌ＝１２００［ｍｍ］、すなわち集光レンズ１２の焦点位置に溶鋼Ｓ表面を合わせて（ｌ＝１．００ｆ）レーザパルス光ＬＢのパルスエネルギーを５０，９０，１３０［ｍＪ］と変化させた際のＦｅおよびＣの発光強度の変化を示す図である。本実験では、焦点位置におけるレーザパルス光ＬＢの照射径は約１６０［μｍ］であり、レーザパルス光ＬＢのパルスエネルギーが５０，９０，１３０［ｍＪ］である時のパワー密度はそれぞれ、２．４×１０^１０，４．４×１０^１０，６．３×１０^１０［Ｗ／ｃｍ^２］と見積もられ、特許文献２記載のレーザ照射条件とほぼ同等のレーザ照射条件と考えられる。

一般に、レーザ発光分光分析においては、入射するレーザパルス光のパワー密度が増加すると、試料からレーザ誘起プラズマ中に供給される原子の量が増加するために、各元素の発光強度が増加する。しかしながら、図３に示すレーザ照射条件では、Ｆｅの発光強度はレーザパルス光のパワー密度が変化しても大きく変化していない。これに対して、Ｃの発光強度は、レーザパルス光のパワー密度が２．４×１０^１０［Ｗ／ｃｍ^２］から４．４×１０^１０［Ｗ／ｃｍ^２］へと増加する際は増加し、レーザパルス光のパワー密度が４．４×１０^１０［Ｗ／ｃｍ^２］から６．３×１０^１０［Ｗ／ｃｍ^２］へと増加する際にはほとんど変化しない。

このような発光強度変化の挙動の違いは、レーザパルス光が溶鋼に十分に到達することができず、溶鋼の上方でレーザ誘起プラズマが生成したためと考えられる。すなわち、レーザパルス光が溶鋼に到達する前にレーザ誘起プラズマが生成した場合、溶鋼からの原子供給はほとんど無く、溶鋼上のガス成分がレーザ誘起プラズマ中で励起されて発光すると考えられる。レーザ誘起プラズマのサイズは数ｍｍであるのに対して、Ｆｅの蒸気層は溶鋼上の極表層にしか存在しない。このため、レーザパルス光のパワー密度が変化しても、励起されるＦｅの原子数はほとんど変化せず、Ｆｅの発光強度も変化しない。一方、Ｃは、ＣＯガス又はＣＯ_２ガスなどの状態で溶鋼上に広く存在する。このため、レーザパルス光のパワー密度の増加に伴うレーザ誘起プラズマの体積増加に伴い、励起される原子量が増加しＣの発光強度が増加する。また、パワー密度が極めて高い条件では、レーザ誘起プラズマ中の元素による自己吸収効果によってＣの発光強度が減衰したものと考えられる。

また、一般に、レーザ発光分光分析においては、レーザパルス光のパルスエネルギーの変動による発光強度変動の影響を抑制するために、目的元素の発光強度をマトリックス元素などの発光強度で除算する内標準手法が用いられる。しかしながら、図３に示すレーザ照射条件では、Ｃの発光強度とＦｅの発光強度との比が一定にならないことから、Ｃの発光強度をＦｅの発光強度で除算する内標準手法を用いることができない。このため、図３に示すレーザ照射条件では、レーザパルス光のパルスエネルギーの変動による発光強度変動の影響を抑制することができない。

図４は、ｌ＝１１４０［ｍｍ］、すなわち集光レンズ１２の焦点位置に対する溶鋼Ｓ表面の位置のずれが６０［ｍｍ］（焦点距離１２００［ｍｍ］の５［％］，ｌ＝０．９５ｆ）である時のレーザパルス光ＬＢのパルスエネルギーを５０，９０，１３０［ｍＪ］と変化させた際のＦｅおよびＣの発光強度の変化を示す図である。本実験では、焦点位置におけるレーザパルス光ＬＢの照射径は約５００［μｍ］であり、レーザパルス光ＬＢのパルスエネルギーが５０，９０，１３０［ｍＪ］である時のパワー密度はそれぞれ、２．５×１０^９，４．６×１０^９，６．６×１０^９［Ｗ／ｃｍ^２］と見積もられた。

図４に示すように、このレーザ照射条件では、レーザパルス光のパワー密度の増加に伴いＦｅおよびＣの発光強度が増加し、またＣの発光強度とＦｅの発光強度との比がほぼ一定になることが確認された。従って、このレーザ照射条件では、溶鋼の上方でレーザ誘起プラズマが生成されることを抑制できる。また、内標準手法を用いたレーザパルス光のパルスエネルギー変動の影響を抑制することができ、炭素濃度をより高精度に分析することができる。

最後に、集光レンズと溶鋼との間の距離およびレーザパルス光のパルスエネルギーを変化させた場合の発光強度の変化を調査した結果を以下の表１に示す。本調査では、集光レンズとして焦点距離ｆが１２００［ｍｍ］の合成石英製の球面平凸レンズを用い、集光レンズと溶鋼との間の距離を１０５０，１０８０，１１１０，１１４０，１１７０，１２００［ｍｍ］と変化させた。そして、各距離においてレーザパルス光のパルスエネルギーを５０，９０，１３０［ｍＪ］と変化させた。表１の上段は各レーザ照射条件におけるパワー密度［Ｗ／ｃｍ^２］を示している。また、表１の下段は発光強度の評価結果を示し、発光強度がレーザパルス光のパルスエネルギー変化に伴い変化する場合は○、変化しない場合は×が記載されている。

表１から明らかなように、集光レンズと溶鋼との間の距離ｌが以下に示す数式（６）を満足し、且つ、レーザパルスの溶鋼表面における１パルスあたりのパワー密度ρが以下に示す数式（７）を満足することによって、各元素の発光強度がパワー密度の変化に伴い変化し、溶鋼中の炭素濃度を精度高く分析可能であることが知見された。

１ 分析装置
１０ レーザ発振器
１１ 反射鏡
１２ 集光レンズ
１３ 集光器
１４ 光ファイバ
１５ 分光分析器
Ｐ レーザ誘起プラズマ
Ｓ 溶鋼

Claims (2)

1. 溶鋼表面にレーザパルス光が到達する前にレーザ誘起プラズマが生成されないように集光レンズを利用してレーザパルス光を溶鋼表面に集光照射するステップと、
   前記レーザパルス光の集光照射に伴い発生するレーザ誘起プラズマからの励起光を分光分析することによって溶鋼中の炭素濃度を分析するステップと、
   を含み、
   前記集光レンズの焦点距離ｆと該集光レンズと前記溶鋼表面との間の距離ｌとが下記数式（１）に示す関係を満足し、
   前記溶鋼表面におけるレーザパルス光の１パルスあたりのパワー密度ρが下記数式（２）に示す関係を満足すること
   を特徴とする溶鋼中炭素濃度の分析方法。
   

   

   
2. 溶鋼表面にレーザパルス光が到達する前にレーザ誘起プラズマが生成されないようにレーザパルス光を溶鋼表面に集光照射する集光レンズと、
   前記レーザパルス光の集光照射に伴い発生するレーザ誘起プラズマからの励起光を分光分析することによって溶鋼中の炭素濃度を分析する分析手段と、
   を備え、
   前記集光レンズの焦点距離ｆと該集光レンズと前記溶鋼表面との間の距離ｌとが下記数式（３）に示す関係を満足し、
   前記溶鋼表面におけるレーザパルス光の１パルスあたりのパワー密度ρが下記数式（４）に示す関係を満足すること
   を特徴とする溶鋼中炭素濃度の分析装置。
   

   

   

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