JPH01288765A - 処理鍋内溶鋼中の水素分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、製鋼プロセスにおける工程管理あるいは品質
管理上必須である溶鋼中の水素濃度を、溶鋼を採取せず
に迅速かつ連続的に求めるための分析装置に関するもの
である。

（従来の技術） 従来、溶鋼中の水素分析法としては、溶鋼の一部を石英
ガラス管などで吸引採取して急冷凝固させたのちに、こ
の試料片を加熱して水素を放出させ、ガスクロマトグラ
フなどで定量する方法が一般的である。しかし、この方
法は溶鋼の採取、急冷凝固、試料の移送、切断、秤量、
分析等の操作が煩雑で、また分析値が得られる迄の所要
時間が長い。また、溶鋼を採取して凝固させる際および
その後の試料調製の際に散逸する水素量が無視できない
上に、散逸量が作業操作によって大きくばらつくので分
析誤差が非常に大きくなるなどの欠点がある。

近年、上記のような問題点を解決するために、これまで
の分析方法にかわって溶鋼を採取せずに直接分析しよう
とする試みが行なわれるようになった。それは、溶鋼中
に不活性ガスを吹き込み、この不活性ガス中に拡散して
くる水素濃度を定量して溶鋼中の水素濃度を求める方式
のものである。

この方法は、英国特許第６８４８６５号明細書や米国特
許第２８６１４５０号明細書等に記載の方法に基づいて
アルミニウム精錬業界で実用されている、いわゆる従来
からＴｅｌｅｇａｓ法と呼ばれる技術が基本となってい
る。しかし、アルミニウムと鉄鋼とでは融点が大幅に異
なることや両金属間では水素の拡散速度が異なることな
どからＴｅｌｅｇａｓ法の技術をそのまま溶鋼へ適用す
ることはできない。そこで、溶鋼を対象とした分析条件
などが検討され、特開昭５８−１６８９３８号公報記載
の「溶鋼中の水素分析方法および装置」、特開昭５８−
１２９３４６号公報記載の「溶融金属中のガス定量方法
」などが提案されている。

また、本発明者らも製鉄現場での実験を繰り返し行い、
吹き込みガス気泡を細か（するためにポーラスプラグを
採用するなどの改良を加え、更に実用に即した分析操作
条件を明らかにし、信頼性の向上をはかり、特願昭６３
−３７３８３号として特許出願している。これらの特許
文献記載の方式は、いずれも溶鋼中へ吹き込んだ不活性
ガスを回収する容器を、溶鋼の処理容器（脱ガス装置の
浸漬管も含む）とは独立に、本目的の水素分析のために
設けている。溶鋼中への不活性ガス吹き込み管もほとん
どの場合、同様に水素分析のために溶鋼の処理容器とは
独立して設けている。

（発明が解決しようとする課題） 上記の特開昭５８−１６８９３８号公報、特開昭５８〜
１２９３４６号公報、特願昭６３−３７３８３号記載の
方式は、いずれも溶鋼中への不活性ガス吹き込み管と吹
き込んだガスを回収する容器とを一体化して分析専用の
プローブとして溶鋼処理容器とは独立させている。この
ような方法をとるとガス回収容器とガス吹き込み管を備
えた分析プローブの構造が複雑になり、耐久性やコスト
に影響を与える問題がある。ところが溶鋼処理容器など
を利用して、ガス回収容器を一体化する方法をとって、
溶鋼中の水素を回収することができれば、溶鋼中への浸
漬などの駆動機構の簡略化等の利点があり、更に合理的
であり実用性も向上する。

従って、本発明は溶鋼中に不活性ガスを吹き込んで水素
を回収してきて分析する装置において、ガス吹き込み管
と水素ガス回収容器とを例えば真空脱ガス処理装置の浸
漬ノズルや溶鋼処理容器を利用して設けることを特徴と
し、その具体的な構成条件を定めた新規で実用的な処理
鍋内溶鋼中の水素分析装置を提供するものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、溶鋼処理容器内溶鋼中の水素を精度良く迅速
に、かつオンラインで分析する新規で実用的な処理鍋内
溶鋼中の水素分析装置であり、その要旨とするところは
下記の通りである。

（１）　　処理鍋中の溶鋼に不活性ガスを吹き込んで、
溶鋼中の水素をそのガス気泡中に平衡状態を維持するよ
うに拡散放出させ、回収したガス中の水素分圧を測定し
て溶鋼中の水素含有率を求める分析装置において、 真空脱ガス装置の浸漬管外壁に、下部には不活性ガス吹
き込み管と接続し細かい気泡を排出するポーラスプラグ
を有し、上部がガス回収管に接続し、底部が溶鋼に対し
て開口しているガス回収凹部を設け、上記ガス回収管に
接続したガス搬送管の途中にガス回収管内の圧力測定器
、溶鋼蒸発微粒子のフィルターおよびガス回収管内に不
活性ガスを吹き込むための流路切り替器を設け、同搬送
管の他端に水素分析装置を接続したことを特徴とする処
理鍋内溶鋼中の水素分析装置。

（２）溶鋼を収容している容器の内壁に、不活性ガス吹
き込み管と接続し細かい気泡を排出するポーラスプラグ
を設置し、その上部の同一内壁に底部が溶鋼に対して開
口し、頂部が回収ガス搬送管に接続したガス回収容器を
設けたことを特徴とする処理鍋内溶鋼中の水素分析装置
。

（３）ガス回収管ないしはガス回収容器に接続し、上記
ガス搬送管の途中にガス回収管ないしはガス回収容器内
の圧力測定器、溶鋼蒸発微粒子のフィルター、ガス回収
管ないしはガス回収容器上部から不活性ガスを吹き込む
ための流路切り替器および、上記圧力計と連動してガス
回収管ないしはガス回収容器内圧力の増加に応じて分析
装置への回収ガス流量を減少させるように自動調節する
ガス流量調整装置を設け、同搬送管の他端に水素分析装
置を接続したことを特徴とする前記単項１または第２項
記載の処理鍋内溶鋼中の水素分析装置。

以下、本発明を第１図〜第３図に示す実施例装置をもと
に詳細に説明する。

本発明は、溶鋼中に不活性ガスを吹き込み、溶鋼中水素
濃度と不活性ガス中水素分圧との間に平衡関係を成立さ
せることを基本としている。従って、不活性ガス中に回
収された水素分圧が測定されれば、溶鋼中への水素の溶
解度はすでに測定されたデータがわかっているので、直
接溶鋼中の水素濃度が算出でき、検量線が不要である。

また、平衡関係が成立する範囲ならば、吹き込みガス流
量、吹き込み深さ、吹き込みガスの気泡径などの条件が
多少変動しても分析値に影響を与えない利点がある。こ
の平衡関係を維持する点で、本発明は前記の特開昭５８
−１２９３４６号公報記載の装置とは根本的に異なるが
、特開昭５８−１６８９３８号公報記載の装置とはこの
点においての考え方は一致している。

本発明者らは、特願昭６３−３７３８３号ですでにこの
平衡関係を維持する上での実用に即した操作条件を明ら
かにしたが、その骨子は溶鋼中への不活性ガスの吹き込
み深さを４０ｍｎ＋以上とし、ガス回収容器内の圧力を
７６０〜９７０ｍｍＨｇの範囲内とするなどであった。

本発明装置は、不活性ガス吹き込み部、水素ガス回収部
、水素ガス回収容器内圧力調整部および水素ガス分析部
を主体に構成される。

第１図は、溶鋼中に溶存する水素等を除去するための真
空脱ガス処理設備の溶鋼を真空槽２に吸い上げる役目を
する浸漬管上を利用して溶鋼中の水素を回収してきて分
析するものである。第１図は全体の構成を図示し、第２
図はその主要部分である水素ガス回収部の構成を示した
。

浸漬管上は、内側がマグネシア−クロマイト系、外側が
アルミナ系などの耐火材でできているが、その下部外側
面にガス回収用凹部６をつくる９この凹部６の底部７は
開口しており、浸漬管上の外側部分も開口しており溶鋼
工の流通が自由になっている。凹部６の浸漬管上の内側
部分の下部にはポーラスプラグ８が埋め込まれている。

ガス吹き込み管１０から供給される計等の不活性ガスは
細かい気泡となって、酸化アルミニウム等の細かい球状
粒子を焼結して製造した多孔質耐火物であるポーラスプ
ラグ８から吹き出される。吹き込むＡｒ等の不活性ガス
の気泡径は小さい程、溶鋼中の水素ガス濃度と気泡中に
拡散してきた水素ガス濃度とが平衡に達する時間が短か
くなり、水素定量の迅速化および定量精度・正確さの向
上に貢献する。

ガス回収用凹部６の上部の壁には、ガス回収管１土が取
りつけられており、ポーラスプラグ８から吹き込まれる
Ａｒガスはポーラスプラグ８が取りつけられているガス
回収用凹部６の内壁に沿って浮上し、ガス回収管土工中
に集められる。かならずしも吹き込んだＡｒガス気泡の
全部がガス回収管土工中に入るとは限らず一部は上部壁
９から外部の溶鋼土中に出ていく。しかし、本発明では
、特願昭６３−３７３８３号で明らかにした溶鋼中の水
素回収における平衡関係を維持する条件下で行うために
、吹き込んだＡｒガスの全てをガス回収管上上中に回収
する必要はない。

回収された計ガスは、回収ガス搬送管１２を流れ、圧力
計１３、溶鋼微粒子フィルター１４、流路切替弁１５、
流量自動調整器２１を通って水素分析装置土産に導入さ
れる。本発明の特徴である溶鋼処理容器を利用した水素
ガス回収においては、得られる利点が多いが、水素ガス
回収に適した溶鋼場面レベル、すなわちガス回収管上上
内の湯面レベルを自由に選択することが困難となる。そ
れぞれの溶鋼処理容器の都合で場面レベルが決められる
。第２図の実施例では、取鍋３中の溶鋼土中に浸漬管上
を挿入する深さはほぼ決まっているが、分析専用のガス
回収用プローブではないので浸漬深さの設定位置が最適
位置よりずれることを考慮しておく必要がある。その点
を考慮して、特にガス回収管の長さなどを安全サイドで
設計するが、浸漬深さが通常より深くなりガス回収管１
１の湯面レベルが上昇し、ガス搬送管１２方向に溶鋼が
浸入したり、吹き上げられたりすることを特に防止しな
ければならない。

ガス回収管上上内の圧力は圧力計１３で計測されるが、
この圧力は回収管底部から回収管内のＡｒガスを溶鋼が
押し上げる力に起因するが、回収ガス搬送管１２から水
素分析装置ユまでの配管等による負荷により発生する圧
力である。配管等による負荷は通常一定であるので圧力
の変動は回収管上上底部入口から上部の取鍋中の溶鋼の
深さによって左右される。そこで、本発明では、このガ
ス回収管上上内の圧力を常時測定し、圧力計１３と連動
させた流量自動調整器２１によって配管流路の開き具合
を変化させて流量を自動調整してガス回収管上上内の場
面レベルを一定とする方式を採用した。浸漬管上が溶鋼
土中へ浸漬される際の通常用いられる深さは、真空脱ガ
ス処理設備の構造上あるいは操業上、大略法っている。

しかし、その浸漬深さが深くなった場合は、ガス回収管
１１内の圧力は増加し、管内の場面レベルは上昇する。

また、浸漬深さが浅くなった場合は、圧力は減少し、場
面レベルは下降する。浸漬管の溶鋼中への浸漬深さの変
化によるガス回収管上土中の場面レベルの変化は、ポー
ラスプラグ８から吹き込んだ計ガス回収に支障をきたす
。ガス回収管の溶鋼による閉塞あるいは回収ガスの管へ
の入り込み不能のトラブルが起り易くなる。

第１図の本発明実施例装置を用いて溶鋼中に浸漬管上を
浸漬し、ガス回収用凹部６の上部壁９から取鍋３中の溶
鋼場面までの距離（深さ）を約３００Ｍとした時、ガス
回収管上上中の圧力は約７８５＋ｎ＋ｎＨｇであり、大
気圧より２５諭Ｈｇ加圧状態となっていた。したがって
、ガス回収管上上内の場面レベルは、取鍋３中の溶鋼場
面レベルよりも約４０胴押し下げられた位置にある訳で
ある。この条件が一応基準となるが、この基準からのガ
ス回収管上土中の湯面レベルの上昇を防止するために、
通常７８５ｍｍＨＨのとき約８００ｍ１／＋ｌｉｎで分
析装置Ｈに流していた回収ガス流量を流■自動調整器２
１の弁をしぼって流量を下げることにより回収管内圧力
を上昇させ、はぼ所定の湯面レベルまで下降させる。溶
鋼中に浸漬管上を浸漬する深さとガス回収管上上内の圧
力との関係は実測でき、そのときのガス回収管上上内の
場面レベルは容易に計算されるので、その圧力測定値に
応じて設定し直すべき水素分析装置１Ｂへの流量も容易
に知ることができる。所定の場面レベルよりもガス回収
管上上内の場面レベルが下った場合には、流量自動調整
器２１の弁を開くことによって流量を上げることにより
解決される。

第３図に示した実施例は、真空脱ガス処理設備など多く
の製鉄プロセスに用いられる取鍋中の溶鋼中水素を、別
個に分析専用として準備したプローブを用いることなく
、取鍋の内壁を利用して溶鋼中の水素を回収し、その場
で分析しようとするものである。取鍋３の通常入れられ
るべき溶鋼の場面レベルよりも下の位置にガス回収容器
２０を設置する。取鍋３の壁は、一般に内側はジルコン
系、外側はシリカ−アルミナ系の耐火材でできているが
、回収容器２０は同種の耐火材で製作する。

取鍋の内壁に、半円状で底部が開口し、頂部に回収ガス
搬送管１２を接続したガス回収容器２０を取りつけ、そ
の底部開口部７の真下の同一壁面に不活性ガス吹き込み
管１０を接続したポーラスプラグ８を取りつけである。

ボンベ１６から流ｆｆｉ計１７＃を通って供給されたＡ
ｒガスは、ポーラスプラグ８から細かい気泡となって取
鍋３の内壁面に沿って溶鋼土中を浮上して溶鋼中の水素
を回収して、ガス回収容器２０中に入り込み、回収ガス
搬送管１２から圧力計１３、溶鋼微粒子フィルター１４
、流路切替バルブ１５、流量自動調整器２１をこの順で
経由して分析装置上主に導入される。分析装置」には熱
伝導度検出器を備えたガスクロマトグラフを用いたが、
質量分析計を使用してもよい。

分析装置上主で、溶鋼中を通過して溶鋼中の水素濃度と
平衡関係にある不活性ガス中の水素濃度が測定される。

この水素濃度から求めた水素分圧をもとに、５ｉｅｖｅ
ｒｔｓの平衡式（Ｈ）＝Ｋｖ／ＰＨ２を適用することに
より、溶鋼中の水素濃度が決定できる。コンピューター
を利用したデータ処理装置１９により、オンライン　リ
アルタイツ・分析が可能である。

（実施例） 第１図に示す本発明装置を製鋼工場における真空脱ガス
設備（ＲＨ設備）の操業管理に採用した実施例について
述べる。不活性ガス吹き込み流量を１０００　ｔｎｌ　
／ｗｉｎ　、ガス吹き込み深さを６０＋ｎｍ、ガス回収
プローブから分析装置までのガス搬送管には内径５ｍｍ
、長さ約４０ｍのものを用いて実施したが、その時のプ
ローブ内圧力は７８５　ｗ！Ｉｇで約４０ｍａ＋の溶鋼
面の降下が起こった。真空脱ガス処理操業中のＲＨ処理
鍋の溶鋼中にプローブを浸漬し、２．５分に１回の割合
で回収ガス中の水素濃度を熱伝導度検出−ガスクロマト
グラフィーによって定量し、溶鋼中の水素含有率を求め
た。測定結果を、溶鋼をサンプリングして凝固させてか
ら分析する従来のピンサンプリング法による結果と比較
して第４図に示した。両者の水素分析結果はよ（一致し
、本発明が実用できることを示している。１試料の分析
に約２０分を要し、非常に煩雑で信頼性の低い従来法に
比べ、本発明法は、簡単に精度より２．５分で分析する
ことができた。なお、本発明による製鉄設備利用のガス
回収法はガス回収プローブの昇降動作等が不用で、ガス
回収を容易に効率よく、また、低コストで行うことがで
きた。

（発明の効果） 以上説明したように本発明は、従来一般に採用されてい
る溶鋼をサンプリング後急冷凝固し、再加熱して水素を
放出させ分析する方法に比べ、操作が簡単で定量値に対
する信頼性を著しく向上させる。これらの成果は低水素
鋼生産の工程管理・品質管理に大きく貢献するが、本発
明が最も貢献する点は、製鉄設備の浸漬管や取鍋を利用
して溶鋼中の水素ガス回収を容易に効率よ〈実施しうる
ことである。実施例で述べたが、ＲＨ処理操業ではこれ
までその場では知ることができなかった脱水素状況がオ
ンライン　リアルタイムで表示されるようになり、適切
な操業管理が実現される。その結果、オーバーアクショ
ンが防止され各種エネルギー源および耐火材の節約等に
よる経済効果は莫大で、低水素鋼生産の品質向上にも著
しい貢献を果たす。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例装置の全体構成の説明図、第
２図は第１図の本発明実施例装置の主要部分の詳細図、
第３図は本発明の他の実施装置の全体構成の説明図、第
４図は本発明装置によって測定された真空脱ガス処理設
備における溶鋼中水素濃度の経時変化を示す図である。 土・・・浸漬管、２・・・真空槽、３・・・取鍋、土・
・・溶鋼、ｉ・・・スラグ、６・・・ガス回収凹部、７
・・・底部開口部、８・・・ポーラスプラグ、９・・・
上部壁、１０・・・不活性ガス吹き込み管、上止・・・
ガス回収管、１２・・・回収ガス搬送管、１３・・・圧
力計、１４・・・溶鋼微粒子フィルター、１５・・・流
路切替弁、１６・・・不活性ガスボンベ、１７．　１７
’、　　１７’・・・流量計、１Ｂ・・・水素分析装置
、１９　・・・データ処理装置、２０・・・ガス回収容
器、２１・・・流量自動調整器 烙倒中＋東簾皮（ＦＰｍ’）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）処理鍋中の溶鋼に不活性ガスを吹き込んで、溶鋼
   中の水素をそのガス気泡中に平衡状態を維持するように
   拡散放出させ、回収したガス中の水素分圧を測定して溶
   鋼中の水素含有率を求める分析装置において、 真空脱ガス装置の浸漬管外壁に、下部には不活性ガス吹
   き込み管と接続し細かい気泡を排出するポーラスプラグ
   を有し、上部がガス回収管に接続し、底部が溶鋼に対し
   て開口しているガス回収凹部を設け、上記ガス回収管に
   接続したガス搬送管の途中にガス回収管内の圧力測定器
   、溶鋼蒸発微粒子のフィルターおよびガス回収管内に不
   活性ガスを吹き込むための流路切り替器を設け、同搬送
   管の他端に水素分析装置を接続したことを特徴とする処
   理鍋内溶鋼中の水素分析装置。
2. （２）溶鋼を収容している容器の内壁に、不活性ガス吹
   き込み管と接続し細かい気泡を排出するポーラスプラグ
   を設置し、その上部の同一内壁に底部が溶鋼に対して開
   口し、頂部が回収ガス搬送管に接続したガス回収容器を
   設けたことを特徴とする処理鍋内溶鋼中の水素分析装置
   。
3. （３）ガス回収管ないしはガス回収容器に接続し、上記
   ガス搬送管の途中にガス回収管ないしはガス回収容器内
   の圧力測定器、溶鋼蒸発微粒子のフィルター、ガス回収
   管ないしはガス回収容器上部から不活性ガスを吹き込む
   ための流路切り替器および、上記圧力計と連動してガス
   回収管ないしはガス回収容器内圧力の増加に応じて分析
   装置への回収ガス流量を減少させるように自動調節する
   ガス流量調整装置を設け、同搬送管の他端に水素分析装
   置を接続したことを特徴とする請求項１または２記載の
   処理鍋内溶鋼中の水素分析装置。