JPH0211097B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、溶融状態の鉄表面に酸素または酸素
を含む混合ガスを吹きつける時、例えば転炉内で
の酸素吹きつけによる吹錬時、に形成される火点
から発生する発光スペクトルを分光し、溶融状態
にある鉄中の各種成分の含有率を分析する方法に
関するものである。

〔従来の技術〕

金属の精錬、製鋼プロセスなどの操業の管理に
は、可能な限り迅速に成分を分析して成分含有率
を把握し、その結果によつて対応処理をとる必要
があるため、種々の迅速な分析方法が提案され
て、製鉄業などにおける製造工程管理分析や品質
管理分析の分野で利用されている。

従来の金属製造工程管理分析には、溶融金属を
サンプリングして固化させたブロツク試料を対象
とするスパーク発光分光分析法が多用されてい
る。しかし、近年とくに、鉄鋼業に見られるよう
に、より迅速な製造工程管理あるいは多段精錬製
鋼などの新製造プロセスの操業管理のために、溶
銑や溶鋼のような溶融金属を直接分析対象とする
オンラインリアルタイムの分析手法の開発が強く
要請されている。

前述のような目的から、これまで溶融金属を
Arガスを用いた特殊な噴霧器によつて、微粉化
して発光分析装置に導入し分光分析する方法
〔BISRA Annual Report（ビスラ アニユアル
レポート）：78（1966）、65、78（1967）、35（1968）
〕
など、各種の手法が研究されてきた。しかし、い
ずれの方法もこれまで実際に製造現場で実用され
るまでには至らず、実験室規模で試みられたにす
ぎない。本発明者らも、溶融金属にプラズマアー
ク、スパーク等の電気的放電あるいはレーザービ
ーム等の照射を行つて、溶融金属の組成を代表す
る微粒子を蒸発させ、発光分光分析する方法（特
願昭56−201154号、特願昭58−30879号）や、底
部に溶融金属を捕捉した密閉容器の上部から、不
活性ガスを導入し、溶融金属表面から蒸発する微
粒子を回収し、発光分光分析する方法（特願昭59
−16965号、特願昭59−16966号、特願昭59−
16967号、特願昭59−75034号）などを開発し、さ
きに特許出願を行つた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

これらの発明は、溶融金属表面とスパーク放電
用電極先端などの加熱源装置との間隔を一定に保
つ必要があり、また、装置の一部を溶融金属中に
浸漬する必要があるため、転炉などのようにはげ
しい撹拌や、はげしい湯面変動のあるような場合
には、その変動を抑制するための種々の工夫が必
要となる。例えば転炉内での吹錬時に溶鋼を直接
分析する際には、吹錬に供う溶鋼の激しい撹拌お
よび激しい湯面の変動に対して、これらの影響を
受けることのすくない分析方法を採用する必要が
ある。これに対し、これまで開発されてきた技術
のうち、スパーク放電やレーザービーム射照等を
用いる分析法では、激しい湯面変動に追従するこ
とが難かしく、また、微粒子を採集するような方
法では分析用プローブを溶鋼に浸漬する必要があ
るため激しい撹拌状態が存在する状況で、これら
プローブを安定に浸漬しておくことは困難であ
る。

本発明は、前述のような溶融状態の鉄の成分分
析を非接触で短時間に分析することを目的になさ
れたものである。

また、他の目的としては、鉄鋼の精錬、製鋼プ
ロセスにおいてオンラインで分析することを目指
している。

〔問題を解決するための手段〕

前述のような事情から、本発明は酸素または酸
素を含む混合ガスを溶融状態の鉄の表面に吹きつ
けた際に形成される火点を分析対象とし、非接触
で溶鉄の成分を発光分光分析する実用的な分析法
を提供するものであり、従来とは全く異なる溶鉄
の分析手段を開発したものである。

転炉においては、酸素または酸素を含む混合ガ
スで吹錬を行う際、前記ガスが吹きつけられた溶
鋼表面では、O₂によつて溶鋼の成分であるＣ、
Feなどが燃焼して、火点（Hot Spot）と呼ばれ
る高温部が形成されることが従来より知られてい
る。この火点は、例えば溶鉄中のＣ濃度が約３
％、O₂の吹きつけ量が170m³/h・tで、2500℃程度
となる。本発明者らは、この火点を呼ばれる高温
部において溶鋼成分の一部が発光していることを
見い出した。これは、火点部分の温度が前述によ
うに非常に高いことから、溶鋼成分の一部が火点
において熱的に蒸発し、蒸発した成分の一部がさ
らに励起されて発光スペクトルを発するためであ
る。

本発明は、上記のような火点からの発光スペク
トルを分光することにより、溶鉄成分を分光分析
できることを見い出し、完成したもので、本発明
は、酸素または酸素を含む混合ガスを溶鉄表面に
吹きつけた時に生じる火点を励起源とする溶鉄成
分の直接発光分光分析である。

このため励起源としてスパーク放電やレーザー
光の照射などを用いる従来の技術に比べて、本発
明は簡単な構造のシステムで実施でき、また、溶
鉄と分析系とが非接触であり、酸素はたは酸素を
含む混合ガスを溶鉄表面に吹きつけて安定な溶鉄
表面を造ることから撹拌や湯面変動が存在するよ
うな環境、例えば吹錬時の転炉内、などでも溶鉄
成分を直接にオンライン・リアルタイムで分光分
析できる。

火点から発する発光スペクトルには、溶鉄から
の赤外輻射による連続スペクトルと各測定元素に
基づく輝線スペクトルとがあり、連続スペクトル
は分光分析の際のバツクグランド発光として測定
される。測定されるスペクトル強度は下記の式で
表わすことができる。

Iabs＝I_IR＋I_M＝（2πhc²／λ⁵）exp（−hc／kλT）＋
〓・γ（Ｔ）・Ｐ（Ｔ）exp（−hc／kλT） ＝｛2πhc²／λ⁵＋〓・γ（Ｔ）・Ｐ（Ｔ）｝exp（
−hc／kλT） Iabs：測定される発光スペクトル強度 I_IR：赤外輻射によるバツクグランド発光のスペ
クトル強度 I_M：測定される元素の発光スペクトル強度 λ：測定波長、ｈ：プランク定数、Ｃ：光の速
度、 Ｔ：火点の温度、ｋ：ボルツマン定数、 λ（Ｔ）：測定される元素の溶鉄中での活量係数、 Ｐ（Ｔ）：測定される元素の蒸気圧、 〓：励起および発光における定数項、 である。

このため測定されるスペクトル強度は火点の温
度に依存し、火点の温度変化の影響を受ける。火
点の温度は、純酸素を吹きつける場合にはその吹
きつけ量に、また酸素を含む混合ガスを吹きつけ
る場合には混合ガスの組成と吹きつけ量により変
化するが、同一の吹き込み条件での変化は少な
く、±20℃位と見込まれる。そこで、例えば火点
温度が2200℃から±50℃に変化した場合のスペク
トル強度の変動を、Mnを例に考えると、赤外輻
射および原子の発光に寄与するexp（−hc／kλT）
の項の影響で、最大約50％のスペクトル強度の変
動が見込まれるが、測定される元素の蒸発量に寄
与するγ（Ｔ）およびＰ（Ｔ）の項からの影響は、
γ（Ｔ）からは最大で約３％、また、Ｐ（Ｔ）から
は最大で約10％の変動が見込まれるにすぎない。
したがつて、本発明方法では、溶鉄中の目的とす
る元素を測定する際に、溶鉄からの赤外輻射によ
る発光強度を同時に測定して、バツクグランド発
光の強度を規格化してやることにより、火点の温
度変化の影響を補正し、精度のよい分光分析が可
能となる。さらに、測光系に波長変調システムを
用いれば、シグナルとバツクグランドとを分離す
ることができ、さらに精度のよい測定ができる。

火点からの発光スペクトルを測定する場合に
は、溶鉄が存在する場所とは異なる場所におかれ
た分光器に発光スペクトルを導入する必要があ
る。特に実際の操業現場では、高温、振動、ダス
ト等により測定環境が非常に悪い点を考慮し、分
光器などの精密測定装置は溶鉄などが存在する位
置からなるべく離し、独立した所に設置すること
が望ましい。そのため発光スペクトルを分光器ま
で伝送するための光学系が重要である。光学系と
しては、光フアイバーを用いて発光スペクトルを
伝送する方法と、レンズ、鏡、プリズムなどを用
いるレンズ系で発光スペクトルを伝送する方法と
があるが、比較的長い距離の光伝送を行う場合に
は光フアイバーを用いる方法の方が、光学系の設
計上有利である。

分光器には通常の分散型の分光器を用いるが、
分解能のよい非分散型の分光器であれば、非分散
型の分光器を用いてもよい。

次に図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
第１ｂ図に製鋼プロセスにおける酸素吹錬中の火
点を対象とした本発明方法を実施するための装置
例を示す。この装置は、基本的構成は第１ａ図に
示すように、酸素または酸素を含む混合ガスを溶
鉄鋼に吹きつけるためのランス２、火点９からの
発光スペクトルを分光器１０に導入するための光
学系としての光フアイバー３、および発光スペク
トルを分光するための分光器１０からなる。火点
９を形成させるためにガス吹込口４からランス２
内に酸素ガスを供給し溶鋼表面に酸素ガスを吹き
つけるが、火点の温度の調整などの目的で酸素に
Ar、N₂、CO₂などの不活性ガスやCO、炭化水素
ガス等を混ぜた混合ガスを使用することもでき
る。前述の装置では、酸素吹錬用ランス２は、溶
鋼１からの輻射熱からランス２を保護するため
に、二重管構造のものを用いて水冷とした。すな
わち、冷却水が注入口５からランス２内に注入さ
れ、排出口６から出る。

また、第１ａ図および第１ｂ図では、酸素吹錬
用ランス内に光フアイバー３を挿入しているが、
光フアイバーの設置位置は火点が観測できる位置
であれば、どこに設置してもよく、火点観測用の
光フアイバーのためのランスを新たに設置しても
よい。また、酸素の吹錬用ランスの外に、分析用
の火点を形成させるための酸素またま酸素を含む
混合ガスを吹き込むランスを設置してもよい。光
フアイバー３を吹錬ランス内に設置することは、
光フアイバーを溶鋼からの輻射熱から保護するこ
とができ、酸素または酸素を含む混合ガスを吹き
出しているために溶鋼からのダストなどによる光
フアイバー端面の汚れを防ぐことができ、また一
本のランスで目的が達せられることから、装置が
簡単になるという利点がある。

光学系としては、光フアイバー以外にもレンズ
系を用いて発光スペクトルを分光器に導入し、分
光分析することもできる。レンズ系の配置として
は火点を観測できる位置であれば、どこでもよい
が、レンズ系を装備したランスを新たに設置する
ことが光学系の保持および保護の観点からは望ま
しい。

火点の熱を蒸発および発光源とする本発明で
は、一般の分光分析と同様に、測定される発光ス
ペクトル強度だけから溶鋼中の成分の含有率を直
接定量することはできない。そこで、従来なされ
ているように、溶鋼中に含まれる各元素の含有率
を段階的に変化させた溶鋼を最初に準備し、この
溶鋼中の各元素の含有率を基準に火点における各
元素の発光スペクトル強度との相関を調べ、予め
検量線を作成しておくと良い。各元素の発光スペ
クトル強度はそのまま用いてもよいが、溶鋼の場
合には、その主成分であるFeの発光スペクトル
強度と分析対象元素の発光スペクトル強度の比を
用いる方が定量精度が向上する。

〔実施例〕

第１ａ図に示した装置を用いて、溶鋼を対象と
してMnの分析を行つた。光フアイバー３を挿入
した酸素吹きつけ用ランス２を溶鋼１の表面上の
所定の位置に取りつけた。溶鋼１からの輻射熱か
ら保護するために、該ランス２は二重管構造を採
用し、水冷した。冷却水は注入口５より入れ、排
出口６より排出した。ランス２底部（溶鋼１を指
向する側）には、酸素または酸素を含む混合ガス
を溶鋼表面に吹きつけるためのガスの吹き出し口
７がある。酸素または酸素を含む混合ガスは、ガ
ス吹き込み口４からランス２中に入れ、吹き出し
口７より高速のガスジエツト８として溶鋼表面に
吹きつけた。光フアイバー３の先端は、この吹き
出し口７より火点９を臨み、火点からの発光スペ
クトルを分光器１０まで伝送する配置とした。

本実施例では純酸素25/minをランス２より
溶鋼表面１に吹きつけ、吹き出し口７の直下に形
成される火点９からの発光スペクトルを光フアイ
バー３により焦点距離75cmの分光器１０に伝送し
て測定した。なお、用いた溶鋼１の炭素濃度は約
３％であり、ここで形成された火点９の温度は
2150℃±20℃であつた。

第２図に、本発明方法を用いて測定した。溶鋼
１の火点９から発生したFeおよびMnの発光スペ
クトルを示した。Feの385.9nmの原子線および
Mnの403.4nmの原子線をそれぞれ測定した。本
測定では、分光器１０の検出器部にフオトマルチ
プライヤーの代りに自己走査型検出素子を並べた
ものを用い、スペクトルの高速走査測定を行つ
た。

第３図に本発明方法を実施して得られたMn濃
度と、その時に採取した溶鋼サンプルの化学分析
によるMn濃度との比較を示した。本発明方法に
よるMnの分析値と化学分析によるMnの分析値
は非常によく一致し、本発明方法が溶鋼中のMn
含有率の分析に充分使用できることが確認され
た。

本発明方法では、その測定原理からMnなどの
ように火点の温度において溶鋼から蒸発し発光す
る元素については分析することができる。しかし
ながら、火点近傍が酸素雰囲気になつていること
から、主な発光スペクトルが真空紫外領域に存在
するような窒素、酸素、Ｓ、Ｐなどの元素を分析
することは困難である。

〔発明の効果〕

本発明は、これまで溶鉄中の含有成分の分析に
おいて実施されているサンプリング、冷却固化、
切断、研磨等の前処理のための煩雑な操作を行わ
ずに、溶鋼の成分を直接にオンライン・リアルタ
イムで分析することができ、金属の精錬や製鋼プ
ロセス等の操業管理に極めて有効なものである。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は本発明を実施するにおいて用いるラ
ンスの一例構成を示す断面図であり、第１ｂ図は
該ランスを用いた本発明の一実施態様を示す断面
図である。 第２図は、本発明方法の実施において火点９で
発光したFeとMnのスペクトルを示すグラフであ
る。第３図は、本発明方法を一態様で実施して得
たMn濃度の分析結果と、同時に採取した溶鋼サ
ンプルの化学分析によるMn濃度の分析結果との
関係を示すグラフである。 １…溶鋼、２…ランス、３…光フアイバー、４
…ガス吹き込み口、５…冷却水注入口、６…冷却
水排出口、７…ガス吹き出し口、８…ガスジエツ
ト、９…火点部、１０…分光器、１１…転炉、１
２…スラグ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶鉄表面に酸素または酸素を含む混合ガスを
   吹きつけた時に形成される火点から発生する発光
   スペクトルを分光することを特徴とする溶鉄成分
   の分光分析方法。 ２ 火点から発生する発光スペクトルを光フアイ
   バーを用いて分光器に伝送し分光する特許請求の
   範囲第１項記載の溶鉄成分の分光分析方法。 ３ 酸素または酸素を含む混合ガスを吹きつける
   ランス中に、先端が火点を指向するよう光フアイ
   バーをもうけることを特徴とする特許請求の範囲
   第２項記載の溶鉄成分の分光分析方法。 ４ 火点から発生する発光スペクトルをレンズ系
   を用いて分光器に導き分光する特許請求の範囲第
   １項記載の溶鉄成分の分光分析方法。 ５ 溶鉄は転炉中の溶鉄である特許請求の範囲第
   １項記載の溶鉄成分の分光分析方法。