JPH0211098B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、溶融状態の金属表面に化学炎を吹き
つけて、溶融金属の表面を局部的に加熱し、その
部分から発生する発光スペクトルを分光して、溶
融状態にある金属中の成分を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、
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練製
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
して分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）
、
溶鋼より発生したガス中の含有成分の吸収スペク
トルを光学的に検知することによつて、溶鋼成分
の同定を行なう方法（特開昭56−145336）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
にはいたらず、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。このために溶融金属におい
て撹拌状態、湯面変動、溶融金属流が存在するよ
うな場合には、その変動を抑制するための種々の
工夫やその変動に追従するような機構の開発が必
要となる。また、装置の一部（プローブなど）を
溶融金属に接触または浸漬する必要のあるもの
は、溶融金属によるプローブの損耗や溶融金属と
プローブとの反応からプローブ自身を保護する必
要が生じる。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光照射等を用いる分
析方法では、激しい湯面変動に追従することが難
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融金属に浸漬する必要がある
ために、撹拌状態や溶融金属流が存在するような
状況下で、これらのプローブを安定かつ損耗する
ことなく浸漬しておくことは難しい。

本発明は前述のような溶融状態の金属の成分分
析を非接触かつ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
鋼などの精練製鋼プロセスにおいてオンライン・
リアルタイムで分析することを目指している。

（問題点を解決するための手段） 前述のような事情から、本発明は空気−アセチ
レン炎などの化学炎を溶融状態の金属の表面に吹
きつけた際に局部的に加熱されるスポツトを分析
対象とし、非接触で溶融金属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る。溶
融金属の表面に、種々の化学炎を吹きつけた場
合、溶融金属は化学炎によつて局部的に加熱され
る。その部分では溶融金属の成分の一部が熱的に
蒸発し、さらにこの一部が化学炎の内に入り、励
起されて発光スペクトルを発する。本発明は前述
のようにして発光するスペクトルを分光すること
により、溶融金属の成分を分光分析する直接発光
分光分析である。

本発明で用いる化学炎とは、燃焼ガスと助燃ガ
スを混合して着火して炎を形成させるもので、例
えば空気−アセチレン炎、空気−プロパン炎、空
気−都市ガス炎、空気−水素炎、酸素−アセチレ
ン炎、亜酸化窒素−アセチレン炎、酸素−シアン
ガス炎、酸化窒素−アセチレン炎、過酸化窒素−
アセチレン炎などである。

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
融金属と分析系が非接触であり、化学炎を溶融金
属表面に吹きつけ安定な表面を造ることができる
ことなら、撹拌、湯面変動や溶融金属流などが存
在するような環境でも、溶融金属成分を直接にオ
ンライン・リアルタイムで分析することができ
る。

溶融金属の表面で化学炎を吹きつけた際に生じ
る、局部的に加熱された部分から発する発光スペ
クトルには、化学炎自身の連続発光スペクトル、
溶融金属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。

I_abs＝I_Flane＋I_IR＋I_M＝C₁exp（−hc／kλT₁）＋（2π
hc²／λ⁵）exp（−hc／kλT₁）＋C₂ ・γ（T₂）・Ｐ（T₂）exp（−hc／kλT₁）＝｛C₁＋
2πhc²／λ⁵＋C₂・γ（T₂）・Ｐ（T₂）｝ I_abs：測定される発光スペクトル強度 I_Flane：化学炎自身からの連続発光スペクトル
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、T₁：化学炎の温度、ｋ：ポルツマン定数、
T₂：加熱された部分の溶融金属の温度、 γ（T₂）：測定される元素の溶鉄中での活量係
数 Ｐ（T₂）：測定される元素の蒸気圧 C₁，C₂：励起および発光における定数項 このため測定されるスペクトル強度は、化学炎
の温度と加熱された部分の溶融金属の温度とに依
存することになる。しかしながら、溶鋼への適用
を例にとると、溶鋼温度約1600℃に対し、例えば
空気−アセチレン炎約2200℃を吹きつけた場合、
化学炎の温度（T₁）は燃焼ガスと助燃ガスの組
成と比率によつて決まる。

また、溶鋼温度に比べ十分高温の化学炎を吹き
つけることにより、溶融金属の加熱された部分の
温度（T₂）も約200℃と安定した温度となる。こ
の結果前述の式におけるT₁は化学炎を選ぶこと
により一定の値となり、T₂は溶融金属の温度が
大幅に変動しない限りにおいては一定の値とな
る。したがつて、本発明の方法では、溶融金属中
の目的とする元素を測定する際に、溶融金属から
の赤外輻射等を考慮することなく分析を行なうこ
とができる。

さらに、測定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。化学炎
によつて加熱された部分からの発光スペクトルを
測定する場合には、溶融金属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融
金属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。

光フアイバーを用いる場合には、光フアイバー
の先端部が加熱された部分を指向するように設置
することが望ましい。光フアイバーの設置場所と
しては、化学炎形成用ランス中に設置することも
できるし、光フアイバー設置用ランスを、加熱さ
れた部分を臨むように新たに設けることもでき
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１図に本発明方法を実施するための装置例を
示す。この装置の基本的構成は、図に示すよう
に、化学炎を溶融金属に吹きつけるためのランス
２、局部的に加熱された部分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からなつている。溶融金属
の表面を加熱するためにガス吹込口４からランス
２内に燃焼ガスと助燃ガスとの混合ガスを供給
し、ガス吹き出し口７で化学炎を形成させて溶融
金属の表面に吹きつける。

前述の装置では、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１図では光フアイバー３を挿入し
ているが、光フアイバーの設置位置は、溶融金属
の局部的に加熱された部分が観測できる位置であ
れば、どこに設置してもよく、発光部分観測用の
光フアイバーのためのランスを新たに設置しても
よい。

光フアイバー３を、化学炎形成用ランス内に設
置することは、光フアイバーを溶融金属からの輻
射熱から保護することができ、燃焼ガスと助燃ガ
スとの混合ガスを吹き出しているために、溶融金
属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
は発光部分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。

化学炎を溶融金属の表面に吹きつけて発光分光
分析をする本発明では、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融
金属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、溶融金
属中に含まれる各元素の含有率を段階的に変化さ
せた試料を最初に準備し、これらに含まれる各元
素の含有率を基準に加熱された部分における各元
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、主成分元
素、例えば溶鋼の場合には、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１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
て化学炎吹きつけ用ランス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、化学炎を形成させて溶鋼表面
に吹きつけるためのガスの吹き出し口７がある。
アセチレン（燃焼ガス）および空気（助燃ガス）
からなる混合ガスは、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として吹き出し、外部より着火し化学炎と
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より加熱された部分９を
臨み、該部分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。

本実施例では空気−アセチレンによる化学炎を
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加熱部分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。

第２図に、本発明方法を用いて測定した、溶鋼
１の加熱部分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光を行つ
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。

（発明の効果） 本発明は、これまで溶融金属中の含有成分の分
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、溶融金属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１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る。第２図は、本
発明方法の実施において加熱部分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、本発明方法によつて得られた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…溶融金属、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…加熱部分、１０…分光器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶融金属の表面に化学炎を吹きつけて、局部
   的に加熱された部分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融金属成分の分光
   分析方法。 ２ 局部的に加熱された部分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
   て分光する特許請求の範囲第１項記載の溶融金属
   成分の分光分析方法。 ３ 化学炎を吹きつけるランス中に、先端が局部
   的に加熱された部分を指向するように光フアイバ
   ーを設けることを特徴とする特許請求の範囲第２
   項記載の溶融金属成分の分光分析方法。 ４ 局部的に加熱された部分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項記載の溶融金属成分の分
   光分析方法。