JPH0215816B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、溶融金属表面から蒸発する微粒子を
回収して、これを離れた場所に設置してあるプラ
ズマ励起源を有する発光分光分析装置にAr等の
不活性ガス流で搬送し、溶融金属中の各種成分の
含有率をオンラインリアルタイムで分析する方法
および装置に関するものである。

金属の精錬、製鋼プロセスなどの操業の管理に
は、可能な限り迅速に分析して成分含有率を把握
し、その結果によつて対応処置をとる必要があ
る。本発明は上記のように、溶融金属を直接分析
する技術であり、製鉄業あるいは非鉄金属製造業
などにおける製造工程管理分析や品質管理分析の
分野で利用されるものである。

（従来技術） 金属製造業における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
錬製鋼法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。

上記のような目的から、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
て発光分光分析する方法（BISRA Annual
Report：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
れもこれまで実際に製造現場で実用されておら
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
せて発光分光分析する方法（特願昭56−201154
号、特願昭58−30879号）などを発明し、さきに
特許出願を行なつた。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加熱源装置と
の間隔を一定に保つ必要があり、湯面変動が比較
的緩慢な場合には有効であるが、湯面変動が激し
い場合には変動を抑制するための種々の工夫が必
要である。

（発明の目的） 実際の製造現場でより実用的な溶融金属の直接
分析装置を開発するにあたつては、製造現場が、
高温、振動、ダスト等測定環境が非常に悪い点を
考慮しなければならない。従つて、悪い測定環境
下では、トラブルが起る分光・検出器等の精密測
定機器は溶融金属の存在する場所から離れた建屋
内に設置する必要がある。また、溶融金属は電気
的放電などによつて微粒子として蒸発させること
ができるが、可能ならば溶融金属自体の高熱によ
つて自然蒸発する微粒子を回収するなど微粒子の
蒸発を簡単な方法で行う必要がある。このような
事情から本発明は、溶融金属の製造工程管理分析
におけるオンラインリアルタイム分析を目的と
し、溶融金属表面に蒸発する微粒子を回収して、
プラズマ励起源を有する発光分光分析装置へ不活
性ガス流で搬送し、溶融金属中に含まれる各種成
分を簡単に迅速分析する実用的な分析方法および
装置を提供するものである。

（発明の構成・作用・実施例） 第１図に示す本発明の実施装置例をもとに、本
発明の構成、作用について説明する。第１図には
溶融金属として製鋼プロセスにおける処理鍋中の
溶鋼を対象とした例を示した。本発明の装置は
Arガスを収容した容器８、溶鋼２中に浸漬した
微粒子捕集槽１、微粒子搬送管９および高周波誘
導結合型プラズマ発光分光分析装置１０を主体に
構成される。微粒子捕集槽１はヒートシヨツク性
に強い耐火材、例えば窒化ホウ素や黒鉛などでで
きた円筒で、上部にArガス導入管３および微粒
子排出管５を取りつけてあり、底部は溶鋼を取り
入れるために空洞となつている。従つて、微粒子
捕集槽１を溶鋼２中に浸漬すると、内部に微粒子
蒸発室７の空間を有した密閉状容器となる。Ar
ガス容器８内のArガスは流量計によつて計量さ
れた一定流量で、Arガス導入管３へ導入され、
微粒子蒸発室７の上部に設けられたArガス導入
口４より供給される。微粒子蒸発室７内の溶鋼２
の表面から蒸発する溶鋼の微粒子は、Arガスに
よつて微粒子蒸発室７の上部に設けられた微粒子
排出管５の微粒子排出口６に運び込まれる。微粒
子搬送用のガスはプラズマ分析装置のプラズマ炎
の安定性との関係から規制され、Ar以外には
N₂、Heなどの不活性ガスが適している。現在空
気を用いるプラズマ炎の開発が進められている
が、この技術が完成した場合には、不活性ガスの
かわりに大気を用いることが可能となる。

溶鋼表面からは溶鋼自身の高熱によつて溶鋼の
微粒子が蒸発しているが、スパーク放電やレーザ
ービーム照射のような外部から強力なエネルギー
を与える場合に比べてその蒸発量は格段に少な
い。ラズマ発光分光分析は高感度な分析手法では
あるが、より良好な定量精度を得るために、微粒
子蒸発室７内における蒸発微粒子の回収効率を高
め、なおかつ安定した回収率を得ることが重要で
ある。そのために微粒子蒸発室７におけるArガ
ス導入口４および微粒子排出口６の設置位置が限
定される。

第２図は、第１図の粒子捕集槽１において予備
加熱室１５を設けず、微粒子排出口６もArガス
導入口４の高さに設け、Arガス導入管３に細管
を挿入する方法によつてArガス導入口４と溶鋼
２の表面との距離を変え、微粒子を回収してプラ
ズマ発光分光分析装置１０により微粒子中の各元
素の発光強度を測定した結果である。この結果に
よると、Arガス導入口４が湯面に近づくにつれ
て、蒸発する各元素の量、すなわち回収される微
粒子の量が減少し、蒸気圧の影響を受けて各元素
が異る挙動を示す。また、湯面に近づくにつれて
定量精度の低下も認められた。これらの現象は、
吹き込まれるArガスによつて溶鋼表面が冷却さ
れ温度の低下が起り、蒸発が抑制されるためと考
えられる。この対策としては、Arガス導入口４
および微粒子排出口６を溶融金属の湯面から離れ
た微粒子蒸発室７の上部の方に取りつける方法が
考えられるが、微粒子の回収効率が低下する欠点
がある。

そこで、第１図に示すようにArガス排出口４
と微粒子蒸発室７との間にArガス予備加熱室１
５を設け、微粒子排出口６を湯面に比較的近い位
置に設けた結果、微粒子回収率を大幅に向上する
ことができた。すなわち、微粒子捕集槽１は丸棒
材を用い底部は溶鋼の取り入れと微粒子蒸発室７
を形成するためくりぬかれているが、その蒸発室
７の上部には、小径の微粒子排出口６および比較
的大径のArガス予備加熱室１５の穴が開けられ
ており、同加熱室１５の上部はArガス導入口４
に接続する構造となつている。Arガス導入口４
から導入されたArガスは、溶鋼２から伝わる熱
によつて高温の赤熱状態となつた予備加熱室１５
の周囲の壁からの加熱および溶鋼２からの輻射熱
によつて加熱される。また、予備加熱室１５の穴
径は大きいために、溶鋼２の一部に直接当るので
はなく広範囲の溶鋼表面に拡散して供給されるた
め溶鋼表面温度の低下が抑制される。

また、本発明は供給したArガス圧によつて微
粒子を分析装置１０へガス搬送するものであり、
搬送距離も通常は長くなるため負荷が大きくな
り、大流量のArガスを流すと微粒子蒸発室７の
内圧が高くなり、蒸発室内に捕捉していた溶鋼２
が押し下げられてしまう。従つて、供給するAr
ガス流量は少なく予備加熱室１５で十分に加熱さ
れる。また、予備加熱室１５の構造は、Arガス
導入口４と微粒子蒸発室７との間に細径の小穴を
複数個開けて、微粒子捕集槽１に伝わる溶鋼の高
熱との効率の良い熱交換によつてArガスを加熱
する方式を採用してもよい。微粒子排出口６は溶
鋼２の表面に近い方が微粒子の回収率は向上する
か、あまり直近であると溶鋼が飛散した大粒子や
濃厚に蒸発した微粒子が凝集して生成した大粒子
が存在するので、溶鋼表面から10〜20mm程度が適
当である。Arガスを予備加熱する本発明による
と、第２図に示したような溶鋼温度の低下に起因
すると考えられる微粒子蒸発量の変化は起らず、
微粒子蒸発室７の内径をほぼ同じにした場合、微
粒子回収率は２〜３倍向上した。

微粒子排出管５は、ステンレス鋼管などの搬送
管９で分析装置１０のプラズマトーチ１１に接続
されている。微粒子蒸発室７中の微粒子は、導入
される一定流速のArガスにより微粒子排出口６
からプラズマトーチ１１へ搬送される。搬送管に
内径４mmφ、長さ40ｍのステンレス鋼管を用い、
Arガス流量を0.6／minとした場合には、微粒
子蒸発室７中の内圧は約150mmH₂Oとなつて湯面
は約２cm降下したが、溶鋼の微粒子は約18秒後に
プラズマトーチ１１に到達し、約10秒間の発光強
の積分を行うことにより、各元素とも再現精度が
良好な分析結果を得ることができた。搬送管内壁
には微粒子のわずかな残留が起るが、約30秒間を
要する１回の分析が終了後に、プラズマトーチ１
１直前に設けた切替バルブ１４を切替えてArガ
ス容器８′から10〜20／minの流量でArガスを
搬送管９を経て微粒子蒸発室７へ吹き込むことに
より、残留微粒子は除去できた。また、同時に微
粒子蒸発室７中の溶鋼は同室から排除され、切替
バルブ１４を切替えてもとの分析状態に戻すこと
により、取鍋中の新たな溶鋼が蒸発室７へ取り込
まれる。このような方法により処理鍋中の溶鋼の
精錬処理過程のオンライン分析も容易に行うこと
ができる。

プラズマトーチ１１に導入された微粒子はプラ
ズマの高温で励起発光され、その発光は分光器１
２によつて分光され、各波長位置に設定された光
電子増倍管等の検出器１３により各元素の発光強
度が同時に測定され、溶鋼中の複数元素の同時、
迅速分析が行える。本発明によれば、溶鋼中に不
純物として微量含有されるＣ、Ｐ、Ｓ、Si、Mn、
Ni、Crなど、Ｏ、Ｎ、Ｈのガス成分を除くほと
んどの元素の同時分析が行えた。発光分光分析装
置１０は、プラズマ励起源を有する発光分光分析
装置が適している。現在では、分析精度の良好さ
や取扱い易さの点からArプラズマを用いる高周
波誘導結合型プラズマ発光分光分析装置が最も適
当である。

自然蒸発による微粒子は、各元素の蒸気圧の関
係でもとの溶融金属中の化学成分組成を必ずしも
代表して蒸発していない。その顕著な例は蒸気圧
の低いMnで、例えば溶鋼中のMnの含有量が１
％のとき自然蒸発した微粒子中のMn含有率は約
20％となる。従つて、プラズマ発光分光分析装置
によつて得られた微粒子中の各元素の発光強度か
ら直接溶融金属中の各元素の含有率を求めること
は困難である。そこで、含まれる各元素の含有率
を段階的に変化させた溶融金属を最初に準備し、
この溶融金属中の各元素の含有率を基準に蒸発微
粒子中の各元素の発光強度との相関関係を調べ、
予め検量線を作成しておく。各元素の発光強度
は、一定時間における積分強度をそのまま用いて
もよいが、溶融金属の主成分、溶鋼ならばFeの
積分発光強度と分析目的元素の積分発光強度との
比を用いる方が定量精度が向上する。また、溶融
金属の温度は微粒子の蒸発量に影響を与え、浴温
が高いほど蒸発しやすくなるが、微粒子中の各元
素の含有比率も変る。そこで、対象とする溶融金
属の製造プロセス等において、浴温の変化が起る
場合には、浴温を変化させた時の各元素の含有率
と発光強度との相関関係を予め調べ、作成してあ
る検量線を採用する。すなわち、ある一定温度の
溶融金属を対象に作成した検量線の勾配を浴温で
補正する方法で各元素の含有率を精度よく求める
ことができる。しかし、製鉄における精錬プロセ
スでは溶鋼温度の変動は非常に少なく、1600℃の
溶鋼に対して約10度前後の変動であり、このよう
な場合は浴温による各元素の分析値の補正はほと
んど必要ない。

（発明の効果） 本発明は以上説明したように、これまで溶融金
属試料中に含有成分の分析にあたつて実施してき
たサンプリング、冷却固化、切断、研摩等の前処
理などの煩雑な操作を行わずに、迅速かつ精度よ
く直接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効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例装置の説明図、第２図は
本発明装置におけるArガス導入管先端の溶鋼湯
面からの距離と湯面から蒸発する微粒子中の各元
素濃度との相関関係を調べた結果を示す図であ
る。 １……微粒子捕集槽、２……溶融金属、３……
Arガス導入管、４……Arガス導入口、５……微
粒子排出管、６……微粒子排出口、７……微粒子
蒸発室、８……Arガス容器、９……微粒子搬送
管、１０……高周波誘導結合プラズマ発光分光分
析装置、１１……プラズマトーチ、１２……分光
器、１３……検出器、１５……Arガス予備加熱
室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 容器の開口した底部を溶融金属に浸漬して容
   器内部に密閉状空間を形成せしめ、該容器の上部
   から不活性ガスを溶融金属の熱で予備加熱しなが
   ら導入し、溶融金属表面から蒸発する微粒子を前
   記不活性ガス導入口よりも下方に設けた排出口よ
   り排出し、プラズマ発光分光分析装置に搬送導入
   して微粒子中の各元素の発光強度を測定し、溶融
   金属中に含まれる各元素濃度を求めることを特徴
   とする蒸発微粒子回収溶融金属分析方法。 ２ 溶融金属表面から一定距離離れた上部に不活
   性ガス導入口を、同導入口に接続して下端を溶融
   金属表面近くに開口する不活性ガス予備加熱室
   を、同導入口よりも下方で溶融金属表面近くに微
   粒子排出口を設け、底部を開口し該底部を溶融金
   属中に浸漬して密閉状態を保持する微粒子捕集
   槽、および同捕集槽の微粒子排出口と微粒子搬送
   管を介して接続したプラズマ発光分光分析装置か
   らなることを特徴とする蒸発微粒子回収溶融金属
   分析装置。