JPH0217441A - アルミニウム溶湯中の水素濃度を測定するための装置 - 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〕 本発明はアルミニウム溶湯中の水素濃度を測定するだめ
の装置で、難溶性の焼結又は焼成されたセラミック材料
より成る水素透過性浸漬体を有するものに閏する。こご
にこの浸漬体は水素不ｉＵＤ性で難溶性の材掌１から成
る嵌合された微細管（ｌｆＸｌｐｉｌｌａｒｒｏｈｒ）
により、測定頭の中に置かれた圧力測定子と真空気密状
態でｉ！Ｉ！絡しているものである。

〔従来の技術、及び発明が解決しようとする課題〕アル
ミニウムとアルミニウム合金においては凝集状態と温度
によって、水素溶解度が大きく違う。

アルミニウム溶湯は炉のガス、大気中の湿気及び？１１
１２材（＾ｕｓｋｌｅｌｄｕｎｇｓＰＡａｔｅｒｉａｌ
）から水素を著しく吸収する。たとえばマグネシウムの
ような合金添加材を添加すると、溶解水素にさらに溶湯
の水素含有摂を高める水素化物や水和物が持ち込まれる
。凝固に際し、水素溶解度は金Ｅ１００ｇ当り約０、８
ｃｍ　’から０．０４ｃｍ’へと急減する。凝固の際、
過剰の水素はしばしば製品の機械的性質を害する微小気
孔として菜毒↓柘る。

高品質が要求される場合、鋳造工場においては、溶’ｔ
ｌ）の連続的水素監視が不可欠である。このような監視
は、多分、Ｓａｔ造装置の前での金属の品質の調整、金
属の処理（脱ガスや活性ガスによる異物の分離）におけ
る効率の調整、及びｒｒｉ後に被覆材の非水性の検査の
ために用いられるものである。

現在、次のような、上記１１！測定方法が１ηｈな成果
をもって採用されている。このような測定法はジ−ベル
トの法則を利用しているが、それは平衡状態における溶
湯の１１．濃度と気泡の１１！分圧ならびに浴温とを次
式によって関係づけるものである。

Ｃ−に１・ｅ−ｋｔ／Ｔψ下 Ｃ：溶湯の水素濃度（ａｍ’／１００ｇｔ９場）Ｐ：水
素の平衡圧（ｍｂａｒ） Ｔ：溶湯の絶対温度じＫ） にｌ＋Ｋｔ＋定数 公知の方法では溶湯中に窒素の旋回流が導かれる。飽和
平衡においては、水素濃度は熱伝導度セルによって測定
される。故障しやすい測定子が高価格であったり、熟練
者が必要なことにより、そのような装置は荒っぽい作業
には向いていない。

さらに、減圧した透明の真空室において溶湯試料を観察
する方法も知られている。もしこの圧力が溶ン易の水素
下１１圧より低いと、酸化物のカワ（Ｏｘｙｄｈａｕ　
Ｌ　）の下に気泡が形成される。この装置は作業上有益
ではあるが、測定値は主観的になる。

コノ測定法は低ＩＬａ度（≦０．１０ｃｍ’／１００ｇ
）　テハ使用することができない。

さらに別の公知の高温抽出法においζは、機（−（的に
注意深く準備された試料は、固体状態で５ｏ。

ないし１０ｏ’ｃにて、又は真空中で溶解後事活性ガス
流中にて捕集され、そして水素部分が測定される。この
方法は不経済で、実験室規模においてのみ実行可能であ
る。マグネシウム含有合金の場合この方法ではゲッター
効果の故に水素化物や水和物を析出する。

もっと別の周知の方法では、微＃１■管を経て圧力測定
子と連烙している、水素は透過するが溶湯はｉ３遇しな
い男ガ）製浸漬体が溶湯中に浸漬される。

まず介在ガスが真空ポンプにより除かれる。溶湯中に溶
解した原子状水素は、黒鉛壁のところでガス吹きのとき
と同様水素分子に再結合し、そして中空体の中へ拡１１
シして行く、水素の平ｆ％ｉ圧と浴温からジ−ベルトの
式にもとづき溶湯中の水素濃度が直接計算される。

以上のことに鑑み、発明者は、叙上の方法を達成するた
めの装置、ずなわら丈夫で節ｆｌＳ−に交換でき、しか
も応答時間がきわめて短かい装置を１）んとした。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では、特許請求の１１ｉ！囲１に示した特徴によ
り課題が解決された０本発明のさらに好都合な’４．１
は、従ｌｉ１請求項により１ｊえられる。

基本的には、本発明の装置は、水素透過性で溶場不透過
性の浸漬体、温度素子（Ｔｈｅｒｍｏａｌｅｍｅｎ　Ｌ
　）を）１１込んだ微細管、保：ｉ’ｑ及び嵌合（Ｓｔ
ｅｃｋｖｅｒｂｉｎｄｕｎｇ）とから成っている。浸漬
体の形態は、圧力測定子へ通ずるガス体積がきわめて小
さい場合に、溶湯流と可能な限り大きい交換面を許すも
のである。測定子の外寸は鋳造に用いられる遍路系にお
ける湯道（Ｋａｎａｌ）幅の約半分である。

１１、透過＋’＋の浸漬体は少なくとも三部分より成る
。

最上端部（０１：散設）は微細管によって測定頭（Ｍａ
ｓｓｋｏｐｆ）の中に組み込まれた圧力測定子と連絡す
る。最下端部（拡散膜）は最も節単な場合円盤状に形成
され、そして上部の中にかわりに置かれる。これら三部
分の結合部位における、また最表面部とｖＩＩ細管との
結合部位における封密は浴場（Ｒｉｄｓｃｈｎｅ　Ｉｚ
ｅ）によってなされる、ａｔｒｔ体は、溶湯と反応しな
い耐熱性材料によって形成される。

膜の気孔（Ｐｏｒｏｓｉ　ｔ；ｉ　Ｌ）は、溶湯／微細
管の１１．交換を溶湯の浸入なしに行い得るものとする
。特に、焼結又は焼成したセラミック材であって溶湯番
こ濡れないもの、たとえば黒鉛、窒化珪素、アルミナな
どが用いられる。

微細管は水素非透過性で、溶湯と反応しない材１１で作
られる。特に高密度アルミナないし酸化アルミニつＪ、
’ＶＣが用いられる。たとえば＾ｔ、０．プラズマ被覆
を施した鋼又はニッケル管でできた金属質の細管が同様
に用いられる。外径は保持方向への熱伝導を可及的釘小
さくするために出来るだけ小さくずべきである。さらに
、測定子を浸漬する際、引きずり込まれた溶湯の酸化物
のカワで管表面の漏洩箇所がＪｉえられることもある。

この漏洩箇所は１Ｔ径に比例し、そして大径では測定値
を悪くするものである。

温度素子は特にＮｉ　　Ｃｒ被覆素子であり、微細管に
より被覆されて、浸漬体に吸入されている。測定子の測
定頭への結合は、結合部にて行われる。

ガス柱（Ｇａｓｓｉｉｕｌｅ）の総体積（′／Ｍ定器の
無効体積）は、二三分の応答時間を保証するために１ｃ
ｍ”以下にする必要がある。

ｉ８湯中に平１勤して存在するか、介在する酸化物表面
に富化された水３：は浸漬体の表面で分ｈ１される。こ
のような過程は様々な可逆行程をたどる。

１）　対流又はＵｉ込みにより、新鮮な溶湯が浸漬体の
側を通って流れる。水素は著しく解離１゛る（陽子とし
て、そし”ζ自由電子として）。

２）　水素の解離状態からの変遷と浸漬体の表面への原
子の吸着。

３）　脱着（Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ）と１１１分子への
原子の再結４）水素込過性浸漬体を通じての拡散。

５）　非常に注を深く真空にした測定子における濃縮と
圧力構成、ガスはその場合、少なくとも一部分の浸漬体
の結合面を通じ、微細管及び嵌合部分を経゛ζ圧力測定
装置へ流れる。平面状態においては、浸漬体中の水素圧
は溶湯の１１．濃度と温度との関数（ジ−ベルトの法則
）で表わされる。測定の応答時間は測定子の無効体積へ
の拡１１！［速度に依存する。

無効体積が大きい場合にでも測定を妥当な時間で行おう
とするなら、測定頭の中に真空ブｒのほかに水素供給装
置が備えられる。圧力を変える場合、工程型ｇ者によっ
て操作されるＰＩＤｑ！１！！器によって測定子への１
１１が短時間にａＩ星ないし非円ｈＩ状態にされる。

供試溶湯の圧力と温度を殆んど同時に決定）゛ることに
より、溶湯の水素濃度の正るαな、ｉｆ価が６′α実に
行える。浸漬体の外部形状を単純化することにより、測
定子を再利用する際、みせかけの水素漠度を大きくする
水酸化物の除去が容易になる０本装置により鋳造現場と
作業における測定子の交換が迅速かつ確実になる９本閘
成は測定子を故障なく長期間使用できるようにするもの
である。

〔実施例〕

本発明のいっそうの効果及び詳細については以下の実施
ＪＩＩｉ様の説明及び図面（縦面図）により明らかにな
る。

第１図：浸ｔ１１体を有する本発明の装置。

第２図：浸漬体の別の実施態様。

第３図ニルツボで保護された浸漬体。

図１に示す溶湯中の水素濃度測定用装置は測定ｇ１に接
した密着Ｉ！りを有する圧力測定子２を有する。測定頭
１は迅速結合装置３により高密度アルミナ製の、たとえ
ば４闘の外径を有する微細管４と真空封密状態で結合し
ている。微細管４は圧搾空気で冷却された保護管５、即
ち下端が殺され（閉じられ）そして空気排出口６を有す
る竹で囲まれている。微細管の自由端は瞳（ないし笠）
状Ｆ、亀 の最初の黒鉛製の締念鳴１１り７に突きささっており、
この１１りの中に二番口の円盤状１ノ、Ｉｌｋ　ＩＩり
８が共通の界面９を形成して嵌められている。拡ｔｌ！
［ＩＩＷ７．ｏは１１法はａ＝ＩＯｍｍ、　　ｂ　＝　
５　Ｍ、　　ｃ　−＝　２　ｍｍ、ｄ＋−５ｏｎ＋ｎ＋
、ｄ雪−４０閾である。微細管４の内部にそし°ζそれ
と密着して、直径がたとえば１．５１１１１１のＮｌ　
−Ｃｒ被覆温度素了１１が設けられる。微細管４で被覆
された温に浸漬される。

測定頭１には真空弁１３と水素！！！１星介１４が取り
ｆ・１けられている。圧力測定子２、真空弁！３、水素
Ａ１１量弁１４及び微細管４は１本の結合路１５で互い
に連通している。

讐 第２図に浸漬＃＋ＩＯの他の態様の詳細な構造を示す、
そこでは複数の拡散ｎりが細胞状に重ねられており、最
初と最後の膜７．８の間に中間部分１６８ｂが界面９　
ｎ　＋　ｂ　＋　ｃを形成して嵌装されている。界面９
ａ、ｂ、ｃは水素集合路としての孔１７により互いに、
そして微細管４と連通している。溶場との交換器は、中
間部分の数に応じた配列で、基本的には無効体積を増す
ことなく、任、ａの大きさにすることができる。

第３図に第１図の下部における別の態様を示す。

騨 浸清餠１０は溶湯１２に浸漬される、たとえば酸化アル
ミニウム製のルツボ２０の中に置かれる。下方領域で浸
漬体の上方において、このルツボｔよ少なくとも１つの
比較的大きな直；）の開口２２を有する。

目的のためにはルツボ壁に１２０”で配置して開口を設
けるのがよい。

ルツボ２０はたとえば耐熱鋼でできたビーカー状保持具
１８により保護管５に懸架される。固定は周知の機械的
方法、たとえばビス（小ネジ）　１９．２＋、ボルト、
くさび、外及び内側に切られたネジ又は、バヨネット締
結（取り付けるものの周囲にビンを植えた方式）などで
なされる。

ル・ンボ２０をｔ８ン易１２に浸ンｎすると、熔ンＬ１
は開Ｌ１２２を経てルツボ室に流入し、最初の、ルツボ
２０の外側の溶湯面に応じた水準２４にて停止する。溶
ン易１２の水素濃度は充分浸漬された開口によって均等
にされる。？！！１定後装直後装置１２から引き上げら
れる。

そしてルツボ２０は開口２２を通じて深い二番１１の水
準２３まで溶湯を排出するが、その水準は開１１２２の
４瞥 位置によってきまる。浸漬＠１０はルツボ２０に閉じ込
められて残留した溶湯でなお空気から保護される。もし
測定￥ｉ置の運転を休止する場合は、装置はルツボ２０
の高さ以上逸文型加熱炉で加熱され、そして随時次の測
定に備える。

このルツボの使用７！！ｉ様は投入時間をさらに短かく
するし、何か月間もの耐久性を示すので、特に俳 望ましいものである。さらに、浸漬頭！Ｏの表面で水酸
化動用、即ち冷却され、空気にさらされたアルミニラＪ
、付着物の上に生ずる（■が溶湯中にガスをはき出しそ
して測定結果を誤らせるのを避けることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は浸漬体を有する本発明の装置の溜断面を示す図
である。 第２図はｔ３　ｉｎ体部の別の実施Ｂ＋’ｌ！を示ず縦
断面図である。 第３１Ａはルツボで保護された浸漬体を示す口である。 １：測定頭　　　　　　２：圧ノコ測定子ご３：迅速結
合装置　　　４：＠細管 ５：保護管　　　　　　６：空気排出ロア：拡ｆｌｋ　
ｌＩタ　　　　　　８：拡散膜４市 ９ａ、　ｂ、　ｃ　：界面　　　　　ＩＯ＝漫漬鋲１１
：温度素子　　　　　１２：溶湯 １３：真空弁　　　　　　１４；水素鋼■弁１５：細孔
　　　　　　　１６ａ、ｂ：中間部分の欣１７：孔　　
　　　　　　１８：ビーカー状保持貝１９：ビス　　　
　　　　２０ニルツボ２１：ビス　　　　　　　２２：
開口 ２３：浸漬時の）容湯面 ２４：引き上げ後の溶湯面 （外４名） 來ｌ凹

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、水素非透過性かつ耐溶性材料で出来、そして嵌合さ
   れた細管（４）を経て、測定子（１）の中に置かれた圧
   力測定子（２２）と真空封密状態で連絡している、焼結
   又は焼成されたセラミック材で出来た耐溶融性の水素非
   透過性浸漬体（１０）を用いてアルミニウム溶湯中の水
   素濃度を測定するための装置であって、該浸漬体（１０
   ）は少なくとも２つの、時として１つの共通の界面（９
   ）を有し、基本的には盤状に形成された拡散膜（７、８
   ）より成り、該微細管（４）は単一の又は複数の界面（
   ９）と自由に通じ合うことを特徴とする装置。 ２、請求項１に記載の装置であって、微細管（４）を収
   容する最初の拡散膜（７）は、その中に二番目の拡散膜
   （８）を嵌装する空所をあけておくことを特徴とする装
   置。 ３、請求項２に記載の装置であって、浸漬体（１０）の
   複雑な実施態様においては、その又はそれらの一面には
   時として次位にくる中間部分を収容するための空所を有
   する少なくとも１つの中間部分（１６ａ、ｂ）が挿入さ
   れ、その際、時として単数又は複数の界面（９ａ、ｂ、
   ｃ）が孔（１７）を経て互いに連絡するとともに細管（
   ４）と連絡していることを特徴とする装置。 ４、請求項１〜３のうらの１項に記載の装置であって、
   浸漬体（１０）の中に向けられた微細管（４）の端には
   、特にこの微細管と密接した温度素子（１１）が挿入さ
   れていることを特徴とする装置。 ５、請求項１〜４のうちの１項に記載の装置であって、
   浸漬体（１０）が、浸漬 体（１０）の上方の少なくとも一つの側に溶湯（１２）
   に完全に漬かる開口（２２）を有する測定頭（１）に懸
   架されたルツボの中に配置されていることを特徴とする
   装置。 ６、請求項５に記載の装置であって、ルツボ（２０）が
   特にビーカー状の保持具（１８）により測定頭（１）に
   固定された微細管（４）用保護管に懸架されていること
   を特徴とする装置。 ７、請求項１〜６のうちの１項に記載の装置であって、
   ガス柱の総体積に応じた測定装置の無効体積が１ｃｍ＾
   ３より小さいことを特徴とする装置。 ８、請求項１〜７のうちの１項に記載の装置であって、
   測定頭（１）には真空弁に加え、測定子への水素を短時
   間に調量ないし非調量状態とする水素調量弁が備ってい
   ることを特徴とする装置。 ９、請求項１〜８のうちの１項に記載の装置であって、
   浸漬体（１０）及びルツボ（２０）が黒鉛、窒化ボロン
   、窒化珪素又は酸化アルミニウムから成っていることを
   特徴とする装置。 １０、請求項１〜９のうちの１項に記載の装置であって
   、微細管（４）が高密度酸化アルミニウムから成ってい
   ることを特徴とする装置。